Теория и практика распознавания инженерных сооружений, промышленных предприятий и объектов железнодорожного транспорта при дешифрировании аэроснимков

Теория и практика распознавания инженерных сооружений, промышленных предприятий и объектов железнодорожного транспорта при дешифрировании аэроснимков
Андрей Сергеевич Молчанов

В монографии дается системное изложение теории и практики распознавания инженерных сооружений, промышленных предприятий и объектов железнодорожного транспорта при дешифрировании аэроснимков, полученных цифровыми оптикоэлектронными системами. Представлены особенности дешифрирования аэроснимков, классификация и описание признаков распознавания инженерных сооружений, промышленных предприятий и объектов железнодорожного транспорта, требования к результатам дешифрирования, требования к дешифровщикам и пути повышения их квалификации, практика применения систем автоматизированного дешифрирования. Существенное место уделено изложению разработанной авторами классификации инженерных сооружений, промышленных предприятий и объектов железнодорожного транспорта, описанию основных характеристик при дешифрировании аэроснимков.

В формате PDF A4 сохранен издательский макет книги.

Андрей Молчанов, Евгений Чаусов

Теория и практика распознавания инженерных сооружений, промышленных предприятий и объектов железнодорожного транспорта при дешифрировании аэроснимков

© Молчанов А. С., 2024

* * *

Введение

В настоящее время материалы аэросъемки, полученные цифровыми оптико-электронными системами (ЦОЭС), повсеместно находят применение в военной сфере, различных отраслях народного хозяйства и науки, связанных с изучением местности и объектов в каком-либо отношении.

Роль и место аэросъемки в современном мире, находящемся на этапе резкого обострения экологической ситуации, противостояния ведущих держав за ресурсы и сферы влияния, стремления к переделу установившейся геополитической картины мира, существенно возросла в начале XXI века. Трансформация видов и способов вооруженного противостояния, обусловленная интенсивным развитием технологий в области микроэлектроники, оптики, материалов, предусматривает ведение боевых действий в едином информационном пространстве в любой точке земного шара. Аэросъемка как средство информационного обеспечения в таких условиях становится ключевым элементом сетецентрической системы при принятии решений как стратегического, так и оперативно-тактического уровня. Как показывает опыт вооруженных конфликтов последних лет, роль аэросъемки только увеличивается, так как резко возрастает номенклатура и количество объектов, сведения о состоянии которых необходимо получить в кратчайшие сроки.

Получение необходимой информации реализуется в ходе наблюдения за предполагаемым противником с выполнением аэросъемки. Это подразумевает выполнение систематического контроля над отдельными районами местности, в которых могут произойти события, представляющие интерес, и получения сведений конкретного плана о деятельности противоборствующей стороны, сбора данных о ее военно-промышленном потенциале, о географических, метеорологических и других характеристиках ее территории.

Особенно большое значение аэросъемке придается в военной сфере в связи с резким повышением уровня боевого потенциала войск, при котором уже не является проблемой высокоточное поражение объектов противника, сохраняется лишь проблема своевременного получения информации об их состоянии и местоположении.

Важнейшее место в системе получения информации о противнике как в военное, так и в мирное время отводится воздушной разведке, способной обеспечить оперативное наблюдение за деятельностью противника на обширных территориях и в короткое время доставить получаемую информацию заинтересованным потребителям.

Цифровизация изображений позволила отображать все полученные данные на электронной карте командных пунктов и планшетах командиров.

Актуальность совершенствования цифровых аэрофотографических (оптико-электронных) систем в настоящее время во многом определяет прогресс в освоении ряда приоритетных направлений развития науки и техники. Расширяются области и непрерывно создаются новые ЦОЭС, решающие разнообразные сложные задачи в интересах обороны и обеспечения безопасности. В соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 10 октября 2019 г. № 490 «О развитии искусственного интеллекта в Российской Федерации» утверждена Национальная стратегия развития искусственного интеллекта в Российской Федерации, которая предполагает повышение эффективности процессов планирования, прогнозирования и принятия управленческих решений, автоматизацию рутинных (повторяющихся) операций, использование автономного интеллектуального оборудования и робототехнических комплексов, интеллектуальных систем управления и т. д.

В соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 28 октября 2020 г. № 1750 утвержден перечень технологий, применяемых в рамках экспериментальных правовых режимов в сфере цифровых инноваций, который предполагает развитие нейротехнологий и технологий искусственного интеллекта в области компьютерного зрения, цифрового проектирования, математического, информационного моделирования и управления жизненным циклом изделия или продукции производственной или сервисной системы, цифровых компонент робототехники для человеко-машинного взаимодействия; нейросенсорики; сенсоромоторной координации и пространственного позиционирования; сенсоров и обработки сенсорной информации; систем сбора и обработки информации для эффективного функционирования робототехнических систем; интеллектуальных систем управления робототехническими системами; систем автоматизации управления. В связи с этим разработка требований к дешифрированию аэроснимков, полученных цифровых аэрофотографическими (оптико-электронными) системами является актуальной задачей.

Аэроснимок – это двумерное изображение, полученное в результате дистанционной регистрации техническими системами собственного или отраженного излучения и предназначаемое для обнаружения, качественного и количественного изучения объектов, явлений и процессов путем дешифрирования, измерения и картографирования.

Дешифрирование аэроснимков – комплекс взаимосвязанных организационных, технологических и технических мероприятий. Успешное решение задачи дешифрирования аэроснимков во многом зависит от обоснованности и содержания проводимых мероприятий.

Сложный психофизиологический процесс дешифрирования аэроснимков предъявляет высокие требования к общим и специальным знаниям операторов-дешифровщиков в части знания принципов организации и боевого применения подразделений всех видов вооруженных сил, устройства, функционирования и признаков распознавания всех сложных объектов, а также к системе профессионально важных для них физиологических и психологических качеств.

В монографии рассмотрены вопросы, связанные с теоретическими основами и практическими рекомендациями при дешифрировании инженерных сооружений, промышленных предприятий и объектов железнодорожного транспорта на аэроснимках и подготовке дешифровщиков.

Новыми являются представленные в монографии основы подготовки операторов-дешифровщиков и пути повышения их квалификации, процесс формирования специальных дешифровочных навыков и умений у операторов-дешифровщиков, а также разработанная классификация инженерных сооружений, промышленных предприятий и объектов железнодорожного транспорта, которая позволяет при выполнении процедур обнаружения, выявлении конфигурации, определении габаритных размеров объектов систематизировать все многообразие объектов инженерных сооружений, промышленных предприятий и объектов железнодорожного транспорта к одному из видов, классов, подклассов или типов и отразить общие тактические или технические характеристики.

В монографии изложены общие вопросы применения технологий искусственного интеллекта, рассмотрена терминология и классификация, принятая в данной области науки. Представлены направления применения технологий искусственного интеллекта при дешифрировании аэроснимков, а также сформулированы основные задачи в рамках реализации технологий искусственного интеллекта в системах автоматизированного (автоматического) дешифрирования.

Представлены результаты реализации теоретических исследований при разработке и испытаниях цифровых оптико-электронных систем, используемых на современных комплексах с беспилотными летательными аппаратами «Иноходец», «Корсар», «Гранат», «Форпост», «Тахион», «Орлан», «Элерон», наземных комплексов приема и обработки информации от бортовых комплексов разведки, принятых на снабжение Вооруженных Сил Российской Федерации.

1. Основы подготовки операторов-дешифровщиков и пути повышения их квалификации

1.1. Процесс дешифрирования аэроснимков и формирование специальных дешифровочных навыков и умений у операторов-дешифровщиков

Сложный психофизиологический процесс дешифрирования аэроснимков предъявляет высокие требования к общим и специальным знаниям операторов-дешифровщиков, а также к системе профессионально важных для них физиологических и психологических качеств. Знания составляют основу содержания процесса обучения операторов-дешифровщиков. Они включают теоретические основы как общеобразовательных дисциплин (математики, физики, географии, химии, электроники и т. п.), так и специальных (топографии, аэрофотограмметрии, геологии и др.). Большое значение имеет общая эрудиция, знание основ военного дела, промышленного и сельскохозяйственного производства. Первостепенное значение имеет знание принципов организации и боевого применения подразделений всех видов вооруженных сил, устройства, функционирования и признаков распознавания всех сложных объектов, а также классификации простых объектов, их взаимосвязей и взаимозависимостей.

На первой ступени повышения квалификации дешифровщиков необходимо не только изучать специальные вопросы, но и развивать умения и навыки посредством тренировок с различными тестами.

На втором этапе повышения специальных знаний и навыков необходимо ставить более сложные задачи, например: быстрое распознавание простых и сложных объектов с последующим анализом по памяти признаков, по которым они были распознаны; чтение аэроснимков и карты, сравнение изображения с районом на карте; привязка плановых и перспективных аэроснимков к карте и их ориентирование с постепенным увеличением района поиска и сокращением времени на задачу; привязка к одному или нескольким аэроснимкам небольших вырезок из них; поиск на карте по памяти основных ориентиров, изображенных на аэроснимках, и др.

