СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДЕЙ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1999 года по МПК G01B11/28 G01B21/28 

Изобретение относится к технике спектрометрического измерения относительной площади объектов, отличающихся по оптическим (спектральным) характеристикам, в частности по их отражательной способности, и может быть использовано для определения площадей объектов и явлений, преимущественно на земной поверхности, а также картометрических работ на значительных территориях.

Известны способы непосредственного измерения площадей, заключающиеся в определении площадей фигур при помощи планиметра, интегрированием по контуру или по части площади и др.

Однако эти способы требуют значительных затрат труда и времени, применения сложной и дорогостоящей аппаратуры, малопригодны для определения площадей малоразмерных объектов со сложной конфигурацией.

Известен также способ определения площадей объектов, заключающийся в изготовлении фотошаблона с последующим измерением освещенности поля E, имеющего одинаковую с фоном оптическую плотность; освещенность E поля с оптической плотностью, равной плотности фигур, а также освещенность E'' поля, образованного фигурами и фоном. Общую площадь поля S_x находят по формуле:

где S - площадь поля, образованного фигурами и фоном (см. а.с. СССР 559109, м.кл. G 01 В 11/28, 1977 г.).

Недостатками известного способа являются невысокая точность определения площадей фигур, сходных по оптическим свойствам с фоном, невозможность определения площадей малоразмерных объектов, сложность технологического процесса измерений, а также ограниченность применения ввиду невозможности охвата всего многообразия объектов и явлений, площади которых необходимо определить.

Известен также способ определения площадей объектов, включающий их фотографирование с последующим дешифрированием и определением силы (ЭДС) на клеммах (см. В.И.Орлов "Основы методики определения полегания озимой пшеницы на отдельном поле и на больших площадях". -Труды Украинского регионального научно-исследовательского института, 1982, 188, стр. 98-104). Недостатками известного способа являются: невысокая производительность вследствие обработки большого количества фотоснимков, низкая эффективность из-за значительной стоимости съемочных работ и фотоматериалов, малая точность измерения, а также, как и в предыдущем способе, ограниченная возможность использования при изучении всего многообразия природных объектов.

Техническим решением задачи является расширение области применения спектрометрических измерений вследствие использования оптических свойств объектов, находящихся в различных условиях, повышение производительности и эффективности работ, сокращение затрат труда и времени.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе определения площадей объектов, включающем получение изображений с последующим дешифрированием и анализом фотографических (или иных) изображений, измеряют их энергетические характеристики в нескольких спектральных каналах (оптическую плотность либо яркость однородных объектов, интегральные показатели всей исследуемой площади), а относительные площади P_i однородных объектов определяют путем решения системы линейных уравнений, составленных по результатам измерений:

где D_инт. - интегральная энергетическая характеристика совокупности объектов, полученная при определенных условиях;
D₁, D₂, . . ., D_i - энергетические характеристики однородных объектов, составляющих изображение;
i - число объектов, в данном изобретении;
j - количество вариантов изображений в зависимости от физического состояния объектов (сезонных, временных, температурных колебаний) и числа спектральных каналов.

P₁, P₂, ..., P_i - относительные площади объектов,
ΣP_i= 1 (или 100%).

P = P₁ + P₂ + P_i = 1 (или 100%)
Для однозначного решения системы (1) необходимо, чтобы число состояний однородных объектов (либо количество вариантов изображений) было равно или больше числа этих объектов.

Такие варианты возможны в связи с колебаниями физического состояния объектов (сезонные временные температурные или др.), изменением условий излучения и анализа их изображений (спектральные характеристики) и т.д.

Результаты решения системы (1) относительно частных площадей P_i контролируются по формуле (2). Вычисления производятся известными математическими методами (с оценкой точности).

Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что позволяет оценить площади сразу нескольких объектов, существенно расширяя тем самым области применения спектрометрических методов. Кроме того, заявляемое решение существенно повышает производительность и эффективности упомянутых методов. Это происходит за счет использования различий физических, оптических и иных свойств объектов. Таким образом, заявляемый объект соответствует критерию "новизна". Так как ни в одном из известных способов не используются особенности изучаемых объектов, а также не производятся вычисления площадей путем решения системы уравнений, то можно сделать вывод о наличии в данном изобретении "существенных отличий".

По данным патентной и научно-технической литературы не обнаружена заявляемая совокупность признаков, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.

Предлагаемый способ апробирован при проведении оценки и контроля природных ресурсов по материалам аэрокосмических съемок (многозональной, сканерной, тепловизионной, спектрозональной). Полученные в различных зонах спектра аэроснимки подвергались обработке и анализу: отдешефрированы объекты и явления, имевшие место на момент съемки - состояние посевов (изреженность, засоренность, полегание), земельных угодий (подтопление, засоленность), лесных массивов (породный состав, поврежденность), водных ресурсов (зарастание, загрязнение); измерены интегральные и локальные (частные) оптические характеристики этих объектов. Были получены площадные характеристики порядка 4-5 объектов одномоментно.

Для оценки точности определения площадей по предлагаемому способу были произведены измерения этих же объектов механическим и электронным планиметрами. Погрешность площадей не превышала 5-6%, что вполне удовлетворяет требованиям сельскохозяйственного производства и других природопользователей.

Пример конкретного осуществления.

С целью проверки соответствия предлагаемого решения фактическим данным были выполнены измерения оптических плотностей негативов наземной съемки поверхности оросительных систем. Результаты измерений приведены в таблице.

По данным табл.1 составлена система уравнений

После решения системы (3) получены следующие результаты, приведенные в табл.2.

Таким образом, подтверждаются теоретические предположения о возможности использования предлагаемого решения на практике.

Способ определения площадей объектов относится к технике спектрометрических измерений относительной площади объектов, отличающихся по оптическим характеристикам. Способ определения площадей объектов включает получение изображений с последующим их дешифрированием и анализом, при этом измеряют энергетические характеристики изображений в нескольких спектральных каналах и вычисляют относительные площади однородных объектов путем решения системы уравнения. Изобретение позволяет расширить область применения спектрометрических измерений, повысить производительность и эффективность работ и сократить затраты труда и время измерения. 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Способ определения площадей объектов, включающий получение изображений с последующим их дешифрованием и анализом, отличающийся тем, что измеряют энергетические характеристики изображений в нескольких спектральных каналах, а относительные площади однородных объектов вычисляют путем решения системы уравнений типа:

где D_инт - интегральная энергетическая характеристика совокупности объектов;
D₁, D₂, ... D_i - энергетические характеристики однородных объектов, составляющих изображение;
i - число объектов в данном изображении;
j - количество вариантов изображений в зависимости от физического состояния объектов и числа спектральных каналов;
P₁, P₂, . .., P_i - относительные площади объектов, причем ∑P_i = 1 (или 100%). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве интегральной энергетической характеристики совокупности объектов и энергетических характеристик однородных объектов используются интегральная оптическая плотность, либо интегральная яркость и оптическая плотность, либо яркость однородных объектов, соответственно.