Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова Географический факультет

Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова
Географический факультет
Кафедра Физической географии мира и геоэкологии
Применение данных дистанционного
Зондирования Земли в геоинформационных
системах
Реферат по
ГИС
Выполнил:
Студент 3 курса
Гульбин С. Ю.
Москва-2012
Содержание:
1. Основные преимущества ДДЗ
2. Применение ДДЗ в оперативном спутниковом мониторинге состояния
окружающей среды и землепользования
2.1. Наводнения
2.2. Лесные пожары
2.3. Землепользование
2.4. Аральское море
3. Новые технологии дистанционного зондирования и работы с ДДЗ
4. Заключение
2
1. Основные преимущества ДДЗ
Дистанционное
зондирование
поверхности Земли авиационными
Земли
и
(ДЗЗ) —
наблюдение
космическими
средствами,
оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон
длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей
микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны).
Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использовать
естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на
поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные —
использующие
вынужденное
искусственным
источником
излучение
направленного
полученные
скосмического
аппарата (КА),
степенью
зависимости
от
объектов,
инициированное
действия.
Данные
характеризуются
прозрачности атмосферы.
ДЗЗ,
большой
Поэтому
на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного
типов,
регистрирующие
электромагнитное
излучение
в
различных
диапазонах.
Космическая съемка обладает рядом достоинств, благодаря которым
она становится все более популярной. Регулярность, простота заказа,
наличие архивов за многие годы, большое покрытие одного снимка,
цифровая форма представления. В России уже появились компании, в
структуре бизнеса которых продажа космоснимков занимает одно из
ведущих мест (например, Прайм-Груп, Совзонд). Нельзя не отметить также
активность
компании
СканЭкс
по
расширению
спектра
данных,
принимаемых на ее приемные станции, и продвижению на российский рынок
новых видов ДДЗ. Соответственно, мы полагаем, что вскоре возрастут также
и потребность в программном обеспечении для работы с ДДЗ, и интерес к
новым методикам дешифрирования.
3
2. Применение ДДЗ в оперативном спутниковом мониторинге состояния
окружающей среды и землепользования
Совместное использование данных разных космических систем
позволяет обеспечить практически непрерывный мониторинг окружающей
среды и земной поверхности, получение всесторонних оценок состояния
природных объектов и явлений, контроль чрезвычайных ситуаций и т.п.
В Федеральном космическом агентстве России (Роскосмосе) прием,
обработку,
каталогизацию,
архивацию
и
распространение
данных
дистанционного зондирования Земли и продукции, создаваемой на их основе,
обеспечивает Научный центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ).
Здесь принимается и обрабатывается информация со следующих российских
и зарубежных спутников: Метеор-3М №1 - аппаратура МСУ-Э, Terra аппаратура MODIS, NOAA - аппаратура AVHRR, ERS-2 - радиолокатор с
синтезированной апертурой. В соответствии с ближайшими планами
Роскосмоса НЦ ОМЗ поручена эксплуатация уже запущенного совместного
российско-украинского КА «Сич-1», а также планируемых к запуску
российских КА «Монитор-Э» и «Ресурс-ДК».
Наземный
комплекс
приема
и
обработки
космической
видеоинформации, созданный в НЦ ОМЗ, функционирует на основе
разработанных в центре методик и технологий, предусматривающих
поэтапную обработку массивов поступающих спутниковых данных. В
качестве базового программного обеспечения для уточнения координатной
привязки космических снимков и преобразования их в выбранную
картографическую проекцию, интерпретации и тематической обработки
снимков, картографического представления результатов применяются такие
программы, как ERDAS IMAGINE и ArcView GIS.
4
2.1 Наводнения
В настоящее время наводнения – одно из самых разрушительных
стихийных бедствий, представляющих угрозу не только природным и
хозяйственным объектам, но и населению. Для России такое бедствие может
возникнуть во время весенних пойменных разливов на реках от снеготаяния
или во время сильных летних ливней. Для предотвращения тяжелых
последствий этого явления необходима оперативная оценка обстановки на
пойменных территориях крупных рек страны. Традиционные методы сбора
информации о наводнениях не отвечают современным требованиям и не
позволяют
оперативно
принимать
управляющие
решения
по
предупреждению наводнений и ликвидации их последствий. Своевременное
получение необходимой информации может обеспечить использование
данных космической съемки, которая позволяет получить интересующую
информацию в краткие сроки и обеспечить охват территорий, пострадавших
от наводнений.
