Основи оброблення та дешифрування знімків з космічного апарата "січ-2" для розв'язання тематичних задач лісового господарства Текст научной статьи по специальности «Математика»

11. KarimBenbouabdallah and Zhu Qi-dan A Fuzzy Logic Behavior Architecture Controller for a Mobile Robot Path Planning in Multi-obstacles Environment Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology. - 2013. - Vol. 5(14). - Pp. 3835-3842.

Цмоць И.Г., Ваврук И.Е., Теслюк В.Н. Моделирование интеллектуального управления движением мобильной робототехнической системы

Разработана структура аппаратно-программных средств автономного управления движением, проведены их исследования. Предложен метод выбора угла поворота мобильной робототехнической системы, учитывая значения углов поворота разных режимов движения и коэффициентов активации.

Ключевые слова: нечеткая логика, автономная мобильная робототехническая система, интеллектуальное управление движением.

Tsmots I.G., Vavruk I.Ye., Teslyuk V.M. Intellectual control simulation of mobile robotic system

The structure of hardware and software tools for autonomous motion control is developed. The research of proposed tools is carried out. The method of choosing the rotation angle of mobile robotic system is proposed as a combination of different movement modes rotation angles and activation coefficients of each mode.

Keywords: Fuzzy logic, autonomous mobile robotic system, intelligent movement control.

УДК528.88 Доц. О.€. Горшенин1, канд. техн. наук;

доц. 1.В. Пулеко1, канд. техн. наук; доц. В. О. Чумакевич2, канд. техн. наук

ОСНОВИ ОБРОБЛЕННЯ ТА ДЕШИФРУВАННЯ ЗН1МК1В З КОСМ1ЧНОГО АПАРАТА "С1Ч-2" ДЛЯ РОЗВ'ЯЗАННЯ ТЕМАТИЧНИХ ЗАДАЧ Л1СОВОГО ГОСПОДАРСТВА

Проведено ш^вняльний аналiз характеристик ряду KocMi4rnx апарапв дистан-цшного зондування Земл^ проаналiзовано можливост виршення тематичних задач ль сового господарства за зшмками з космiчного апарата "Ci4-2", викладено основи методик ршення тематичних задач люового господарства з урахуванням специфики конкретно! бортово! апаратури та розглянуто приклади !х виршення.

Ключовi слова: дистанцшне зондування Земл^ розрiзнення, контроль, зшмок з космiчного апарата, люове господарство.

Постановка проблеми. У сучаснш вiтчизнянiй та зарубiжнiй практищ для вирiшення завдань дистанцiйного зондування Землi (ДЗЗ) значного поши-рення набули космiчнi засоби, якi дають змогу отримати високоякiснi знiмки земно! поверхнi. Такi космiчнi зшмки використовуються для вирiшення ба-гатьох тематичних задач национально! економiки, зокрема лкового господарства. Донедавна розвиток цього напряму в Украíнi гальмувався ввдсутнктю власних космiчних засобiв, що призводило до необхiдностi закупiвлi достатньо дорогих зшмкш з iноземних носив. Запуск 17 серпня 2011 р. космiчного апарата (КА) дистанцiйного зондування Зе)№ "Ci4-2", дав змогу по-новому перегляну-ти тематичнi завдання ДЗЗ та надав можливкть рiшення всього спектра задач, яю можуть бути виртеш з використанням власних космiчних засобш.

1 Житомирський вшськовий шститут iM. С.П. Корольова Нацюнального ав1ацшного унгверситету;

2 Академ1я сухопутних вшськ, м. Льв1в

Огляд останшх дослщжень i публiкацiй. Теоретичнi питання з оброб-лення та практичт аспекти застосуванням даних ДЗЗ розглянуто в наукових роботах [1-8]. У цих роботах автори детально розглядають концептуальнi питання, теоретичнД пiдходи та практичнi можливостi застосування рiзних систем ДЗЗ для вирДшення нацiонально-економiчних задач.

Однак у зазначенш лiтературi не враховуються особливостi бортово! апаратури ДЗЗ космiчного апарата "СДч-2" та вiдсутнi методики рiшення тема-тичних задач лiсового господарства з урахуванням специфiки конкретно! бор-тово! апаратури.

