Программная технология открытых систем в автоматизации обработки данных геоинформационного мониторинга тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

НИЧИПОР АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ПРОГРАММНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ В АВТОМАТИЗАЦИИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА

01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация

физических исследований

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

' 3 ЦП Я >-¡>1 ]

На правах рукописи

Москва - 2000

/

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор, член-корреспондент РАЕН МКРТЧЯН Ф.А.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

АМБРОСИМОВ А.К.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник ЛИБЕРМАН Б.М.

Ведущая организация: Институт проблем передачи информации

( ИППИ РАН, г. Москва)

Защита состоится 8 декабря 2000 г. в 13 ч.ОО м. на заседании диссертационного совета Д.002.74.03 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, г. Москва, ГСП -3, Моховая ул. 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

к ^ и

Автореферат разослан

и ^ I,

ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, к.ф. -м.н. ___/ М.И. Перцовс

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ,

Актуальность темы. В последнее время интенсивно ведутся работы по методическому и аппаратному обеспечению дистанционных исследований окружающей среды. Создаются аппаратурные комплексы для обеспечения зондиоойзния земных покровов и акваторий. Разрабатываются методы и алгоритмы компьютерного анализа двумерных изображений земной поверхности. Ведется работа по построению моделей формирования этих двумерных полей и решаются задачи классификации явлений, анализа изображений на изучаемом пространстве.

Уже созданные методы и алгоритмы обладают способностью преодолевать такие трудности, как отрывочность и нестационарность информации, наличие малых статистически неоднородных выборок.

В настоящее время основной тенденцией в построении крупных проблемно-ориентированных информационных систем является использование распределенных баз данных и знаний, использование ЭВМ различных классов и производителей, использование локальных и глобальных сетей. При этом возникают сложности в использовании информации баз данных и знаний, реализованных на различных СУБД и программного обеспечения, разработанного на разных платформах.

Преодоление указанных сложностей основано на применении технологии открытых информационных систем, использующей стандартные интерфейсы между всеми программно-аппаратными компонентами среды. Важнейшим этапом является построение

/ >

профиля -набора согласованных стандартов для данной области применения.

Современный этап развития экспериментальных радиофизических методов исследования окружающей среды характеризуется переходом от пассивного сбора информации об изучаемом объекте к постановке целенаправленных экспериментов. Первостепенное значение при осуществлении таких экспериментов приобретают организации массового сбора информации об изучаемой системе, оперативность ее обработки и достоверная интерпретация данных наблюдений.

С практической точки зрения, важным является синтез комплексной системы сбора и обработки информации об окружающей среде, объединяющей дистанционные и контактные измерения, составляющие основу систем геоинформационного мониторинга.

Основной смысл концепции геоинформационного мониторинга состоит в соединении в систему средств сбора данных, методов их обработки, математических моделей природных объектов, компьютерных средств реализации алгоритмов и моделей с широким спектром сервисного обеспечения при визуализации результатов мониторинга.

Как один из важных моментов геоинформационного мониторинга, рассматривается автоматизация обработки данных дистанционных измерений с конечной целью решения задачи обнаружения и классификации того или иного явления на земной поверхности. Эффективное решение этих задач невозможно без широкого внедрения в практику исследований автоматизированных систем сбора, хранения и обработки данных на базе современных ЭВМ с применением технологии открытых систем. Таким образом,

автоматизация геоинформационного мониторинга на всех его этапах, начиная со сбора информации и кончая созданием соответствующей автоматизированной системы обработки данных, оснащенной необходимым алгоритмическим и программным обеспечением, является актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение.

Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы обнаружения и классификации явлений на водной поверхности и ледовых полях по данным геоинформационного мониторинга с применением методов математической статистики, распознавания образов, анализа изображений, математического моделирования, используя принципы технологии открытых систем,

Научная новизна. В настоящей работе:

- впервые разработана и реализована в виде программного комплекса новая автоматизированная система обнаружения и классификации явлений на изучаемом пространстве по данным геоинформационного мониторинга с применением технологии открытых систеМ;

- впервые разработаны программные средства качественной интерпретации данных геоинформационного мониторинга;

- показана принципиальная возможность использования математической модели «пятнистости» для обнаружения и классификации явлений на водной поверхности и ледовых полях. Разработана автоматизированная подсистема исследования и визуализации «пятнистости» акваторий и ледовых покровов на основе дистанционных измерений;

- впервые получены статистические характеристики «пятнистост' акваторий ледовых покровов для конкретных районов Арктик

Северной Атлантики на основе дистанционных СВЧ - радиометрических спутниковых измерений.

Практическая ценность. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение обнаружения и классификации явлений на водной поверхности и ледовых покровов по данным геоинформационного мониторинга значительно повышает эффективность исследований природной среды за счет комплексного и рационального использования экспериментального оборудования, оптимального использования данных дистанционных измерений.

Эффективность разработанной автоматизированной системы, ее алгоритмического и программного обеспечения подтверждена результатами обработки дистанционных СВЧ -радиометрических спутниковых измерений с ИСЗ «Космос-1151», «Космос-1500» и «Интеркосмос-21» районов Арктики, Северной Атлантики и Северной части Тихого океана.

