18. Распознавание графических образов и картографических изображений. Чтение геоизображений.
Берлянт, Картография. п.16.6
Концепция гештальта и механизм получения информации. Схема чтения.(новый)
Билет 19
Чтение геоизображений как процесс получения
информации
Обращаясь к проблеме чтения геоизображений, целесообразно вновь опереться на опыт, существующий в картографии и дешифрировании аэрокосмических снимков. В этих областях выполнено значительное множество исследований, которые связаны с решением нескольких ключевых вопросов: изучением психофизиологических особенностей визуального восприятия графических
изображений, отбором наиболее эффективных параметров распознавания (дешифровочных признаков), исследованием механизмов чтения изображений человеком и попытками воспроизвести это механизмы в автомати-
ческих распознающих устройствах, поиском средств оптимизации изображений и др.
В картографии исследования психофизиологических особенностей процесса чтения карт осуществляются посредством разнообразных экспериментов и тестов. Обычно перед участниками тестирования ставят задачи распознавания на картах объектов, по-разному оформленныхи ориентированных, в других случаях - задачи подбора оптимальных, с точки зрения читателя, знаков, цвето-
вых шкал, штриховок для формирования тех или иных картографических образов. Иногда исследуют способность читателя визуально сопоставлять (коррелировать) картографические образы разной тематики на картах
различной сложности и по разному оформленных. Исследования ведутся на трех иерархическихуровнях:
• восприятие отдельных картографических образов;
• восприятие всего картографического изображения;
• сравнение и сопоставление разных карт.
Каждый уровень восприятия как бы входит составной частью в более высокий.
В итоге многочисленных экспериментов установлено, что картографические образы, их форма, цвет, размеры и другие элементы воспринимаются читателем не в статике, а в динамике, что вообще характерно для иконических образов. Это проявляется во взаимодействии, взаимном наложении, сравнении морфологических особенностей графических образов [5]. Для визуального восприятия знаковых изображений первостепенное значение имеет соотношение знаков (фигур) и фона (основы), то есть контрастность изобра-
жения, а также организация изобразительных планов,например, выделение некоторых важных элементов в яркой, броской форме, привлекающей внимание, и отведение других, менее существенных элементов содержания на второй план. Для лучшего восприятия желательно, чтобы картографическое изображение передавало типичные черты и характерные свойства реальных
объектов, их геометрическую форму, цветовую гармонию, то есть приближалось к реальному цвету объектов. Именно это стремление ведет ко все более широкому распространению фотокарт и фотопортретов местности.
Исследования, проведенные по картам и снимкам, выявляют способность читателей воссоздавать выпавший,искусственно исключенный, пропущенный или закрытый при съемке графический образ, то есть “домысливать”, “дорисовывать” изображение в тех местах, где оно должно быть, но отсутствует по каким-либо причинам,например, скрыто за облачностью. Справедливости ради отметим, что иногда такое “домысливание” служит причиной появления недостоверных и даже ложных образов.
На аэро- и космических изображениях главными дешифровочными признаками являются фотографический тон или оптическая плотность изображения, его цвет,форма или конфигурация объектов, размеры объектов в плане и по высоте (при стереоскопическом наблюдении). а также рисунок и структура изображения. Это — прямые дешифровочные признаки. Кроме того, существу-
ют косвенные признаки, среди которых главными являются пространственное положение объекта и его связи с другими объектами.
В процессе дешифрирования снимков, как и любых других геоизображений решаются три основные задачи[19]: а) распознавание и классифицирование объектов;
б) установление взаимосвязей между отдельными объ-
ектами и характерных особенностей их пространствен-
ного размещения;
в) распознавание и фиксация дина-
мических явлений и процессов.
Один из эффективных способов анализа механиз-мов чтения, восприятия, распознавания и дешифрирования графических образов - фиксация движений глаз читателей геоизображений. Этот метод заимствован из психологии и офтальмологии, изучающей анатомию и физиологию зрения. Суть метода состоит в том, что с помощью специальных фотографических камер после-довательно через короткие интервалы времени регистрирует положение зрачков человека, рассматривающего изображения, одновременно вычерчивая траекторию движения глаз. Далее эту траекторию подвергают количественному и качественному анализу, в ходе которого определяют элементы изображения, которые в первую очередь привлекают читателя, объекты, к которым он
неоднократно возвращается при разглядывании изображения, и участки, просматриваемые бегло или вообще исключаемые из наблюдения.
