Методы повышения эффективности биологического мониторинга с помощью телевизионных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Будкин, Денис Михайлович

• Будкин, Денис Михайлович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Будкин, Денис Михайлович

Введение

Глава 1. Актуальность биомониторинга, классические схемы

1.1.Растения - индикаторы загрязненности окружающей среды.

1.2.Биомониторинг загрязнения атмосферы и источники выбросов в атмосферу.

1.3.Источники выбросов в атмосферу.

1.4.Методы наблюдения за растениями - биомониторами.

1.5.Постановка задачи исследования.

Глава 2. Дендрологический метод биомониторинга с применением твис.

2.1.Характеристика породы - биомонитора.

2.2.Методика сбора образцов.

2.3.Групповая изменчивость радиального прироста сосны в нормальных условиях местопроизростания.

2.4. Анализ полученных инфомативных признаков.

Глава 3. Алгоритмы обработки изображения.

3.1.Основные характеристики систем восприятия изображения.

3.2.Предварительная обработка изображения срезов.

3.3.Фильтрация изображения среза дерева.

3.4 .Измерение расстояний между элементами изображения.

Глава 4. Программное обеспечение для биомониторинга.

4.1.Организация хранения данных.

4.2.Программа фильтрации изображения среза.

4.3.Программа - «броузер».

4.4.Программа рачета и построения автокорреляционной функции.

4.5.Программа рачета и построения кросскорреляционной функции.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы повышения эффективности биологического мониторинга с помощью телевизионных систем»

На экологическую обстановку в Северо -Западном и Северном регионах России оказывают существенное влияние все те новые процессы , с которыми столкнулось наше государство в последние годы в ходе радикальных преобразований .

Суверенизация" объектов Федерации , дестабилизация финансовой системы , рост инфляции , нестабильность политической обстановки негативно отражаются на осуществлении природоохранных мероприятий . Ослабление влияния центра , постоянные реорганизации Министерства ( так называемые "муки роста" ) , отсутствие четкой горизонтальной системы связи создают почву для серьезного усложнения экологической обстановки, в основном , естественно , в отрицательную сторону .

На сегодняшний день для нашей страны типичными чертами являются низкая экологическая культура субъектов хозяйствования , хищническое природопользование, общегосударственный экологический диктат и практическое отсутствие региональной политики. Эти отрицательные черты характерны для крупных стран , где присутствует значительная территориальная дифференциация природы и общества.

Задача увеличить эффективность экологического мониторинга -одного из приоритетных мероприятий, требующего первоочередной реализации в практике хозяйственного управления на основе вновь создаваемых и проетируемых механизмов релизации региональной экологической политики .

Использование телевизионных измерительных систем (ТВИС) для экологического мониторинга лесных ресурсов страны в целом, и Северо - Западного региона , в частности является предметом данного исследования и будет способствовать оптимизации лесопользования .

В качестве конкретных примеров предполагаемого биомониторинга может быть приведен следующий перечень типовых задач контроля.

1. Контроль воздействия токсикантов на растение , избирательно реагирующего на наличие загрязнителей.

2. Оперативный контроль загрязнения в сочетании математического моделирования зависимости между реакцией растения и концентрацией вещества - загрязнителя .

3. Выявление закономерностей отклика дерева на воздействие наиболее жестких , разрушительных антропогенных факторов.

4. Растительный материал должен быть генетически однородным , условия роста растений должны быть оптимальными и близкими. Следует учитывать влияние климатических параметров на результаты наблюдений.

Для обеспечения расширения функциональных возможностей биомониторинга путем сканирования годичных колец дерева требуется обеспечение специальных алгоритмов обработки полученного изображения , как общих так и частных.

Целью работы является совершенствование известных алгоритмов измерений расстояний между годичными кольцами и разработка новой методики , позволяющей в полной мере использовать свойства ТВИС, увеличения перечня информационных параметров , указывающих на состояние экологической обстановки в регионе. Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач :

- систематизировать известные алгоритмы оценки экологической обстановки в регионе , использующие методики "измерения расстояний между годичными кольцами;

- разработать методику позволяющую расширить как функциональных возможностей установки для биомониторинга , в частности реализовать сверхбыстрые измерения , возможность увеличения информативных параметров , позволяющих оценивать экологическую обстановку в регионе , с последующим прогнозированием;

- исследовать свойства объекта исследования - ТВИС, использующей матрицу на приборе с зарядовой связью ;

- провести экпериментальные исследования по указанным выше вопросам , реализовав установку для измерения.

Структурно работа состоит из введения , и четырех глав.

В первой главе проведен анализ как актуальности работы , так и обзор экологической обстановки в северо - западной части Российской федерации , оценка источников загрязнения , а также известных схем , для решения подобных задач.

Во второй главе рассматриваются характеристики породы биомонитора и , собственно , методика оценки полученных параметров с точки зрения имеющихся дендрохронологических методик.

В третьей главе рассматриваются алгоритмы обработки изображения , такие как предварительная обработка изображения , фильтрация , измерение расстояний между элементами изображения.

В четвертой главе предлагаются инструкции по работе с программным обеспечением , позволяющим эффективно работать с большим числом биомониторов , увеличить скорость обработки полученной информации , а также позволяющим проводить обработку совокупных данных.

Краткая формулировка новизны выполненной работы : В работе скомпилированны области знаний о оптико - электронных системах , экологическом мониторинге и дендрологии , что повлекло за собой появление новых алгоритмов оценки экологической обстановки в регионе. Это же привело к появлению возможности реализации сверхбыстрых измерений расстояний между годичными кольцами , равно как и новых информативных параметров для данной реализации, а именно автокорреляционная Я(х,ф) и кросскореляционные функции К(х,ф) позволяющие произвести экспресс - анализ наличия угнетающих факторов . Из основных положений , выносимых на защиту :

- разработан алгоритм измерения расстояния между годичными кольцами , обеспечивающий измерение этих расстояний с заданной точностью;

- корреляционный анализ изображения радиального среза дерева позволяет существенно сократить время анализа воздействия угнетающих факторов на биомонитор;

- проведенное математическое моделирование по известным дендрологическим шкалам различных регионов подтверждает разработанный алгоритм;

- принцип выбора базовой конфигурации установки , позволяющий сделать выбор универсальной конфигурации типовой телевизионной измерительной системы (ТВИС); использовать стандартных коплектующих в типовой ТВИС, которые упрощают и удешевляют процесс съема информации; возможность сверхбыстрого измерения по сравнению с существующими методами и методиками.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Будкин, Денис Михайлович

Заключение.

Целью работы являлось совершенствование известных алгоритмов измерений расстояний между годичными кольцами и разработка новой методики, позволяющей в полной мере использовать свойства ТВИС на основе прибора с зарядовой связью, увеличения информативных параметров, указывающих на состояние экологической обстановки в регионе. Для решения поставленной цели были: разработаны группы новых практических методик оценки экологической обстановки в регионе; определены новые информативные параметры, позволяющие проводить биомониторинг. В экспериментальной области реализована установка для измерения расстояний между годичными кольцами, создан пакет программ, позволяющих быстро и удобно работать с полученными параметрами, разработана унифицированная система хранения данных.

Были получены основные результаты: разработан алгоритм измерения расстояния между годичными кольцами, обеспечивающий измерение этих расстояний с заданной точностью; корреляционный анализ изображения радиального среза дерева позволяет существенно сократить время анализа воздействия угнетающих факторов на биомонитор; проведенное математическое моделирование по известным дендрологическим шкалам подтвердило разработанный алгоритм; разработан принцип выбора базовой установки, позволивший сделать выбор универсальной конфигурации типовой ТВИС, использовать стандартные комплектующие в типовой ТВИС, которые упрощают и удешевляют процесс съема информации, появилась возможность сверхбыстрого измерения по сравнению с существующими методами и методиками.

Неоспоримыми достоинствами этого метода являются: исследование воздействий основных загрязняющих веществ непосредственно на живые организмы; обеспечение измерения суммарного эффекта от воздействия всех факторов окружающей среды; он позволяет изучать зависимость между концентрацией токсикантов и факторами их воздействия на растения; предоставляется возможность определить пространственно - временную изменчивость интенсивности воздействия на растения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Будкин, Денис Михайлович, 2000 год

1. Анисимов Б.В., Злобин В.К. Разработка и методика моделирования на ЭЦВМ некоторых алгоритмов нормализации плоских изображений//Автоматическое управление и вычислительная техника . М.:,1%8, вып.9, С.200-212.

2. Андреев Г.А.,Базарский О.В., Глауберман A.C. Анализ и синтез случайных пространственных текстур//3арубежная радиоэлектроника, 1984, №2 С.3-33.

3. Аспирантский сборник . Спб., ГИТМО , 1999.

4. Битвинскас Т. Т. Дендроклиматические исследования. Л., Гидрометеоиздат, 1974, 172 с.

5. Бугаев В. А., Лозовой А. Д. Влияние засухи 1972 г. на прирост ельников Тульской области. В сб,: Дендроклиматические исследования в СССР. Архангельск, 1978, с. 83-84.

6. Бузыкин А. И. Оценка эффективности лесоводственных мероприятий по ширине годичных колец. В сб. Дендроклиматические исследования в СССР. Архангельск, 1978, с. 158-159.

7. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений /Под ред. Г.С.Хуанга. М.: Радио и связь, 1984.

8. Ваганов Е. А., Спиров В.В., Терсков И. А. Фотометрический анализ структуры годичных слоев древесины хвойных. «Изв. Сиб. отд. АН СССР», № 5, Сер. Биол. Наук. вып. 1. С.132-138.

9. Ваганов Е. А., Терсков И. А. Анализ роста дерева по структуре годичных колец. Новосибирск, «Наука», 1977.

10. Веверис А. Л. Изменчивость основных показателей свойств древесины ели обыкновенной и березы бородавчатой в Латвийской ССР // Лесохозяйственная информация, № 1, 1977, с. 19-21

11. Вихров В. Е. Диагностические признаки древесины главнейших лесохозяйственных и лесопромышленных пород СССР. Изд-во АН СССР, 1959.

12. Гусев И. И. О качестве древесины северной ели, Лесная таксация и лесоустройство, Межвузовские научные труды по лесному хозяйству, Выпуск 3, Красноярск, 1974г. С. 25-31

13. Долацис Я. А., Ильясов С. Г., Красников В. В. Воздействе ИК-излучения на древесину. Рига: Изд-во «Зинатне», 1973.

14. Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен : Пер. с англ. М.: Мир, 1976.

15. Иванова Э. А. Связь радиального прироста сосны с некоторыми метеофактами в сосняке черничном Архангельской области (юго-запад средней подзоны тайги). В сб.: Дендроклиматические исследования в СССР. Архангельск, 1978, с.122.

16. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1979

17. Кайрюкштис Л. А., Юодвалькис А. И. Особенности сезонного формирования годичных слоев в связи с климатическими условиями. В сб.: Дендроклиматология и радиоуглерод. Каунас, 1972, с. 27-31.

18. Козлов В. А., Филлинов М. М. Информационный листок №218-79. УДК 5.39.218. от 26.11.1979 г. Петрозаводск.

19. Комин Г. Е. Влияние климатических и феноценотических факторов на прирост деревьев в древостоях. Экология, № 1 1973, с.74-83.

20. Коноваленко В. М. Сезонный прирост по высоте деревьев ели разных классов Крафта. В сб.: Дендроклиматические исследования в СССР. Архангельск, 1978, с. 91 - 92.

21. Куусела Куллерво . Динамика бореальных лесов. Хельсинки . А/о Репола, 1991

22. Лакатош Б. К. Гаммаскопия древесины, Ростов-на-Дону, 1958.

23. Лебедев В.В. Техника оптической спектроскопии. М.:Изд-во МГУ, 1986.

