Тема №7 «Использование ДДЗ при создании и работе с ЭЦК»

Вопросы:

1. Понятие и необходимость использования ДДЗ

2. Характеристики ДДЗ

2.1. Аэро и космоснимки

2.2. Виды снимков

2.3. Разрешение

2.4. Диапазон волн ДДЗ

3. Стоимость ДДЗ

4. Реальные примеры использования ДДЗ

5. Использование экспертных систем для обработки ДДЗ

1 Понятие и необходимость использования ДДЗ

Прежде чем прини­мать какие-либо решения, стро­ить планы, разрабатывать проек­ты развития и использования территорий, необходимо для на­чала понять - что из себя эта тер­ритория представляет: сколько здесь проживает населения, чем оно занято, в каких условиях жи­вет: какие здесь есть полезные ископаемые и в каком количестве; каковы инженерно-строительные условия; что представляют из себя лесные массивы; как используются пахотные земли и в каком они состоянии; в каком состоянии луга и паст­бища и какова их продуктивность; что из себя представляет промышленность территории, насколько она эффективна и какие виды про­мышленного производства экономически вы­годно здесь развивать; каковы резервы водо­снабжения; в каком состоянии и какие резер­вы у энергоснабжения; какая транспортная сеть на территории, каковы ее транспортные связи, в каком состоянии магистрали, желез­ные дороги, аэропорты; какова, наконец, эко­логическая ситуация и чем она вызвана и т.п Специалистам, ра­ботающим с материалами космических съемок тоже понятно - без космических изобра­жений такую задачу ни в масштабах страны, ни в масштабах области (края, республики) решить практически невозможно. Но кто ее может решить?

Есть только две возможности. Одна - это сбор информации на местности, как говорят, "в поле", при посещении человеком или автоматическим устройством интересующих объектов или участков и непосредственном сборе информации о них - будь то приборные измерения, например, температуры воды, рН почвы, уровня естественной радиоактивности горных пород, будь то описание человеком типа и состояния лесной растительности или сельскохозяйственных посевов, или даже просто фиксация появления новых объектов - вновь построенной дороги, развив­шегося за последнюю весну оврага, несанкционированной вы­рубки в лесу или незаконных посевов конопли на деревенском огороде - все это можно определить при прямых наблюдениях на местности, и имея портативный полевой компьютер, связанный с приемником GPS, можно сегодня создать, пополнить или отре­дактировать пространственные базы данных, полностью исклю­чив промежуточное накопление информации на бумажном носи­теле. Это вполне реально уже сегодня, применение таких подхо­дов ширится. Но совершенно ясно также, каких огром­ных затрат и времени требует сплошное изучение, наземная съемка значительных территорий. Тем более этот подход мало­реален при комплексном изучении территории, ведь для одно­временного изучения и растительного покрова, и почв, и геологи­ческого строения, и объектов хозяйственной деятельности чело­века требуется одновременно посылать на полевые работы спе­циалистов многих профессий. Отметим также, что при проведе­нии полевых обследований очень трудно, а для больших террито­рий невозможно, добиться синхронизированности, одновремен­ности наблюдений во всех частях территории. Наблюдения в разных частях могут тогда относиться к разным фенологическим стадиям развития растений, разным состояниям погоды, разным этапам сельскохозяйственных работ. Короче, единственным этот метод сбора информации - в поле, при непосредственном посе­щении местности, при прямом контакте с ее объектами, быть не может. Он обязательно должен дополняться другими, неконтакт­ными методами сбора информации, позволяющими охватить сразу значительные площади.

Эту задачу позволяют решить методы дистанционного зон­дирования. (Вообще говоря, в эту группу попадают все методы получения информации неконтактными методами - о земной по­верхности, о том, что расположено на ней, под ней и над ней, в том числе и известные геофизические методы исследования недр - гравиразведка, сейсморазведка и др., но чаще к дистанци­онному зондированию относят только группу методов получения изображения земной поверхности в определенных участках спе­ктра электромагнитных волн с авиационного или космического летательного аппарата. Таким образом, данные дистанционного зондирования - это прежде всего аэроснимки или космические снимки.)

