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 | 4 | 5 |

Теория и методы тематической обработки аэрокосмических изображений на основе многоуровневой сегментации

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Владимир Семенович Марчуков

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ МНОГОУРОВНЕВОЙ СЕГМЕНТАЦИИ

25.00.34 – аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре космического мониторинга
Московского Государственного Университета геодезии и картографии (МИИГАиК).

Научный консультант: доктор технических наук,
профессор Малинников В.А.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Аржененко Н.И.
доктор технических наук,
профессор Галкин Ю.С.
доктор технических наук,
профессор Цветков В.Я.
Ведущая организация: ФГУП Госцентр "Природа"

Защита диссертации состоится « » « » 20 г. в « » час. на заседании диссертационного совета 212.143.01 Московского Государственного Университета геодезии и картографии (МИИГАиК), по адресу: 105064, Москва, К-64, Гороховский переулок, 4 (зал заседаний Ученого Совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК.

Автореферат разослан « » « » 20 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Краснопевцев Б.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации систематизированы и обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора в области разработки и внедрения методов тематической обработки аэрокосмических изображений, полученные соискателем в период с 1989 по 2011 годы.

В результате указанных работ решена научная проблема, имеющая важное значение для устойчивого экологического и социально-экономического развития территорий, – создана теория и методология тематической обработки аэрокосмических изображений земной поверхности на основе многоуровневых алгоритмов сегментации.

Актуальность темы.

Одной из приоритетных задач решения проблемы контроля природной среды и антропогенных объектов является наличие достоверной и многоплановой информации о состоянии природных экосистем и их динамике. Подобные сведения могут быть положены в основу выбора дальнейшей стратегии поведения человека, как в региональном, так и в глобальном плане. Получение такой информации представляет собой сложную научно-техническую задачу. Для её решения необходимо создание информационно-управляющих систем, важным компонентом которых являются аэрокосмические средства, а также развитие новых методов и технологий обработки изображений земной поверхности, поступающих от систем дистанционного мониторинга.

При тематической обработке данных аэрокосмической съёмки информационные классы определяются, как набор объектов, которые необходимо выделить согласно требованиям решаемой тематической задачи и которые разделяются в имеющемся множестве данных.

Изображения, полученные в результате дистанционного зондирования, характеризуются следующими свойствами: они содержат разнообразные однородные области, причём внутриклассовые среднеквадратичные отклонения характеристик часто сравнимы с разбросом между классами. Такие изображения называют сложными. При анализе сложного изображения все известные методы цифровой классификации не могут гарантировать получения требуемого результата.

Основной проблемой при тематической обработке сложных изображений земной поверхности является то, что применение алгоритмов классификации, использующих определённые условия однородности классов объектов и определённое пространство классификационных признаков, зачастую приводит к выделению на изображении сегментов, не соответствующих информационным классам решаемой тематической задачи. Для преодоления возникающих трудностей необходимо применять многоуровневые алгоритмы классификации, использующие различные условия однородности классов объектов и различные подмножества классификационных признаков, учитывающие структурно-пространственные характеристики изображения. Все это обусловливает необходимость разработки теории и методов тематической обработки аэрокосмических изображений на основе многоуровневых алгоритмов сегментации.

Актуальность темы настоящей работы определяется следующими факторами:

  • нерешенностью проблем информационного обеспечения задач контроля природных экосистем;
  • недостаточным развитием и использованием аэрокосмических методов и технологий для контроля природной среды и антропогенных объектов;
  • необходимостью разработки новых подходов к проведению комплексного мониторинга природной среды и антропогенных объектов на основе результатов обработки и анализа информации, получаемой от различных датчиков и систем наблюдения.

Актуальность данной работы подтверждается использованием её результатов в проектах, выполняемых в рамках Федеральной Целевой Программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы».

Целью настоящих исследований являлось решение актуальной научной проблемы тематической обработки аэрокосмических изображений земной поверхности на основе многоуровневых алгоритмов сегментации.

Пути решения этой проблемы были определены следующим образом:

- разработка теории и методологии многоуровневой тематической обработки аэрокосмических изображений земной поверхности;

- проведение экспериментальных исследований эффективности разработанных многоуровневых методов тематической обработки при решении различных тематических задач контроля природной среды и экологического мониторинга;

- исследование возможностей повышения эффективности тематической сегментации за счёт использования технологии параллельной обработки изображений.

