Введение к работе
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:
-
Провести анализ принципов и особенностей аэрофотосъемки и определить её современную роль в решении задач мониторинга земель сельскохозяйственного назначения;
-
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;
-
Рассмотреть и систематизировать существующие типовые способы и алгоритмы дешифрации аэрофотоснимков сельхозугодий с целью выбора наиболее объективного метода анализа данных и разработки схемы его реализации;
-
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;
-
Предложить математический аппарат и алгоритм классификации объектов аэрофотоснимков земель сельскохозяйственного назначения для разработки на его основе программы автоматизированной дешифрации снимков;
-
Создать программное обеспечение для проведения исследований по дешифрации аэрофотоснимков сельхозугодий и разработать состав и структуру базы данных программы на основе управляемой классификации;
-
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.
-
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.
-
Обосновано использование для анализа аэрофотоснимков сельхозугодий автоматизированной дешифрации на основе цифровой классификации как экономически оправданного в финансовом и временном плане.
-
Предложен математический аппарат классификации объектов аэрофотоснимка земель сельскохозяйственного назначения на основе расчета Евклидова расстояния и расстояния Махаланобиса (метода максимального правдоподобия), а также создан классификатор.
-
Создано программное обеспечение для дешифрации аэрофотоснимков сельскохозяйственных земель на основе обучающих выборок и предложен алгоритм применения окна дешифрации для повышения качества классификации снимков.
-
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.