Диссертация выполнялась в соответствии с планами ИРЭ РАН (НИР «Процесс-1», «Призма») и по проекту Миннауки РФ «Разработка программной среды открытых систем для баз знаний и данных при распознавании образов и анализе изображений в локальных гетерогенных и глобальных сетях» в рамках государственной научно-технической программы «Перспективные информационные технологии» РФ.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Созданная автоматизированная система обработки данных геоинформационного мониторинга с соответствующим алгоритмическим и программным обеспечением, построенный на принципах открытости поззопяет

реализовать функции . прогноза и принятия решений для обнаружения и классификации явлений на изучаемом пространстве.

2. Рекомендации по составу базы данных с учетом уровней их готовности для использования на различных этапах геоинформационного мониторинга, обеспечение возможности совместного использования баз знаний и данных, разработанных на разных СУБД и переносимость программных модулей между различными вычислительными платформами.

3. Проведенная на основе разработанной модели «пятнистости» обработка данных геоинформационного мониторинга, позволяет выделить вероятностные характеристики «пятнистости», являющиеся информативными признаками при обнаружении и классификации аномальных явлений на водной поверхности и ледовых покровов.

Апробация работы и публикации. Результаты, полученные в диссертации, докладывались на Lili, LV научных сессиях, посвященных Дню Радио (Москва, 1998, 2000 г.г.), на 3-м и 4-ом международных симпозиумах «Проблемы экоинформатики» (Москва 1998 2000 г.г.).

По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации. Дпг.с-. ртлиия состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель'и. научная новизна работы, излагаются основные защищаемые положения, показана практическая ценность полученных результатов и приводится краткое содержание диссертации.

"' ч ■ ■ ...

В первой главе кратко излагаются физические основы дистанционных методов исследования окружающей среды. Дается сравнительная характеристика эффективности дистанционных методов, основанных на измерениях собственного и рассеянного электромагнитного излучения земной поверхности в радиодиапазонах.

Дается классификация дистанционных радиофизических : методов, которые используются для оценки геофизических параметров природных систем. Приводятся основные соотношения, связывающие результаты радиофизических измерений с геофизическими параметрами акваторий и ледовых покровов. Отмечены особенности использования дистанционных радиофизических методов для оценки параметров физического состояния океана, ледовых покровов и др..

Далее в гл.1 рассматриваются возможности определения Основных гидрофизических параметров водной поверхности по -данным СВЧ -радиометрии. Как известно, основными гидрофизическими параметрами водной системы являются: температура поверхности Т, соленость Б и интенсивность волнения, связанные с величиной скорости ветра V. Здесь отмечается, что для определения тех или иных свойств среды необходимо для регистрации радиотеплового излучения выбирать частоты,

-э-

соответствующие доминирующей роли изучаемого параметра. Для определения поверхностной температуры океана лучше всего выбирать диапазон непоглощаемых и нерассееваемых в атмосфере волн. Это волны частоты ниже 10 ГГц ( X > 3 см) Если необходимо знать водосодержание облаков, то удобно вести наблюдение на волне 0,8 см, где не сказывается поглощение парами воды и кислородом, но заметно поглощение в облаках.

Подробно рассматриваются вопросы оценки ледовых и снежных характеристик поданным СВЧ -радиометрии. Приводится обзор работ, где на основе модельных расчетов и экспериментальных измерений описываются излучательные способности ледяного и снежного покровов в СВЧ -диапазоне, рассматриваются вопросы разработки моделей для морских льдов с сильным и умеренным поглощением и пористых структур, особенности радиационных показателей молодых льдов, льдов с малой соленостью и паковых льдов. При этом отмечается возможность дистанционного различения возрастных градаций льдов.

Далее рассмотрены отражающие, рассеивающие и частотные характеристики морского льда. Влияние морских льдов на характеристики распространения,

Вторая глава посвящена вопросам технологии открытых систем как интеграционной основы создания баз данных для геоинформационного мониторинга.

Основной принцип технологии открытых систем состоит в создании среды, включающей программные и аппаратные средства, службы связи, интерфейсы, форматы данных и протоколы. Эта среда в основе имеет развивающиеся доступные и общепризнанные стандарты и обеспечивает значительную степей'

переносимости, взаимодействия и масштабирования приложений к. данных.

В обобщенной форме информационная инфраструктура любого уровня состоит из ресурсов (вычислительных и информационных) и средств телекоммуникации.

Важнейшим понятием в технологии открытых систем (ТОС) служит понятие профиля как согласованного набора базовых стандартов, необходимых для решения конкретных задач.

Профиль представляет собой набор выбранных стандартов и других спецификаций, определяющих совркупность услуг, доступных прикладной программе в конкретной функциональной среде.

Далее отмечается, что инфраструктура типовой системы геоинформационного мониторинга должна обладать адаптивностью обеспечивающей автоматическую настройку ее ресурсов на предметную область.

Определяется роль дистанционных, методов исследования в геоинформационных мониторинговых системах (ГИМС) и раскрывается специфика геоинформационного мониторинга как объекта автоматизации. Выделены основные функции геоинформационного мониторинга:. ' •

- сбор достоверной информации об изучаемом объекте;

- первичная обработка данных, включая раскодировку и предварительный контроль данных наблюдений с приведением этих данных к некоторым стандартным формам;

- тематическая (вторичная) обработка данных, включающая различные математические и статистические методы и предназначенья для решения задач распознавания,

классификации и определения типовых характеристик исследуемого объекта;

- прогноз состояния изучаемого объекта на основе интерпретации полученной информации с использованием развитых математических методов.

