Автоматизация процесса распознавания объектов застроенных территорий

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

ВВЕДЕНИЕ

1. ДЕШИФРИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ АЭРО- И КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК

1.1 Понятие о дешифрировании

1.2 Задачи и содержание дешифрирования снимков застроенных территорий

1.3 Методы дешифрирования материалов аэро- и космических съемок

2. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЕМАСКИРУЮЩИХ ПРИЗНАКОВ

2.1 Классификация демаскирующих признаков

2.2 Информационные возможности демаскирующих признаков

2.3 Объекты дешифрирования застроенных территорий и их демаскирующие признаки

3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА РАСПОЗНАВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ЗАСТРОЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

3.1 Перспективы автоматизации процесса дешифрирования

3.2 Методы автоматизированного дешифрирования

3.3 Процесс автоматизированного распознавания образов на основе нейросетевых методов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа содержит 102 страницу, 21 рисунок, 2 таблицы, 40 использованных источников и 3 приложения.

дешифрование, нейронные сети, автоматизированное распознавание изображений площадных объектов, флуктуации параметров сети, оконтуривание классифицированных объектов

Объект исследования - технология использования многозональных космических снимков высокого разрешения для мониторинга застроенных комплексов.

Цель работы - изучение возможности автоматизации процесса распознавания объектов застроенных территорий.

В процессе работы поставленные задачи решались с применением методов описательной статистики, аналитического, экономико-математического, графического, программного.

В результате исследования изучены следующие методы дешифрования аэрокосмических снимков:

1. Метод автоматизированной классификации изображений топографических объектов с использованием нейросети;

2. Метод автоматизированного распознавания изображений топографических объектов с использованием элементов экспертной системы, построенной на основе нейросети;

3. Метод автоматизированного распознавания изображений площадных объектов застроенных территорий с использованием нейросети;

4. Способ организации классификатора дешифровочных признаков топографических объектов;

5. Методика автоматизированного дешифрирования изображений топографических объектов с использованием нейросетевых методов.

Область применения: в практике работы кадастрового инженера.

ВВЕДЕНИЕ

Научная и хозяйственная необходимость целостного изучения природной среды Земли как местообитания и арены практической деятельности человека общепризнанна.

С появлением космических летательных аппаратов и различных средств получения дистанционной информации о Земле в мелких и сверхмелких масштабах стал возможен цельный, общий взгляд на различные природные процессы и явления.

Получение информации о топографических объектах по материалам космических съемок при создании и обновлении топографических цифровых и электронных карт выполняется на этапе дешифрирования снимков. Временные затраты на дешифрирование по традиционной технологии создания и обновления карт составляют от 20 до 40 общих затрат. Это вызвано тем, что наиболее сложные и трудоемкие этапы дешифрирования (обнаружение или объектов местности и их распознавание) выполняются визуальным визуально-машинным способами. В связи с успешной автоматизацией других процессов входящих в технологическую схему составления и обновления карт, процент временных затрат на дешифрирование снимков растет и в ближайшей перспективе может составить 60-70%. Поэтому одной из перспективных возможностей изменения ситуации в области составления и обновления карт является разработка методики автоматизированного дешифрирования, что обуславливает актуальность дипломной работы.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является технология использования многозональных космических снимков высокого разрешения для мониторинга застроенных комплексов, а предметом - алгоритмы автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков и выявления по ним изменений.

Целью данной работы является изучение возможности автоматизации процесса распознавания объектов застроенных территорий.

Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

- рассмотрены понятие, методы и задачи дешифрирования снимков застроенных территорий;

- дана классификация демаскирующих признаков и выявлены их информационные возможности;

- выделены основные объекты дешифрирования застроенных территорий, проанализированы их демаскирующие признаки;

- рассмотрены перспективы автоматизации процесса дешифрирования;

- проанализирован алгоритм автоматизированного распознавания образов на основе нейросетевых методов.

Методологическую базу работы составляют эмпирические (наблюдение), теоретические (обобщение, формализация) и общелогические (анализ, синтез, индукция, дедукция, аналогия) методы.

Теоретическую основу выпускной квалификационной работы составили Законодательство Российской Федерации о государственном кадастре, работа с научными публикациями в сети Интернет, учебными и научными публикациями по теме дешифрирование аэрокосмических снимков позволила собрать материал по теме выпускной квалификационной работы. Среди изданий периодического характера были просмотрены журналы «Искусственный интеллект», «Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка», «Геодезия и картография» и др.

Решению задач автоматизированного дешифрирования аэрокосмических снимков и выявления по ним изменений посвящено большое количество работ известных ученых, как отечественных (Журкин И.Г., Гук А.П., Пяткин В.П., Асмус В.В., Ярославский Л.П.), так и зарубежных (Гонсалес Р., Вудс Р., Прэтт У. и др.).

Базой для исследований являются выполненные ранее исследования в области разработки методик дешифрирования аэрокосмических снимков и выделения изменений. При проведении экспериментальных работ были использованы космические снимки IKONOS, FORMOSAT-2, SPOT-5, QuickBird, World-View-2.

На защиту будут вынесены следующие основные положения:

1. Метод автоматизированной классификации изображений топографических объектов с использованием нейросети;

2. Метод автоматизированного распознавания изображений топографических объектов с использованием элементов экспертной системы, построенной на основе нейросети;

3. Метод автоматизированного распознавания изображений площадных объектов застроенных территорий с использованием нейросети;

4. Способ организации классификатора дешифровочных признаков топографических объектов;

5. Методика автоматизированного дешифрирования изображений топографических объектов с использованием нейросетевых методов.