Глаз читателя совершает три вида движений:
- тремор, то есть высокочастотные и малоампли-
тудные колебания;
- дрейф - относительно медленные и плавные сме-
шения;
- скачки (или саккады) - резкие и дальние переме-
щения.
Многочисленными экспериментами установлено, что главным фактором, определяющим движение глаз, является характер решаемой задачи [27]. Чтение всякого геоизображения - это всегда целенаправленный поиск,формирование и оценка графических образов ради получения необходимой читателю информации.
Можно сделать ряд предположений о механизме чтения геоизображений. По-видимому, формируя графический образ, читатель, прежде всего, обращает внимание, на скопления знаков и объектов, на своеобразные “экстремальные зоны” изображения, характерные пересечения линейных элементов. Они становятся как бы узлами, вокруг которых он строит весь графический об-
раз. Далее читатель фиксирует характерные линии графического рисунка, зоны максимумов, определяет их особенности, выделяя, скажем, ветвящиеся или параллельные конфигурации, решетчатые или концентрические системы и т.п. Эти линии, определяющие общий рисунок графического образа, назовем структурными.Наконец, для формирования графического образа очень важны резкие рубежи, означающие смену одного рисунка другим, разграничение конфигураций, области смены градиентов и т.п. Эти линии можно назвать рубежными.
Именно узлы, структурные и рубежные линии — наиболее устойчивые инвариантные элементы графического образа. Их читатель распознает и интерпретирует в первую очередь, вокруг них формирует (организует) весь
графический образ, определяя его иерархическое положение в системе других соседних графических образов.
Выделение на геоизображении графических образов,их распознавание - это лишь один из этапов чтения.Далее наступает следующий этап - получения информации об изображенном объекте, иначе говоря, содержательное осмысление и истолкование графического образа.
Зрительная система человека построена на единстве глаза и мозга, а сетчатку глаза часто рассматривают как “вынесенную наружу часть мозга”, поскольку процессы зрительного восприятия, происходящие в зрительном
анализаторе, - неотъемлемая часть деятельности мозга[63]. Процессы взаимодействия в системе “глаз - мозг” еще недостаточно изучены и поняты, тем паче в такой специфической сфере, как чтение геоизображений и получение по ним содержательно значимой информации. Во всяком случае, не подлежит сомнению, что чтение геоизображений — это основа всех способов извлечения качественной и количественной информации, будь то простое ориентирование на местности, вычисление морфометрических показателей, получение статистических выборок или математическое моделирование с ис-
пользованием ЭВМ. Всегда все начинается с визуального просмотра геоизображения. В этом процессе условно можно выделить три этапа:
• предварительный просмотр геоизображения и по-
лучение начальной информации, то есть “первое чте-
ние”;
• уточнение и детализация графического образа
и полученной информации;
• окончательная фиксация графического образа
и содержательная интерпретация информации.
М.К. Бочаров, специально исследовавший механизмы чтения изображений, отводил особое место процессу узнавания объектов. “Процесс узнавания - писал он,есть процесс восстановления временных связей в результате повторного зрительного восприятия предметов.
В основу некоторых современных теорий опознавания предметов положен принцип сравнения двух образов. Первоначальное зрительное восприятие предметов (их внешнего вида, формы, контура) подвергается обработ-
ке и преобразованию. В результате такого процесса в мозгу накапливаются эталоны предметов, которые и называются образами. Опознавание данного предмета происходит на основе сравнения его образа с хранящимися в мозгу эталонными образами. Совпадение двух образов регистрируется и осознается как факт опознавания предмета. Предмет не узнается, если мы не видели его раньше или в результате нарушения временных условных связей и полного стирания в памяти эталонного образа. В других случаях через некоторое время в памяти восстанавливаются связи, и мы узнаем предмет. Нередко
сравнение двух образов ведет к неопределенности опознавания. ... В тех случаях, когда мы наблюдаем предмет, который раньше не видели и не имели его образа в своей памяти, фактически происходит не узнавание предмета,
а отнесение его к какому-либо классу предметов, известных нам ранее. В этом случае происходит подбор и сравнение признаков образа предмета с накопленными образами в мозгу человека” [18, с. 116].
