Содержание к диссертации
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗ КОСМОСА1.1 Особенности дистанционных методов исследования Земли
1.2 Физические основы дистанционных методов
1.3 Обзор систем дистанционного зондирования
1.4 Метеорологические спутники серии NOAA
ГЛАВА 2. КОМПЬТЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ
2.1 Основные этапы обработки спутниковых изображений
2.2 Обзор программных средств обработки данных дистанционного зондирования
2.3 Реализация первичной обработки спутниковых изображений озера
Байкал
2.4 Средства визуализации данных
Выводы ко второй главе
ГЛАВА 3. КАРТОГРАФИРОВАНИЕ СНЕЖНО-ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА НА ОЗЕРЕ БАЙКАЛ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО СПУТНРПСОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
3.1 Ледовый режим озера Байкал
3.2 Области применения картографической информации о ледовой обстановке на озере
3.3 История ледовых исследований на озере Байкал
3.4 Стандартные и специальные наблюдения за ледовой обстановкой на водоемах
3.5 Дистанционные методы исследования и картографирования ледовой обстановки на озере Байкал
3.5.1 Спутниковые наблюдения ледовой обстановки в видимом диапазоне
3.5.2 Спутниковые наблюдения ледовой обстановки в тепловом инфракрасном диапазоне
3.5.3 Влияние облачности и заснеженности на точность определения толщины ледяного покрова
3.6 Разработка алгоритма тематического дешифрирования и картографирования ледовой обстановки на озере Байкал по данным теплового инфракрасного и видимого диапазонов
Выводы к третьей главе
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО СПУТНИКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
4.1 Температурный режим озера Байкал
4.2 Области применения картографической информации о температуре поверхности воды
4.3 Особенности измерения температуры поверхности воды в ИК- и СВЧдиапазонах •
4.4 Физические основы радиационного метода определения температуры
4.5 Источники ошибок при оценке температуры поверхности воды дистанционными методами
4.5.1 Влияние характеристик поверхности
4.5.2 Атмосферное влияние
4.5.3 Влияние облачности
4.5.4 Эффект «тонкой пленки»
4.6 Обзор существующих алгоритмов оценки температуры поверхности
4.7 Разработка региональных алгоритмов оценки и картографирования температуры поверхности воды
4.8 Применение спутниковой информации о распределении температуры поверхности воды для картографирования других физических характеристик
Выводы к четвертой главе
Введение к работе
Актуальность работы. Известно, что природная среда, находящаяся под постоянным антропогенным воздействием, постепенно утрачивает уникальную способность к самоочищению, что может привести в конечном итоге к необратимым процессам (Оптико-электронные системы..., 2002). С этой точки зрения внутренние водоемы представляют собой весьма уязвимые системы, так как по своему гидрографическому положению являются естественными коллекторами для питающих их водосборов (Комплексный дистанционный..., 1987). Интенсивность процессов садюочищения водоемов зависит от состояния экосистемы водоема, скорости течения и температуры воды (Стурман, 2003). В число неблагоприятных факторов входит не только антропогенное загрязнение водосбора и попадание излишков биогенных и других, не свойственных в естественных условиях элементов в водоем, но и нарушение его естественного гидрологического режима, вызванного зарегулированием стока. Таким образом, хотя изменение качества воды это, прежде всего изменение ее биохимического состояния, тем не менее, причиной этих явлений может быть не только биохимическое загрязнение (Комплексный дистанционный..., 1987).
Слежение за состоянием водных объектов является важнейшим динамическим аспектом качественно-количественной оценки водных ресурсов (Географические закономерности..., 2003). Для целей оперативного контроля состояния водных объектов необходилю наличие детальной и оперативной информации о происходящих в водоеме процессах, что далеко не всегда можно обеспечить традиционными наземными методами даже на тех водоемах, где регулярно проводятся исследования, в том числе с использованием научно-исследовательских судов (Комплексный дистанционный..., 1987).
