Рост антропогенных воздействий на окружающую природную среду, вызванные этим изменения ее состояния приводят к необходимости совершенствования и развития методов наблюдения природных объектов и их составляющих, создания на этой основе соответствующих аппаратно-технических средств. Новые методы и средства наблюдения и контроля могут принципиально отличаться от уже существующих систем как по положенным в их основу физическим, химическим и другим принципам наблюдения, так и по номенклатуре наблюдаемых и контролируемых характеристик природных объектов. Так, в последнее время значительное внимание стало уделяться наблюдениям природно-территориальных комплексов (ПТК), рассматривая их в качестве базовых элементов окружающей природно-техногенной среды. Состояние ПТК характеризуется качеством и совокупностью выполняемых ими функций, а так же признаками, описывающими структуру ПТК. Структурно-функциональные части ПТК имеют свои метрические характеристики такие, как длина, ширина, высота, форма, ориентация в пространстве, цвет, спектральная отражательная способность и т. д. Часть этих характеристик уже освоена исследователями, методы (способы) их измерения успешно применяются в различных системах дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Однако важнейшие характеристики природных объектов, связанные с их формой, линейными размерами, положением в пространстве, а также характеристики поверхностей природных объектов вплоть до настоящего времени не получили распространения при оценке состояния окружающей природной среды и выявления негативно влияющих на это состояние процессов природного и антропогенного характера. Причина однаотсутствие эффективных методов и способов наблюдения и измерения.
Наиболее легкодоступными источниками информации об объектах реального мира являются их фотоизображения. В связи с этим последние 15 лет большое внимание уделялось разработке систем и алгоритмов построения цифровых моделей реальных объектов по их фотоизображениям. Однако доведенные до коммерческого уровня компьютерные системы построения трехмерных образов реальных объектов, например, Сапоша, 1п^еМос1е1ег, РИоЮМосЫег, требовали точного выделения на фотоизображениях этих объектов специфических элементов, таких, как вершины, ребра, границы и т. д., и сопоставления этих специфических элементов (вершин, ребер и границ) с их аналогами выбранной цифровой модели. Этот процесс трудоемок, что существенно снижало привлекательность самих методов, и подобного рода компьютерные системы не получили широкого распространения. Кроме того, весьма существенным ограничением для применения метода в задачах наблюдения и контроля состояния природных объектов является характер поверхности самих объектов, на изображении которой достаточно трудно выделить характерные элементы типа вершины, ребра и границы объекта и, соответственно, сопоставить их с выбранной моделью. Такие поверхности относятся к категории поверхностей с невыраженной текстурой. В то же время интенсивно развивающиеся в последнее время оптико-электронные средства получения изображений реального мира в цифровой и доступной для компьютерной обработки форме открывали новые перспективы для их применения в системах наблюдения и контроля состояния окружающей природной среды. Привлекательность методологии изучения реальных природных и природно-техногенных объектов по их фотоизображениям, открывающиеся для этого возможности современных оптико-электронных средств получения первичной информации сформировали очевидную потребность в создании автоматизированных измерительных системах для построения трехмерных моделей по изображениям природных объектов, имеющих поверхности со слабовыраженной текстурой.
Цель работы.
Целью данной работы является разработка методов (способов) и алгоритмов построения с помощью цифровых фотоизображений объектов со слабовыраженными (или вообще невыраженными) поверхностями их трехмерных цифровых моделей, а также разработки на этой основе измерительных систем с высокой степенью автоматизации процесса измерения характеристик природных объекта и их элементов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— разработать компьютерный алгоритм построения трехмерной цифровой модели реального объекта, имеющего поверхности со слабовыраженной текстурой, по его изображениям, полученным оптико-электронными средствами;
— разработать измерительную систему для практической реализации компьютерного алгоритма построения трехмерных цифровых моделей объектов реального мира с поверхностями, не имеющими выраженной текстуры, и способы применения этой системы в задачах геоэкологического мониторинга на примере наблюдения состояния водных объектов, в частности процессов разрушения их берегов и определения уровней воды, и геометрических характеристик дымовых струи в атмосфере;
Предметом исследования является разработка методов (способов) определения особых точек на поверхности объектов реального мира, которые можно было бы идентифицировать на нескольких фотоизображениях этой поверхности как общие (сопряженные) точки, а также реализация этих способов в измерительных системах геоэкологического мониторинга, позволяющих проводить наблюдения процессов разрушения берегов водных объектов, измерять уровни воды, а также траектории движения в атмосфере дымовых струй, образованных выбросами объектов промышленности и энергетики.
