Использование цифровой фотограмметрии для моделирования биоценозов и объектов окружающей среды

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ ФОТОГРАММЕТРИИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

БИОЦЕНОЗОВ И ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1, 1, 2

1 Сибирская государственная геодезическая академия, Новосибирск

2 Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск

Для изучения биоценозов и других объектов окружающей среды необходим большой объем разнообразной информации, в том числе пространственной, источниками которой являются материалы аэрокосмических макро и микросъемок. В докладе приводятся особенности математических методов обработки стереоизображений для изучения различных биологических объектов, а также примеры реализации цифровых фотограмметрических технологий для моделирования различных объектов.

Введение

Внедрение методов цифровой обработки изображений способствует расширению круга возможных применений фотограмметрических методов. Благодаря использованию цифровых камер и цифровых фотограмметрических станций, качественно изменились процессы получения и обработки изображений, повысилась оперативность и степень автоматизации фотограмметрических технологий. В результате чего они стали доступными не только специалистам по обработке изображений, но и специалистам конкретных прикладных областей, изучающим природную среду. Для практической реализации приложений цифровой фотограмметрии для решения нестандартных задач необходима разработка дополнительных методик, учитывающих особенности разных типов изучаемых объектов, причем достаточно простых с точки зрения пользователя, не обладающего специальной фотограмметрической подготовкой. В данном докладе основное внимание уделено адаптации цифровых фотограмметрических технологий для сбора и обработки пространственной информации при комплексном изучении совокупности самых разных объектов, составляющих биоценозы.

Неоспоримым преимуществом фотограмметрических методов является возможность формирования объемных моделей объектов по их стереоскопическим цифровым изображениям. В процессе фотограмметрической обработки, по стереоскопической модели измеряются пространственные координаты точек сфотографированных объектов, по которым легко определяются их разнообразные морфометрические характеристики (длина, ширина, конфигурация, форма), а также возможна визуализация в виде трехмерных моделей, практически адекватных изучаемым объектам, с сохранением их метрических характеристик.

Математические методы и параметры модели

Математические модели различных объектов могут быть получены в результате измерений и дальнейшей математической обработки стереопары, или совместной обработки нескольких стереопар изображений сфотографированных объектов для объектов большой протяженности.. Классическая математическая модель обработки стереопары изображений, представляющих собой результат центрального проектирования точек объекта съемки, базируется на условиях коллинеарности и компланарности проектирующих лучей [1,3]. Запишем функциональную зависимость между параметрами модели в обобщенном виде:

,

где n=1,2, что соответствует левому и правому изображению стереопары,

Сn- координаты и углы ориентации съемочной системы, а также параметры характеризующие геометрию съемочной системы, Аг- опорные данные, x y-координаты соответственных точек левого и правого изображений, X, Y,Z- пространственные координаты определяемых точек объекта.

В частном случае, параметры, определяющие положение съемочной системы, могут быть измерены непосредственно при съемке с достаточной точностью, но в общем случае их необходимо определять, т. е. решать задачу калибровки. Это требует наличия ряда точек изображения с известными координатами в пространстве объекта, а также могут быть использованы линейные размеры изобразившихся объектов, которые известны с необходимой степенью точности. Эти величины и составляют базу опорных данных Аг. Координаты соответственных точек xn, yn стереопары измеряются на цифровой фотограмметрической станции в стереоскопическом режиме, а пространственные координаты точек объекта X, Y,Z вычисляются с помощью базовых модулей цифровой фотограмметрической станции. Таким образом, обработка стереопары на цифровой фотограмметрической станции обеспечивает сбор первичных данных для последующего формирования математических моделей сфотографированных объектов.

Следовательно, общая задача моделирования различных объектов по стереопаре изображений включает в себя ряд подзадач, каждая их которых имеет свои особенности в зависимости от масштаба съемки и характеристик изучаемого объекта (табл.1).

Таблица 1.

