Подход к классификации поверхности при оценке степени антропогенных воздействий на водную среду

Для обеспечения экологической безопасности морских  акваторий необходимо исследование границы раздела атмосфера-гидросфера и оценка различных процессов и явлений, возникающих под влиянием антропогенных и природных факторов. В связи с этим актуальным является разработка методов дистанционного мониторинга различных процессов и явлений, приводящих к прогрессирующему загрязнению морских акваторий. Особую практическую значимость имеет оценка последствий сбросов хозяйственно- бытовых вод в прибрежных акваториях. Космические средства дистанционного зондирования обладают большой обзорностью, позволяя оперативно получать непрерывную информацию о широком спектре значимых параметров водной среды прибрежных акваторий. Целью работы является развитие метода выявления неоднородностей морской среды, обусловленных антропогенными воздействиями, на основе спутниковых данных. Изменение морской поверхности вследствие загрязнения может проявляться как в спектральных характеристиках в различных каналах, так и в изменении характеристик поверхностного волнения, поэтому важным является использование мультиспектральных изображений и анализ пространственной структуры поверхностных волн.
Для выделения неоднородностей предложен подход к классификации пикселей космического изображения с использованием спектральных характеристик пикселя и его окрестности, за счёт чего исследуются спектральные и текстурные характеристики. Получение текстурных характеристик базируется на анализе квадратного окна вокруг заданной точки, результатом классификации является определение класса поверхности, к которому принадлежит центральная точка окна. Построение пространства признаков производится на основе векторов яркостных характеристик всех точек окрестности с помощью метода главных компонент для уменьшения размерности.
Предложенный подход реализован в виде алгоритма и исследован в вычислительном эксперименте на космических изображениях водной поверхности в области интенсивных антропогенных воздействий. Получены оценки точности распознавания загрязнений, а также проанализирована зависимость качества классификации от размера используемой окрестности. Предложены дальнейшие пути улучшения точности классификации. Показано, что реализация метода позволит создать технологии контроля сбросов загрязнений в водную среду с использованием средств космического мониторинга.
Результаты получены в рамках государственного задания Минобрнауки России №2015/Н8.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 14-05-91759