11.4. Геоинформационные технологии в аэрокосмических исследованиях

Геоинформационные системы. Большие объемы информации, накопленных о природных и хозяйственных объектах, внедрение аэрокосмических методов исследования и новые возможности информатики способствовали интенсивному развитию и использованию географических информационных систем (ГИС). ГИС – особые аппаратно-программные комплексы, которые на единой пространственной основе, обеспечивают сбор, обработку, отображение и распространение разнородной информации о географических объектах. Основной задачей ГИС является обеспечение потребителей оперативной информацией, а также создание компьютерных карт, атласов и других картографических произведений.

Первые ГИС были созданы в середине 60-х гг. в Канаде, США и Швеции для изучение природных ресурсов. В настоящее время имеется множество ГИС, которые широко используются в различных научно-практических целях. Они интегрируют картографическую информацию, данные дистанционного зондирования и экологического мониторинга, статистику, гидрометеорологические наблюдения и др.

ГИС состоят из четырех субсистем: ввода данных с карт, материалов аэрокосмической съемки и др., хранения и поиска данных; манипуляции данными и их анализа; выдачи результативных данных.

ГИС имеют картографическую базу данных, с которой совмещены базы различной тематической геоинформации. Основу базы картографических данных составляют географическая информация о ситуации на земной поверхности (контурная, в виде координат характерных точек и смысловых ходов), информация о рельефе (цифровая модель рельефа, заданная в виде изолиний или отсчетов высот по сетке), тексты, вспомагательная информация (об опорных точках и пр.).

Для накопления и обновления информации ГИС имеют подсистемы получения и ввода информации – входные подсистемы. Наиболее целесообразно, когда выходной является подсистема пользователя, которая обеспечивает необходимые виды выполняемых им манипуляций с информацией, содержащейся в базах данных; их статистическую обработку, моделирование процессов, их прогнозирование, представление результатов в виде тематических карт.

По территориальному охвату ГИС разделяют на глобальные, национальные, региональные и локальные, которые в свою очередь могут разделяться по сложности и объемам обрабатываемой информации.

Для решения задач глобального уровня существуют Международные программы, которые реализуются на основе глобальных баз данных, в создании которых участвуют многие международные организации (ООН, ЮНЕСКО и др.). Отраслевые ГИС могут разрабатываться с учетом национального. Регионального и локального уровней их организации и использования информации одного уровня на другом.

В последнее время при создании ГИС различных уровней широко используются материалы аэрокосмической съемки.

Компьютерная обработка аэрокосмических снимков. Для ГИС, предназначенной для решения различных научно-практических задач, важно использование информации, полученной аэрокосмическими методами, как наиболее оперативной. ГИС, содержащие картографическую и аэрокосмическую информацию, получили название интегрированных, в которых векторные картографические данные объединяются с растровыми дистанционными (линейными и пиксельными).

Внедрение компьютерных технологий обработки снимков позволило практически перейти к представлению пространственной информации в виде цифровых моделей местности, которые строятся по результатам стереофотограмметрических измерений снимков.

Компьютерная обработка снимков позволяет решать следующие задачи:

- геометрическое преобразование снимков, изготовление фотопланов и фотокарт;

- яркостные и цветовые преобразования;

- получение количественных характеристик;

- визуализация цифровых данных дистанционного зондирования;

- автоматизированное дешифрирование снимков (классификация).

Основными этапами компьютерной обработки аэрокосмического изображения являются: ввод и внутреннее представление изображений; координатная привязка, и фотограмметрическое преобразование снимков; геометрическая коррекция; предварительная обработка изображения; автоматизированное дешифрирование.

Ввод и внутреннее представление изображений. Наиболее удобной для компьютерной обработки является информация, полученная с помощью санирующих систем, принимаемая в цифровой форме. Сигналы сканеров записываются на магнитную ленту и могут быть преобразованы для ввода в компьютер. При использовании фотографических аэрокосмических снимков, для получения их растровых изображений, используются фотограмметрические сканеры, имеющие высокую геометрическую и радиометрическую (яркостную) точность.

После того, как изображение получено в цифровом виде, принципиальным вопросом является внутреннее представление данного изображения в системе. Чаще всего используется табличное представление в виде матрицы.

Координатная привязка и геометрическая коррекция фотограмметрического преобразования снимков. После ввода изображения снимка в компьютер приступают к его координатной привязке и геометрическому преобразованию с целью перевода изображения в необходимую картографическую проекцию. Информация, поступающая с российских спутников серии «Космос», американских «Ландсат» и французского SPOT, координатная привязка и геометрическая коррекция осуществляется по орбитальным данным в автоматизированном режиме. При работе с аэрофотоснимками данные задачи решаются с использованием опорных точек, на основании которых проводится фотограмметрическая обработка снимков. В Республике Беларусь для этих целей используется цифровая фотограмметрическая система «Realistic-M».

Предварительная обработка изображения проводится практически всегда, независимо какие снимки (сканерные, фотографические) подвергаются обработке. Это обусловлено наличием во входном изображении шумов и искажений.

Искажение яркости объектов может быть обусловлено условиями фотосъемки, обработки фотоматериалов и условиями сканирования. Кроме того на снимках могут иметь место локальные искажения плотности изображения, которые проявляются в виде точек и др. Так могут изображаться объекты, которых нет в действительности: например, солнечные блики, тень облаков и т.д. Часто при предварительной обработке изображения сталкиваются с информационным шумом. В роли подобного шума выступают объекты, которые присутствуют как на снимке, так и в действительности. Но их наличие не существенно для поставленной задачи. А лишь затрудняет дешифрирование. Например, при составлении карты растительности несущественную роль играют линии электропередач, мелиоративная сеть и др.

На данном этапе обработки изображения осуществляется коррекция гистограммы, фильтрация и устранение шума, что позволяет повысить контрастность изображения, устранить мелкие детали. Яркостные преобразования изображения выполняются главным образом с помощью аналоговых устройств и позволяют проводить синтезирование цветных изображений, квантование по уровням оптической плотности, изменение контраста, подчеркивание границ контуров.

Наиболее сложным этапом компьютерной обработки изображения является автоматизированное дешифрирование, т.е. выделение границ объектов или сегментация. Дешифровщику при работе со снимками постоянно приходится, основываясь на дешифровочных признаках опознавать и выделять однородные объекты. При компьютерном дешифрировании космических снимков одним из распространенных является подход на основе спектральных признаков. Он базируется на том, что яркость хроматических объектов (имеющих определенную окраску) в разных спектральных зонах не одинаково и характеризуется коэффициентом спектральной яркости. Таким образом, каждый элемент растра – пиксел соответствует яркости объекта для определенной области электромагнитного спектра. Каждый пиксел растра записывается как числовой элемент матрицы в файле данных.

На этапе сегментации основная задача заключается в дифференциации изображения на области (сегменты) по определенному критерию. В качестве критерия могут служить текстура и тон изображения. После того как изображение будет разбито на однородные области (контуры), приступают к их классификации.

В настоящее время разработаны десятки алгоритмов машинного дешифрирования, подразделяемые на алгоритмы с обучением и без обучения, которые осуществляют, соответственно, контролируемую и неконтролируемую классификации. Среди алгоритмов классификации с обучением наиболее распространены алгоритмы, учитывающие вероятность присутствия на снимке объектов, относящихся к определенному классу. Для разработки таких алгоритмов используются опытные данные о взаимосвязи спектральной яркости объектов с их свойствами. Например, при дешифрировании почв, их спектральная яркость четко коррелирует с гранулометрическим составом почв и содержание в них гумуса и влаги.

Используются и алгоритмы классификации без обучения – кластеризации, позволяющие формально расчленить изображение, на отдельные классы не используя обучающих данных. В этом случае элементы изображения объединяются в группы – кластеры по формальным признакам без учета их содержательного значения. Выделенные автоматически кластеры в результате группировки пикселов дешифровщик соотносит их с определенными объектами. Например, при составлении почвенной карты, с распределением почв по степени увлажнения.

В результате классификации сегментов может быть получена тематическая карта, которая может использоваться в формате одной из ГИС и позволяет проводить дальнейшую обработку результатов с ее помощью. Например, получение таких количественных характеристик как определение площади контуров и суммарной площади объектов определенного типа; протяженности границ контуров и т.д.

12. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Метеорология и климатология. Изучение атмосферной циркуляции. Изучение и оперативное картирование облачного покрова. Определение типа облачности, размеры облачных образований, количество облаков, высоты облачности. Составление карт распределения облачности. Изучение ветров (с использованием специальных спутников типа EOL, фиксирующих положение шаров-зондов). Изучение ветров над поверхностью океана (по данным микроволновой индикации). Фиксирование зон выпадения осадков, определение содержания влаги в атмосфере (по материалам микроволновой индикации). Определение температур водной поверхности (по материалам инфракрасной съемки). Изучение радиационного теплового баланса Земли. Прослеживание путей движения тропических циклонов. Изучение развития ураганов с геостационарных спутников. Штормовые предостережения.

Океанология. Изучение глубин и рельефа дна мелководных зон. Изучение течений (по прямым наблюдениям буев со спутников; изображение структур водной поверхности на снимках; перемещение речных наносов; изучение изменения температурных характеристик по инфракрасным снимкам. Определение скорости течения (методом псевдопара при использовании повторных снимков акватории с айсбергами). Наблюдения за океаническими вихрями и фронтами. Изучение минерального выноса рек и перемещения речных наносов. Определение прибрежной зоны волнового взмучивания. Изучение солености и мутности вод, содержания планктона и биопродуктивности океана. Изучение загрязнения океана. Исследование волнения по особенностям отражения солнечного света водной поверхности - «бликам». Изучение силы волнения (микроволновая индикация). Определение температур Мирового океана (материалы инфракрасной съемки). Изучение распространения морских льдов, их типа, скопленности. Оперативное картографирование морских льдов. Ледовая разведка.

Геология. Изучение стратиграфии и литолого-петрографического состава пород. Структурно-тектоническое изучение территории. Изучение глубинных слоев литосферы. Прогнозирование и поиски месторождений полезных ископаемых. Сейсмические исследования, изучение вулканизма. Гидрогеологические и инженерно-геологические исследования. Геологическое картографирование.

Геоморфология. Выделение участков развития различных генетических типов рельефа, эолового, карстово-суффозионного, мерзлотно-термокарстового, вулканического и др. Изучение рельефа берегов. Изучение закономерностей распространения некоторых форм рельефа, например, эрозионных, эоловых. Изучение степени расчлененности территории, подсчет густоты эрозионных форм. Выделение тектонических линиаментов, индуцирующих зоны нарушения земной коры и изучение связи зоны разрывных нарушений с современным рельефом. Изучение четвертичных отложений и их стратификация. Изучение областей современного вулканизма, повышенной термальной активности (инфракрасная съемка). Геоморфологическое картирование. Составление морфометрических карт рельефа.

Гидрология. Выделение сети водотоков и водоемов. Выявление характера течения водотоков, подразделение их на постоянные и высыхающие – сезонноводные, эпизодически водные, сезонно пересыхающие (по материалам повторных съемок). Определение границ водосборных бассейнов рек и озер. Наблюдения за паводками и наводнениями. Морфологическая характеристика русла. Изучение русловой деятельности, динамики русел (по материалам повторных съемок). повторных съемок). Характера извилистости русел. Выделение границ затопляемости поймы. Уточнение характеристик местного стока, определяемых в зависимости от распаханности территории. Изучение озерности территории – установление характера распространения озер (приуроченность к поймам и т.д.). Классификация озер по размерам и конфигурации. Изучение водного режима озер. Выделение озер с постоянным зеркалом воды и пересыхающих. Определение степени и характера зарастания озер. Изучение загрязнения рек и озер. Гидрологическое картографирование.

Гляциология. Фиксирование границ снежного покрова на определенную дату, измерение площадей, занятых снегом. Изучение динамики установления и схода снежного покрова – изменение его границ (по материалам повторных съемок). Разделение маломощного снежного покрова (менее 15 см) от более мощного. Отделение влажного снега от сухого, выделение площадей тающего снега (при совместном использовании снимков ближней и ИК зоны). Установление направления переноса снега в метель (по формам эолового рельефа снежной поверхности по фотографическим снимкам высокого качества). Установление факта схода снежных лавин в годы съемки. Восстановление сети лавинных логов, для определения степени лавинной опасности территории. Определение типа лавин по характеру лавинных снежников. Изучение режима лавинной деятельности (по материалам повторных съемок). Катологизация лавин. Определение границ ледников, не покрытых моренным чехлом. Выявление морен на ледниках, границ последних оледенений. Определение морфологических типов ледников. Изучение динамики оледенения (по материалам повторных съемок с большим интервалом). Каталогизация ледников. Гляциологическое картографирование.

