Исследование фрактальных свойств космических изображений облаков
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 объединенном международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Иркутск, 2001), на 9 международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2002), на 7 Всероссийской школе-коллоквиуме по стохастическим методам (Сочи, 2000), на 53 и 54 научно-технических конференциях студентов, аспирантов… Читать ещё >
Содержание
- ЧАСТЬ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
- ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
- 1. Л. Облачный покров и климат
- 1. 2. Стохастическая структура полей облачности и радиации
- 1. 3. Дистанционное зондирование облачности
- 1. 4. Постановка задачи исследования
- 1. Л. Облачный покров и климат
- 2. 1. Облачный покров: классификация и описание облачных форм
- 2. 2. Автоматизированное дешифрирование облачного покрова по материалам космической съемки
- 2. 3. Разработка и создание компьютерной базы изображений облаков
- 3. 1. Теоретические основы фрактального анализа природных объектов
- 3. 2. Виды фрактальных размерностей и методы их вычислений
- 3. 3. Алгоритмы и программы фрактального анализа пространственных и временных данных
- 3. 4. Технология фрактального анализа изображений облачного покрова
- 4. 1. Статистические и фрактальные свойства пространственной структуры облачных образований
- 4. 2. Монофрактальная параметризация цифровых изображений облачности
- 4. 3. Мультифрактальная параметризация цифровых изображений облачности
- 5. 1. Особенности пространственных спектров изображений различных типов облаков
- 5. 2. Фрактальная параметризация спектров мощности облачных образований облаков
- 5. 3. Фрактальная параметризация фазовых спектров облачных образований
Исследование фрактальных свойств космических изображений облаков (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Актуальность проблемы определяется тем, что сильная пространственно-временная изменчивость облачного покрова в значительной степени определяют динамику радиационного режима и полей яркости системы «атмосфера — подстилающая поверхность». Знание пространственно-временных вариаций потоков солнечной радиации длинноволнового излучения Земли, требуется при разработке схем параметризации лучистого теплообмена в численных моделях общей циркуляции атмосферы, прогноза погоды и динамики облаков. Оптические характеристики облаков являются случайными скалярными полями, во-первых, из-за стохастической геометрии облачного покрова (нерегулярная причудливая форма очертаний, количество, размеры и положение в пространстве отдельных облаков), во-вторых, из-за макромасштабных флуктуаций водности облаков. Неупорядоченность, хаотическое поведение обнаруживается во многих атмосферных процессах (турбулентность, агрегация облачных частиц и др.), большая часть этих процессов протекает с сильной диссипацией и описывается законами детерминированного хаоса и фрактальными размерностями как для топологии движения в реальном пространстве, так и для эволюции в фазовом пространстве. Известно, что феномен облачного образования в большинстве своем фракталей. Однако, сегодня доминирует традиционное описание облачных структур, основанное на их представлении геометрическими объектами с целыми размерностями, которое в силу указанных причин не позволяет дать адекватное описание регулярных и нерегулярных стохастических самоподобных структур облаков на разных масштабных уровнях.
Актуальность диссертационной работы, таким образом, обусловлена:
• необходимостью изучения стохастической геометрии облачных полей и разработки адекватных этим полям фрактальных параметрических моделей;
• необходимостью разработки соответствующих автоматизированных технологий извлечения информации о фрактальных свойствах природных объектов из данных дистанционного зондирования.
Целью диссертационной работы является исследование фрактальных свойств космических изображений облачных образований для решения задачи параметризации облачного покрова в численных моделях общей циркуляции атмосферы и прогноза погоды, на базе разработанной автоматизированной технологии фрактального анализа цифровых изображений.
