Методы анализа данных аэрофотосъёмки земель сельскохозяйственного назначения

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.