Введение
Проблемы обеспечения устойчивого развития человечества требуют активизации усилий по решению проблем сохранения окружающей среды. При этом одними из приоритетных направлений остаются изучение средообразующих функций биологических систем и определение пределов их устойчивости. В этой связи активно развиваются интеграционно- междисциплинарные подходы, и внедряются компьютерные технологии в таких исследованиях.
Наибольшего эффекта в анализе биообъектов по материалам крупномасштабных съемок можно достигнуть, применяя стереофотограмметрический метод, при котором сбор данных осуществляется не только по снимкам, но и по стереомоделям. Несомненные преимущества такого подхода заключаются в том, что пространственные по своей природе объекты изучаются по адекватным им трехмерным моделям, обладающим высокими метрическими свойствами. До недавнего времени сложность реализации фотограмметрических технологий сдерживала их внедрение в практику биоэкологических исследований.
Ситуация изменилась с переходом фотограмметрии на цифровые методы съемки и обработки изображений, что значительно расширило форматы ее приложений. Основные факторы, способствующие этому: применение для съемки цифровых камер и, как следствие, оперативное получение изображений с высоким разрешением; возможность фотограмметрической обработки на компьютере, что обеспечило высокую степень ее автоматизации и визуализацию результатов в стереорежиме на экране монитора.
Таким образом, возникли предпосылки для практической реализации фотограмметрических технологий, адаптированных для сбора пространственных данных о биообъектах, соответствующих следующим уровням биосистем: популяционно-видовому, организменному и клеточному. В частности, по стереомикроизображениям могут быть выявлены морфологические изменения пыльцы и семян различных растений. Стереосъемка с близких расстояний позволяет охарактеризовать растение в целом и отдельные его части (стебель, лист, плод), а стереомакросъемка – исследовать микроструктуру их поверхностей. Наземная стереосъемка в границах фации достаточно информативна для анализа развития видового и популяционного разнообразия.
В целом использование «ярусной» информации, получаемой по материалам аэрокосмических съемок, дополненной данными наземной съемки, с близких расстояний, вплоть до микросъемки, способно обеспечить пространственно сопряженными данными практически все иерархические уровни организации живой природы.
Эти принципиально новые возможности составили основу концепции сбора пространственных данных по цифровым стереомоделям в целях информационного обеспечения многоуровневых исследований биосистем.
Сложность проблемы многоуровневого мониторинга биосистем обусловлена широким спектром изучаемых биообъектов, отличающихся друг от друга многообразием форм и размеров. Очевидно, в этом случае требуются нестандартные виды съемок и, соответственно, иные принципы фотограмметрической обработки, отличные от существующих технологически отлаженных приемов, используемых в фототопографии и прикладной фотограмметрии, и обеспечивающие необходимую степень информационной насыщенности для изучения конкретного уровня. С учетом этого предложены методы и технологии сбора пространственных данных по цифровым стереомоделям, адаптированные к конкретным задачам изучения природных объектов.
Цифровая фотограмметрия как инструмент изучения формы разнообразных биологических объектов
Фотограмметрия как техническая дисциплина в своем развитии опирается на достижения в области фотографии, оптического приборостроения, авиации, космонавтики и вычислительной техники. Технический прогресс в каждой из перечисленных сфер порождает новые технологии в фотограмметрии, посредством которых решаются прикладные задачи в различных областях человеческой деятельности. Уже давно наряду с геодезией фотограмметрия является основным инструментом создания топографических и тематических карт разных масштабов по космическим, аэро- и наземным снимкам.
Современный этап развития фотограмметрии – это цифровая фотограмметрия, базирующаяся на новых технических средствах получения изображений и их компьютерной обработки. Эти технические возможности нашли свое воплощение в новых технологиях решения традиционных задач аэро- и фототопографии, которые реализованы на цифровых фотограмметрических станциях (ЦФС) (рис.1).
Рисунок 1 – Цифровая фотограмметрическая станция «Дельта»
Типовые процедуры цифровой фотограмметрической обработки реализованы не только в составе программного обеспечения ЦФС, но и в полнофункциональных растровых геоинформационных системах (ГИС), например, в Erdas Imagine – программном пакете, разработанном специально для обработки и анализа данных дистанционного зондирования (ДДЗ), выполняющем функции автоматической классификации дешифрируемых объектов. Кроме того, векторные ГИС включают в себя отдельные модули, обеспечивающие использование снимков в виде растровых подложек. Разработан ряд программных продуктов (3D Studio MAX, SoftImage, PhotoModeler и др.) для формирования трехмерных моделей реального мира и их визуализации в разных формах. Они реализуют возможности трехмерного отображения с учетом цвета, фактуры поверхности и параметров освещения, позволяют имитировать движение и т. п.
Важным фактором, влияющим на совершенствование методов фотограмметрии, является создание цифровых съемочных систем (ЦСС). Конструктивно ЦСС, к которым относятся цифровые фотоаппараты и видеокамеры, схожи с аналоговыми съемочными системами, главная особенность ЦСС − применение в них устройств, исключающих химическую обработку фотоматериалов, для фиксации изображений – приборов с зарядовой связью (ПЗС-матриц). Кроме того, они снабжены рядом дополнительных устройств: аналогово-цифровыми преобразователями и модулями памяти для записи цифровых изображений.
Применение ЦСС качественно изменило процесс съемки благодаря автоматизации непосредственно процесса фотографирования, исключению фотографической обработки и, что немаловажно, возможности коррекции визуального качества снимков в интерактивном режиме или позднее, с помощью компьютерных программ.