Для достижения поставленной цели были сформулированы конкретные научные задачи, решаемые в данной диссертационной работе: научно-методическое обоснование и разработка алгоритмов фрактального анализа полутоновых космических изображенийразработка автоматизированной технологии фрактального анализа и параметризации цифровых изображений облачного покроварасчетно-параметрическое исследование фрактальных свойств облачных образованиймонофрактальная и мультифрактальная параметризация цифровых изображений и пространственных спектров облачного покрова.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые рассмотрены теоретические аспекты применения мультифрактального формализма для анализа космических изображений облачного покрова и показана возможность фрактальной параметризации различных видов облачных образований;
2. Разработана автоматизированная технология количественной оценки значений фрактальных размерностей и мультифрактальных параметров полутоновых космических изображений облачного покрова;
3. Проведено детальное исследование фрактальных и мультифрактальных свойства различных видов облачных образований (кучевые облака, слоистые облака, перистые облака, сплошная облачность и др.);
4. Впервые проведена фрактальная и мультифрактальная параметризация полутоновых космических изображений облаков и их пространственных спектров.
Практическая значимость работы состоит в том, что технологии и алгоритмы фрактального анализа, предложенные в диссертации, а также результаты исследования фрактальных характеристик изображений облаков, позволяют решить проблему параметризации различных типов облачных образований с целью их более адекватного представления в численных моделях облачного покрова, общей циркуляции атмосферы и др.
Достоверность результатов подтверждается:
1. Корректным применением математических методов и вычислительных средств теории вероятностей и математической статистики, вычислительной математики.
2. Научно-методическим обоснованием выбора характеристик фрактальных и мультифрактальных свойств природных объектов. 6.
3. Тестированием программ, а также удовлетворительным совпадением результатов с расчетами в аналитических и численных моделях, полученными другими авторами.
На защиту выносятся следующие разработки и результаты:
1. Автоматизированная технология фрактального и мультифрактального анализа цифровых полутоновых изображений природных объектов.
2. Автоматизированная система интерактивной обработки и компьютерная база данных об изображениях и характеристиках различных типов облачных образований.
3. Методика отбора и анализа системы параметров, наиболее полно характеризующих фрактальные свойства облачных образований, и позволяющих, таким образом, создавать их параметрические модели.
4. Количественная оценка статистических и фрактальных характеристик и спектров фрактальных размерностей Реньи для 6-ти групп цифровых изображений различных типов облачности и их пространственных спектров.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 объединенном международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Иркутск, 2001), на 9 международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2002), на 7 Всероссийской школе-коллоквиуме по стохастическим методам (Сочи, 2000), на 53 и 54 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, проводившихся в Московском Государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) в 2000 и 2001 гг.
По результатам проведенных исследований и разработок, выполненных в процессе работы, опубликовано 7 научных работ.
Основные результаты и выводы работы заключаются в следующем.
1. На основе выполненных теоретико-экспериментальных исследований фрактальных и спектральных характеристик облачных образований осуществлена формализация фрактальных свойств изображаемых объектов посредством системы спектральных и фрактальных параметров.
2. Разработана автоматизированная технология интерактивного дешифрирования космических изображений облачных систем.
3. Разработана компьютерная структура и макет базы данных по пространственным характеристикам облачных образований.
4. Разработана автоматизированная технология фрактального анализа цифровых полутоновых изображений природных объектов.
5. Выполнен отбор и анализ системы параметров, наиболее полно характеризующих фрактальные свойства облачных образований, и позволяющих, таким образом, создавать их параметрические модели.
6. Получены новые сведения о фрактальных и мультифрактальных свойствах различных типов облачных образований.
7. Впервые получены сведения о фрактальных свойствах спектров мощности и фазовых спектров цифровых изображений облаков.
8. Разработана методика монофрактальной и мультифрактальной параметризации стохастических структур облачных образований.
Заключение
.
Представленная диссертационная работа содержит исследования и разработки автора, которые можно рассматривать как решение актуальной научной задачи, посвященной изучению фрактальных свойств космических изображений облачных образований. На основе всестороннего анализа и обобщения фрактальных и спектральных характеристик отображаемых объектов разработан ряд цифровых алгоритмов и технологий фрактального анализа цифровых изображений, которые могут составить основу количественной параметризации структур облачных образований с использованием монофрактальных и мультифрактальных представлений.
