Использование материалов дистанционного зондирования для мониторинга обьектов населенных пунктов

  • Вид работы:
    Дипломная (ВКР)
  • Предмет:
    Геология
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    3,33 Мб
  • Опубликовано:
    2017-02-15
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Использование материалов дистанционного зондирования для мониторинга обьектов населенных пунктов

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

ВВЕДЕНИЕ

. МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ

.1 Объекты мониторинга населенных пунктов

.2 Сущность и задачи мониторинга

.3 Информационное обеспечение мониторинга объектов населенных пунктов

.4 Методы получения информации для мониторинга объектов населенных пунктов

. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

.1 Авиационные съемочные системы

.2 Космические съемочные системы

.3 Наземные системы дистанционного зондирования

. Применение аэро- и космических съемок при мониторинге объектов населенного пункта

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа содержит 83 страницы, 16 рисунков, 49 использованных источников и 1 приложение.

ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ, ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА, ГЕОПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ АЭРОФОТОСНИМКОВ, АЭРОФОТОГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ

Объект исследования - материалы дистанционного зондирования, как средства решения задач городского кадастра.

Цель работы - формирование оптимальных условий использования информационных материалов по дистанционному зондированию для решения задач мониторинга объектов населенных пунктов.

В процессе работы поставленные задачи решались с применением методов описательной статистики, аналитического, экономико-математического, графического, программного.

В результате исследования проанализировано практическое использование технологии использования космических снимков сверхвысокого разрешения для оперативного мониторинга городских территорий.

Область применения: в практике работы кадастрового инженера.

ВВЕДЕНИЕ

Решение задач мониторинга территорий, городского кадастра, землеустройства должно базироваться на достоверной информации об участках местности и их площадях, рельефе местности, учете инфраструктуры объекта, состояния природных и природно-антропогенных ландшафтов.

В обеспечении данной информации на современном этапе возрастает роль аэрокосмических средств. Это обусловлено оперативностью получения с помощью их метрической и смысловой информации об изучаемой территории, объективностью и документальностью этой информации, возможностью регулярных наблюдений за изменениями, происходящими на изучаемой территории, а также снижением затрат на проведение съемок и получением необходимой информации.

Аэро- и космические средства и методы получения информации о местности, объектах и процессах в значительной мере восполняют недостатки контактного способа сбора информации, а в некоторых случаях полностью заменяют его. Некоторые задачи, особенно поискового (разведывательного) характера, можно решить только с помощью аэро- и космических съемок.

Вышеизложенное позволяет говорить об актуальности рассмотрения вопроса об использовании материалов аэрокосмических съемок в целях мониторинга объектов населенных пунктов.

Объектом исследования являются: геоинформационные системы в кадастровой деятельности.

Предмет исследования - дистанционное зондирование при мониторинге населенных пунктов.

Целью дипломной работы является формирование оптимальных условий информационных материалов по дистанционному зондированию для решения задач мониторинга объектов населенных пунктов.

Для достижения данной цели в дипломной работе были поставлены и решены следующие задачи:

рассмотрены сущность и задачи мониторинга объектов населенных пунктов;

оценены современные системы дистанционного зондирования;

проведен анализ технических характеристик космических и авиационных съемочных систем, и области их применения;

проанализированы возможности применения аэрокосмических средств и методов получения информации в целях мониторинга объектов населенных пунктов.

Поставленные задачи и сформулированная цель обусловили структуру и внутреннюю логику выпускной квалификационной работы, которая состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых источников и приложения.

Теоретическую основу выпускной квалификационной работы составили Законы Российской Федерации, Постановления Правительства Российской Федерации, исследования специалистов по дистанционному зондированию.

1. МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ

.1 Объекты мониторинга населенных пунктов

Принято считать, что современный город представляет из себя сложную, открытую систему, которая не может функционировать без такой подсистемы, как городские земли, являющиеся одновременно пространственным ресурсом. Эта динамическая подсистема включает в себя множество взаимосвязанных элементов, таких как почвы, горные породы, подземные воды и другое, которые в свою очередь являются элементами геологической среды. Их изменение вызывает трансформацию состояния других подсистем города; те в свою очередь оказывают влияние на городские земли, что фактически сказывается на количественных и качественных характеристиках земельных ресурсов.

Эти характеристики являются основой государственного кадастра недвижимости. Слежение за их изменением и тем самым актуализация кадастра осуществляется с помощью комплексного мониторинга земель.

В общем случае мониторинг земель представляет собой систему наблюдения за состоянием земельного фонда для своевременного выявления изменений, их оценки, предупреждения и устранения последствий негативных изменений.

Мониторинг городских земель является системой мероприятий и наблюдений за состоянием городского земельного фонда для обновления и поддержания достоверности данных о земле, своевременного выявления изменений оценки, предупреждения и устранения последствий негативных процессов на городских территориях.

Специфика мониторинга городских земель в сравнении с мониторингом земель вообще заключена в следующем:

) в особом назначении городских земель (то есть в их несельскохозяйственном, как правило, использовании);

) в их полифункциональности;

) в меньшем, по сравнению с сельскими, размере городских землевладений и землепользовании;

) в большей насыщенности территории объектами недвижимости, что требует в условиях более высокой стоимости аренды земли в городе повышенной точности определения их границ и площадей;

) в существенно большей степени техногенного воздействия на все категории земель;

) в более широком спектре показателей и параметров, характеризующих различные категории земель [1];

) в функциональной взаимозависимости состояния земельных участков друг от друга;

) в более крупных масштабах картографирования результатов мониторинга.

В городе земля должна рассматриваться не только как пространство, но и как сумма некоторых подземных и наземных территорий, здесь гораздо выше степень техногенного воздействия [2].

Кроме того, специфика мониторинга городских земель определяется действиями различных негативных процессов. Эти процессы рассматриваются как комплекс динамических и антропогенных явлений, приводящих к отрицательному изменению состояния городских земель, ухудшению их качественных и количественных характеристик, а также к несоответствию состояния городского земельного фонда требованиям освоения, уменьшению эффективности использования и степени освоения городских земель и, в конечном итоге, к снижению ценности земель.

К наиболее существенным факторам крупного города, воздействующим на окружающую природную среду, обычно относят:

. Планировку и строительное зонирование города;

. Загрязнение городом атмосферы, биосферы, гидросферы и литосферы;

. Мелиоративные мероприятия воздушного бассейна, водоемов, почв, грунтов с целью улучшения санитарно - гигиенических условий;

. Уничтожение естественного растительного покрова, и наоборот, озеленение городской территории;

. Изменение естественного рельефа - срезка возвышенностей, засыпка оврагов, речных долин, болот, устройство котлованов и траншей;

. Освоение подземного пространства городов - метрополитен, подземные хранилища и так далее.;

. Искусственное обводнение территории - искусственные пруды, каналы, искусственные поливы территории;

. Регулирование поверхностного стока, улучшение фильтрации поверхностных осадков;

. Понижение уровня подземных вод в результате интенсивных откачек;

. Реконструкция рек и регулирование их стока, канализирование малых рек и ручьев;

. Статические нагрузки от поверхностных сооружений;

. Динамические нагрузки от транспорта, различных механизмов, взрывов;

. Тепловое воздействие города на атмосферу, литосферу и гидросферу;

. Техническая мелиорация горных пород;

. Образование антропогенных отложений (культурный слой);

. Изменение геофизических полей под влиянием города.

Соответственно эти же факторы обуславливают и структуру мониторинга городской среды, которая должна отображать структуру изменений в этой исследуемой среде [1].

Объектом мониторинга населенного пункта являются все городские земли (с учетом надземных и подземных территорий), независимо от форм собственности на землю, целевого назначения и характера их использования. Предметом мониторинга является характеристика покомпонентных и комплексных изменений состояния городских земель и процедура их измерения. Эта информация включает инженерно-строительную, экологическую, санитарно-гигиеническую, архитектурно-градостроительную и имущественно - правовую составляющие [3].

В городах ведутся следующие виды мониторинга:

мониторинг земель городской застройки (в том числе подземного пространства) - наблюдение за состоянием земель, предоставленных предприятиям, учреждениям и организациям для строительства и эксплуатации промышленных, производственных, жилых, культурно-бытовых, религиозных и других строений и сооружений, а также гражданам для индивидуального жилищного строительства;

мониторинг земель общего пользования - наблюдение за состоянием земель, используемых для передвижения, для удовлетворения культурно-бытовых потребностей населения, полигонов бытовых отходов и других земель, служащих для удовлетворения общественных нужд города.

мониторинг земель сельскохозяйственного использования - наблюдение за состоянием земель, отнесенным к сельскохозяйственным угодьям и используемым для сельскохозяйственного производства на территории города;

мониторинг земель природоохранного, оздоровительного, рекреационного и историко-культурного назначения - наблюдения за состоянием земель, в пределах которых имеются природные объекты, представляющие научную или культурную ценность; обладающие природными лечебными факторами; предназначенные и используемые для организации массового отдыха и туризма населения; имеющие историческое, культурно-архитектурное и эстетическое значение;

мониторинг земель, занятых городскими лесами и лесопарками - наблюдение за состоянием земель, покрытых лесом, а также не покрытых лесом, но предоставленных для нужд лесного и лесопаркового хозяйства;

мониторинг земель водного фонда - наблюдение за состоянием земель прибрежных полос, водоохранных зон рек, водоемов и других водных источников и их загрязнения;

мониторинг земель транспорта, связи, радиовещания, телевидения, информатики и космического обеспечения, энергетики, обороны - наблюдение за состоянием земель, предоставленных предприятиям, учреждениям, организациям для осуществления возложенных на них задач [4].

С учетом действия рассмотренных выше факторов необходимо выполнять слежение за:

) изменением городской черты, границ административно-территориальных образований, землепользований и землевладений, охранных и технических зон;

) эффективностью использования земель;

) динамикой урбанизации территорий сельскохозяйственного использования, земель городских лесов и зеленых насаждений;

) динамикой изменения площадей жилой застройки и земель общего пользования;

) осуществлением ландшафтно-экологического районирования территории с выделением ареалов негативных процессов;

) экологическим состоянием земельных участков, почвенно - растительного покрова [1].

Если земли города рассматривать как объект управления, то конечной целью мониторинга земель является сбор и постоянная актуализация информации для принятия управленческого решения.

Задачей мониторинга городских земель становится создание системы слежения за изменениями баланса земель. Ведение мониторинга должно осуществляться по единой методологии с соблюдением принципа взаимной совместимости информации, основанной на применении единой государственной системы координат, высот, картографических проекций, единых классификаторов, кодов, системы единиц [5].

1.2 Сущность и задачи мониторинга

В современных условиях управление землепользованием в городах характеризуется переходом к правовым и экономическим способам регулирования земельных отношений, повышением внимания к экологическим проблемам землепользования. Поэтому возрастает роль мониторинга городских земель, который является системой мероприятий по наблюдению за состоянием городского земельного фонда для своевременного предупреждения и устранения последствий негативных процессов в городской среде [6].

