Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор существующих систем и методов мониторинга природной среды на основе материалов ДЗЗ 9
1.1 Передача данных 9
1.3 Системы мониторинга природных ресурсов использующие данные ДЗЗ 22
Глава 2 Методики обработки данных ДЗЗ и программные комплексы 28
2.1 Методики обработки материалов ДЗЗ 28
2.1.1 Радиометрическая коррекция изображения 28
2.1.2 Геометрическая коррекция изображения 31
2.1.3 Классификация изображений 34
2.2 Пакеты прикладных программ по обработке данных ДЗЗ 48
2.2.1 Обработка с помощью пакета ERDAS Img 48
2.2.2 Обработка с помощью пакета Scanex NeRis 58
2.3. Геоинформационные системы и технологии 62
2.3.1. Особенности организации данных в ГИС 63
2.3.2 Координатные данные 64
2.3.3. Атрибутивные данные 67 -
2.4 Графическая среда ГИС 68
2.5 Програмное обеспечение ГИС 71
2.5.1. Инструментальная система Arc/Info 72
2.5.2 Программный продукт ArcView 73
Глава 3 Состав и структура комплекса мониторинга и оценки экономических последствий нарушений природной среды 75
Глава 4 Ведение мониторинга природных ресурсов Красноярского края на основе материалов ДЗЗ в ИАСП «Кадастр природных ресурсов Красноярского края» 80
4.1 Организация приема данных ДЗЗ и ведение архива 80
4.2 Методология ГИС системы «Горимость лесов Красноярского края » 86
4.3 Выделение участков растительности поврежденной в следствии пожаров и насекомых вредителей леса, и экономическая оценка последствий нарушений 102
4.4 Технология контроля за лесопользователями 109
4.5 Ведение баз данных в ИАСП 116
Основные результаты диссертационной работы 119
Литература 120
- Системы мониторинга природных ресурсов использующие данные ДЗЗ
- Радиометрическая коррекция изображения
- Геоинформационные системы и технологии
- Методология ГИС системы «Горимость лесов Красноярского края »
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в России, в частности в Красноярском крае, наиболее сложные проблемы оперативного управления природными ресурсами обусловлены процессами природопользования, экологии а также происходящими катастрофическими явлениями природного и техногенного характера. Последние происходят регулярно, как один из элементов эволюции биосферы и приносят ежегодно огромный экономический ущерб. На территории региона работают сотни крупных и средних предприятий горнодобывающей, лесной и др. промышленностей, а также тысячи «неучтенных» природопользователей. В ближайшие годы планируется развитие топливно-энергетического комплекса (нефть, газ, уголь, торф, гидроэнергетика), горных предприятий, лесоперерабатывающих комплексов и связанной с ними инфраструктуры (нефтегазопроводы, линии электропередач, железные дороги, водохранилища и т.д.). В связи с этим, экологические проблемы техногенного характера будут нарастать (Красноярск и Норильск давно входят в десятку самых «грязных» городов страны). Необходимо учитывать, что в ближайшие 30-50 лет относительно высокий уровень жизни в регионе будет поддерживаться прежде всего за счет интенсивной эксплуатации природных ресурсов, с этим связаны высокий инвестиционный и ассимиляционный (экологический) потенциал региона, а значит, число и мощность негативных процессов, будут нарастать. Это предопределяет внедрение в практику управления природо-ресурсным потенциалом принципов и методов рационального природопользования на базе современных информационных технологий (в частности, быстрого и широкомасштабного внедрения современных систем мониторинга разрабатываемы на базе ГИС - технологий (ГИС - геоинформационные системы).
Специфические особенности Красноярского края такие как:
большая территория (более 2.3 млн. км )
крайне слабая заселенностью (менее 1.3 чел/км2) и освоенность;
высокая лесистость территории (более 70%);
наиболее освоенные центральные и южные территории относятся к зонам высокой сейсмичности (Ms> 6);
присутствие разнообразных источников радиационной опасности (ес-тественного и техногенного происхождения);
повсеместные проявления негативных процессов природопользования (например незаконные вырубки, нелицензированное недрапользование эти виды деятельности негативно отражаются на экологию и экономику края)
- природные катастрофы (пожары, наводнения, землетрясения и др.).
