Способ определения дигрессии надпочвенного покрова в арктической зоне



Способ определения дигрессии надпочвенного покрова в арктической зоне
Способ определения дигрессии надпочвенного покрова в арктической зоне
Способ определения дигрессии надпочвенного покрова в арктической зоне
Способ определения дигрессии надпочвенного покрова в арктической зоне
Способ определения дигрессии надпочвенного покрова в арктической зоне

 


Владельцы патента RU 2588179:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ "АЭРОКОСМОС") (RU)

Изобретение относится к области экологии и может найти применение при контроле состояния территорий вечной мерзлоты в целях раннего обнаружения критических состояний. Способ определения дигрессии надпочвенного покрова в Арктической зоне включает регистрацию двух разнотипных сигналов средствами, установленными на космическом носителе: отраженного от подстилающей поверхности солнечного потока и собственного восходящего излучения поверхности в ИК-диапазоне. В зависимости от увлажненности надпочвенного покрова эти сигналы имеют разнонаправленный характер, в силу чего их попиксельное отношение в синтезированной матрице изображения обеспечивает устойчивый контраст для выявления участков критического состояния на изображении. Методами пространственного дифференцирования выделяют контуры участков критического состояния, вычисляют функцию фрактальной размерности изображения внутри выделенного участка и сравнивают с фрактальной размерностью тестового (эталонного) участка. Результат обработки и выделения критических участков наносят на контурную карту Арктической зоны. Способ обеспечивает достоверность и точность обнаружения ранних признаков критических изменений надпочвенного покрова. 6 ил.

 

Изобретение относится к области экологии и может найти применение при контроле состояния территорий вечной мерзлоты в целях раннего обнаружения критических состояний.

Интенсификация хозяйственной деятельности в Арктической зоне делает актуальной задачу непрерывного мониторинга обширных территорий за Полярным кругом. Нарушение природного покрова тундры приводит к быстрому заболачиванию территорий и невозможности проведения должных рекреационных мероприятий в короткие сроки.

Известен «Способ отслеживания границы зоны лес - тундра», патент RU №2531765, 2014 г., G.01.C, 11/02, A.01.G, 23/00 - аналог.

Способ-аналог включает выбор трасс зондирования арктических территорий на термическом пределе произрастания растительности, спектрометрические измерения выбранных трасс, содержащих тестовые участки, в диапазонах 0,55…0,68 мкм и синхронные радиометрические измерения в СВЧ диапазоне на длине волны ~30 см с получением последовательности кадров вдоль трассы полета в полосе поперечного сканирования, расчет значений вегетационного индекса NDVI для каждого пиксела кадра спектрометрических измерений, формирование синтезированных матриц измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих пикселей значений NDVI и пикселей сигнала радиометрических измерений, определение пороговой величины синтезированного сигнала по измерениям границы тестового участка, выделение программной обработкой линии границы по пороговой величине, визуализацию границы зоны лес - тундра и наложение ее на контурную карту Арктической зоны.

К недостаткам способа-аналога следует отнести:

- невозможность непосредственного использования из-за различия средств зондирования и измеряемых параметров;

- недостаточная точность определения границы (десятки км), что неприемлемо для обнаружения малоразмерных площадей критического состояния надпочвенного покрова;

Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Способ ранней лесопатологической диагностики», Патент RU №2 189 732, 2002 г.

В способе ближайшего аналога получают оцифрованные значения функций яркости I(x,y) изображений в виде матриц дискретных отсчетов размерностью |m×n| элементов в зонах R и G, определяют отношение спектральных коэффициентов яркости зон, отличающийся тем, что вычисляют попиксельные отношения матриц зон R и G, составляют результирующую матрицу из этих отношений, выделяют, методами пространственного дифференцирования, контуры на результирующем изображении, рассчитывают функции фрактальной размерности изображения внутри контуров и по численному значению фрактальной размерности, положению контуров и их площади, судят о причинах, координатах и размерах выявленной патологии.

Недостатками способа ближайшего аналога являются:

- отсутствие эталона (тестового участка) для однозначной количественной идентификации степени патологии;

- недостаточная достоверность результата, вследствие использования одного измеряемого параметра - коэффициента спектральной яркости (КСЯ) подстилающей поверхности.

Задача, решаемая заявленным способом состоит в достоверном обнаружении ранних признаков критических изменений надпочвенного покрова путем измерения отраженного от поверхности солнечного потока в видимом диапазоне и собственного восходящего излучения поверхности в инфракрасном диапазоне с последующим комплексированием двух сигналов при обработке.