Научная новизна работы. В результате выполнения работы впервые разработаны теория и практическая методология многоуровневой тематической обработки аэрокосмических изображений земной поверхности. Впервые разработаны теоретические схемы построения структурно - пространственной моделей исследуемых изображений и тематической классификации изображений с использованием структурно - пространственной модели. Созданы новые алгоритмы выделения структурно-пространственных элементов на изображении. Получены новые математические выражения для количественной оценки эффективности распараллеливания и расчёта оптимальной конфигурации вычислительного кластера при обработке изображений.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

- теория и методология тематической обработки на основе многоуровневой сегментации изображений, с использованием их структурно - пространственной модели;

- методология создания структурно-пространственной модели исследуемых изображений;

- алгоритмы выделения точечных и малоразмерных объектов посредством локальной пороговой обработки с адаптивным выбором пороговых значений на основе оценки локального контраста;

- метод автоматизированного формирования временных серий тематических карт растительного покрова и грунтов по данным дистанционного мониторинга;

- методы автоматического определения пространственного распределения изменений растительного покрова и грунтов по данным дистанционного мониторинга;

- метод многоуровневой тематической обработки радиолокационных изображений сверхвысокого разрешения;

- метод количественной оценки эффективности распараллеливания и расчёта оптимальной конфигурации вычислительного кластера при обработке изображений алгоритмами, использующими поэлементное сканирование изображений, и скользящими пространственными фильтрами.

Область применения: разработанные методы могут широко использоваться:

- в автоматизированных системах контроля и прогноза состояния и динамики природной среды и антропогенных объектов ;

- в лесном и сельском хозяйстве;

- при мониторинге и оценке последствий чрезвычайных ситуаций;

- учебном процессе и других областях.

Значимость работы определяется возможностью исследования текущего состояния и динамики природных экосистем и антропогенных объектов с использованием новых методов и алгоритмов обработки информации в целях дальнейшего устойчивого развития экономики Российской Федерации.

Практическая ценность работы. Теория и методы, изложенные в данной работе, используются в ряде российских организаций, работающих в области дистанционного зондирования.

Разработки автора использованы в комплексном проекте по теме «Технологии оценки состояния и динамики растительных ресурсов наземных экосистем на основе дистанционного мониторинга», выполняемом в рамках Федеральной Целевой Программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы».

Исследования автора вошли в курсы лекций «Тематическое дешифрирование снимков», «Технология тематической обработки данных дистанционного зондирования», «Дешифрирование аэрокосмических снимков», «Космический мониторинг», «Автоматизированные системы сбора и обработки результатов дистанционного зондирования».

Разработки автора вошли в «Методические указания по ведению топографического мониторинга территории города Москвы по материалам космической съёмки для решения задач мониторинга фактического использования земель», утвержденные Первым заместителем Мэра Москвы в Правительстве Москвы 28 сентября 2004г., введенные в действие – Приказом Департамента земельных ресурсов города Москвы 2 ноября 2004г. №82; Приказом Комитета по архитектуре и градостроительству города Москвы 1 ноября 2004г. №167.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Полученные результаты диссертационной работы соответствуют пункту 4 «Теория и технология дешифрирования изображений с целью исследования природных ресурсов и картографирования объектов исследования» и пункту 5 «Теория и технология получения количественных характеристик динамики природных и техногенных процессов с целью их прогноза» паспорта специальности 25.00.34 «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», в рамках которой предлагается к защите данная работа.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на 12 Международных и Всероссийских научно-технических конференциях и семинарах.

Публикации. По проблематике диссертации опубликованы 33 научные работы в том числе 19 работ в журналах рекомендованных ВАК, 2 учебных пособия, рекомендованных УМО высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области геодезии и фотограмметрии для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Фотограмметрия и дистанционное зондирование».

Структура и объём диссертационной работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 234 страницах, содержит 106 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные научные и практические результаты.

Глава 1. Дистанционное зондирование Земли и проблемы тематической интерпретации аэрокосмических изображений.

В первой главе рассмотрены основные подходы и проблемы автоматизированной тематической обработки аэрокосмических снимков (АКС) для решения задач контроля природной среды. Проведён анализ возможностей использования современных аэрокосмических систем дистанционного зондирования земной поверхности. Рассмотрены и проанализированы методы предварительной и тематической обработки АКС земной поверхности. Проанализированы функциональные возможности ряда программных пакетов обработки изображений.

Тематическая обработка цифровых многозональных аэрокосмических изображений математически может быть определена следующим образом. Исходные многозональные цифровые изображения представляются дискретной векторной функцией F(x,y), определённой на двумерном дискретном пространстве (x,y).

Процесс тематической обработки определяется оператором следующего вида.

F(x,y) s(x,y), (1)

где

s(x,y) - дискретная скалярная функция;

s(x,y)= pj, если (x,y) принадлежит классу j;

pj - цифровые метки соответствующих классов;

j = 1,2,...,K,K+1;

K - количество выявляемых классов объектов, определяемое требованиями определённой тематической задачи.

Класс j=K+1 представляет собой смесь всех классов объектов, представленных на изображении, определение которых не является необходимым для решаемой тематической задачи, и трактуется как “фон”.

