Разработка методики многоуровневого линеаментного анализа аэрокосмических изображений и прогноза оползневой опасности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат технических наук Донов, Владислав Валерьевич

• Донов, Владислав Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Донов, Владислав Валерьевич

Введение.стр.

1. Анализ опыта использования аэрокосмических изображений для изучения экзогенных процессов.стр.

1.1 Аналитический обзор опубликованных материалов

1.2 Постановка задачи исследования

2. Разработка методики проведения многоуровенного линеаментного анализа космических изображений и аэрофотоснимков для выявления линеаментов разных иерархических уровней.стр.

2.1 Метод автоматизированного линеаментного анализа космических изображений и аэрофотоснимков

2.2 Разработка научных основ многоуровенного линеаментного анализа космических изображений и аэрофотоснимков

2.3 Результаты апробации многоуровенного линеаментного анализа аэрокосмических изображений на тестовом участке района Кузбасса.

3. Отработка методики использования многоуровенного анализа для ранжирования линеаментов и прогноза оползневой опасности на тестовых участках Черноморского побережья Кавказа.стр.

3.1 Геологическое строение района исследований

3.2 Основные закономерности развития оползней на Черноморском побережье Кавказа

3.3 Отработка методики ранжирования линеаментов и прогноза оползневой опасности на тестовых участках

3.3.1 Мамайский тестовый участок

3.3.2 Туапсинский тестовый участок

3.3.3 Дагомысский тестовый участок

4. Разработка методики оценки оползневой опасности с использованием мультифрактального анализа космических изображений и аэрофотоснимков.стр.

4.1 Описание методики мульти фрактальной параметризацией изображений природных структур

4.2 Информационная интерпретация мультифрактального формализма

4.3 Разработка методики использования мультифрактального анализа для обнаружения оползневых структур на аэрокосмических снимках

4.4. Экспериментальная апробация предложенной методики на примере Мамайского тестового участка

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики многоуровневого линеаментного анализа аэрокосмических изображений и прогноза оползневой опасности»

Территория Российской Федерации характеризуется разнообразием природно-климатических и геологических условий, а также широким спектром видов техногенного воздействия на окружающую природную среду. Это обуславливает развитие на территории России многих геологических опасностей (оползни, карст, криогенные и другие ЭГП - экзогенные геологические процессы), оказывающих существенное влияние на инженерно-хозяйственные объекты, практику природо- и недропользование. Значительные площади хозяйственно освоенных территорий требуют широкого применения методов дистанционного зондирования Земли, обеспечивающих существенную оптимизацию (временную, экономическую) работ по региональному изучению природных, в том числе геологических опасностей, а также целевых исследований, направленных на оценку воздействия хозяйственной деятельности на окружающую природную среду [1].

Начало систематического применения материалов дистанционного зондирования для изучения, картирования и мониторинга опасных геологических процессов относится к концу 70-х - началу 80-х г.г. XX в. В этот период геологической службой была создана сеть опытных полигонов, выбранных с учетом разнообразия природных и геологических условий [2,3]. Эти полигоны являлись своеобразной природной лабораторией по изучению возможностей применения материалов дистанционного зондирования для изучения и мониторинга опасных геологических процессов. На основании результатов работ на опытных полигонах было определено, что объектами мониторинга средствами дистанционного зондирования Земли являются только те геологические явления, которые прямо или косвенно отражаются на материалах дистанционного зондирования и которые могут быть уверенно выделены и диагностируемы по данным, получаемым дистанционными методами. В частности, было установлено, что обработка материалов дистанционного зондирования должна обеспечивать [4]:

• обнаружение участков активизации и границ опасных геологических явлений, их типизацию и оценку, определение площади воздействия;

• качественную и количественную оценку показателей и параметров опасных геологических явлений.

Для выявления трещиноватости горных пород и оценки оползневой опасности в работе использован автоматизированный линеаментный анализ. В последние несколько лет одним из важнейших источников информации при исследовании природных и антропогенных ландшафтов стали аэро- и космические снимки Земли высокого пространственного разрешения (high resolution images). Такие данные, обладая крайне высокой гетерогенностью, существенно увеличили роль пространственных признаков при анализе земной поверхности. Это обстоятельство привело к тому, что проблема количественного описания сложных и крайне нерегулярных текстур превратилась в одну из главных задач научных исследований в области дистанционного зондирования Земли в последнее десятилетие [6, 7].

