Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Понятие о распознавании графических

Образов

Графический образ на карте или снимке — это не мысленная, идеальная конструкция, а именно рисунок, узор, модель. Распознавание образов означает опознавание, различение именно графических рисунков, узоров на геоизображениях.

Многолетний опыт использования карт, снимков и других геоизображений свидетельствует о том, что графические образы — основной источник информации.

По существу, использование карт, дешифрирование снимков, анализ экранных изображений — это всегда распознавание и анализ графических образов, их измерение, преобразование, сопоставление и т.п.

Рис. 16.2.Графические образы городов.

а — Москва; б — Волгоград; в — Бишкек.

На рис. 16.2 весьма скупыми графическими средствами даны изображения трех городов. Изобразительные средства одинаковы,

Глава XVI. Геоизображения

Понятие о распознавании графических образов 301

но графические образы различны. Любой, даже малоискушенный, читатель легко отличит радиально-концентрическую планировку Москвы с ярко выраженным старым центром, кольцевыми магистралями и обширными новыми окраинами от прямоугольных упорядоченных кварталов нового города — Бишкека, возведенного по единому плану, и от характерной узкой и протяженной полосы застройки Волгограда, расположенного на берегу крупнейшей реки и всем своим обликом связанного с ней.

Графические образы, пространственные структуры, конфигурации городов на приведенном рисунке чрезвычайно информативны. В них отражены географическое положение, рельеф местности и ландшафт, запечатлена история развития городов, их функциональные типы, они содержат скрытую информацию об условиях жизни в городах и особенностях городской среди. Все это опытный исследователь определит, анализируя графические образы и ассоциативно привлекая весь арсенал своих историко-геогра-фических познаний. Сами графические образы наталкивают его на это, они характерны, узнаваемы и именно поэтому высоко информативны.

Специалисты в области наук о Земле часто намеренно схематизируют геоизображения, стремясь получить простой и четкий графический образ, обнаруживающий пространственную структуру изучаемого объекта, чтобы таким путем лучше понять его генезис. Типичным примером такого рода служат исследования геофизических полей. Как правило для понимания строения земной коры важны не столько абсолютные значения геофизических аномалий, сколько их характерные конфигурации. Они являются диагностическим признаком, указывающим на генезис или этап развития той или иной области на земном шаре. На рис. 16.3 представлены так называемые «скелетные карты» магнитных полей. Видно, насколько хорошо различаются расплывчатые пятнистые контуры аномалий в пределах древних щитов и платформ, четко ориентированные структуры океанического ложа или рифтовых зон, области перехода от материков к океанам.

Приведенные примеры, число которых можно было бы многократно умножить, хорошо иллюстрируют тезис о том, что информация, которую дает всякое геоизображение, есть результат восприятия и анализа графических образов. Их распознавание всегда сводится к установлению соответствия между конкретными объектами и элементами некоторого признакового пространства, характеризующего весь класс объектов. В общей теории распознава-

ИИ Положительные аномалии I | Отрицательные аномалии

Рис. 16.3. Графические образы («скелетные карты») магнитных полей.

а — районы щитов и платформ; б — океаническое ложе («зебровая структура»); в — области перехода от материков к океанам; г — зоны рифтов.

ния образов речь идет о системе решающих правил, позволяющих на основе некоторого априорного набора признаков (номинальных, метрических, вероятностных, структурно-топологических и др.) отнести данный графический образ к тому или иному классу (эталону), индицирующему некоторое явление или процесс.

Надежное распознавание объектов с помощью формализованного набора признаков возможно лишь при условии, что множества признаков в пределах данного признакового пространства не пересекаются. Скажем, такие линейные элементы, как реки, горизонтали, дороги, границы и др., визуально легко распознаются вне зависимости от масштаба, проекции и ориентации объектов. Для этого достаточно учесть самые общие топологические свойства изображений такие, как наличие или отсутствие замкнутости, сочленений и пересечений (узлов). Принцип распознавания линейных изображений по сочетаниям их топологических свойств иллюстрирует табл. 16.2.