Основной целью мониторинга является сбор и постоянная актуализация информации для принятия управленческих решений. Из этого следуют основные задачи службы мониторинга земель:

) систематическое выявление изменений в состоянии земельного фонда;

) изучение и оценка негативных процессов;

) обновление банка данных государственного кадастра недвижимости;

) информационное обеспечение контроля за использованием и охраной земель;

) информационное обеспечение оценки земель [1].

) выявление и анализ изменений правового статуса землепользования и контроль за соблюдением собственниками, пользователями, владельцами и арендаторами земельных участков установленных правовых норм;

) анализ и обобщение характера нарушений земельного законодательства и подготовка предложений по совершенствованию нормативных актов;

) получение данных от компетентных органов по состоянию земель в местах захоронения радиоактивных и других вредных отходов;

) подготовка докладов программ, рекомендаций по состоянию земель города для дальнейшего составления тематических карт и атласов состояния земель города;

) разработка рекомендаций по рациональному использованию и охране земель для последующего проектирования и реализации планируемых мероприятий [4].

С учетом специфики структуры городской среды достаточно трех уровней мониторинга:

регионального, охватывающего площади в пределах городской черты, с выделением земель, ограниченных границами административно-территориальных образований;

локального местного, охватывающего площадь в границах административно-территориальных образований;

локального детального в границах отдельных землевладений и землепользовании.

В геоэкологическом аспекте основными объектами мониторинга являются: рельеф земной поверхности, грунты, грунтовые воды, а также сопряженные с ней другие среды - почвы, растительность и воздух [1].

Принципами ведения мониторинга земель являются:

) достоверность и точность данных, соответствие их фактическому состоянию и использованию земельных ресурсов;

) единство методов и технологий, согласованность ведения мониторинга земель;

) экономичность и эффективность;

) взаимная совместимость и сопоставимость разнородных данных;

) централизованное руководство по единой методике в масштабе России;

) наглядность и доступность сведений, за исключением сведений, составляющих государственную или коммерческую тайну [5].

Характер получаемой в результате мониторинга городских земель информации достаточно разнообразен: он отражает как особенности динамики объектов городского хозяйства, так и развитие и антропогенное изменение компонентов природной среды [1].

Для получения необходимой информации при осуществлении мониторинга городских земель основными методами являются:

дистанционное зондирование;

наземные специальные съемки и наблюдения (в том числе с применением геодезических приборов);

современный и ретроспективный анализ данных, получаемых в результате инвентаризации земель, проверок, обследований, контрольно-ревизионной работы [5].

Из показателей, характеризующих состояние или изменение того или иного компонента окружающей среды, выбирают те, с которыми в наиболее эффективно достигаются цели мониторинга.

В соответствии с приведенными определениями и возложенными на систему функциями, мониторинг включает несколько основных процедур:

выделение (определение) объекта наблюдения;

обследование выделенного объекта наблюдения;

составление информационной модели для объекта наблюдения;

планирование измерений;

оценка состояния объекта наблюдения и идентификации его информационной модели;

прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;

представление информации в удобной для пользователя форме и доведение ее до потребителя [1].

Разнообразные параметры и показатели мониторинга определяются с различной периодичностью, зависящей от характера конкретных наблюдений.

Наблюдения могут быть базовыми (исходные, фиксирующие состояние объектов наблюдений на момент начала ведения мониторинга земель), периодическими (через год и более), оперативными и ретроспективными [5].

Таким образом, многообразие задач, решаемых с помощью мониторинга земель, многоцелевая его направленность, разнохарактерность объектов наблюдений, их разные уровни определяют необходимость создания специализированных видов мониторинга.

В результате проведения работ по различным видам мониторинга получают данные по широкому спектру показателей и параметров, на основании которых осуществляется оценка состояния городских земель [1].

1.3 Информационное обеспечение мониторинга населенных пунктов

В основу организации мониторинга населенных пунктов могут быть положены следующие принципы и требования:

мониторинг может осуществляться на трех уровнях: локальном, региональном и глобальном;

объект мониторинга должен обладать чувствительностью к любым изменениям среды;

объект мониторинга должен хорошо распознаваться дистанционными методами и легко контролироваться стандартными наземными исследованиями;

информация об объекте мониторинга должна быть синхронной и сопоставимой;

организация мониторинга как информационной системы требует создания банка данных об объекте и разработку автоматизированных технологий, обеспечивающих получение достоверной информации.

В основе концепции мониторинга должны лежать следующие принципы: комплексность, систематичность и периодичность, полигонный характер исследований, автоматизация обработки данных [22].

Информация, получаемая в процессе комплексного мониторинга, зачастую весьма далека от указанных требований.

В этой связи наиболее актуальной задачей при проектировании системы того или иного мониторинга является задача унификации массива данных, наиболее возможное сближение форматов данных и в особенности выводных данных.

Другой актуальной задачей является обеспечение доступа к государственным информационным ресурсам. Когда ведомственная информационная система разрабатывается как локальная, у многих владельцев баз данных возникает желание единолично пользоваться своей информацией, а нередко - торговать информационными ресурсами, созданными за счет бюджетных средств, невзирая на то, что по закону они являются ресурсами общего пользования. Преодоление ведомственных барьеров, создание условий для расширения обмена информацией возможно только на основе разработки и внедрения соответствующей нормативно-правовой базы.

В настоящее время складывается система комплексного мониторинга окружающей среды (СКМОС). Наиболее устойчивыми источниками информации в ней являются:

ГУ «Центр гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды»

Региональные и муниципальные гидрометбюро;

Региональный центр государственного санитарно-эпидемиологического надзора;

ФГУ Центр агрохимической службы;

Управления по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора субъектов федерации;

Управления Роспотребнадзора субъектов федерации;

Управления МЧС России субъектов федерации.

Важнейшими источниками информации по правовым и земельным аспектам городских территорий являются:

Федеральная служба государственной регистрации, кадастра и картографии (Росреестр);

Органы архитектуры и градостроительства муниципального уровня.

Так, государственный кадастр недвижимости представляет собой банк необходимой и достоверной информации, характеризующей правовое, природное и экономическое состояние территорий, а также других недвижимых объектов, неразрывно связанных с землей.

Непосредственно государственный земельный кадастр позволяет осуществить информационное обеспечение:

государственного и муниципального управления земельными ресурсами;

государственного контроля использования и охраны земель;

землеустройства;

экономической оценки земель и учета стоимости земель в составе природных ресурсов;

установления обоснованной платы за землю.

В сущности для целей комплексного управления городскими землями эта информация является базовой.

Объем и сложная структура исходных данных (картографических, графических, текстовых по форме, разновременных и так далее) требует весьма тщательной подготовки базы данных и программного обеспечения управления ими.

Наиболее перспективными эффективным в самом широком смысле мероприятия по развитию системы комплексного мониторинга является разработка и внедрение ГИС-технологий.

В ГИС заложена возможность обобщать данные, относящиеся к различным по размеру территориальным участкам.

В ГИС по определению обеспечивается хранение и обработка многочисленных картографических тематических слоев и возможность оперативной обработки и формирования новых карт [1].

Задачами ГИС мониторинга являются:

) хранение и поиск режимной информации о состоянии окружающей среды;

) целенаправленная постоянная обработка и оценка информации;

) выполнение перманентных прогнозов развития и состояния окружающей среды;

) решение оптимизационных задач по экологическому управлению [7].

Обработка информации расчетными оценочными программами в ГИС осуществляется в реальном режиме времени.

Требования к поступающей мониторинговой информации в общем виде должны отражать следующие позиции:

содержательно-количественные оценки по отдельным пунктам наблюдений;

территориально-распределенные качественные и количественные оценки по каждому оцениваемому параметру;

Технически предоставляемая информация должна быть:

выполненной по согласованным методикам;

в согласованном масштабе;

в согласованном формате;

графической и семантической;

сопоставимой с нормативными оценками (по размерности, виду оценки) [1].

Информационное обеспечение составляет содержательную основу, хранящуюся в базе данных для её последующего анализа, обработки, оценки, многоцелевого поиска, пополнения и выдачи. Данные собираются как из наблюдательных сетей мониторинга, так и из сторонних источников (административных органов, проектных и производственных организаций, фондов, научных библиотек, архивов).

Поступающая в ГИС любая информация должна быть унифицирована, то есть приведена в вид, удобный для её дальнейшего использования в базе данных. Это чрезвычайно важный вопрос, особенно при создании разветвлённых локальных сетей мониторинга. Для унификации моделей входных и выходных документов системы мониторинга, а также унификации логической структуры баз данных разработчикам ГИС следует придерживаться единых методических положений, а также общих рекомендаций по информационному обеспечению [7].

Выходная информация мониторинга может быть самая разнообразная по форме, пространственной привязке, объему и содержанию. Ее составляют сведения по отдельным адресам, участкам, системе участков, административным единицам. В нее могут входить данные по комплексу показателей и по отдельным показателям как оценочного характера, так и индивидуального свойства. Форма ее может иметь вид справки, отдельных таблиц, сводных таблиц, диаграмм, схематических карт и даже атласов тематических карт, выдаваем на бумажных, так и на машинных носителях (рис.1.) [1].

Рисунок 1 - Формы предоставления информации при мониторинге городской среды

1.4 Методы получения информации для мониторинга объектов населенных пунктов

Метод - в широком смысле - способ познания явлений природы и общественной жизни с целью построения и обоснования системы знаний.

В узком смысле метод - регулятивная норма или правило, определенный путь, способ, прием решений задачи теоретического, практического, познавательного, управленческого, житейского характера.

Различают два больших класса общенаучных эмпирических (опытных) и теоретических методов исследований. Они видны и в деятельности систем мониторинга.

К числу эмпирических методов относят экспедиционный (полевой) метод. Главным путем его реализации служат наблюдения - получение первичной информации об изучаемом объекте и измерение - то же наблюдение, но с применением (получением) количественных показателей. Экспедиционный (полевой) метод может осуществляться стационарными, полустационарными и маршрутными способами.

К числу эмпирических также относят разнообразные экспериментальные и лабораторные методы.

Теоретические методы также имеют не менее сложную внутреннюю структуру. Среди них можно выделить логические методы, к которым, прежде всего, относятся две главные формы умозаключения - дедукция и индукция, предусматривающие, соответственно, путь рассуждений от общего к частному и от частного к общему. К ним относят и метод аналогий, позволяющий выявить сходство предметов и явлений в каких-то свойствах, признаках отношениях. Отдельную подгруппу в этом классе составляют методы, которые можно назвать формализованными - статистический, математический, метод моделирования и другие.

Эти методы направлены, прежде всего, на получения научного знания в форме гипотез, теорий и законов.