Специализированные пакеты для работы с данными дистан­ционного зондирования, такие как ERDAS IMAGINE, приобретают все более развитые функции ГИС, а классические ГИС, в основ­ном рассчитанные на работу с векторными данными, такие как ARC/INFO и ArcView GIS, активно развивают средства для работы с растровой моделью данных. Две эти ветви программного обеспечения научились хорошо вза­имодействовать, читая форматы файлов друг друга даже без не­обходимости конвертирования.

Под Дистанционным зондированием (ДЗ) под­разумевается получение информации о земной по­верхности (включая расположенные на ней объек­ты) без непосредственного контакта с ней, путем регистрации приходящего от нее электромагнит­ного излучения. Таким образом, дистанционное зондирование - косвенный метод получения ин­формации о земной поверхности, и для извлечения этой содержательной информации из исходных данных требуются специальные методы обработки (дешифрирования) данных ДЗ (ДДЗ). Эти методы реализованы в системах обработки изображений. Но прежде, чем приобретать и обрабатывать дан­ные, необходимо разобраться, какими свойствами они обладают, и выбрать данные, оптимальные для решения поставленных задач.

2 Характеристики ДДЗ

2.1 Аэро и космоснимки

Чем отличаются данные аэросъемок и космических съемок? Да, в сущности, ничем принципиальным, кроме типа аппарата, который несет съемочную аппаратуру и высоты съемки, 'что оп­ределяет в среднем меньшее пространственное разрешение ко­смических снимков, но зато и их большую обзорность Для кос­мических систем типично разрешение в несколько метров и де­сятков метров, зато один кадр может покрывать квадрат со сто­роной в несколько десятков, а то и сотен километров. Более низ­кое пространственное разрешение не всегда является недостат­ком изображения, зато в сочетании с большой площадью кадра оно обеспечивает высокую обзорность и естественную генера­лизацию изображения, что помогает выявить такие особенности природных объектов на земной поверхности, которые пропада­ют, теряются при рассматривании их по частям на детальных снимках. Кроме этого, снимки более низкого пространственного разрешения, естественно, дешевле в расчете на единицу площа­ди, вплоть до совсем бесплатных снимков с метеорологических спутников серии NOAA, дающих разрешение около 1 км. Сего­дня, впрочем, по пространственному разрешению между косми­ческими и аэросъемками резкой границы нет - современные ко­смические системы позволяют получать изображения с разре­шением в 1 метр и даже в несколько десятков сантиметров.

2.2 Виды снимков

2.3 РАЗРЕШЕНИЕ

2.4 ДИАПАЗОНЫ ВОЛН ДДЗ

3 Стоимость ДДЗ

Что касается стоимости ДДЗ, то тут существу­ет множество вариантов. На цену влияют: выбор спутника, дата съемки (то есть, будут данные взяты из архива, или съемку нужно заказывать), режим работы сенсора (количество спектральных зон, стереорежим), уровень обработки снимков, объем заказа... В общем, можно сказать, что цена сним­ков варьирует от нуля до десятков долларов за ква­дратный километр.

4 Реальные примеры использования ДДЗ

Пример 1: Проект "Американские Леса" по программе "Городские Леса" показал важность лесных насаждений для городских условий. Ис­пользуя дистанционное зондирование и другие методы ГИС, включенные в программное обеспе­чение CITYGREEN (см. ARCREVIEW №3(10) за 1999 г., стр. 8), удалось обнаружить прямую корреля­цию между снижением численности деревьев и ростом стока ливневых вод и загрязнения воздуха. Городская среда ставит трудную задачу по обра­ботке ДДЗ. Тем не менее, при использовании спе­циальных алгоритмов было обнаружено, что в го­родских областях Пьюджет-Саунд утрачено 37% деревьев, которые перехватывали 34 млн. кубоме­тров воды и 16 тыс. тонн загрязнителей, вызываю­щих разрушение озона. Проект также помог опре­делить, где следует высаживать деревья, чтобы улучшить городскую среду. Разработка доведена до настоящей системы управления, способной по­мочь любому городскому планировщику.

Пример 3: Фирмой Maryland Consulting для проведения анализа производства сельскохозяй­ственной продукции по малоизученным террито­риям была разработана и реализована методика, на 60% уменьшающая время и стоимость такого анализа. Вместо закупки и обработки данных LANDSAT на большие территории компания созда­ла линейную регрессионную модель для опреде­ления вероятной ошибки выделения сельскохо­зяйственных областей по снимкам AVHRR. Кор­ректность модели была проверена по снимкам бо­лее высокого разрешения. Была статистически доказана достоверность классификации ланд­шафтов на региональном уровне.