Формулювання завдання дослiдження. Основними завданнями роботи е конкретизувати можливостД тематичних задач ДЗЗ для лДсового господарства та порядок !х вирДшення на основi зтмюв з КА ДЗЗ "Сiч-2".

Виклад основного матерiалу. Iнформацiйнi можливостi космiчних знiмкiв земно! поверхнi за вiдображенням рослинного покриву визначаються характеристиками бортово!' апаратури КА та параметрами його орбДти. КА "СДч-2" оснащено оптико-електронним сканером з трьома спектральними та одним панхроматичним дiапазонами, сканером середнього Днфрачервоного дДапа-зону та комплексом науково!' апаратури. Порiвняльну характеристику вДтчизня-ного та деяких зарубiжних КА ДЗЗ наведено у табл. 1. При порiвняннi треба враховувати, що "СДч-2" вiдноситься до класу мiкросупутникiв. Для якДсного вирiшення задач ДЗЗ особливе значения мають чотири види так званого "роз-рiзнення" [7]: просторове, спектральне, радюметричне та часове.

Таким чином, зшмки, отриманi з КА "СДч-2", мають досить великi Днфор-мацiйнi можливостД з вiдображения рослинного покриву. Це дае змогу викорис-товувати !х у цДлях середньо- Д дрiбномасштабного картографування лДсДв за пе-реважаючими породами та вирДшення Днших задач.

Поршняно з картами, складеними традицшними методами, карта складе-на по космДчних знДмках масштабнДше вДдображае природт закономДрностД роз-мДщення лДсДв за породами; внаслДдок використання багатоступДнчато!' генералД-зацц точнДше передае конфДгуращю контурДв, спiввiдношения лДсових Д нелДсо-вих площ. Разом Дз фДксацДею закономДрностей розмДщення лДсДв зшмки дають змогу вДдобразити сучасний стан лДсового покриву, визначити основнД чинники Д масштаби антропогенних ддй. У межах дослДджувано!' територц основнД чинники антропогенного порушення лДсДв обумовленД типами господарського використання територц: сДльськогосподарського, лДсових промислДв Д рибальства, лД-сопромислового. ПорДвняно з Дншими, КА "СДч-2" дае змогу бДльш точно вДдоб-ражати границ зон антропогенного порушення лДсДв.

Зазвичай, використання космДчно!' шформацл ДЗЗ для забезпечення потреб лДсового господарства здДйснюеться за такими основними напрямами: контроль збезлДсення, Днвентаризащя лДсу, виявлення значних пошкоджень лДсових масивДв, лДсоводство, зокрема виявлення динамДки вирубки лДсДв.

1нвентаризац1я лДсового господарства здДйснюеться з метою визначення якДсних Д кДлькДсних характеристик лДсових масивДв:

• визначення титв лiсонасаджень i домiнуючих порщ;

• оцiнка запасiв лiсоматерiалiв;

• вимiрювання загально'1 площi i юльюсна оцiнка бюмаси;

• картографування лiсiв, що припускае вщстежування динамши !х розвитку i пла-нування використання лiсових масивiв;

• оцшка збитку, завданого лiсовим масивам, яка здшснюеться з урахуванням причин, що спричиняли вiдповiднi пошкодження;

• вивчення водного режиму лiсових масивiв;

• лгавництво (виявлення безконтрольних вирубок люу, динамiки вирубок; контроль поразки дерев комахами i пестицидами; контроль пожежно! безпеки лiсiв тощо).

Основш задачi лiсового господарства, що можуть вирiшуватись засобами ДЗЗ, та необхадш характеристики ДЗЗ зведенi до табл. 2. Аналiз табл. 1 -2 свщ-чить, що наявних спектральних каналiв та розрiзнювальноí здатностi апаратури КА "С!ч-2" цшком достатньо для розв'язання переважно1 бiльшостi задач. Пор!в-няно з iншими КА, оперативнкть доставки iнформацií з "Оч-2" вища, що дае змогу вiдстежувати i такi швидкоплиннi процеси, як розвиток пожеж!