Список литературы
- Марчук Г. И., Кондратьев К. Я. и др. Облака и климат. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1986, 512 с.
- Зуев В.Е., Титов Г. А. Оптика атмосферы и климат. Томск, Изд. «Спектр», 1996, 271 с.
- Титов Г. А. Математическое моделирование радиационных характеристик разорванной облачности. Оптика атмосферы.т.1, 1988, № 4, с.3−14.
- Титов Г. А. Радиационные эффекты неоднородных слоисто-кучевых облаков. Оптика атмосферы, т. З, 1989, № 3, с. 15−21.
- Потапов А.А. Успехи современной радиоэлектроники. М., 2000, № 6, 3−58.8.. Lovejoy, S., Mandelbrot В.В. Fractal Properties of Rain and a Fractal Model, Tellus, 1985, vol.37 A, no. 3, pp. 209—232.
- Рис Ф., Вальдфогель А. Анализ фрактальной размерности облаков с мощными конвективными токами. Фракталы в физике, — М.: Мир, 1988, с. 644—649.
- Davis A., Marshak A., Cahalan R. and Wiscombe W. «The LANDSAT Scale-Break in Stratocumulus as a Three-Dimensional Radiative Transfer Effect, Implications for Cloud Remote Sensing», J. Atmos. Sci. 54, 241−260, 1997.
- Davis A., Marshak A., Cahalan R. and Wiscombe W. «Scale-Invariance of Liquid Water Distributions in Marine Stratocumulus, II Multifractal Properties and Intermittency Issues», J. Atmos. Sci. 54, 1423−1444, 1997.
- Sreenivasan K.R. and Meneveau C. The Fractal Facets of Turbulence, Fluid Mech. 1986, vol. 173, pp. 357—386.
- Mandelbrot B.B., The Fractal Geometry of Nature, San-Francisco: Freeman, 1983.
- Шертцер Д., Лавджой Ш. Обобщенная масштабная инвариантность и анизотропные и неоднородные фракталы в турбулентности. Фракталы в физике. — М.: Мир, 1988, с. 638—643.
- Зуев В.Е. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1995.
- Киенко Ю.П. Введение в космическое природоведение и картографирование. М., Картогеоцентр, 1994, 214 с.
- Соллогуб A.B., Аншаков Г.П, Данилов В. В. Космические аппараты систем зондирования поверхности земли.М., Машиностроение, 1993,367 с.
- Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе погоды. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1982, 300 с.
- Шульц С.С. Земля из космоса. М., Недра, 1994, 284 с.
- Зуев В.Е., Землянов A.A., Копытин Ю. Д. Нелинейная оптика. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1989, 256 с.
- Зуев В.Е., Наац И. Э. Обратные задачи оптики атмосферы. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1990, 286 с.
- Облачность и радиация. Под редакцией Ю. Росс. Тарту, 1975, 251 с.
- Стохастическая структура полей облачности и радиации. Под редакцией Ю. Мулламаа. Тарту, 1972, 281 с.
- Изменчивость облачности и полей радиации. Под редакцией Ю. Росс. Тарту, 1978, 141 с.
- Альбедо и угловые характеристики отражения подстилающей поверхности и облаков. Под редакцией К. Я. Кондратьева. Л., Гидрометеоиздат, 1981, 285 с.
- Кондратьев К.Я., Миронова З. Ф., Отто A.H. Спектральные альбедо естественных подстилающих поверхностей. В сб.: Проблемы физики атмосферы. Л. Изд во ЛГУ, 1965, вып. 3, с. 24 -47.
- Иванов B.C. и др. Синергетика и фракталы в материаловедении. М., Наука, 1994, 383 с.
- Бабич Е.А., Титов Г. А. Математические модели разорванной облачности со случайной геометрией отдельных облаков.// Сер. ФАО, 1992, т. 5, № 7, с. 757−765.
- Cabalan R., Joseph J. Fractal statistics of clouds fields. Montly weather review/ 1989, vol.117, pp. 261−272.