В первую очередь, это разработанные Научно-проектной фирмой ЭНКО компьютер­ные Генеральные планы городов Перми и Ижевска и Концепция территориально-плани­ровочного развития гг. Ухта-Сосногорск, со­зданные с использованием цифровых косми­ческих изображений SPOT, Генеральный план Приморского рекреационного района Кали­нинградской области и 1 -и этап создания Го­сударственного Градостроительного кадастра Республики Коми, выполненные с использо­ванием отечественных космических снимков.

В данных работах космические изображе­ния успешно применялись для оценки совре­менного состояния и использования изучае­мых территорий, что позволило создать акту­альную картину на момент проведения косми­ческой съемки, адекватно оценить потенциал территории и разработать эффективные предложения по ее перспективному разви­тию.

В Перми, на основе космической съемки SPOT, а также фондовых материалов, были со­зданы цифровые карты современных ланд­шафтов, использования земель, инженерно-строительных условий и традиционные градо­строительные схемы: функционального зонирования, транспорта, магистральных инже­нерных сетей, планировочных ограничений (санитарно-защитные зоны предприятий, зо­ны от трубопроводов, водоохранные зоны и т.п.) и многие другие. Система создавалась с помощью программных средств PC ARC/INFO и ArcView GIS. В процессе дешифрирования космических изображений SPOT были выяв­лены многочисленные изменения состояния окружающей среды, по сравнению с традици­онными картографическими материалами -новая, главным образом, усадебная застрой­ка; карьеры, свалки, другие нарушения почвенно-растительного покрова; новые дороги и другие линейные сооружения. Особенно пока­зательно то, что по космической съемке обна­ружены очень значительные нарушения зеле­ной зоны Перми к востоку от города несанкци­онированными рубками, строительством и т.п. Материалы дешифрирования космических изображений существенно повлияли на раз­работку проектных предложений Генерально­го плана.

Применяя ГИС-технологии проектировщи­кам удалось решить многие задачи - от выбо­ра территорий для нового жилищного строи­тельства и комплексной градостроительной оценки этих новых площадок до разработки предложений по развитию социальной инфра­структуры (на основе компьютерного анализа обеспеченности микрорайонов детскими са­дами, школами, поликлиниками и т.п. в срав­нении с нормативными показателями) (рис. 1).

Другой пример - территориальная инфор­мационная система "Генеральный план При­морского района Калининградской области". В начале работы использовались отечествен­ные космические фотоснимки, выполненные в 1989 году. Были созданы необходимые схемы дешифрирования и традиционные градостро­ительные схемы в составе, аналогичном при­веденному выше. На стадии разработки про­ектных предложений было получено космиче­ское изображение SPOT 1995 года, анализ ко­торого показал, что на территории произошли значительные изменения, связанные, главным образом, с массовым жилищным и садовод­ческим строительством. Это привело нас к мысли о необходимости ведения градострои­тельного мониторинга с использованием кос­мических изображений, методика которого и была разработана нами в инициативном по­рядке на примере изображений SPOT 1990 и 1995 года этой территории(рис. 2) с примене­нием ГИС-технологии.

Использование данных дистанционного зондирования

На этом этапе наиболее эффективным становится объединение средств ГИС и ЕПОАЗ 1МА01МЕ в единую платформу, что обеспечивает корректный подход к оценке экологической ситуации в регионе с позиций экономического природо­пользования.

В процессе природоохранного проектирования важную роль играет фактор сохранности почвенно-раститепьных покровов (рис. 5).

Планирование и экологическая оценка работ - важные инструменты, гаранти­рующие соблюдение природоохранных требований. Объединение данных наблю­дений за природной средой и, результатов моделирования сценариев ее измене­ний при конкретном плане работ служит ключевым фактором в принятии решений. Эти задачи успешно решаются средствами програмного обеспечения ЕНОД5 1МАС1МЕ. С использованием эталонов дешифрирования были построены карты грунтов и растительности. На их основе определяются санирующие свойства ландшафтов по преобразованию, поглощению или нейтрализации загрязнителей. По полученным по ЦМР направлениям водотоков и тематической карте раститель­ности и грунтов проведено районирование трассы и выделены наиболее экологи­чески уязвимые участки нефтепровода (рис. 6). Анализ полученных результатов позволил в качестве меры, предотвращающей возможные негативные воздейст­вия, выбрать места для «ловушек" разливов нефти на случай возможных ЧС.