Приводят к тому, что традиционные методы мониторинга территорий
оказываются малоэффективными и высоко затратными.
Для решения стоящих проблем управления территорией возникает необходимость в создании автоматизированной системы, которая реализует мониторинг за специфичными для региона природно-техногенными явлениями такими как лесные пожары, наводнения, контроль за лесопользователями и недрапользователями и др. В качестве технологической основы системы используется космический мониторинг, связанный с получением и обработкой данных ДЗЗ (дистанционное зондирование Земли).
Для поддержки принятия широкого круга управленческих решений в регионе, таких как: контроль за пожароопасностью, паводковой обстановкой, Лесоэнтомологический мониторинг, уровень загрязнения атмосферы, экологии природоохранных объектов, загрязнением снежного покрова, изменением рельефа и другими изменениями природной среды наиболее перспективно с применением материалов ДЗЗ и их интеграции в ГИС.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы мониторинга природных ресурсов по данным дистанционного зондирования Земли по Красноярскому краю. Исходя из цели исследования, определены основные задачи:
1. Разработка и внедрение технологии скоростной передачи данных.
Разработка и внедрение информационных технологий обработки материалов дистанционного зондирования для выделения лесных пожаров, проведения лесоэнтомологического мониторинга, контроля за лесопользователями.
Интеграция результатов дешифрирования и оцифровки материалов дистанционного зондирования в информационно аналитическую систему природопользования «Кадастр природных ресурсов Красноярского края», с целью автоматизированного получения количественных и экономических оценок нанесенного ущерба в следствии природных или антропогенных факторов.
Методы исследования базируются на теории передачи информации, теории обработки сигналов, теории управления, методах анализа данных дистанционного зондирования Земли, современных ГИС-технологиях и связанных с ними базами данных.
Научная новизна решения поставленных задач заключается в следующем:
Впервые построена система алгоритмов согласования удаленных специальных сетей, что позволило сократить время приема и обработки информации данных дистанционного зондирования Земли.
На основе построенной системы алгоритмов разработаны информационные технологии автоматизированной обработки материалов ДЗЗ для выделения лесных пожаров, контроля за распространением лесопатологии, контроля за лесопользователями.
Разработана технология интеграции результатов тематического дешифрирования и оцифровки материалов дистанционного зондирования Земли в информационно аналитическую систему природопользования «Кадастр природных ресурсов Красноярского края».
Разработана информационная технология получения количественных и стоимостных оценок ущерба от лесных пожаров, развития лесопатологии, незаконного лесопользования.
Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждены актом о внедрении системы в ИАСП «кадастр природных ресурсов Красноярского края», и отчетной документацией о проделанной работе которые находятся в настоящее время в «Росгеофонде», и Администрации Красноярского края.
Практическая ценность диссертации.
Предложенная в диссертационной работе информационная технология, позволяет в режиме реального времени проводить мониторинг природной среды и давать количественные и экономические показатели ее нарушения. На основе технологии разработан ГИС-проект «Горимость лесов Красноярского края», в котором помимо мониторинга пожаров производится оценка ущерба нанесенного природной среде.
Разработанные информационные технологии по контролю за состоянием природной среды могут широко использоваться Администрацией Красноярского края и другими заинтересованными в получении этой информации организациями и службами края в практике принятия административно-управленческих решений в различных сферах деятельности, связанных с природно-ресурсной базой региона, а также организациями, ответственными за ликвидацию последствий чрезвычайных ситуаций.
Практическая ценность результатов подтверждена внедрением информационной технологий в ИАСП «Кадастр природных ресурсов Красноярского края».
Реализация результатов работы.
Разработанные в диссертации методы и алгоритмы включены в ИАСП «Кадастр природных ресурсов Красноярского края», созданной на базе государственного предприятия Красноярского края «Красноярский научно-исследовательский институт геологии и минерального сырья» (ГПКК «КНИИГиМС»), заказчиком которой выступает агентство природопользования и лесной отрасли Администрации Красноярского края.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Современные проблемы информационных технологий и космический мониторинг» (Ханты-Мансийск, 2001), I Международной конференции «Земля из космоса - наиболее перспективные решения» (Москва, 2003), II Международной конференции «Земля из космоса - наиболее перспективные решения» (Москва, 2005), IV конференции «Проблемы агропромышленного комплекса» (Паттайа (Таиланд), 2007).
Публикации. По тематике исследования опубликовано 12 печатных работ. Эти материалы отражают основное содержание диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 55 названий. Содержание работы изложено на 127 страницах текста. В приложении приведены документы свидельст-вующие о практической реализации результатов исследований.
Системы мониторинга природных ресурсов использующие данные ДЗЗ
Сегодня в России активно развивается достаточно много информационных систем в основу которых положена информация ДЗЗ. К таким системам следует отнести: отраслевую систему мониторинга Госкомрыболовства которая функционирует с 2000 г (5,20,39,43), систему спутникового мониторинга сельскохозяйственных земель макет этой системы введен в опытную эксплуатацию в 2003 году(13), систему дистанционного мониторинга лесных пожаров (6,8,) МПР РФ (http://www.nffc.aviales.ru), которая разрабатывалась в интересах службы Авиационной охраны лесов России и позволяет работать с данными спутников NOAA, TERRA, AQUA и результатами их тематической обработки. Работы по ее созданию и внедрению проводились с 1995 г. совместно специалистами Центра экологии и продуктивности лесов РАН, Института солнечно-земной физики СО РАН (ИСЗФ СО РАН) и ИКИ РАН. В настоящее время система оперативного спутникового мониторинга лесных пожаров представляет собой довольно сложную распределенную систему (Рисунок 1.4). Данные, необходимые для ее функционирования, поступают из систем приема «Авиалесоохраны» в городах Пушкино, Красноярске, Иркутске, а также из специализированных центров приема и обработки. Для доступа к данным реализованы территориально удаленные сервера архивации, расположенные соответственно в Пушкино, Иркутске Красноярске и Москве. В системе реализована полностью автоматическая технология обработки, хранения и распространения спутниковых данных. Сегодня система содержит автоматически обновляющуюся информацию о реальной горимо-сти лесов, информацию о тушении лесных пожаров и результаты обработки спутниковых данные практически по всей территории России. Однако предоставление этой информации конечному пользователю в виде табличных данных не всегда удовлетворяет пользователей, помимо этого система не позволяет отслеживать динамику лесных пожаров и не может учитывать их площадные характеристики.
Также в настоящее время в России разрабатывается система контроля за биоразнообразием лесов (23,40)позволяющей отслеживать характеристики состояния и динамики лесного фонда, его экологический и ресурсный потенциал, а так же знаний основных условий роста и развития лесных экосистем. Подобная система позволяла бы организациям проводящим контроль за лесными ресурсами в оперативном режиме реагировать на изменения происходящими в лесном фонде и делать выводы на основе имеющихся данных. Однако данная система в настоящее время находится на стадии проектирования.
В восточно-сибирском НИИ геологии геофизики и минерального сырья (69) ведутся работы по созданию технологий надзора и контроля за объектами особо охраняемых природных территории (ООПТ), за соблюдением лицензионных соглашений при разработке месторождений полезных ископаемых, за состоянием и использованием лесного фонда, а также за использованием водных объектов.
В институте космических исследований (ИКИ) РАН совместно с многими институтами входящими в РАН ведутся работы по следующим направлениям (18,19,21,22,26,35). 1. Разработка и внедрение информационной системы приема, обработ ки, хранения и распространения данных аэросъемки и космосъемки.
С 1995 года система обеспечивает автоматический прием, обработку и архивирование данных спутников серии NOAA по европейской территории России и западной Сибири. Позволяет получить оперативный доступ к спутниковым данным и результатам их обработки пользователям имеющим доступ к этой системе. Используется для отработки технологий и методов обработки, хранения и распространения спутниковых данных.
2. Информационная система "Погода России".
Система разработана и поддерживается совместно Гидрометцентром РФ (Росгидромет) и ИКИ РАН. Работает с 1997 года. Обеспечивает удаленный доступ пользователей к данным о фактической погоде и о прогнозе на ближайшие 6 дней. Представляет также доступ к спутниковым данным.
Радиометрическая коррекция изображения
Измерительная аппаратура природоресурсных спутников Земли перед запуском проходит радиометрическую калибровку, после запуска в течении некоторого времени происходит ее верификация. Однако, по истечении времени измерительная аппаратура теряет свои изначальные параметры под воздействием неблагоприятных факторов космического пространства. Поэтому показания датчиков сканера необходимо корректировать. Как правило для коррекции применяется процедура состоящая в том, что наблюдаются одни и те же объекты на Земле, текущая интенсивность излучения сравнивается с результатами предыдущих наблюдений. Корректировочные коэффициенты определяются путем статистической обработки и выкладываются в сеть internet, на официальных ресурсах.
Часто встречающиеся на практике помехи при исследовании поверхности Земли из космоса это пропущенные пиксели, появляющиеся в результате неправильной работы сканирующего прибора либо незначительной облачности. В случае если эти нарушения на изображении невелики то изображение можно восстановить использую методы интерполяции (экстраполяции) с использованием уравнения авторегрессии.
Здесь gfJ - прогнозируемая яркость пропущенного пикселя; airb - некоторые коэффициенты. Известные яркости fkm из окружения пропущенного пикселя не должны повторятся.
При решении этой задачи как правило используются оценки коэффициентов корреляции вычисляемые по известным яркостям пикселов из окружения пропущенного пиксела. Далее и й .-.пересчитываются таким образом чтобы они удовлетворяли Ха +/ =! На рис 2.1а приведено исходное ность максимального и минимального значений яркости. Путем цифровой обработки значения контраста можно изменить изменяя яркость каждого элемента изображения и увеличивая диапазон яркостей. Для этого разработано несколько методов. Пусть, например, уровни некоторого изображения принимают интервал 14-42 со средним значением яркости 28 при возможном наибольшем интер вале значений 0-255. Гистограмма яркостей исходного изображения на Рису нок 2.2а показывает, сколько пикселов N с близким значением яркости / по падает в интервал от /;. до f + Af]. Это изображение является малоконтраст ным. Возможным методом улучшения контраста может стать так называемая линейная растяжка гистограмм, когда уровням исходного изображения ле жащим в интервале [/„ /ши1, присваиваются новые значения с тем чтобы охватить весь возможный интервал яркости. При этом контраст существенно увеличивается (Рисунок 2.26). Преобразование уровней яркости осуществляется по формуле
Также можно использовать такие алгоритмы улучшения контраста как нормализацию гистограммы, когда на весь максимальный интервал значений яркости растягивается не вся гистограмма а ее наиболее интенсивный участок и из рассмотрения исключаются малоинформативные «краевые» значения.
Также использование линейных фильтров таких как линейная фильтрация в частотной плоскости, линейная локальная фильтрация и фильтрация с использованием нелинейных фильтров таких как медианная фильтрация, сигма-фильтр, нелинейный градиентный фильтр позволяют улучшать изображение с устранением шумов фотоприемных устройств, шумов в каналах связи, размытию изображения в следствии турбулентности атмосферы, геометрические искажения и др. Выбор типа фильтра зависит от специфики решаемой задачи, от наличия сведений о свойствах сигнала и шума, от требований к качеству изображения.
Геоинформационные системы и технологии
ГИС - это компьютерные системы для сбора, хранения, обработки, анализа и вывода территориально - ориентированных данных. Таким образом, ГИС сочетают в себе графические функции и функции работы с БД, а, следовательно, имеют графический модуль и модуль СУБД (25,30,34,36,37). Последний позволяет хранить и организовывать атрибутивные данные, связанные с объектами карт, планов и т.д. ГИС совместно обрабатывает наборы графических и атрибутивных данных, а пользователь выбирает, какие связи между ними будут анализироваться и контролирует отображение результатов этого анализа. Главные функции ГИС: о Получение данных; о Хранение данных; о Управление данными; о Анализ данных; о Создание картографической продукции.
