Модели и алгоритмы информационной поддержки решения задач мониторинга объектов неоднородной пространственной структуры по данным дистанционного зондирования Земли

Актуальность работы. Исследование земной поверхности с применением
данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является востребованным
направлением в научных исследованиях во всем мире. Данные ДЗЗ служат
источником актуальной и независимой информации о наблюдаемых объектах,
позволяющей осуществлять на регулярной основе мониторинг больших
территориальных пространств, отдельных объектов или явлений. Дистанционный
мониторинг нашел широкое применение в различных областях: нефтегазовой
отрасли, лесоохране, гидрологии, предотвращении чрезвычайных происшествий,
сельском хозяйстве и т.д.
В сельскохозяйственной отрасли на основе методов дистанционного
мониторинга решается целый ряд тематических задач: оценка состояния и
использования полей севооборотов, параметров плодородия почв и их
деградации, состояния растительного покрова на пашне, залежах, сенокосных и
пастбищных угодьях, прогнозирование урожайности и др. Данные работы развиты
в трудах зарубежных и российских исследователей: Boryan C. Z., Johnson D.,
Wang C., Yang Z., Барталева С. А., Кашкина В. Б., Лупяна Е. А., Савина И. Ю.,
Сапрыкина Е. И., Шевырногова А. П. и др. Работы этих исследователей посвящены
развитию различных аспектов обработки данных ДЗЗ, геоинформационных
технологий, в том числе в области решения тематических задач агромониторинга.
Объектом агромониторинга являются земли сельскохозяйственного
назначения (ЗСХН), для которых заданы требования к форме и пространственной
структуре. Изменения, наблюдаемые на аэрокосмических снимках данных
объектов, связаны с естественным ходом вегетации (сменой фенологических фаз),
погодными условиями и проводимыми агротехническими мероприятиями (АТМ).
В ряде случаев, результатом их влияния является изменение пространственной
структуры объекта, проявляющейся в неравномерном развитии
сельскохозяйственной культуры в пределах контура объекта. Таким образом,
данный класс объектов мониторинга относится к классу пространственных
объектов с динамически изменяющейся структурой. Как показал обзор литературы,
методы агромониторинга указанного класса объектов развиты недостаточно.
К настоящему времени в работах Claramunt B., Molenaar M., Nandal R., Ott T.,
Peuquet D., Renolen A., Yuan M., Королева Ю.К., Тикунова В.С. и др.
сформированы общие принципы оперирования пространственно-временными
аспектами динамически изменяющихся пространственных объектов. Разработаны
событийно-ориентированная модель, трехдоменная модель, модель исторического
графа и др. Однако рассмотренные модели ориентированы на представление
объектов, изменяющих свои границы с течением времени, при этом недостаточно
развит вопрос оперирования объектами с динамически изменяющейся
структурой.
Кроме того, в литературе не получили достаточного развития
методологические аспекты построения систем дистанционного агромониторинга,
ориентированные на конечных пользователей (КП). В рассматриваемой
проблемной области это – лица, принимающие решения, которые являются
постановщиками задач дистанционного наблюдения хода вегетации и
агротехнических мероприятий, проводимых на сельскохозяйственном объекте и
потребителями результатов наблюдения, способными интерпретировать оценки
состояния объекта. Таким образом, актуальны исследования и разработка
моделей, методов и алгоритмов автоматизированного анализа и интерпретации
пространственной структуры объектов по данным ДЗЗ, ориентированных на
конечных пользователей.
Цель работы. Разработка методологических и алгоритмических аспектов
взаимодействия конечных пользователей с системами агромониторинга для
оказания информационной поддержки решения задач мониторинга объектов
неоднородной динамически изменяющейся пространственной структуры (типа
«земля сельскохозяйственного назначения») по данным дистанционного
зондирования Земли.
Объектом исследования в диссертационной работе является
пространственный объект сельскохозяйственного назначения с неоднородной
динамически изменяющейся структурой, представленный совокупностью данных
дистанционного зондирования Земли и контекстной информации.
Предметом исследования являются модели и алгоритмы информационной
поддержки решения задач мониторинга пространственного объекта с
неоднородной динамически изменяющейся структурой, ориентированные на
конечного пользователя.
Решаемые задачи.
1. Анализ признаков пространственного объекта сельскохозяйственного
назначения с неоднородной динамически изменяющейся пространственной
структурой (земля сельскохозяйственного назначения) и разработка его
информационной модели.
2. Разработка модели информационного процесса постановки задачи
мониторинга пространственного объекта по данным ДЗЗ, предназначенная для
использования конечным пользователем.
3. Разработка алгоритма локализации неоднородной структуры
пространственного объекта, учитывающего ограничения значений признаков
размера и формы неоднородностей.
4. Разработка системы агромониторинга, предназначенной для конечного
пользователя, базирующейся на получении космических снимков для
последующей обработки и анализа.
5. Экспериментальная апробация разработанных моделей и алгоритма.
Научная новизна.
1. Разработана динамическая модель пространственного объекта «земля
сельскохозяйственного назначения», отличающаяся учетом его неоднородной
пространственной структуры, позволяющая отслеживать изменение состояния
объекта во времени в автономном режиме на основе анализа признаков
неоднородных областей объекта.
2. Разработана модель информационного процесса постановки задачи
мониторинга пространственного объекта по данным ДЗЗ, отличающаяся
применением диалоговых средств, предназначенных для использования конечным
пользователем, позволяющая сформулировать задачу мониторинга
пространственного объекта.
3. Разработан алгоритм локализации неоднородной структуры
пространственного объекта, отличающийся учетом ограничений значений
признаков размера и формы неоднородностей, позволяющий сформировать
альтернативные объектно-реляционные структуры пространственного объекта.
Практическая значимость. Представленные в работе модели и алгоритм
реализованы программно, обеспечены методически и встроены в систему
агромониторинга на основе действующего программно-аппаратного комплекса
центра ДЗЗ Сибирского федерального университета. Разработанная система
применяется в масштабах ряда сельскохозяйственных предприятий и в отделе
сельского хозяйства Сухобузимского муниципального района на основе открытых
технологий. Результаты диссертационной работы были использованы при
реализации проектов: грант ККФН «Создание автоматизированной
геоинформационной системы учета и актуализации данных о состоянии залежных
земель на примере Манского района Красноярского края, позволяющей
выработать рекомендации по вовлечению их в хозяйственный оборот» в 2011 г.;
грант РФФИ «Интеллектуальная технология активного экологического
мониторинга освоения природных ресурсов по данным дистанционных и
наземных исследований» в 2014 г.; грант ККФН «Региональная
автоматизированная система космического мониторинга муниципальных районов
Красноярского края» в 2014 г.; грант ККФН «Внедрение системы космического
мониторинга земель сельскохозяйственного назначения Красноярского края» в
2015 г.; грант ККФН «Создание системы мониторинга динамики структуры
естественных и антропогенных объектов с высокой степенью изменчивости на
основе использования открытых спутниковых данных» в 2015 г.
Методы исследования. Для решении поставленных в работе задач
использовались методы анализа изображений, сегментации и постсегментации
изображений, обработки данных дистанционного зондирования Земли,
проектирования информационных систем, системного анализа, ГИС-технологии,
теория графов, унифицированный язык моделирования UML, технология
структурного анализа и проектирования SADT.
Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждена
практическими работами, выполненными по реальным данным, с использованием
наземных, натурных экспериментов. Также достоверность подтверждается
корректным использованием существующих, теоретически обоснованных и
проверенных на практике методов предварительной и тематической обработки
данных ДЗЗ.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Информационная динамическая модель пространственного объекта «земля
сельскохозяйственного назначения».
2. Модель информационного процесса постановки задачи мониторинга
пространственного объекта по данным ДЗЗ.