Именно такие ситуации часто возникают при работе с картами, снимками и другими геоизображениями, когда ставится задача исследовать неизвестные объекты, получить информацию о малоизученных территориях, провести сравнительные оценки или установить корреляции между разными объектами.
Существуют несомненные различия в характере чтения геоизображений при общем ознакомительном их просмотре, изучении отдельных графических образов и деталей, сопоставлении в пределах одного изображения или сравнении нескольких разных геоизображений, но в любом случае чтение геоизображений выполняется с onределенной, заранее поставленной целью. Эта цель бывает четко сформулирована или выражена интуитивно, но она
всегда присутствует в процессе чтения. Механизм (алгоритм) целенаправленного чтения геоизображения можно представить следующим образом
(рис. 20).Предварительно бегло просматривая изображение, перемещая взгляд от одного объекта или знака к другим, сравнивая их, возвращаясь к характерным деталям, прослеживая или “сканируя” отдельные элементы,
читатель оценивает объекты (или знаки), детали конфигурации, включает (или не включает) их в формируемый им графический образ, пытается уловить особенности рисунка. При это он одновременно решает две задачи: во-первых, старается составить представление об общем фоне изображения, а во-вторых, ищет и прослеживает инварианты графического образа. Его внимание
привлекают характерные структурные и рубежные линии, экстремальные области, он стремится уяснить принципы их организации, которые становятся основой для формирования первичного образа и получения первоначальной информации. Естественно, процесс чтения ускоряется, если читатель располагает какими-либо априорными (предварительными) представлениями илизнаниями об искомом объекте.
Далее осуществляется оценка полученной информации с точки зрения ее соответствия поставленной цели. Возможно, что внимание привлекла конфигурация, имеющая малое отношение к существу решаемой задачи,
тогда полученная информация отбрасывается и поиск возобновляется. Если же информация в какой-то степени соответствует цели, то читатель старается прочнее “зацепиться” за найденный графический образ, закрепить его в памяти. Он приступает к уточнению и детализации инвариантов, выстраивая их в систему и продолжая просмотр характерных объектов или знаков, ор-
ганизуя и отыскивая аналогичные образы. Сопоставление их между собой создает некий обобщенный графи- ческий образ, который служит читателю как бы эталоном при дальнейшем поиске. Значение эталонного образа, как было отмечено выше, чрезвычайно велико. Как только он сформирован, процесс чтения и распознавания существенно облегчается, ускоряется, и речь уже идет о сопоставлении графических рисунков с эталоном. Иначе говоря, распознавание образов на геоизображении связано с постоянным самообучением читателя, развитием у него навыков поиска и фиксации графических образов данного типа.
Получение новой дополнительной информации сопровождается ее оценкой: читатель все время решает,достаточна ли она для достижения поставленной цели.
Он сортирует и отбрасывает постороннюю и избыточную информацию, вновь и вновь уточняя и корректируя найденные графические образы.
Наконец, когда по мнению читателя, цель достигнута, происходит окончательное закрепление образа и его более или менее полная содержательная интерпретация. Еще раз уточняются и проверяются инварианты, оценивается однородность и контрастность рисунка, его
аномальность относительно остального изображения и другие морфологические особенности. Повторение этих этапов, самообучение читателя и итеративное совершенствование навыков постоянно направлены на распознавание и формирование целостной системы графических образов, отвечающей поставленной задаче. Видимо такой или примерно такой механизм чтения должен быть воспроизведен и в автоматических читающих устройствах, получивших название систем машинного видения — СМВ [33]. Основными функциями СМ В считаются обнаружение объектов, их считывание, идентификация и распознавание. При этом изображение формируется в памяти процессора в виде матриц отсчетов градаций яркости на рассматриваемом участке геоизображения.