Выпускная квалификационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых источников и приложений.

1. ДЕШИФРИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ АЭРО- И КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК

1.1 Понятие о дешифрировании

Дешифрирование - это распознавание объектов местности, необходимых для составления плана или других целей, и выявление их содержания с обозначением в условных знаках качественных и количественных характеристик.

Возможность распознавания изображения объекта определяется наличием граничных линий со смежными объектами, тоновый и цветовой контраст которых лежит в пределах зрительного восприятия. Увеличение такого контраста является обязательным условием аэрофотографирования 1.

Свойства объектов и изображений, такие как размер, используют для дешифрирования, другие, вследствие невозможности или нецелесообразности их определения, например, массу, звук, запах -- нет. Свойства объектов или изображений, определяемые и используемые для классификации при дешифрировании, называют признаками.

Признаки -- это классификационные свойства объектов или изображений.

С помощью признаков можно не только различать объекты (изображения), но и однотипные объединять в группы. Последнее положение обусловливает два пути сужения области поиска во множестве объектов (изображений): объединением имеющих данный признак либо исключением не имеющих его. Из совокупности признаков объекта (изображения), известных дешифровщику, у него складывается соответствующий образ.

Любую необходимую для решения некоторой задачи информацию о местности, расположенных на ней объектах можно получить путем непосредственных наблюдений (контактный способ). У этого способа сбора информации есть определенные преимущества -- возможность тщательного натурного изучения объектов и взятия при необходимости проб для лабораторного анализа. Это обеспечивает самый высокий уровень достоверности получаемых сведений. Но наряду с этим способу свойственны и существенные недостатки. Например, ограниченность зоны одновременного обзора, анализа и выявления взаимосвязей между элементами природного и антропогенного ландшафтов, ограниченность спектральной чувствительности зрительного аппарата человека, невысокая производительность и оперативность выполнения обследований, сложность работы в труднодоступных районах, довольно сложная в ряде задач процедура документирования результатов обследований и др 2.

Аэро- и космические средства и методы получения семантической информации о местности, объектах и процессах в значительной мере восполняют недостатки контактного способа сбора информации, а в некоторых случаях полностью заменяют его. Некоторые задачи, особенно поисковые (разведывательные), решают только с помощью аэро- и космических съемок.

Дешифрирование входит составной частью в технологический процесс топографического и ландшафтного картографирования, а также является важнейшим технологическим компонентом дистанционного зондирования.

Поскольку между съемкой и дешифрированием иногда возникает существенный временной разрыв, в течение которого могут произойти некоторые изменения ситуации, в обязанности дешифровщика войдет полевая инструментальная корректировка -- досъемка вновь появившихся элементов или исключение из дешифрирования элементов утраченных. Очевидно, что досъемке подлежат также объекты, не отразившиеся по тем или иным причинам на снимках, например объекты с недостаточным яркостным контрастом относительно фона или объекты, оказавшиеся за пределами линейной разрешающей способности съемочной системы.

Дешифрирование классифицируют по содержанию и технологии выполнения. В зависимости от содержания дешифрирование делят на следующие виды: топографическое (при мелкомасштабном картографировании -- ландшафтное) и специальное (тематическое, отраслевое). При топографическом дешифрировании выявляют, анализируют и показывают условными знаками элементы ландшафта, подлежащие нанесению на топографические карты (при ландшафтном -- на географические карты).[3]

Набор объектов при специальном дешифрировании носит избирательный характер. Так, при земельно-кадастровом дешифрировании основными объектами анализа являются сельскохозяйственные угодья и границы землепользований и землевладений; при геоботаническом -- естественные кормовые угодья или посевы культурных растений; при экологическом -- зоны природных или антропогенных нарушений нормального состояния окружающей человека среды и т.д. Одновременно с целевыми объектами специального дешифрирования на дешифрируемых материалах показывают в большинстве случаев и топографические элементы в упрощенном виде. Они облегчают привязку специальной информации при нанесении ее на имеющиеся карты, или их используют для составления специальных карт, если подходящая топографическая основа отсутствует.

По технологии выполнения можно выделить следующие основные методы дешифрирования (рис. 1.1):

- визуальный, в котором информацию считывает со снимков и анализирует человек; в зависимости от места выполнения выделяют камеральный, полевой и комбинированный способы, которые можно поделить на варианты;

- машинно-визуальный, в котором с помощью компьютера или специализированных устройств выполняют предварительную обработку первичных снимков с целью облегчения их визуального дешифрирования. Способами данного метода могут быть: синтезирование изображений, квантование уровней видеосигналов, фильтрация изображения и др.;

- автоматизированный, в котором интерпретационная обработка снимков выполняется машиной в диалоговом режиме -- оператор выбирает способ обработки, выполняет «обучение» системы, контролирует качество работы классификатора, вносит коррективы в программы и др.; в данном методе можно выделить два наиболее употребляемых способа -- классификации, в котором анализируемые элементы изображения сразу же относятся к определенному эталонированному классу объектов, и кластеризации, в котором элементы изображения предварительно разбиваются на группы (кластеры) по сходству некоторых признаков с последующей идентификацией этих групп;

- автоматический, в котором интерпретационная система решает отлаженные задачи без вмешательства оператора.

Принципиальная схема дешифровочного процесса в любом методе остается неизменной -- распознавание выполняют путем сопоставления и определения степени близости некоторого набора признаков дешифрируемого объекта с соответствующими эталонными признаками, находящимися в памяти человека или машины.



Рисунок 1 - Технологическая классификация дешифрирования

Способы не всегда четко разделяются между собой и по мере их совершенствования и изменения функции человека в их реализации они могут переходить из одного в другой 2.