Одним из путей решения данной задачи, является применение методов фрактальной геометрии к анализу пространственных структур цифровых изображений земной поверхности. Перспективы применения фрактальной геометрии представляются особенно привлекательными, поскольку она предлагает инструменты количественного описания изображения сложных объектов земной поверхности. Важность и полезность теории фракталов для решения задач дистанционного зондирования может объясняться и тем фактом, что данные, полученные в процессе дистанционного зондирования Земли являются не только изображениями, сложными в пространственной и спектральной областях, но и тем, что эти изображения часто демонстрируют самоподобие на разных пространственных уровнях [5]. Описание земной поверхности, учитывающее их стохастическое самоподобие, нашло применение при решения большого числа задач дистанционного зондирования Земли по обработке изображений и распознаванию образов. Например, ряд исследователей использовали фрактальные методики для описания текстур и сегментов изображений различного типа [41-42]. Фрактальное количественное описание неровностей рельефа на изображениях, полученных в процессе дистанционного зондирования Земли, было использовано для обнаружения изменений рельефа [45,46,47].

Заключение диссертации по теме «Геоэкология», Донов, Владислав Валерьевич

Заключение

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

Разработана методика выделения линеаментов разных иерархических уровней, позволяющая проводить детальное изучение локальных и региональных систем линеаментов различной физической природы и выявлены системы линеаментов на Черноморском побережье Кавказа трех иерархических уровней, оказывающие определяющее влияние на степень раздробленности (трещиноватости) земной коры и пути миграции подземных вод.

• Разработана методика оценки оползневой опасности на основе многоуровневого линеаментного анализа аэрокосмических изображений земной поверхности, позволяющая выявить участки земной поверхности благоприятные для развития оползневых процессов.

• Разработана методика оценки оползневой опасности на основе мультифрактального анализа аэрокосмических изображений земной поверхности, позволяющая определить местоположение участков территории с высокой оползневой активностью.

• Проведена апробация разработанных методик при выполнении производственных работ по определению степени оползневой опасности территорий на объекте «Федеральная автомобильная дорога М-27 Джубга - Сочи». Составлены карты оползневой опасности на исследуемую территорию

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Донов, Владислав Валерьевич, 2009 год

1. Динамическая геоморфология (уч. пособие под редакцией Ананьева) М., М29, 1992, 448 с.

2. Комаркитский Н.И., Чернов Н.И., Гревцева Л.М. и др. Закономерности формирования оползневых склонов и принципы прогноза оползневых явлений на Черноморском побережье Краснодарского края. Отчет за 1973 г. М. 1973, Росгеолфонд.

3. Садов А.В., Ревзон A.JI. Аэрокосмические методы в гидрогеологии и инженерной геологии. М., Недра, 1979, 223 с.

4. Корсаков С. Г., Семенуха И.Н., Черных В.И. и др. Отчет по ГДП-200 и подготовке к изданию Госгеолкарты-200 листов L-37-XEX, L-37-XXV, L-37-ХХХШ, L-37-XXXIV (Северо-Западный Кавказ) в 4-х книгах. М. 2001, Росгеолфонд.

5. Аковецкий В.И. Дешифрирование снимков. М. Недра, 1983, 374 с.

6. Аэрометоды геологических исследований. ДАН СССР, 1971, т. 199, №1, 704 с.

7. Богомолов J1.A. Дешифрирование аэроснимков. М. Недра, 1976, 146 с.

8. Брюханов А.В., Господинов Г.К., Книжников Ю.Ф. Аэрокосмические методы в геодезических исследованиях. М., МГУ, 1982, 232 с.

9. Кац Я.Г., Тевелев А.В., Полетаев А.И. Основы космической геологии. М., Недра, 1988.

10. Петрусович М.Н. Воздушная и наземная стереофотосъемка при геологических исследованиях. М., МГУ, 1976.