На рис. 16.4 хорошо видно, что признаки класса «изолинии» не пересекаются с признаками класса «гидросеть». Но вот гидросеть и

302 Глава XVI. Геоизображения

Понятие о распознавании графических образов 303

Таблица 16.2 Распознавание линейных картографических изображений

(по Ю. В. Свентэку, 1982)

Свойства	Классы изображений
Изолинии	Речная сеть	Дорожная сеть	Границы
Наличие разомкнутых линий
Отсутствие узлов	^:'^;'*„м7''г^:'йг;„^::;
Наличие 3-луче-вых узлов		:,;'.^
Наличие 4-луче-вых узлов
Наличие более сложных узлов

Примечание. Закрашенные клетки означают наличие признака.

дорожная сеть пересекаются по некоторым общим признакам: и те и другие имеют ветвистые конфигурации и узлы (слияния). Различия между такими графическими образами очень подвижны, размыты, встречается много пограничных конфигураций, переходных от одного класса к другому. Не только автоматические распознающие системы не всегда способны различить их, но даже весьма опытные исследователи в ходе дешифрирования снимков часто затрудняются отнести конкретный графический образ к тому или иному типу. Опыт показывает, что формализованное распознавание графических образов остается чрезвычайно сложной проблемой, поскольку речь идет о классификации конфигураций, об их аналитическом описании. Вряд ли в ближайшем будущем можно надеяться на полную автоматизацию процесса распознавания графических образов. Скорее всего, решение следует искать в интерактивных человеко-машинных процедурах, соединяющих достоинства алгоритмического и эвристического подходов, возможности автоматики и образное мышление ученого.

Рис. 16.4. Конфигурации некоторых линейных элементов на картах.

а — границы земельных угодий; б — изолинии; в — административные границы; г — гидросеть; д — тектонические трещины; е — сеть автодорог.

В картографии и дистанционном зондировании накоплен немалый опыт распознавания и дешифрирования геоизображений. При этом всегда вначале требуется определить параметры образов, избрать основания для их классификации, а затем выбрать наиболее информативные признаки. Далее необходимо обратиться к системам решающих правил, позволяющим отнести каждый исследуемый образ к тому или иному классу. Обычно опытный исследователь более или менее успешно справляется с задачами такого рода.

304 Глава XVI. Геоизображения

В перспективе автоматизированное распознавание графических образов на геоизображениях должно опираться на:

♦ каталоги (банки) характерных и четко различимых эталонов графических образов природных и социально-экономических явлений;

♦ формализованные описания графических образов, их структуры и признаков;

♦ объективные меры сходства-различия графических образов с эталонами и между собой (картометрические, морфо-метрические, фотометрические, вероятностно-статистические и др.);

♦ решающие правила интерактивной (человеко-машинной) классификации графических образов.

Глава XVII

Геоиконика

17.1. Единая теория геоизображений

Множество видов графических пространственно-временных моделей, многообразие методов работы с ними и сфер применения требуют формирования единой теории геоизображений. Существует ряд факторов, определяющих целесообразность создания такой теории:

♦ общность изучаемых (отображаемых) объектов — географических, геологических, океанологических, планетологичес-ких и др.;

♦ возрастающее количество и разнообразие геоизображений разных классов и видов;

♦ наличие общих модельных свойств;

♦ сходство восприятия, чтения и распознавания человеком;

♦ единство научно-технических приемов анализа, распознавания и преобразования;

♦ необходимость комплексного использования и взаимного сочетания геоизображений при решении научных и практических задач.

Отраслью науки, которая занимается общими проблемами геоизображений, стала геоиконика. Начало ее формирования относится к середине 80-х годов XX в. Геоиконика (от гео + греч. Е1К0МКГ) — изображение) — синтетическая отрасль знания, изучающая общую теорию геоизображений, методы их анализа, преобразования и использования в науке и практике. Она является частью иконики — науки об изображениях, их общих свойствах, методах получения, обработки и воспроизведения.

