СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ВЕТРОЗАЩИТНОГО БАРЬЕРА И АЖУРНОСТИ ЛЕСНЫХ ПОЛОС Российский патент 2006 года по МПК A01G23/00 

Изобретение относится к сельскому и лесному хозяйству и может быть использовано при агромелиоративной оценке конструкций лесных полос и других ветрозащитных барьеров.

Возможные области применения: Определение ажурности лесных полос и оптической плотности ветрозащитных барьеров при проектировании противодефляционных мероприятий. Определение оптической плотности для использования при расчетах в модели ветровой эрозии "Исправленное уравнение ветровой эрозии" (RWEQ'97). Определение вышеуказанных параметров для макетов ветрозащитных барьеров при проведении экспериментов в аэродинамических трубах. При решении задач, требующих определения на плоском изображении процентного соотношения площадей однотонного объекта и однотонного, но высококонтрастного этому объекту, фона.

Для расчета эффективности ветрозащитных барьеров (лесных полос и растительных кулис) при планировании противодефляционных мероприятий в алгоритме компьютерной модели "Исправленное уравнение ветровой эрозии" (RWEQ'97) [1] используется следующее уравнение.

где PUV - скорость ветра (в %) от максимально возможной; DD - расстояние по ветру в высотах барьера; OD - оптическая плотность

Под оптической плотностью подразумевается степень затенения (в %) препятствием проходящего сквозь него света (к примеру, для лесных полос затененность будут создавать стволы, листья, ветви деревьев). В модели RWEQ эта величина может меняться от 28 до 100%. Последнее значение соответствует сплошному препятствию без просветов. Очевидно, что для корректного расчета с использованием уравнения (1) необходимо как можно более точно знать оптическую плотность барьера.

Оптическая плотность обычно отражает плотность первого ряда многорядного барьера. При использовании параметра оптической плотности в модели RWEQ для более точной его оценки авторами допускается определение оптической плотности каждого ряда многорядного барьера с последующим подсчетом общего коэффициента оптической плотности всего ветрозащитного барьера. Так как барьеры не могут быть полностью однородны по высоте, то используется средний критерий оценки вместо ряда измеренных величин.

Известен способ [1] для оценки величины оптической плотности (в %) ветрозащитных барьеров. Для использования на практике предлагаются эталонные фотографии, иллюстрирующие оптическую плотность (по 6 шт.соответственно для растительных кулис и лесных полос). Согласно этому способу, для натурного ветрозащитного барьера подбирается фотография, на основании чего делается оценка оптической плотности.

Известный способ визуального сравнения ветрозащитного барьера с предложенными эталонными фотографиями имеет следующие недостатки:

- недостаточная точность, связанная с субъективным визуальным восприятием, при сравнительном анализе оптической плотности натурного объекта и предлагаемого фотоснимка;

- отсутствие эталонных фотографий для кулис из различных видов растений, а также для различных конструкций лесополос;

- малое количество предложенных для визуального анализа фотографий.

Противоположным по смыслу оптической плотности параметром лесной полосы является ажурность (или продуваемость). Количественно ажурность лесных полос определяется (в %) как отношение площади просветов в полосе ко всей ее вертикальной площади.

Известен способ определения ажурности лесных полос [2], включающий фотографирование объектов и измерение с помощью люксметра интенсивности светового потока, проходящего через негатив.

Ввиду того, что площадь фоточувствительного элемента люксметра, как правило, меньше исследуемой площади, то необходимость многократного позиционирования люксметра на различных исследуемых участках для определения общей интенсивности светового потока на всей исследуемой площади влечет за собой снижение точности при использовании данного способа, что является одним из недостатком данного известного способа.

Известен также способ определения ажурности лесных полос [3], заключающийся в том, что фотографируют лесную полосу на фоне неба. Далее негативы обрезают по шаблону и приводят к одному размеру. Ажурность рассчитывают как отношение разности масс негативов лесной полосы и фона за ней к разности масс негативов светонепроницаемого участка и фона за лесной полосой, выраженное в процентах.

Недостаток известного способа [3] заключается в необходимости использования только черно-белых негативов, произведенных на основании соединений серебра, что является ограничивающим фактором в применении данного способа. Люксметр в известном способе [2] воспринимает некую усредненную величину интенсивности светового потока, обусловленную наличием на исследуемом участке светлых и темных участков, не дифференцируя каждый из них в отдельности и не выделяя из общего количества переходный оттенок. При реализации известного способа [3] также нельзя выделить серую компоненту. Причиной наличия серой компоненты на изображении может являться свет, отраженный от объекта съемки (блики), проявление эффектов дифракции или наличия облачности на небе. Это влечет за собой увеличение погрешности способа.

Цель предлагаемого в изобретении способа - повышение точности при определении оптической плотности ветрозащитных барьеров (растительных кулис, лесных полос) и ажурности лесных полос.