11. Рябухин А.Г., Макаров В.И., Макарова Н.В. Космические методы в геологии. М., МГУ, 1988.

12. Основные положения организации и производства космофотогеологического картографирования масштаба 1:100000 (1:500000). М, Мингео СССР, 1984.

13. Кравцова В.И., Козлова Е.К., Фивенский Ю.И. Космические снимки. Методическое руководство. М. МГУ, 1985.

14. Амурский Г.И., Бондарева М.С., Кац Я.Г. и др. Дистанционные методы изучения тектонической трещиноватости пород нефтегазоносных территорий. М., Недра, 1988.

15. Автоматизированный линеаментный анализ природных линеаментных систем. JL, ВСЕГЕИ, 1988, 131 с.

16. Методическое руководство по изучению планетарной трещиноватости и линеаментов. Л., ЛГУ, 1977, 270 с.

17. Короковский Н.В., Златопольский А.А., Иванченко Г.Н. Автоматизированное дешифрирование космических снимков с целью структурного анализа. Исследование Земли из космоса, 1986., №1, с 111-118.

18. Кац Я.Г. Полетаев А.И. Румянцева Э.Т. Основы линеаментной тектоники. М., Недра, 1986, 144 с.

19. Верещака Т.В., Зверев А.Т., Сладкопевцев С.А., Судакова С. С. Визуальные методы дешифрирования. М., Недра, 1990, 342 с.

20. Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем. М., Недра, 1984, 350 с.

21. Востокова Е.А., Шевченко JI.A., Сущена В.А. и др. Картографирование по космическим снимкам и охрана окружающей среды. М., Недра, 1982, 251 с.

22. Книжников Ю.Ф. Основы аэрокосмических методов географических исследований. М., МГУ, 1980, 137 с. Космическая съемка и тематическое картографирование. М., МГУ, 1980, 272 с.

23. Лазарева А.И., Савиных В.П. Достижения отечественной пилотируемой космонавтики в изучении окружающей среды. С.-Петербург, «Гидрометеоиздат», 1996, 54 с.

24. Михайлов А.Е., Корчуганова Н.И., Баранов Ю.Б. Дистанционные методы в геологии. М., Недра, 1993, 225 с.

25. Объедков Ю.Л. Гидрогеологический анализ аэрокосмической информации. М., Наука, 1993, 144 с.

26. Ревзон А.Л. Космическая фотосъемка в транспортном строительстве. М., Транспорт, 1993, 272 с.

27. Сладкопевцев С.А. Изучение и картографирование рельефа с использованием аэрокосмической информации. М., Недра, 1982, 215 с.

28. Малинников В.А., Савиных В.П., Сладкопевцев С.А. География из космоса. М., МИИГАиК, 2006, с. 111-116

29. Калинкин А.А., Зверев А.Т. Методика поиска рудных месторождений на основе линеаментного анализа космических снимков. Известия вузов Геодезия аэрофотосъемка, №1, 1998, с. 83-91.

30. Зверев А.Т., Малинников В.А., А. Ареллано-Баэса. Изучение динамики линеаментов, вызванных землетрясением в Южной Америке, с применением линеаментного анализа данных спутника ASTER (TERRA). Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка., 2005, №5, с 56-65.

31. Бондур В.Г., Зверев А.Т. Методы прогнозирования землетрясений на основе линеаментного анализа космических изображений. Доклад АН, 2005, т. 402, №1, с. 98-105.

32. Бондур В.Г., Зверев А.Т. Космический метод прогноза землетрясений на основе анализа динамики систем линеаментов. Исследования Земли из космоса, 2005, №3, с 37-52.

33. Зеркаль О.В. Использование материалов дистанционного зондирования в инженерно-геологическом и эколого-геологическом картографировании, при изучении и мониторинге // ArcReview, №3 (34), 2005.

34. Методические рекомендации по применению материалов космофотосъемки при региональных гидрогеологических и инженерно-геологических исследованиях / под ред. А.В.Садова. М.: ВСЕГИНГЕО, 1982, 83 с.

35. Основные положения по организации и проведению работ на полигонах аэрокосмического мониторинга геологической среды (АКМГС) / И.В.Кузьмина, А.В.Садов, М.И.Бурлешин, И.И.Пискун. М., ВСЕГИНГЕО, 1986, 34 с.

36. Sun, W., Xu, G., Gong, P. and S. Liang, Fractal analysis of remotely sensed images: A review of methods and applications, International Journal of Remote Sensing, 27(22), P. 4963-4990, 2006.

37. Юшко В.А. Многомерный анализ временных рядов электротеллурических данных на пункте Верхняя Паратунка (Камчатка) // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле, 2007, Вып. 9, № 1, С. 159-168.

38. Pentland, А.Р. Fractal-based descriptions of natural scenes. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 6, P. 661-674, 1984.

39. Keller, J.M., Crownover, R.M. and Chen, R.Y. Characteristics of natural scenes related to the fractal dimension. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 9, P. 621-627, 1987.

40. De Jong, S.M. and Burrough, P.A., 1995, A fractal approach to the classification of Mediterranean vegetation types in remotely sensed images. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 61, P. 1041-1053.

41. Myint, S.W., Fractal approaches in texture analysis and classification of remotely sensed data: Comparisons with spatial autocorrelation techniques and simple descriptive statistics. International Journal of Remote Sensing, 24, P. 1925-1947, 2003.

42. Lam, N.S.-N. Description and measurement of Landsat TM images using fractals. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 56, P. 187-195, 1990.

43. Jaggi, S., Quattrochi, D.A. and Lam, N.S.-N., Implementation and operation of three fractal measurement algorithms for analysis of remote-sensing data. Computer and Geosciences, 19, P. 745-767, 1993.

44. Emerson, C.W., Quattrochi, D.A. and Lam, N.S.-N., 2004, Spatial metadata for remote sensing imagery. Available online at: www.esto.nasa.gov/conferences/estc2004/papers/b8p2.pdf (accessed 10 May 2005).

45. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. — М.: Институт компьютерных исследований, 2002. 656 с.

46. Крылов С. С., Бобров Н. Ю. Фракталы в геофизике: Учеб. пособие. СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 2004. - 138 с.

47. Встовский Г. В., Колмаков А. Г., Бунин И. Ж. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов. Москва-Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 116 с.

48. Harte D. Multifractals: theory and applications. Chapman & Hall/CRC, 2001. - 248 p.

49. Olsen L. A multifractal formalism. Advances in mathematics. 1995. vol. 116, P. 82-195.

50. Renyi, A. "On Measures of Entropy and Information." Proc. Fourth Berkeley Symp. Math. Stat, and Probability, Vol. 1. Berkeley, CA: University of California Press, P. 547561, 1961.

51. Grassberger P., Procaccia I. Characterization of strange attractors. Phys. Rev. Lett. 50, P. 346-349, 1983.

52. Halsey T.C., Jensen M.H., Kadanoff L.P., Procaccia I. and Shraiman B.I. Fractal measures and their singularities: The characterization of strange sets. Phys. Rev. A33(2), P. 1141-1151, 1986.

53. Hentshel H. G. E., Procaccia I. The infinite number of generalized dimensions of fractals and strange attractors. Physica D, 1983, 8, 435-444. Rev., A34, P. 1621-1624, 1986.

54. Антонов В.В. Абелов Е.Г., Девятинина JI.B. и др. Отчет о проведении сейсмологических, геолого-геофизических и геодезических работ в сейсмоактивных районах Сев. Кавказа РСФСР в 1985-86г.- Обнинск, 1987.

55. Ванидовский А.Г., Пытеев С.В., Егунов Н.Н. и др. Результаты обследования пещер Краснодарского края в 1989г. Отчет Черноморской инженерно-геологической, гидрогеологической и геоэкоглогической картины за 1989г.- Сочи, 1989.

56. Ворошилов В.И. Отчет по результатам оползневой съемкой масштаба 1:10000 Черноморского побережья Кавказа на участке Мгри-Мамайка (Лазаревский р-н г. Сочи). ВСЕГИНГЕО, 1967.

