Обработка информации комплекса активных и пассивных приборов дистанционного зондирования Земли при аэрокосмическом мониторинге

На правах рукописиЧеремисин Максим ВладимировичОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ КОМПЛЕКСА АКТИВНЫХ ИПАССИВНЫХ ПРИБОРОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯЗЕМЛИ ПРИ АЭРОКОСМИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕСпециальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработкаинформации (приборостроение)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква – 20132РаботавыполненавФедеральномгосударственномбюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский государственный университет леса» (ФГБОУ ВПО «МГУЛ»)Научный руководитель:доктор технических наук, профессорБурков Валерий ДмитриевичОфициальные оппоненты:Сорокин Игорь Викторович доктортехнических наук,ОАО «РКК «Энергия»», заместительруководителя НТЦПочукаевВладимирНиколаевичдоктор технических наук, профессор,ФГУП«ЦНИИМАШ»,главныйнаучный секретарьВедущая организация:Фрязинский филиал ФГУБН Институтрадиотехники и электроники им.В.А.

Котельникова РАНЗащита состоится «20» декабря 2013г в 11 часов 00 минут на заседаниидиссертационного совета Д212.146.04при ФГБОУ ВПО «Московскийгосударственный университет леса» по адресу: 141005, Московская обл., г.Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГУЛ».Автореферат разослан «18» ноября 2013 годаУчёный секретарьдиссертационного совета, канд. техн. наук,доцентТарасенко П.А.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. На сегодня существуют два вида мониторингалесов: мониторинг, проводимый в рамках выполнения ведомственныхмероприятий государственной инвентаризации лесов (ГИЛ) и комплексныенаблюдения с помощью системы глобального мониторинга растительности наоснове веб-интегрированных геоинформационных систем – ГИС (Веб-ГИС).Первый вид мониторинга реализуется, главным образом, путем проведенияполевых измерений с применением аэрокосмической информации и ГИСтехнологий лишь для визуализации пространственных данных и актуализации(оценка факта наличия) лесного участка.

Второй вариант мониторинга длявизуализации использует Веб-ГИС среду с формированием слоёв значенийвегетационных индексов (ВИ) (часто одного - NDVI1) по изображениям толькооптического частотного диапазона средств ДЗЗ. Глобальные Веб-ГИС сервисыдают пользователю ограниченную информацию о растительности,демонстрируя лишь слой поля значений NDVI и иногда дополнительнопроизводные от индекса NDVI поля значений биологических параметров (LAI2,NPP3 и др.).

Часто отсутствие других видов информации вызвано причинойдостижения пределов доступных для хранения объёмов памяти на ГИСсерверах (терабайты данных).Существует два основных подхода одновременного сохранения и даженаращивания информативности систем дистанционного зондирования Земли(ДЗЗ) и при этом сокращения объёмов обрабатываемой и хранимойинформации на ГИС-серверах. Первый подход предполагает оптимизацию поинформативности каналов ДЗЗ приборов при мониторинге растительности.Второй подход основан на объектно-ориентированных принципах, при которыханализ и классификация изображений происходят не на уровне пикселей, а науровне объектов, групп пикселей, объединённых на основе определённойсовокупности критериев.Актуальность проводимых исследований обусловлена существующимина сегодня недостатками действующих систем обработки информации ДЗЗ примониторинге лесной растительности, а именно:- низкие показатели оперативности представления результатовмониторинга в рамках ГИЛ (от 1 до 10 лет);- низкая степень автоматизации процедур обработки информации сприборов и систем ДЗЗ;1 NDVI (англ.) - Normalized Difference Vegetation Index, Нормализованный разностный индекс растительности;2 LAI (англ.) - Leaf Area Index, Индекс листовой поверхности;3 NPP (англ.) - Net Primary Productivity, Чистая первичная продуктивность растительности.4- ограниченный анализ состояния растительности средствами Веб-ГИСбез использования всего многообразия дистанционных признаков широкогодиапазона длин волн приборов ДЗЗ;- достижение предельных объёмов памяти при хранении целевойинформации на серверах с приборов и систем ДЗЗ.Значительный вклад в разработку методов обработки информации сприборов ДЗЗ при аэрокосмическом исследовании поверхности Земли, в томчисле лесной растительности внесли различные российские организации иученые, отметим лишь некоторые из них: ИКИ РАН (Лупян Е.А., Барталёв С.А.),ФИРЭ РАН (Крапивин В.Ф., Чухланцев А.А., Саворский В.П.), ИГ РАН(Десинов Л.В.), НЦ ОМЗ ОАО «РКС» (Емельянов К.С, Новикова Н.Н.,Пермитина Л.И.), ЦЭПЛ РАН (Сухих В.И., Ершов Д.В.), МГУ (Козодёров В.В.,Дмитриев Е.В.), МФТИ (Кондранин Т.В., Чабан Л.Н.), МГУЛ (Галкин Ю.С.,Чумаченко С.И., Степанов И.М., Бурков В.Д., Давыдов В.Ф.), организацииРослесхоза (Филипчук А.Н., Архипов В.И., Н.А.