При самом общем подходе эмпирические методы получения информации можно разделить на прямые и косвенные. Существующая система комплексного мониторинга работает на получении первичной информации прежде всего прямыми методами измерения, располагая самым широким спектром средств измерения (контроля).

К прямым методам измерений, к примеру, можно отнести гидрометеорологические наблюдения - измерение температуры среды, давления, скорость движения и многое другое.

Прямые методы мониторинга, принадлежащие эмпирическому классу, в свою очередь можно подвергнуть более детальной дифференциации, по средствам измерения, с помощью которых эти методы реализуются в практике.

Эти средства условно разделяют на контактные и неконтактные (дистанционные). Сейчас контактные и неконтактные средства ассоциируются с наземными и космическими, хотя, строго говоря, наземные методы контроля также могут быть как непосредственными - контактными, так и косвенными дистанционными. Здесь сказывается подсознательный учет гигантского различия в масштабах исследуемых объектов, применительно к мониторингу антропогенных воздействий и объемах получаемой информации.

Наземные косвенные неконтактные методы зародились практически одновременно с организацией регулярных наблюдений за параметрами окружающей среды - физическими, химическими, топографическими. К примеру, уже в XIX веке получил прочное методическое обоснование метод барометрического нивелирования, позволивший определять высоты местности, где не возможно нивелирование традиционными способами - геометрическим или тригонометрическим.

До настоящего времени в гидрологическом блоке мониторинга применяются дистанционные уровнемеры, ультразвуковые эхолоты, с помощью которых выполняются измерения уровней воды, глубины водоема, направлен и скорости течений и тому подобное.

В подсистеме метеорологического мониторинга, при производстве синоптических наблюдений успешно применяется ультразвуковой измеритель нижней границы облачности. Широко применяются дистанционные электрические термометры, радиоизотопные комплексы измерения показателей водных и физических свойств почво-грунтов и так далее.

Наземные неконтактные методы вполне успешно, обладая хорошей решающей способностью, находят применение там, где нет альтернативных приемов измерений. При этом они легко регулируются для работы в автоматическом режиме по длительности и периодичности наблюдений.

Дистанционные методы мониторинга применяются преимущественно для исследования с летательных аппаратов [1].

Контактные методы наблюдений и контроля за состоянием природной среды дополняются неконтактными (дистанционными), основанными на использовании двух свойств зондирующих полей (электромагнитных, акустических, гравитационных):

осуществлять взаимодействия с контролируемым объектом;

переносить полученную информацию к датчику.

Зондирующие поля обладают широким набором информативных признаков и разнообразием эффектов взаимодействия с веществом объекта контроля. Поэтому с их помощью может быть получена самая разнообразна информация об объекте исследования, в том числе высоких уровней интеграции.

Принципы функционирования средств неконтактного контроля условно подразделяют на пассивные и активные. В первом случае осуществляется приём зондирующего поля, исходящего от самого объекта контроля, во втором производится приём отражённых, прошедших или переизлученных зондирующих полей, созданных источником [7].

Оба метода основаны на частотной и пространственно-временной избирательности, чувствительности параметров зондирующих сигналов к тому или иному контролируемому параметру.

Рефлексный метод контроля представляет собой разновидность активного контроля при одновременном совмещении функций передачи и приема зондирующих сигналов [1].

Аэрокосмические методы это основная группа дистанционных методов мониторинга. Они включают систему наблюдения при помощи самолетных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем, а также систему обработки данных дистанционного зондирования [8].

Дистанционное зондирование Земли из космоса позволяет значительно удешевить получаемую информацию, потому что проводимый при этом мониторинг осуществляется простыми, быстрыми и легкодоступными средствами. Поскольку традиционные наземные методы систематического контроля весьма дороги и требуют привлечения большого числа специалистов разного профиля, аэрокосмические дистанционные методы мониторинга начинают все более доминировать. В частности, применение аэрокосмических средств и методов дистанционного зондирования земной поверхности для обеспечения ведения мониторинга земель и природных ресурсов несомненно является самой передовой технологией.

Достоинствами аэрокосмического мониторинга является высокая оперативность получения информации, возможность ее обработки с помощью современной вычислительной техники, хранения, классификации и организации использования.

Зондированием поверхности Земли из космоса решают не только конкретные задачи экологического мониторинга, но и задачи совмещения (привязки) разномасштабных видеоданных, регистрируемых различными техническими средствами и с разных высот, с фотографическими, картографическими материалами. Как правило, процесс привязки включает работу опытных дешифровщиков, которые по фототону, цвету, геометрическим размерам и другим особенностям изображения дешифруют те или иные особенности ландшафта (территории).

Прямую пользу приносят средства оперативного космического мониторинга при контроле чрезвычайных экологических ситуаций, снабжении потребителей во всех регионах страны экспресс-информацией, прогностической оценке последствий аварий и кадастров природно-техногенного происхождения.

Расчетная экономическая эффективность дистанционного зондирования Земли весьма высока. Так, по некоторым данным, при использовании спутниковой информации в гидрометеорологическом обеспечении сумма экономических затрат и предотвращенного ущерба превосходит затраты на ее получение в 10-15 раз.

Дистанционное зондирование объектов мониторинга осуществляют с использованием двух основных групп приборов и оборудования:

приборы, дающие видео- и фотоинформацию (аэрофотоаппаратура, многозональные сканирующие устройства, радиолокаторы, ТВ-камеры);

приборы трассовой группы (спектрометры, СВЧ- и ИК- радиометры и другие).

Аэрокосмические методы особенно эффективны на глобальном и федеральном уровнях. Для решения задач, требующих большего разрешения, к примеру для дистанционного зондирования земельного фонда пользуются приборами и оборудованием, дающими видео- и фотоинформацию, а также приборами трассовой съемки.

При этом съемки с космических аппаратов и высотных самолетов, как правило, ведутся для получения характеристик состояния компонентов природной среды на федеральном (глобальном) и региональном уровнях.

Съемки же и наблюдения с помощью малой авиации ведутся для локального мониторинга и для уточнения аэрокосмической информации.

Привлечение космической фотоинформации при определении состояния земель определяется возможностью дешифрирования физических элементов ландшафта. Значительное число природных процессов не находит прямого отображения на снимках. Их определение производится на основании косвенных дешифровочных признаков. Так, по косвенным признакам дешифрируются подземные воды, некоторые почвенные разности, стадии развития природных процессов, переувлажненные земли и другое [1].

Дешифрирование снимков для целей мониторинга территорий имеет свои отличительные особенности, обусловленные спецификой определяемой информации (Приложение А). Наиболее ответственный этап в технологическом комплексе работ - подготовительные работы. Просчеты, допущенные на этом этапе, могут привести к увеличению материальных и трудовых затрат, сроков выполнения работ и в итоге к увеличению стоимости конечной продукции [9].

Эффективность использования космических фотоснимков связана с высокой разрешающей способностью, информативной емкостью, уменьшением трудозатрат и времени на дешифрирование этих снимков, сокращением наземных исследований [1].

Главные достоинства аэроснимков, космических снимков и цифровых данных, получаемых в ходе дистанционного зондирования, - их большая обзорность и одномоментностъ. Они покрывают обширные, в том числе труднодоступные, территории в один момент времени и в одинаковых физических условиях. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализованное изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их структуру и связи. Очень важное достоинство - повторность съемок, то есть фиксация состояния объектов в разные моменты времени и возможность прослеживания их динамики [10].

Анализ развития рынка аэрокосмической съемки, в том числе данных с высоким разрешением, на современном этапе, показывает, что мы стоим на пороге технологической революции в области получения и использования материалов аэрокосмических съемок.

Таким образом, роль аэро- и космической съемки при решении задач мониторинга возрастает. Это обусловлено оперативностью получения и предъявления информации потребителю, доступности материалов и широким спектральным диапазоном работы данных систем [11].

2. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

.1 Авиационные съемочные системы

Несмотря на довольно долгую историю экспериментальных разработок и изготовление цифровых оптико-электронных приборов, главными методами в аэросъемках остаются традиционные фотографические. Главными причинами такого положения являются отлаженность традиционных процедур производства выходной продукции и дороговизна единичных экземпляров авиационной цифровой съемочной аппаратуры.

В настоящее время в качестве авиационных съемочных систем применяются: традиционные аэрофотоаппараты; воздушные лазерные сканеры; цифровые аэрофотоаппараты; аэросъемочные комплексы гиперспектральной съемки.

Рисунок 2 - Беспилотный летательный аппарат «Данэм»

Отечественные аэрофотоаппараты (АФА) с фокусными расстояниями: 350, 200, 140, 100, 70 миллиметров - это надежные и простые устройства, дающие хорошие результаты при выполнении аэрофотосъемки.

Основным недостатком АФА является малый формат кадра 18х18 см, что приводит при одинаковых параметрах съемки к увеличению съемочного времени и количества отснятых кадров.

Полученные в полете снимки после проявки сканируются на высокоточных фотограмметрических сканерах с разрешением, как правило, не хуже 15 мкм. Учитывая размеры негатива 23×23 см (или 18×18 см), в результате получаются цифровые изображения размером ~15000×15000 пикселей, или более 200 мегапикселей. К сожалению, в настоящее время промышленность не производит светочувствительные матрицы на приборах с зарядовой связью (ПЗС) таких размеров. Это приводит к появлению специальных приемов при производстве цифровых аэрофотокамер.

В зависимости от формата различают: цифровые камеры среднего формата, цифровые камеры на ПЗС линейках, цифровые камеры «большого» формата на ПЗС матрицах [14].

Простейшим выходом из технологического ограничения на размер светочувствительной матрицы при производстве цифровой аэрофотокамеры является производство камер с максимально возможными по числу элементов матрицами на базе существующих решений.

Таким путем пошла фирма Applanix с камерой DSS (Digital Sensor System). Эта камера имеет ПЗС матрицу размером 4092 x 4077 пикселей и оснащена 80 гигабайтным диском для хранения снимков (плюс 2 сменных 80 гигабайтных диска). Близкой по характеристикам является камера DiMAC (Digital Modular Aerial Camera) с матрицей 5440 x 4080 пикселей. Эти камеры основаны на известных и хорошо проверенных технологиях фирм KODAK, ROLLEI, PHASE ONE, Applanix и других, снабжаются при поставке системами планирования полетом, системами позиционирования POS/AV. Эти камеры позиционируются производителями как устройства для съемок линейных и небольших по размерам площадных объектов.

Интересным способом получения цифровых изображений большого размера является использование светочувствительной линейки, а не матрицы. Этот способ широко используется при съемке из космоса. Фирма Leica применила этот способ в цифровой камере ADS40.