Геоиконика связывает картографию, аэрокосмическое зондирование и геоинформатику — три дисциплины, каждая из которых имеет дело с геоизображениями определенного типа: картами, снимками, электронными моделями (рис. 17.1). Она скрепля-

20-4886

306 Глава XVII. Геоиконика

Масштабы пространства 307

Рис. 17.1. Геоиконика в системе научных дисциплин.

ет, соединяет эти дисциплины, сосредоточивая внимание на изучении общих свойств геоизображений. При этом геоиконика вбирает в себя элементы теории распознавания образов, опирается на достижения машинной графики, психологии восприятия и находится в тесном контакте с науками о Земле, планетах и смежными с ними социально-экономическими науками.

В своем современном развитии геоиконика в самой сильной сте пени опирается на теорию географической картографии, т.е. на ту дисциплину, которая более всего продвинулась в теоретическом осмыслении геоизображений, их свойств, законов формирования, а главное, в практике их создания и использования.

Геоиконика включает в круг своих интересов теоретические проблемы системного изучения пространственно-временных моделей, оценку их информативности, взаимной совместимости, общие принципы генерализации, законы восприятия и т.п. Много внимания уделяется методикам обработки и распознавания гео-

изображений, приемам количественного анализа, технологиям цифрования, преобразования, повышения качества, хранения и воспроизведения их. В прикладном плане геоиконика развивает методы интерпретации и применения геоизображений в географии, геологии и геофизике, экологии и социально-экономических науках.

Цели и задачи геоиконики таковы, что она выступает как некая надсистема, охватывающая картографию, аэрокосмическое зондирование и геоинформатику. Но диалектика развития и опора на географическую картографию постепенно ведут к тому, что геоиконика становится частью обновленной и интегрированной системы картографических дисциплин.

Масштабы пространства

Масштаб геоизображения является функцией его назначения, технических средств съемки, обеспеченности фактическим материалом. Одновременно сам он определяет наиболее существенные свойства геоизображения: от масштаба зависят пространственный охват и объем содержания геоизображения, его разрешение, подробность и геометрическая точность. Масштаб задает уровень обобщения и абстрагирования показанной информации, степень ее интеграции и генерализации, определяет информативность геоизображения, которая в конечном счете диктует выбор направлений использования и устанавливает пределы применения карт, снимков, анимаций и т.п.

С масштабом и степенью абстрагирования напрямую связаны и эвристические качества геоизображений как средства познания окружающего мира. Мелкомасштабные геоизображения, подобно телескопу, открывают взору исследователя обширные пространства и планетарные закономерности. При этом частности не видны, а детали обобщены и сглажены.

Совсем иная картина наблюдается на крупномасштабных геоизображениях. Они, словно микроскоп, показывают лишь малую часть пространства, но зато с большой подробностью, множеством деталей и микроформ. По картам и снимкам крупного масштаба прослеживают локальные закономерности.

Классифицируя любые геоизображения по масштабам, чаще всего называют три группы: крупно-, средне- и мелкомасштаб-

20*

Глава XVII. Геоиконика

Масштабы пространства 309

ные, однако характерно, что градации, принятые для основных видов геоизображений: карт, аэро- и космических снимков, неодинаковы.

В России используется следующая классификация топографических и тематических карт: крупномасштабные — 1:100 000 и крупнее, среднемасштабные — от 1:200 000 до 1:1 000 000 и мелкомасштабные — мельче 1:1 000 000 (см. разд. 1.5 и 3.2).

Масштабные классификации имеют прямое отношение к пространственному охвату. Это особенно хорошо видно на примере карт иных планет. Масштаб, который для большой планеты является крупным, для другой, меньшей по размерам, окажется мелким, ибо «у каждой планеты свой метр». На Земле метр равен одной десятимиллионной части ¹А длины меридиана, а значит, соотношение «метров» разных планет равно соотношению их размеров. Если экваториальный радиус Земли принять за 1, то радиус Меркурия составит 0,38; Венеры — 0,97; Марса — 0,53; Луны — 0,27. Отсюда нетрудно подсчитать, что земной карте масштаба 1:1 000 000 соответствует (округленно) карта Меркурия масштаба 1:400 000, Венеры - 1:1 000 000, Марса - 1:500 000, Луны — около 1:250 000. Соотношение крупно-, средне- и мелкомасштабных карт для планет земной группы представлено в табл. 17.1.

