Разработка и применение автоматизированной системы оценки качества окружающей среды в районе металлургических предприятий

Архитектура и программное обеспечение автоматизированной системы

Архитектура автоматизированной системы оценки качества ОС в районе металлургических предприятий (АСКОС-МП) состоит из следующих программных модулей:

  • ? модуль управления - главный модуль системы;
  • ? модуль кластеризации и классификации космических изображений территорий в районе металлургических предприятий;
  • ? модуль баз данных показателей качества природной среды в районе металлургических комбинатов, который включает в себя программы первичной обработки баз данных показателей качества природной среды;
  • ? модуль управления алгоритмами кластеризации, классификации и ранжирования;
  • ? модуль кластеризации и классификации,
  • ? модуль ранжирования;
  • ? модуль экологического районирования;
  • ? модуль визуализации результатов.

Данная информационная система программно реализована на ш-языке среды Matlab и предназначена для решения различных задач классификации и кластеризации баз данных, содержащих таблицы показателей экологического состояния природной среды в районе металлургических предприятий, включая также сегментацию, кластеризацию и классификацию природных объектов на аэрокосмических изображениях. Как отмечено в предыдущей главе, геометрические размеры, конфигурация и биометрические показатели покрытых лесом земельных участков могут быть частично получены из аэрокосмических изображений. В результате классификации и кластеризации космических изображений лесных массивов вокруг металлургических предприятий можно отделить пораженные газовыми выбросами участки лесного массива от участков с меньшей степенью поражения. Для этого необходимо распознать земельные участки на расклассифицированном космическом изображении, преобразовав тем самым точечные измерения в площадные. С этой целью в состав АСКОС МП включен модуль кластеризации и классификации космических изображений территорий в районе металлургических предприятий.

Блок-схема программного обеспечения АСКОС МП представлена на рис.7.1. Как следует из рис.7.1, для проведения оценок в систему необходимо загрузить исходные экоданные либо в виде космического изображения, либо в виде базы данных с описанием земельных участков. Также требуется выбрать алгоритм, с помощью которого будет проводиться классификация изображения.

Блок-схема программного обеспечения автоматизированной системы АСКОС-МП

Рис.7.1. Блок-схема программного обеспечения автоматизированной системы АСКОС-МП

С помощью программ модуля кластеризации изображение разделяется на отдельные области - кластеры. Такая операция получила название сегментации изображений. Количество областей, на которое требуется разделить космический снимок территории, может быть введено в программу в режиме диалога. Каждая область на изображении должна быть идентифицирована с помощью базы данных о показателях качества природной среды. В результате идентификации данные точечных измерений доза-эффект показателей могут быть распространены на площадные участки.

Одной из важных задач АСКОС-МП является обработка базы данных показателей экологического состояния ОС вокруг металлургических производств. Программы, решающие эти задачи входят в автономные модули: модуль первичной обработки баз данных о показателях качества природной среды, модуль управления алгоритмами кластеризации, классификации и ранжирования, модуль кластеризации и классификации, модуль ранжирования. Данные модули могут вести обработку баз данных автономно и независимо от модулей классификации и кластеризации космических изображений.

Модуль управления автоматизированной системы АСКОС-МП представляет собой панель управления, на которой расположены управляющие элементы: кнопки, списки, окна ввода и пр., предназначенные для загрузки и управления работой различных модулей АСКОС МП второго уровня. Диалоговое окно модуля управления АСКОС МП представлено на рис.7.2.

Главное диалоговое окно (панель управления) модуля управления автоматизированной системы АСКОС-МП

Рис.7.2. Главное диалоговое окно (панель управления) модуля управления автоматизированной системы АСКОС-МП

На рис.7.2 вместе с элементами управления показаны исходное и классифицированное космическое изображение вокруг медеплавильного комбината на Южном Урале. Вокруг комбината отчетливо видна импактная зона, которая выделяется в результате работы алгоритма кластеризации. В данном конкретном случае был использован алгоритм нечетких с-средних (Fuzzy c-means - Fsm).

Модуль управления устроен следующим образом. В верхней части панели управления расположена кнопка ввода многозонального космического изображения. Каждый спектральный канал вводится отдельно и может быть передан для дальнейшей обработки в модуль кластеризации и классификации космических изображений.

В средней части панели управления имеется элемент управления - список, с помощью которого пользователь системы может выбрать алгоритм кластеризации. Для каждого алгоритма кластеризации на панель управления выводятся соответствующие данному алгоритму элементы управления - окна ввода для передачи в систему параметров обработки. В конкретном варианте рис.7.2 был выбран алгоритм Fsm, для работы которого необходимо передать в систему значения следующих параметров:

  • ? количество кластеров, на которые следует сегментировать изображение;
  • ? максимальное количество итераций;
  • ? точность разделения на кластеры;
  • ? величину m-параметра (см. формулу (4.17)).

Кнопка «Применить» загружает на исполнение программу выбранного алгоритма кластеризации.

В средней части панели управления расположена также кнопка «Info». Эта кнопка позволяет получить более подробную информацию о результатах кластеризации. При нажатии кнопки на экран выводится информационное окно. Пример одного из вариантов информационного окна для случая разделения изображения на десять кластеров представлен на рис.7.3.

В правой части панели управления расположен список «Extra-опции». В этом списке находятся программы визуализации результатов кластеризации в виде трехмерных поверхностей или столбиковых диаграмм вертикальных сечений.

Кнопка «Земельные участки» является шлюзом в модули первичной обработки базы данных показателей качества природной среды и управления алгоритмами кластеризации, классификации и ранжирования.

Информационное окно результатов кластеризации космического изображения территории вокруг металлургического комбината на десять кластеров

Рис.7.3. Информационное окно результатов кластеризации космического изображения территории вокруг металлургического комбината на десять кластеров

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >