Document 483336
advertisement
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Реферат на тему: Преимущества использования ГИС-технологий для анализа материалов дистанционного зондирования при изучении глобальных экологических проблем Выполнила: студентка 3 курса кафедры ФГМиГ Антонова А.В. Москва, 2013 Преимущества использования ГИС-технологий для анализа материалов дистанционного зондирования при изучении глобальных экологических проблем На сегодняшний день одним из основных способов изучения глобальных экологических проблем является анализ материалов дистанционного зондирования Земли с использованием ГИС-технологий для дальнейшей расшифровки и обработки полученных данных. У такого рода технологий существует множество преимуществ по сравнению с другими традиционными методами мониторинга проблем окружающей среды. В настоящее время одной из самых важных научно-производственных задач является изучение, освоение и сохранение природных ресурсов Земли. В связи с необходимостью получения большего объема оперативной информации о природной среде наряду с контактными методами исследований в этой области все большее применение находит дистанционное зондирование Земли из космоса. В зависимости от точности результатов, которые необходимо получить при проведении мониторинга по тому или иному компоненту, явлению, процессу, от среды, в которой проходят исследования, доступных финансовых и других средств, используют различные методы мониторинга. Одним из основных источников данных для экологического мониторинга являются материалы дистанционного зондирования (ДЗ). Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей: космические (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового использования, автономные спутниковые съемочные системы и т. п.); авиационного базирования (самолеты, вертолеты и микроавиационные радиоуправляемые аппараты); к неконтактным (дистанционным) методам съемки, помимо аэрокосмических, относятся разнообразные методы морского (наводного) и наземного базирования, включая, например, фототеодолитную съемку, сейсмо, электромагниторазведку и иные методы геофизического зондирования. Аэрокосмические (дистанционные) методы экологического мониторинга включают систему наблюдения при помощи самолетных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем, а также систему обработки данных дистанционного зондирования. Для космического экологического мониторинга ориентируются прежде всего на полярно-орбитальные метеорологические спутники, как на отечественные аппараты (спутники типа «Метеор», «Океан» и «Ресурс»), так и на американские спутники серий NOAA, Landsat и SPOT. Американские метеорологические спутники серии NOAA снабжены многозональной оптической и ИК аппаратурой, а именно радиометром высокого разрешения AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Космические аппараты NOAA запускаются на полярные орбиты высотой порядка 700 км над поверхностью Земли с наклонением 98,89 градусов. Радиометр высокого разрешения ведет съемки поверхности Земли в пяти спектральных диапазонах. Космические съемки проводятся с пространственным разрешением 1100 м и обеспечивают полосу обзора шириной 2700 км. Российские спутники серии «Ресурс» принадлежат Федеральной службе России по гидрометеорологии и мониторингу природной среды (Росгидромет). Они обеспечивают получение многозональной космической информации высокого и среднего разрешения с помощью двух сканеров видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Космическая гидрометеорологическая система «Метеор», также принадлежащая Росгидромету, обеспечивает глобальный экологический мониторинг территории России. Параметры орбиты спутника «Метеор»: приполярная круговая орбита высотой около 1200 км. Комплекс научной аппаратуры позволяет оперативно 2 раза в сутки получать изображения облачности и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах, данные о температуре и влажности воздуха, температуре морской поверхности и облаков. Осуществляются также мониторинг озоносферы и геофизический мониторинг. В состав бортового комплекса спутника входят несколько сканирующих ИКрадиометров и сканирующая ТВ-аппаратура с системой запоминания данных на борту для глобального обзора и передачи данных на АППИ. Российская космическая система «Океан» обеспечивает получение радиолокационных, микроволновых и оптических изображений земной поверхности в интересах морского судоходства, рыболовства и освоения шельфовых зон Мирового океана. Одной из основных задач спутника является освещение ледовой обстановки в Арктике и Антарктике, обеспечение проводки судов в сложных ледовых условиях. Параметры орбиты спутника: приполярная круговая орбита высотой 600—650 км. Поток информации в условиях облачности и в любое время суток обеспечивается радиолокатором РЛС БО и системой сбора информации от автономных морских и ледовых станций «Кондор». В состав комплекса бортовой аппаратуры спутника «Океан-01» входят СВЧ-радиометры Р-600 и Р-255, сканирующий СВЧ-радиометр Дельта-2, трассовый поляризационный спектрорадиометр «Трассер», а также комплекс оптической сканирующей аппаратуры. Спутниковые данные дистанционного зондирования позволяют решать следующие задачи контроля состояния окружающей среды: 1. Определение метеорологических характеристик: вертикальные профили температуры, интегральные характеристики влажности, характер облачности и т. д.); 2. Контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий; 3. Определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности; 4. Обнаружения крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий; 5. Контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон; 6. Обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах; 7. Выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах; 8. Регистрация дымных шлейфов от труб; 9. Мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек; 10. Обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений; 11. Контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах влияния промышленных предприятий. Существует ряд распределения спектральных каналов и области применения этих каналов: 1 канал (голубой): наиболее чувствителен к атмосферным газам, и, следовательно, изображение может быть малоконтрастным; имеет наибольшую водопроницаемость (длинные волны больше поглощаются), то есть оптимален для выявления подводной растительности, факелов выбросов, мутности воды и водных осадков; полезен для выявления дымовых факелов (так как короткие волны легче рассеиваются маленькими частицами); хорошо отличает облака от снега и горных пород, а также голые почвы от участков с растительностью. 2 канал (зеленый): чувствителен к различиям в мутности воды, осадочным шлейфам и факелам выбросов; охватывает пик отражательной способности поверхностей листьев, может быть полезен для различения обширных классов растительности; также полезен для выявления подводной растительности. 3 канал (красный): чувствителен в зоне сильного поглощения хлорофилла, то есть хорошо распознает почвы и растительность; чувствителен в зоне высокой отражательной способности для большинства почв; полезен для оконтуривания снежного покрова. 4 канал (ближний инфракрасный): различает растительное многообразие; может быть использован для оконтуривания водных объектов и разделения сухих и влажных почв, так как вода сильно поглощает ближние инфракрасные волны. 5 канал (средний или коротковолновый инфракрасный): чувствителен к изменению содержания воды в тканях листьев (набухаемости); чувствителен к варьированию влаги в растительности и почвах (отражательная способность уменьшается при возрастании содержания воды); полезен для определения энергии растений и отделения суккулентов от древесной растительности; особенно чувствителен к наличию/отсутствию трехвалентного железа в горных породах (отражательная способность возрастает при увеличении количества трехвалентного железа); отличает лед и снег (светлый тон) от облаков (темный тон). 6 канал (длинноволновый инфракрасный или тепловой): датчики предназначены для измерения температуры излучающей поверхности от −100оС до 150оС; подходит для дневного и ночного использования; применение тепловой съемки: анализ влажности почв, типов горных пород, выявление теплового загрязнения воды, бытового скопления тепла, источников городского производства тепла, инвентаризация живой природы, выявление геотермальных зон. 7 канал (средний, или коротковолновый инфракрасный): совпадает с полосой поглощения излучения гидроминералами (глинистые сланцы, некоторые оксиды и сульфаты), благодаря чему они выглядят темными; полезен для литологической съемки; как и 5-й канал, чувствителен к варьированию влаги в растительности и почвах. 8 канал (панхроматический — 4,3,2): наиболее типичная комбинация каналов, используемая в дистанционном зондировании для анализа растительности, зерновых культур, землепользования и водно-болотных угодий (wetlands). Целью обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ) является получение снимков или изображений с требуемыми радиометрическими и геометрическими характеристиками. Несмотря на технически сложный процесс получения такой информации, современные технологические разработки в этой области, а также накопленный на данный момент международный опыт применения данных дистанционного зондирования (ДДЗ) в геоэкологических и природопользовательских исследованиях дают право считать космическую съемку одним из самых перспективных направлений в этой области. Преимуществами дистанционных методов исследования земной поверхности, по сравнению с традиционными, являются масштабность обзора, возможность получения глобальной и локальной информации о природных объектах, а также контроля динамики процессов в реальном масштабе времени. Являясь самым новейшим и совершенным материалом, космические снимки позволяют в более короткие сроки составлять и обновлять самые различные тематические карты, картографировать слабоизученные, труднодоступные территории. Интегрированный анализ ДДЗ позволяет более эффективно решать научные и прикладные задачи в области комплексных исследований природной среды, геологии, гляциологии, океанологии, поиска и освоения полезных ископаемых, сельского и лесного хозяйства. Возможность работы с информацией в реальном масштабе времени обусловило применение дистанционного зондирования при решение задач экологического мониторинга окружающей среды. Традиционно процесс обработки ДДЗ при решении конкретной содержательной задачи проводится в несколько этапов: составление устойчивой (априорной) модели исследуемых природных объектов и процессов; формирование массива данных; предварительная обработка данных; обработка эталонных участков; обработка всей территории. Составление устойчивой (априорной) модели исследуемых природных объектов и процессов. На этом этапе формируются представления о районе исследований, основных характеристиках и свойствах изучаемых природных объектов и процессов. Все это дает возможность оптимальным образом решить вопрос подбора материалов дистанционного зондирования, необходимых для решения поставленной задачи. Этот этап предусматривает анализ результатов исследований, проведенных в этой области ранее, сбор дополнительного картографического и фактографического материала, более полно описывающего исследуемый природный объект. На основе полученной априорной модели в дальнейшем будет проводиться экспертная оценка результатов обработки изображения. На этапе сбора предварительной информации и создания априорной модели исследуемого объекта или явления очень перспективным оказывается использование методов электронной картографии. Создание ГИС на базе имеющейся априорных данных значительно повышает эффективность работ, снижает потери информации и облегчает координатную привязку разноуровневых материалов. С учетом проведения экспертной оценки на этом этапе можно говорить о создании многомерной геоинформационной модели, построенной по априорным данным. Формирование массива данных. На этом этапе проводится анализ обеспеченности территории материалами дистанционного зондирования. С учетом априорной модели производится выбор космоснимков (КС). В зависимости от типа космического аппарата и съемочной системы они могут различаться по масштабу, обзорности, спектральным характеристикам и геометрическому разрешению на местности. Информативность КС определяют также природные условия, сезон и время съемок, прозрачность атмосферы, физические свойства изучаемых природных объектов. При решении природопользовательских задач, как правило, используется сочетание различных видов съемок (фотографических, сканерных, радиолокационных, тепловых и т.д.). Наиболее важным является правильный выбор масштабного и спектрального ряда космических снимков для получения максимально полной информации об исследуемом природном явлении. После приобретения выбранного набора космических снимков на изучаемую территорию производится предварительная обработка полученных материалов. Целью предварительных преобразований является: улучшение восприятия изучаемых объектов и свойственных им признаков для качественной визуальной обработки; получение цифровых характеристик изучаемых объектов и их признаков для дальнейшего комплексного анализа; усиление контраста изображений или отдельных их элементов, проработка мелких дискретных деталей изучаемых объектов; уменьшение влияния аппаратных и атмосферных помех. Этап предварительной обработки массива ДДЗ на данный момент почти полностью автоматизирован. Вмешательство специалиста необходимо здесь на начальном этапе для определения характера фотометрических и геометрических искажении изображения, их причин и методов устранения. Также сложным является процесс выравнивания космических снимков по яркости при составлении фотопланов, так как здесь необходимо свести к минимуму потери информативности изображения на этом этапе. Очень важным является этап обработки эталонных участков. Эталонные участки выбираются на хорошо изученных площадях, обладающих типовыми характеристиками с точки зрения полученной ранее априорной модели. Для обработки используются не только КС в узких спектральных зонах, но и синтезированные изображения, полученные в процессе дополнительной цифровой обработки исходных снимков. На этом этапе происходит формирование признакового пространства, с помощью которого в дальнейшем будет проводиться анализ всей исследуемой территории. Образы изучаемых природных объектов описываются в терминах выбранных признаков. Далее проводится анализ взаимоотношений объектов исследований с внешней средой, а также предварительная оценка изменчивости признакового пространства по всей исследуемой территории. Существует и специализированная цифровая обработка КС, проводимая для выбранных изображений на эталонных участков. Основой методологического подхода на этом этапе является преобразование и комплексирование спектрозональных изображений для повышения их визуальной информативности, т.е. получения интегральных фотографических характеристик изучаемых объектов и выявление отдельных элементов их изображения на КС. Процесс обработки можно разделить на несколько уровней. На первом уровне с помощью формальных вычислительных операций (отношения, индекса вегетации, операторов и фильтров) обрабатываются исходные зональные изображения. На втором - обработке подвергаются результаты, полученные на первом уровне. Третий уровень включает в себя статистическую обработку разноуровневых изображений. Отметим, что наибольший интерес представляют изображения, полученные путем синтеза результатов обработки в палитрах RGB и HSV. В процессе работы на основании экспертной оценки промежуточных результатов выбирается определенная последовательность вычислительных операции ( алгоритм ), дающая возможность не только максимально повысить информативность изображения, но и в ряде случаев выделить на нем новые объекты. В дальнейшем при необходимости этот алгоритм может быть применен ко всему массиву данных, что позволит проводить более полный анализ имеющихся материалов. Кроме того, в процессе работы создается электронный банк данных, в который в формализованном виде заносятся все использованные вычислительные операции и алгоритмы. Там же фиксируются характеристики используемых изображений, а также результат и эффективность каждой операции для решения данной содержательной задачи. Впоследствии наличие подобного банка данных может существенно ускорить работу на этом этапе в случае решения сходных задач. Кроме того большой объем накопленной информации дает возможность подойти к решению вопроса полной формализации этого этапа. На последнем этапе проводится обработка всей территории с помощью распространения выявленных признаков на основной массив данных. Как правило, в связи с потерями информативности при выравнивании яркостей изображений, составляющих фотоплан, на этом этапе обрабатываются отдельные КС. В процессе обработки фиксируются изменения признакового пространства, выявляемые с помощью эталонных объектов, с целью проведения окончательного районирования территории по степени изменчивости признаков. В итоге по результатам проведенного анализа проводится опознавание и классификация исследуемых природных объектов и явлений, обобщение, ранжирование выделенных структур. Анализ существующих технологических разработок в направлении комплексного анализа данных дистанционного зондирования, а также опыт в решении ряда подобных задач позволяет сделать некоторые выводы о возможности создания автоматизированных технологий обработки космоснимков в целях комплексного анализа геоинформации при решении экологических задач. Решение прикладных задач исследования состояния природной среды: геологического картирования, прогноза полезных ископаемых, оценки и мониторинга экологической ситуации и т.д. - заключается в комплексном анализе огромного объема разнородной информации, одним из источников которой являются материалы дистанционного зондирования Земли из космоса. ГИС технологии успешно применяются в сфере экологии. Основными направлениями являются: - мониторинг ООПТ и различных национальных парков. Осуществляется мониторинг растительности, животных (в особенности редких видов), отслеживается уровень загрязнения вод и почвы, отслеживается туристическая деятельность в пределах ООПТ, осуществление каких-либо работ, прогнозируется возможный уровень влияния на природу в пределах ООПТ. - ГИС позволяет создавать различного рода карты, например карты ресурсов и полезных ископаемых на данной территории. - ГИС позволяет осуществлять мониторинг загрязнения территории. Можно отследить влияние различных аспектов местности на ее загрязнения (например, наличие НПЗ и его влияние на окружающую среду, почвы, водоемы и тп) - С помощью ГИС можно отслеживать динамику роста растительных сообществ, отслеживать количество биомассы на какую либо территорию, накладывать карты соответствующей тематики, делать прогнозы. ГИС технологии имеют гораздо больше возможностей, чем простые картографические системы. ГИС позволяют производить сбор данных, анализировать эти данные, преобразовывать, привязывать к конкретной месте и в режиме реального времени осуществлять мониторинг различных аспектов территории, в том числе и различных экологических проблем.