При помощи карты отображается реальная поверхность. В зависимости от задачи стоящей перед картой разные варианты могут иметь разное представление и карта отражает часть реального мира.
Если изучить строение карты, то окажется что она состоит из конечного числа элементов. Можно выделить векторные объекты (точки, линии, многоугольники и т.п.) и растровые (подложки). С графическими объектами, составляющими компоненты карты, связываются атрибуты, хранящиеся в виде строк БД. Ввод графической информации осуществляется с помощью дигитайзеров, сканеров и т.п., при этом может предусматриваться как автоматическая, так и интерактивная векторизация растровых изображений. ГИС содержит средства визуализации данных в виде различных карт, графиков, трехмерных поверхностей, чертежей и т.п., как на экране, так и в виде "твердой" копии на всевозможных принтерах, плоттерах и т.п. В процессе визуализации ГИС предоставляют различные средства редактирования и транс формации изображений, позволяют "накладывать" карты друг на друга, используя, например, понятие "слой карты", объединяющий те или иные компоненты по смысловому признаку. Выбор объектов на карте может осуществляться как чисто геометрически (например, обрисовкой прямоугольной области), так и путем формирования запросов к БД, учитывающих значения атрибутов объектов. Здесь графический модуль соприкасается с модулем СУБД. Как правило, все развитые ГИС позволяют в качестве БД использовать как отдельные файлы известных форматов (например, DBF), так и формировать SQL-запросы к мощным серверам БД (Oracle, Sybase и т.д.). Информация, получаемая из БД, может быть представлена не только графически, но и в виде таблиц.
ГИС, как средство настольной картографии, - это средство анализа данных. Можно придать графический вид статистическим и прочим данным.
Особенности организации данных в ГИС.
Геоинформационные технологии предлагают новые эффективные средства хранения и анализа пространственно распределенной информации. Эти системы связывают географическое местоположение с другими характеристиками пространственных объектов.
В состав ГИС, как и любой информационной системы, входят компоненты для сбора, передачи, ввода, хранения, поиска, обработки и выдачи пространственно - временной информации. Геоинформационные системы содержат базы данных (БД) обычной (цифровой) информации и географические базы данных. Последние и являются основой интеграции всех данных в ГИС. В отличие от обычных информационных систем, ГИС содержат процедуры математического и картографического моделирования и образного отображения географически координированных данных, которые имеют не только пространственные, но и временные характеристики. Эти данные могут быть представлены в виде карт, таблиц и диаграмм и в дальнейшем использованы для принятия решений в хозяйственной деятельности на определенной территории.
В геоинформационных системах для ввода и визуального отображения информации используются цифровые географические карты. Эти карты представляют собой отображение цифровой модели местности с помощью компьютерной визуализации.
Географическая информация о различных территориальных объектах может быть представлена как совокупность наборов точек (населенные пункты, предприятия), линий (транспортные магистрали, реки), контуров (поля, леса) и площадей (социально - экономические зоны, данные об угодьях). Эта информация может быть получена с помощью различных технологий: по фотоснимкам, геодезическими методами на местности, с карт, из архивных табличных данных и т.д.
Каждый объект реального мира, отображаемый в ГИС, можно рассматривать в следующих измерениях: о пространственном (место); о временном (время); о тематическом (предмет).
Пространственное измерение связано с определением местоположения объекта. Временное измерение характеризует изменение объекта с течением времени, в частности от одного временного среза до другого. Примером временных данных служат результаты переписи населения.
Тематическое измерение связано с выделением определенных признаков (характеристик) объекта, необходимых для его описания.
В большинстве технологий ГИС для определения места используют класс данных - координаты, для определения параметров времени и тематической направленности - другой класс данных - атрибуты.
Методология ГИС системы «Горимость лесов Красноярского края
Площадь лесов Красноярского края Таймырского и Эвенкийского автономного округа составляет 159 мл. га. Леса имеют большую экономическую значимость и являются важным фактором регулирования и стабилизации окружающей среды. В среднем в лесах края ежегодно регистрируется около 1 тыс. пожаров на площади порядка 100 тыс. га.