Научная новизна и практическая значимость работы.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые методы (способы) построения цифровых трехмерных моделей реального мира по их фотоизображениям применены к задачам изучения, наблюдения и контроля состояния природных образований (объектов) с характерной особенностью их поверхности, а именно отсутствием выраженной на ней текстуры. Для этих целей впервые предложен метод искусственного создания на нетекстурированной поверхности специальных световых меток (например, с помощью лазерного устройства), которые, с одной стороны, совпадают с наблюдаемой поверхностью, с другой стороны, легко идентифицируются на совокупности фотоизображений этой поверхности. Таким способом относительно легко формируется облако общих (сопряженных) точек практически для любой поверхности.
Реализация этих методов в форме измерительных систем позволяет создать аппаратно-техническую базу для изучения метрических параметров процессов разрушения берегов водных объектов, для слежения за изменениями уровня водной поверхности. Применение метода (способа) построения трехмерной модели объекта реального мира по его фотоизображениям позволяет осуществить непрерывное наблюдение (измерение) траектории дымовой струи, образующейся в атмосфере при выбросах загрязняющих веществ предприятиями промышленности и энергетики. Такие наблюдения играют в ряде случаев исключительно важную роль при решении задач охраны окружающей среды, оценки экологической обстановки вокруг действующих предприятий, выявления реальных экологических угроз, особенно в аварийных ситуациях. Автор защищает:
• алгоритм выявления на совокупности фотоизображений поверхности, имеющей слабовыраженную текстуру, сопряженных точек и построения на этой основе ее цифровой трехмерной модели;
• метод (способ) формирования облака сопряженных точек на фотоизображениях природного объекта с нетекстурированной поверхностью путем ее маркировки световым пятном лазерного луча;
• измерительную систему, предназначенную для получения облака трехмерных точек нетекстурированной либо слаботекстурированной поверхности природного объекта и построения его цифровой трехмерной модели;
• способ применения измерительной системы для получения необходимых данных измерений и построения цифровых трехмерных моделей реальных обрывов береговой линии Рыбинского водохранилища;
• метод (способ) измерения уровней воды по фотоизображениям специальным образом маркированной водной поверхности, и измерительную систему, реализующую указанный способ гидрологических наблюдений;
• метод (способ) измерения геометрических параметров пространственного положения дымовой струи по ее фотоизображениям, и измерительную систему для наблюдения в масштабе реального времени высоты подъема загрязняющих веществ при их выбросе в атмосферу предприятиями промышленности и энергетики.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на Второй конференции молодых ученых национальных гидрометеослужб государств-участников СНГ «Новые методы и технологии в гидрометеорологии» и опубликованы в следующих работах автора:
— Дмитриев И. Е. Информационно-измерительные комплексы для оценки и контроля состояния природных и природно-техногенных объектов визуальными методами // Труды ГИПЭ — 2005.
Дмитриев И.Е. Информационно-измерительная система контроля радиоактивных выбросов в аварийных ситуациях // Труды ГИПЭ — 2005.
— Дмитриев И. Е. Оптико-электронные методы для наблюдения и контроля состояния природных и природно-техногенных объектов // Сборник научных трудов. Вып. 85. Труды института прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова.
Дмитриев И. Е. Измерительные оптико-электронные системы контроля состояния природных объектов // Использование и охрана природных ресурсов в России. Бюллетень № 6.2006.
— Дмитриев И. Е. Оптико-электронные методы наблюдения и контроля состояния природных объектов // Тезисы докладов. Вторая международная конференция молодых ученых национальных гидрометеорологических служб государств — участников СНГ «Новые методы и технологии в гидрометеорологии», 2−3- октября. Москва — 2006.
Личный вклад автора сводится к следующему:
— адаптация алгоритмов поиска сопряженных точек на фотоизображениях объектов реального мира применительно к стереоскопическим фотоизображениям природных объектов со слабовыраженной текстурой поверхности;
— создание принципа (идеи) маркировки нетекстурированной поверхности природных объектов световыми пятнами, детальная разработка этого научно-технической принципа до соответствующих методических и технических решений;
— разработка, создание действующих образцов соответствующих измерительных систем и их апробация на реальных природных объектах. Структура диссертации. Диссертационная работа содержит 114 страниц, состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 39 иллюстраций, список цитируемой литературы содержит 42 наименование.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выводы:
1. Анализ развития и тенденций совершенствования современных неконтактных методов наблюдения окружающей природной среды, составляющих ее природных и природно-техногенных объектов показал необходимость включения в процесс наблюдения таких средств, которые позволяют определять размеры, форму, пространственное положение и ориентацию природных и природно-технических образований, являющихся элементами природно-территориальных комплексов и играющих важную роль в оценке общего состояния окружающей среды.
Для решения задач такого типа в данной работе предложена методология построения цифровых трехмерных образов (моделей) объектов реального мира по совокупности их фотоизображений.
Для реализации этой методологии в задачах наблюдения и контроля конкретных природных образований была выполнена адаптация и доработка алгоритмов построения цифровых трехмерных образов. Адаптация и доработка соответствующих алгоритмов касалась возможности их применения к объектам реального мира с поверхностями, имеющими слабовыраженную текстуру.