В зависимости от принятой технологии производства работ, дешифрирование выполняют на фотопланах, фотосхемах, контактных или увеличенных снимках. Содержание работ, детальность дешифрирования и набор характеристик объектов определяются назначением работ. Содержание топографического дешифрирования, его точность, степень детализации, правила отображения выделенных на снимках объектов и набор их характеристик регламентируются действующими нормативными документами - инструкциями, наставлениями, руководствами, в том числе условными знаками топографических карт (планов) соответствующего масштаба и др.

Особенности дешифрирования объектов местности, признаки отнесения земель к тем или иным видам и категориям, правила их отображения, оформления материалов дешифрирования и т. д. приведены в инструкциях по дешифрированию для соответствующих масштабов 4.

Действующие нормативные документы по дешифрированию устанавливают следующие основные требования к точности дешифрирования элементов ситуации:

- ошибки опознавания и вычерчивания границ контуров и объектов, отчетливо изобразившихся на аэроснимке, относительно видимой фотолинии, не должна превышать 0,3 мм;

- расхождения между двумя определениями при нанесении не изобразившихся на аэроснимках контуров и объектов, имеющих отчетливые границы, не должны превышать 0,5 мм. При этом составляются абрисы промеров от отчетливо изобразившихся на аэроснимке объектов до определяемой точки;

- расхождения между двумя определениями при нанесении контуров, не имеющих в натуре четко выраженных границ (например, границы между суходольными и заболоченными луговыми землями) не должны превышать 1,5 мм.

Наименьшие площади контуров, подлежащих дешифрированию, увязываются с ценностью земель и составляют:

4 мм - для пахотных земель, залежей и земель, занятых под постоянными культурами, улучшенных луговых земель, а также вкрапленных в них других земель;

10 мм - для немелиорированных луговых земель и вкрапленных в них луговых земель;

50 мм - для одноименных, различающихся по качественным признакам сельскохозяйственных земель (например, пахотные земли чистые и засоренные камнями, луговые земли чистые и заросшие кустарником и т. п.), а также для некоторых других несельскохозяйственных земель (лесных болот, песков и т. п.);

100 мм - для контуров кустарника, поросли, бурелома, горелого или сухостойного леса, расположенных внутри массивов древесной растительности, и для контуров леса, расположенных внутри массивов кустарника или поросли.

Озера, пруды, мочажины, колки дешифрируют независимо от площади; линейные контуры - при их длине на плане 1 см и более; промоины дешифрируют при длине их на плане 5 мм и более.

Современные технологии производства работ по дешифрированию основаны на использовании цифровых методов картографирования и включают:

- подготовительные работы: подбор необходимых картографических материалов, сбор сведений об официальных названиях и категориях населенных пунктов, информации о дорожной сети, данных государственного учета земель и лесного фонда и т. д.;

- камеральное дешифрирование фотопланов (ортофотопланов) с максимальным использованием собранных в подготовительный период материалов и сведений. Применение для этой цели цифровых снимков существенно дополняет рассмотренную ранее технологию фотометрическими преобразованиями и анализом яркостных характеристик, возможностями изменения масштаба изображения и др., что повышает качество выполняемых работ;

- полевое обследование копий фотопланов (ортофотопланов) с результатами камерального дешифрирования, включающее их контроль и уточнение отображения; определение и уточнение числовых характеристик объектов, полученных в камеральных условиях видов и качественного состава земель; нанесение объектов, не изобразившихся на материалах аэрофотосъемки; согласование с руководителями хозяйств данных о хозяйственном использовании земель и др.;

- контроль качества результатов исполненных работ и их приемку.

Перечисленные работы выполняются как составная часть работ по созданию (обновлению) топографических или иных карт, планов или получения исходных данных информационных систем соответствующего назначения 2.

Таким образом, наиболее информативными материалами, получаемыми на основе обработки результатов аэро- и космических съемок, являются фотопланы, ортофотопланы, цифровые модели местности и цифровые карты.

Изготовление данных материалов предполагает фотограмметрическую обработку либо одиночного снимка, либо стереопары. В зависимости от способа фотограмметрической обработки, технологической схемы создания и обновления топографической или картографической продукции (Приложение А, Б) изменяется роль разных видов дешифрирования.

При изготовлении продукции на основе фотограмметрической обработки одиночного снимка основную роль играет камеральное дешифрирование, а стереопары - полевое. Во всех случаях дешифрирование входит основной составной частью в технологический процесс топографического и ландшафтного картографирования, а также является важнейшим технологическим компонентом дистанционного зондирования. Оно может осуществляться различными методами, обеспечивает: получение информации об объектах, подлежащих измерению их координат или нанесению на изготавливаемые планы и карты; опознавание этих объектов на анализируемых изображениях; определение качественных и численных характеристик объектов, нанесение их положения или границ простирания, а также выражение полученных данных условными знаками.

Таким образом, одной из важных задач автоматизированного дешифрирования является классификация изображений топографических объектов. Правильно выполненная классификация изображений топографических объектов значительно упрощает последующий процесс их распознавания, повышает полноту и вероятность распознавания, а следовательно, и эффективность дешифрирования в целом.

1.2 Задачи и содержание дешифрирования снимков застроенных территорий

Дешифрирование снимков застроенных территорий (рис. 2) -- процесс обнаружения, распознавания и изображения в специальных условных знаках видимых объектов города (построек, земельных угодий, водных объектов, зеленых насаждений).

Обнаружение начинается с анализа всего снимка, затем изображение разделяется на все более мелкие компоненты, а затем выделяются элементарные единицы (объекты и их элементы).