24. Лобжанидзе Э. Д., Бариашвили И. Г. Влияние месторасположения дерева ели восточной в древостое на радиальный прирост и анатомическую структуру древесины. В сб,: Дендроклиматические исследования в СССР. Архангельск, 1978, с.135.

25. Ловелиус Н. В. Изменчивость прироста деревьев. Л., Наука, 1979, 232 с.

26. Миронов Б. А. Особенности сезонного и годичного роста сосняков Ильменского заповедника. В сб,: Дендроклиматические исследования в СССР. Архангельск, 1978, с.97.

27. ЗЗ.Обработка изображений и цифровая фильтрация/Под ред. Т.С.Хуанга, М.:Радио и связь , 1979.

28. Оранский A.M. Аппаратные средства в цифровой вычислительной технике . Минск : Изд во БГУ, 1977.

29. Орлов В. В., Мусняков С. И., Розанов М. И., Леонов Б. И., Гусев Е. А. Авторское свидетельство № 807774.

30. Писаревский А.Н. и др. Системы технического зрения(принципиальные основы, аппаратное и математическое обеспечение), Л.-.Машиностроение . Лен.отделение,1988.

31. Полубояринов О. В. «Древесиноведение. Таблицы, формулы, графики»: Учебное пособие по курсу древесиноведение и лесное товароведение. СПб: ЛТА, 1997г. 28 с.

32. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения/ Под ред. П.Йесперса , Ф.Ван де Виле и М.Уайта. М.:Мир,1977,т.1,2.

33. Прэтт У. Цифровая обработка изрбражений: В 2-х кн., М.:Мир, 1982.

34. Радиотехнические цепи и сигналы/Под ред. Самойло К.А. М.:Радио и связь, 1982.

35. Рихтер И. Э. Влияние биологической милиорации и периодического недстатка влаги на динамику прироста у сосны и ели. В сб,: Дендроклиматические исследования в СССР. Архангельск, 1978, с. 142-143.

36. Сироткин Ю. Д. Сезонный прирост древесины некоторых хвойных интродуцентов в лесных культурфитоценозах Белоруссии. В сб,: Дендроклиматические исследования в СССР. Архангельск, 1978, с.101-102.

37. Спиров В. В. Анализ факторов, влияющих на рефлектограммы годичных слоев древесины, сб. «Пространственные изменения климата и годичные кольца деревьев», Каунас, 1981.

38. Спиров В.В., Терсков И. А. Ваганов Е. А., Исследования роста деревьев на микрофотометрическом анализаторе. В сб.,:Дендроклиматология и радиоуглерод. Каунас, 1972. С. 137 -140.

39. Тарасов А. И. Связь изменчивости годичного прироста сосны по толщине со степенью угнетения деревьев. В сб,: Дендроклиматические исследования в СССР. Архангельск, 1978, с.146.

40. Терсков И. А., Ваганов Е. А. Анализ роста дерева по структуре годичных колец. Наука, Новосибирск, 1977. 93с.

41. Терсков И. А. Ваганов Е. А., Спиров В.В. Новые методы изучения распределения пористости и плотности древесины внутри годичных слоев. «Изв. Сиб. отд. АН СССР», №15. Сер. Биол. Наук. вып. 3, с. 115 -120.

42. Уголев Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения -М,- Лесная промышленность, -1986г., 368 с.Конспект лекций за 1998г.94

43. Чершкене И. Корреляция ширины годичных колец ели и климатических факторов в западной Литве. В сб.: Дендроклиматология и радиоуглерод. Каунас, 1972, с.49-54.

44. Fritts L. С. Tree rings and climate. Academic press, London, New York, San Franciscko, 1976, 567 p.

45. Polge H. Paper prosented to a meeting of I. U. F. R. O. (Section 41), Melbourne, 1965.

46. S.G.Huang «Fixed Points of Running Medians»; Tech.Rpt.Dept. of EEPI of New Iork (1977)

47. S.G.Huang , G.J.Yang , G.Y.Yang: «А Fast Two Dimensional Median Filtering Algoritm» ; School of EEPU(1977)

48. W.K.Pratt: Digital Image Processing. ( Willey, New Jork 1978)