Состав каждой задачи	Выходные материалы
Определение параметров съемки (калибровка).	Фокусное расстояние снимков, координаты точки фотографирования и углы наклона снимков.
Формирование объемной модели по стереоскопической паре цифровых изображений сбор данных об изучаемом объекте.	Первичные данные: пространственные координат характерных точек, границы объектов, цифровая модель высот.
Реализация функций определения характеристик объектов по их координатам.	Вторичные данные: геометрические характеристики формы и конфигурации объекта.
Отображение полученных результатов.	Трехмерная визуализация моделей объектов.

Разработаны различные алгоритмы реализации каждой из задач. Выбор оптимального алгоритмов с учетом имеющихся технических и программных средств, а главное обеспечивающих достижение требуемой точности отображения конкретного объекта важная задача, требующая решения для каждого типа изучаемых объектов. Кроме математических аспектов выбора наилучшего решения, существует ряд технологических задач. В частности, для обеспечения хорошей стереоскопической пластики стереомодели необходимо тщательно подбирать параметры съемки, а также условия освещения объекта для проработки структуры поверхности изучаемых объектов. Для достижения необходимой точности важным является выбор способа определения опорных данных или изготовление специальных тест-объектов.

Основные процессы технологии

Для формирования математических моделей отдельных объектов биоценоза по их стереоизображениям требуется реализация следующей последовательности операций:

1.Выбор оптимальных параметров съемки, на основе расчетных экспериментов по макетным снимкам и уточнений их в процессе экспериментальных съемок реальных объектов.

2. Изготовление тест - объектов, соответствующих по размерам каждой группе изучаемых объектов.

3. Фотографирование изучаемых объектов, т. е. получение качественных цифровых стереопар, при этом съемка может выполняться как цифровыми камерами так фотографическими с дальнейшим сканированием фотоизображений.

4. Математическая обработка цифровых изображений с использованием цифровой фотограмметрической станции для сбора первичных данных, включающая два этапа: калибровку и измерение стереоскопической модели.

5. Отображение результатов в виде трехмерных математических моделей.

В процессе экспериментальных работ использовалась цифровая фотограмметрическая станция Siberian Digital Stereoplotter (SDS), разработанная на кафедре фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА[ 2]. SDS обеспечивает сбор информации по аэрофотоснимкам, и другим снимкам локального масштаба для решения широкого круга задач. Основной модуль SDS - позволяет выполнять обработку стереопары с совместным стереоскопическим рассматриванием исходных изображений и результатов сбора графической информации. Кроме того, имеются дополнительные модули обработки различных изображений.

Файлы цифровых и графических данных, полученные на цифровой фотограмметрической станции, могут быть экспортированы в ГИС и другие графические программные продукты для дальнейшей обработки.

Для трехмерной визуализации результатов использовались такие пакеты как MatLab и Surfer. Сбор исходных данных выполнялся по стереопаре средствами SDS автоматически или интерактивно, при этом использовались данные разные формы их представления в соответствии с особенностями сфотографированного объекта: для изучения рельефа –Grid, а для микрообъектов - матрица трехмерных координат точек объекта. Необходимость поточечного описания поверхности вызвано сложностью и причудливостью формы биологических объектов, снятых с помощью электронных микроскопов, детальное представление их многочисленных геометрических характеристик возможно только при таком подходе. Требования к плотности размещения точек по поверхности зависят от особенностей формы сфотографированного объекта, важно правильно их определить, так как при недостаточной их частоте модель может быть искажена.

Результаты экспериментальных работ

Цифровой фотограмметрический метод сбора пространственных данных для моделирования различных объектов биоценоза и других объектов окружающей среды реализован в виде детально разработанных методик для решения следующих задач [4,5,6 ]:

·  Изучение антропогенной нарушенности ландшафта по аэрофотоснимкам.

·  Определение морфометрических характеристик рельефа.

·  Изучение морфометрии пыльцевых зерен.

·  Восстановление пространственной формы семян.

Ниже приведены иллюстрации применения цифровых фотограмметрических методов для изучения некоторых объектов биоценоза.

В рамках решения комплексной задачи оценки экологического состояния заповедника Кузнецкий Алатау на участок заповедника в районе г. Чемодан район с помощью SDS сформирована цифровая модель рельефа (ЦМР), один из вариантов ее визуализации представлен на рис.1.

Проведен ряд экспериментов по изучению формы семян и пыльцевых зерен по их микроскопическим изображениям. При этом разработана методика получения стереоизображений как с использованием оптического, так и электронного микроскопов. Обработка изображений на цифровой фотограмметрической станции позволила впервые определить параметры, характеризующие пространственную форму пыльцевых зерен и семян некоторых растений. Изображение пыльцы лиственницы, размещенной на тест - объекте ( расстояние между штрихами 100 мкм). приведено на рис.2. В процессе фотограмметрической обработки при стереоскопическом наблюдении были проведены изолинии равных высот через 5 мкм, за исходную ( нулевую) плоскость принята плоскость тест –объекта. Кроме того восстановлена пространственная модель пыльцевого зерна (рис3).

Для получения пространственных характеристик семян сложной структуры выполнялась стереоскопическая съемка с использованием электронного микроскопа. Отработка методики проводилась на примере семян семейства Гвоздичных, для которых характерны особые элементы структуры поверхности - “бугорки” или папилы разной высоты и формы. Число бугорков, их форма и высота на дорсальной и латеральной поверхности имеют важные значение для проведения морфо-функционального анализа, и легко идентифицируются по стереоскопической модели. Исходное изображение и трехмерная модель, восстановленная по результатам измерения пространственных координат, приведены на рис.4.

Кроме того, во время экспедиции на Кузнецкий Алатау выполнена стереосъемка отдельных растений и построены их трехмерные изображения.

Авторы выражают благодарность к. б.н. за участие и помощь в проведении экспериментальных работ.

Заключение

Цифровые фотограмметрических технологии одно из средств информационного обеспечения различных задач по изучению биоценозов и биоразноообразия. Использование стереоскопических изображений позволяет получать дополнительную информацию о различных биологических объектах, необходимую для определения фенологических признаков и систематики, как объектов растительного, так и животного мира, изучать пространственную структуру биоценозов. Кроме того, применение цифровых фотограмметрических методов для обработки изображений разного масштаба обеспечивает трехмерное сопряженное моделирование и соответственно пространственно-временную непрерывность анализа различных объектов, составляющих биоценоз.

Литература

[1] Дубиновский снимков. Москва, «Недра»,1982.

[2] П., , и др. Цифровой фотограмметрический комплекс для создания и обновления карт. Геодезия и картография.1996,.№12.с.39-48.

[3] Лобанов , Москва, «Недра»,1984.

[4] , Быкова использования фотограмметрических технологий при эколого-географическом картографировании. Материалы междунар. науч.-техн. конф.,посвящ.65-летию СГГА-НИИГАиК,23-24 нояб.1998г.-Новосибирск:СГГА,1999,с73-77.

[5] , , Гук фотограмметрии при изучении морфологии семян представителей семейства гвоздичных (Caryophyllacea - Alsinoideae. Проблемы изучения растительного покрова Сибири. Тез. докл. II Российской науч. конф., посвящ. 150–летию со дня рожд.. – Томск: издание ТГУ, 2000, с. 23.

[6] , , Гук фотограмметрии для определения характеристик пыльцы. Оптика атмосферы и океана, 13, №9(2000), с. 882-885.

Подписи к рисункам

Рис.1. Трехмерная поверхность (территория заповедника Кузнецкий Алатау).

Рис.2. Изображение пыльцы и изолинии равных высот.

Рис.3. Пространственная модель пыльцы.

Рис.4. Изображение семени, полученное помощью электронного микроскопа,

и пространственная форма одного «бугорка».