Дешифрирование снимков выполняется по прямым и косвенным демаскирующим признакам и, как правило, с привлечением дополнительных картографических материалов.

При дешифрировании снимков сверхвысокого разрешения, которым присуща большая детализация изображения, может эффективно использоваться визуальное дешифрирование по эталонам, когда для успешного решения задач дешифрирования используют тестовые фрагменты снимков, на которых показан пример изображения определенного объекта 5.

Рисунок 2 - Результат дешифрирования снимка застроенных территорий

а) исходный снимок; б) карта составленная по результатам дешифрирования.

Разделение разновременных снимков на фрагменты необходимо выполнять для того, чтобы найти изменения, небольшие по площади. Коэффициенты, вычисляемые с помощью вейвлет-преобразования, зависят от резких перепадов значений яркости, которые происходят на границах какого-либо объекта. На основе сравнения значений вычисленных коэффициентов для фрагментов разновременных снимков можно определить, в каком месте произошли изменения.

Результаты, получаемые в процессе дешифрирования снимков, используют для создания базовых планов состояния и использования земель, информационных кадастровых баз данных и геоинформационных систем (ГИС).

Планово-картографические материалы и информационные базы данных, хранящиеся на бумажной основе или на магнитных носителях, являются основой для ведения Государственного кадастра недвижимости. Содержащиеся в них сведения используют при регистрации прав собственности, организации постоянного контроля за использованием земель, налогообложении и т. п. данная информация в справочном формате отображена на публичной кадастровой карте рис. 3

Рисунок 3 - Публичная кадастровая карта

При выполнении работ по дешифрированию руководствуются инструкциями и наставлениями, принятыми в производстве, а также техническим заданием, определяющим требования к содержанию и объему получаемой информации 6.

В границах сельских населенных пунктов и городов подлежат дешифрированию следующие земельные участки:

- жилой застройки (земли под многоэтажными строениями и земли между ними, функционально связанные и закрепленные за зданиями и сооружениями, а также территории для их технологического обслуживания);

- общественной застройки (земли под учреждениями образования, науки, здравоохранения, культуры, искусства, общественного питания, торговли, гаражами и др.);

- земли общественного пользования (улицы, площади, проспекты, дороги, проезды, переулки, парки, лесопарки, бульвары, скверы, набережные, пляжи и др.);

- под промышленной, коммунальной и складской застройкой; транспорта, связи, инженерных коммуникаций (железные и автомобильные дороги, речной транспорт; земли под трубопроводами, линиями электропередач, под сооружениями радиовещания и телевидения и т. д.);

- природно-заповедного, природоохранного, оздоровительного, рекреационного и историко-культурного назначения;

- водного фонда (занятые водными объектами: реками, озерами, водохранилищами, водоохранными зонами, гидротехническими и водохозяйственными сооружениями и другими водными объектами);

- сельскохозяйственного назначения (сельскохозяйственные угодья, земли акционерных и фермерских хозяйств, колхозов, муниципальных и подсобных хозяйств, земли под коллективными садами и огородами и т. п.); запаса;

- военных объектов, режимных зон и иные земли; прочие земли (карьеры, копаные места, каменистые территории и т. п.).

Классификатор объектов может быть расширен или уменьшен в зависимости от поставленной задачи.

Подготовительные работы при дешифрировании снимков -- наиболее ответственный этап в технологическом комплексе работ. Просчеты, допущенные на этом этапе, могут привести к увеличению материальных и трудовых затрат, сроков выполнения работ и в итоге к увеличению стоимости конечной продукции 2.

На подготовительном этапе выполняют следующие виды работ:

- подбирают увеличенные снимки или их фрагменты на участки изучаемой территории; отграничивают рабочие площади на отобранных снимках; подбирают топографические материалы на участки работ;

- получают копии генеральных планов и другой градостроительной документации, перспективные планы развития и правила застройки городов и населенных пунктов;

- собирают материалы (копии) предыдущих инвентаризаций, документы и материалы по отводу земельных участков, выносу в натуру, установлению и восстановлению границ землевладений, землепользований и населенных пунктов;

- получают материалы обследований индивидуальных земельных участков и построек, выполненных организацией технической инвентаризации (ОТИ), и материалы исполнительской съемки, в которых отражены сведения о землевладельцах, землепользователях;

- получают сведения о наличии зон ограничения и обременения по данным организаций, в ведении которых находятся линии электропередач, связи, трубопроводы, коммунальные сети и т. п.;

- составляют списки землепользователей (физических и юридических лиц); собирают на каждый населенный пункт сведения о распределении земель по целевому назначению;

- согласуют существующие и проектные границы населенных пунктов в архитектурно-планировочных управлениях (отделах).

Технология дешифрирования снимков состоит из двух этапов: камеральной подготовки и полевого обследования территории.

На первом этапе, используя материалы подготовки, дешифрируют все объекты, подлежащие отображению на базовом плане. При этом наносят границы тех объектов, дешифрирование которых не вызывает сомнения, а также границы населенных пунктов, кадастровых зон, массивов, кварталов.

На втором долевом этапе опознают объекты, достоверность дешифрирования которых в камеральных условиях была низкой, а также обследуют все камеральные дешифрированные объекты. Выполняют досъемку не изобразившихся объектов. Комбинированный способ позволяет уменьшить объемы чертежных работ в полевых условиях, сократить время полевых работ при одновременном повышении достоверности, полноты и точности результатов дешифрирования.