За объективом камеры ADS40 расположены 7 ПЗС линеек - 3 панхроматические, направленные вперед, назад и в надир, и 4 линейки, снимающие в красном, синем, зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах. Линейки имеют размер 12000 пикселей. В отличие от матричных камер, в ADS40, изображение получается за счет сканирования (движения) над местностью. Получаемые сканирующей системой изображения геометрически существенно отличаются как от кадровых систем, так и от космических сканерных систем. Значительные механические возмущения движения носителя, вибрация приводят к необходимости геометрической коррекции изображения перед фотограмметрической обработкой. Отметим, что близкие подходы использованы в цифровых камерах ЦТК-140 и ЦМК-70, разработанных АНО «Космос-НТ» и ИКИ РАН

При использовании цифровых снимков в ЦФС отсутствует необходимость в процедуре опознавания координатных меток и проведении внутреннего ориентирования, т.к. цифровые аэрофотоснимки уже фактически содержат в себе параметры внутреннего ориентирования [15].

В настоящее время в качестве воздушных лазерных сканеров широко используется семейство аэросъемочных систем лазерного картографирования класса ALTM (Приложение Б). Они обладают следующими возможностями:

фиксация интенсивности отраженного сигнала (возможность работы в ночное время);

регистрация до 4 отражений одного посланного импульса (возможность разделения верха растительности и поверхности земли);

самая высокая производительность из коммерчески доступных на сегодняшний день систем лазерного картографирования (например, производительность авиационного лазерного локатора ALTM 3100 - до 1000 кв.км. за один рабочий день);

интегрируемость с цифровыми камерами, гиперспектральными сенсорами, регистраторами формы волны импульса для получения новых комплексных типов данных;

возможность использования с приемниками GPS и GPS/GLONASS различных производителей;

наличие согласованной схемы установки на отечественные летательные аппараты;

адаптация к российским условиям;

высокая экономическая эффективность использования в тех условиях, когда применение других методов крайне затруднительно, невозможно или ограничено сезонными факторами (безориентирная местность, сплошная листва, очень «плоский» рельеф и т.д.);

высокопроизводительное программное обеспечение для предварительной обработки лидарных данных DASHMap со встроенным 3D просмотром для визуализации и вывода XYZI данных;

навигационное программное обеспечение ALTM-NAV с возможностью использования цифровых моделей рельефа (ЦМР) при планировании, отображением в реальном времени снимаемой территории, с прямым экспортом результатов в Googletm Earth и другие приложения.

Авиационные лазерные сканеры применяются для:

крупномасштабного топографического картографирования площадных и линейных объектов в масштабах 1:500, 1: 1000, 1:2000 и мельче.

создания цифровых моделей сложных инженерных объектов, нефте- и газопроводов, технологических площадок, зданий и сооружений и т.п., мониторинг их состояния.

землеустроительных работ (получение истинного рельефа (поверхность земли) - даже под кронами деревьев (в лесу), построение ЦМР);

оценки объемов горной выработки, снежной массы, прогнозирования лавинной опасности и т.п.

мониторинга процессов эрозии береговой линии, прогнозирования зон затопления и т.п.

обследования ЛЭП и других объектов сетевого хозяйства (в том числе - электрических подстанций), создания 3-х мерных моделей ЛЭП и других объектов в полосе отчуждения, оценки состояния растительности, определения мест возможных замыканий, изготовления фотокарт полосы отчуждения;

проектирования, строительства и реконструкции линейных и площадных объектов;

инвентаризации постановки на учет объектов земельно-имущественного комплекса;

картографирования городских территорий, создания 3-х мерных моделей рельефа, зданий и сооружений, объектов гидрографии и др., моделирования перспективного развития, проектирования и строительства новых объектов, создания ГИС и т.п.;

выполнения изысканий вдоль трасс проектируемых автомобильных и железных дорог, их строительства и реконструкции, определения объемов земляных работ, технико-экономической экспертизы проектов, кадастра.

таксации леса, определения объема биомассы, количества деревьев, их распределения по породам и высотам и т.п.

быстрой и безопасной съемки заповедных территорий;

экологических исследований, в том числе - мониторинга чрезвычайных ситуаций и др.

проведения аэротопографических съемок в безориентированной местности (полностью заснеженные территории,тундра, пустыни, песчаные пляжи) [16].

Существуют различные аэросъемочные комплексы, типовым представителем которых является гиперспектральный авиационный сканер CASI-550 производства канадской компании ITRES. Он представляет собой второе поколение сенсоров этого типа, работает в видимом и ближнем ИК диапазонах (VNIR) и входит в набор авиационных сенсоров дистанционного зондирования, включающий гиперспектральные сканеры видимого и ближнего ИК-диапазона (VNIR), коротковолнового ИК-диапазона (SWIR), средневолнового ИК-диапазона (MWIR) и теплового ИК-диапазона (TIR).

Гиперспектральный авиационный сканер CASI-550 предназначен для дистанционного обследования земной поверхности с борта летательного аппарата путем измерения интенсивности отраженного излучения в заданном спектральном диапазоне (видимый, ближний ИК). Каждый пиксель полученного изображения содержит одновременно как пространственную, так и спектральную информацию об обследуемой сцене.

Данный тип сканера позволяет обнаруживать объекты по их физико-химическому составу, в том числе идентифицировать:

виды землепользования

состояние растительного покрова (оценивать содержание хлорофилла, наличие коричневого пигмента листьев, вегетационный индекс LAI)

геологическую структуру и типы минералов

химический состав пленки загрязнения на поверхности воды и т.п.

Сенсор сканера содержит в себе фоточувствительную матрицу эффективного размера 550 х 288 пикселей. Входной поток излучения разлагается на компоненты по длине волны. Для каждого диапазона длин волн отведены определенные строки матрицы. Эти данные оцифровываются и записываются на жесткий диск. Диск устанавливается в единый блок питания, накопления информации и управления. Для пространственной привязки данных съемки используется инерциально-навигационная система NovAtel SPAN FSAS или Applanix POS AV. При совместной послеполетной обработке данных инерциально-навигационной части системы и сенсора - каждый пиксель изображения получает свои географические координаты для дальнейшего использования, например в ГИС [17].

Аэросъемочные работы могут проводиться различными подходами:

параллельный сбор геопространственных данных;

последовательный сбор геопространственных данных.

Как именно осуществляется сбор данных, параллельно или последовательно, не имеет принципиального значения (Приложение Б).

Технология, методология и инструментальная база проведения аэросъемки за последние 10 лет претерпели существенные, часто революционные, изменения.

Переход от фотографических к цифровым оптико-электронным методам в аэросъемке в сочетании с современными методами определения местоположения летательных объектов позволяет создать новую технологию оперативного мониторинга и картирования земной поверхности, которая позволит сократить затраты и время на изготовление новой картографической и тематической продукции.

Авиационные методы дистанционного зондирования земной поверхности традиционно являются основными при получении исходной информации для крупномасштабного картографирования, решения ряда задач, требующих высокой детальности и точности географической привязки объектов, а также возможностей получения стерео и многозональных изображений.

Рисунок 3 - Комплекс БЛА «Иркутск 850»

2.2 Космические съемочные системы

Космические методы дистанционного зондирования земной поверхности в видимой и ближней инфракрасной зонах электромагнитного спектра уже прочно вошли в технологическую цепочку получения оперативной пространственной информации для создания и обновления карт мелких масштабов и контроля состояния окружающей среды.

Сделаем краткий экскурс в ближайшую историю космических съемочных систем.

Спутник IKONOS запущен 24 сентября 1999 года на синхронно-солнечную орбиту с периодом обращения 98 минут на высоту приблизительно 680 километров. Время прохождения одной и той же территории 10:30 ежедневно. Спутник IKONOS может обеспечивать съемку заданной местности с периодом в 3 дня.

Система IKONOS обеспечивает динамический диапазон данных 11 бит. Так как сенсоры системы могут обеспечивать 1-метровые панхроматические и 4-метровые мультиспектральные снимки с отклонением от надира до 60 градусов по любому азимуту, то стерео возможности обеспечиваются как вдоль, так и поперек траектории

Спутник QuickBird-2 предназначается для съемки поверхности Земли с разрешением 60 см в черно-белом режиме и 2,5 м в мультиспектральном режиме, что уже сравнимо с характеристиками снимков цифровых аэросъемочных комплексов.

Для обработки как одиночных снимков, так и стереопар используется модель рациональных полиномиальных коэффициентов (Rational polynomial coefficients - RPC). Точность обработки одиночных снимков системой Photomod до 0.6м (СКО), система ENVI - до 1 м (СКО).

Монитор-Э был создан Российским Космическим Агентством Роскосмос, на основе малых спутников, разработанных Государственным исследовательским центром имени Хруничева. Монитор-Э являлся первым спутником на основе модульной многоцелевой платформы «Яхта», предназначенной для использования в областях дистанционного зондирования, коммуникаций, космических исследований (в настоящее время аппарат выведен из эксплуатации).

Важной особенностью 2007-2010 гг. является рост числа запусков космических объектов с радиолокаторами высокого разрешения. Радиолокационные изображения могут быть получены независимо от метеоусловий и освещенности в районе цели и позволяют выполнять заявки на съемку в течение нескольких суток. Кроме того, космические радиолокационные изображения дают возможность создавать цифровые модели рельефа, а специальные технологии интерферометрической съемки - определять незначительные подвижки грунта.

Учитывая, что существующие радиолокационные космические системы RADARSAT-1 (Канада), ERS-2, ENVISAT-1 (оба - ESA) и ALOS (Япония) обеспечивают разрешение на местности не лучше 8 м, что не отвечает современным требованиям. 15 июня 2007 г. был запущен гражданский спутник TerraSAR-X, который обеспечил радарную съемку с разрешением 1 м. По силе воздействия на рынок геоинформатики это событие можно сравнить с появлением в свое время на орбите КА IKONOS-2 с оптической аппаратурой метрового разрешения.

Радиолокационные изображения с разрешением до 1 м близки по качеству к высокодетальным оптическим снимкам, но при этом могут быть получены при любых метеоусловиях и освещенности в районе цели. По данным российских компаний-операторов, результаты оптической съемки объектов в средней полосе России заказчикам приходится ждать от недели до месяца, в то время как радиолокационная аппаратура позволит выполнить заявки в течение нескольких суток после заказа. Кроме того, космические радиолокационные изображения дают возможность формировать цифровые модели рельефа для создания топографических карт обширных территорий, что крайне важно для России с устаревшим фондом карт.

Радиолокационные изображения дополняют снимки, полученные в видимом и инфракрасном диапазонах, повышая объем доступной информации и ее достоверность. С появлением радарных космических систем с сопоставимым системам видимого диапазона разрешением возможности дистанционного зондирования Земли из космоса многократно возрастают. Вывод в космос орбитальных группировок из нескольких спутников, таких как SAR-Lupe и COSMO-Skymed, значительно повышает оперативность съемки. Правда, КА SAR-Lupe и COSMO-Skymed не относятся к коммерческим проектам.

Радарные снимки являются чрезвычайно удобным и эффективным источником получения детальной, точной и всеобъемлющей информации о рельефе местности, намного более удобным и экономичным, чем космические стереоизображения или аэрофотоснимки.