Владимирова), ОАО «РКК«Энергия»» (Сорокин И.В., Беляев М.Ю.), ФГУП «ЦНИИМАШ» (РайкуновГ.Г., Емельянов А.А.), ООО «ИТЦ «Сканэкс»» (Маслов А.А., Гершензон В.Е.),ООО «Компания Совзонд» (Ялдыгина Н.Б.), ЦПАМ «Аэрокосмос» (Бондур В.Г.)и многие др. Анализ работ ключевых научных школ в этом направленииисследований позволил определить круг нерешённых вопросов исформулировать актуальную цель диссертационной работы.Целью диссертационной работы явилась разработка нового методаобработки информации по данным с приборов активного и пассивного ДЗЗразличных диапазонов длин волн, повышающего оперативность и точностьоценки состояния лесной растительности при аэрокосмическом мониторинге.Задачи исследования.

В соответствии с указанной целью вдиссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:- разработка модели формирования участков относительно однородныхгрупп каждого дистанционного признака объединённых в пространствегеографических координат в дистанционно-ориентированные выделы (ДОВ) поинформации с приборов ДЗЗ различных диапазонов длин волн;- мониторинг тестового участка леса Московской области с помощьюДОВ с определением таксационных и экологических параметров в их границах;- разработка метода мониторинга лесов с использованием ДОВ;- оценка возможности определения породного состава и среднего запасанасаждений на тестовом участке леса по радиолокационным и оптическимданным спутников ДЗЗ;- практическая реализация метода мониторинга лесов с использованиемДОВ с помощью выбранных программных и аппаратных средств, разработка5варианта реализации метода существующими и перспективными средствами ДЗЗРС МКС.Объект исследования.

Объектом исследования диссертационной работыявляется совокупность существующих и разрабатываемых методовпредставления и обработки информации аэрокосмических средствдистанционного зондирования при мониторинге лесов.Предмет исследования. Условия применения комплекса активных ипассивных приборов ДЗЗ при аэрокосмическом мониторинге лесов,обеспечивающих комплексную оценку состояния растительности.Положения, выносимые на защиту:1.

Модель формирования дистанционно-ориентированных выделов на основеинформации комплекса активных и пассивных приборов ДЗЗ различныхдиапазонов длин волн.2. Методмониторингалесовсиспользованиемдистанционноориентированных выделов.3. Архитектура системы обработки информации комплекса активных ипассивных приборов ДЗЗ при мониторинге лесов с использованиемдистанционно-ориентированных выделов.Научная новизна. В диссертационной работе получены следующиенаучные результаты:1. Разработана модельиалгоритмформирования дистанционноориентированных выделов с использованием информации комплекса активныхи пассивных приборов ДЗЗ различных диапазонов длин волн.2. Разработан метод мониторинга лесов с использованием дистанционноориентированных выделов.3.

Разработана архитектура системы обработки информации комплексаактивных и пассивных приборов ДЗЗ при мониторинге лесов с использованиемдистанционно-ориентированных выделов.Практическая значимость работы. На базе полученных теоретическихрезультатов, была создана подпрограмма, встраиваемая в основной пакетпрограммного продукта ENVI IDL, которая является его отдельнымдиалоговым инструментом. Созданным инструментом был исследовантестовый участок леса Московской области с определением по известнымрегрессионным моделям ряда его экологических и таксационныххарактеристик. Предложена структурная схема интеграции существующих иперспективных средств ДЗЗ РС МКС при мониторинге лесов. Разработанвариант наземного комплекса приёма, обработки и распределения информации(НКПОР) в виде перебазируемого комплекса приёма и обработки информации(ПКПО), на аппаратных средствах которого может быть реализован методмониторинга лесов с использованием ДОВ.6Достоверность полученных научных результатов подтверждаетсякорректностью использования математического аппарата, положительнымирезультатами экспериментальной проверки разработанного метода и алгоритма.Методы исследования.

При выполнении диссертационной работы былииспользованы методы распознавания образов и обработки изображений,математическойстатистики,кластерногоанализа,геоинформатики,прикладного программирования.Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывалисьна следующих научных конференциях: ежегодная научно-техническаяконференция профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУлеса, Мытищи, 2010 – 2012 гг.; научная конференция молодых специалистовФГУП «НПО – Автоматики им. Н.А.

Семихатова», Екатеринбург, 2010г;научно-техническая конференция молодых учёных ОАО «НПО Измерительнойтехники», Королёв, ноябрь 2009г, 2010 г.; семинар «ЭКО Среды», Музейземлеведения МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, апрель 2012г; XLVIIнаучные чтения памяти К.Э. Циолковского, Калуга, сентябрь 2012; Десятаявсероссийскаяоткрытаяконференция"Современныепроблемыдистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, ноябрь 2012 г.Публикации.

Автором опубликовано 14 работ по теме диссертации, втом числе 5 работ в журналах входящих в «Перечень российскихрецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованыосновные научные результаты диссертаций на соискание ученых степенейдоктора и кандидата наук». Список опубликованных работ приведён далее.Получен патент на изобретение №2489845 «Способ мониторинга лесов».Структура и объём диссертации.

Работа состоит из списка сокращений,введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Список литературывключает 112 источников. Работа содержит 10 таблиц и 49 рисунков. Объёмдиссертации - 137 страниц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении излагается основные положения актуальности работы,определяются объект и предмет исследования с формулировкой главных целейи задач, раскрывается научная новизна и практическая значимость работы скраткой характеристикой её содержания.В первой главе даётся подробная характеристика объекту исследования,тестового лесного массива Московской области с описанием основныхтаксационных и экологических параметров, измеренных наземными методами.Рассматриваются особенности данных ДЗЗ в оптическом и радиодиапазоне сописанием их физических возможностей при мониторинге лесов.Определяются основные индикативные характеристики леса пригодные для7оценки дистанционными методами с указанием текущих требований ихпространственного разрешения и периодичности.