Однак досвiд показуе, що ефектившсть використання метод1в ДЗЗ iз космосу для вирiшення завдань лiсового господарства залежить не тшьки вiд якос-тi матерiалiв космiчноí зйомки, але i вiд ефективносп планування робiт та вжи-ваних методiв оброблення. Загальне завдання оброблення космiчних знiмкiв можна сформулювати як завдання визначення локалiзацií рiзних природних i антропогенних об'ектiв на шдстилаючш поверхнi й оцiнки !х властивостей за параметрами космiчних знiмкiв [2, 6, 8].

Установлено, що бiомаcа, накопичена рослиною за час Т, лшшно залежить вiд кшькосп сонячно!' радiацií, яка поглинена рослиною. Вегетацшний ш-декс NDVI характеризуе здатнкть рослини поглинати сонячну радiацiю. Отже,

т

Р »гБ|тущ^г, (1)

0

де: Р - иродуктившсть, г/(с-м2); е - швидккть накопичення бiомаси, г/Дж; Б -сонячна постiйна, Вт/м2.

Тодi ноpмалiзований вегетацiйний iндекс

МБУ1 = ( Бм - Вч ) / (Бш + ВЧ ), (2)

де: Б 1ч i БЧ яскравiсть вiдповiдно в шфрачервоному i червоному каналах.

NDVI тдкреслюе контраст оголених поpiд i Грунтав iз зеленою рослин-нiстю, сприяе видiленню типiв i стану рослинних об'ектiв. Його значения зрос-тають iз розвитком зелено1 бiомаси й зменшуються з И всиханням. Водночас, т! самi значення вегетацiйного iндексу можуть вiдповiдати екологiчно р!зним ка-тегор1ям рослинност!

Зазвичай, споживач! косм!чно1 шформацц мають змогу замовляти дан!, що íх щкавлять, у вигляд! матер!ал!в, що вже пройшли попередню обробку. Те-матичну ж обробку зшмтв для виршення бшьшо1 частини прикладних завдань, навпаки, переважно, проводять сам! споживач! косм!чно1 шформацп. Для тема-тичного дешифрування спектральних даних ДЗЗ важливим е те, що графжи спектрального вщбиття окремих тишв рослинносп й р!зних рослинних сшвто-вариств мають сво1 особливосп в певному штервал! довжин хвиль як у поло-женш шка спектра, так ! в конфкурацп криво1 спектрального ввдбиття (рис. 1).

Табл. 1. Деяш заруб'ьжм сенсоры ДДЗ

Сенсор Яар1ёЕуе ЕТМ+ (ЬАМБЗАТ 7) АУШЯ-2 (АШ8) 8РОТ-5 С\ч-2

Кшькють спектральних кaнaлiв 5 8 4 5 5

Спектральш д1'апазони (мкм) 1" р0зр1знення (м) 0,44-0,51 (5 м) 0,52-0,59 (5 м) 0,63-0,685 (5 м) 0,69-0,73 (5 м) 0,76-0,85 (5 м) 0,42-0,52 (30 м) 0,53-0,61 (30 м) 0,63-0,69 (30 м) 0,78-0,90 (30 м) 1,55-1,75 (30 м) 10,4-12,5 (60 м) 2,09-2,35 (30 м) 0,52-0,90(15 м) 0,42-0,50(10 м) 0,52-0,60(10 м) 0,61-0,69(10 м) 0,76-0,89(10 м) 0,48-0,71 (Юм) 0,50-0,59 (Юм) 0,61-0,68 (Юм) 0,78-0,89 (Юм) 1,58-1,75 (10 м) 0,50-0,89 (8,2 м) 0,50-0,59 (8,2 м) 0,61-0,68(8,2 м) 0,78-0,90 (8,2 м) 1,55-1,7 (41,4 м)

Ширина смуги (км) 77 170 70 60 48,8

Динам1чний д1'апазон (61т) 8 8 8 8 8

Час повторно!- зйомки (дшв) 1-5 16 18 26 3-5

Висота орб1ти (км) 700 705 691,65 700 700

Табл. 2. Задач! лкового господарства та необх1дш характеристики апаратури ДЗЗ

Тема Задача Р1вень 1 масштаб картограф1чного ршення Необхщш характеристики ДЗЗ Освоешсть технологи виршення

