Введение к работе
Актуальность проблемы.
В последнее время в картографии, строительстве, экологии, муниципальном управлении, в военном деле и других сферах деятельности традиционные бумажные технологии постепенно заменяются цифровыми. Основным источником данных, используемых при составлении и обновлении цифровых карт и иного рода информационных систем, являются авиационные и космические снимки земной поверхности. Для последующего применения в любой из перечисленных областей этих изображений из них должна быть извлечена необходимая информация, и объем ее тем значительнее, чем более крупный масштаб используется. В настоящее время постоянно растет спрос на подобные данные, поэтому в связи с большими объемами процесс их получения должен быть максимально автоматизирован.
Из всех этапов применения аэрокосмической информации для этих целей . одним из наиболее сложных и дорогих с точки зрения временных затрат является процесс распознавания и локализации различных объектов или характерных черт местности естественного и искусственного происхождения, таких, как русла рек, береговые линии, горные хребты и отдельные вершины, здания, дороги и т.п. Из—за больших затрат на обработку данных, автоматизация этого процесса приобретает актуальное значение.
Создание алгоритмов интерпретации космических и авиационных изображений традиционно относилось к тематике машинного зрения. К яастоящему времени' выяснилось, что полностью автоматическое \ешифрирование аэрокосмических снимков практически невозможно на :овременном уровне развития этой области, поэтому ведущие научные центры . пира ищут полуавтоматические пути решения данной задачи.
Одним из видов удачной комбинации возможностей человека по Зыстрому распознаванию элементов сцены и машинных методов обработки галяется полуавтоматическое решение задачи векторизации космических и ізрофотоснимков (КС и АФС). При этом оператор—дешифровщик помечает сдельные объекты, а ЭВМ по заданному начальному приближению выделяет їх, т.е. определяет их точные координаты.
С точки зрения возможности автоматизации дешифрирования большой интерес представляет класс протяженных объектов. Как правило, они не могут быть выделены полностью автоматически, поскольку их характеристики существенно меняются даже на одном и том же снимке, в связи с чем корреляционные или учитывающие текстурные признаки методы не вполне пригодны. В то же время такие объекты слишком сложны для полностью ручной локализации, так как для их достаточно точного описания требуется значительное количество точек.
Таким образом, протяженные объекты представляют собой некоторый промежуточный класс объектов, применительно к которому необходима разработка полуавтоматических методов. К ним относятся столь важные для точной локализации структуры, как береговые линии, дороги, магистральные трубопроводы, линии электропередач, различного рода коммуникационные сооружения, что обусловливает актуальность темы настоящей диссертационной работы.
Целью лиссертапионной работы является разработка эффективных і вычислительном смысле полуавтоматических методов определения координат протяженных структур искусственного и естественного происхождения Не цифровых изображениях земной поверхности и нахождение подходящей: способа описания подобных объектов для их последующего представления е различных системах визуализации и хранения информации: системах виртуальной реальности, геоинформационных системах, цифровых трехмерных компьютерных моделях местности.
Для достижения цели исследования поставлены следующие задачи:
классификация протяженных объектов на аэрокосмических снимках и выбор признаков, по которым может производиться выделение данного класса;
построение яркостно—геометрической модели протяженных структур V. учет ее искажений на реальных изображениях;
создание модели полуавтоматической регистрации протяженные объектов;
построение базовых алгоритмов точной локализации линейных структур;
- разработка способов описания выделенных структур как трехмерных эбъектов.
Научная новизна работы.
Впервые проведена классификация протяженных объектов и построены їх яркостно — геометрические модели.
Обоснована и разработана оригинальная методика взаимодействия зператора с компьютером при выделении протяженных структур на ізображениях земной поверхности — части задачи воссоздания объектного :остава сцены.
На основе динамического программирования создан новый эффективный : вычислительной точки зрения метод полуавтоматического выделения фотяженных объектов, обладающий универсальностью по отношению к >азличным типам данных структур.
Предложены оригинальные способы описания рассматриваемых структур : помощью различных сплайнов, обладающих свойствами локального либо лобального изменения формы кривой в зависимости от типа объекта, которому >на соответствует, а также с помощью составных кубических кривых Безье.
Разработаны новые типы представления протяженных объектов в виде овокупностей пространственных кривых, которые дают возможность включать ти структуры в трехмерные модели местности, системы виртуальной іеальности и геоинформационные системы.
Положения, выносимые на зашиту.
-
На современном этапе развития машинного зрения и средств ьгчислительной техники разработанная в диссертации методика олуавтоматического выделения протяженных структур является елесообразной и эффективной с точки зрения временных затрат и остигаемой точности при решении задачи воссоздания объектного состава цены съемки применительно к практически важному классу объектов.
-
Построенный алгоритм выделения протяженных объектов универсален точки зрения радиометрических и геометрических свойств различных классов аяейных структур и обладает устойчивостью к значительным искажениям их ржостно—геометрических свойств.
3. Результаты представления протяженных объектов в ъщ пространственных сплайн—кривых (или их совокупностей) и кривых Безь позволяют получать описание исследуемых структур практически в любе масштабе, а также дают возможность удобного редактирования формы кривы)
Практическая значимость диссертапии.
На основе описанного метода разработана программа для персональне ЭВМ типа IBM PC (или совместимой), которая дает возможность производи эффективное выделение различных протяженных объектов искусственного естественного происхождения на цифровых аэрокосмических снимках. О] является частью разрабатываемой в ГосНИИАС системы "PiSoft—3DI предназначенной для цифровой стереофотограмметрической обрабоп авиационных и космических изображений.
Результаты, полученные при написании диссертации, были неоднокрап использованы в рамках НИР "Вертел", "Феникс", Договор N 3 "Информационные технологии — 97", выполнявшихся по заказ; Министерства Обороны РФ, Министерства Экономики РФ, Миннауки РФ, также в совместных работах ГосНИИАС и Межотраслевой Ассоциаці "Совинформспугник".
Программно реализованный полуавтоматический метод выделен: протяженных объектов был использован при создании пространственні модели местности по стереопаре АФС, работа с которой велась в рамках НІ "Феникс". При решении подобных задач данный метод позволяет значитель: снизить трудоемкость работ оператора—дешифровщика по сравнению традиционной экранной или планшетной оцифровкой. Кроме тої рекомендуется применять разработанный алгоритм выделения протяженю объектов при обновлении цифровых карт среднего и мелкого масштабов материалам данных дистанционного зондирования. При этом возмож существенное сокращение времени, затрачиваемого на определение координ протяженных структур, и может быть достигнута необходимая точность. П; помощи данного метода также могут быть локализованы протяженные объек-на изображениях, возникающих в различных областях машинного зреш медицине, материаловедении и т.д.
Апробация работы и публикапии по теме.
По результатам диссертации опубликовано 8 печатных работ. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XXXIX научной конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальной и прикладной физики и математики", на 3-й международной конференции "Методы дистанционного зондирования и ГИС — технологии для контроля и диагностики состояния окружающей среды", на XV и XVI научно—технических конференциях "Актуальные проблемы электроэнергетики" в Нижегородском государственном техническом университете, на научно—технической конференции "Современное состояние и перспективы развития геодезии, фототопографии, картографии и геоинформационных систем" в ЦНИИ геодезии, аэрофотосъемки и картографии, на III конференции "Распознавание образов и анализ изображений: информационные технологии", проводимой Российской Академией Наук, Министерством общего и профессионального образования РФ и Министерством науки и технологий РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 66 наименований. Общий объем работы составляет 116 страниц машинописного текста, 33 рисунка и 5 таблиц.