Для корректировки построенной математической модели местности широко использовались данные дистанционного зондирования (ДДЗ). В качестве исход­ной информации были взяты снимки 1АМОЗАТ-7, МК-4 высокого разрешения, а также данные полевых геодезических изысканий. Обработка ДДЗ велась с ис­пользованием модуля 1МА01МЕ ОШюВАЗЕ для ортофототрансформации и геоме­трической коррекции снимков. Данные многозональной космической съемки ис­пользовались для уточнения инфраструктуры, состояния ландшафтных карт и карт растительности, изменений речной сети, границ населенных пунктов. Полу­ченная информация позволила скорректировать математическую модель, до­биться более высокой степени ее достоверности (рис. 7).

Качество воды определялось по результатам химического анализа проб за несколько лет и гиперспектральным снимкам территории. Их соместный анализ позволил создать эталоны дешифрирования (рис, 8). Они позволяют оценить со­стояние и выявлять естественные и возможные техногенные изменения состава воды и грунтов.

С использованием космических снимков также велось планирование опти­мального размещения строительных площадок и дорог На снимках отчетливо видны места прошедших лесных пожаров, вырубок леса, молодых посадок дере­вьев. Проведение строительных работ на этих участках позволяет минимизиро­вать ущерб таежной экосистеме, так как гибель лесной растительности приводит к опустыниванию и исчезновению уникальной флоры и фауны.

Данные дистанционного зондирования Земли

Концепция создания ГБЦГИ предусматривает наличие в си­стеме информационных ресурсов данных дистанционного зон­дирования Земли. Информационная система ДЗЗ создается в соответствии с приказом МПР России от 30.04.99 № 95 как приоритетный вид деятельности организаций Министерства. Предусмотрено три основных направления деятельности: по техническому, информационному и методическому обеспече­нию системы.

Техническое обеспечение направлено на формирование наземной сети приемных станций на основе использования малых станций типа "СканЭР", разработанных инженерно-тех­нологическим центром "Сканэкс". Их эксплуатация осуществ­ляется в соответствии с "Положением о порядке проведения съемок поверхности Земли с космического аппарата (КА) "Ре­сурс-01" и использовании данных космических съемок в инте­ресах социального и экономического развития страны и меж­дународного сотрудничества" и "Положением по эксплуатации малых станций приема "СканЭР" с КА оперативного наблюде­ния "Ресурс-01". В настоящее время развернуты и функциони­руют три приемо-обрабатывающие станции: в Южно-Сахалин­ске, Иркутске и Москве (эксплуатируется совместно с ИТЦ "Сканэкс"), обеспечивающие прием информации с КА "Ресурс-01" №3 и с КА "Океан-0" №1 по большей части территории России, за исключением Чукотки и северных районов Сибири и Урала.

Федеральной космической программой России в 2000-2005 годах планируется совершенствование космической сис­темы изучения природных ресурсов, экологического монито­ринга и всепогодного наблюдения, создание космического комплекса оперативно-электронного наблюдения за земной поверхностью, разработка и создание системы микроспутни­ков ДЗЗ. В связи с этим, дальнейшее повышение технических возможностей ведомственной информационной системы ДЗЗ МПР России предусматривает совершенствование аппаратно-программного оснащения Центров приёма и обработки мате­риалов ДЗЗ с учетом возможности приема информации как отечественных, так и зарубежных КА ("Ресурс-01", "Океан-0", "Метеор-ЗМ", Г40АА, Е08-АМ, 1РЗ).

