Методы мониторинга земной поверхности и средств обработки изображений

Введение

Актуальность темы. 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.
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.
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 полученных данных. 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.
Целью данной работы является изучение методов мониторинга земной поверхности и средств обработки изображений.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести ознакомление с основными понятиями мониторинга и основными классификациями методов мониторинга земной поверхности;
- 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.
Практическая значимость исследования определяется важностью в разработке новых, оптимальных, методов мониторинга земной поверхности и обработки полученных изображений. Полученные данные могут применяться для решения задач сельскохозяйственного мониторинга, а также для сокращения издержек на проведение аэрофотосъёмочных работ.
Объектом является процесс исследования сельскохозяйственных земель с использованием аэрофотосъемки, предметом - фотоизображения и методы их дешифрации.

1 Классификация и выбор технических средств для решения задач мониторинга
Сельское хозяйство – одна из самых перспективных сфер для использования данных аэрофотосъемки в целях повышения интенсификации растениеводческого производства. Постоянное повышение требований к качеству сельскохозяйственной продукции, высокая стоимость средств защиты растений, общее ухудшение фитосанитарной и экологической ситуации обостряет проблемы, связанные с применением средств защиты растений в сельскохозяйственном производстве. В практике защиты растений чаще всего применяются химические методы. Именно ядохимикаты являются одними из важнейших загрязнителей природной среды, которые приводят к ее деградации. Они же попадают в питьевую воду и пищевые продукты, в результате чего страдает здоровье людей.
Мониторинг местности с воздуха уже давно используется, особенно за рубежом. Эффективность использования земель в сельском хозяйстве, площади затопления и подтопления, влияние климатических факторов - это и еще многое другое активно исследуется при помощи БПЛА. Однако, на данный момент эта возможность стала значительно дешевле. Технологии многовинтовых каптёров позволяет проводить аэрофотосъемку быстро и без значительных вложений, по сравнению с традиционной топографической съемкой.
Фермеры и экологи все чаще в последнее время прибегают к помощи аэрофотосъемки, которая выполняется с летального аппарата, для последующего получения цветного аэротоматериала или ортофотопланов территории. В краткие сроки можно получить материал для формирования карт распространения видов растительности, для подсчета и контроля посевных площадей. Для получения снимков местности высокого разрешения применяются фотокамеры, которые устанавливают на летальных объектах. В дронах предусмотрен специальный механизм, который позволяет проводить качественное фотографирование местности со значительной высоты без вибраций и влияния ветра - гироскопический подвес. Он способен справиться с ветром до 12 м/с.
После получения снимков, выполняется так называемая трансформация фотоснимков. Для этого применяются специальные программные комплексы. Один из таких программных комплексов - цифровая станция Delta. Она позволяет произвести качественную обработку полученных фотоснимков местности в довольно короткие сроки. Сегодня есть программы, которые выполняют "склейку" фотоснимков и создают 3D модели на персональных компьютерах.
Несмотря на то, что геодезические измерения непосредственно на самой поверхности земли позволяют получить более точные параметры рельефа координат заданных точек, аэрофотосъемка, в свою очередь, дает возможность составлять топографические планы масштабов 1:2000, 1:5000 и 1:10000 в значительно более краткие сроки и по меньшей цене. К тому же аэрофотосъемка позволяет получить максимально достоверное расположение абсолютно всех объектов местности в цветном виде.
Работа самолетов и вертолетов на полях напрямую зависит от метеорологических условий, что является существенным недостатком в земледелии, где от скорости решения проблемы зачастую зависит судьба будущего урожая. Кроме того, на небольших площадях использовать большую авиацию не всегда рентабельно.
С конца прошлого века авиастроители добились значительных успехов в создании более мобильных, малобюджетных, экономичных моделей, отличающихся повышенной маневренностью, предназначенных и для сельскохозяйственных целей в том числе. Спрос на машины класса легких летательных аппаратов, среди которых наиболее известны "Cessna", "Бекас", "Су - 38", "НАРП", "Спектр" и др., полностью обоснован, поскольку применение данной техники для обработки полей и культур позволяет повысить урожайность на 20 - 30 %

. Задействуют эту технику преимущественно на полях с зерновыми колосовыми культурами и рисом. Оснащенный системой распыления форсуночного типа легкий самолет, обладающий средними техническими характеристиками, при скорости 90 км/час и ширине захвата 20 м способен обработать за день более 1000 га полей. При этом удается избежать повреждения посевов, обработать те участки, куда доступ традиционной сельскохозяйственной технике закрыт по причине труднодоступности (в т.ч. высокой влажности почвы), в кратчайшие сроки ликвидировать локальные очаги заражения культур болезнями или вредителями, расходуя минимальное количество химических препаратов и соблюдая высокую точность обработки.
Но серьезным недостатком легкой и сверхлегкой авиации является низкий уровень защиты пилотов от воздействия высокотоксичных ядохимикатов. Поэтому, появление беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), открывшее новую эру развития во многих областях человеческой деятельности, дает возможность повышения эффективности, экономичности, безопасности и дальнейшего усовершенствования ведения аграрных работ с применением эффективного земледелия.
За один час работы БПЛА способен с высокой точностью внести трихограммы на поле площадью до 4 га. Оснащенные ультразвуковыми отпугивателями, аппараты предохранят посевы от грызунов и птиц. Применение их для поливов, подкормок удобрениями, обработки пестицидами может проводиться удаленно, с высокой точностью, не допуская распространения дисперсного облака на соседние посевы.
Оценка выбранных параметров по группам летательных средств представлена в таблице 1.
Последние разработки позволяют проводить также спектральный анализ грунта, с помощью которого можно определить точную влажность каждого участка, количество в нем минеральных и органических веществ, контролировать рост и состояние посевов, а также перспективы будущего урожая. Очень интересна технология посадки семян с помощью БПЛА. В этом случае аппарат "выстреливает" в почву капсулы с семенами, содержащие стимулятор роста и все необходимые для успешного развития растения элементы.

Таблица 1 – Сравнительный анализ летательных аппаратов по выбранным критериям

Самолёты, вертолёты СЛА (дельтаплан, мотодельтаплан) Беспилотные летательные аппараты
Качество съёмки 4 5 5
Разрешение 4 5 5
Оперативность 3 5 5
Зона охвата 4 3 3
Стоимость 2 4 5
Законодательный барьер 3 4 1
Зависимость от погодных условий 2 4 4
Итого 22 30 28

Цифровой фотоаппарат — устройство, являющееся разновидностью фотоаппарата, в котором светочувствительным материалом является матрица или несколько матриц, состоящая из отдельных пикселей, сигнал с которых представляется, обрабатывается и хранится в самом аппарате в цифровом виде.
Цифровые аэросъёмочные фотоаппараты относятся к метрическим камерам. Среди них различают среднеформатные и полноформатные камеры. К полноформатным камерам относят такие, разрешение которых составляет порядка 100 Мбайт и более.На сегодняшний день конструктивно цифровые камеры разделяются на две основные группы: кадровые и сканирующие.
Кадровые камеры, в свою очередь, можно разделить на среднеформатные, состоящие из одной цветной ПЗС матрицы и имеющие разрешение в 20–40 мегапикселей, и полноформатные, представленные моделями Z/I Imaging DMC и VexcelUltraCam. Примером сканирующих камер, которые еще иногда называют трилинейными (trilinear), являются модели LeicaGeosystems ADS40 и Wehrli/Geosystem 3 DAS.
Согласно публикациям в сети Интернет, из списка представленного выше наиболее популярна 3-DAS-1 ввиду её не слишком высокой стоимости и наличия возможности у российских компаний и у компаний ближнего зарубежья её приобрести.
Рынок цифровых камер динамично развивается и в последнее время пополнился новыми разработками. К ним относятся:
- сканирующая камера JAS150 компании JenaOptronik (Германия);
- полноформатная цифровая камера от DIMAC Systems (Люксембург).
Ввиду высокой стоимости описанных выше специализированных аэрофотокамер для выполнения аэрофотосъёмочных работ были приспособлены некоторые модели неметрических фотокамер. Так, например, для аэрофотосъёмки сегодня применяют Nikon D2X, Canon EOS 7D Kit, а также широкоугольные зум-объективы Canon EF 16-35 f/2.8L, EF 70-200 f/2.8 L USM, EF 100-400 f/4.5-5.6L IS USM. Эти камеры, конечно, обладают более скромными техническими характеристиками, но при соблюдении определённых условий и при использовании гирорамы позволяют получить снимки достаточно высокого качества для их последующей обработки при помощи программных средств с учетом поставленных перед специалистами целей.
Характеристики метрических и неметрических фотокамер и оценка каждого критерия приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Характеристики метрических и неметрических фотокамер

Для мониторинга земель сельскохозяйственного назначения, неметрические камеры с хорошим разрешением и дополнительным гироскопическим оборудованием являются более приемлемыми с точки зрения анализируемых критериев. На основе данных, приведенных на рисунке 1, может быть сделан выбор конкретной модели фотоаппарата: наиболее подходящими являются Canon EOS 550D, Panasonic Lumix DMC-62, Nicon D2X.

2 Определение признаков классификации методов и средств мониторинга сельскохозяйственного назначения
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, теории случайных процессов, численные методы линейной алгебры, а также программирование на языке высокого уровня.
При съемке с помощью сверхлегких летательных аппаратов, как правило, используется только три канала информации в видимом диапазоне спектра, но разрешение полученных снимков будет значительно выше, чем при съемке из космоса. Поэтому рассмотрены два алгоритма классификации аэрофотоснимков, полученных с высоты 1-3 км, имеющих три канала информации (R, G и B):
- алгоритм расчета Эвклидова расстояния;
- алгоритм расчета расстояния Махаланобиса.
Выбор данных алгоритмов обусловлен тем, что формула расчёта Эвклидова расстояния – одна из самых простых и широко применяемых формул для расчёта расстояния в N-мерном пространстве. А формула расчёта расстояния Махаланобиса – одна из самых сложных. Первый алгоритм требует значительно меньше вычислительных ресурсов, чем второй