Для природных и природно-техногенных образований реального мира, поверхность которых вообще не имеет выраженной текстуры, предложен метод световой маркировки, гарантирующий возможность построения облака общих точек на стереоизображениях. Эта возможность является ключевым моментом предлагаемой методологии, т.к. общие точки формируют принадлежащее исследуемой поверхности облако ЗЭ-точек, с помощью которого в дальнейшем может быть построена цифровая трехмерная модель объекта. Для реализации метода световой маркировки поверхности без текстуры предложены два способа выполнения такой маркировки с помощью лазерного устройства и разработана соответствующая измерительная система.
2.Предложенная и разработанная в работе методология построения цифровых трехмерных образов объектов реального мира по их фотоизображениям и соответствующая измерительная система с оптико-электронным сенсором, представляющим собой стереоскопическую пару цифровых фотоаппаратов, была применена для наблюдения состояния берегов водных объектов и контроля процессов их переработки (разрушения). Разработанные алгоритмы позволили построить трехмерную цифровую модель обрыва одного из участков береговой линии Рыбинского водохранилища.
В рамках решения задачи контроля процессов переработки (разрушения) берегов водных объектов предложен и практически реализован алгоритм сравнения различных трехмерных цифровых моделей реальных объектов между собой. Алгоритм позволяет осуществить процедуру слежения за динамикой изменения береговой линии водного объекта и получить количественные значения параметров, характеризующих эту динамику.
3. Предложены способы решения гидрологических задач с помощью разработанной методологии трехмерной реконструкции объектов реального мира по их фотоизображениям и разработана соответствующая измерительная система. Для этих целей использована идея мечения поверхности, у которой отсутствует выраженная текстура. Для водной поверхности предложены несколько способов создания на ней специальных меток, позволяющих выявить на совокупности фотоизображений общие точки и определить по ним уровень поверхности воды.
Рассмотрены варианты решения более сложных гидрологических задач методами построения трехмерных цифровых образов реальных образований по их фотоизображениям на поверхности воды. Так, известный фотогидрометрический метод определения расхода воды открытого потока с помощью пузырьковых индикаторов скорости течения в комбинации с методологией построения цифровых трехмерных образов реальных объектов (в данном случае — пузырьковое образование на водной поверхности) по фотоизображениям может быть практически реализован с высокой степенью эффективности по сравнению с традиционными способами решения гидрологических задач.
4. Предложен метод измерения параметров и характеристик источников загрязнения окружающей среды, формируемых визуально наблюдаемыми в атмосфере дымовыми выбросами промышленных и энергетических объектов. До настоящего времени эта важная в практическом отношении задача эффективного решения не имела. Предложен способ визуальной маркировки выброса загрязняющих веществ в атмосферу для тех случаев, когда образование из загрязняющего вещества имеет низкую оптическую плотность и визуально не фиксируется.
Рекомендации:
1. Измерительная система с оптико-электронным сенсором в виде стереоскопической пары цифровых фотоаппаратов, предназначенная для построения цифровых трехмерных моделей (образов) реальных природных образований, позволяет без существенных затрат организовать регулярные наблюдения за негативными процессами, которым раньше не уделялось должного внимания в силу отсутствия доступных и дешевых измерительных средств. К таким процессам следует отнести процессы переработки берегов водохранилищ Волжско-Камского каскада. В этой связи представляется целесообразным создать банк цифровых трехмерных моделей береговых обрывов в форме соответствующих облаков сопряженных точек, полученных путем обработки стереоизображений описанными в данной работе способами и алгоритмами. Создание и дальнейшее ведение такого банка цифровых моделей позволит следить за процессами переработки берегов и разрабатывать на этой основе компенсационные мероприятия.
2. Для контроля параметров радиоактивных выбросов через вентиляционные трубы атомных электростанций в случаях возникновения различных аварийных и радиационно-опасных ситуаций рекомендуется установить в вентиляционных трубах АЭС средства визуализации радиоактивных струй в атмосфере — дымовые шашки с устройствами дистанционного запускаи расположить во внешней среде в районе расположения вентиляционных труб оптико-электронные сенсоры измерительной системы, обеспечивающей построение трехмерной модели радиоактивной струи по ее изображениям. Стоимость такой системы и эксплуатационные затраты будут самыми низкими среди всех возможных способов и методов решения такой задачи. 3. Для решения актуальных задач гидрологии горных рек, связанных с предупреждением быстро развивающихся паводков, целесообразно применить измерительную оптико-электронную систему, обеспечивающую построение цифровой трехмерной модели водной поверхности горной реки. Кроме того, предложенная измерительная система и метод построения цифровых объемных образов реальных объектов по их изображениям может найти реальное и эффективное применение при наблюдении ледоходов и сопутствующих им процессов.
