СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЦИФРОВОЙ ПЛАН-СХЕМЫ ОБЪЕКТОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2017 года по МПК G06F17/18 

Техническим результатом функционирования базы знаний является обеспечение универсальности хранимой информации, оперативности обработки и достоверности ее результатов. Этот результат достигается за счет применения кворумного агрегирования источников исходных данных (т.е. параллельно используется несколько источников: в том числе представляющие данные о состоянии сельскохозяйственных земель, включая сельскохозяйственные полигоны и контуры; показатели плодородия почв сельскохозяйственных земель с указанием географических координат размещения сельскохозяйственных полигонов и контуров; данные об использовании сельскохозяйственных земель, загрязнении тяжелыми металлами, пестицидами, нефтепродуктами, радионуклидами и другими загрязнителями; данные о происходящих на сельскохозяйственных землях негативных почвенных процессах; данные о проведении агрохимических, мелиоративных, культур-технических и агротехнологических мероприятий на сельскохозяйственных землях; данные о размещении на сельскохозяйственных землях сельскохозяйственных культур по результатам наземных обследований и наблюдений, данные дистанционного зондирования Земли; сведения прав на недвижимое имущество и земельные участки; материалы почвенных обследований; топографические карты и планы в графической, цифровой, фотографической и иных формах, точность и содержание которых обеспечивают решение целевых задач; данные мониторинга земель; официальный статистический учет наличия и распределения земель в границах территориальных образований). Известна экспертная система обработки изображения (OCAPI) (V. Clement, М. Thonnat, J. VanDenElst. Supervision of Perception Tasks for Autonomous Systems: The OCAPI Approach, INRIA Rapports de Recherche N2000, 1993, 28 p.). Система содержит модуль, который вместе с драйвером интерфейса и интерфейсом пакета подпрограмм может функционировать как интегрированная среда, предназначенная для обработки изображений. Но этот модуль содержит только знания о том, как в общем контексте управлять внешней программной системой.

Известны способы построения баз знаний для систем распознавания образов с использованием компьютерных технологий, в том числе с обучением (US 5159667, 27.10.1992; US 5748850, 05.05.1998; US 6577757, B1, 10.06.2003), но они решают частные задачи, не связанные с предметом данного изобретения.

Известен способ обработки картографического материала (RU 2037776, G01C 11/00, 19.06.1995), который включает идентификацию объектов местности на исходном картографическом материале, снятие метрической информации об объектах в виде массива координат и соответствующей семантической символьной информации, запись полученной информации на носитель в файловой системе. Недостаток способа заключается в отсутствии интеллектуальных процедур выделения проблемно-ориентированной информации.

Известны способ и система для конструирования средств обработки изображений (WO 01/67389 Al, G06T 1/00, 13.09.2001), в состав которой входит база знаний. Эта система представляет собой многофункциональное средство анализа изображений, предназначенное для разработки приложений, исследований и обучения. Недостаток этой базы знаний в том, что она не решает задачу анализа и распознавания изображений на основе автоматизации извлечения информации из изображений.

Известен способ (прототип), обеспечивающий построение базы знаний по анализу и распознаванию изображений (RU 2256224, G06K 9/66, 10.07.2005) с автоматизацией извлечения информации из изображений, накапливающей и использующей знания по анализу, распознаванию и интерпретации изображений. Технический результат изобретения достигается тем, что база знаний по анализу и распознаванию изображений содержит центральный блок управления процессами обработки и передачи данных, пользовательский интерфейс, интерфейс внешней связи и комплексную подсистему организованного хранения знаний, которая имеет модуль задач, модуль поддержки процессов планирования, управления и принятия решений, модуль алгоритмов, модуль промежуточных результатов решения задач, модуль эталонных и тестовых изображений, модуль извлечения, структурирования и записи новых знаний и модуль тезауруса, глоссария, библиографии и справочника. Эта база знаний характеризуется тем, что центральный блок управления процессами обработки и передачи данных содержит взаимосвязанные поисковую и управляющую подсистемы; модули, входящие в состав комплексной подсистемы организованного хранения знаний, выполнены в виде автономных реляционных баз данных.

