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 |

Методы анализа данных аэрофотосъёмки земель сельскохозяйственного назначения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи








МАНЫЛОВ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ





МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ АЭРОФОТОСЪЁМКИ ЗЕМЕЛЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ





Специальность 05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий




АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2012

Работа выполнена кафедре микро- и нанотехнологий аэрокосмического приборостроения в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Федченко Владимир Григорьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ефимов Владимир Васильевич доктор технических наук, профессор Михайлов Виктор Федорович
Ведущая организация – Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений Россельхозакадемии (ГНУ ВИЗР)

Защита состоится «___»______________ 2012 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.01 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «____» ________________ 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Шелест Д.К.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Дистанционное зондирование Земли сегодня одна из активно развиваемых и обсуждаемых тем. Долгое время данные дистанционного зондирования использовались исключительно военными структурами, но в последнее десятилетие их активно применяют для решения множества гражданских задач.





Следует отметить развитие технических средств дистанционного зондирования: появляется новая съемочная техника и различные аппараты для её установки, создаются современные модели беспилотных летательных аппаратов, способных конкурировать с зарубежными аналогами, появляются частные спутники. Кроме того, активно разрабатывается программное обеспечение, позволяющее быстро и качественно обрабатывать полученную информацию и применять её в новых отраслях.

Повышенный спрос на данные дистанционного зондирования, в основном на аэрофотосъемку, предъявляет сегодня сельское хозяйство. В условиях планово-административной экономики съемка сельхозугодий проводилась с установленной периодичностью, а также на основе обоснованной потребности каждого конкретно взятого хозяйства. Данные аэрофотосъемки были доступны любым сельским хозяйствам, причем доступ к ним можно было получить в довольно короткие сроки. После распада СССР и постановке подобных исследований на коммерческие рельсы, получение соответствующих данных для большинства сельских хозяйств стало невозможным ввиду финансовых, технических, кадровых и других проблем. Сегодня потребность в данных аэрофотосъемки не только не пропала, но и ввиду длительного застоя и продолжительного кризиса в сельском хозяйстве возросла в несколько раз: необходима классификация и инвентаризация неиспользуемых земель, оценка состояния угодий, анализ нагрузки на почвенный покров и проведение других исследований по смежным направлениям. Но в условиях ограниченности финансовых ресурсов сельское хозяйство не может позволить себе использование новейших технических средств для осуществления летно-съемочного процесса и программных разработок для быстрого и эффективного анализа аэрофотоснимков. В этой связи рассмотрение аэрофотосъемки земель сельскохозяйственного назначения и методов анализа полученных данных для целей сельского хозяйства в привязке к финансовой стороне дела приобретает особую актуальность.

Степень разработанности темы исследования. Все исследования, посвящённые аэрофотосъемке, как методу дистанционного зондирования, можно условно разбить на две большие группы:

  • опубликованные в СССР;
  • переводные и отечественные научные издания, опубликованные в конце XX – начале XXI века.

Первые отличаются существенной практической направленностью, анализом проблем и перспектив развития технического оснащения летно-съемочного процесса, рассмотрением целей и задач дистанционного зондирования в решении проблем отдельных отраслей. Сельское хозяйство как пользователь данных дистанционного зондирования в трудах отечественных исследователей неразрывно связывается с лесным хозяйством ввиду схожести объекта анализа и решаемых задач. Следует выделить работы Сазонова Н.В., Азовцева Н.Н. и Трахова Э.М. в области дистанционного зондирования сельскохозяйственных площадей с использованием авиационной и космической техники, а также исследования Топичева А.Г., Флоринской М.А., Заболоцкого В.Р., Слесарева А.О. по вопросам дистанционных методов оценки качества внесения удобрений и диагностики минерального питания сельхозкультур. Ряд научных изданий посвящен анализу летательных аппаратов, съёмочной аппаратуры и описания летно-съёмочного процесса в целом безотносительно к отрасли. Наиболее подробными можно считать работы Стеценко А.Ф., Мурахтанова Е.С, Сухих В.И. и др.

Вопросам дешифрации и обработки снимков внимание практически не уделялось, так в работах Дмитриева И. Д., Лавровой Н.П. проанализирована только ручная дешифрация и средства её осуществления. При этом очень мало внимания уделялось автоматизации решения подобных задач, использованию для дешифрации компьютерной техники и информационных технологий.

Первыми обратились к этой проблеме зарубежные учёные, такие как У. Рис, В. Бэйкер, А. Чандра и С. Гош, П. Хаггерт и другие. Их исследования были переведены на русский язык и стали доступны в России в последние 10 лет.

Современные исследования в области анализа данных аэрофотосъемки и дистанционного зондирования ориентированы либо на учащихся ВУЗов и знакомят с теоретическими и некоторыми практическими аспектами дистанционного зондирования (например, Трифонова Т.А., Самардак А.С., Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И. и др.) или связаны с глубоким анализом возрастающего потенциала техники и технологии, используемых для анализа и интерпретации данных дистанционного зондирования (например, Марков Н.Г., Замятин А.В., Айвазян С.А. и др.). В последнее время практические аспекты аэрофотосъемки активно обсуждаются в специализированных журналах, например, «Геопрофи», «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка», а также на страницах всемирной сети.

