Геоінформаційна технологія на основі повітряного моніторингу, використання керованої наземної техніки та обробки зображень



На основі поєднання технічних засобів повітряного моніторингу та агропромислової техніки, що оснащена пристроями геолокації запропонована геоінформаційна технологія обробки даних аерофотозйомки для підтримки прийняття рішень в області сільського господарства, що базується на математично-аналітичному апараті обробки та кластерного аналізу цифрового зображення.

Ключові слова: Обробка цифрового зображення, кластерний аналіз, інформаційна технологія, ГІС, БПЛА, сільське господарство.

Geoinformation technology based on aerial monitoring, controlled ground machinery usage and digital imaging

Suggested new geoinformationtechnology based on combination of aerial monitoring with UAV`s and agriculturemachinery equipped with geolocation devices for aerial data processing anddecision support in agriculture, that rely on mathematic-analytic apparatus ofdigital imaging and cluster analysis of digital images of sown areas.

Keywords: Digitalimaging, cluster analysis, informational technology, GIS, UAV, agriculture.

Kurochkin V. M.

National Aviation University

Ukraine, Kyiv

На основі розробок автора [1-4] запропоновано локальну геоінформаційну технологію (ГІТ) обробки данихаерофотозйомки Vagabond, що є сукупністю методів та засобів повітряного моніторингу, обробки цифрового зображення (ЦЗ) та ведення сільського господарства. На основі ГІТ було побудовано геоінформаційну систему обробки даних аерофотозйомки посівної площі для потреб сільського господарства Vagabond[5].

Рис. 1 Схема комунікації в геоінформаційній технології на основі БПЛА та наземної техніки

Схема комунікації технології (рис. 1) та включає в себе наступні зв’язки: за допомогою БПЛА проводиться повітряний моніторинг підлеглих територій; дані моніторингу завантажуються в ГІС Vagabond, де проходять спеціалізовано обробку; користувачу відображаються візуалізовані результати, на основі яких приймаються рішення про необхідність втручання в процеси розвитку врожаю; дані про ділянки, що потребують втручання експортуються з ГІС та передаються на керовану техніку, що оснащена пристроями геолокації для реалізації прийнятих рішень.

Рис. 2 Схема роботи ГІТ обробки даних аерофотощйомки Vagabond

Схема роботи ГІТ (Рис. 2) включає в себе такі етапи: повітряний моніторинг, попередня обробки даних моніторингу, інтелектуально-аналітична обробка даних, прийняття рішень на основі результатів, реалізація прийнятихрішень. Після чого йде повернення до першого етапу.

Отримання даних аерофотозйомки. Після проведення повітряного моніторингу, цифрові дані проходять обробку для отримання придатних до подальшого аналізу даних – ЦЗ в форматі GeoTIFF [6], або, у випадку використання WorldFile [7] в якості джерела інформації про геоприв’язку, в форматі .tiff, .jpeg, .bmp, .png, .fff (fff є форматом зображення камер компанії Hasselblad).

Попередня обробки даних. Наступним кроком є завантаження зображення в розроблену автором ГІС Vagabond для проведення попередньої обробки. В якості попередньої обробки даних використовуються наступні процеси:

Перетворення ЦЗ методами масштабування та зсуву [8];

Покращення ЦЗ методами лінеаризації, еквалізації та логарифмізації [9].

Фільтрація зображення високо-частотними, низько-частотними, контрастними та стабілізючими фільтрами [10]

Інтелектуально-аналітична обробка. На даному етапі проводиться аналіз ЦЗ, використовуючи математичний апарат обробки ЦЗ та кластерного аналізу ЦЗ [3], наприклад: метод визначення врожайності посівної площі [2], результатом якого є чисельна відносна оцінка врожайності на основі емпіричного коефіцієнту врожайності [4]. На основі отриманих результатів інтелектуально-аналітичної обробки формуються вихідні форми візуалізації (Рис. 2) результатів аналізу та готуються дані для експорту в форматі shapefile [11], що описують ділянки посівної площі в контексті геолокації.

Рис. 3 Вихідна форма візулізації врожайності ділянки на основі методу оцінки врожайності посівної площі

Прийняття рішень на основі результатів аналізу. На основі вихідних форм інтелектуально-аналітичної обробки необхідно прийняти рішення про застосування конкретних дій для усунення виявлених відхилень. Наприклад, при виявленні ділянок з пониженим рівнем врожайності необхідно збільшити кількість добрив, або пересіяти конкретну ділянку.