Таблица 17.1 Масштабы карт планет земной группы

Планета	Масштабы карт	Масштабы планов
мелкие	средние	крупные
Земля	Мельче 1:1 000 000	1:1 000 000-1:200 000	1:100 000-1:5 000	1:2 000 и крупнее
Меркурий	Мельче 1:400 000	1:400 000-1:80 000	1:40 000-1:8000	1:400 и крупнее
Венера	Мельче 1:1 000 000	1:1 000 000-1:200 000	1:100 000-1:5 000	1:2 000 и крупнее
Марс	Мельче 1:500 000	1:500 000-1:100 000	1:50 000-1:1 000	1:500 и крупнее
Луна	Мельче 1:250 000	1:250 000-1:50 000	1:25 000-1:500	1:250 и крупнее

Эти соотношения полезно иметь в виду при сравнении форм рельефа планет (например, кратеров) и вообще при любых срав-нительно-планетологических исследованиях.

Что касается аэрофотоснимков, то их масштабные классификации более всего связаны с высотой фотографирования: при прочих равных условиях масштаб снимка тем мельче, чем выше поднят 'аэрофотоаппарат. Съемки с вертолетов выполняются в основном в крупных и иногда в средних масштабах, с самолетов — в средних и мелких масштабах, а с высотных самолетов получают мелкомасштабные и сверхмелкомасштабные аэрофотоснимки. Принимая трехступенное деление, выделяют аэроснимки: крупномасштабные — 1:5 000 и крупнее, среднемасштабные — от 1:5 000 до 1:100 000 и мелкомасштабные — мельче 1:100 000.

Масштаб космических снимков также тесно связан с высотой съемки. Так, автоматические межпланетные станции, пролетающие на расстоянии в десятки тысяч километров от Земли, дают весьма мелкомасштабные изображения видимой ее части — полушария. Метеоспутники и пилотируемые космические станции, облетающие Землю на орбитах высотой в несколько тысяч километров, обеспечивают получение в основном среднемасштабных снимков, охватывающих отдельные континенты, океаны и крупные их части. А с орбит высотой в несколько сотен километров и с применением длиннофокусных объективов получают весьма детальные крупномасштабные изображения, покрывающие территории площадью около 100 тыс. км². Трехступенная классификация для космических снимков выглядит так: крупномасштабные снимки — крупнее 1:1 000 000, среднемасштабные — от 1:1 000 000 до 1:10 000 000, мелкомасштабные — от 1:10 000 000 до 1:100 000 000.

Приведенные масштабные подразделения для трех основных видов геоизображений отражают важный, хотя, впрочем, достаточно очевидный факт: карты по своей детальности и подробности занимают промежуточное положение между аэро- и космическими снимками (см. табл. 17.2).

Практика применения геоизображений в науках о Земле свидетельствует о том, что каждому пространственному уровню исследования соответствует некоторый оптимальный диапазон масштабов карт и снимков. Например, мелкомасштабные геоизображения удобны для прослеживания природной зональности, изучения крупных горных систем и планетарных тектонических структур. Среднемасштабные карты и снимки пригодны для рай-

310 Глава XVII. Геоиконика

Масштабы пространства 311

1:М 1:100 000 000

1:10 000 000 1:1000 000

Таблица 17.2 Масштабные классификации геоизображений

Геоизображения	Крупномасштабные	Среднемасштабные	Мелкомасштабные
Аэрофотоснимки	Крупнее 1:5 000	1:5 000-1:100 000	Мельче 1:100 000
Карты	1:100 000 и крупнее	1:200 000-1:1 000 000	Мельче 1:1 000 000
Космические снимки	Крупнее 1:1 000 000	1:1 000 000-1:10 000 000	Мельче 1:10 000 000

онирования регионов, анализа глобальных линеаментов и кольцевых структур, а по крупномасштабным картам и аэрофотоснимкам удобно изучать строение ландшафтов, микрорельеф и микроклимат территории, отдельные геологические структуры и т.п.