Дешифрирование границ землевладений, землепользований -- ответственная, сложная и юридически значимая часть полевых работ. Положение поворотных точек и межевых знаков границ участков определяют в натуре и опознают (или уточняют) на снимках совместно с представителем местной администрации и, желательно, в присутствии землевладельца, землепользователя. При этом определяют и наносят на снимки границы участков по их фактическому использованию. Непосредственно опознаваемые поворотные точки наносят на увеличенные снимки с точностью 0,1 мм. Если поворотные точки не изобразились на снимке или плохо распознаются, то для их нанесения выполняют промеры рулеткой от ближайших трех четких контурных точек.

Результаты измерений и абрис заносят в журнал полевого дешифрирования. Чтобы перенести результаты измерений на снимок, определяют масштаб в данной зоне снимка (частный масштаб зоны).

В компьютерных технологиях обработки снимков применяют два способа отображения не изобразившихся объектов по результатам полевых измерений.

В первом способе объекты наносят на изображение, выведенное на мониторе компьютера, после фотограмметрических преобразований снимков.

Во втором случае фотограмметрически преобразованные снимки печатают на принтере или плоттере. Получают одномасштабные изображения на бумажной основе, а далее по результатам промеров не изобразившиеся объекты наносят в полевых условиях.

В границах земельных участков показывают жилые дома и капитальные строения. При этом должно выполняться условие -- положение здания и сооружения определяется по его основанию (цоколю). В зависимости от вариантов изображения построек применяют различные приемы их нанесения на крупномасштабных снимках.

При наличии внутри землевладения участка, принадлежащего другому землевладельцу, определяют и согласовывают границы каждого с выделением земель общего пользования (проезды, проходы, земли технологического назначения и т. п.).

В случае выявления спорных границ в полевом журнале и в акте согласования границ отмечают существо заявленного спора, а сами границы показывают пунктирной линией со слов землевладельцев 4.

Дешифрирование линейных объектов (улиц, проездов, автомобильных и железных дорог, различных трубопроводов, линий электропередач и связи) имеет свои особенности. Большинство линейных объектов имеют полосы отчуждения (отвода) или охранные зоны, которые подлежат дешифрированию и обозначению соответствующим условным знаком. Объекты, расположенные в охранных зонах, дешифрируют в обязательном порядке, а находящиеся в полосах отвода -- по дополнительным требованиям.

При дешифрировании улиц выделяют:

- проезжую часть по линии бордюрного камня, по ширине твердого покрытия или по факту использования;

- тротуары, располагающиеся между фасадной линией и проезжей частью улицы;

- газоны, находящиеся между проезжей частью улицы и тротуаром;

- канавы.

В границах населенных пунктов дешифрируют шоссе, бульвары, проспекты, проезды, тупики, включая сооружения на них (например, остановки общественного транспорта, трансформаторные подстанции и т. п.). При наличии в населенных пунктах названий улиц, площадей, бульваров, нумерации построек их наносят на дешифрируемый материал.

Профилированные дороги (шоссе, автострады) дешифрируют по ширине твердого покрытия с указанием его типа и ширины полосы отвода. Дешифрированию подлежат находящиеся на них сооружения.

Грунтовые дороги дешифрируют за пределами застроенной территории.

Железные дороги дешифрируют в границах полосы отвода.

Границы полосы отвода и охранной зоны определяют на основании правоустанавливающих документов или по материалам земельного отвода.

Садово-дачные кооперативы и товарищества, земли, предоставленные жителям населенного пункта во временное пользование, земли под застройкой гаражами, сараями и т. п. дешифрируют одним общим контуром с указанием кадастрового номера.

В границах населенных пунктов дешифрируют по дополнительным требованиям выходы подземных инженерных коммуникаций (смотровые колодцы, выходы подземных переходов, трубопроводов), наземные инженерные коммуникации и сооружения на них.

Качество дешифрирования определяют полевым контролем и при окончательной приемке работ. Для этого проверяют 15 - 30 % объема выполненных работ. Контролируют точность нанесения границ объектов, для чего выборочно промеряют между поворотными точками границы землевладений, определяют достоверность и полноту семантической информации о землевладельцах, землепользователях 2.

По результатам дешифрирования формируют «Дело по дешифрированию», в которое входят дешифрированные увеличенные аэрофотоснимки (фрагменты), фотопланы или ортофотопланы; журналы полевого обследования, акты полевого контроля и т. п.

Таким образом, основные задачи дешифрирования снимков урбанизированных территорий состоят в распознавании и отображении в специальных условных знаках видимых объектов города (построек, земельных угодий, водных объектов, зеленых насаждений и т. п.).

Дешифрирование снимков выполняется по прямым и косвенным демаскирующим признакам и, как правило, с привлечением дополнительных картографических материалов. Содержание результатов дешифрирования должно обеспечить получение информации о рельефе, объектах гидрографии, развитии городского хозяйства и т. п.

1.3 Методы дешифрирования материалов аэро- и космических съемок

Как уже упоминалось ранее, основные методы дешифрирования: визуальный, машинно-визуальный, автоматизированный, автоматический.

Визуальный метод. Визуальное дешифрирование представляет собой сложный многоэтапный процесс логического анализа изображений. Распознавание объектов и определение их характеристик часто сливаются в единый процесс с многократным чередованием анализа ситуаций в целом, а также их отдельных элементов и фрагментов.

Человек превосходит машину в решении логических задач. Он может на основе ограниченной информации, используя логический аппарат, преобразовывать дешифровочные признаки применительно к конкретным временным и пространственным условиям, учитывать изменение признаков в зависимости от положения анализируемого участка в кадре и изменения условий освещения дешифрируемых объектов, использовать существующие природные и функциональные взаимосвязи между элементами ландшафта, исключать некоторые шумы и др. (феномен восприятия). Поэтому визуальное дешифрирование во многих случаях превосходит машинное (автоматизированное) по достоверности результатов.

