681.20:528.8
Дистанционные измерения. Определение опорных значений характеристик природного
объекта
В. В. АЛЕКСЕЕВ, А. А. МИНИНА, П. И. КРУПКО
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. Ульянова (Ленина), С.-Петербург, Россия, e-mail: vvalekseyev@mail.ru
Рассмотрены вопросы создания базы эталонных объектов для построения систем контроля состояния, идентификации и предупреждения аварийных (чрезвычайных) ситуаций и оценки их последствий (протекание, нанесенный ущерб) на основе анализа и моделирования в геоинформационных системах.
Ключевые слова: данные дистанционных измерений, береговая линия, опорная характеристика, законы распределения, геоинформационные системы.
The problems of creation of reference objects database for construction of control systems for monitoring of state, identification and prevention of emergency situations and estimation of consequences of those (passing, damage) based on the analysis and modeling in information systems — has been considered.
Key words: remote measurements data, coastline, reference characteristic, distribution laws, geoinformation systems.
В связи с развитием аэрокосмической техники данные дистанционных измерений (ДДИ) используют для решения широкого круга задач. Например, ДДИ из космоса позволяет оперативно оценивать состояние техногенных и природных объектов (технических сооружений, транспортных систем, морей и рек), местоположение и динамику опасных процессов, выбирать маршруты следования судов и т. д. Использование ДДИ существенно снижает затраты на построение систем мониторинга и поддержки решений в управляющих системах. Однако необходима оценка достоверности анализируемых данных, а следовательно, и проработка вопросов метрологического обеспечения данного вида измерений. Отсутствие системы эталонов и практическая недоступность их формирования в данной области требуют создания базы опорных (образцовых) объектов [1], которую можно использовать для оценки текущего состояния контролируемых объектов.
Рассмотрим поставленные вопросы в применении к системе контроля состояния, идентификации и предупреждения чрезвычайных ситуаций (ЧС) и оценки последствий ЧС на примере анализа ДДИ в геоинформационной системе (ГИС). Базовой процедурой программно-алгоритмического обеспечения для анализа ДДИ на основе ГИС является регистрация изменений состояния различных типов объектов, анализ и идентификация ситуаций с целью их дальнейшей классификации и выделения опасных процессов, предупреждения их негативного влияния.
Различные объекты в зависимости от решаемой задачи имеют разные характеристики, которые необходимо контролировать. Актуальна задача вычисления опорного значения характеристики объекта, так как его определение значительно влияет на точность измерений и анализа, а также на достоверность идентификации той или иной ситуации.
Объекты контроля и их классификация. Система анализа (СА) работает с характеристиками природных и техногенных объектов, имеющих географическую привязку, а также следующие информативные параметры: геометрические (форма, размер, тень), яркостные (фототон, уровень яркости, цвет, спектральный образ), структурные (текстура, структура, рисунок) [2]. Форма не зависит от условий съемки, тень позволяет оценивать пространственную форму объекта на одиночном снимке, особенно при определении параметров рельефа. По выраженности границы тени определяют профиль водораздельных поверхностей, бровок эрозионных форм, гребней форм эолового рельефа, а по размеру, протяженности — относительную высоту, длину форм рельефа или техногенных объектов. Размер — один из параметров, который можно применять для идентификации объекта, причем для измерения текущих изменений часто требуется не абсолютный, а относительный размер.
Структурные параметры отражают реально существующие ландшафтные рисунки, природные и техногенные объекты. На снимке эти параметры представляют совокупность изображений объектов и их частей определенной формы, размера и тона (цвета), положения и повторяемости элементов. Благодаря этим свойствам структурные параметры мало зависят от условий освещения, сезона и технических условий съемки, несмотря на изменчивость отдельных составляющих изображения, поэтому их принято считать надежными (дешифровочными) идентификационными параметрами.
Яркостные параметры связаны со спектральной отражательной способностью, фиксируемой на снимке в зависимости от вида съемки. На панхроматических и зональных (в относительно узкой части спектра) снимках интегральная или спектральная яркость объектов закодирована уровнями яркости (яркостью) шкалы из определенного числа сту-
пеней (например, 256; 2048). На многозональном снимке различия в спектральной яркости объектов отображаются набором уровней яркости в съемочных зонах — спектральных образах, — а на цветных синтезированных снимках — цветом.