Таким образом, в связи с активной хозяйственной деятельностью человечества остро встает проблема дистанционного контроля состояния внутренних водоемов.
Дистанционный контроль окружающей среды представляет собой совокупность методов и средств измерения параметров физического состояния атмосферы, земной поверхности, люрей и внутренних водоелюв с помощью приборов, расположенных на некотором расстоянии от объекта исследования (Оптико-электронные системы..., 2002). Контроль состояния водных объектов с применением дистанционных методов основан на возможности регистрации современной дистанционной аппаратурой широкого спектра значимых параметров водной среды (Бондур, 2004).
Интенсивное развитие методов дистанционного зондирования с борта космических аппаратов в последние десятилетия предоставило наукам о Земле новые возможности для исследования земной поверхности. Космическая информация может использоваться как для оперативного обновления картографических материалов, так и для решения задач охраны природы, выявления и оценки антропогенного влияния (Космическая съемка..., 1980). Дистанционные методы исследования природных объектов обеспечивают большую обзорность, возможность повторного получения данных через определенные промежутки времени, высокую скорость получения и передачи изображений (Виноградов, 1984), а также возможность применения комплексного анализа и оценки динамики развития явления на основе оперативного картографирования. Все шире дистанционные методы применяются и для изучения и картографирования водных объектов (Комплексный дистанционный..., 1987).
Дистанционное спутниковое зондирование позволяет оперативно получать пространственную информацию об озере, необходимую для картографического исследования многих лилнюлогических процессов, озерной гидродинамики и биологии.
При этом основным средством организации и интерпретации данных дистанционного зондирования служат карты (Берлянт, 2002). Во многом это объясняется тем, что основными потребителями космической информации являются географические исследования и тематическое картографирование, применение в которых подобной информации совместно с ее компьютерной обработкой стали стимулом прогресса в области исследования геосистем. При создании тематических карт данные дистанционного спутникового зондирования служат с одной стороны их основой, с другой стороны источником оперативной информации (Новаковский, 1997; Невская, 2005; Варфоломеев и др., 2007).
Кроме того дистанционные методы, как правило, являются косвенными, то есть с их помощью измеряют не интересующие параметры объектов, а некоторые связанные с ними величины, которые необходимо интерпретировать (Самардак, 2005). Дешифрование снимков представляет собой один из самых важных и сложных процессов создания карт, и от того, насколько он технически грамотно будет выполнен, зависит качество составленной карты (Аковецкий, 1983). При этом возрастающие требования к точности дистанционных измерений обуславливают необходимость разработки более эффективных алгоритмов тематического дешифрирования спутниковых данных (Новый усовершенствованный..., 2008), а интенсивное развитие средств цифровой обработки изображений делает необходимым осуществлять усвоение и реализацию спутниковой информации с помощью автоматизированных систем обработки (Паралюнов и др., 2002).
Таким образом, разработка алгоритмов интерпретации спутниковых данных и реализация автоматизированных систем их обработки являются актуальными при изучении природных объектов и картографировании их характеристик на основе данных дистанционного зондирования.
Цель работы и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы является разработка эффективных алгорргпуюв тематического дешифрирования спутниковых измерений и построение автоматизированной системы обработки спутниковой информации для картографирования полей гидрофизических характеристик оз.
Байкал. Для достижения данной цели было необходимо решить следующие научные задачи: • адаптировать существующую систему автоматической географической привязки спутниковых изображений; • разработать региональный алгоритм детектирования толщины ледяного покрова в период становления и нарастания льда на оз. Байкал по данным AVHRR; в исследовать возможность картографирования ледовой обстановки в период разрушения снежно-ледяного покрова на оз. Байкал по данным AVHRR; • разработать региональные алгоритмы детектирования температуры поверхности воды оз. Байкал по данным AVHRR; • рассмотреть возможность использования спутниковой информации о пространственно-временном распределении температуры поверхности воды для картографирования полей других гидрофизических показателей в оз. Байкал; • проверить работоспособность разработанных алгоритмов тематической обработки спутниковых измерений с использованием массива опорной контактной информации.