- Атлас облаков. Под редакцией А. Х. Хргиана, Н. И. Новожиловой. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1978, 268 с.
- Облака и облачная атмосфера. Справочник под редакцией И. П. Мазина и А. Х. Хргиана, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1989, 647 с.
- Hahn C.J. and others. Atlas of simultaneous occurrence of different cloud types over the ocean. NC AR, TN 201+STR, 1982,212 p. ,
- Матвеев Л.Т. Динамика облаков. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1981, 312 с.
- Матвеев Л.Т. Общая метеорология. Физика атмосферы. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1984, 751 с.
- Верещака Т.В., Зверев А. Т., Сладкопевцев С. А., Судакова С. С. Визуальные методы дешифрирования. М., Недра. 1990, 339 с.
- Дистанционное зондирование: количественный подход. Под редакцией Ф. Свейна и Ш. Дейвис. М., Недра, 1983,415 с.
- Андреев Г. А., Потапов A.A., Галкина Т. В. и др. О классификации изображений по их текстурным признакам. Исследования Земли из космоса, № 2,1990, с.91−96.
- Базарский О.В., Коржик Ю. В. Автоматический текстурный анализ изображений земной поверхности. Исследование Земли из космоса, № 3,1990, с.115−120.
- Дуда Р, Харт П. Распознавание образов и анализ сцен. М., Мир, 1976, 51 1 с.
- Дюран Б. Оден П. Кластерный анализ. М., Статистика, 1977, 127 с.
- Кронберг П. Дистанционное изучение Земли. М., Мир, 1988, 343 с.
- Структурный анализ снимков в аэрокосмических исследованиях Земли. Под редакцией Книжникова Ю. М., М., 1985, 147 с.
- Аковецкий В. И Дешифрирование снимков. М., Недра, 1980, 385 с.
- Богомолов A.A. Дешифрирование снимков. М., Недра, 1976, 298 с.
- Каратыгин С и др. Базы данных. М., 1995, 410 с.
- Аржененко Н.И., Титова И. А., Поповкина В. А. Разработка компьютерной структуры базы данных по пространственным спектрам объектов природной среды. Сб. Научные основы создания аэрокосмических систем наблюдения. М., ЦНИИ «Комета», 1998.
- Лазарев А.И., Бондур В. Г. и др. Космос открывает тайны Земли. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1993, 240 с. 48. «Андреев С. Д., Михайлов Е. Ф. Фрактальные системы и исследования атмосферных аэрозолей, ФАО, 1996, т. 32, № 6.
- Мандельброт Б.Б. Самоаффинные фрактальные множества. Фракталы в физике. — М.: Мир, 1988, с. 9—47.
- Мун Ф. Хаотические колебания: Пер. с англ. — М.: Мир, 1990.
- Пайтген Х.О., Рихтер 17.Х. Красота фракталов. — М.: Мир, 1993.
- Шредер М. Фракталы, хаос, степенные ряды. М., Научно-издательский центр „Регулярная и хаотическая динамика“, 2001, 527 с.
- Божокин С.В., Паршин Д. А. Фракталы и мультифракталы. М., Научно-издательский центр „Регулярная и хаотическая динамика“, 2001, 128 с.
- Федер Е. Фракталы: Пер. с англ. — М.: Мир, 1991, 254 с.
- Шустер Г. Детерминированный хаос: Пер. с англ. — М.: Мир, 1988
- Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. — М.: Наука, 1991.
- Мандельброт Б.Б. Самоаффинные фрактальные множества. Фракталы в физике. — М.: Мир, 1988, с. 9—47.58. .Хаусдорф Ф. Теория множеств. — М.-Л.: ОНТИ, 1937.
- Функциональный анализ, СМБ, М., Наука, 1972, 378 с.
- Hurst Н.Е. (1951). Long-term storage capacity of reservoirs. Trans.Am.Soc. Civil Eng. 116: 770−808.
- Hurst H.E. (1956). Methods of using long-term storage in reservoirs. Proc.Inst. Civil Eng. 5, Part 1: 519−577.