На основе проведённого анализа средств дистанционного зондирования земной поверхности аэрокосмического базирования можно утверждать, что данные многозональной съёмки позволяют решать широкий круг тематических задач контроля природной среды. При использовании в качестве алгоритмов получения классифицированного изображения пороговой обработки, гиперпараллелепипедного метода и кластерного анализа в процессе классификации не учитываются структурно-пространственная информация, содержащаяся на изображении. Методы наращивания однородных областей и методы, основанные на выделении границ, учитывают структурно-пространственные связи между соседними пикселами. К их недостаткам следует отнести более низкий уровень автоматизации и необходимость организации отдельного этапа, обеспечивающего идентификацию выделенных однородных областей, как определённых объектов на местности. Существующие программные пакеты обработки и анализа изображений содержат большое количество процедур, позволяющих формировать разнообразные модифицированные признаки, и основные алгоритмы классификации путём разметки точек изображения.

Проблема тематической обработки сложных изображений земной поверхности заключается в том, что для эффективного выделения тематических объектов с различной пространственной конфигурацией необходимо использование разных предикатов однородности. С целью повышения эффективности целесообразно применение многоуровневых алгоритмов классификации с учётом структурно-пространственных характеристик изображения и различных предикатов однородности.

Глава II. Теория и методология построения многоуровневых алгоритмов автоматизированной обработки аэрокосмических изображений земной поверхности.

Во второй главе описана теория многоуровневой обработки с использованием структурно-пространственной модели. Дано описание методологии создания структурно-пространственной модели исследуемых изображений. Приведено обоснование набора алгоритмов для выделения элементов пространственной структуры. Разработана методология тематической обработки изображений с использованием структурно - пространственной модели.

Теоретическая схема многоуровневой обработки с использованием структурно-пространственной модели.

Предлагаемый теоретический подход основан на разделении процесса тематической обработки аэрокосмических изображений земной поверхности на два этапа. На первом этапе осуществляется построение структурно-пространственной модели исследуемых изображений. На втором этапе применяется многоуровневая классификация, использующая различные алгоритмы классификаторов, которые работают не с неупорядоченным набором данных, а с данными определённой пространственной структуры. Полученная на первом этапе структурно-пространственная модель изображений используется на втором этапе для выбора различных алгоритмов модификации исходных изображений, выбора подмножества цифровых признаков для классификации определённого элемента пространственной структуры и управления работой классификатора.

На рис. 1 показана разработанная теоретическая схема многоуровневой классификации, с использованием структурно-пространственной информации об объектах, представленных на изображении.

Анализ пространственной структуры сложных аэрокосмических изображений показал, что на них целесообразно выделить четыре типа структурно-пространственных элементов, отличающихся по своим статистическим и пространственным характеристикам, и требующим соответственно различных подходов при выборе алгоритма классификатора и набора цифровых признаков для их классификации:

- граничные и линейные объекты, характеризуемые высоким значением градиента в каком-либо направлении и низким в ортогональном ему направлении, хотя бы в одной зоне спектрального диапазона;

- точечные объекты, занимающие на изображении не более одного пикселя, со значением интенсивности, существенно отличающимся от значений интенсивности прилегающей окрестности, хотя бы в одной зоне спектрального диапазона;

- протяжённые (площадные) объекты – однородные сегменты на изображении, линейные размеры которых более 10 пикселей в любом направлении;

- малоразмерные объекты, представляющие собой пятна, не отвечающие условиям отнесения к точечным, граничным и линейным объектам, с линейными размерами менее 10 пикселей в любом направлении.

В предлагаемой теоретической схеме в результате первого этапа классификации создаётся структурно-пространственная модель исследуемых изображений, представляющая собой классифицированное четырехуровневое изображение, на котором выделены четыре класса, соответствующие вышеопределённым элементам пространственной структуры.

Процесс построения многоуровневых алгоритмов классификации содержит следующие шаги:

  1. Выделение элементов пространственной структуры площадных объектов, точечных объектов, малоразмерных объектов, граничных и линейных объектов. Этот шаг выполняется путём использования четырёхуровневого классификатора.
  2. Построение структурно-пространственной модели исследуемых изображений.
  3. Предварительная обработка исходных изображений и выбор оптимального подмножества признаков для тематической классификации выделенных элементов пространственной структуры.
  4. Тематическая классификация элементов пространственной структуры.
  5. Формирование итогового классифицированного изображения.

Методология создания структурно-пространственной модели исследуемых изображений.

Построение структурно-пространственной модели необходимо осуществлять применяя многоуровневый классификатор, так как выделение классов структурных элементов в силу различия их геометрических и контекстных свойств требуют, соответственно, различных подходов при их классификации.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 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.