Целью реализации предлагаемого способа является построение комплекса технических средств обработки данных, обеспечивающего автоматизированное формирование и пополнение базы знаний по анализу и распознаванию изображений в виде ориентированной на поиск по различным критериям упорядоченной совокупности информационных массивов - блоков задач. Каждый из этих блоков представляет собой структурированное описание задачи формирования конкретного типа ЦПС с использованием иерархической классификации задач анализа, обработки и распознавания изображений и тезауруса по анализу, обработке и распознаванию изображений, а также тематическому картированию объектов сельхозназначения.

Способ формирования цифровой план-схемы объектов сельскохозяйственного назначения представлен схемами алгоритмов основных процедур его реализации.

1. Пользователь вводит исходные данные. Система производит анализ предъявленных снимков (изображений) и извлечение полезной информации об этом изображении, которая будет использована при постановке задачи и поиске решения (универсальные идентификаторы объектов сельхозназначения, форматы изображений, количество градаций яркости, пр. признаки).

2. Пользователь создает объект, соответствующий постановке конкретной задачи, для чего через пользовательский интерфейс вводится максимально возможное количество данных о задаче. Учитывается информация, полученная на 1-м этапе.

3. Формируется сложный запрос на основе созданного пользователем объекта. Условия запроса учитывают свойства элементов создаваемой ЦПС. Для свойств элементов, отражающих смысловое содержание, предварительно производится назначение (выборка) дескрипторов с использованием тезауруса предметной области, которые включаются в условную часть запроса.

4. Формируется множество описаний задач (решений), содержащих алгоритмы (операторы) решения. Описания ранжируются в соответствии с выбранной мерой близости.

5. Выбирается алгоритм, соответствующий первому из ранжированных описаний.

6. Исполнение алгоритма.

7. Анализируется полученная выборка описаний задач. Если выборка не удовлетворяет пользователя (множество пустое или описаний слишком много), то в постановку задачи вносятся изменения, и делается новый запрос.

8. Автоматизированное формирование цифровой план-схемы в виде специализированного отчета.

Технический результат, сформулированный в задаче настоящего изобретения, достигается тем, что система для формирования цифровых план-схем изображений содержит центральный блок управления (ЦБУ) процессами обработки и передачи данных, пользовательский интерфейс (ПИ), внешний интерфейс (ВИ) и подсистему хранения знаний (ПХЗ). ПХЗИ включает в себя подключенные к общей информационно-управляющей магистрали (ИУМ) модуль задач (МЗ), модуль поддержки процессов планирования (МППР), управления и принятия решений, модуль алгоритмов (МА), модуль промежуточных результатов (МПР) решения задач, модуль эталонных (МЭ) и тестовых (МТИ) изображений, модуль извлечения, структурирования и записи новых знаний (МНЗ) и модуль тезауруса, глоссария (МТГ), библиографии и справочника. К общей информационно-управляющей магистрали подключен первый вход-выход центрального блока управления процессами обработки и передачи данных, второй вход-выход которого связан с пользовательским интерфейсом, а третий - с внутренним входом-выходом интерфейса внешней связи. Внешний вход-выход интерфейса внешней связи является входом-выходом базы знаний по анализу и распознаванию изображений с возможностью подключения к системе анализа и обработки.

При этом ЦБУ содержит взаимосвязанные подсистему ассоциативного поиска (ПАП) и центральное устройство управления (ЦУУ).

Система (см. фиг. 1) содержит центральный блок управления (ЦБУ) 1 процессами обработки и передачи данных, пользовательский интерфейс (ПИ) 2, внешний интерфейс (ВИ) 3 и подсистему хранения знаний (ПХЗ) 4. Пользовательский интерфейс 2 предназначен для осуществления взаимодействия пользователя с базой знаний и служит для ввода, вывода и визуализации информации.

Подсистема ПХЗ 4 включает в себя подключенные к общей информационно-управляющей магистрали (УИМ) 5: модуль задач (МЗ) 6, модуль поддержки процессов планирования, управления и принятия решений (МППР) 7, модуль алгоритмов (МА) 8, модуль промежуточных результатов решения задач (МПР) 9, модуль эталонных и тестовых изображений (МЭТ) 10, модуль тезауруса, глоссария (МТГ) 11, библиографии и справочника и модуль извлечения, структурирования и записи новых знаний (МНЗ) 12.