Одна из важнейших психологических особенностей визуального дешифрирования -- использование относительных оценок характеристик объектов на изображении. Например, общественные здания и сооружения отделяются от индивидуальных зданий в населенном пункте не по абсолютным размерам их изображения, а по относительным. Для этого не требуется даже знания масштаба изображения. Участки пашни с повышенным увлажнением поверхности или кормовых угодий с более мощным травостоем выделяются не по абсолютному значению оптической плотности, а по ее локальному изменению. То же можно сказать и о выявлении участков со смытыми или подверженными дефляции почвами.

В дешифрировании отдельных объектов обычно выделяют три ступени: обнаружения, опознавания и определения характеристик.

Как отмечалось ранее, в визуальном методе дешифрирования можно выделить три основных способа: полевой, камеральный и комбинированный.

Таким образом, следует перечислить основные возможности визуального дешифрирования:

· Анализ изображения выполняется на уровне объектов, размеры которых в несколько раз больше разрешения (пиксела).

· Количественные оценки (площади, длины и т.д.) могут быть получены лишь приближенно.

· Анализ яркости (тон изображения) на черно-белых изображениях возможен в пределах до 12 ступеней.

· Совместный анализ зональных снимков ограничен, т.к. сопоставление более 2-х снимков затруднителен.

· Форма объектов в плане определяется легко и однозначно.

· Форма объектов в пространстве (их вертикальная протяженность) легко определяется на паре смежных снимков (по стереоприбору или по тени).

· Пространственное размещение объекта определяется легко.

· Хорошо используются косвенные признаки.

· Возможно дешифрирование сразу по выверенной легенде.

· Результаты дешифрования обычно субъективны.

Полевой способ дешифрирования выполняют, сличая снимок с местностью. Специалист при этом может находиться на земле (наземный вариант) или на борту летательного аппарата (аэровизуальный вариант). Полевое дешифрирование характеризуется наивысшей полнотой и достоверностью результатов. Однако ввиду сезонности и трудоемкости выполнения, а также повышенной себестоимости применяют его только в случаях, когда камеральное дешифрирование не обеспечивает нужного качества результатов 7.

Камеральный способ дешифрирования заключается в логическом анализе изображения с использованием всего комплекса дешифровочных признаков (визуально-логический вариант). В процессе дешифрирования используют вспомогательные материалы (карты, данные о юридических границах землепользований и др.).

Достоверность камерального дешифрирования повышается при использовании снимков-эталонов типичных участков, дешифрированных в поле (эталонный вариант).

Комбинированный способ дешифрирования сочетает в себе процессы и технологические приемы предыдущих способов. В зависимости от последовательности их чередования могут быть выделены варианты. В одном из них предварительно выполняют камеральное дешифрирование, а затем полевую доработку сложных участков с попутным контролем результатов камерального дешифрирования. В другом -- сначала выполняют избирательное полевое дешифрирование (обычно вдоль транспортных путей), а затем камеральное с использованием дешифрированных в поле снимков в качестве эталонов.

Комбинированное дешифрирование сочетает в себе достоинства первых двух способов.

Машинно-визуальный метод дешифрирования. Как говорилось выше, в данном методе подлежащие дешифрированию снимки подвергаются предварительно машинной обработке с целью облегчения их визуального анализа. Решение о целесообразности такой обработки и ее виде принимают экспертно при оценке дешифрируемости снимков 2.

Синтезирование изображений выполняют в основном при дешифрировании зональных снимков. Некоторая совокупность таких снимков более информативна, чем один широкозональный снимок.

При многозональных аэро- и космических съемках яркость регистрируют в четырех и более зонах спектра электромагнитных излучений.

О необходимости использования зональных снимков вообще и получении синтезированных изображений в частности решают в случае, если цвет дешифрируемых объектов имеет решающее или хотя бы важное значение в опознавании (разделении) дешифрируемых объектов; в случае, когда дешифровочная задача на одиночных зональных снимках не решается; в случае, если соотношения уровней видеосигналов (оптических плотностей на фотоснимках) дешифрируемых объектов на зональных снимках окажутся различными 1.

Одновременный визуальный анализ, например, четырех полей на двух снимках вызывает определенные трудности в запоминании различий в оптических плотностях изображения этих полей. Анализ большего количества объектов на большем числе зональных снимков становится практически невозможным. Выход из положения -- получение единого изображения, в котором сохраняется информация, содержащаяся в исходных зональных снимках. Для расширения кодовой шкалы исходные снимки окрашивают в различные цвета. Различным сочетаниям зональных яркостей соответствуют объекты определенных классов. Каждое сочетание на синтезированном изображении имеет свой условный цвет. Переход к условному цветовому кодированию позволяет естественные яркостные контрасты усилить контрастами цветовыми и таким путем повысить возможности и достоверность дешифрирования 8.

Идею синтезирования изображений используют также для объединения в едином изображении видеоинформации, получаемой в оптическом и радиодиапазонах (синергизм). Та же идея может быть использована и для совмещения разновременной видеоинформации с целью наблюдения развития динамических процессов, например эрозионных, оценки степени старения карт и др. Здесь возникает дополнительный процесс -- приведение изображений к единому масштабу.

Для синтезирования использовали специализированные приборы -- оптические синтезаторы. Это прецизионные, обычно четырехкамерные, проекторы с регистрацией результатов в масштабе синтезирования (примерно пятикратное увеличение исходных снимков) или с помощью фотокамеры, устанавливаемой на откидной консоли. Синтезирование выполняют с помощью компьютеров.