Поставленная задача решается тем, что способ определения дигрессии надпочвенного покрова в Арктической зоне включает видеосъемку подстилающей поверхности, содержащей тестовые участки, цифровой камерой с синхронной регистрацией собственного восходящего излучения тех же участков в инфракрасном диапазоне, формирование результирующих матриц изображений из попиксельных отношений сигналов видимого диапазона к сигналам инфракрасного диапазона, нормирование результирующих матриц в стандартной шкале 0…255 уровней квантования, выделение, методом пространственного дифференцирования, контуров дигрессии на изображениях результирующих матриц, расчет фрактальной размерности изображений внутри выделенных контуров, расчет индекса дигрессии через отношение фрактальных размерностей изображения анализируемого участка к тестовому, визуализацию выделенных участков и нанесение их на контурную карту с привязкой к топографической основе Арктической зоны.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - альбедо надпочвенного покрова тундры, а) - увлажненного участка, б) - суходольного участка;

фиг. 2 - функция сигнала восходящего излучения ИК - диапазона в зависимости от увлажненности;

фиг. 3 - выделенный контур на изображении участка дигрессии;

фиг. 4 - функции фрактальной размерности изображения текущего и тестового участков;

фиг. 5 - визуализация участков дигрессии на контурной карте Арктической зоны;

фиг. 6 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Техническая сущность заявленного способа состоит в следующем.

Установлено, что восприятие образа человеком-оператором происходит на уровне контурного рисунка. Край контура - это граница максимального изменения функции яркости изображения. Из графиков фиг. 1, фиг. 2 следует, что при увеличении увлажненности альбедо поверхности увеличивается, а сигнал ИК - излучения уменьшается. Для повышения контраста участков дигрессии надпочвенного покрова формируют результирующую матрицу из попиксельных отношений матриц сигналов цифровой видеокамеры и камеры приема восходящего излучения ИК - диапазона. Поскольку энергия отраженного от поверхности солнечного потока существенно выше энергии собственного восходящего излучения, при комплексировании результирующей матрицы используют деление большего сигнала на меньший.

Характерный вид сигнала альбедо поверхности иллюстрируется графиком фиг. 1 [см., например, Л.И. Чапурский, Отражательные свойства объектов в диапазоне 400-2500 нм, ч. I, Мин Обороны СССР, 1986 г., Таблица ПЗ, (июнь, тундра) стр. 120-121]. Зависимость сигнала собственного восходящего излучения в ИК - диапазоне иллюстрируется графиком фиг. 2 [см., например, Патент RU №2147253, 2000 г., таблица 2, 3]. Границу контура выделяют вычислением градиента. Градиент скалярной функции яркости результирующей матрицы в каждой точке изображения находят как:

Для получения контурного рисунка выбирают регулярный оператор с апертурой окна элемента;

Элементы окна связаны по диагоналям (двум взаимно ортогональным направлениям) операцией вычитания. Вычисляют оператор Робертса в каждой точке:

выводят на экран точки, для которых R(i,j)≥порог. Выделение контуров является стандартной операцией [см., например, П.А. Минько, Обработка графики в photoshop CS2, изд. Эксмо, 2007 г., глава 3, Методы выделения областей, стр. 47-63]. Результат выделения контурного рисунка на изображении иллюстрируется фиг. 3

Одновременно установлено, что наибольший объем информации об объекте содержит его форма. В В криминалистике идентификацию объекта проводят путем составления фоторобота, выделяя нужные лица из тысячи других. Элементом формы объекта по Мандельброту является его фрактал [см., например, Mandelbrot В. Fractals, Forms, Chance and Dimensions, Freeman, San Francisco, 1977].

Фрактальная размерность является числовым параметром, характеризующим структуру природных образований, в частности, для изображения, этот параметр заключается в интервале [2...3]. Для вычисления фрактальной размерности используют метод осцилляций.

Пусть (x1, y1) и (x2, y2) - двумерные координаты точек, а третья координата, яркость, задана в виде функции координат I(x,y).

Тогда ε - осцилляцией значений (I) будет разность наибольшего и наименьшего значения (I) в (ε) окрестности (x,y).

После этого ε - вариацию значения I вычисляют как:

где a, b - пределы, в которых изменяется переменная x;

с, d - пределы, в которых изменяется переменная y.

Фрактальная размерность матрицы вычисляется как размерность Хаусдорфа:

Вычисление фрактальной размерности изображений объектов осуществляют по специализированной программе. Текст программы приведен ниже в примере реализации. Расчетные значения функций фрактальной размерности текущего участка и тестового (эталонного) участка иллюстрируются графиками фиг. 4.

Ненарушенный надпочвенный покров тундры имеет меньшую фрактальную размерность, чем однородный заболачиваемый участок. Существует лицензионная математическая программа привязки космических снимков к топографической основе: ГИС «ТОПОЛ». После привязки снимков к топографической основе формируют результирующие матрицы попиксельных отношений. Для последующей обработки матриц осуществляют их нормирование в стандартной шкале 0…255 уровней квантования. После обработки осуществляют визуализацию обнаруженных участков дигрессии надпочвенного покрова с нанесением их на контурную карту Арктической зоны. Получаемый товарный продукт иллюстрируется рисунком фиг. 5.