Реалізація прийнятих рішень засобами керованої техніки. Після прийнятого рішення про застосування конкретних дій до виявленої ділянки, на відповідні технічні засоби, що оснащені пристроями геолокації та призначені виконувати відповідні дії, завантажуються координати ділянки в форматі shapefile.

Автоматизація ведення сільського господарства впровадженням інформаційних технологій реалізується наступним чином: при русі по території посівної площі, агропромислова техніка, що оснащена пристроями геолокації, починає виконувати свої функції лише за умови місцезнаходження в границях завантаженої ділянки, таким чином реалізується можливість автоматизованого застосування дій до конкретних ділянок поля, без застосування людських ресурсів операторів, та необхідності проведення попереднього зборку зразків на місці, що є відносно дорогою процедурою, що займає велику кількістю часу на опрацювання.

Основними напрямами розвитку геоінформаційної технології обробки даних аерофотозйомки для підтримки прийняття рішень в області сільського господарства є розвиток аналітичного апарату, що на основі методів обробки ЦЗ, кластерного аналізу, розпізнавання образів, тощо, здатний інтерпретувати ЦЗ посівної площі, видаючи вагомі для працівників сільського господарства результати з географічною прив’язкою.

Підсумовуючи, можна сформулювати наступні висновки. За результатами аналізу сучасного розвитку науки і техніки та на основі власних досліджень [1-4], запропонована ГІТ обробки даних аерофотозйомки посівних площ Vagabondдля підтримки прийняття рішень в області сільського господарства на основі комунікації між технічними засобами повітряного моніторингу та керованій агропромисловій техніці, що оснащена засобами геолокації з використанням математично-аналітичного апарату обробки та кластерного аналізу ЦЗ посівної площі.

Перелік посилань:

$1.$ Курочкін В. М., Розпізнавання неоднорідних об’єктів на даних аерофотозйомки - XI Міжнародна науково-технічна конференція «АВІА-2013» - 2013 р. – с.9.47 – 9.50

$2.$ Курочкін В. М., Аналіз неоднорідних текстур посівних площ на основі оцінки суміші розподілів - Наукоємні технології,№4 (28) – 2015 р. – с. 305-310

$3.$ Курочкін В. М., Система «ElfinTest» обробки моніторингу довкілля на основі кластеризації - Наукоємні технології, №2(26) – 2015 р. – с. 127-133

$4.$ Курочкін В. М., Оцінка врожайності зада-ними аерофотозйомки на основі гістограми розподілу колірної y-компоненти -ХІІI Міжнародної науково-практичної конференції «Математичне і програмне забезпечення інтелектуальних систем» - 2015 р. – с. 120-121

$5.$ Kurochkin V. M., Geoinformational technology for aerial data analysis - VІІ Міжнародний конгрес «Авіація в XXІ-ому столітті» - 2016 р. – c. 1.8.24 - 1.8.27

$6.$ Ruth M. GeoTIFF FAQ Version 2.4 [Електронний ресурс] – 2011 – Режим доступу: http://www.remotesensing.org/geotiff/faq.html 31.10.2016

$7.$ ESRI Understanding world files [Електронний ресурс] – 2016 – Режим доступу: http://webhelp.esri.com/arcims/9.3/General/topics/author\_world\_files.htm 31.10.2016

$8.$ Грузман И.С., Киричук В.С., Косых В.П., Перетягин Г.И., Спектор А.А. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учебное пособие. - Новосибисрк: Изд-во НГТУ, 2000. - 168.

$9.$ Гонсалес Р. Цифровая обработка изображений / Р. Гонсалес, Р. Вудс. – М.: «Техносфера», 2005. – 1072 с. –(Перевод с английского под редакцией П.А. Чочиа).

$10.$ Приставка П. О. Поліноміальні сплайни при обробці даних: Монографія. – Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2004. – 235 с.

$11.$ ESRI Shapefile Technical Description –ESRI [Електронний ресурс] – Режим доступу: https://www.esri.com/library/whitepapers/pdfs/shapefile.pdf 31.10.2016

Рецензент: д.т.н., проф., зав. каф. прикладної математики НАУ Приставка П.

Mar 20, 2017