Специальные технологии интерферометрической съемки позволяют определять незначительные подвижки грунта - эти данные могут быть использованы для контроля состояния трубопроводов, обнаружения нелегальных врезок в нефтегазопроводы и оценки сейсмоопасности.

Интерферометрия комбинирует комплексные изображения, зафиксированные антеннами под различными углами наблюдения или в разное время. По результатам сравнения двух снимков одного и того же участка местности получают интерферограмму, представляющую собой сеть цветных полос, ширина которых соответствует разности фаз по обеим экспозициям. Благодаря высокой частоте излучения подвижки регистрируются с сантиметровой точностью. Все данные предоставляются в цифровом виде, что обеспечивает объективность и однозначность интерпретации.

Интерферометрия может рассматриваться в качестве альтернативы традиционной стереофотографической технологии для создания топографических карт.

Наиболее простой способ оценки смещений состоит в сравнении пары разновременных спутниковых изображений. Две интерферограммы позволяют выявить любые изменения, произошедшие на поверхности Земли (оползни, предвестники землетрясений), а также по колебаниям характеристик радиосигналов отследить смену влажности почвы (проблемы подтопления).

Для получения достоверных результатов необходимо соблюдение ряда условий, например, выведение спутника для повторной экспозиции в область космического пространства, близкую к первой экспозиции; один сезон съемки (хоть и в разные годы) для сходного состояния отражающей поверхности (растительный покров, гидрогеологические условия). Эти проблемы в большей мере решаются с помощью тандема спутников, которые перемещаются по одним и тем же орбитам с интервалом пролета 24 ч.

Решаемые задачи спутником TerraSAR-Х

создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:10 000;

создание ЦМР и ЦММ высокой точности (2-4 м по высоте) ;

высокоточное наблюдение за состоянием инфраструктурных сетей (трубопроводы, железные дороги, телекоммуникации);

оценка сейсмической опасности, прогнозирование землетрясений, извержений вулканов;

всепогодное наблюдение за природными и антропогенными катастрофами (половодья, аварии);

контроль береговых зон и наблюдение за судами;

картирование сельскохозяйственных культур, определение состояния посевов, точное сельское хозяйство;

картирование древостоев, определение породного состава без наземных исследований, мониторинг вырубок и состояния лесов;

контроль и управление городской средой;

задачи обеспечения обороны и безопасности.

Космическая информация со спутника TerraSAR-X (Рис 3) нашла применение при картографировании, планировании городской застройки, ликвидации последствий стихийных бедствий, в транспортном строительстве, сельском и лесном хозяйстве. Кроме всепогодности и независимости от уровня освещенности, характерных для всех радарных сенсоров космического базирования, достоинствами данной съемочной программы являются самое высокое на сегодняшний день пространственное разрешение снимков среди существующих гражданских систем радиолокационного ДЗЗ и революционный механизм съемки с переменной поляризацией. TerraSAR-X способен получать данные разрешением до 25 см независимо от погодных условий и освещенности.

Рисунок 4 - Спутник TerraSAR-X

X - является точной копией спутника TerraSAR-X. Данный космический аппарат предназначен для создания глобальной цифровой модели высот повышенной точности. Оба спутника находятся на расстоянии 150 метров друг от друга и образуют радарный интерферометр. Таким образом были получены 3-х мерные снимки объектов на земной поверхности. Спутник вести съёмку в 3-х режимах: прожекторный с разрешением 1-2 м и шириной полосы обзора от 463 до 622 км, маршрутный с разрешением 3 м и шириной полосы обзора от 287 до 622 км и обзорный с разрешением 16 метров и шириной полосы обзора от 287 до 577 км. Был выведен на орбиту 21 июня 2010 года российской конверсионной ракетой носителем Днепр с площадки №109 космодрома Байконур.

декабря 2014 года в 20:55 по киевскому времени с космодрома Байконур была запущена ракета-носитель среднего класса «Союз-2.1б» со спутником дистанционного зондирования Земли «Ресурс-П» №2.

Это второй спутник из космической системы «Ресурс-П», который предназначен для предоставления космических снимков высокого разрешения для пограничной службы России, министерства чрезвычайных ситуаций России, Росреестра, Минсельхоза, Росгидромета и других потребителей. «Ресурс-П» №2 создан конструкторским бюро «ЦСКБ-Прогресс» на базе спутниковой платформы «Янтарь» и оснащен двумя солнечными батареями.

Рисунок 5 - Спутник «Ресурс-П» №2

Спутник «Ресурс-П» №2 выполняет сьемку поверхности Земли с помощью следующей аппаратуры: - Широкозахватной мультиспектральной камеры высокого и среднего разрешения; - Оптико-электронной аппаратуры высокого разрешения «Геотон-Л1»; - Гиперспектральной аппаратуры.

Космический аппарат «Ресурс-П» №2 способен выполнять сьемку земной поверхности с следующим разрешением на местности:

до 1 метра в панхроматическом и 3-4 метра в мультиспектральном режиме с полосой захвата 38 км с помощью оптико-электронной аппаратуры высокого разрешения «Геотон-Л1»;

до 12 метров в панхроматическом и 24 метра в мультиспектральном режиме с полосой захвата 97 км с помощью широкозахватной мультиспектральной камеры высокого разрешения;

до 60 метров в панхроматическом и 120 метра в мультиспектральном режиме с полосой захвата 441 км с помощью широкозахватной мультиспектральной камеры среднего разрешения;

до 30 метров в спектральном диапазоне длин волн 0.4-1.1 мкм с полосой захвата 25 км с помощью гиперспектральной аппаратуры.

Согласно сообщению генерального директора Ракетно-космического центра «Прогресс» (г.Самара) Александра Кирилина, первый российский гражданский радиолокационный спутник полетит в космос в 2017 году. Спутник Обзор-Р, работающий в Х-диапазоне и имея пространственное разрешение около 1 метра, будет выполнять задачи дистанционного зондирования Земли сугубо для гражданского сектора.

Итак, в космической съемочной технике наибольшее развитие получили оптико-электронные технологии, обеспечивающие, по сравнению с фотографическими методами, оперативную передачу на Землю цифровых потоков видеоинформации, лучшее геометрическое разрешение и более широкий спектральный диапазон измерений. Цифровые методы обработки пространственных данных также являются более технологичными, что обуславливает все более активное их использование и при обработке аналоговых фотоматериалов.

2.3 Наземные системы дистанционного зондирования

Устойчивое развитие ставит перед геодезическим обеспечением задачи, которые обусловливают необходимость новых функций в составе геодезического информационного обеспечения. С другой стороны, современные возможности научно-технического прогресса предоставляют новые средства для осуществления геодезического информационного обеспечения. К ним относятся: компьютеры, спутниковое определение пространственного положения, дистанционное зондирование Земли, изучение пространства сканерными методами, ГИС, СУБД и др.

Новые функции и средства обусловливают, наряду с совершенствованием существующих, разработку новых технологий геодезического информационного обеспечения:

создания и ведения координатно-временных спутниковых систем;

сбора геоинформации в цифровой форме;

создания и ведения геоинформационного пространства;

геоинформационного моделирования;

геоинформационного картографирования;

пространственно-временного анализа и проектирования.

Концепция геодезического информационного обеспечения базируется на целевой ориентации процесса информационного обеспечения экономики и общества на пространственные свойства территории. При этом в качестве средства геодезического информационного обеспечения (субъекта деятельности) предлагается геодезическая пространственная информационная система (ГПИС), базирующаяся на современных средствах производства геодезических работ, компьютерной обработки данных и геоинформационных технологиях.

Геодезическая пространственная информационная система обеспечивает получение, сбор, обработку, интеграцию, хранение, мониторинг, доступ, моделирование, анализ, использование, распространение и визуализацию геоинформации и её производных с использованием аппаратно-программных человеко-машинных комплексов.

Системное представление геодезического информационного обеспечения показывает, что его основной результирующей функцией является подготовка пространственных решений (Fr). Этот процесс базируется на результатах пространственного анализа территории (Fa), для которого необходимы соответствующие модели, поэтому третьей функцией является моделирование территории (Fm). Однако для моделирования необходимы исходные данные, поэтому четвертой функцией является сбор данных (или изучение территории), а пятой функцией - подготовка геоинформации (Fs и F,). Наконец, для контроля и восприятия человеком результатов пространственного анализа необходима шестая функция - визуализация (Fv). Создание цифровых карт (Fc) является дополнительной, седьмой функцией, предшествующей визуализации и обеспечивающей её реализацию [21].

Цифровое картографирование местности включает три укрупненных технологических процесса:

получение геопространственных данных о местоположении и о свойствах (характеристиках) объектов территории, т. е. топографической геоинформации;

формирование пространственных топографических объектов территории (ЦММ) и компьютерных картографических моделей (цифровых топографических карт - ЦТК), а также заполнение баз данных геоинформационного пространства;

регулярное обновление геоинформационного пространства (мониторинг) с целью обеспечения максимально возможного соответствия его информационного содержания состоянию территории.

К числу совершенно новых технологий можно отнести технологию наземного лазерного сканирования. Высокая скорость работы, небывалый уровень автоматизации сбора данных, позволяют говорить о том, что лазерное сканирование имеет большое будущее.

Суть самого процесса наземного лазерного сканирования заключается в определении пространственных координат точек поверхности объекта. Это реализуется посредством измерения расстояния до всех определяемых точек с помощью лазерного безотражательного дальномера [20].

При каждом измерении луч дальномера отклоняется от своего предыдущего положения так, чтобы пройти через узел некой мнимой нормальной сетки, называемой еще сканирующей матрицей. Количество строк и столбцов матрицы может регулироваться. Чем выше плотность точек матрицы, тем выше плотность точек на поверхности объекта. Измерения производятся с очень высокой скоростью - тысячи, а порой и десятки тысяч измерений в секунду.тали широко использоваться лазерные дальномеры. Эти приборы пришли на смену обычным рулеткам, поэтому их часто называют лазерными рулетками. Теперь измерить расстояние с высокой точностью можно одним нажатием клавиши дальномера. При этом рулетка позволяет производить дополнительные вычисления, например, вычисления площади и объема.

На смену оптическим теодолитам приходят электронные теодолиты, значительно повышающие удобство работы. При использовании электронных теодолитов проще исключить человеческий фактор - ошибку при снятии отсчета - значения углов выводятся на дисплей прибора.

Наряду с оптическими нивелирами все шире используются лазерные нивелиры и цифровые нивелиры [23]. Оптические и цифровые нивелиры, как правило, предназначены для использования специально подготовленными исполнителями, представляющими суть процесса и имеющими определенные профессиональные навыки. Лазерные нивелиры, напротив, созданы для того, чтобы ими мог пользоваться любой человек для решения самых различных задач. Уровень автоматизации и наглядность работы лазерных нивелиров, таковы, что их использование в большинстве случаев не требует специальной подготовки.

Кроме того, говоря о наземных съемочных системах, нельзя не упомянуть о тепловизионных средствах наблюдения. В настоящее время они применяются во многих областях жизни для предупреждения незаконного проникновения объектов на контролируемую территорию;
поисково-спасательных операции, связанные с катастрофами, авариями и поиском людей, техники в труднодоступных местах и других.
В тепловидении используется источник информации, недоступный невооруженному глазу человека. Это собственное излучение нагретых тел, независящее от уровня освещенности и времени суток. Данное излучение обрабатывается и преобразовывается в видимое изображение.

В сравнении с традиционными приборами наблюдения тепловизионные средства наблюдения обладают такими преимуществами, как возможностю круглосуточного наблюдения (причем в темное время суток дальность видения увеличивается), пассивным принципом работы, обнаружением следов транспортных средств, возможностью распознавания малых объектов на фоне больших и средних.

Изображения, получаемые с помощью тепловых съемочных систем, используют в целях картографирования подземных коммуникаций, выявления техногенных нарушений сооружений (нефте- и газопроводов, теплосетей, зданий и т.п.) и изучение негативных экологических процессов (определение загрязнения почв нефтепродуктами, засоления почв, зон подтопления)[24].

В качестве новой цели геодезического обеспечения устойчивого развития территорий выступает потребность в интегрировании в единой координатно-временной системе геоинформации различных отраслей экономики в общее информационное пространство, построенное на единой идеологии, единых принципах и удовлетворяющее единым требованиям.

Современное геодезическое обеспечение должно удовлетворять новым целям, условиям и требованиям: во-первых, быть основой для взаимной увязки и совместного использования множества природных и экологаческих пространственных характеристик и, во-вторых, позволять сохранять и сопоставлять модели состояний территории современных и пропитых периодов. Кроме того, обязательным является требование представлять результаты в цифровой форме, обеспечивающей компьютерный анализ и геоинформационную обработку данных.

3. ПРИМЕНЕНИЕ АЭРО- И КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК ПРИ МОНИТОРИНГЕ ОБЪЕКТОВ НАСЕЛЕННОГО ПУНКТА

Мониторинг - это комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений ее состояния под воздействием природных и антропогенных факторов. Мониторинг предполагает процесс систематического или непрерывного сбора информации о параметрах окружающей среды для определения тенденций их изменения. Мониторинг можно проводить с помощью сети стационарных пунктов, однако наблюдения на отдельных точках или профилях не всегда отражают пространственные изменения. Поэтому использование аэро- и космических снимков является необходимым условием проведения регулярных наблюдений за современным состоянием систем. Сравнение их с результатами съемок, выполненных в прошлые десятилетия, позволяет точно зафиксировать произошедшие изменения.

Давно и неоднократно было доказано, что использование оперативной глобальной космической информации позволяет успешно осуществлять мониторинг как быстро протекающих (пожары, наводнения), так и протекающих достаточно медленно процессов (зарастание вырубок и гарей, пересыхание водоемов), охватывающих большие территории [25].

Авиационный мониторинг осуществляют с самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов (включая парящие воздушные шары и т.п.), не поднимающихся на космические высоты (в основном из пределов тропосферы).

Космический мониторинг - мониторинг с помощью космических средств наблюдения [26]

Применение космических материалов при проведении мониторинга сводится к сопоставлению разновременных данных для выявления как короткопериодических, так и многолетних изменений. Основные методические приемы совместного анализа включают, во-первых, сопоставление разновременных снимков и результатов их обработки, во-вторых, карт, составленных по разновременным съемочным данным, и в-третьих, архивных карт и снимков [25].

Рисунок 6 - Общий КПТ

Мониторинг развития инфраструктуры и землепользования в населенных пунктах необходим для оценки численности населения, планирования направлений развития и расширения города, выявления существующих и потенциальных зон экологических нарушений.

В области слежения за развитием инфраструктуры города и региона можно выделить следующие задачи, решаемые при помощи методов дистанционного зондирования:

изменение территорий, занятых городами, населенными пунктами, промышленными зонами, их состояние;

экологический мониторинг, выявление зон экологических нарушений (загрязнение почвы, атмосферы, водоемов);

слежение за восстановлением нарушенных природных ландшафтов в результате их промышленного использования;

мониторинг отдельных объектов городской инфраструктуры (дороги, мосты, промышленные объекты);

выявление объектов размещения отходов производства и потребления (рис.2);

определение состояния объектов недропользования;

городское планирование, строительство, транспорт, жилищно-коммунальное хозяйство;

кадастровые работы;

региональная картография [27].

Рисунок 7 - Несанкционированные свалки мусора

При осуществлении муниципального земельного контроля органом местного самоуправления ответственные структурные подразделения обязаны проверить каждый земельный участок, в частности, для подтверждения:

соблюдения порядка, исключающего самовольное занятие земельных участков или их использование без оформленных в установленном порядке документов, удостоверяющих право на землю, за исключением индивидуальных жилых домов;

своевременного освоения земельных участков, если соответствующие сроки установлены договорами землепользования либо актами о предоставлении земельных участков;

использования земель по целевому назначению, выполнения установленных требований и обязательных мероприятий по улучшению земель и охране почв от ветровой, водной эрозии и предотвращению иных процессов, ухудшающих качественное состояние земель.

Очевидно, что в крупном городе, учитывая тенденцию к увеличению темпов строительства, осуществление плановых проверок в полном объёме должно проводиться с использованием современных технологий.

Например, при анализе изменений города Иркутска были использованы снимки EROS В с пространственным разрешением 0,7 м. В ходе изучения выявились изменения территории, которые включали участки не только нового строительства (Приложение Г), но также изменения городских и прилегающих территорий, изменение береговой линии водных объектов (Приложение Д).

На всей площади исследования (более 360 кв. км.) было выявлено 1262 объекта, претерпевших те или иные изменения в течении лета 2008 г. Из них в частности: появление нового строения - 515; новый строительный участок - 218; изменения состояния строящихся объектов - 145; снос здания - 34; изменение состояния местности - 37; изменение береговой линии - 2 [28].

Данные дистанционного зондирования предоставляют объективную, оперативную и многоцелевую информацию о состоянии окружающей среды.

Космический экологический мониторинг перспективен для выявления изменений в состоянии окружающей среды урбанизированных территорий. Спутниковый мониторинг геофизических полей в видимом и инфракрасном диапазонах спектра позволяет контролировать состояние атмосферы над городом, обнаруживать техногенные выбросы промышленных предприятий и устанавливать зоны негативного влияния мегаполиса на прилегающие лесопарковые зоны.

Возникающие вблизи городов пожары могут сильно влиять на экологическую обстановку в городе за счет насыщения воздуха углекислым газом и продуктами горения, в отдельных случаях вызывать острый дефицит кислорода. Программное обеспечение, разработанное для нужд МЧС России, позволяет выявлять очаги пожаров (для торфяных пожаров до возникновения дымовых шлейфов), осуществлять географическую привязку и использовать возможности современных геоинформационных систем для принятия решений. При возникновении крупных техногенных пожаров в черте города, наблюдения со спутника позволяют визуализировать район загрязнения опасными химическими веществами [29].

Компания Google и российское подразделение Greenpeace в 2008 году разработали электронную экологическую карту Москвы. При составлении карты использовались данные Росгидромета и Мосэкомониторинга. Теперь любой желающий житель столицы может проверить, насколько опасен для здоровья район, в котором он проживает. На карте наглядно демонстрируются наиболее загрязняющие атмосферу предприятия столицы, а также санитарно-защитные зоны вокруг них, в которых нельзя строить жилые дома, детские сады и площадки для отдыха.

В зону риска попадают проживающие рядом со всеми столичными ТЭЦ, Московским нефтеперерабатывающим заводом, заводом «ЗИЛ», действующими мусоросжигательными заводами. Радиусы санитарных зон вокруг предприятий, выбрасывающих в воздух окислы серы, азота, бензопирен и прочие опасные химические вещества, варьируются от 300 м до 1 км.

Рисунок 8 - Фрагмент экологической электронной карты

В случае с мусоросжигательными заводами радиус достигает 1,5 и даже 24 км, поскольку выбросы от сжигания мусора содержат диоксины и еще около тысячи опасных соединений, многие из которых до конца не изучены [30].

Сущность и назначение мониторинга и прогнозирования - в наблюдении, контроле и предвидении опасных процессов и явлений природы, техносферы, внешних дестабилизирующих факторов, являющихся источниками чрезвычайных ситуаций, а также динамики развития чрезвычайных ситуаций, определения их масштабов в целях решения задач предупреждения и организации ликвидации бедствий.

Прогноз возникновения и развития стихийных природных и техногенных явлений на Земле приобретает в настоящее время все большую актуальность. Наиболее распространенными и опасными стихийными природными явлениями являются землетрясения, цунами, извержения вулканов, оползни, наводнения, штормы

Съёмка Земли из космоса для решения задач мониторинга, контроля и предотвращения чрезвычайных ситуаций обладает неоспоримыми преимуществами перед альтернативными способами получения геопространственной информации.

Масштабные природные катастрофы наряду с массовой гибелью людей вызывают разрушение транспортной и телекоммуникационной инфраструктуры, парализуют деятельность органов управления и силовых структур, что в большинстве случаев не позволяет на местах адекватно оценивать обстановку и принимать своевременные и обоснованные решения. Технологии спутниковой съёмки, напротив, обеспечивают получение в сжатые сроки объективной информации о масштабах и последствиях чрезвычайных ситуаций, необходимой для дальнейшего планирования спасательных и гуманитарных операций (рис. 3). В то же время нарастает необходимость применения космосъемки не только при мониторинге и контроле чрезвычайных ситуаций, но и для прогнозирования опасных природных и техногенных катастроф.

На рисунке 4 изображены детальные спутниковые снимки IKONOS территории Японии, в северо-восточных частях которой 11 марта 2011 произошла серия подземных толчков.

Современные космические и геоинформационные технологии позволяют существенно повышать качество и оперативность решения как повседневных, так и стратегических задач [31].

Рисунок 9 - Район катастрофы в Японии

На аэрокосмических снимках хорошо дешифрируется загрязнение вокруг крупных инженерных сооружений и коммуникаций. В интерактивном режиме удается выделить участки поверхностного водосбора в зоне водохранилищ, используемых для питьевого водоснабжения. Это позволяет установить границы и площади водосборов и давать рекомендации об установлении санитарного моратория.

При дешифрировании состояния атмосферы по цветовым контрастам на экране монитора хорошо устанавливается запыленность и задымленность в близи крупных промышленных объектов и в целом загрязнение воздуха на территории города [26]. Например, по данным космического мониторинга можно определить степень загрязнения атмосферы и окружающей среды в районе города Череповца от промышленного производства, в первую очередь, от сталепрокатного (Приложение Е).