География почв. Определение границ распространения некоторых зональных и большинства азональных типов почв. Разделение типов почв различного гранулометрического состава. Выделение в разной степени эродированных земель, участков развития водной и ветровой эрозии. Выделение засоленных и заболоченных земель и контроль за протеканием неблагоприятных процессов. Выделение участков с комплексным почвенным покровом. Оценка влажности почв (с использованием микроволновой техники) и содержания гумуса. Изучение структуры почвенного покрова, закономерных сочетаний различных типов почв, характерных для разных природных условий. Картографирование почвенного покрова.

Геоботаника. Изучение распространения основных зональных типов растительности. Изучение вариаций растительного покрова, связанных с изменением экологических условий. Изучение структуры растительного покрова, комплексов и сочетаний ранга макрокомбинаций и мезокомбинаций; определение процентного соотношения компонентов комплекса. Изучение естественной динамики растительного покрова (по материалам повторных съемок). Изучение антропогенной динамики растительного покрова, его нарушений – сбитости и стравленности пастбищ, гарей, вырубки и т.д. Определение границ лесов, площадей лесов и безлесных площадей, инвентаризация лесов. Выделение границ различных типов леса. Выделение среди лесов участков нарушений лесной растительности – редколесий, вырубок, гарей; определение стадий зарастания гарей. Оперативное наблюдение за лесными пожарами. Геоботаническое картографирование, картографирование лесов. Геоботаническое районирование.

Зоогеография. Определение местообитания диких животных и их качественные и количественные характеристики. Изучение миграции и учет диких животных. Зоогеографическое картографирование.

Ландшафтоведение. Диагностика ландшафтов и изучение их распространения Изучение морфологической структуры ландшафтов; анализ ландшафтной структуры от внутриландшафтных комбинаций урочища до физико-географических провинций и стран; определение количественных соотношений компонентов в них. Изучение динамического состояния природных и культурных ландшафтов. Физико-географическое районирование на базе изучения ландшафтных структур. Ландшафтное картографирование.

География сельского хозяйства. Определение земельных угодий – пашен, залежей; кормовых угодий – выгонов, сенокосов и т.п. Определение продуктивности пастбищ и сенокосов. Изучение нарушенности угодий – сбитости и стравленности пастбищ, эродированности пахотных земель, закустаренность сенокосов и т.п. Определение посевов сельскохозяйственных культур - зерновых, многолетних трав, технических культур и их состояния (фаза вегетации, повреждения, заболевания). Наблюдение за развитием сельскохозяйственных культур по материалам повторных съемок. Подсчет площадей, занятых различными сельскохозяйственными культурами. Контроль за проведением агротехнических мероприятий – определение типов севооборотов, наличие площадей под паром и многолетними травами, противоэрозионных мероприятий, полосных посевов и т.д. Контроль за нарушениями о мелиорации земель. Анализ территориальной организации хозяйств, контроль за осуществлением проектов землеустройства. Определение производственной направленности хозяйств. Составление земельного кадастра. Сельскохозяйственное картографирование.

География населения. Определение границ населенных пунктов (с населением более 1000 жителей). Изучение динамики городов, изменения их границ (по материалам повторных съемок). Выделение внутри городов разных функциональных зон (промышленная, промышленно-складская, жилая с многоэтажной застройкой, жилая с мелкоусадебной застройкой и т.п.). Определение типа планировки, планировочной структуры населенных пунктов. Изучение иерархичной соподчиненности населенных пунктов. Определение некоторых производственно-функциональных типов населенных пунктов. Картографирование расселения.

География транспорта. Определение изменения сети дорог (по материалам повторных съемок или при сравнении снимка с картой). классификация грунтовых дорог. Изучение интенсивных внутрирайонных транспортных связей, осуществляемых по грунтовым дорогам. Картографирование транспортной сети, обновление изображения дорог на топографических, общегеографических и других картах.