Пример реализации способа.

Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг. 6. Функциональная схема содержит космический аппарат (1) с наклонением орбиты, обеспечивающей высокоширотную съемку (типа «Ресурс») с установленными на нем цифровой видеокамерой (2) видимого диапазона (типа BYP - 30) и сканирующим устройством (3) ИК - диапазона (типа МСУ-К). Трассовую съемку запланированных регионов в полосе сканирования (4) осуществляют командами от бортового комплекса управления (5) на основе суточных программ, закладываемых в БКУ из центра управления полетом КА (6) по командной радиолинии (7). Результаты измерений записывают в буферное запоминающее устройство (8) и, в зонах радиовидимости КА с наземных пунктов, передают по специальной радиолинии (9) на пункты приема информации ППИ (10). После предварительной обработки информации по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты) на ППИ (10) информацию передают на сервер хранения данных (11). Тематическую обработку изображений потребители осуществляют в центре обработки (12), где через устройство ввода и передачи (13) информация из сервера хранения поступает в электронно-вычислительную машину (14) со стандартным набором периферийных устройств: процессор (15), оперативное запоминающее устройство (16), накопитель на магнитных дисках (17), устройство отображения информации (18), печатающее устройство (19), клавиатура (20). Предварительно, в оперативное запоминающее устройство (16) записывают программу привязки космических снимков к топографической основе: ГИС «ТОПОЛ». Затем формируют кадры синтезированных матриц из попиксельных отношений цифровых сигналов видеокамеры и сканирующего устройства. Осуществляют нормирование результирующего сигнала в стандартной шкале 0…255 уровней квантования. Выделяют, методами пространственного дифференцирования, контуры дигрессии надпочвенного покрова. По специализированной программе рассчитывают фрактальную размерность изображений выделенного контура и тестового участка.

Текст программы вычисления фрактальной размерности изображений.

Фрактальная размерность изображения, по Хаусдорфу, занимает интервал [2…3]. Изображение ненарушенного надпочвенного покрова тундры имеет меньшую фрактальную размерность, чем однородный участок заболачиваемости зоны вечной мерзлоты. В качестве индекса дигрессии принимают отношение фрактальной размерности изображения текущего участка к фрактальной размерности тестового. Это отношение больше или равно единице. Обработанные снимки участков с расчетными значениями деградации надпочвенного покрова помещают на сервер (21) хранения результатов обработки и наносят на контурную карту Арктической зоны, иллюстрируемую рисунком фиг. 5.

Все элементы функциональной схемы выполнены на существующей технической базе (КА типа «Ресурс», видеокамера типа BYP-30, сканирующее устройство МСУ-К, наземный комплекс управления «Роскосмоса»).

Эффективность способа достигается контрастированием сигналов отраженного светового потока и сигнала собственного восходящего излучения в ИК-диапазоне.

Способ определения дигрессии надпочвенного покрова в Арктической зоне, включающий видеосъемку подстилающей поверхности, содержащей тестовые участки, цифровой камерой с синхронной регистрацией собственного восходящего излучения тех же участков в инфракрасном диапазоне, формирование результирующих матриц изображений из попиксельных отношений сигналов видимого диапазона к сигналам инфракрасного диапазона, нормирование результирующих матриц в стандартной шкале 0…255 уровней квантования, выделение методом пространственного дифференцирования контуров дигрессии на изображениях результирующих матриц, расчет фрактальной размерности изображений внутри выделенных контуров, расчет индекса дигрессии через отношение фрактальных размерностей изображения анализируемого участка к тестовому, визуализацию выделенных участков и нанесение их на контурную карту с привязкой к топографической основе Арктической зоны.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть применено для увеличения нефтеизвлечения и интенсификации добычи нефти. Способ включает первичное ГРП на скважинах, периодическое определение дебита и проведение повторного ГРП после прекращения влияния первичного.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в процессе проведения микросейсмического мониторинга. Настоящее изобретение предусматривает волоконно-оптическую систему сейсмического мониторинга, включающую в себя источник света, который возбуждает оптическое волокно, расположенное в стволе скважины.

Изобретение относится к способам дистанционного изучения геологической среды. Сущность: проводят тепловизионную съемку геологической среды.

Способ предназначен для решения задачи дистанционного обнаружения предвестников чрезвычайных ситуаций на подземных магистральных трубопроводах. Способ осуществляют получением и анализом изображений по отраженным и собственным излучениям подстилающей поверхности трассы пролегания трубопровода.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана. Технический результат - повышение точности определения характеристик морской поверхности за счет разделения воздействия на отражённый от морской поверхности радиосигнал двух факторов, доминантных ветровых волн и мелкомасштабной ряби. Сущность: формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности и вертикально зондируют ими морскую поверхность, регистрируют отражённые радиоимпульсы и по их форме определяют характеристики морской поверхности, при этом дополнительно формируют более длинные радиоимпульсы и вертикально зондируют ими морскую поверхность, причем длительность дополнительно сформированных радиоимпульсов обеспечивает одновременное отражение от всей площади морской поверхности, освещаемой в пределах диаграммы направленности антенны, определяют амплитуду отраженных импульсов большей длительности, по ней определяют скорость ветра, и определяют характеристики морской поверхности с учетом скорости ветра.

Изобретение относится к области океанологических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана. Технический результат - повышение точности определения асимметрии распределения возвышений морской поверхности. Сущность: формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности, зондируют ими морскую поверхность в надир и регистрируют отражённые радиоимпульсы.

Изобретение относится к области гидрофизических исследований и может быть использовано для исследований, проводимых в океане. Сущность: станция содержит плавучесть (1) из синтактика, внутри которой закреплены автономные модули (2, 3) с датчиками (4).
Способ относится к области океанографических измерений и может быть использован для контроля состояния открытых водоемов, вызванного их загрязнением, при проведении экологических и природоохранных мероприятий, а также для мониторинга гидрологических характеристик.

Изобретение относится к горному делу, а именно к исследованиям горных пород, в частности к способам исследования керна, извлеченного из скважины. Способ включает установку керна на предметный столик, освещение его поверхность направленным потоком видимого диапазона света, прием части света, отраженного от поверхности керна и обработку полученной информации.
Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для поиска месторождений нефти и газа. Сущность: проводят геологическую и сейсмическую съемки, а также дистанционный оптический газовый анализ с помощью дистанционного лидара.

Изобретение относится к лесному хозяйству, в частности к агролесомелиорации, и может быть использовано при создании лесных полос. Способ включает подготовку почвы, посадку сеянцев рядами и уход.

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике и может найти применение в лесном хозяйстве при измерении высоты дерева, а также для измерения ширины кроны растущих деревьев.

Изобретение относится к лесному хозяйству, а именно к лесопосадочным машинам для высадки сеянцев. Заделывающий рабочий орган содержит раму посадочной секции.

Группа изобретений относится к транспортному средству или машине, предназначенной для работы на неровных или наклонных поверхностях. Устройство для движущегося транспортного средства содержит три рамные части (2, 3, 4), две плоскости (А, В) вращения и управляющий вращением привод (6).

Изобретение относится к лесозаготовительной промышленности, в частности к машинам для очистки лесосек от порубочных остатков, обеспечивающих сбор, измельчение лесосечных отходов и перегрузку щепы в щеповозы.

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для оценки степени загрязнения окружающей среды, например участков городской территории. Способ включает вычисление разности между значениями морфологических показателей у левой и правой сторон листа, а также их суммы, последующее вычисление индекса флуктуирующей асимметрии листьев и сравнение полученной величины этого индекса с величиной индекса, характерной для фоновой территории.

Изобретение относится к области селекции и семеноводства, а также к лесному хозяйству. Способ включает двухэтапный отбор при проведении изреживаний.

Изобретение относится к машинам, применяемым для трелевки леса в лесном хозяйстве. Устройство смонтировано на навесной системе трактора 5 и содержит раму 1, шарнирно закрепленный на раме двуплечий рычаг 12, двухшарнирное звено с захватом 2, снабженным челюстями 3 и гидроцилиндром 4, дополнительные гидроцилиндры 15, пружины 16 и ограничительные шпильки 17.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к экологическому и технологическому мониторингу сельхозугодий. Способ включает определение места, частоты, длительности отбора проб почвы на исследуемой территории.

Изобретение относится к области экологического мониторинга. Способ включает выделение на малой реке или ее притоке визуально по карте или натурно участка пойменного луга с травяным покровом.

Изобретение относится к лесной промышленности и касается способа мониторинга перемещения лесоматериалов. Технический результат заключается в обеспечении автоматического мониторинга перемещения круглых лесоматериалов и контроля легальности заготовки круглых лесоматериалов в цепи поставок. Технический результат достигается за счет установки радиочастотных меток с уникальным идентификационным кодом с дополнительной информацией на каждый заготовленный круглый лесоматериал, считывания уникальных идентификационных кодов и сравнения их с уже имеющимися в базе данных кодами, при этом в состав дополнительной информации входят координаты устройства, выполняющего операции, получаемые с помощью системы глобального позиционирования ГЛОНАСС, а при считывании идентификационного кода метки получают информацию о расстоянии от считывателя до считанной метки. 18 ил., 9 табл.
Наверх