авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка методики текстурно-спектрального анализа тепловых полей излучения ландшафтных комплексов на основе аэрокосмических наблюдений

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ПРЕСТОН НАТАЛИЯ ЕВГЕНЬЕВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ТЕКСТУРНО-СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАНДШАФТНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

Специальность 25.00.34

Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ильин Юрий Александрович

Официальные оппоненты: Зверев Анатолий Тихонович,

доктор геолого-минералогических наук,

профессор, кафедра космического мониторинга Московского государственного университета геодезии и картографии, заведующий кафедрой

Барталев Сергей Александрович,

доктор технических наук, Лаборатория спутникового мониторинга наземных экосистем Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН), заведующий лабораторией

Ведущая организация: ФГУП «Государственный научно- исследовательский и производственный центр «Природа» (ФГУП «Госцентр «Природа»)

Защита состоится « 13 » декабря 2012 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.143.01 при Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 105064, Москва, Гороховский пер., д. 4, МИИГАиК, зал заседания Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК.

Автореферат разослан « » 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Краснопевцев Б.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы:

В настоящее время широкое развитие получили космические системы дистанционного зондирования Земли в тепловом ИК-диапазоне. Результаты тепловой съемки поверхности Земли находят очень широкое применение в самых разных областях: картографирование тепловых полей Земли, определение температуры морской поверхности, наблюдение за вулканической деятельностью, мониторинг лесных пожаров; в последние годы все более широкое распространение получает изучение влияния «тепловых островов» городских территорий на окружающую среду.

Тепловые ИК-изображения на сегодняшний день характеризуются высоким пространственным разрешением. Современные сенсоры позволяют достигать таких разрешений, как 90 м (Aster), 60м (Landsat 7), 120м (Landsat 5). Такие снимки содержат качественно новую информацию о ландшафтах подстилающей поверхности и их географических характеристиках. Однако они демонстрируют высокую неоднородность, и стандартные методы, применяемые для анализа и классификации данных, становятся менее эффективными.

Актуальность диссертационной работы, таким образом, обусловлена:

необходимостью разработки новых методик обработки тепловых снимков с высоким пространственным разрешением.

Цель исследования: разработать методику текстурно-спектрального анализа ландшафтных комплексов на основе аэрокосмических наблюдений.

Задачи исследования:

  1. Изучить особенности пространственного текстурно-спектрального характера данных дистанционного зондированияна основе тепловых ИК-снимков.
  2. Разработать методику пространственного текстурно-спектрального анализа тепловых ИК-снимков, основанную на фрактальном и мультифрактальном подходе.
  3. Реализовать алгоритмы и математическое обеспечение, реализующие предложенную методику.
  4. Провести экспериментальную проверку разработанной методики для обработки аэрокосмических изображений в тепловом ИК-диапазоне.

Объект исследования: ландшафты земной поверхности, образующие температурные контрасты на тепловых ИК-изображениях.

Методология исследования

Проведенные исследования основаны на методах математической статистики, вычислительной математики, теории обработки цифровых изображений, геоинформатики, прикладного программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Впервые обосновано применение мультифрактального анализа при обработке тепловых неоднородностей водной поверхности.
  2. Разработана новая методика фрактальной сегментации для классификации различных типов ландшафтов по тепловым ИК-снимкам, в частности, для выявления участков «городского острова теплоты».
  3. Предложена новая методика создания динамической модели электронного изображения ландшафтов подстилающей поверхности на основе исходного снимка в тепловом или оптическом диапазоне и теплофизических параметров объектов.

Научные результаты выносимые на защиту:

  1. Методика пространственного текстурно-спектрального анализа, основанная на фрактальной сегментации для выявления различных объектов подстилающей поверхности по тепловым ИК-снимкам.
  2. Методика мультифрактального анализа для обработки слабоконтрастных тепловых неоднородностей.
  3. Методика создания динамической модели электронного изображения ландшафтов подстилающей поверхности на основе исходного снимка в тепловом или оптическом диапазоне и теплофизических параметров объектов подстилающей поверхности.

Практическая значимость работы:

Предложенная методика пространственного текстурно-спектрального анализа ландшафтных комплексов на основе аэрокосмических наблюдений рекомендована к использованию для задач исследования природных ресурсов и экологического мониторинга для получения дополнительной информации о температурных характеристиках объектов подстилающей поверхности, что позволяет автоматизированно классифицировать различные типы ландшафтов, выделять температурные неоднородности водной поверхности и создавать динамическую модель электронного изображения подстилающей поверхности по тепловым ИК-снимкам.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности:

Данная работа посвящена исследованию тепловых неоднородностей объектов подстилающей поверхности, определению их характеристик и повышению изобразительных свойств теплового ИК-снимка на основании проведенной обработки. Таким образом, работа сфокусирована на разработке теоретических и практических принципов обработки тепловых ИК-изображений с целью получения информации о характерных свойствах объектов земной поверхности, что является одной из областей исследования специальности 25.00.34 «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», в рамках которой и предлагается к защите данная работа.

