Тема: Разработка алгоритмического обеспечения для задач спутникового мониторинга растительности на примере выявления лесных рубок и картографирования плантаций каучука
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
Глава 1 Роль дистанционного зондирования Земли в системах мониторинга 5
1.1 Дистанционное зондирование Земли: преимущества и недостатки 5
1.2 Проблемы, возникающие в дистанционном зондировании Земли 6
1.3 Использование дистанционного зондирования Земли для мониторинга и
выявления вырубок 10
1.4 Использование дистанционного зондирования Земли для мониторинга и
картографирования плантаций каучуковых деревьев 11
Глава 2 Алгоритм мониторинга вырубок и картографирования плантаций каучуковых деревьев 13
2.1 Постановка задачи 13
2.2 Математический аппарат 15
2.2.1 Битовые операции 15
2.2.2 Метод наименьших квадратов 16
2.2.3 Элементы теории вероятности 17
2.2.4 Нейронные сети 17
2.2.5 Метод скользящего окна 20
2.2.6 Гармонические модели 20
2.3 Исходные данные и изучаемая территория 21
2.4 Программное обеспечение, необходимое для работы 24
2.5 Общая концепция алгоритма 25
2.6 Предварительная обработка данных 27
2.6.1 Радиометрическая калибровка 27
2.6.2 Атмосферная коррекция 28
2.6.3 Топографическая коррекция 31
2.6.4 Выявление облаков и теней от облаков и снежного покрова 34
2.6.5 Фильтрация 36
2.7 Формирование временных срезов и построение гармонической модели 38
2.8 Создание и обучение нейронной сети 40
2.9 Предсказание меток классов 44
Глава 3 Использование алгоритма для выделения рубок и плантаций каучуковых деревьев 46
3.1 Особенности использования алгоритма для выделения рубок 46
3.2 Особенности использования алгоритма для выделения плантаций
каучуковых деревьев 49
Заключение 54
Список литературы 55
📖 Введение
В Юго-Восточной Азии активно развивалось и развивается выращивание каучуковых деревьев, что связано с историческими особенностями развития данного региона. Как правило, новые плантации возникают на месте вырубленных тропических лесов или земель, выведенных из-под сельскохозяйственного оборота. Смола каучука является сырьем для производства резины, различного рода уплотнителей для термо-, гидро- и звукоизоляции, твердого топлива ракет и др., а древесину дерева используют в мебельной промышленности. Помимо этого, распространение каучуковых деревьев интересно специалистам разных биологических направлений. Поэтому мониторинг плантаций каучука так важен, и для него сегодня используются космические снимки.
На сегодняшний день разработан ряд методов для решения как первого, так и второго вопросов, о чем будет сказано ниже. Однако все они имеют свои недостатки, что ограничивает их применение. Целью данной работы является разработка альтернативного алгоритма, который мог бы использоваться в системе мониторинга как рубок, так и плантаций каучука. Такой подход, с одной стороны, обладает большей универсальностью, а с другой - учитывает слабые стороны существующих методик.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
- изучить разработанные алгоритмы, применяющие данные дистанционного зондирования в системах мониторинга, ограничения методик и возможные пути их разрешения;
- изучить программные средства, которые могут быть применены для решения задач, возникающих на различных этапах алгоритма;
- рассмотреть вопросы применимости данных дистанционного зондирования Земли в качестве исходных материалов алгоритма;
- применить методы машинного обучения для нахождения рубок и плантаций каучуковых деревьев;
- произвести оценку качества используемой модели и ее применимости на новых данных;
Разработка представленного в этой работе алгоритма была выполнена совместно с Колесовым Д.А. и другими сотрудниками компании ООО "NextGIS". Векторные данные по рубкам на Дальнем Востоке РФ и плантациям каучуковых деревьев в Юго-Восточной Азии были предоставлены ООО "NextGIS".
✅ Заключение
- рассмотрены основные методики, применяемые сегодня в системах мониторинга с использованием ДДЗ, и выявлены их недостатки, которые учитывались при проектировании представленного в работе алгоритма;
- проведена предварительная обработка космических снимков Landsat-7 и Landsat-8, включающая в себя радиометрическую калибровку, атмосферную и топографическую коррекции, поиск облачности, теней и медианную фильтрацию;
- сформированы временные срезы и построены по ним гармонические функции для нахождения ожидаемых значений на интересующую дату;
- построены и обучены нейронные сети для каждой территории; при этом на
дальневосточный регион было создано две: для зимнего и летнего периодов;
- произведена оценка качества нейронных сетей, которые были применены к новым данным для поиска рубок (плантаций);
На каждом из этапов алгоритма были рассмотрены существующие подходы для решения конкретной задачи и всегда выбирались методы, дающие наилучший результат в условиях работы с рассматриваемыми территориями. Точность полученных результатов сравнима с качеством других алгоритмов, применяемых в системах мониторинга, превосходя некоторые из них. При этом, предложенный здесь алгоритм обладает рядом преимуществ:
- является более универсальным;
- включает многоступенчатую предварительную обработку для лучшего исключения шумов;
- использует возможности нескольких спутниковых систем для достижения большего временного разрешения;
- требует минимум усилий от человека: настроенный и оптимизированный вручную он в дальнейшем будет собирать новые данные и включать их в обработку.
В дальнейшем, планируется использовать данные Sentinel-2 вместе с Landsat-7 и Landsat-8. Для этого будет встроен отдельный этап по приведению к единому пространственному разрешению снимков этих спутников. Это позволит увеличить ежемесячное количество получаемых снимков с 4-5 до 11-12, что важно для территорий с большим количеством облачных дней в году.
Кроме того, будет рассмотрен вариант замены алгоритма для выделения облачности TMask объектно-ориентированным аналогом, что резко снизит количество ложных выделений теней.