Сущность изобретения

Фотографируют исследуемый объект с целью получения цветного или черно-белого изображения объекта, максимально контрастного по отношению к фону за ним. Полученное с помощью цифрового фотоаппарата изображение записывают в компьютер, а изображение, полученное пленочной фотокамерой, переносят в компьютер путем сканирования негатива или фотоотпечатка. Изображение обрабатывают в графическом редакторе, сохраняют его в черно-белом цвете, выделяют исследуемую область и строят для нее гистограмму спектрального состава изображения. На гистограмме выделяют три области: темную, светлую и серую (переходную).

Гистограмма, иллюстрирующая данный способ, представлена на чертеже, где выделенные области спектра обозначены цифрами 1, 2 и 3. Количество содержания серого цвета на изображении делится пропорционально вкладу содержания оттенков в черной и белой областях спектра. Оптическую плотность определяют как сумму количества оттенков черного цвета и пропорциональной ему доли оттенков серого цвета, примыкающей к черной области. Ажурность определяют как сумму оттенков количества белого цвета и пропорциональной ему доли оттенков серого цвета, примыкающей к белой области.

Способ осуществляется следующим образом.

1. Фотографируют исследуемый объект с целью получения цветного или черно-белого изображения объекта, максимально контрастного по отношению к фону за ним.

Лесную полосу фотографируют на фоне хорошо освещенного солнцем неба. Солнце должно быть с противоположной стороны лесной полосы от места съемки (фотографирование против источника света), но при этом прямые солнечные лучи не должны попадать в объектив. Угол между направлением съемки и ветрозащитным барьером должен составлять 90°. Больше подходят для съемки утренние и вечерние часы, когда небо освещено восходящим или заходящим солнцем достаточно ярко, а общий уровень освещенности отраженным светом низок. При этом сторона, обращенная к объективу, оказывается слабо освещена и резко контрастирует с небом.

При использовании пленочных фотоаппаратов рекомендуется фотографирование лесной полосы производить с малой выдержкой (1/125-1/250) и малой диафрагмой (11-16) на пленку со светочувствительностью не более 100 ед. Желательно, чтобы при съемке исследуемый участок занимал как можно большую площадь в кадре, то есть границы предназначенного для дальнейшего исследования участка должны быть максимально приближены к границам кадра в видоискателе фотоаппарата. При съемке объектов, имеющих небольшие геометрические размеры (к примеру, макетов растительных кулис), возможно использование переходных колец для макросъемки.

2. Если объект фотографировали на пленочный фотоаппарат, то полученное изображение для дальнейшего исследования вводят в компьютер, сканируя негатив или фотоотпечаток с последующим сохранением в файле графического формата. На данном этапе желательно сканировать изображение в черно-белом спектре. При сканировании рекомендуется использовать программное обеспечение, которое прилагается к сканеру производителем для этих целей и сканирование производить с максимальным аппаратным разрешением сканера. Для последующей обработки при сканировании изображение рекомендуется сохранять в графический файл с 24-битным или большим кодированием цвета. Графический файл, к примеру, может быть формата jpg или gif.

В том случае, если объект фотографировали на цифровой фотоаппарат, то на компьютер копируется графический файл с полученным изображением, минуя этап сканирования.

3. В графическом редакторе (рекомендуется использовать "Adobe Photoshop" версии 7.0.) открывают графический файл с черно-белым изображением исследуемого объекта. В случае если исходное изображение является цветным, то в графическом редакторе его предварительно конвертируют в черно-белый цвет. Также на этом этапе, с целью выделения интересующего участка для исследования, можно провести кадрирование изображения с последующим сохранением выделенного участка в отдельный графический файл (с учетом вышеизложенных рекомендаций). Кадрирование проводится для более точного выделения участка исследуемой области, а также с целью исключения ошибок, обусловленных возможным попаданием в кадр лишних объектов (к примеру, участков неба выше лесополосы, почвенной поверхности и т.п.).

После открытия в программе файла, содержащего исследуемое изображение или его часть в черно-белом цвете, строят гистограмму спектрального состава изображения. В программе "Adobe Photoshop" версии 7.0 для этого используется подпункт "Гистограмма" в пункте "Изображение" главного меню программы. На чертеже приводится пример подобной гистограммы.

4. Полученный спектр оттенков разделяют на 3 области (см. чертеж). Первая область (поз.1) соответствует светонепроницаемой области и отражает содержание оттенков черного цвета (к примеру, на фотографии лесной полосы это могут быть стволы, ветви, листва деревьев лесополосы). Третья область (поз.3) соответствует светопроницаемой области (просветам между ветвями деревьев, листвой или стеблями) и отражает содержание оттенков белого цвета. Первая и третья области спектра выделяют на основании присутствия на гистограмме второй области, отражающей содержание оттенков серого цвета (поз.2). Вторая область (серая) соответствует отраженному свету (бликам на объекте съемки), проявлению эффектов дифракции и возможному наличию облачности на небе, которое используется в качестве фона. Эти факторы снижают общую контрастность и являются причиной серого цвета на изображении. Границу между первой и второй областями устанавливают там, где содержание черного цвета резко уменьшается и плавно переходит в серую область. Границу между второй и третьей областями устанавливают там, где содержание белого цвета резко возрастает.