Апробация и реализация результатов исследования:

Основные положения диссертационной работы докладывались на 63,64,65,66 и 67 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, проводившихся в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) в период с 2008 по 2012 г.

Публикации:

По результатам проведенных исследований было опубликовано 3 научных работы в журнале «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосьемка».

Структура диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, который насчитывает 113 наименований. Объём работы 112 страницы текста, 6 таблиц, 36 иллюстраций и приложения на 13 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи исследований, обоснована научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе «Основные принципы и область применения тепловой ИК-съемки» приведено краткое изложение физических основ аэрокосмической съемки в тепловом ИК-диапазоне и обзор современных направлений исследований данных дистанционного зондирования в тепловом ИК-диапазоне.

Круг объектов наблюдения дистанционного теплового мониторинга многообразен. В него входят объекты, различающиеся своими физическими свойствами, положением в пространстве, происхождением и другими характеристиками.

Так как  солнечное (внешнее) и эндогенное (внутреннее) тепло нагревает различные объекты по-разному, наземный ландшафт является нестационарным во времени и неоднородным в пространстве источником излучения – собственного и отраженного. Вследствие этого на поверхности Земли возникают температурные контрасты, которые регистрирует тепловая ИК-съемка.

В соответствии с перечисленными факторами, неоднородность распределения температурного поля на снимке является индикатором объектов, процессов и явлений, имеющихся на исследуемой территории.

Тепловая ИК-съемка применяется в основном для анализа поверхностной яркостной температуры и ее связи с различными характеристиками подстилающей поверхности, оценки городского острова теплоты и корреляции радиационной температуры поверхности с потоками энергии на ней.

Исследования по данным темам в основном идут по следующим направлениям:

  1. Изучение экологических характеристик ландшафтов,
  2. Изучение эффекта «городского острова теплоты».
  3. Обнаружение и анализ тепловых аномалий.
  4. Изучение температурной неоднородности водной поверхности и ледяного покрова.

Таким образом, данные тепловой ИК-съемки применяются для широкого круга задач, каждая из которых обладает своей спецификой. Вследствие этого, требуется применение индивидуальных подходов к исследованию различных классов объектов.

Вторая глава «Характер температурных контрастов тепловых ИК-снимков и методы их изучения» посвящена изучению факторов, формирующих температурные неоднородности на тепловых ИК-снимках, существующих способов их анализа, а также прогнозирования величины температурных контрастов в заданный момент времени.

Характер тепловых контрастов – основной признак, определяющий возможности и особенности дистанционного мониторинга Земли в тепловой ИК-части спектра, поэтому общую систематизацию всех объектов наблюдения по полученным тепловым изображениям целесообразно производить на этой основе.

В ИК-диапазоне температурный контраст зависит как от физических характеристик рассматриваемых земных покровов, так и от метеорологических условий. На величину контраста оказывает влияние облачность, которая с одной стороны уменьшает амплитуду суточного хода температур, а с другой стороны увеличивает яркостную температуру поверхности вследствие отражения ею излучения облаков. Также тепловые контрасты находятся в сильной корреляционной зависимости от силы ветра, нивелирующее влияние которого очень велико.

Существует несколько основных типов поверхностей: почвы, городская территория, растительность и водные объекты. Каждый из них имеет индивидуальную специфику собственного излучения, обусловленную не только свойствами материала, но и условиями съемки.

Характер температурного поля (или температурных контрастов) объектов земной поверхности зависит от большого количества факторов, связанных с физическими параметрами объектов, изменениями внешних условий и определяется в первую очередь источником нагрева. Для большинства объектов земной поверхности таким источником является солнечная радиация, которая нагревает поверхность Земли неравномерно – в зависимости от физических характеристик объектов, условий освещенности, географических координат, сезона и времени суток.

Тепловые изображения с высоким пространственным разрешением содержат качественно новую информацию о земных ландшафтах. Это обстоятельство приводит к развитию новых подходов к обработке изображений, таких как фрактальный и мультифрактальный анализ, инструменты которых используются в данной работе.

2.1. Фрактальный анализ

Одним из методов анализа текстуры является фрактальный анализ, который успешно используется в исследовании городских островов теплоты и их динамики.

Применение фрактальной геометрии в области дистанционного зондирования основывается на оценке фрактальной размерности. Фрактальная размерность (D) является центральным понятием в фрактальной геометрии для описания геометрической сложности природных явлений, а также другие сложных форм.

 Фрактальная размерность строго самоподобного объекта может быть вычислена математически с помощью формулы:

, где (1)

Nr представляет объект из Nr частей, уменьшенных в r раз.

    1. Мультифрактальный анализ

Сложные фракталы, называемые мультифракталами, важны, прежде всего, потому, что именно они, как правило, и встречаются в природе, тогда как простые самоподобные объекты являются идеализацией реальных явлений. Фактически, мультифрактальный подход означает, что изучаемый объект каким-то образом можно разделить на части, для каждой из которых наблюдаются свои свойства самоподобия.

Наилучшие результаты в обработке тепловых ИК-снимков дает инструмент мультифрактального анализа, называемый точечные показатели Гельдера.