Для выявления участков загрязнения водных объектов промышленными и бытовыми сбросами эффективно проводить дешифрирование тепловых снимков (Приложение Ж). Метод тепловой космической съемки основан на бесконтактном определении температуры объекта земной поверхности или среды по плотности потока излучения в инфракрасном диапазоне длин волн [32].

Спутниковый мониторинг позволяет оценивать состояние и пропускную способность дорог. Особую роль играет космический мониторинг транспортных зон в целях их изучения и диагностики. Выбор трасс для проектирования новых дорог и наблюдение за ходом строительства - не менее важная задача, решаемая с помощью данных дистанционного зондирования земель.

Использование материалов космической съемки высокого разрешения для задач дорожного хозяйства в России до недавнего времени было ограничено. За последние годы космическая информация стала важным компонентом информационного обеспечения автодорожной отрасли, играя порой незаменимую роль в оперативной оценке дорожной обстановки в труднодоступных районах страны.

Основными перспективными направлениями применения материалов космической съемки в дорожном хозяйстве являются контроль объемов, сроков и видов выполнения работ по строительству и ремонту дорожных объектов.

Спутниковая информация широко применяется для территориального планирования и градостроительного зонирования. Определение функциональных зон и их градация, выявление несанкционированных застроек, изменения планировки населённых пунктов, оценка густоты застройки и озеленённости городов (рис. 10) и многие другие задачи также входят в этот перечень [33].

зондирование космический съемка мониторинг

Рисунок 10 - Изображение растительности на фоне городской застройки

Одной из проблем, стоящих в настоящее время перед жилищно-коммунальным комплексом, является сильная изношенность подземных сетей теплоснабжения.

Проведение оперативной общей диагностики с помощью тепловой аэросъёмки даст возможность целенаправленно использовать имеющиеся ограниченные финансовые ресурсы на ремонт и замену теплосетей.

Основной задачей выполнения работ является температурный мониторинг тепловых сетей с целью оценки состояния сетей, уточнения их топологии, обнаружения тепловых аномалий в местах неудовлетворительной изоляции и утечек теплоносителя.

С использованием тепловой аэросъемки эту информацию можно получить в сжатые сроки, при этом она может служить целеуказанием для выполнения дополнительного наземного обследования.

Тепловая съемка сканирующим тепловизором с авиационного носителя дает большую полосу захвата и позволяет выполнить площадную съемку на всю территорию распределения коммуникаций.

Одновременно с тепловой съемкой ведется регистрация изображения линейной цифровой системы в видимом диапазоне.

Совместное дешифрирование изображений в тепловом и видимом диапазонах повышает достоверность получаемых данных. Информация может представляется заказчику в следующем виде:

тепловая растровая карта в заданной системе координат;

векторные карты теплосетей;

векторные карты аномалий;

каталог аномалий в виде базы данных MS Access c формой поиска.

Выходные форматы растровых и векторных данных поддерживаются ГИС (Zulu, ArcGIS, MapInfo).

Тепловая карта позволяет работать с материалом как с обычной картой в бумажном или электронном виде: легко ориентироваться, делать промеры, использовать в качестве растровой подложки ГИС для обновления информации по протяженным и точечным объектам в единой системе координат (рис.11).

Рисунок 11 - Пример тепловой карты

На существующем уровне развития тепловой аэросъёмки дешифрирование ИК изображения для оценки состояния теплотрасс проводится в основном на принципе сравнения их элементов, имеющих «нормальное» и «аномальное» состояние, а также использовании некоторых признаков, свидетельствующих об аномальных теплопотерях.

При соблюдении всех технологических условий строительства и одинаковом типе поверхностного покрытия подземная теплотрасса выделяется на ИК изображении в виде слабой однородной по направлению прокладки и несколько размытой по периферии аномалии с расположенными на ней несколько более интенсивными изометрическими или прямоугольными аномалиями от тепловых камер. Чёткие границы характерны для открытых участков теплотрасс. Очень редко хорошо изолированные теплотрассы не видны на ИК изображении. В подавляющем большинстве случаев из-за различных нарушений при строительстве нормальный трубопровод в пределах одной улицы может изобразиться аномалией разной интенсивности (рис 12).

Рисунок 12 - Участки трубы с разной теплоизоляцией

Участки аномальных теплопотерь из-за нарушений теплоизоляции и с её намоканием, но без заметных утечек теплоносителя, носят локальный характер. При больших утечках теплоносителя наблюдаются различной формы интенсивные аномалии из-за его растекания: протяжённые линейные вдоль трассы при канальной прокладке, овальные при равномерном растекании, различных форм растекания при наличии ослабленных зон вблизи аварии.

Рисунок 13 - Протечка теплоносителя (фрагменты теплового и видеоснимка)

На рисунке 8 изображены примеры обнаружения тепловых аномалий на участках теплосетей [34].

Аэрокосмические средства и методы имеют главнейшее значение для реализации программы создания службы мониторинга окружающей среды, так как именно картографический метод является одним из путей создания глобальной системы мониторинга

Картографирование динамики изменений природной среды, предусматривающее обновление инвентаризационных карт, создание специальных карт динамики и прогноза, т. е. систематическое картографическое слежение за состоянием природной среды и ее изменениями, обусловленными хозяйственной деятельностью людей. Картографический метод создания глобальной системы мониторинга предполагает развертывание работ при обследовании и изучении любой территории в двух основных направлениях:

. создание базовой инвентаризационной картографической документации, отражающей современное состояние и оценку природных ресурсов;

. картографирование динамики изменений природной среды, предусматривающее обновление инвентаризационных карт, создание специальных карт динамики и прогноза, то есть систематическое картографическое слежение за состоянием природной среды и изменениями, обусловленными хозяйственной деятельностью людей.

Масштабы картографического представления и периодичность составления оперативных тематических карт мониторинга во многом зависят от характера использования земель и степени развития природно-территориального комплекса.

Масштабы картографического представления и периодичность составления карт мониторинга природной среды в различных регионах по материалам аэрокосмической съемки приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Масштабы картографического представления и периодичность составления карт мониторинга природной среды в различных регионах

Использование земельСтепень развития территориально-производственного комплексаМасштаб картПериод составленияИнтенсивноеРазвитые со сложной инфраструктурой1:200 000 и крупнееЕжегодноРазвивающиеся1:200 000…5000001 … 3 годаФормирующиеся1:200000…1:5000003 … 5 летЭкстенсивноеСлабая, но естественно высокодинамичные природно-территориальные комплексы1:2000001 … 3 годаСлабая1:500000…1:10000005 … 7 лет и болееОтсутствует (природоохранные зоны)1:200000…1:5000001 … 3 года

Таким образом, основная цель работ по внедрению и развитию методов аэрокосмического мониторинга - совершенствование установления корреляционных связей между оптическими свойствами экологических комплексов (природных и антропогенно измененных), отраженными на аэрокосмических изображениях, и их свойствами в системе различных природных признаков (физической, биологической, химической).

Аэрокосмический мониторинг позволяет одновременно получать объективную информацию и оперативно выполнять картографирование территории практически на любом уровне территориального деления: страна - область - район - группа хозяйств (землепользование) - конкретное сельскохозяйственное угодье - культура [35].

Аэро- и космические материалы, а также результаты их обработки имеют ряд преимуществ, благодаря которым их применяют для решения многочисленных задач:

оперативность получения метрической и смысловой информации об изучаемой территории;

объективность и документальность этой информации, так как при съемке регистрируется фактическое состояние объектов на земной поверхности;

экономическая эффективность получения информации по материалам аэро- и космических съемок;

возможность регулярных наблюдений (особенно по материалам космических съемок) за изменениями, происходящими на изучаемой территории.

Базовые карты и планы составляются на территории сельских и городских населенных пунктах, районов, а также на регионы. Масштаб их зависит от требуемой точности метрических данных и информационной нагрузки, необходимой при решении поставленной задачи. Базовый планово-картографический материал отражает специфику природных особенностей и хозяйственного развития изучаемых территорий. Тематические карты создаются для более детального отображения специальной информации. Базовые карты и планы составляются в сжатые сроки и на них показывается современное состояние компонентов природно-ресурсного и социально-экономического комплексов. Такие карты называются оперативными или дежурными.

Базовые и тематические карты и планы служат:

для межевания, инвентаризации и кадастровой оценки земель различного назначения;

оценки эффективности использования земель городских территорий и других направлений;

обеспечения получения оперативной земельно-кадастровой информации;

проектирования перспективного развития территорий населенных пунктов, городов, промышленных зон, добычи природных ресурсов и т.п.;

выполнения проектно-изыскательских работ при проектировании инженерных коммуникаций. Для подобных целей также используют первичные модели. На аэро- и космические снимки, фотосхемы и ортофотопланы могут быть нанесены проектные направления трубопроводов, линий электропередачи и других линейных объектов;

реконструкции и развития дорожной сети;

выявления и оценки состояния подземных коммуникаций, трубопроводов, линий электропередач, зон подтопления и т. п. При этом информацию получают по материалам нефотографических съемок (тепловых, радиолокационных, лазерных);

информационной поддержки рынка земли и недвижимости и др. [36].

Мониторингу подлежат все земли независимо от категории земель, форм собственности на землю, её целевого назначения и характера использования. В зависимости от территориального охвата различается федеральный, региональный и локальный мониторинги земель.

Рисунок 14 - Прямой КПТ

По материалам аэро- и космических съемок осуществляется мониторинг правового положения земель.(Рис.15) В результате камеральных работ и полевых обследований выявляются изменения границ и площадей административно-территориальных образований, определяется динамика границ кадастрового деления, границ правого режима и площадей территориальных зон, границ участков различных форм собственности, целевого назначения.

Рисунок 15 - Кривой КПТ

В результате полевого дешифрирования материалов съемок осуществляется мониторинг использования земель. На момент дешифрирования устанавливается фактическое использование земель по их производственному назначению. В результате сравнения вновь полученных сведений и старых данных делается заключение об изменениях в целевом использовании, градостроительных объектов, объектов промышленности.

Отображение на материалах аэро- и космических съемок различий в качественных и количественных показателях земель позволяет успешно применять их для мониторинга кадастровой оценки земель (рис.16). Получаемая при этом информация используется при определении рыночной и залоговой стоимости земельных участков, ставок арендной платы, налогообложения и других экономических показателей.

Рисунок 16 - План местности с нанесёнными кадастровыми границами земельных участков

Использование фотографических и нефотографических съемочных систем позволяет получить информацию о границах и площадях нарушенных земель (оврагов, оползней, карьеров, эродированных земель), подтопленных и переувлажненных земель, загрязненных промышленными и бытовыми отходами, тяжелыми металлами, радионуклидами, химикатами. Своевременно представленные сведения используются для характеристики и динамики изучаемых негативных явлений, а также для разработки мероприятий по их ликвидации.