Соотношения масштабов, охвата пространства и уровня исследования для основных геоизображений показаны в табл. 17.3.

Таблица 17.3

Масштабы карт, аэро- и космических снимков и основные пространственные уровни исследования

Уровень исследования	Охват пространства, км²	Диапазоны масштабов для
карт	космических снимков	аэрофотоснимков
Глобальный	10⁸	1:60 000 000-1:10 000 000	1:100 000 000-1:20 000 000	-
Континентальный/ океанический	10⁷	1:15 000 000-1:1 000 000	1:50 000 000-1:5 000 000	-
Региональный	10⁵-10⁶	1:2 500 000-1:200 000	1:10 000 000-1:1 000 000	1:100 000-1:20 000
Субрегиональный	10³—10*	1:500 000-1:50 000	1:2 000 000 и крупнее	1:50 000-1:5 000
Локальный	10²	1:100 000-1:5000	—	1:10 000-1:1 000
Фациальный	10—Ю-²	1:10 000 и крупнее		1:5 000 и крупнее

1:100 000 1:10 000

1:1000

Уровни исследования

Рис. 17.2. Поле масштабов геоизображений.

На локальном уровне исследования космические снимки применяют нечасто, а на фациальном — практически не используют. Напротив, аэрофотоснимки не применяют на глобальном уровне и крайне редко — на континентальном/океаническом уровне.

Конечно, выбор геоизображений того или иного масштаба во многом определяется их качеством (цвет, разрешение, спектральный диапазон и т.п.) и характером решаемых задач. Известно, что аэроснимки привлекаются тогда, когда ставится задача повысить детальность исследований, выявить подробности, отсутствующие на картах и космических снимках. Поэтому при исследовании всегда стараются взять снимки более крупного масштаба, чем карты. На фациальном уровне диапазоны масштабов аэроснимков и детальных карт сближаются, а далее они все больше расходятся. На субрегиональном и региональном уровнях различия масштабов весьма ощутимы.

На рис. 17.2 представлен график, на котором жирными линиями показаны главные соотношения масштабов и пространствен-

312 Глава XVII. Геоиконика

Временные диапазоны геоизображений 3 1 3

ного охвата, а заштрихованная эллипсообразная область — поле масштабов геоизображений— очерчивает возможные пределы колебания в выборе масштабов. График отражает ряд закономерностей:

♦ связь уровня исследования и масштабов геоизображений;

♦ целесообразные (возможные) диапазоны колебания масштабов геоизображений на разных пространственных иерархических уровнях;

♦ сближение масштабов карт и аэроснимков на (радиальном уровне и сближение карт с космическими снимками на глобальном уровне;

♦ оптимальные сочетания геоизображений, их масштабную совместимость.

Например, для изучения территории России в целом наилучшим окажется сочетание карт масштаба 1:10 000 000 и космических снимков масштаба около 1:40 000 000, причем колебания могут находиться в интервале от 1:1 000 000 до 1:100 000 000 — это зависит от целевых установок, детальности конкретного исследования, особенностей самого изучаемого объекта, допустимой трудоемкости и других подобных факторов. Для исследования Московской области целесообразно взять карты масштаба 1:300 000, аэроснимки — 1:30 000 и космические изображения — 1:2 500 000. При этом диапазон возможного разброса масштабов от 1:10 000 до 1:8 000 000. Опыт показывает, что, выбирая масштаб геоизображения, пользователь интуитивно ищет компромисс между обзорностью и детальностью карты. На уровне глобальных исследований наиболее важна обзорность, а по мере приближения к локальному уровню все более ценится детальность. Несмотря на приблизительность этих соотношений, их полезно иметь в виду при планировании научных исследований, формировании ГИС, составлении новых карт — словом, в любых ситуациях, когда приходится сочетать разные геоизображения.

⇐ Предыдущая 18 19 20 21 22 23 242526 27 Следующая ⇒

Воспользуйтесь поиском по сайту: