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,

300 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 среды. 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-

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
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. iconiks] — 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

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*

308 Глава XVIL 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 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 1
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

 

Таблица 17.2 Масштабные классификации геоизображений

 

Геоизображения	Крупномасштабные	Среднемасштабные	Мелкомасштабные
Аэрофото-! снимки	Крупнее 1:5 000	1:5 000-1:100 000	Мельче 1:100 Ood
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