3. Алгоритм локализации неоднородной структуры пространственного
объекта, учитывающий ограничения признаков размера и формы
неоднородностей.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были
представлены и обсуждались на следующих конференциях: IX Всероссийская
открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования
Земли из космоса» (Физические основы, методы и технологии мониторинга
окружающей среды, природных и антропогенных объектов), г. Москва, ИКИ
РАН, 12–16 ноября 2011 г.; X Всероссийская открытая ежегодная конференция
«Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»,
г. Москва, ИКИ РАН, 12–16 ноября 2012 г.; Международная научно-практическая
конференция «Робототехника и искусственный интеллект» (РИИ-2012),
г. Железногорск Красноярского края, Центр прикладных исследований СФУ,
7 декабря 2012 г.; XI Международная конференция «Pattern Recognition and Image
Analysis: New Information Technologies» PRIA-11-2013, г. Самара, 24–29 сентября
2013 г.; V Всероссийская научно-техническая конференция с международным
участием «Робототехника и искусственный интеллект» (РИИ-13), г. Железногорск
Красноярского края, Железногорский филиал СФУ, 15 ноября 2013 г.;
I Международная научная конференция «Региональные проблемы дистанционного
зондирования Земли», г. Красноярск, ИКИТ СФУ, 23–26 сентября 2014 г.;
Всероссийская конференция «Обработка пространственных данных в задачах
мониторинга природных и антропогенных процессов», с. Усть-Сема, Республика
Алтай, 24–28 августа 2015 г.; II Всероссийская научно-практическая конференция
«Геоинформационные технологии в решении задач рационального
природопользования», г. Ханты-Мансийск, Югорский НИИ, 20–21 октября 2015 г.;
III Международная научная конференция «Региональные проблемы дистанционного
зондирования Земли», г. Красноярск, ИКИТ СФУ, 13–16 сентября 2016 г.
Внедрение результатов работы. Основная часть результатов работы была
получена при выполнении государственных контрактов:
 грант Красноярского краевого фонда науки в 2011 г. «Создание
автоматизированной геоинформационной системы учета и актуализации данных о
состоянии залежных земель на примере Манского района Красноярского края,
позволяющей выработать рекомендации по вовлечению их в хозяйственный
оборот»;
 грант Российского фонда фундаментальных исследований в 2014 г.
«Интеллектуальная технология активного экологического мониторинга освоения
природных ресурсов по данным дистанционных и наземных исследований»;
 грант Красноярского краевого фонда науки в 2014 г. «Региональная
автоматизированная система космического мониторинга муниципальных районов
Красноярского края»;
 грант Красноярского краевого фонда науки в 2015 г. «Внедрение системы
космического мониторинга земель сельскохозяйственного назначения
Красноярского края»;
 грант Красноярского краевого фонда науки в 2015 г. «Создание системы
мониторинга динамики структуры естественных и антропогенных объектов с
высокой степенью изменчивости на основе использования открытых спутниковых
данных».
Соответствие диссертации паспорту специальности.
Диссертационное исследование соответствует области исследований
специальности 05.13.17 – Теоретические основы информатики по п. 1
«Исследование, в том числе с помощью средств вычислительной техники,
информационных процессов, информационных потребностей коллективных и
индивидуальных пользователей», п. 5 «Разработка и исследование моделей и
алгоритмов анализа данных, обнаружения закономерностей в данных и их
извлечениях, разработка и исследование методов и алгоритмов анализа текста,
устной речи и изображений» и п. 7 «Разработка методов распознавания образов,
фильтрации, распознавания и синтеза изображений, решающих правил.
Моделирование формирования эмпирического знания».
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано
14 статей, из них 5 – в журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной
комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации в качестве
изданий, рекомендуемых для опубликования научных результатов диссертации на
соискание ученой степени кандидата и доктора наук, 5 свидетельств о
регистрации программ, зарегистрированных в Российском реестре программ для
ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех
глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст диссертации
включает 159 страниц. Изложение иллюстрируется 69 рисунками и 18 таблицами.
Список литературы на 14 страницах содержит 125 наименований. В приложении
приведены документы о внедрении и практическом использовании результатов
диссертации.