Исходя из такого функционального разбиения геоинформационного мониторинга сформирована обобщенная схема автоматизированной системы сбора, хранения и интерпретации дистанционной информации, 'ядром которой является автоматизированный банк дистанционных данных. Сформулированы принципы проектирования автоматизированной системы сбора и хранения информации в ГИМС:

- системный подход;

- централизованное хранение информации;

- модульность;

- интерактивный режим функционирования;

- типовость.

Показано, что при проектировании автоматизированной системы сбора и хранения информации в ГИМС целесообразно применять концепцию базы данных. Разработку программного обеспечения вышеуказанной автоматизированной системы следует осуществлять с использованием стандартной системы управления базой данных (СУБД). Даны характеристики наиболее распространенных в настоящее время СУБД. Исходя из сравнительных характеристик СУБД, в работе показано, что наиболее подходящими для предлагаемой автоматизированной ,системы являются СУБД фирмы Fox Software. (Fox Pro, Fox Base).

В системе сбора и обработки информации одно из центральных мест занимает создание автоматизированного банк*

дистанционных данных (АБДД), который удовлетворяет следующим требованиям:

- должен хранить большой непрерывно увеличивающийся объем данных;

- должен содержать сведения о структуре записи данных на носителях;

- должны быть средства, обеспечивающие интерактивный режим работы с ним.

При проектировании АБДД целесообразно применять концепцию баз данных. Разработку программного обеспечения АБДД следует осуществлять с использованием стандартной системы управления базой данных (СУБД).

В третьей главе рассматриваются вопросы алгоритмического и программного обеспечения системы автоматизированного геоинформационного мониторинга при решении задач обнаружения и классификации явлений на водной поверхности и ледовых покровах.

Задача классификации земных ландшафтов и акватории заключается в разбиении некоторой группы объектов на классы на основе определенных требований. К одному классу при этом относятся объекты, обладающие объективно общими свойствами . Для решения этой задачи используются различные алгоритмы 'теории распознавания образов, математической статистики и др..

В диссертационной работе в основном для решения задачи классификации используются методы кластерного анализа и дискриминантного анализа. Алгоритм кластеризации основывается на среднесвязывающем методе (Кинга), который дает хорошие результаты в тех случаях, когда количество имеющейся информации в предполагаемых кластерах невелико. В соответствии

с этим методом расстояние между группами точек в пространстве признаков определяется как расстояние между центрами масс этих групп. Кластеризация в этом случае основывается на предположении о том, что близким геофизическим ситуациям . ■ . соответствуют участки повышенной плотности в пространстве признаков. ' ' 4 ' ' • ' , . / ,

Дискриминантный анализ дает хорошие результаты, когда' количество"кластеров невелико . ■ г , ,

Средне связывающий-метод относится к объединяющим процедурам. На начальном этапе всякая точка рассматривается как отдельный кластер.'Шаг процедуры состоит в.объединении в одних двух ближайших между собой кластеров. Каждый кластер характеризуется положением своего центра.. Положение нового кластера определяется как место «центра масс» соединившихся кластеров. На каждом шаге мож'но прекратить! действие алгоритма или вывести на печать получившееся к данному моменту разбиение на кластеры. • -

.' Можно заранее определить число, если имеются какие-то предположения в пользу того, что имеЯно такое' количество кластеров должно выделиться в исследуемом районе.

Особенностью дистанционных измерений.является сбор информации, когДа'наг вход обрабатывающей системы поступают данные по маршруту полета летательного аппарата. В результате получается набор реализации случайных процессов, обработка которого по пространственно-временной интерполяции позволяет сформировать двумерный образ изучаемого объекта. Одной из моделей этого образа является статистическая модель «пятнистости» изучаемого пространства.

Разработан подблок автоматизированной системы геоинформационного мониторинга, реализующий алгоритм статистического моделирования «пятнистости».

Далее в гл.З приводится программное обеспечение подсистем автоматизированной системы обнаружения и классификации явлений на водной поверхности и ледовых покровах по данным геоинформационного мониторинга.

Важными составными частями системы являются подсистемы качественной интерпретации дистанционных измерений, визуализации.

Подсистема качественной интерпретации дистанционных измерений позволяет выделить участки записей дистанционных данных, соответствующих географическим районам, в которых реализуются сходные геофизические условия. При последующей обработке это позволяет конкретизировать используемые модели и алгоритмы. В подсистеме используются средне связывающий мето^ кластерного анализа, который оказывается эффективным при малых объемах выборок и метод дискриминантного анализа.

В рамках автоматизированной системы создана подсистема визуализации результатов обработки данных геоинформационного мониторинга. Дистанционные измерэния параметров окружающей среды с целью формирования карт невозможно без средств машинной графики, как на этапе первичной обработки, так и на заключительном этапе визуализации полученных результатов. Подсистема включает программные модули, осуществляющие поио и визуализацию «пятен» в рассматриваемом регионе.

Четвертая глава посвящена конкретным примерам применения разработанной автоматизированной системы классификации явлений на водной поверхности.и ледовых покровах. Входящие в

систему программные модули были применены для обработкиданных радиофизических экспериментов с ИСЗ «Космомс-1151», «Космос-1500», «Интеркосмос-21» для районов Северной Атлантики, Тихого океана и Арктики

Дается характеристика этих дистанционных радиофизических экспериментов.