В геоинформационных технологиях для описания местоположения объекта и его параметров (геометрических, структурных, спектральных), при представлении результатов дистанционных измерений используют вектор географических координат. Это в значительной степени определяет точность измерений, решение задачи поиска, выделения и фильтрации областей точек одинакового цвета, дает возможность работать с параметрами, отражающими текущее состояние контролируемого объекта, его изменение во времени, влияние одного объекта на другой — будь то береговая линия водного объекта или зона зеленых насаждений города [3]. В зависимости от типа объекта его характеристики могут изменяться при определенных условиях или быть постоянными (мало изменяющимися). Такими характеристиками могут обладать как природные, так и техногенные объекты.
Далее техногенные объекты (стационарные и подвижные) и природные (территориальные системы и экосистемы различного типа) будем различать.
Объекты обоих видов можно описать вектором параметров, определяющим тип и свойства объектов [4]:
Отк = {Ст^ Вт^ Рт^ ^mk},
где к — номер объекта в базе данных; Стк — вектор географических координат объекта; Бтк — множество геометрических признаков; Втк — множество структурных признаков; Ртк — множество спектральных признаков; 0.тк — множество других контролируемых параметров объекта. Для каждого параметра должны быть определены ограничения (диапазон изменения) в пространстве и времени.
Объекты могут иметь сложную структуру, их характеристики получают с помощью различных методов и средств. Например, географические координаты, геометрические размеры и структурные признаки — с помощью кадастровой съемки или другими методами. Однако достаточно часто такие работы оказываются дорогими, особенно для объектов с различающимися сезонными характеристиками или сложной административной структурой.
В связи с перечисленными выше причинами авторами разработан алгоритм вычисления опорных характеристик контролируемых стационарных объектов на основе статистического анализа ДДИ.
Формирование опорных характеристик объекта. Водные объекты (ВО) — одни из наиболее важных для СА. Они подвержены периодическим сезонным, а также случайным природным и техногенным воздействиям. Проведем анализ построения опорных характеристик на их примере.
К водным объектам относят: море, залив, озеро, разлив, водоем (естественный или искусственный), водоток (большой, средний, малый), болото и др.
К характеристикам ВО О^ = {С^ SV, В^ Р^ относят: вектор географических координат описывающих профиль береговой линии; площадь зоны разной интенсивности цвета в различных спектральных областях съемки В^ (Р^) = {Б^ = = {д^}, Svf = {я^}}; Р^ — все остальные.
Рассмотрим одну из характеристик для ВО Финский залив (ФЗ) — «береговая линия» О№ Она зависит от сезонных изменений в природе, рельефа местности и уровня грунтовых вод: талых вод весной (уровнем снега в системе водосбора, градиентом температур атмосферного воздуха в весенний период; количеством осадков в системе водосбора ВО летом; количеством осадков в системе водосбора ВО, ветровой обстановкой (нагонная волна с Балтийского моря) осенью; количеством осадков в системе водосбора ВО, температурой, ветровой обстановкой зимой.
Основные процессы, оказывающие воздействие на береговую линию, определяются географическим местом положения ВО и его взаимодействием с соседними, их водосборами. Поэтому описать ВО можно только на географической основе, обеспечивающей анализ взаимодействия территориальных объектов. Так как на территории объекта могут происходить различные события, которые необходимо идентифицировать и позиционировать в соответствии с зоной влияния того или иного фактора, определение опорной характеристики является необходимой задачей. Очевидно, что при разных условиях опорная характеристика ВО должна иметь различные значения. Для каждого сезона должны быть определены нормальные метеорологические условия (НМУ), при которых можно говорить о создании некоторой опорной характеристики.
Таким образом, характеристика береговой линии ВО должна состоять из совокупности сезонных характеристик соответственно для весны, лета, осени, зимы:
С№ = {С№.в, С№.л, С№.о, С№.з}.
Алгоритм определения опорной характеристики «береговая линия». Рассмотрим принципы построения опорной характеристики «береговая линия» ВО для летнего сезона, как наиболее стабильного и безоблачного для Северо-Западного региона. Для упрощения будем считать = С^ Характеристика профиля ВО «береговая линия» представляет совокупность точечных измерений (пикселов) Gv = {XV = = {х^}}, где I е ^, ^ — множество точек характеристики.
Этап 1. Выбор серии измерений. Для формирования опорной характеристики ВО необходимо произвести серию из С измерений при НМУ, которые должны быть определены, как условия близкие к среднестатистическим данным для заданного географического района за большой период наблюдений. Для этого необходимо привести к векторному виду серию растровых снимков анализируемой области, сделанных в одном сезоне с некоторой периодичностью. В результате измерений получим совокупность значений характеристики ВО (ансамбль данных), каждое из которых отлич
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.