- Falconer K. Fractal Geometry: Mathematical Foundations and Applications. John Wiley & Sons, Chinchester, 1990.
- Aharony A. Multifractal in Phisics: Succeses, Dangers and Challenges II Physica A, 1990, vol. 168, pp. 479−489.
- Halsey T.C. and others. Fractal measures and their singularities. Phys. Rev. A, 1986, vol. 33, pp. 1141−1151.
- Gangepain J., Roques-Carmes C. Fractal approach to two dimensional and three dimensional surface roughness, Wear, 109 (1986) 119−126.
- Gonzalez R. C., Woods R. E. Digital Image Processing. Addison-Wesley, Massachusetts, 1992.
- Keller J., Crownover R., Chen S. Texture description and segmentation through fractal geometry, Computer Vision Graphics and Image Processing, 45 (1989) 150−160.
- Mussigmann U. Texture Analysis by Fractal Dimension, in: J.L.Encarna»?, H. O. Peitgen. G. Sakas, G. Englert ed. Fractal geometry and Computer Graphics, (Springer-Verlag, 1992) 217−230 p.
- Peleg S., Naor J., Hartley R., Avnir D. Multiple resolution texture analysis and classification, IEEE Trans. Pattern Anal. MachineTntell., 6 (1984) 518−523.
- Pentland A. P. Fractal based description of natural scenes, IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intell., 6 (1984) 661−674.
- Sarkar N., Chaudhuri B.B. An efficient differential box-counting approach to compute fractal Dimension of Image, IEEE.
- Vicsek Т/ Mass multifractals. Physica, 1990, № 168, pp. 490−497.
- Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. М., Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2001, 463 с.
- Bunde A., Havlin S., Roman H. Multifractal features of random walks on random fractals, Phys. Rev. A 42, 6274 (1990).
- Francis S.Hill. Computer Graphics. // Macmillan Publishing Company.- 1990.
- Foley, van Dam, Feiner, Hughes. Computer Graphics: Principles and Practice. -Addison-Wesley Publishing Company, 1990.
- Дональд Роджерс. Алгоритмические основы машинной графики. М.: Мир, 1990.
- Yuval Fisher. Fractal Image Compression. IEEE SIGGraph Course Notes, 1992.
- Whalley, W.B., Orford, J.D., 1989. The Use of Fractals and Pseudofractals in the Analysis of Two-Dimensional Outlines: Review and Further Exploration Computers & Geoscience 15:2 pp. 185−197.
- Wickerhauser, M.V. (1994) Adapted wavelet analysis from theory to software. (Massachusetts: Peters). Best basis- Application to both 1-D and 2-D signals.
- Zmeskal O., Nezadal M., Buchnicek M. Harmonic and Fractal Image Analyzer, Brno, 2000.
- TruSoft Iue Benoit, Fractal Analysis System, 1999.
- Paladin G., Vulpiani A. Anomalous Scaling Laws in Multifractal Objects, Phys. Rep. 4, 147(1987).
- Stanley H.E., Meakin P. Multifractal phenomena in physics and chemistry, Nature 335, 405 (1988).
- Bunde A., Havlin S. Fractals and Disordered Systems, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1991.
- Grassberger P., Procaccia I. Measuring the Strangeness of Strange Attractors, Physica (Amsterdam) 9D, 189 (1983), Dimensions and Entropies of Strange Attractors from Fluctuating Dynamics Approach, Physica (Amsterdam) 13D, 34 (1984).
- McCauley J.L. Multifractal description of the statistical equilibrium of chaotic dynamical systems. Int. Mod. Phys. В., 1989, 3 № 6, pp. 821−852.
- Барахтин Б.К., Обуховский В. В. Фракталы, структура и свойства материалов. Вопросы материаловедения. М, 1995, № 1, с.7−17.
- Встовский Г. В., Колмаков А. Г., Бунин И. Ж. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов. М., Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2001, 115 с.
