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.