58 ' восточной долготы. Озеро Байкал представляет собой уникальный природный объект, внесенный в список всемирного наследия ЮНЕСКО, и является самым глубоким и самым большим по объему пресноводным озером в мире (Physical limnology..., 1994; Тулохонов и др., 2002; Жданов, 2006). По последним данным (Троицкая, 2005; Батиметрическая электронная..., 2006) при уровне воды в озере 455 м БС длина озера по тальвегу составляет 672 км, максимальная ширина - 79 км, минимальная ширина - 26 км, максимальная глубина - 1642 м, средняя глубина - 744 м, площадь акватории — 31,7 тыс. км , объем воды — 23,6 тыс. км . Высота берегов колеблется от 0,4 до 2,4 км. Количество островов — 36. Вода пресная, гидрокарбонатно-кальциевая, слабомиперализованная - 96,6 мг/дм^ (Козин, 2008; Сокольников, Использованные материалы и методы исследования. В рамках данного исследования были использованы данные фондовых материалов Иркутского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, спутниковые данные из архива Института солнечно-земной физики СО РАН, экспедиционные данные Лимнологического института СО РАН. В диссертационной работе применялись методы математической статистики и методы цифровой обработки изображений. В ходе работы было использовано программное обеспечение различного назначения: программный комплекс «Sputnik» (для обработки и анализа спутниковых данных), графический редактор «CorelDraw» (для составления карт, схем и т.д.); «Microsoft Excel» (статистический анализ, определение регрессионных коэффициентов); среда для разработки приложений «Borland C++».
Научная новизна: Данная диссертационная работа представляет научные и практические результаты построения автоматизированной системы тематического дешифрирования гидрофизических характеристик поверхностного слоя оз. Байкал по спутниковым данным для картографического отображения гидрофизических показателей. Новые научные результаты диссертационного исследования состоят в следующем: • разработан региональный алгоритм тематического дешифрирования толщины ледяного покрова на оз. Байкал по данным AVHRR, основанный на совместном анализе данных видимого и РПС диапазонов; • разработаны региональные алгоритмы тематического дешифрирования температуры поверхности оз. Байкал по данным AVIIRR, основанные на совместном анализе данных види^югo и ИК диапазонов в дневное время суток или на применении двухканальных нелинейных зависимостей - в ночное время суток; • разработана компьютерная технология автоматизированного создания тематических картографических изображений оз. Байкал по данным AVHRR; • разработана серия тематических карт температуры и ледовой обстановки на оз. Байкал.
Защищаемые нололсення: • Разработанная автоматизированная система пространственной привязки и обработки данных AVblRR предназначена как для работы в оперативном режиме, так и для работы с архивными данными; • Новый подход к тематической обработке данных прибора AVHRR для детектирования и картографического отображения толщины ледяного покрова применим в период становления и нарастания льда на озере Байкал. Оценка его эффективности проводилась на основе подспутниковой информации; • Разработанные региональные алгоритмы тематической обработки данных AVHRR, основанные на дифференцированном определении температуры в различное время года, использовании нелинейных зависилюстей и дополнительном привлечении информации видимого и ближнего инфракрасного каналов в дневное время суток, являются эффективным инструментом для оценки и картографического отображения температуры поверхности воды озера Байкал Практическая значимость работы. Разработанная технология автоматизированного определения гидрофизических характеристик поверхностного слоя озера Байкал была успешно апробирована в Центре космического мониторинга Института солнечно-земной физики СО РАН для восстановления полей температуры поверхности воды в озере и может быть использована в практических целях. При этом применение дистанционных методов предоставляет ряд таких преимуществ, как наглядность результатов, пространственная непрерывность данных в пределах изучаемого водного объекта и регулярность получения информации. Позитивный опыт построения автоматизированных систем обработки спутниковой информации выявил перспективность этого рода деятельности и высокую заинтересованность в спутниковых данных как для проведения фундаментальных исследований, так и для решения различных прикладных задач, в том числе задач охраны окружающей среды.