К общей информационно-управляющей магистрали 5 подключен первый вход-выход центральной подсистемы 1 управления, второй вход-выход 13 которой связан с пользовательским интерфейсом 2. Третий вход-выход связан с внутренним входом-выходом интерфейса 14 внешней связи, внешний вход-выход 15 которого является входом-выходом базы знаний по анализу и распознаванию изображений (БЗАИ) 16. Этот вход-выход 15 интерфейса 3 предназначен для подключения к системам анализа и обработки изображений и осуществляет обмен данными, в частности может быть подключен к открытой система для автоматизации обработки, анализа и распознавания изображений (RU 2242047, 10.12.2004).

Система (см. фиг. 1) содержит центральный блок управления (ЦБУ) 1 процессами обработки и передачи данных, пользовательский интерфейс (ПИ) 2, внешний интерфейс (ВИ) 3 и подсистему хранения знаний (ПХЗ) 4. Пользовательский интерфейс 2 предназначен для осуществления взаимодействия пользователя с базой знаний и служит для ввода, вывода и визуализации информации.

Подсистема ПХЗ 4 включает в себя подключенные к общей информационно-управляющей магистрали (УИМ) 5: модуль задач (МЗ) 6, модуль поддержки процессов планирования, управления и принятия решений (МППР) 7, модуль алгоритмов (МА) 8, модуль промежуточных результатов решения задач (МПР) 9, модуль эталонных и тестовых изображений (МЭТ) 10, модуль тезауруса, глоссария (МТГ) 11, библиографии и справочника и модуль извлечения, структурирования и записи новых знаний (МНЗ) 12.

К общей информационно-управляющей магистрали 5 подключен первый вход-выход центральной подсистемы 1 управления, второй вход-выход 13 которой связан с пользовательским интерфейсом 2. Третий вход-выход связан с внутренним входом-выходом интерфейса 14 внешней связи, внешний вход-выход 15 которого является входом-выходом базы знаний по анализу и распознаванию изображений (БЗАИ) 16. Этот вход-выход 15 интерфейса 3 предназначен для подключения к системам анализа и обработки изображений и осуществляет обмен данными, в частности может быть подключен к открытой система для автоматизации обработки, анализа и распознавания изображений (RU 2242047, 10.12.2004).

ЦБУ 1 содержит взаимосвязанные поисковую ПАП 17 и управляющую 18 подсистемы.

Модуль задач МЗ 6, модуль поддержки процессов планирования, управления и принятия решений МППР 7, модуль алгоритмов МА 8, модуль промежуточных результатов решения задач МПР 9, модуль эталонных и тестовых изображений МЭТ 10 и модуль тезауруса и глоссария МТГ 11 выполнены в виде автономных реляционных баз данных (см. фиг. 2).

Каждая из автономных реляционных баз данных модулей 6-11 содержит один или более блоков БП 17 памяти, ориентированных на хранение электронных таблиц, специализированный контроллер К 18 и блок связи БС 19 с общей информационно-управляющей магистралью УИМ 5. Первый вход-выход 20 блока 19 связи является входом-выходом модуля, а второй вход-выход 21 соединен с общим входом-выходом контроллера К 18. Информационные и управляющие входы-выходы 22 контроллера К 18 связаны соответственно с информационными управляющими входами-выходами блока памяти БП 17.

Модуль извлечения, структурирования и записи новых знаний МНЗ 12 также выполнен в виде автономной реляционной базы, структура которой подобна вышеописанной, показана на фиг. 3. Она содержит блок памяти новых знаний БПНЗ 23, ориентированный на хранение электронных таблиц, и специализированный контроллер СК 24, блок связи БС1 25 с общей информационно-управляющей магистралью УИМ 5, блок проверки непротиворечивости вводимых знаний БПН 26. Первый вход-выход 27 блока 25 связи является входом-выходом модуля МНЗ 12, а второй вход-выход 28 соединен с общим входом-выходом контроллера 24. Информационные и управляющие входы-выходы 29,30 контроллера СК 24 связаны соответственно с информационными и управляющими входами-выходами блоков 23 и 26.

Модуль задач МЗ 6 содержит знания о классификациях задач формирования ЦПС, знания о типовых и решенных задачах (в том числе архив существующих ЦПС) в виде структурированных описаний в универсальной кодировке, блоки задач.