57. Гревнева Л.М. и др. Отчет по картированию инженерно-геологических процессов в Туапсинском районе Краснодарского края (междуречье М. Пляхоту и Агай-Туапсе) за 1974г.- Сочи, 1975. МГ РСФСР. Гидрорежимная экспедиция.

58. Грегишников Г.А. и др. Изучение разломов и зон тектонической активизации в прогнозных целях на основе глубинной сейсмологической информации. -М.: 1999, Центр ГЕОН.

59. Гробман B.C., Шилкин В.Н., Лапина А.П. и др. Центральная методическая партия по аэрометодам. (Отчет по теме № 123 за 1969-1970г.г.).- Ессентуки, 1970.- М.: Росгеофонд.

60. Дьяков Л.И., Корнев В.И., Бойдов Ф.К. и др. Тектоническая карта Краснодарского края (Западное Предкавказье и Северо-Западный Кавказ в масштабе 1:2000000).-Краснодар, 1974. Росгеофонд.

61. Зарва А.В., Комарницкий Н.И., Голубева Л.И. и др. Сводный отчет по дежурному инженерно-геологическому обследованию масштаба 1:500 Сочи-Мацестинского района в междуречье Мамайка-Кудепста а период с 1951 по 1967 годы. МГ РСФСР,

62. Гидрорежимная экспедиция. Черноморская комплексная гидрогеологическая и инженерно-геологическая станция.- Сочи, 1970.

63. Ивченко П.И. Оползни Армавир-Туапсинской линии Северо-Кавказских жел. дор. Им. С.Д. Маркова, 1932. Аз.-Черн. Геол. Упр.-М.: Росгеолфонд.

64. Ивченко П.В. и Пчелинцев В.Ф. Оползни Черноморского побережья Кавказа (гор.Туапсе-сел.Хоста). 1932. ЦНИГРИ.

65. Измайлов Я.А. и др. Обобщение результатов инженерно-геологических исследований экзогенных геологических процессов на Черноморском побережье с целью прогноза их развития. Севказгеология. Сочи, 1987.

66. Комарницкий И.И. и др. Изучение инженерно-геологических процессов, реима и баланса подземных вод на Черноморском побережье Кавказа (краснодарский край), Сводный инженерно-геологический отчет за 1971-1975г.г. Сочи, 1976. МГ РСФСР. Центр. ИГ и ГГЭ.

67. Корсаков С.Г., Семенуха И.Н., Черных В.И. и др. Отчет по ГДП и подготовке к изучению Госгеол-карты-200 листов L-37-XIX, L-37-XXV, L-37-ХХХШ, L-37-XXXIV (Северо-Западныз-Кавказ). Ессентуки, 2001г. М. Росгеолфонд.

68. Круподёров B.C. и др. Прогноз развития экзогенных геологических процессов на Черноморском побережье СССР (заключительный отчет). ВСЕГИНГЕО, 1975.

69. Маркорьян В.В. и др.Опытно-методические работы по проверке и уточнению долговременных прогнозов развития ЭГП в береговой полосе Черного моря. п.Зелёный, 1987. ВСЕГИНГЕО.

70. Огаджанов В.А. и др. выявление и оценка аномалий напряженного состояния земной коры для изучения активной тектоники, современной геодинамики и прогноза полезных ископаемых в пределах юго-востока Русской платформы. Саратов, 1977. НВ НИИГГ.

71. Турбин Л.И. и Александрова Н.В. Схематическая карта неотектоники части СЗ Кавказа масштаба 1:200000 (объяснительная записка по неотектоническимисследованиям в горной части Краснодарского края за 1972-1975г.г.). Краснодар, 1975. Росгеолфонд.

72. Чернов Н.И. и др. Отчет по картированию инженерно-геологических процессов в Туапсинском районе Черноморского побережья Краснодарского края за 1973г. Сочи, 1974. МГ РСФСР, гидрорежимная экспедиция.

73. Короновский Н.В., Златопольский А.А., Иванченко Г.Н., 1986; Автоматизированный анализ природных линеаментных систем, 1988

74. Цифровая видеообработка информации, 1991; Zlatopolsky, А., 1992; Zlatopolsky, А.,19971. С/