просторове р03р13нення, м спектральш д1'апазони, мкм сезон зйомки

1 2 3 4 5 6 7

1. Геоботашка люу 1.1. Тишзащя лicoвиx спшьнот угрупувань оглядовий - 1000 основний - 200 детальний - 50 170 30 5-15 0,4-1,1 - шдходи

2. Запаси лку 2.1. Визначення границь л1шв 1 люистостч територп оглядовий - 2500 оглядовий - 1000 основний - 200 250-1000 170 30 0,4-1,1 безсшжний доел ¡дна

2.2. Оцшка порщного складу деревостою основний - 200 детальний - 50 30 5-15 0,4-1,1 шзня весна, рання осшь дослщна

2.3. Оцшка з1мкнутост1 пологу детальний - 50 детальний - 25 5-15 1 0,4-1,1 3,5-70 см безсшжний шдходи

Продоеж. табл. 2

1 2 3 4 5 6 7

2. Запаси л ¡су 2.4. Видшення масив1в старовйсових л1с1в оглядовий - 1000 основний - 200 детальний - 50 170 30 15 0,4-1,1 3,5-70 см безешжний доелщна

2.5. Оцшка В1К0В01 структури \ продуктивное'!! л1с!В оглядовий - 1000 основний - 200 детальний - 50 170 30 15 0,4-1,1 3,5-70 см безешжний шдходи

2.6. Видшення масив1в рщколюь та в!тровал1в основний - 200 детальний - 50 детальний - 10 30 15 1 0,4-1,1 безешжний шдходи

2.7. Виявлення осередюв ентомопаталопй детальний - 25 детальний - 10 5-15 1 0,4-1,1 лко шдходи

3. Лшсш пожеж! i пожежна швентаризашя л1су 3.1. Оцшка пожежно! безпеки л ¡а в оглядовий - 2500 оглядовий - 1000 250-1000 250 3,55-3,93 ггожежо-небезпечний перюд шдходи

3.2. Визначення координат дЬянок спалахування та оперативний нагляд за люовими пожежами оглядовий - 2500 оглядовий - 1000 250-1000 250 3,55-3,93 пожежо-небезпеч-ний перюд розроблено

3.3. Видшення гар1 та визначення в1ку пожеж1 оглядовий - 1000 основний - 200 детальний - 50 170 30 5-15 0,4-1,1; 3,5-70 см весна, оешь розроблено

3.4. Оцшка стану ввдновлення вигор1вших дшянок л1су оглядовий - 1000 основний - 200 детальний - 50 170 30 5-15 0,4-1,1; безешжний розроблено

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Довжина хвил!, мкм

блак. |зсл. |жов] ¡ч. | чер. |

Рис. 1. Спектральна eid6ueHa здатшсть сосни, дуба, берези

Ц характерш риси спектральдого вiдбиття дають змогу прoвoдити де-шифрування рiзних видiв рoслиннoстi за даними дистанцiйнoгo зoндування й у найбшьш сприятливих випадках разoм з iншими критер1ями oтoтoжнювати 3o6-раження рoслиннoстi з тим абo iншим ii видoм.

Дешифрування лЫв з видiленням переважаючих порiд для складання дрiбномасштабних карт лiсiв виконують за синтезованими кольоровими i зо-нальними знiмками в такiй послщовностг

1. На першому етат видiляють лiсовi площi, якi роздшяють на покритi та не-покрит лiсом.

2. Визначення стану люу за стиглiстю, загущенiстю, вологiстю тощо.

3. Далi покритi територй' диференщюються по переважаючим.

4. Потiм на великих люових дiлянках дешифруються непокрит лiсом площi. Визначальною ознакою для роздшення порiд е яскравiсть зображення.

Вiдповiднiсть мiж яскравiстю i переважаючою породою встановлюеться за до-датковими джерелами на прикладi дiлянок, що вiдносяться до мононасаджень. Такi дiлянки-ключi можуть бути заздалегiдь видiленi за схемами лшгоств або лiтературними матерiалами. З огляду на те, що ршт та розвиток лiсу вщбу-ваеться достатньо повшьно як завiрочнi данi (дiлянки-ключi) для знiмкiв "Ci4-2", можна використовувати знiмки бшьш високого розрiзнення, але зробленi давшше, що безкоштовно надаються у 1нтернеп, наприклад Google.