Преимущества компьютерного анализа на этом этапе заключаются в возможности предварительной обработки изображения с целью улучшения его читаемости:снятия шумов, повышения контрастности, фильтрации и др. На этапе содержательного анализа составляются описания участков геоизображений, проводится их сегментация, выделяются пороговые области, обозначаются отдельные выделы. Далее, как и в случае простого визуального анализа, производится сравнение образа, опознанного СМ В, с эталоном, идентифицирование его и отнесение к тому или иному классу. Предложены раз-
ные алгоритмы и методики машинного чтения изображений, однако, почти все они идентичны в том отношении, что включают два этапа: этап обучения и этап распознавания графических образов (22, 33, 83 и др.]. Рассмотренные представления о механизмах чтения геоизображений позволяют сделать важный вывод: информация, получаемая читателем с любого геоизобра-
жения не равна числу показанных на нем объектов или графических элементов. Количество графических образов, которые способен сформировать читатель значительно превосходит количество объектов, графических элементов или знаков. Поэтому неверно говорить о более или менее информативных геоизображениях вообще. Правильно и практически целесообразно сопоставлять их информативность только в отношении какого-либо объекта или совокупности объектов. Если одно геоизображение содержит больше графических образов именно этих объектов, то оно более информативно по отношению к ним, хотя при этом может оказаться мало информативным
относительно других объектов.Порядок и количество информации, полученной
читателем (или читающим устройством) сданного геоизображения относительно некоторого объекта (множества объектов или геосистемы), равны порядку и числу формируемых и воспринимаемых систем графических
образов.
Рис. 20. Схема целенаправленного чтения геоизображения
Пространственный масштаб геоизображений
Масштаб геоизображения является функцией его назначения, технических средств съемки, обеспеченности фактическим материалом.
Одновременно сам он определяет наиболее существенные свойства геоизображения: от масштаба зависят пространственный охват и объем содержания геоизображения, его разрешение, подробность и геометрическая точность. Масштаб задает уровень обобщения и абстрагирования показанной информации, степень ее интеграции и генерализации, он определяет информативность геоизображения, а она в конечном счете диктует выбор направлений использования и устанавливает пределы применения карт, снимков, анимаций и т.п.
С масштабом и степенью абстрагирования напрямую связаны и
эвристические качества геоизображений как средства познания окружающего
мира. Мелкомасштабные геоизображения, подобно телескопу, открывают взору исследователя обширные пространства и планетарные закономерности. При этом частности не видны, а детали обобщены и сглажены.
Совсем иная картина проявляется на крупномасштабных еои зображениях. Они, словно микроскоп, показывают лишь малую часть пространства, но зато с большой подробностью, множеством деталей и микроформ. По картам и снимкам крупного масштаба прослеживают локальные закономерности.
Классифицируя любые геоизображения по масштабам, чаще всего называют три группы: крупно-, средне- и мелкомасштабные, однако характерно, что градации, принятые для основных видов геоизображений: карт, аэро- и космических снимков, — не одинаковы. Масштабные классификации имеют прямое отношение к пространственному охвату. И особенно хорошо это проявляется на примере карт планет. Масштаб, который для большой планеты
является крупным, для другой, меньшей по размерам, окажется мелким, ибо «у каждой планеты — свой метр». На Земле метр равен примерно одной десятимиллионной части длины меридиана, а значит, соотношение «метров» разных планет равносоотношению их размеров. Если экваториальный радиус Земли принять за 1, то радиус Меркурия составит 0,38; Венеры — 0,97; Марса — 0,53; Луны — 0,27. Отсюда нетрудно подсчитать, что земной карте в масштабе 1:1 000 000 соответствует (округленно) карта Меркурия в масштабе 1:400 000, Венеры — 1:1 000 000,.Марса— 1:500 000, Луны — около 1:250 000. Соотношение крупно-,средне- и мелкомасштабных карт для планет земной группы представлено в табл. 23.1.
Эти соотношения полезно иметь в виду при сравнении форм рельефа планет (например, кратеров) и вообще при любых сравнительно-планетологических исследованиях. Что касается аэрофотоснимков, то их масштабные классификации более всего связаны с высотой фотографирования: при прочих равных условиях масштаб снимка тем мельче, чем выше поднят аэрофотоаппарат. С вертолетов съемки выполняются в основном в крупных и иногда в средних масштабах, с самолетов — в средних и мелких масштабах, а с высотных самолетов получают мелкомасштабные и сверхмелкомасштабные аэрофотоснимки. Принимая трехступенное деление, выделяют аэроснимки: крупномасштабные — 1:5 000 и крупнее, среднемасштабные — от 1:5 000 до
1:100 000 и мелкомасштабные — мельче 1:100 000.