Геоинформационная система мониторинга лесных пожаров — это компьютеризованная система сбора, хранения, отображения и распространения данных о горимости лесов, условиях возникновения и развития лесных пожаров, их воздействии на окружающую природную среду (количественных и экономических характеристиках нарушений лесного покрова). Система позволяет оперативно интерпретировать и анализировать эти данные для эффективного использования при решении управленческих, производственных и научных задач, связанных с охраной лесов и управлением лесопожарными мероприятиями.
Основное назначение ГИС мониторинга лесных пожаров — информационная поддержка процессов принятия решений в системе охраны леса и управления, а также обеспечение доступа пользователей к информации о лесных пожарах и их воздействиях на лесные экосистемы.
Целями создания ГИС мониторинга лесных пожаров являются повышение эффективности функционирования системы охраны леса и управления, снижение наносимого ими ущерба природе и обществу, расширение имеющихся знаний о процессах возникновения и развития лесных пожаров, их влиянии на структуру и динамику лесного фонда, оценка экономических последствий.
Космические средства в мониторинге лесных пожаров.
Мониторинг лесных пожаров предназначен для решения комплекса функциональных задач, связанных с оценкой и прогнозом пожарной опасности в лесах, обнаружением и контролем динамики лесных пожаров, послепожарной инвентаризацией лесов, управлением работой лесопожарных служб.
В настоящее время основной объем информации для решения выше означенных задач поступает от наземных и авиационных служб охраны лесов. Однако отмечается, что в данных целях перспективно использование космических средств дистанционного зондирования.
Космическая ступень охраны лесов от пожаров должна формироваться на основе функционального привлечения космических средств наблюдения общего назначения (метеорологических, исследования природных ресурсов и др.). При этом космические средства должны обеспечивать решение следующих основных задач: о возможно более раннее обнаружение возникающих лесных пожаров с определением их координат и площади очагов горения; о наблюдение за динамикой развития ранее обнаруженных лесных пожаров до их полной ликвидации или самопроизвольного прекращения с определением направлений перемещения; о определение метеорологических параметров атмосферы (облачность, очаги гроз, температура воздуха, поле ветра); о определение температуры поверхности, влажности почвы, фенологическое состояние лесов, лесопирологическое районирование лесного фонда; о оценка степени пожарной опасности для прилегающих к зоне пожара участков насаждений и прогнозирования развития лесных пожаров; о получение данных о дымовых шлейфах и конвекционных колонках, образующихся при крупных лесных пожарах; определение степени и масштабов задымленности территории в районах лесных пожаров. Полученная информация, дополненная данными авиационных и наземных обследований, может служить базовой основой для формирования содержательной части ГИС и использоваться для оценки ситуации и принятия решения.
Основными причинами возникновения лесных пожаров являются: природный (возгорание в результате разрядов молний) и антропогенный (возгорание в результате действий человека в лесу) факторы, разрастание очагов пожара на большой площади происходит вследствие: - несвоевременное обнаружение очагов возгорания; - низкого уровня организации тушения; - недостаточного обеспечения силами и средствами пожаротушения; - низкого уровня подготовки руководителей пожаротушения.
Требования выдвигаемые к космическим средствам системы мониторинга лесных пожаров следующие: обнаружение лесных пожаров должно осуществляться на территории лесного фонда региона; периодичность обзора территории с целью обнаружения лесных пожаров и слежения за динамикой их развития с момента наступления и до окончания пожароопасного сезона в светлое время суток не должна превышать одного часа, а в ночное время от 2 до 3 часов; с учетом технических возможностей допустима и меньшая периодичность обзора, поскольку в действующей системе периодичность авиационного наблюдения составляет лишь от 1 до 3 раз в сутки.
Периодичность получения информации о границах районов с различными классами пожарной опасности не менее одного раза в сутки.
Оперативность представления данных потребителям о действующих лесных пожарах — 15-30 минут с момента их обнаружения, а о динамике развития ранее обнаруженных лесных пожаров — не более 30 минут с момента очередного наблюдения или двух часов с момента поступления запроса.