Для индивидуальных и групповых тренировок в быстром распознавании типовых объектов может быть создан и использоваться простейший тренажер с комплектом изображений типовых объектов аэросъемки, который по определенной программе в неожиданном для обучаемого месте показывает один из объектов. Задача дешифровщика – быстро распознать изображение.

С целью формирования и развития необходимых зрительных качеств должны проводиться тренировки различной сложности по различению деталей, находящихся на границе видения, по дифференцировке тонов и цветов, различению на глаз изображений с близкими размерами и контролем измерения с помощью приборов.

Большое влияние на эффективность дешифрирования оказывают психические свойства дешифровщика, к которым относятся: память (в том числе и зрительная), наблюдательность, умение анализировать и мыслить логически, сообразительность, творческое воображение, внимание, способность к пространственному представлению. В процессе обучения дешифрированию и практической работы эти качества должны развиваться и совершенствоваться с помощью решения, как общих психологических задач, так и специальных упражнений с использованием аэроснимков. При этом сначала нужно решать более простые задачи и отводить на них максимально необходимое время, а потом, по мере накопления опыта и развития определенных качеств, следует задачи усложнять, а время на их решение сокращать.

При формировании общих дешифровочных навыков у операторов необходимо учитывать психологические основы формирования дешифровочных навыков и умений.

Исходя из структуры дешифровочных умений, к общим дешифровочным навыкам могут быть отнесены: сенсорные (зрительные), навыки производства визуальных измерений и стереоизмерительные.

Обучение операторов-дешифровщиков надо начинать с формирования у них необходимых зрительных качеств: различительной чувствительности, разрешающей способности, стереоскопической пластичности, пропускной способности, устойчивости ясного видения и т. д. и накопления необходимого сенсорного опыта по извлечению информации из оптических и фотоэлектронных изображений.

Методика формирования необходимых зрительных качеств у оператора-дешифровщика должна опираться на упражнения различной сложности по различению деталей, находящихся на границе различения; по дифференцировке близких раздражителей: тонов (цветов), форм (текстуры) и размеров объектов применительно к различным литерным условиям информационных моделей. Для этих целей эффективно использование специальных тренировочных таблиц и шкал. В указанные упражнения включаются и измерительные операции. В настоящее время разработано множество подобных упражнений, и они в достаточной мере используются в процессе подготовки операторов-дешифровщиков различного профиля.

Более сложной проблемой является формирование навыков стереоскопических наблюдений и измерений, а именно:

а) развитие стереоскопической чувствительности путем использования стереоскопических испытательных таблиц;

б) формирование навыков быстрого получения устойчивого стереоэффекта на основе самостоятельной тренировки по стереоскопическому рассматриванию аэроснимков;

в) развитие навыков стереоскопических измерений и рисовки рельефа горизонталями;

г) формирование стереоглазомерных измерительных навыков. Для решения двух последних задач необходимо применение определенной системы упражнений.

Методика обучения стереоскопическим инструментальным измерениям должна предусматривать упражнения по ориентированию аэроснимков, по совмещению марки с поверхностью стереомодели, по стереоизмерениям на аэроснимках различной местности, с наращиванием их сложности.

К специальным элементам общего дешифровочного умения, видоизменяющимся в зависимости от вида дешифрирования, относятся навыки по распознаванию и вся система частных дешифровочных умений.

Методика становления навыков распознавания, исходя из их психологических особенностей, включает две основные задачи:

а) поэтапное формирование у обучаемых понятий о системе дешифровочных признаков и достаточного запаса многоплановых эталонных образов изображений различных объектов и соответствующих им образов реальных объектов;

б) развитие у обучаемых приемов структурного и индикаторного анализа изображений отдельных объектов.

Главной задачей в области методики становления дешифровочных умений является формирование алгоритмов структурно поисковых и логических действий, эвристических способов решения перцептивных, диагностических и поисковых дешифровочных задач, приемов оценки ситуаций, изображенных на информационной модели.

Для решения задач по формированию навыков распознавания типовых объектов необходима система упражнений с применением различных видов и средств наглядности (натуральной, объемной, графической, экранной):

а) упражнения в сличении снимков с местностью в процессе как полевого, так и воздушного дешифрирования;

б) упражнения по камеральному дешифрированию с использованием различных наглядных пособий.

Эксперименты, проведенные в летных (натурных) условиях, свидетельствуют о высокой эффективности воздушного дешифрирования аэроснимков.