При этом по-прежнему комплексных исследований в области методологии и анализа данных аэрофотосъемки в сельском хозяйстве мы не обнаруживаем. В этой связи проведение такого анализа является новым и необходимым направлением исследования.

Цели и задачи исследования. Целью данного исследования является разработка объективного метода анализа и обработки данных аэрофотосъемки земель сельскохозяйственного назначения с использованием программного продукта, способного ускорить данный процесс и повысить качество его выполнения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

  1. Провести анализ принципов и особенностей аэрофотосъемки и определить её современную роль в решении задач мониторинга земель сельскохозяйственного назначения;
  2. На основе анализа технических средств аэрофотосъемки в сельском хозяйстве обосновать выбор наиболее пригодных для решения соответствующих задач фотоаппаратуры и летательного аппарата, обладающих также признаком финансовой доступности;
  3. Рассмотреть и систематизировать существующие типовые способы и алгоритмы дешифрации аэрофотоснимков сельхозугодий с целью выбора наиболее объективного метода анализа данных и разработки схемы его реализации;
  4. На основе анализа методологической и финансовой составляющих современных автоматизированных программ обработки аэрофотоснимков обосновать необходимость разработки узкоспециализированного недорогого программного обеспечения для целей мониторинга земель небольших сельских хозяйств;
  5. Предложить математический аппарат и алгоритм классификации объектов аэрофотоснимков земель сельскохозяйственного назначения для разработки на его основе программы автоматизированной дешифрации снимков;
  6. Создать программное обеспечение для проведения исследований по дешифрации аэрофотоснимков сельхозугодий и разработать состав и структуру базы данных программы на основе управляемой классификации;
  7. Разработать в рамках программы математический аппарат оценки точности проводимых процедур дешифрации и определить эффективности работы программного обеспечения на основе реальных снимков сельхозугодий.

Объект и предмет исследования. Объектом является процесс исследования сельскохозяйственных земель с использованием аэрофотосъемки, предметом – фотоизображения и методы их дешифрации.

Теоретические и методологические основы исследования. Методология данной работы основана на принципах диалектического подхода, методах индукции и дедукции, обобщения, логического и математического моделирования, анализа и синтеза теоретического и практического материала. При получении основных результатов работы использовались общие методы системного анализа, методы теории вероятностей, численные методы линейной алгебры, а также программирование на языке высокого уровня.

Теоретической основой исследования послужили работы отечественных и зарубежных авторов в области методологии аэрофотосъемки, анализа и обработки данных, организации летно-съемочного процесса и его технического обеспечения.

Информационной базой проведенных исследований служат данные аэрофотосъемки сельскохозяйственных угодий, полученные при помощи беспилотных летательных аппаратов, дельтапланов, самолетов.

Научная новизна результатов работы состоит в том, что в ней на основе проведенных исследований, анализа и обобщения практического опыта аэрофотосъемки в сельскохозяйственной отрасли предложен комплексный подход к дешифрации аэрофотоснимков, заключающийся в использовании системных принципов исследования реализации дистанционного зондирования земель сельскохозяйственного назначения. Исследуемая система включает в себя:

  • летательный аппарат, обеспечивающий эффективный режим проведения аэрофотосъемки;
  • фотоаппаратуру, позволяющую получить качественные снимки, пригодные для производительной дешифрации;
  • метод дешифрации данных аэрофотосъемки;
  • алгоритм дешифрации;
  • классификатор;
  • программное обеспечение, позволяющее ускорить процесс обработки снимков и повысить точность распознавания.

Наиболее существенные научные результаты, полученные в процессе исследования.

  1. Обоснована эффективность применения аэрофотосъемки для решения задач сельскохозяйственного мониторинга и выбраны наиболее адекватные решаемым задачам технические средства реализации летно-съемочного процесса, основанного на использовании сверхлегкого летательного аппарата или БПЛА, а для сокращения издержек на проведение аэрофотосъёмочных работ целесообразно использовать цифровые неметрические фотоаппараты.
  2. Обосновано использование для анализа аэрофотоснимков сельхозугодий автоматизированной дешифрации на основе цифровой классификации как экономически оправданного в финансовом и временном плане.
  3. Предложен математический аппарат классификации объектов аэрофотоснимка земель сельскохозяйственного назначения на основе расчета Евклидова расстояния и расстояния Махаланобиса (метода максимального правдоподобия), а также создан классификатор.
  4. Создано программное обеспечение для дешифрации аэрофотоснимков сельскохозяйственных земель на основе обучающих выборок и предложен алгоритм применения окна дешифрации для повышения качества классификации снимков.
  5. Разработан алгоритм оценки точности проводимых процедур дешифрации на основе применения матрицы ошибок и индекса Каппа-статистики.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы определяется комплексным подходом к исследованию проблем аэрофотосъемки земель сельскохозяйственного назначения и анализа полученных данных различными методами, в том числе с помощью автоматизированной дешифрации.