5. Определяют процентное содержание цвета в выделенных областях гистограммы. Выделяют на гистограмме первую область (поз.1), при этом в строке Percentile (Проценты) (для программы "Adobe Photoshop" версии 7.0) выводятся данные по процентному содержанию оттенков черного цвета на всей площади изображения. Аналогично подсчитывают процентное содержание серого и белого цветов на гистограмме для второй и третьей областей (поз.2 и 3). Количество содержания оттенков серого цвета делится пропорционально вкладу содержания оттенков в черной и белой областях спектра.

6. Для получения значения оптической плотности процентное количество оттенков черного цвета суммируется с пропорциональной ему долей серого цвета, примыкающей к черной области. Ажурность вычисляют как сумму количества оттенков белого цвета и пропорциональной ему доли серого цвета, примыкающей к белой области.

Для натурных объектов практически невозможно с абсолютной точностью узнать их эталонные значения ажурности (или оптической плотности), поэтому с целью определения точности при использовании данного способа было проведено определение оптической плотности и ажурности для заранее изготовленного макета с известными геометрическими размерами и равными величинами вышеуказанных параметров (по 50%). Определение оптической плотности с использованием предложенного способа, проведенное в 16 кратной повторности, дало погрешность способа 2,5%. Таким образом, использование предложенного способа для определения оптической плотности или ажурности при агромелиоративной оценке конструкций лесных полос и других ветрозащитных барьеров дает двукратное преимущество в точности в сравнении с известным способом [3]. Так как в графическом редакторе точность вычисления содержания оттенков на гистограмме составляет 0,01%, то основные причины погрешности возникают при фотосъемке объекта, при кадрировании фрагмента изображения, а также при определении границ областей на гистограмме.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Fryrear, D.W., Ali Saleh, J.D.Bilbro, H.M.Schomberg, J.E.Stout, and T.M.Zobeck. 1998. Revised Wind Erosion Equation (RWEQ). Wind Erosion and Water Conservation Research Unit, USDA-ARS, Southern Plains Area Cropping Systems Research Laboratory. Technical Bulletin No. 1. (Руководство пользователя с описанием модели ветровой эрозии RWEQ'97 получено в 1998 году с сайта в Интернете по адресу: http://www.csrl.ars.usda.gov/wewc/rweq.htm).

2. Авторское свидетельство СССР №1376984 А1, кл. 01 G 23/00, 1988.

3. Авторское свидетельство СССР №1724091 А1, кл. 01 G 23/00, 1992 (прототип).

Изобретение относится к сельскому и лесному хозяйству и может быть использовано при агромелиоративной оценке конструкций лесных полос и других ветрозащитных барьеров. Способ определения оптической плотности ветрозащитного барьера и ажурности лесных полос включает в себя фотографирование исследуемого объекта на контрастном ему фоне. Фотографирование осуществляют в направлении против солнца под углом 90° к направлению исследуемого объекта в утренние или вечерние часы. Затем изображение вводят в компьютер черно-белым в виде графического файла или сканированием с цветного негатива или фотоотпечатка. Проводят кадрирование исследуемого участка. Строят гистограмму оттенков в черно-белом спектре исследуемого изображения, выделяют три области в черной, белой и переходной серой частях спектра и определяют процентное содержание оттенков в выделенных областях, причем содержание оттенков серого цвета распределяют пропорционально долям черного и белого цвета и об оптической плотности судят по сумме доли черного цвета и пропорциональной ему доли серого цвета, а об ажурности - по сумме доли белого цвета и пропорциональной ему доли серого цвета. Это позволит повысить точность при определении оптической плотности ветрозащитного барьера и ажурности лесных полос. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения оптической плотности ветрозащитного барьера и ажурности лесных полос, включающий в себя фотографирование исследуемого объекта на контрастном ему фоне, причем фотографирование осуществляют в направлении против солнца под углом 90° к направлению исследуемого объекта в утренние или вечерние часы, затем изображение вводят в компьютер черно-белым в виде графического файла или сканированием с цветного негатива или фотоотпечатка, проводят кадрирование исследуемого участка, строят гистограмму оттенков в черно-белом спектре исследуемого изображения, выделяют три области в черной, белой и переходной серой частях спектра и определяют процентное содержание оттенков в выделенных областях, причем содержание оттенков серого цвета распределяют пропорционально долям черного и белого цвета и об оптической плотности судят по сумме доли черного цвета и пропорциональной ему доли серого цвета, а об ажурности - по сумме доли белого цвета и пропорциональной ему доли серого цвета.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фотографирование проводят с выдержкой 1/125 - 1/250 и диафрагмой 11-16 на пленку со светочувствительностью не более 100 ед.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что границы исследуемого участка ветрозащитного барьера или лесной полосы при фотографировании максимально приближают к границам кадра в видоискателе, а при фотографировании небольших макетов растительных кулис используют переходные кольца для макросъемки.