Method of UAV Aerial Image Analysis Based on SSIM and MSE for Assessing the Reliability of Technical Systems

Abstract

This article presents an automated method for analyzing aerial images from unmanned aerial vehicles (UAVs), aimed at improving the reliability of technical systems and tracking changes in natural and anthropogenic processes. The objective of this work is to develop an algorithm that ensures accurate detection of anomalies and prediction of potential failure threats based on image processing. The methodology involves the application of the Structural Similarity Index (SSIM) and Mean Squared Error (MSE) for assessing spatial variations between adjacent segments of the imagery. The proposed approach is characterized by high stability to changes in illumination, low computational costs, and the possibility of integration into autonomous UAV systems. This work is based on computer modeling and statistical analysis of anomaly detection accuracy. The algorithm was tested on various datasets of aerial images using machine vision techniques and mathematical statistics to evaluate the effectiveness of the proposed method. The results include the development and validation of the algorithm, the construction of SSIM and MSE heatmaps, as well as the evaluation of the accuracy and reliability of the method. The obtained data confirm its effectiveness in automated monitoring of infrastructure facilities and the assessment of environmental risks. The scope of application of the developed method encompasses automated surveillance of engineering structures, monitoring the condition of agricultural lands, analyzing the consequences of natural disasters, and environmental control. The method can be integrated into intelligent control systems for the reliability of technical objects. In conclusion, the developed algorithm significantly enhances the accuracy of anomaly detection, minimizes the influence of external factors, and automates the aerial image processing workflow. Its application contributes to improving the reliability of technical systems and reducing the probability of failures through the early identification of potential threats. Scientific Novelty: The scientific novelty lies in the development of a new method for assessing spatial variations based on a combination of the Structural Similarity Index (SSIM) and Mean Squared Error (MSE), which provides high accuracy in anomaly detection. In contrast to traditional image analysis methods, the proposed algorithm is characterized by robustness to changing imaging conditions, and its computational efficiency allows for real-time application. Furthermore, the method can be integrated into autonomous monitoring systems, expanding the capabilities of intelligent data analysis from UAVs. The obtained results and proposed solutions can be used to improve technologies for automated condition monitoring of objects and analysis of the dynamics of natural processes.

References

  1. Бучаев М.А., Старченкова О.Д., Конников Е.А. Анализ и кластеризация недостоверной новостной информации как инструмент обеспечения информационной безопасности региона // Мягкие измерения и вычисления. 2024. № 84 (11-2). С. 37-51. doi: 10.36871/2618-9976.2024.11-2.004. EDN: PFWBDV.
  2. Dai K., Ma C., Wang Z., Long Y., Li X., Feng S., Ye Y. Exploiting spatial-temporal dynamics for satellite image sequence prediction // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2023. Т. 20. С. 1-5.
  3. He X., Chen Y. Transferring CNN ensemble for hyperspectral image classification // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2020. Т. 18. № 5. С. 876-880.
  4. Veretelnikova E.L., Elantseva I.L. Selection of factor for root mean square minimum error criterion // 2016 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). 2016. Т. 2. С. 221-223. IEEE. doi: 10.1109/APEIE.2016.7806454. EDN: WZWUYB.
  5. Моттаева А.Б., Смирнова И.А., Конников Е.А., Шарафанова Е.Е. Нечетко-множественный подход к оценке трансрегиональной промышленной когерентности // Мягкие измерения и вычисления. 2024. № 76 (3). С. 35-44. doi: 10.36871/2618-9976.2024.03.003. EDN: EGIQUM.
  6. Raju K.N., Reddy K.S.P. Comparative study of Structural Similarity Index (SSIM) by using different edge detection approaches on live video frames for different color models // 2017 International Conference on Intelligent Computing, Instrumentation and Control Technologies (ICICICT). 2017. С. 932-937. IEEE.
  7. Coppin P., Jonckheere I., Nackaerts K., Muys B., Lambin E. Digital change detection methods in ecosystem monitoring // International Journal of Remote Sensing. 2004. Т. 25. № 9. С. 1565-1596.
  8. Wang Z., Bovik A.C., Sheikh H.R., Simoncelli E.P. Image quality assessment: From error visibility to structural similarity // IEEE Transactions on Image Processing. 2004. Т. 13. № 4. С. 600-612.
  9. Родионов Д. Г., Конников Е. А., Пашинина П. А., Шаныгин С. И. Тематическое моделирование информационной среды медиакомпаний: инструментальный комплекс LDA-TF-IDF // Мягкие измерения и вычисления. 2024. Т. 76, № 3. С. 72-84. doi: 10.36871/2618-9976.2024.03.006. EDN: COCJYG.
  10. Dai K., Ma C., Wang Z., Long Y., Li X., Feng S., Ye Y. Exploiting spatial-temporal dynamics for satellite image sequence prediction // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2023. Т. 20. С. 1-5.
  11. Волков О. А., Дьякова Г. Н. Разработка математического аппарата интервальной оценки вероятностных показателей надежности технических систем с последовательно-параллельной структурой методом аппроксимации фидуциальных распределений в классе бета-распределений // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем: Сборник докладов Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 08-12 апреля 2019 года. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2019. С. 27-34. EDN: IUCRVY.
  12. Моттаева А.Б., Смирнова И.А., Конников Е.А., Шаныгин С.И. Построение алгоритмики анализа экономической результативности трансрегионального промышленного кластера в контексте цикла приращения уровня устойчивого развития с применением инструментария событийного моделирования // Мягкие измерения и вычисления. 2024. № 77(4). С. 28-38. doi: 10.36871/2618-9976.2024.04.004. EDN: EQCIDA.
  13. Станин А.А., Митязов В.А., Сорокин В.И., Конников Е.А. Моделирование уровня несостоятельности регионов на основе алгоритма оценки риск-предрасположенности // Мягкие измерения и вычисления. 2024. № 84 (11-1). С. 35-49. doi: 10.36871/2618-9976.2024.11.003. EDN: ZUAGEG.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».