Квантование уровней видеосигналов -- процесс разбиения диапазона уровней видеосигналов на несколько соприкасающихся интервалов с получением нового изображения, на котором отнесенные к каждому интервалу участки отображаются условным цветом или ахроматическим тоном. Необходимость этой процедуры обусловлена ограниченными возможностями зрительного аппарата человека в восприятии яркостных (тоновых) контрастов. Квантованию подвергают цифровые изображения, полученные с помощью нефотографических съемочных систем. Фотографические изображения предварительно подвергают построчной развертке (сканированию).

Квантование может быть равномерным и неравномерным. Равномерное квантование легко реализуемо. Обычно его применяют для разделения диапазона уровней видеосигналов на изображении объектов с плавно изменяющимися яркостными характеристиками на несколько равных ступеней. Такими объектами могут быть, например, сельскохозяйственные угодья с различной степенью смытости (выветренности) почвенного слоя, водные, подверженные загрязнению, объекты и т. п.

Неравномерное квантование (эвристическое) может быть использовано для выделения по яркости самих объектов, например полей пашни под различными культурами или лесов с разделением их по типам. Разумеется, при этом каждый выделяемый класс или качественно различающиеся части его должны иметь свой не перекрывающийся со смежными интервал уровней видеосигналов. При этом могут возникнуть межинтервальные слои видеосигналов, не относящиеся к дешифрируемым объектам 5.

Нужные параметры квантования (интервалы квантования и их уровень) определяет оператор по результатам фотометрирования эталонных (тестовых) изображений, дешифрированных с высокой степенью достоверности.

Частный случай квантования -- процедура выделения на изображении изогелл -- линий, соединяющих точки с равным уровнем видеосигналов. С помощью изогеллы удобно, например ограничить участки с недопустимым уровнем поражения чем-либо, например сброшенными в водоем загрязненными стоками, если это поражение привело к изменению яркости объекта в используемом при съемке спектральном интервале.

Примерные возможности выполнения процедуры квантования с использованием современных устройств ввода изображений: наименьший выделяемый интервал (в единицах оптической плотности) 0,03 на уровне 0,3, 0,07 на уровне 1,2 и 0,15 на уровне 1,8. В программу может быть включена процедура определения площадей выделенных эквиденситами участков изображения с уровнями видеосигналов, отнесенных к определенному кванту.

Квантованные изображения анализируют совместно с исходными, так как при осреднении уровней видеосигналов в интервалах квантования пропадает изображение деталей ландшафта.

Фильтрацию изображения выполняют с целью устранения с изображения избыточной информации, мешающей выполнению поставленной задачи. Например, изображение комьев земли на обнаруженных участках пашни усложняет разграничение разнотипных почв по их тону на снимках. В этом случае возникает задача устранения с изображения высокочастотной информации при сохранении интегральных тоновых контрастов дешифрируемых почв. К фильтрационным процедурам можно отнести также устранение шумов, например полосчатости изображений, полученных с помощью сканирующих съемочных систем, уменьшение смаза изображения и др.

Для выполнения фильтрационных процедур изготавливали специализированные электронные устройства, например когерентные оптические процессоры. В настоящее время эти задачи выполняют на компьютере с использованием специализированных программ.

Автоматизированный метод дешифрирования. Попытки создания систем, распознающих образы, ученые мира предпринимали еще в пятидесятые годы прошлого столетия. В последующие годы наука и техника в решении этой проблемы значительно продвинулась. Созданы эффективные быстродействующие автоматы считывания и обработки информации во многих отраслях науки, производства, криминалистики и др. В большинстве случаев в этих системах распознают объекты по детерминированным (не изменяющимся) признакам (форме, размеру, весу) или идентификация объектов и их характеристик по признакам статистическим, например при каллиграфической экспертизе. При дешифрировании аэро- и космических снимков могут также встречаться объекты с детерминированными признаками: самолеты, транспортные машины, типовые сооружения и т. п. Однако в большинстве случаев объекты, дешифрируемые в целях картографирования территорий, выполнения поисковых работ и различных инженерных изысканий, не обладают неизменными геометрическими и особенно яркостными характеристиками. К тому же во многих случаях при распознавании объектов, ситуаций используют косвенные дешифровочные признаки с решением сложных логических задач. Решение таких задач недоступно современной вычислительной технике, так как формализация косвенных признаков -- процедура сложная, а в большинстве случаев пока и невозможная 9.

Очевидно, что в автоматизированных интерпретационных системах можно использовать только признаки, обладающие достаточно высокой информативностью (специфичностью и инвариантностью в пределах кадра и на других обрабатываемых снимках), а также удобно выражающиеся в цифровой форме. Такими признаками могут быть цвет (тоновая шкала ахроматических снимков недостаточно широка) и текстура изображения. Последний признак может быть использован при дешифрировании только объектов с достаточно стабильной текстурой, например лесов.

Информация о цвете может быть выражена дискретно через яркости в одной или нескольких узких спектральных зонах. Регистрируют зональные яркости с помощью многозональных съемочных систем 2.

При неизменной зональной яркости некоторого объекта А по всей его площади одномерный демаскирующий признак его может быть выражен вектором или координатой на оси яркостей. В другой зоне спектра признак того же объекта, в общем случае, будет иным.

Признаки другого объекта В в тех же зонах спектра могут отличаться от признаков объекта А, но могут оказаться и неотличимыми. Очевидно, что для разделения этих объектов следует использовать снимок, полученный в спектральной зоне 2. Но если возникнет необходимость в дешифрировании еще и третьего объекта С, признак которого в зоне 2 будет тем же, что и у объекта А (или В), то задача разделения всех объектов при индивидуальном анализе этих снимков становится неразрешимой.