Масштаб космических снимков также тесно связан с высотой съемки. Так, автоматические межпланетные станции, пролетающие на расстоянии в десятки тысяч километров от Земли, дают весьма мелкомасштабные изображения видимой ее части — снимки полушария. Метеоспутники и пилотируемые космические станции, облетающие Землю на орбитах высотой до нескольких тысяч километров, предоставляют возможность получать снимки в основном в средних масштабов, охватывая отдельные континенты, океаны и крупные их части. А с орбит высотой в несколько сотен километров и с применением длиннофокусных объективов получают весьма детальные крупномасштабные изображения, покрывающие территории площадью около 100 тыс. км2 . Трехступенная классификация для космических снимков выглядит так: крупномасштабные снимки — крупнее 1:1 000 000, среднемасштабные — от 1:1 000 000до 1:10 000 000, мелкомасштабные — от 1:10 000 000 до 1:100 000 000. Приведенные масштабные подразделения для трех основных видов геоизображений отражают важный, хотя, впрочем, достаточно очевидный факт: карты по своей детальности и подробности занимают промежуточное положение между аэро- и космическими снимками (табл. 23.2).
Практика применения геоизображений в науках о Земле свидетельствует о том, что каждому пространственному уровню исследования соответствует некоторый оптимальный диапазон масштабов карт и снимков. Например, мелкомасштабные геоизображения удобны для прослеживания природной зональности, изучения крупных горных систем и планетарных тектонических структур. Среднемасштабные карты и снимки пригодны для районирования регионов, анализа глобальных линеаментов и кольцевых структур, а по крупномасштабным картам и аэрофотоснимкам удобно изучать строение ландшафтов, микрорельеф и микроклимат территории, отдельные геологические структуры и т.п. Для основных геоизображений соотношения масштаба, охвата пространства и уровня исследования приведены в табл. 23.3.
На локальном уровне исследования космические снимки применяют
нечасто, а на фациальном — практически не используют.
Напротив, аэроснимки не применяют на глобальном уровне и крайне
редко — на континентальном/океаническом уровне.
Конечно, диапазон выбора геоизображений того или иного масштаба
во многом определяется их качеством (разрешение, цвет, спектральный
диапазон и т.п.) и характером решаемых задач. Известно, что аэроснимки привлекаются тогда, когда ставится задача повысить детальность исследований, выявить подробности, отсутствующие на картах и космических снимках. Поэтому при исследовании всегда стараются взять снимки более крупного масштаба, чем карты. На фациальном уровне диапазоны масштабов аэроснимков и детальных карт сближаются, а далее они все больше расходятся. На субрегиональном и региональном уровнях различия масштабов весьма ощутимы.
Рис. 23.2. Поле масштабов геоизображений
На рис. 23.2 представлен график, характеризующий отмеченные соотношения. На нем жирными линиями показаны главные соотношения масштабов и пространственного охвата, а заштрихованная эллипсообразная область — поле масштабов геоизображений — очерчивает возможные пределы колебания при выборе масштабов. График отражает ряд закономерностей:
• связь уровня исследования и масштабов геоизображений;
• целесообразные (возможные) диапазоны колебания масштабов
геоизображений на разных пространственных иерархических
уровнях;
• сближение масштабов карт и аэроснимков на фациальном
уровне и сближение карт с космическими снимками на глобальном
уровне;
• оптимальные сочетания геоизображений, их масштабную совместимость.
Например, для изучения территории России в целом наилучшим окажется сочетание карт в масштабе 1:10 000 000и космических снимков в масштабе около 1:40 000 000, причем колебания могут находиться в интервале от 1:1 000 000до 1:100 000 000 — это зависит от целевых установок, детальности конкретного исследования, особенностей самого изучаемого объекта, допустимой трудоемкости и других подобных факторов. Для исследования Московской области целесообразно взять карты в масштабе 1:300 ООО, аэроснимки — 1:30 ООО и космические изображения — 1:2 500 000. При этом диапазон возможного разброса масштабов — от 1:10 000 до 1:8 000 000.
Опыт показывает, что, выбирая масштаб геоизображения, пользователь интуитивно ищет компромисс между обзорностью и детальностью
карты. На уровне глобальных исследований наиболее важна обзорность, а по мере движения к локальному уровню все более ценится детальность. Несмотря на приближенность этих соотношений, их полезно иметь в виду при планировании научных исследований, формировании ГИС, составлении новых карт — словом, в любых ситуациях, когда приходится сочетать разные геоизображения.