Модуль поддержки процессов планирования, управления и принятия решений МППР 7 содержит общие сведения о решении задач с помощью программного обеспечения ЭВМ, общие и специализированные знания по обработке, анализу и распознаванию изображений, контуров и текстур, знания о прикладной области, а также решающие правила различных типов, соответствующих выбранной модели решения задач.

Модуль алгоритмов МА 8 содержит знания об используемой библиотеке обработки изображений: сведения об алгоритмах, их входных параметрах, результатах и способах оценки качества работы алгоритмов.

Модуль промежуточных результатов решения задач МПР 9 служит для сохранения и последующего использования результатов работы алгоритмов обработки и распознавания.

Модуль эталонных и тестовых изображений МЭТ 10 используется для тестирования алгоритмов и обучения.

Модуль МТГ 11 содержит тезаурус, глоссарий, библиографию и справочник. Тезаурус и глоссарий используются при составлении описаний задач, а также являются семантической базой используемой модели решения задач. Данный модуль 11 также выполняет функции справочника пользователя "Help".

Модуль извлечения, структурирования и записи новых знаний МНЗ 12 предназначен для введения новых описаний задач в базу знаний, автоматизированного выявления зависимостей, характеристик и формализованного выражения свойств изображений, а также проверку непротиворечивости вводимых знаний с уже имеющимися в базе.

Каждый из модулей состоит из одной или группы таблиц базы знаний, управляющей подсистемы (контроллера таблиц) и может быть связан (если это функционально необходимо) с соответствующим пользовательским интерфейсом. Контроллер таблиц осуществляет обработку и обмен данными между таблицами базы знаний и управляющей подсистемой

Планирование решения задачи

1. В поисковой подсистеме (ПАП 17) по найденному описанию типовой задачи производится формирование запроса для поиска описаний (типовых) подзадач.

2. Подсистема управления (ПУ 18) через контроллеры таблиц описаний задач и алгоритмов посылает запрос.

3. Для каждой из типовых подзадач формируется запрос для поиска описаний составляющих подзадач и других компонентов.

4. По результатам серии запросов формируется схема (план) решения задачи и выводится на пользовательский интерфейс 2 (на экран монитора в окно редактора). Подсистема управления 18 осуществляет контроль алгоритмов, включенных в схему решения, на совместимость по типам входных и выходных данных, а также назначает начальные значения параметров алгоритмов.

5. Пользователь корректирует сформированную схему решения и параметры алгоритмов. В результате формируется программа, составленная на макроязыке системы обработки, анализа изображений и формирования ЦПС.

6. Пользователь компилирует и запускает программу на исполнение.

7. Пользователь оценивает результаты решения задачи, при необходимости корректирует схему решения и параметры алгоритмов. По результатам оценки пользователь осуществляет введение новых описаний задач в базу знаний и проверку непротиворечивости вводимых знаний уже имеющимся в базе.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах космического мониторинга объектов сельскохозяйственного назначения для идентификации их состояния, целенаправленной обработки спутниковых снимков, полученных из различных источников с использованием дополнительных (наземных) данных и формирования проблемно-ориентированных цифровых план-схем участков земной поверхности. Способ включает идентификацию объектов на местности на основе исходного картографического материала, определение классификационного кода, получение метрической информации об указанных объектах, соответствующей семантической информации о носителе в файловой системе, уточнение характера локализации, размеров и качественной информации, включающей количество точек метрики и характеристики объекта, значение их кода и численные значения этих характеристик. Повторяют указанные операции для каждого из объектов. При этом с целью обеспечения универсальности хранимой информации, оперативности обработки и достоверности ее результатов используют векторное оформление исходной и опорной информации в виде базовых слоев, обладающих географической и пространственной привязкой и записанных в отдельные файлы, а также опорные данные геометрического характера и географическую привязку точек метрики каждого объекта по данным дистанционного зондирования земли, агрегируя информацию слоев в соответствии с требованиями к выходной информации - тематической цифровой план-схемой. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования пространственно-объектного представления территории с объектами сельскохозяйственного назначения в виде цифровой план-схемы, включающий идентификацию объектов на местности на основе исходного картографического материала, определение классификационного кода, получение метрической информации об указанных объектах, соответствующей семантической информации о носителе в файловой системе, уточнение характера локализации, размеров и качественной информации, включающей количество точек метрики и характеристики объекта, значение их кода и численные значения этих характеристик, повторение указанных операций для каждого из объектов, отличающийся тем, что с целью обеспечения универсальности хранимой информации, оперативности обработки и достоверности ее результатов используют векторное оформление исходной и опорной информации в виде базовых слоев, обладающих географической и пространственной привязкой и записанных в отдельные файлы, а также опорные данные геометрического характера и географическую привязку точек метрики каждого объекта по данным дистанционного зондирования земли, агрегируя информацию слоев в соответствии с требованиями к выходной информации - тематической цифровой план-схемой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для уточнения информации об объектах сельскохозяйственного назначения используют дополнительные тематические слои с качественными характеристиками отдельных сельскохозяйственных земель, в том числе исходными показателями плодородия почв, антропогенного и природно-климатического влияния на эти показатели, а также с указанием географических координат размещения сельскохозяйственных полигонов и контуров.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при формировании тематических слоев, для уточнения информации об объектах одновременно с дистанционным зондированием земли используют натурные данные о размещении на землях сельскохозяйственных культур по результатам наземных обследований и наблюдений, а также материалы почвенных обследований, топографические карты и планы в графической, цифровой, фотографической и иных формах, точность и содержание которых обеспечивают решение целевых задач.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что на основании сведений о правах на недвижимое имущество и земельные участки; официальный статистический учет наличия и распределения земель в границах территориальных образований, в качестве объекта сельскохозяйственного назначения выступает совокупность земель и инфраструктуры, используемой конкретным сельхозтоваропроизводителем.

5. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве признаков идентификации объекта местности используются форма его контура, топология; расположение «центра тяжести» плоского изображения, ограниченного этим контуром относительно границ объекта; место в метаобъекте, относительно «центров тяжести» соседних объектов; цифровая модель рельефа; текстура внутри контура, тип почвы, растительный покров, инвариантные характеристики; подпочвенные образования, оказывающие влияние на форму и текстуру внутри контура.

6. Система, поддерживающая реализацию способа по пп. 1-5, содержащая центральный блок управления процессами обработки и передачи данных, пользовательский интерфейс, интерфейс внешней связи и подсистему хранения знаний, модули которой выполнены в виде автономных реляционных баз данных, отличающаяся тем, что подсистема хранения знаний включает в себя подключенные к общей информационно-управляющей магистрали модуль задач, выполненный с возможностью накопления и хранения информации о классификациях задач, о типовых задачах и архива решенных задач в виде структурированных описаний, блоков задач, модуль поддержки процессов планирования, управления и принятия решений, выполненный с возможностью накопления и хранения общих сведений о решении задач с помощью программного обеспечения ЭВМ, знаний по обработке, анализу и распознаванию изображений, о прикладной области, а также решающих правил, соответствующих выбранной модели решения задач, модуль алгоритмов, выполненный с возможностью накопления и хранения сведений об алгоритмах, входящих в библиотеку обработки изображений, о входных параметрах, результатах и способах оценки качества работы алгоритмов, модуль промежуточных результатов решения задач, служащий для хранения и последующего использования результатов работы алгоритмов обработки и распознавания, модуль эталонных и тестовых изображений, используемых для тестирования алгоритмов и обучения, модуль извлечения, структурирования и записи новых знаний, выполненный с возможностью введения новых описаний задач в базу знаний, автоматизированного выявления зависимостей, характеристик и формализованного выражения свойств изображений, а также проверки непротиворечивости вводимых знаний с уже имеющимися в базе, модуль тезауруса, глоссария, библиографии и справочника, используемый при составлении описаний задачи и являющийся семантической базой модели решения задач, при этом к общей информационно-управляющей магистрали подключен первый вход-выход центрального блока управления процессами обработки и передачи данных, второй вход-выход которого связан с пользовательским интерфейсом, а третий - с внутренним входом-выходом интерфейса внешней связи, внешний вход-выход которого является входом-выходом базы знаний по анализу и распознаванию изображений с возможностью подключения к системе анализа и обработки изображений.

7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что центральный блок управления процессами обработки и передачи данных содержит взаимосвязанные подсистему ассоциативного поиска и управляющую подсистему, при этом подсистема ассоциативного поиска выполнена с возможностью поиска решения типовой или аналогичной задачи, а управляющая подсистема - система контроля алгоритмов, включенных в схему решения, на совместимость по типам входных и выходных данных и назначения начальных значений параметров алгоритмов.