Рассматриваются особенности структуры и пространсвенно-временной привязки данных СВЧ-радиометрии.

ИСЗ «Космос-1500» были установлены радиометры на длинах волн 0,8 см, 1,35 см, 8,5 см. ИСЗ «Интеркосмос-21» оснащен аппаратурой регистрации поляризованного сигнала в двух проекциях (горизонтальной и вертикальной).

На основе СУБД Fox Pro сформирован автоматизированный банк данных вышеуказанных дистанционных экспериментов.

В частности, а него включены помимо исходных данных, статистические характеристики исходных данных: среднее, дисперсия; среднеквадратичное отклонение; коэффициент ассиметрии; размах; эксцесс по Йоханссену; коэффициент вариации, коэффициент корреляции, статистические характеристики "пятнистости" исходных данных, полученных методом трансект-анализа; тип вероятностных распределений и т.д.

Аьализируются статистические характеристики "пятнистости" радиояркостных температур, полученные для наиболее информативных порогов. Утверздается, что эти характеристики можно использовать при обнаружении аномальных явлений на водной поверхности и ледовых покровах.

Обычно дистанционным измерениям соответствуют несимметричные кривые вероятностных распределений. Эти оценки характеризуют состояние среды по выбранной шкале широтных

поясов и позволяют хорошо классифицировать крупномасштабные процессы. В частности, удается определить положение кромки льдов и разделить льды на 4 группы: молодые; однолетние; многолетние и паковые ледники. Точность пространственной привязкипс каналу 0,8 см оценивается + 15 км. Одновременное использование каналов 0,8 см; 1,35 см; 8,5 см дает оценку положения кромки льдов с точностью до 20 %.

Результаты обработки данных представлены в форме графиков, таблиц и карт.

В заключении сформулированы основные научные результаты. диссертации. . - - / '

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАЁОТЬ|. .

1. Разработана автоматизированная система обнаружения и ' классификации явлений на изучаемом пространртёе по данным геоинформационного мониторинга с необходимым -алгоритмическим и программным обеспечением-. .' ,

2. Разработаны новые принципы построения и структура комплекса алгоритмических и программных средств, ■ обеспечивающих согласование режимов сбора данных с их первичной и тематической обработкой. ;

3. Разработана методика и автоматизированная "подсистема качественной интерпретации дистанционных радиофизически) измерений на основе кластерного и дискриминантного анализа.

4. Предложена методика и разработана автоматизированная подсистема исследования и визуализации «пятнистости»

акваторий и ледовых покровов на основе данных геоинформационного мониторинга.

5. Разработан состав базы данных с учетом уровней их готовности для использования на различных этапах геоинформационного мониторинга на основе принципа технологии открытых систем.

6. Создана система формирования автоматизированного банка дистанционных данных (АБДД).

7. Получены результаты тематической обработки данных дистанционного зондирования ледовых покровов и акваторий для районов Арктики, Северной Атлантики и Тихого океана. Получены статистические характеристики «пятнистости», являющиеся информативными признаками при решении задач обнаружения и классификации явлений на водной поверхности.

8. Проанализированы отражающие, рассеивающие свойства и частотные характеристики морского льда..

'9. Построены карты радиояркостных температур для Арктики по данным ИСЗ»Космос-1500» (каналы 0,8 см, 1,35 см, 8,5 см), на основе которых получены конкретные результаты по классификации ледовых полей (4 градации:! молодой лед; 2. однолетний лет; 3. многолетний лед; 4. паковые ледники).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих аботах.

Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Основные требования к

автоматизации обработки данных геоинформационного

/

мониторинга. LUI научная сессия, посвященная дню радио. Тезисы докладов. М.: 1998, с. 68-69.

2. Ничипор А.Е. Технология открытых систем и задачи обработки данных в геоинформационном мониторинге. Материалы 3-ого международного симпозиума «Проблемы экоинформатики». М.: 1998,с.117-120.

3. Мкртчян Ф.А. , Ничипор А.Е. Информационная база геоинформационного мониторинга. Материалы 3-го международного симпозиума «Проблемы экоинформатики». М.: 1998, с. 70-75.

4. Ничипор А.Е. Реализация алгоритмов распознавания образов и анализа изображений по технологии открытых систем. LV научная сессия, посвященная дню радио. Труды. М.: 2000, с. №.

5. Климов В.В, Крапивин В.Ф., Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Методы классификации и качественной интерпретации данных дистанционного мониторинга окружающей среды. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов.' 2000, №11, с. 10-17

6. Климов В.В, Крапивин В.Ф., Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Технология открытых систем в задачах распознавания образов и анализа изображений для геоинформационного мониторинга. ПроЕ лемы окружающей среды и природных ресурсов. 2000, №11, с. 18-:

7. Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Автоматизированная система качественной интерпретации данных дистанционных измерений на основе кластерного анализа. Материалы 4-ого международного симпозиума «Проблемы экоинформатики», М.: ИРЭ РАН, 2000, с.54-58.

8. Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Информационная структура подсистем первичной и тематической обработки данных геоинформационных мониторинговых систем (ГИМС). Материалы

4-ого международного симпозиума «Проблемы экоинформатим М.: ИРЭ РАН, 2000,с.73-77 9. Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Результаты обработки спутниковых измерений для районов Арктики. Материалы 4-ого международного симпозиума «! !роблемы экоинформати:'и». М.: ИРЭ РАН, 2000, с. 146-152.

Подписано в печать 24.10.2000 г. Формат 60x84 1/16. Объем 1,12ус.пл. Тираж 100 экз. Ротапринт ИРЭ РАН.

Заказ 2/

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА.

1.1 Общая характеристика дистанционных радиофизических методов.

1.2 Возможности определения основных гидрофизических параметров водной поверхности по данным СВЧ-радиометрических измерений.

1.3 Оценки атмосферных, ледовых и снежных характеристик по данным СВЧ-радиометрии.

1.4 Общая характеристика классификация и электрические параметры ледовых покровов.

1.5 Отражающие свойства и частотные характеристики морского льда.

1.6 Влияние морских льдов на характеристики распространения.

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ - ИНТЕГРАЦИОННАЯ ОСНОВА СОЗДАНИЯ БАЗ ДАННЫХ ДЛЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА.

2.1 Анализ принципов технологии открытых информационных систем.

2.2 Формирование баз данных в геоинформационных мониторинговых системах (ГИМС).

2.3 Системы управления базами данных (СУБД) в ГИМС и их программные оболочки.

2.4 Базы данных на основе языка

2.5 Основные требования к созданию автоматизированного банка дистанционных данных (АБДД).

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ,

КЛАССИФИКАЦИИ И АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ.

3.10 методах и алгоритмах распознавания образов и анализа изображений.

3.2 Применение методов кластерного анализа для классификации явлений на изучаемом пространстве.

3.3 Среднесвязывающий метод (метод Кинга).

3.4 Метод дискриминантного анализа.

3.5 Математические модели "пятнистости" фоновых характеристик изучаемого пространства.

3.6 Структура программного обеспечения.

3.7 Подсистема исследования характеристик "пятнистости".

3.8 Подсистема качественной интерпретации и визуализации данных геоинформационного мониторинга.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ЛЕДОВЫХ ПОКРОВОВ.

4.1 Анализ и общие характеристики дистанционных радиофизических экспериментов с ИСЗ.

4.2 Особенности структуры и пространственно-временной привязки данных СВЧ-радиометрии.

4.3 Уровень первичной готовности. Калибровка и анализ данных.

4.4 Обработка данных с корректировкой искажений.

4.5 Результаты обработки спутниковых измерений для районов Тихого океана и Северной Атлантики.

4.6. Результаты обработки спутниковых измерений для районов Арктики.

Актуальность темы. В последнее время интенсивно ведутся работы по методическому и аппаратному обеспечению дистанционных исследований окружающей среды. Создаются аппаратурные комплексы для обеспечения зондирования земных покровов и акваторий. Разрабатываются методы и алгоритмы компьютерного анализа двумерных изображений земной поверхности. Ведется работа по построению моделей формирования этих двумерных полей и решаются задачи классификации явлений, анализа изображений на изучаемом пространстве.

Уже созданные методы и алгоритмы обладают способностью преодолевать такие трудности, как отрывочность и нестационарность информации, наличие малых статистически неоднородных выборок.

В настоящее время основной тенденцией в построении крупных проблемно-ориентированных информационных систем является использование распределенных баз данных и знаний, использование ЭВМ различных классов и производителей, использование локальных и глобальных сетей. При этом возникают сложности в использовании информации баз данных и знаний, реализованных на различных СУБД и программного обеспечения, разработанного на разных платформах.

Преодоление указанных сложностей основано на применении технологии открытых информационных систем, использующей стандартные интерфейсы между всеми программно-аппаратными компонентами среды. Важнейшим этапом является построение профиля - набора согласованных стандартов для данной области применения.

Современный этап развития экспериментальных радиофизических методов исследования окружающей среды характеризуется переходом от пассивного сбора информации об изучаемом объекте к постановке целенаправленных экспериментов. Первостепенное значение при осуществлении таких экспериментов приобретают организации массового сбора информации об изучаемой системе, оперативность ее обработки и достоверная интерпретация данных наблюдений.

С практической точки зрения, важным является синтез комплексной системы сбора и обработки информации об окружающей среде, объединяющей дистанционные и контактные измерения, составляющие основу систем геоинформационного мониторинга.

Основной смысл концепции геоинформационного мониторинга состоит в соединении в систему средств сбора данных, методов их обработки, математических моделей природных объектов, компьютерных средств реализации алгоритмов и моделей с широким спектром сервисного обеспечения при визуализации результатов мониторинга.

Как один из важных моментов геоинформационного мониторинга, рассматривается автоматизация обработки данных дистанционных измерений с конечной целью решения задачи обнаружения и классификации того или иного явления на земной поверхности. Эффективное решение этих задач невозможно без широкого внедрения в практику исследований автоматизированных систем сбора, хранения и обработки данных на базе современных ЭВМ с применением технологии открытых систем. Таким образом, автоматизация геоинформационного мониторинга на всех его этапах, начиная со сбора информации и кончая созданием соответствующей автоматизированной системы обработки данных, оснащенной необходимым алгоритмическим и программным обеспечением, является актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение.

Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы обнаружения и классификации явлений на водной поверхности и ледовых полях по данным геоинформационного мониторинга с применением методов математической статистики, распознавания образов, анализа изображений, математического моделирования, используя принципы технологии открытых систем.

Научная новизна. В настоящей работе:

- впервые разработана и реализована в виде программного комплекса новая автоматизированная система обнаружения и классификации явлений на изучаемом пространстве по данным геоинформационного мониторинга с применением технологии открытых систем;

- впервые разработаны программные средства качественной интерпретации данных геоинформационного мониторинга;

- показана принципиальная возможность использования математической модели «пятнистости» для обнаружения и классификации явлений на водной поверхности и ледовых полях. Разработана автоматизированная подсистема исследования и визуализации «пятнистости» акваторий и ледовых покровов на основе дистанционных измерений;

- впервые получены статистические характеристики «пятнистости» акваторий ледовых покровов для конкретных районов Арктики и Северной Атлантики на основе дистанционных СВЧ - радиометрических спутниковых измерений.

Практическая ценность. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение обнаружения и классификации явлений на водной поверхности и ледовых покровов по данным геоинформационного мониторинга значительно повышает эффективность исследований природной среды за счет комплексного и рационального использования экспериментального оборудования, оптимального использования данных дистанционных измерений.

Эффективность разработанной автоматизированной системы, ее алгоритмического и программного обеспечения подтверждена результатами обработки дистанционных СВЧ - радиометрических спутниковых измерений с ИСЗ «Космос-1151», «Космос-1500» и «Интеркосмос-21» районов Арктики, Северной Атлантики и Северной части Тихого океана.

Диссертация выполнялась в соответствии с планами ИРЭ РАН (НИР «Процесс-1», «Призма») и по проекту Миннауки РФ «Разработка программной среды открытых систем для баз знаний и данных при распознавании образов и анализе изображений в локальных гетерогенных и глобальных сетях» в рамках государственной научно-технической программы «Перспективные информационные технологии» РФ.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Созданная автоматизированная система обработки данных геоинформационного мониторинга с соответствующим алгоритмическим и программным обеспечением, построенная на принципах открытости позволяет реализовать функции прогноза и принятия решений для обнаружения и классификации явлений на изучаемом пространстве.

2. Рекомендации по составу базы данных с учетом уровней их готовности для использования на различных этапах геоинформационного мониторинга, обеспечение возможности совместного использования баз знаний и данных, разработанных на разных СУБД и переносимости программных модулей между различными вычислительными платформами.

3. Проведенная на основе разработанной модели «пятнистости» обработка данных геоинформационного мониторинга, позволяет выделить вероятностные характеристики «пятнистости», являющиеся информативными признаками при обнаружении и классификации аномальных явлений на водной поверхности и ледовых покровов.

Апробация работы и публикации. Результаты, полученные в диссертации, докладывались на LUI, LV научных сессиях, посвященных Дню Радио (Москва, 1998, 2000 г.г.), на 3-м и 4-ом международных симпозиумах «Проблемы экоинформатики» (Москва 1998,2000 г.).

По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана автоматизированная система обнаружения и классификации явлений на изучаемом пространстве по данным геоинформационного мониторинга с необходимым алгоритмическим и программным обеспечением.

2. Разработаны новые принципы построения и структура комплекса алгоритмических и программных средств, обеспечивающих согласование режимов сбора данных с их первичной и тематической обработкой.

3. Разработана методика и автоматизированная подсистема качественной интерпретации дистанционных радиофизических измерений на основе кластерного и дискриминантного анализа.

4. Предложена методика и разработана автоматизированная подсистема исследования и визуализации «пятнистости» акваторий и ледовых покровов на основе данных геоинформационного мониторинга.

5. Разработан состав базы данных с учетом уровней их готовности для использования на различных этапах геоинформационного мониторинга на основе принципа технологии открытых систем.

6. Создана система формирования автоматизированного банка дистанционных данных (АБДД).

7. Получены результаты тематической обработки данных дистанционного зондирования ледовых покровов и акваторий для районов Арктики, Северной Атлантики и Тихого океана. Получены статистические характеристики «пятнистости», являющиеся информативными признаками при решении задач обнаружения и классификации явлений на водной поверхности.

8. Проанализированы отражающие, рассеивающие свойства и частотные характеристики морского льда.

1. Айзерман М.А., Браверман Э.М., Розоноэр Л.И. Метод потенциальных функций в теории обучения машин. М.: Наука, 1970, 383 с.

2. Аквилонова А.Б., Арманд H.A., Гагарин С.П. и др. Определение температуры поврехности океана и других геофизических измерений на спутнике «Космос 1151». В сб. Исследование океана дистанционными методами. Севастополь: МГИ АН УССР, 1981, с. 131 - 138.

3. Альберг Дж., Нильсон Э., Уолш Дж. Теория сплайнов и ее приложения. М.: Мир, 1972,316 с.

4. Альперт Я.Л. Распространение радиоволн в ионосфере. М.: ГТИ, 1947.

5. Амбросимов А.К. Автоматизация трансект анализа при исследовании гидрофизических полей в океане. В сб.: Алгоритмы машинной обработки данных в задачах радиотехники и электроники. М.: ИРЭ АН СССР, 1986, с. 42 -46.

6. Амбросимов А.К. Некоторые результаты исследования океанических полей методом трансект характеристик. В кн.: Подводные технические средства исследования океана. М.: Институт океанологии РАН, с. 6 - 11.

7. Апонов Б.А., Калинин Г.П., Комаров В.Д. Курс гидрологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат, 1974, 366 с.

8. Арманд H.A., Крапивин В.Ф., Мкртчян Ф.А. Методы обработки данных радиофизического исследования окружающей среды. М.: Наука, 1987, 270 с.

9. Арманд H.A., Егоров С.Т., Курская A.A., Кутуза Б.Г. Некоторые результаты исследования арктического льда со спутника "Космос1151". В сб. Исследование океана дистанционными методами. Севастополь: МГИ АН УССР, 1981, с. 137 144.

10. Ахмадшин И.Н., Гайкович В.Ю., Тютюнников H.H. Реляционные СУБД: какую выбрать ?// Мир ПК, 1991, №3, с. 25-30.

11. Афанасьев Ю.А., Нелепо Б.А., Селиванов A.C. и др. Программа экспериментов "Космос 1500".// Исследование Земли из космоса. 1985, №3, с. 3 - 8.

12. Башаринов А.Е., Флейшман Б.С. Методы статистического последовательного анализа и их приложения. М.: Сов. Радио, 1962, 352с.

13. Башаринов А.Е., Гурвич A.C., Егоров С.Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974, 212 с.

14. Башаринов А.Е., Курская A.A. Различение возрастных категорий морских льдов при радиолокационных и радиотепловых наблюдениях в СВЧ диапазоне.// Радиотехника, 1979, т. 34, №4, с. 31 - 35.

15. Баяковский Ю.М., Галактионов В.А., Михайлова Т.Н. Графор: Графическое расширение ФОРТРАНА. М.: Наука, 1985, 288 с.

16. Белич Р.Б. Расчет излучательной способности ледяного и снежного покрова в СВЧ диапазоне.// Труды ГосНИИЦИПР. Л.: 1984, Вып. 18. с.91-102.

17. Бенерджи Р. Теория решения задач. М.: Мир, 1972. 224 с.

18. Богородский В.В., Трипольников В.П. Электромагнитные характеристики морского льда в диапазоне 30-40 МГц.// ДАН СССР, 1973, т. 213, №3, с. 577-579.

19. Букатова И.Л. Эволюционное моделирование и его приложения. М.: Наука, 1979. 230 с.

20. Букатова И.Л., Шаров А.М. Методы теории распознавания образов и перспективы их применения. Препринт №2(116). М.: ИРЭ АН СССР, 1973, 56 с.

21. Вальд А. Последовательный анализ. М.: Физматгиз, 1960, 328 с.

22. Вапник В.Н., Червоненкис А.Я. Теория распознования образов. М.: Наука, 1974,415 с.

23. Василевич В.И. Статистические методы в геоботанике. М.: Наука, 1969, 232 с.

24. Выбор СУБД. Базы данных и гипертекстовые системы. 1991, №10, с. 10 -187.

25. Гетманский А.Д., Топчян Б.Х. СУБД: так какая же быстрее ?//Мир ПК, №2,1992, с. 59-62.

26. Гилой В. Интерактивная машинная графика. М.: Мир, 1981, 380 с.

27. Гранков А.Г., Либерман Б.М., Шутко A.M. Об оценке физико-химических параметров поверхностных вод акваторий по собственному СВЧ излучению. РЭ, 1981, т.26, №3, с.624.

28. Гуляев Ю.В., Олейников А.Я. Технология открытых систем основное направление информационных технологий.// Информационные технологии и вычислительные системы, 1997, №3, с.4 - 14.

29. Гурвич A.C., Егоров С.Т., Кутуза Б.Г. Радиофизические методы зондирования атмосферы и поверхности океана из космоса.// Исследование Земли из космоса, 1981, №1, с.63 70.

30. Данков П.П. Оптимальные процедуры обучения принятию статистических решений.// Радиотехника и электроника, 1965, №10, с. 1774- 1782.

31. Дейт К. Введение в системы баз данных. М.: Наука, 1980, 360 с.

32. Жевакин С.А., Наумов А.П. К расчету коэффициента поглащения сантиметровых и миллимитровых радиоволн в атмосферном кислороде.// Радиотехника и электроника. 1965, т. 10, №6, с.987 996.

33. Загоруйка Н.Г. Методы распознавания и их применение. М.: Сов. радио, 1972, 206 с.

34. Ивахненко А.Г. Системы эвристической самоорганизации в технической кибернетике. Киев: Техника, 1971, 372 с.

35. Ивахненко А.Г. Индуктивный метод самоорганизации моделей сложных систем. Киев: Наукова думка, 1982, 296 с.

36. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1980, 283 с.

37. Калмыков А.И., Пичугин А.П., Цымбал В.Н. Определение поля приводного ветра радиолокационной системой бокового обзора ИСЗ «Космос 1500».// Исследование Земли из космоса. 1985, №4, с. 65 - 67.

38. Козлов В.А. Открытые информационные системы. М.:Финансы и статистика. 1999, 224 с.

39. Кондратьев К.Я. Спутниковая климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1983, 261 с.

40. Климов В.В., Крапивин В.Ф., Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Методы классификации и качественной интерпретации данных дистанционного мониторинга окружающей среды.// Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 2000, №11, с. 10 -17.

41. Климов В.В., Крапивин В.Ф., Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Технология открытых систем в задачах распознавания образов и анализа изображений для геоинформационного мониторинга.// Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 2000, №11, с. 18 24.

42. Крамер Г. Математические методы статистики. М.: Мир, 1975, 648 с.

43. Крапивин В.Ф., Шутко A.M., Мкртчян Ф.А., Реутов Е.А., Новичихин Е.П. Геоинформационная мониторинговая система (основы, структура и примеры использования). Препринт №23(524) ИРЭ АН СССР. Москва, 1989, 34 с.

44. Крапивин В.Ф., Олейников А.Я. Разработка программной среды открытых систем для баз знаний и данных в глобальномгеоинформационном мониторинге.// Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 1998, №10, с. 2 9.

45. Крапивин В.Ф. Радиоволновой экологический мониторинг. В кн.: Безопасность России, под ред. В.В. Клюева, М.: Знание, с. 295 -311.

46. Крапивин В.Ф. Теоретико игровые методы синтеза сложных систем в конфликтных ситуациях. М.: Сов. радио, 1972, 192 с.

47. Крапивин В.Ф. О теории живучести сложных систем. М.: Наука, 1978, 248 с.

48. Кутуза Б.Г., Смирнов М.Т. Влияние облачности на усредненное радиотепловое излучение системы «атмосфера поверхность океана».// Исследование Земли из космоса. 1980, №3, с. 76-83.

49. Кэлман Д. 15 реляционных баз данных. Простота доступа, мощные программные средства. PC Magazine, 1991, №2, с. 77 90.

50. Леман Э. Проверка статистических гипотиз. М.: Наука, 1964, 408 с.

51. Либерман Б.М., Гительсон A.A., Шутко A.M. О погрешности определения минерализции и температуры водных объектов по данным самолетных СВЧ радиометрических измерений.// Метеорология и гидрология. 1987, №12, с. 107 - 110.

52. Мазуров В.Д. Математические методы в распознавании образов в решении задач планирования и управления. Свердловск: Средне -Уральское книжное издательство, 1977, 48 с.

53. Мазуров В.Д. Плохо формализуемые задачи планирования технико-экономических систем. Свердловск: Средне Уральское книжное издательство, 1983, 63 с.

54. Малкевич М.С., Косолапов B.C. О возможности дистанционного определения вертикального профиля влажности облаков.// Исследование Земли из космоса. 1981, №6, с.63 72.

55. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах. М.: Мир, 1980.

56. Митник JI.M. Излучательные характеристики водной поверхности (обзор). Обнинск: 1978, 65 с.

57. Мишев Д. Дистанционное исследование Земли из космоса. М.: Мир, 1985,229 с.

58. Метод комитетов в распознавании образов. Свердловск: Институт математики и механики УНЦ АН СССР, 1974, 164 с.

59. Мкртчян Ф.А. Оптимальное различение сигналов и проблемы мониторинга. М.: Наука, 1982,186 с.

60. Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Основные требования к автоматизации обработки данных геоинформационного мониторинга. LUI научная сессия, посвященная Дню радио. Тезисы докладов. М.: 1998, с. 68 69.

61. Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Информационная база геоинформационного мониторинга. Материалы 3-го международного симпозиума "Проблемы экоинформатики". М.: 1998, с. 70 75.

62. Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Автоматизированная система качественной интепретации данных дистанционных измерений на основе кластерного анализа. Материалы 4-го международного симпозиума "Проблемы экоинформатики". М.: ИРЭ РАН, 2000, с. 54 -58.

63. Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Информационная структура подсистем первичной и тематической обработки данных геоинформационных мониторинговых систем (ГИМС). Материалы 4-го международного симпозиума "Проблемы экоинформатики". М.: ИРЭ РАН, 2000, с. 73 -77.

64. Мкртчян Ф.А., Ничипор А.Е. Результаты обработки спутниковых измерений для районов Арктики. Материалы 4-го международного симпозиума "Проблемы экоинформатики". М.: ИРЭ РАН, 2000, с. 146 — 152.

65. Назарян H.A. Машинный алгоритм привязки данных экспериментальных измерений к единому моменту времени. Препринт №17 (435) ИРЭ АН СССР. М.: 1985, 20 с.

66. Нелепо Б.А., Коротаев Г.К., Суетин B.C., Терехин Ю.В. Исследование океана из космоса. Киев: Наукова думка, 1985, 168 с.

67. Нелепо Б.А., Арманд H.A., Хмиров Б.А. и др. Эксперимент "Океан" на искусственном спутнике Земли "Космос 1076" и "Космос - 1151".// Исследование Земли из космоса. 1982, №3, с. 5 - 12.

68. Ничипор А.Е. Технология открытых систем и задачи обработки данных в геоинформационном мониторинге. Материалы 3-го международного симпозиума «Проблемы экоинформатики». М.: 1998, с. 117 120.

69. Ничипор А.Е. Реализация алгоритмов распознавания образов и анализа изображений по технологии открытых систем. LV научная сессия, посвяжщенная Дню радио. Труды. М.: 2000, с. 107.

70. Нильсон Н. Обучающиеся машины. М.: Мир, 1967.

71. Номенклатура морских льдов. Условные обозначения для ледовых карт. JL: Гидрометеоиздат, 1974, с.86.

72. Паундер Э. Физика льдов. М.: Мир, 1967, с. 192.

73. Полищук Ю.М. Метод агрегирования иммитационных моделей сложных систем. В сб.: Алгоритмы машинной обработки данных в задачах радиотехники и электроники. М.: ИРЭ АН СССР, 1986, с.134 138.

74. Пятак H.A. Выбор принципов обеспечения географической привязки измерений. В сб.: Исследование океана дистанционными методами. Севастополь, МГИ АН УССР, 1981, с.37 44.78.79,80.81,82,83,84