5 Использование экспертных систем для обработки ДДЗ

Экспертная система - это компьютерная про­грамма, решающая задачи в конкретной пред­метной области путем принятия решений на ос­нове набора правил, условий и гипотез, запи­санных в базе знаний. Базы знаний формируют­ся опытными экспертами, работающими в предметных областях. Знания представляются в виде вопросов, ответы на которые продвигают анализ к следующим вопросам - вниз по дереву принятия решения

И по мере того, как обработка изображений становится все более производительной и до­ступной по цене, все ближе становится слияние двухмерных и трехмерных данных в единый, "бесшовный" с точки зрения пользователя, мас­сив информации. Это позволит обрабатывать стереоизображения, автоматически извлекать из них трехмерную информацию (здания, рель­еф и т.д.) и затем просматривать эту и другую пространственную информацию в общей среде виртуальной реальности. Это позволит снизить стоимость ведения баз векторных данных и од­новременно повысить их точность и актуаль­ность

Внедрение технологии экспертных систем началось на этом рынке с выходом ERDAS IMAGINE 8.4. Вначале эксперт создает базу знаний с помощью простого графического интерфейса. База знаний представляется в виде древовид­ной схемы, состоящей из правил, условий и пе­ременных, которые использовались бы экспер­том при традиционном анализе тех же исходных данных. Второй частью является образованный последовательностью диалогов мастер. С его помощью пользователи, не являющиеся экс­пертами, могут применять базу знаний к собст­венным данным. Мастер запрашивает у пользо­вателя необходимые данные, автоматически применяет к ним процедуры обработки и прово­дит анализ по дереву решений до формирова­ния вывода. Указатель пути принятия решения позволяет пользователю получить еще больше информации из базы знаний, которая была вло­жена туда экспертом.

Главным достоинством Данной технологии является то, что база знаний, созданная одним экспертом (например, в головном офисе крупной компании), может распространяться среди тысяч рядовых пользователей, которые благо­даря этому смогут надежно воспроизводить процедуру обработки и выполнять пространст­венный анализ любой сложности. Переноси­мость знаний делает технологию экспертных систем ключевым компонентом будущих систем обработки географических изображений. Сами же базы знаний могут стать новым коммерчески эффективным информационным продуктом.

Использование в обработке изображений простых интерфейсов, мастеров и автоматизи­рованных процессов приводит все больше пользователей в мир трехмерного дешифриро­вания, то есть - в мир цифровой фотограммет­рии.

Слияние двухмерных и трехмерных данных в единый массив информации позволит обрабатывать стереоизображения, автоматически извлекать из них трехмерную информацию (здания, рельеф и т.д.) и затем просматривать эту и другую пространственную информацию в общей среде виртуальной реальности. Это позволит снизить стоимость ведения баз векторных данных и одновременно повысить их точность и актуальность.

С повышением точности и снижением стоимости технологий глобального местоопределения (GPS), компании, занимающиеся разработ­кой программного обеспечения, начинают инте­грировать эти инструменты в свои продукты для облегчения сбора полевых данных. Например, группа специальных проектов (SPT) компании ERDAS создала инструмент для системы обра­ботки изображений ERDAS IMAGINE, который объединяет данные GPS с процессом съемки местности с воздуха в режиме реального време­ни с помощью портативного компьютера. Эта технология может использоваться и в других об­ластях, например, в картировании полос отчуж­дения линий электропередачи или трубопрово­дов, мониторинге речных фарватеров и т.д.

"Космические системы высокого разрешения, бе­зусловно, не могут заменить аэросъемку при реше­нии многих задач. Они могут дополнить ее в тех обла­стях земного шара, где ее выполнение нерентабель­но, либо попросту невозможно. Существующие в раз­ных странах, в России в том числе, значительные ар­хивы комических снимков, годами получаемых в обо­ронных целях и теперь доступных для коммерческого использования, также представляют немалый инте­рес для потребителей - как в силу об­ширности охваченных съемкой терри­торий, так и в силу выгодной стоимо­сти по сравнению с оперативными данными. Использование космичес­ких снимков высокого разрешения позволяет разработчикам ГИС созда­вать не только обобщенные карты и схемы, например, схемы использова­ния территорий, лесных угодий и пр., но и разрабатывать высокоточные планы территорий населенных пунк­тов, промышленных объектов и т.д. с детализацией до отдельных зданий и сооружений, с возможностью опреде­ления не только плановых размеров, но и высот. Это позволяет создавать трехмерные модели отдельных, в том числе проблемных, территорий, вы­полнять более глубокий анализ сло­жившейся ситуации и принимать бо­лее обоснованные решения. То есть, высокодетальные космические изоб­ражения позволяют сделать еще один шаг на пути к созданию ГИС нового поколения - трехмерных ГИС.