Реализация разработанной в НЦ ОМЗ технологической схемы
космического мониторинга наводнений с привлечением средств ERDAS
IMAGINE и ArcView GIS и использованием данных разного разрешения с
российских и зарубежных космических аппаратов даёт возможность
получать оценки состояния территорий на всех этапах наблюдений: при
прогнозе наводнений, во время и после прохождения паводка. Комплексное
использование этих данных позволяет оценивать процесс наводнений на
глобальном, региональном, локальном (бассейн реки) и детальном уровнях.
Разработанная технология позволяет решать следующие задачи: вычисление
степени
затопления
пойм;
подсчёт
затопленных
площадей;
оценка
последствий затоплений и нанесенного ущерба; изучение динамики
наводнений.
5
2.2 Лесные пожары
Благодаря широкой полосе обзора MODIS и большой (2500 км) зоне
радиовидимости приемного пункта НЦ ОМЗ можно практически ежедневно
контролировать из Москвы огромные территории лесных зон России.
Оперативный мониторинг лесных пожаров в НЦ ОМЗ осуществлялся,
например, в весенне-летний (май-июнь) период 2004 г., когда происходили
многочисленные возгорания тайги в Восточной и Западной Сибири.
Рис. 1. Очаги лесных пожаров со спутника
Для мониторинга лесных пожаров используются также и данные
высокого разрешения, получаемые аппаратурой МСУ-Э (КА «МЕТЕОР-3М»
№1), которые позволяют оценить размеры бедствия в более крупном
масштабе. Эти данные обеспечивают мониторинг локального уровня с
детализацией картины горения и более точным определением площади
6
выгоревших участков леса, что очень важно на этапе оценки последствий
лесных пожаров.
2.3 Землепользование
Весьма
актуальным
направлением
использования
спутниковых
данных является решение задач землепользования. В НЦ ОМЗ имеется опыт
использования данных МСУ-Э в задачах мониторинга сельскохозяйственных
угодий. Так, в 2004 г. по контракту с Минсельхозом Ставропольского края
проводилось изучение территории края средствами российского КА
«Метеор-3М №1». За период с июля по ноябрь 2004 г. было обработано 24
кадра МСУ-Э на территорию края. Обработка осуществлялась в среде
ERDAS IMAGINE. В задачах комплексного космического мониторинга
сельскохозяйственных угодий использовались также данные MODIS.
Недавно компанией «Сканэкс» был запущен в продажу продукт
«КОСМОСАГРО». Основные этапы выполнения проектных по данному
продукту:

Создание
электронных
карт
земель
сельскохозяйственного
предприятия.

Мониторинг согласованных с Заказчиком параметров (развитие
посевов, почвенного плодородия и т.д.);

Создание
системы
визуального
отображения
и
работа
с
электронной картой.
Этот сервис очень перспективен и в данном случае «Сканэкс» на шаг впереди
своих российских конкурентов.
7
2.4 Аральское море
Уже более 40 лет проблема Аральского моря привлекает к себе
внимание учёных и общественности. Катастрофическое падение уровня воды
в нём началось в 1960-е годы, площадь зеркала воды за последние 40 лет
уменьшилась более чем в 3,5 раза. В большинстве исследований по этой
проблеме за год начала обмеления принят 1962 г.
В последние 10 – 15 лет появилась возможность следить за
изменением площади зеркала воды с помощью космических средств ДЗЗ. В
НЦ ОМЗ ведутся постоянные исследования изменения площади зеркала воды
Аральского моря по материалам многолетних космических наблюдений.
Полученные оценки сопоставляются с картографическими материалами
соответствующего периода. С начала 1990-х годов накоплен обширный
архив изображений Аральского моря, полученных с российских КА типа
«Ресурс-01», «Океан-01», «Океан-О», «МЕТЕОР-3М» №1. Изменение
площади зеркала воды Аральского моря иллюстрирует рис. 8 (показаны
границы, полученные по снимкам МСУ-СК КА «Ресурс-01»№2, MODIS КА
Terra в 1993, 2001, 2004 годах).
8
3. Новые технологии дистанционного зондирования и работы с ДДЗ
За последнее время было выполнено множество интересных проектов
и исследований с использованием ДДЗ,
а сама ситуация с использованием
ДДЗ и программного обеспечения для обработки изображений изменилась. В
течение этого периода мы наблюдаем стабилизацию объема реализации
программного обеспечения для обработки изображений и, одновременно,
значительный рост продаж космоснимков. Также повысилось внимание к
современным средствам сбора данных, в частности к цифровым камерам
воздушного базирования. Это говорит о том, что пользователи в своей
повседневной работе начали широко применять ДДЗ, как один из важнейших
источников информации для своих геоинформационных систем.