Смысл этой функции состоит в следующем. Предположим, что задано распределение меры на некотором множестве. Если это множество покрывать шарами диаметра , то мера шара с центром в точке xi зависит от по степенному закону вида:

xi () ~ (xi), (2)

где (xi) называется гельдеровским показателем сингулярности меры.

Третья глава «Разработка методик пространственного текстурно-спектрального анализа ландшафтных комплексов и динамической модели тепловых изображений на основе аэрокосмических наблюдений» посвящена описанию ключевых этапов методик пространственного текстурно-спектрального анализа ландшафтных комплексов и динамической модели тепловых изображений на основе аэрокосмических наблюдений.

Методика пространственного текстурно-спектрального анализа ландшафтных комплексов разработана с учетом специфики выбранных классов объектов и применения индивидуального подхода обработки к каждому из них.

Разработанная методика пространственного текстурно-спектрального анализа ландшафтных комплексов разработана включает в себя пять основных этапов. В первой подготовительной части необходимо собрать информацию о выполнении съемки, такую как: дата и время съемки, координаты снимка на местности, параметры солнечного движения; а также рассчитать поверхностную яркостную температуру по полю изображения.

На втором этапе происходит выделение и анализ тепловых аномалий, если они присутствуют на снимке. Следующим шагом является выделение участков водной поверхности, участков «городского острова теплоты», почвы и растительности с помощью инструментов фрактального анализа, описанных во второй главе.

На четвертом этапе проводится исследование выделенных классов объектов на основании их температурных характеристик. На пятом этапе проводится прогнозирование тепловой картины исследуемой территории в заданный момент времени на базе имеющегося теплового ИК-снимка.

Графически методика представлена в виде схемы, показанной на рис. 1.

 Графическое представление методики текстурно-спектрального анализа-4

Рис. 1. Графическое представление методики текстурно-спектрального анализа ландшафтных комплексов

Рассмотрим каждый этап подробнее.

3.1. Вычисление поверхностной яркостной температуры

Поверхностная яркостная температура (ПЯТ) определяется как средняя яркостная температура подстилающей поверхности и объектов на ней, принятых за черные тела.

Для различных спутниковых систем применяются разные методики расчета ПЯТ.

В данной работе поверхностная яркостная температура была рассчитана следующим образом:

, (3)

где k1 и k2 – калибровочные константы. Для спутниковой системы Landsat 5:

k1 = 1260,56 К и k2 = 60,766 мВтсм-2 стр-1мкм-1.

RTM – спектральная интенсивность излучения, измеренная сенсором. Величину RTM можно получить, используя значения пикселей DN тепловых ИК-изображений с помощью формулы:

, (4)

где Rmax и Rmin – соответственно максимальное и минимальное значения спектральной интенсивности излучения, определенные сенсором.

3.2. Выделение и анализ температурных аномалий на тепловых ИК-снимках

Тепловые ИК снимки предлагают больше возможностей для изучения лесных пожаров, в том числе, подземных торфяных, чем оптические.

Выбранный пиксель считается содержащим тепловую аномалию, если для него выполняются следующие условия:

  1. T(i,j) > t1 (5)
  2. |T(i,j) - Tmean | > t2,

где t1 и t2 – пороговые коэффициенты.

На этом этапе возможна загрузка теплового изображения на эту же территорию, сделанного в другой момент времени.

Из второго ИК-снимка выделяются пиксели с координатами тепловой аномалии первого изображения, и значения их ПЯТ записываются в отдельный вектор. Для анализа динамики тепловой картины к нему добавляется вектор ПЯТ тепловых аномалий, определенный по первому снимку. На основании величины коэффициента корреляции делается вывод о динамике или статике тепловой аномалии.

Графически данный этап представлен в виде схемы, показанной на рис. 2.

 Графическое представление методики выделения и анализа тепловых аномалий -11

Рис. 2. Графическое представление методики выделения и анализа тепловых аномалий

Результатом обработки изображений на данном этапе является температурная картина участков тепловой аномалии и близлежащих территорий, на основании которой будут сделаны выводы о характере аномалии и динамике распространения огня, очагах пожара и площади выгоревших территорий, в случаях, если аномалия не статична.

Для уменьшения числа ложных источников теплового излучения (например, отражаемых от гладких поверхностей солнечных бликов) целесообразно использовать тепловые снимки, полученные в ночные и утренние часы.

Этап реализован в пакете прикладных программ МATLAB.

3.3. Выделение классов «водных объектов», «городской застройки», «почв» и «растительности» с помощью фрактального анализа

Анализируя распределение ПЯТ по полю снимка и определяя пороговое значение, можно определить «горячие» и «холодные» участки на тепловом ИК-изображении. Однако, как показывает практика, температурные диапазоны объектов различных классов значительно перекрываются и использование только порогового значения поверхностной яркостной температуры не дает возможности точно выделить заданные классы объектов. Проиллюстрировать эту тенденцию можно с помощью гистограммы интенсивности пикселей, которая показывает распределение регистрируемой яркостной температуры на изображении (рис. 3).



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.