- Аржененко Н.И. и др. Моделирование спектральных характеристик яркости природных объектов. Сб. Научные основы создания аэрокосмических систем наблюдения. М., ЦНИИ «Комета», 1998.
- Бондур В. Г. Оперативная дистанционная оценка состояния границы раздела атмосфера—океан по пространственным спектрам изображений. В кн. Оптико-метеорологические исследования земной атмосферы. Новосибирск, 1987, с. 217—230.
- Бондур В.Г. Модели полей излучения для систем дистанционного зондирования. Курс лекций. Московский Государственный Университет геодезии и картографии, ЦНИИ «Комета». Москва. 1991, 389 с.
- Бондур В.Г., Воляк К. И. Оптический пространственный спектральный анализ изображений морской поверхности. Труды Физ. ин-та АНСССР, том 156, 1984.
- Uttal, Т., Е.Е. Clothiaux, Т.Р. Ackerman, J.M. Intrieri, and W.L. Eberhard, 1995: Cloud boundary statistics during FIRE II. J. Atmos. Sci., 52, 4276−4284.
- Olsson, P. Q., J. Y. Harrington, G. Feingold, W. R. Cotton, and S. M. Kreidenweis, 1998: Exploratory cloud resolving simulations of boundary layer arctic stratus clouds. Part I: Warm season clouds. Atmos. Res., 47—48, 573—597.
- Marshak A. and others. Multifractal Characterizations of Non-Stationarity and Intermittency in Geophysical Fields, Observed, Retrieved or Simulated. J. Geophys. Res. 99, pp. 8055−8072, 1994.
- Marshak A. and others. Bounded Cascades as Nonstationary Multifractals. Phys. Rev. E49, pp.55−67, 1994.
- Marshak A. and others. Multiple Scattering in Clouds: Insights from Three-Dimensional Diffusion Theory, Nuclear Sci. and Engin., 137, pp. 251−280, 2001.
- Marshak A. and others. Wavelet-based Multifractal Analysis of Rough Surfaces: Application to Cloud Models and Satellite Data. Phys. Rev. Lett., 79, pp. 75−79, 1997.
- Marshak A. and others. Multifractal Characterizations of Nonstationarity and Intermittency in Geophysical Fields, Observed, Retrieved or Simulated", J. Geophys. Res., 99, pp. 8055−8072, 1994.
- Marshak A. and others. Bounded Cascade Models as Nonstationary Multifractals. Phys. Rev. E, 49, pp. 55−67, 1994.. •
- Marshak A. and others. Multi-Singular and Multi-Affine Properties of Bounded Cascade Models. Fractals, 1, pp. 702−710, 1993.
- Андреев Т.А. и др. Анализ и синтез случайных пространственных структур// Зарубежная радиоэлектроника, 1984, № 2, с. 3−33.151
- Аржененко H.H., Бондур В. Г. Классификация облачных форм по пространственным спектрам изображений// Оптика атмосферы, 1988, № 11, с.38−45.
- Опенхайм A.B., Лим Д.С. Важность фазы при обработке сигналов// ТИИЭР, 1983, т. 69, с.39−53.
- Аржененко Н.И., Титова И. Л. Аналитические модели пространственных спектров объектов природной среды. Труды LV научной сессии РНТО РЭС им. A.C. Попова, М., 2000, с. 113−114.
- Борискевич A.A., Кудрявцев В. О. Мультифрактальный спектральный анализ сигналов на выходе сложных систем// Эргономическое и организационное обеспечение качества создаваемых и эксплуатируемых систем. Минск, 1989, с. 47−60.
- Аржененко H.H. и др. Генерация стохастической пространственной структуры полей яркости природных объектов. Материалы IV Международного симпозиума «Проблемы экоинформатики», НТО РЭС им. A.C. Попова, М., 2000, с. 122−126.
- Бондур В.Г. Моделирование двумерных случайных полей яркости на входе аэрокосмической аппаратуры методом фазового спектра// Исследование Земли из космоса, 2000, № 5, с. 28−44.