Яюсна характеристика ареалiв переважаючих порiд визначаеться шляхом зштавлення яскравостi 1х зображення з яскравштю ключових дiлянок. За космiчним знiмком не завжди можна однозначно визначити переважаючу породу; це особливо складно у разi змшаних деревостош. При видiленнi ареалiв переважаючих порщ звертають увагу на кольоровi вiдтiнки лiсу на кольоровому синтезованому зображеннi та окремо у червонш (Red) та ближнiй шфрачерво-нiй (Near IR) зонi. Сосновi лiси мають темнiший вiдтiнок на кольоровому зобра-женнi та темно-^рий, майже чорний у iнфрачервонiй зош. Ялинковi лiси визна-чаються переважно за додатковими ознаками з урахуванням регюнальних особ-ливостей i характеру 1х мiсцезнаходження. Листянi лiси вщображуються жовту-вато-зеленим кольором на кольоровому зображенш та свiтло-сiрим на зшмку в

iнфpaчеpвонiй зош. ïx pозпiзнaвaнню допомагае знiмaння в теpмiни осiннього пожовтiння листя. Поpyшення pостy лiсiв чеpез сiльськогосподapське викоpис-тання теpитоpiï вiдстежyeмо по зшмках y чеpвонiй зонi.

Знiмки дають змогу виявити дтянки лiсy, rnp^em внaслiдок ашропо-генно'1 д11, визначити основш чинники дп, видiлити площi поpyшениx лiсiв, що показане на пpиклaдi дешифpyвaння слiдiв лiсоpозpобок бтя м. Бояpкa, Кшвсь-ко'1 обласп, на якiй пpоведено клaсифiкaцiю врубок за стyпенем вщновлення (pис. 2), як отpимaнi з КА "Сч-2" 15 жовтня 2011 p. Видтено зaсaдженi та не зaсaдженi врубки та нову (поpiвняно з 2009 p.) врубку. Як зaвipочнi дат ви-коpистaно знiмки, отpимaнi з Google. Слщи лiсоpозpобок pозпiзнaються на кольоpовомy синтезованому зобpaженнi за ч^ко окpесленими пpямокyтними гpaницями i свггловим тоном.

• - - -ÄaK i

: 0-f ■

Дшянка л i суз класифкащею вирубок по засаженосп. Виявлена нова вирубка по зшмку

>Ч%

Завфочна дшянка nicy по зшмках наданих Google. Зшмок 10 серпня 2009 року_

Рис. 2. Виявлення дтянок л1су, порушених унасл1док антропогенноï diï

Процес вщновлення лгсу на вирубках можна простежити за яскравим тоном, який не такий контрастний, як свiжi вирубки на фош лiсу. Наслщки пожеж найкраще вiдстежуeмо по зшмках у ближнiй iнфрачервонiй зонi.

З використанням iндексiв КБУ1 та методики виявлення посушливих районiв лiсу (рис. 3), було проведено ощнку пожежно'' безпеки лiсу в Конче-Заст пiд Киевом станом на момент зшмку з КА мСiч-2м - 15 жовтня 2011 р. Ви-дiлено найбiльш посушливий район рщколюся.

Надалi на основi таких оброблених знiмкiв можна робити звгтно-шфор-мацiйнi документи з нанесенням шформацп на карти.

Дшянка найбшып сухого рщколюся де найбшыпа ймов1рнють виникнення пожеж виявлена по зшмку «Ci4-2» на 15 жовтня 2011 року

Зав1рочна дшянка люу по зшмках наданих Google. Зшмок 10 серпня 2009 року

Рис. 3. Виявлення найбтьш cyxoi (пожежонебезпечноЧ) дтянки лicy

Висновки. Таким чином, за зшмками з в^изняного KocMi4Horo апарата "Ci4-2" можна вирiшувати задачi для лiсового господарства.