Результаты теоретической части работы могут быть использованы отдельными сельскими хозяйствами в процессе организации дистанционного зондирования, а также в преподавании специализированных курсов.

Практическая значимость исследования состоит в разработке метода, алгоритма и программного обеспечения автоматизированного анализа данных дистанционного зондирования сельхозугодий, позволяющих ускорить процесс дешифрации и повысить эффективность деятельности аграрных предприятий России.

Результаты работы апробированы на научной сессии ГУАП в 2008 и 2009 годах и представлены в виде научных статей в рецензируемых журналах и других изданиях.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений, включает 152 страницы основного текста, 50 рисунков, 22 таблицы. Список литературы включает 113 наименований.


II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность изучения и совершенствования методов анализа данных аэрофотосъемки земель сельскохозяйственного назначения (далее – ЗСН), определены объект и предмет исследования, сформулированы цели и задачи работы, представлены научная новизна, теоретическая и практическая значимость диссертации, а также приведено краткое содержание работы по разделам.

В первом разделе раскрыты теоретические основы аэрофотосъемки, как метода дистанционного зондирования, используемого в сельском хозяйстве для мониторинга ЗСН; проведен анализ технических средств аэрофотосъемки сельхозугодий и обоснован выбор наиболее объективных для решаемых задач фотоаппаратуры и летательного аппарата.

В работе обосновано, что на сегодняшний день дистанционные методы, прежде всего аэрофотосъемка, предоставляют большие возможности для сельского хозяйства в региональном масштабе для анализа состояния ЗСН, почв и посевов в рамках отдельной страны, местности. В изучении экосистем на региональном уровне дис­танционные методы могут обеспечить систематизацию и достоверную экстраполяцию данных единичных натурных наблюдений, как правило, недостаточных для характеристики обширных территорий.

Сельское хозяйство – одна из самых перспективных сфер для использования данных аэрофотосъемки в целях повышения интенсификации растениеводческого производства. Сельскохозяйственные культуры отлично проявляются на снимках, они ничем не скрыты, одноярусны, хорошо дешифрируются как по текстуре, так и по спектральным характеристикам.

Со времени создания первого аэрофотоаппарата русским инженером В.Ф. Потте прошел почти век. За это время аэрофотосъемка стала эффективным инструментом реализации задач, решаемых сельским хозяйством. Сегодня она широко используется в агропромышленном комплексе многих стран мира (США, Канады, стран Евросоюза, Индии, Китая, Японии и др.).

В нашей стране исторически сложилось так, что методы дистанционного зондирования, в том числе аэрофотосъемка, применялись в первую очередь не для народнохозяйственных целей, а для нужд оборонного комплекса. Активное использование методов дистанционного зондирование для целей сельского хозяйство в СССР началось в 80-90-е гг. прошлого века, когда возросла необходимость увеличивать размеры сельскохозяйственных площадей и их производительность. Чаще всего, выполнение обследований осуществлялось в соответствии методиками аэровизуальных и телевизионных аэросъемочных работ, прошедших экспериментальную апробацию на Калужском агрохимиче­ском полигоне. В 1985 году была даже сделана общая оценка качества сельхозугодий, которая составила 3,1 балла (эта оценка показывает, что удобрения внесены на площадь 71% от плановой). В результате распада СССР проведение плановых аэрофотосъемочных работ было приостановлено, а с середины 90-х годов, когда начался упадок сельского хозяйства, и вовсе стали невостребованными.

Сегодня сельское хозяйство в России по-прежнему остаётся за пределами приоритетных отраслей развития нашей страны. В настоящее время большинство хозяйств функционируют в условиях жёсткой ограниченности финансовых ресурсов и не могут позволить себе использовать для контроля за состоянием ЗСН данные дистанционного зондирования.

В связи с этим необходимо изыскивать такие методы дистанционного зондирования, которые бы обладая высокой информативностью, приемлемым качеством снимков и быстротой получения информации, оставались бы доступными в финансовом плане. К таким методам относится аэрофотосъемка, развитие применения которой для целей сельского хозяйства должно стать одним из приоритетных направлений государственной политики.

В рамках первого раздела работы был проведен анализ технических средств аэрофотосъёмки – аэрофотосъемочного оборудования и летательных аппаратов, и выбрано наиболее эффективное и приемлемое для решаемых в сельском хозяйстве задач.

Анализ современных метрических (например, Z/I Imaging DMC, Vexcel UltraCam, Leica Geosystems ADS40 и Wehrli/Geosystem 3 DAS) и неметрических фотокамер (Canon EOS 550D, Panasonic Lumix DMC-62, Sony Alpha DSLR-A390, Pentax K-5, Nicon D2X, Canon EOS 5D) позволил сделать вывод о том, что выбор фотооборудования того или иного типа существенно зависит от решаемых задач.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 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.