Картографическая информация о пространственно-временном распределении гидрофизических характеристик озера Байкал, полученная в рамках данной диссертационной работы, использовалась для численного моделирования гидротермодинамических процессов и переноса примесей в Байкале.
Результаты исследований используются в учебном процессе на географическом факультете Иркутского государственного университета.
Работа выполнена при поддержке программ «Фундаментальные исследования и высшее образование» (проект НОЦ-017 «Байкал») и «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)» (проект РНП.2.2.1.1.7334).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на: • научно-практической конференции студентов и аспирантов «Ресурсы Байкальского региона: освоение, состояние, экологические проблемы» (Иркутск, апрель 2005 г.); • симпозиуме «Научно-образовательный центр «Байкал» - стратегия развития» (Иркутск - Б. Коты, июль 2006 г.); • рабочей встрече с группой российско-американских экспертов, представляющих Министерство образования и науки РФ и американский фонд CRDF, на презентации заявки ИГУ «НОЦ Байкал: интеграция научной и образовательной деятельности в рамках комплексного изучения геоэкологии объекта Всемирного наследия ЮНЕСКО», представленной на конкурс по расширению совместной российскоамериканской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование») (Иркутск, ноябрь 2006 г.); • научно-практической конференции студентов и аспирантов «Вопросы геоэкологии и природопользования в Байкальском регионе» (Иркутск, апрель 2007 г.); • конференции научно-образовательных центров «Pan-REC» (Пермь, июнь 2007 г.); • школе-семинаре «Закономерности и пути эволюции геологических, физикохимических и биологических процессов формирования химического состава и свойств природных вод Байкальского региона» (Улан-Удэ, октябрь 2007 г.); • семинаре Научно-образовательного центра «Байкал» (Иркутск, февраль • XV Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Красноярск, июнь 2008 г.); • XIV Гляциологическом симпозиуме «Гляциология от Международного геофизического года до Международного полярного года» (Ир1сутск, сентябрь 2008 г.); • заседании Ученого совета географического факультета ИГУ (Иркутск, октябрь 2008 г.); • IV Всероссийской научно-методической конференции «Системы географических знаний» (Иркутск, ноябрь 2008 г.)- Автор неоднократно удостаивался наград за доклады на конференциях.
Публикации и личный вклад автора. Основное содержание диссертационного исследования достаточно полно отражено в 13 научных публикациях (Сутырина, 2006i; Сутырина, 2ОО62; Сутырина, 2006з; Сутырина, 2ОО64; Сутырина, 2007i; Сутырина, 20072; Сутырина, Аргучинцев, 2007; Сутырина, 2008ь Сутырина, 2ОО82; Сутырина, 2008з; Сутырина, 2ОО84; Сутырина, 2009; Sutyrina, 2008), в том числе в журналах из перечня ВАК. Все основные результаты, приведенные в диссертации, получены автором лично. Автором самостоятельно разработаны описанные в диссертации методы обработки данных, а также получены и проанализированы представленные результаты.
Автор выраукает благодарность: научному руководителю, д.т.н. Аргучинцеву В.К. за поддержку в подготовке работы; декану географического факультета ИГУ, д.т.н. Аргучинцевой А.В., заведующему лабораторией картографии, геоинформатики и дистанционных методов Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, д.г.н. Батуеву А.Р.и |к.г.н. Кречетову А.А.[ за 1фитические замечания; а также коллективу Центра космического мониторинга Института солнечно-земной физики СО РАН за содействие в получении космической информации и техническую поддержку и коллективу Лаборатории гидрологии и гидрофизики Лимнологического института СО РАН за любезное представление возможности использования экспедиционных данных.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы 152 страниц, включая 47 рисунков и карт и 11 таблиц. Список литературы содержит 176 наименований, в том числе 49 на иностранных языках.
Похожие диссертации на Картографическое отображение и анализ гидрофизических характеристик озера Байкал, детектируемых дистанционным спутниковым зондированием