Для розширення кола задач, що вирiшуються для лгсового господарства, доцiльно було б продовжити дослщження з уточнення радюметричних коефь цieнтiв для врахування особливостей спектральних каналiв апаратури КА "Сч-2".

Лiтература

1. Кашкин, В.Б. Цифровая обработка аэрокосмических изображений. Версия 1.0: электрон : учебн. пособ. / В.Б. Кашкин, А.И. Сухинин. - Электрон. дан.(10 Мб). - Красноярск : ИПК СФУ, 2008. - (Цифровая обработка аэрокосмических изображений: УМКД № 54-2007 / рук. творч. коллектива В.Б. Кашкин). - 1 электрон. опт. диск (DVD).

2. Красовский Г.Я. Введение в методы космического мониторинга окружающей среды / Г.Я. Красовский, В.А. Петросов. - Харьков : Государственный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "ХАИ" 1999. - 205 с.].

3. Росс Ю.К. О каталогизации КСЯ лесной зоны Европейской территории Советского Союза / Ю.К. Росс, У.К. Петерсон // Исследования Земли из космоса. 1984. - № 2. - C. 60-66.

4. Кондратьев К.Я. Спектральная отражательная способность и распознавание растительности / К.Я. Кондратьев, П.П. Федченко. - Л. : Гидрометеоиздат, 1982. - 216 с.

5. Рачкулик В.И. Отражательные свойства и состояние растительного покрова / В.И. Рач-кулик, М.В. Ситникова. - Л. : Гидрометеоиздат, 1981. - 287 с.

6. Горшенин А.Е. Космические методы дистанционного зондирования Земли : учебн. по-соб. / А.Е. Горшенин, С.А. Кондратенко, Р.Н. Осадчук, А.М. Перегуда. - Житомир : Изд-во ЖВИ НАУ, 2011. - 280 с.

7. Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем / Б.В. Виноградов. - М. : Изд-во "Наука", 1984. - 320 с.

8. Классификатор тематических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с использованием материалов дистанционного зондирования Земли. - М. : Изд-во "Сканекс", 2002. - 20 с.

Горшенин О.Е., Пулеко И.В., Чумакевич В.А. Основы обработки и дешифрирования снимков с космического аппарата "Сич-2" для решения тематических задач лесного хозяйства

Проведен сравнительный анализ характеристик ряда космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, проанализированы возможности решения тематических задач лесного хозяйства по фотоснимкам с космического аппарата "Сич-2", изложены основы методик решения тематических задач лесного хозяйства с учетом специфики конкретной бортовой аппаратуры и рассмотрен ряд примеров их решения.

Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, разрешение, контроль, снимок с космического аппарата, лесное хозяйство.

Gorshenin O.E., Puleko I. V., Chumakevich VA. Basics processing and decoding photos from the space satelite "Sich-2" to address the thematic objectives of forestry

The paper conducted a comparative analysis of the characteristics of a number of spacecraft remote sensing to analyze the possible solutions thematic forestry purposes by photographs from the spacecraft "Sich-2", the fundamentals of techniques for solving topical problems of forestry with the specifics of a particular on-board equipment and discussed a number of examples of solutions.

Keywords: remote sensing, resolution, control, shot from the spacecraft, forestry.

УДК 630 *5:832.[3+942+827] Астр. 1Л. Алекаюк1;

проф. П.1. Лакида1, д-р с.-г наук; доц. Г.Г. Гриник2, канд. с.-г. наук

ПРОГРАМА "Л1СОВПОРЯДНИК" ЯК СИСТЕМА ОПРАЦЮВАННЯ БАЗИ ДАНИХ Л1СОВОГО ФОНДУ УКРАШИ

Проаналiзовано стан шформащшно! бази даних лкового фонду ВО "Укрдержлк-проект". Запропоновано програмне забезпечення для роботи з атрибутивною i картогра-фiчною базами даних ВО "Укрдержлюпроект". Розглянуто основы функщональш мож-ливост програми "Люовпорядник" i застосування й основних функцш на виробнищш.

Ключовi слова: база даних, електрона карта, ортофотозшмки, запити, показники, SHP.

1 НУ бюресурав i природокористування Украши, м. Ки!в;

2 НЛТУ Украши, м. Льв1в