Использование снимков перешло уже в новое качество – это уже не
просто информационный фон, подложка для векторных карт, а полноценный
источник данных для проведения пространственного анализа и построения
моделей принятия решений. При этом иллюстративная функция, конечно,
продолжает играть свою роль в дальнейшем распространении ДДЗ, к тому же
она в значительной степени усилена высоким качеством современных
снимков высокого разрешения. И используются они уже не просто как
красивые картинки, а для создания полноценных реалистичных трехмерных
моделей местности. Хотя до сих пор распространен стереотип, что это всё
"игрушки для генералов", на самом деле лучше "один раз увидеть", прежде
чем "наломать дров".
Если раньше чуть ли не единственным источником данных для ГИС
были оцифрованные карты, то теперь космоснимки все чаще используются и
для обновления карт, и для первичного ввода информации. Ни для кого не
секрет, что подавляющее число топографических карт России устарели на
10-20 лет. Есть и такие районы, на которые карты не обновлялись с 50-х
9
годов прошлого века. Поскольку сегодня эти территории включаются в
экономический
оборот,
необходимостью.
актуальные
Интенсивное
карты
развитие
становятся
систем
насущной
дистанционного
зондирования (к сожалению, пока только зарубежных) привело к ощутимому
снижению общего уровня цен на коммерчески доступные космоснимки, а
также дало возможность более широкого выбора съемочных систем. В
совокупности эти факторы и повлияли на ощутимый рост интереса к ДЗЗ.
Развитие возможностей персональных компьютеров и цифровых
фотокамер позволило реализовать на их базе трехмерное моделирование
сложных
географических
компьютеры,
данные
объектов
и
космосъемки
целых
высокого
городов.
Современные
разрешения,
цифровые
фотокамеры и программное обеспечение позволяют построить сквозную
технологию
трехмерного
моделирования,
на
выходе
которой
–
фотореалистичные виртуальные модели городов или любых других
территорий.
В
отличие
от
своих
деревянных
и
пластмассовых
предшественников, такие модели поддерживают пространственный анализ,
их легко изменять, добавлять новые объекты и оценивать, насколько они
вписываются в существующую среду, проигрывать различные сценарии
развития территории и т.д. Такая модель легко умещается на жестком диске
ноутбука и может быть показана в любом месте и в любое время. При этом
она сохраняет свою географичность и может быть интегрирована с другими
ресурсами геоинформационных систем.
Еще одно перспективное направление работы с ДДЗ – объектноориентированное
дешифрирование
изображений.
Дешифрирование
–
необходимый шаг для извлечения полезной информации из ДДЗ и
наполнения ею базы данных ГИС. В этой области очень долго доминировали
методы так называемой по-пиксельной классификации, интерпретирующие
10
каждый пиксел изображения независимо от других. Новая же методика
вначале выделяет на изображении объекты, как области относительной
однородности цвета, текстуры и яркости, и уже потом классифицирует эти
объекты как по традиционным спектрально-яркостным признакам, так и по
признакам геометрическим (форма, площадь, ориентация и др.), контекстным
(вхождение в более крупные объекты или области, близость к объектам
определенного класса и др.) и текстурным.
11
4. Заключение
На сегодняшний момент накоплен огромный массив данных, который
постоянно пополняется новыми снимками различных космических систем и
позволяет решать широкий круг задач при исследовании и мониторинге
земной поверхности.
Современный момент в России характеризуется налаживанием
правовых отношений в области имущества и недвижимости. Совершенно
очевидно,
что
эта
информация
имеет
сильную
пространственную
составляющую. Территория нашей страны огромна, объекты отношений
очень разнообразны, и применение одних только традиционных технологий
съемки и описания совершенно недостаточно. Текстовые описания часто не
точны и сложны в проверке. Ручные методы съемки трудоемки и требуют
много времени. Поэтому без космической и цифровой аэрофотосъемки
обойтись крайне проблематично. Более того, уже стали популярны
технологии лазерного и теплового сканирования, дающие огромные объемы
высокоточных данных и информацию, попросту недоступную при других
методах съемки. Хотя они пока еще довольно дороги, интерес к ним
постоянно растет. Именно сочетание современных высокопроизводительных
съемочных
технологий
и
программного
обеспечения
позволяет
в
максимально сжатые сроки создать кадастры земель, имущества, природных
ресурсов, наиболее полно отвечающие современным требованиям. Точность,
актуальность, полнота – это не просто благие пожелания, а реальная основа
для сокращения конфликтности отношений и, следовательно, для ускорения
экономического роста.
12