Выход из этого положения заключается в совместном анализе обоих снимков. Признаки при этом становятся двухмерными.

На практике дешифрируемых объектов может быть больше. Более сложной может оказаться и ситуация с яркостными зональными контрастами этих объектов.

Поэтому появляется необходимость в увеличении разномерности признаков путем привлечения к анализу снимков, полученных в большем количестве спектральных зон. Обозначим число одновременно используемых зональных снимков буквой N. В аналитическом варианте решения интерпретационной задачи размерность признаков может быть любой. Но одновременно -- экспериментально установлено, что использование более чем трехмерных признаков не дает заметного повышения достоверности результатов автоматизированного дешифрирования, если выбор для обработки зональных снимков близок к оптимальному.

Следует подчеркнуть, что реальных природных объектов с неизменными спектральными яркостными по всей площади их простирания характеристиками не бывает.

Автоматический метод дешифрирования. Общая теория метода автоматического цифрового дешифрирования разработана на основе теории распознавания образов, причем терминология описания приближена к терминологии, используемой в теории распознавания образов.

Теория метода предусматривает предварительное обучение автомата. Предполагается, что после предварительного обучения автомат будет выполнять топографическое дешифрирование.

Разработанная теория реализована для простых случаев дешифрирования (изображений мало и они имеют признаки, которые четко разделяют эти изображения), но не обеспечивает автоматического дешифрирования всего многообразия изображений объектов местности. Оператор же успешно решает проблему топографического дешифрирования, хотя не может сам определять статистические и вероятностные признаки, он может опознавать ограниченное количество изображений при использовании ограниченного количества признаков [2].

Решение данных задач заключается в обнаружении и распознавании объектов, подлежащих дешифрированию, на основе получения информации о них. Информация об объектах может быть получена за счет регистрации их демаскирующих признаков.

Рисунок 4 - Основы автоматического дешифрования

Таким образом, основными задачами являются:

· при кадастровом дешифрировании - обеспечение информации о землях и объектах в целях создания кадастровых карт;

· при дешифрировании снимков населенных пунктов для целей кадастра и инвентаризации земель - обеспечение информацией, необходимой для создания базовых планов состояния и использования земель, геонформационных систем, информационных земельно-кадастровых баз данных;

· при дешифрировании снимков урбанизированных территорий - распознавание и отображение видимых объектов города в специальных условных знаках.



2. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЕМАСКИРУЮЩИХ ПРИЗНАКОВ

2.1 Классификация демаскирующих признаков

Основная задача дешифрирования -- опознавание объектов (явлений, процессов) на изображении и определение их характеристик. Суть решения этой задачи существенно отличается от натурных обследований тех же объектов. Основное отличие заключается в ракурсе наблюдения -- при натурном обследовании исполнитель рассматривает объекты «сбоку», с высоты своего роста; аэро- или космические съемки местности выполняют «сверху» и, в большинстве случаев, при отвесном направлении оптической оси кадровой съемочной системы. Поэтому дешифровщик, анализируя снимки, должен трансформировать сложившиеся представления о геометрии изучаемых объектов. Это, даже при сравнительно небольшом опыте работы со снимками, не вызывает существенных трудностей при их дешифрировании 2.

Среди множества признаков, присущих конкретному объекту, существуют признаки, которые позволяют обнаруживать его среди других похожих объектов и распознавать его принадлежность, назначение, функции, свойства, особенности и характеристики.

Признаки, позволяющие отличить один объект от другого, называются демаскирующими. Демаскирующие признаки объекта составляют часть его признаков, а значения их отличаются от значений соответствующих признаков других объектов. Классификация признаков по различным основаниям дана на рис. 5.

Демаскирующие признаки объекта описывают его различные состояния, характеристики и свойства. По состоянию объектов они разделяются на опознавательные признаки и признаки деятельности. Опознавательные признаки описывают объекты в статическом состоянии: его назначение, принадлежность, параметры. Признаки деятельности характеризуют этапы и режимы функционирования объектов, например, этап создания новой продукции: научные исследования, подготовка к производству, изготовление новой продукции, ее испытания и т.п.

Рисунок 5 - Классификация демаскирующих признаков

Все признаки по характеру проявления можно разделить на 3 группы: внешнего вида (видовые демаскирующие признаки); признаки излучений (сигнальные демаскирующие признаки); материально - вещественные признаки. К видовым признакам относятся форма объекта, его размеры, детали объекта, тон, цвет, структура его поверхности и т. п.

2.2 Информационные возможности демаскирующих признаков

Видовые демаскирующие признаки описывают внешний вид объекта. Они объективно ему присущи, но выявляются в результате анализа внешнего вида модели (изображения) объекта на экране оптического приемника (сетчатки глаза человека, фотоснимке, экрана телевизионного приемника, прибора ночного видения и т. д.). Так как модель в общем случае отличается от оригинала, то состав и значения видовых демаскирующих признаков зависят не только от объекта, но и от условий наблюдения и характеристик оптического приемника. Наибольшее количество информативных видовых демаскирующих признаков добывается при визуально-оптическом наблюдении объектов в видимом диапазоне.

Однако видимый свет как носитель информации характеризуется следующими свойствами: наблюдение возможно, как правило, днем или при наличии мощного внешнего источника света; сильная зависимость условий наблюдения от состояния атмосферы, климатических и погодных условий; малая проникающая способность световых лучей в видимом диапазоне, что облегчает задачу защиты информации о видовых признаках объекта 11.