Совершенствование съемочных систем, технологий обработки получаемых изображений на основе развития компьютерной техники и программного обеспечения позволяет значительно расширить круг решаемых задач для целей рационального использования земельных ресурсов. Существуют специализированные пространственные информационные системы для работы с информацией об объектах, явлениях и процессах, имеющих определенное место в координатном пространстве. Такие системы принадлежат к классу географических информационных систем, обозначаемых сокращенно ГИС.

При организации территорий, ведении кадастра и мониторинга земель применяют ГИС, которые представляют собой модель пространственного размещения объектов местности с соответствующей смысловой (атрибутивной) информацией о каждом из них. ГИС представляют собой инструмент для принятия практических решений определенной тематической направленности на основе всеобъемлющей информации, хранящейся в ее среде.

ГИС имеют различную организацию, поэтому круг и сложность решаемых задач также широки и разнообразны.

Получаемые в результате ортофототрансформирования изображения являются основой для создания базовых топографических карт и планов, которые, в свою очередь, представляют в ГИС базу для пространственного размещения информации. Преобразование цифровых изображений можно выполнять не только в прямоугольную систему координат, но и практически в любую из применяемых в картографии. В процессе создания ортофотоизображений программными средствами улучшается качество изображений: проводится выравнивание по оптической плотности, повышается проработка деталей в тенях, изменяются контрастность изображений, цвет изучаемого класса объектов и т.п. Улучшение качества изображения способствует повышению точности фотограмметрической обработки и интерпретации изображений.

ГИС могут быть специального назначения или многофункциональные, применяемые для сбора, анализа информации и составления оптимальных проектов широкого спектра человеческой деятельности [37].

Общая схема использования данных дистанционного зондирования в системах мониторинга и контроля выглядит примерно следующим образом.

) Принимается решение о:

координатной привязке основных объектов учёта;

производится массовый ввод первичных базовых данных;

создаётся и внедряется распределённая ГИС учётного уровня;

разрабатываются положения и административные регламенты, обеспечивающие предоставление и обновление данных в системе.

) Внедряется комплексная система мониторинга объектов и явлений:

на основе космических снимков;

на основе GPS/ГЛОНАСС слежения за подвижными объектами, фотографирования местности и других технологий наземного сбора данных;

приём данных от населения и организаций через геопортал.

) Анализируются мониторинговые данные в ситуационных центрах, запускаются функции «прицельного» выезда на место и составления актов проверок и инспектирования с использованием GPS/ГЛОНАСС навигаторов.

) Производится информирование населения о проведённых мероприятиях через геопортал [32].

Столь широкое применение аэрокосмических съемок и результатов их обработки дает им возможность решать довольно широкий круг задач и позволяет успешно развиваться на современном этапе [37].Материалы аэрокосмических съемок территории города и результаты их обработки востребованы многими городскими организациями, интегрированы в их производственные процессы и широко используются для:

оценки состояния природного комплекса и экологической обстановки в городе, создания и ведения Экологической карты города;

мониторинга динамики изменений состояния окружающей среды территории города;

мониторинга фактического использования земель города и др.

Эти основные целевые задачи дополняет ряд других задач, стоящих перед различными службами и организациями города: мониторинг фактического использования земель, мониторинг улично-дорожной сети и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование средств дистанционного зондирования позволяет получать актуальную, полную и достоверную информацию о состоянии природной среды и о хозяйственной деятельности на любой самой удалённой территории. Для разработки технологии мониторинга городских территорий по космическим снимкам сверхвысокого разрешения автором дипломной работы выполнен ряд исследований:

. произведен анализ современного состояния и тенденций развития процесса обеспечения органов муниципального управления геопространственной информацией, а также определены требования к геопространственной информации, необходимой для решения задач муниципального управления;

. исследованы точность фотограмметрической обработки космических снимков сверхвысокого разрешения и возможность дешифрирования по ним объектов городской инфраструктуры;

. определены особенности фотограмметрической обработки космических снимков при мониторинге городских территорий;

. исследована точность визирования на точки космических снимков сверхвысокого разрешения в зависимости от параметров съемки и типа контура.

Актуальными областями применения космических и авиационных съемочных систем в развитием инфраструктуры города являются:

слежение за восстановлением нарушенных природных ландшафтов в результате их промышленного использования;

изменение территорий, занятых городами, населенными пунктами, промышленными зонами, их состояние;

экологический мониторинг, выявление зон экологических нарушений (загрязнение почвы, атмосферы, водоемов);

мониторинг отдельных объектов городской инфраструктуры (дороги, мосты, промышленные объекты);

выявление объектов размещения отходов производства и потребления;

городское планирование, строительство, транспорт, жилищно-коммунальное хозяйство;

кадастровые работы.

Проанализировав состав задачи дистанционного зондирования объектов населенных пунктов, приведенных в Приложении А, можно выделить следующие основные области применения информации дистанционного зондирования и кратко сформулировать их особенности:

экологический мониторинг за распространением загрязнений во всех трех основных природных сферах (атмосфера, поверхность суши, водная среда), развитием эрозионных и др. процессов деградации природной среды; обнаружение факта и адресная локализация крупных промышленных и иных источников загрязнения окружающей среды; мониторинг крупнейших скоплений промышленных предприятий;

мониторинг чрезвычайных ситуаций, включая оценку масштабов и характера разрушений; прогнозирование землетрясений и других разрушительных природных явлений; оповещение о цунами, наводнениях, селях, химическом и ином заражении местности, лесных пожарах, крупных разливах нефтепродуктов и т.д.;

создание и обновление широкого спектра общегеографических и тематических картографических материалов (топографические карты, карты в цифровом виде, ГИС разного назначения);

информационное обеспечение деятельности по землеустройству, прокладке транспортных магистралей, строительству промышленных объектов и градостроительству, составлению кадастров.

Следует сделать вывод о том, что информация дистанционного зондирования, получаемая в интересах решения вышеперечисленных задач, должна удовлетворять ряду требований к ее параметрам, основными из которых являются следующие:

пространственное разрешение (т.е. разрешение на местности),

радиометрическое разрешение (характеризует число градаций яркости на космических снимках или чувствительность приборов дистанционного зондирования),

количество спектральных каналов или спектральное разрешение,

периодичность обзора (перерывы между повторениями наблюдений одних и тех же местностей),

размах полос захвата.

На основании выполненных исследований предложена и разработана технология проведения мониторинга городских территорий по спутниковым снимкам, в том числе: разработаны три основных варианта технологической схемы проведения мониторинга; разработаны типовые требования к материалам космической съемки, используемой при мониторинге городских территорий, и обоснованы параметры выбора опорных точек для внешнего ориентирования и цифрового ортотрансформирования космических снимков.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Постановление Правительства РФ от 10.06.2005 № 370 (ред. от 28.02.2015) «Об утверждении Положения о планировании космических съемок, приеме, обработке, хранении и распространении данных дистанционного зондирования Земли с космических аппаратов гражданского назначения высокого (менее 2 метров) разрешения»// Собрание законодательства РФ, 20.06.2005, N 25, ст. 2507

.Постановление Правительства РФ от 28.05.2007 № 326 (ред. от 27.11.2014) «О порядке получения, использования и предоставления геопространственной информации»// Собрание законодательства РФ", 04.06.2007, N 23, ст. 2795

.II Международная конференция «Космическая съемка на пике высоких технологий» [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Актуальные экологические проблемы [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Антыпко А.И. Основы дистанционного теплового мониторинга геологической среды городских агломераций. - М.: Недра, 1992. - 15 с.

.Аэросъемка тепловых сетей [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Аэросъемочный комплекс воздушной гиперспектральной съемки CASI 1500 [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Белый, А.В. Мониторинг и охрана городской среды: учебное пособие/ А.В. Белый. - Вологда: ВоГТУ, 2010. - 198 с.

.Буров, М.И. Практикум по фотограмметрии / М.И. Буров, Б.В. Краснополянцев, А.П. Михайлов. - М.: Недра, 1987.

.Виноградов, Б. В. Аэрокосмический мониторинг экосистем/ Б.В. Виноградов. - М.: Наука, 1984. - 320 с.

.Волков, В.И. Фотограмметрия и дешифрирование снимков. Часть 1: Вторичные информационные модели: фотосхемы, стереофотосхемы, фотопланы: Методические указания к выполнению лабораторных работ/ В.И. Волков, Т.Н. Волкова. - Вологда: ВоПИ, 1998.

.Волков, В.И. Фотограмметрия и дешифрирование снимков.Часть 2,3: Использование материалов аэрокосмических съемок для городского кадастра: Методические указания к выполнению лабораторных работ/ В.И. Волков, Т.Н. Волкова.- Вологда: ВоПИ, 1998.

.Востокова, Е.А. Картографирование по космическим снимкам и охрана окружающей среды/ Е.А.Востокова, Л.А.Шевченко, В.А.Сущеня.- М.: Недра, 1982. - 251 с.

.Габрук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. - М.: Изд-во А и Б, 1997. - 269 с.

.Географические информационные системы [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Геодезическое оборудование. Системы лазерные координатно-измерительные сканирующие [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Геостройизыскания [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Гершензон О.Н. Российские космические технологии в сфере космосъемки: реалии и перспективы [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.ГКИНП 09-32-80 Основные положения по аэрофотосъемке, выполняемой для создания и обновления топографических карт и планов. - Введ. 22.04.1980. - М.: Недра,1982.

.Городское планирование и сельское хозяйство [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Ершова Т.В. Аэрокосмический экологический мониторинг мегаполисов с использованием новейших ИКТ в контексте формирования информационного общества [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Зайцев А. Им сверху видно все… [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Классификатор тематических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с использованием материалов дистанционного зондирования Земли// ДЗЗ в транспорте и строительстве. - 20013. - №2. - 40-45.

.Космические снимки в инфраструктуре пространственных данных РФ [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Космический мониторинг для решения экологических задач [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Крюков Ю.А. Учебные и методические материалы. Земельный кадастр как информационное обеспечение рынка недвижимости [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Лабутина, И.А. Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ/ И.А. Лабутина, Е.А. Балдина. - М., 2011. - 88 с.

.Медведев Е.М. Авиационное дистанционное зондирование как важнейший источник геопространственной информации [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Михайлов В.Ф. Спутниковая аппаратура дистанционного зондирования Земли / В. Ф. Михайлов, И. В. Брагин, С. И. Брагин. - М.: Вузовская книга, 2008. - 340 с.

.Михайлов, С.И. Космический мониторинг строительства в Иркутске: современные методы контроля и анализа использования земель// Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. - 2010. - № 6. - 63-64.

.Обзор космических съемочных систем высокого разрешения [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Обиралов, А.И. Практикум по фотограмметрии и дешифрированию снимков / А.И. Обиралов, Я.И. Гебгарт, Н.Д. Ильинский [и др]. - М.: Недра, 2007.

.Обиралов, А.И. Фотограмметрия/ А.И. Обиралов, А.Н. Лимонов, Л.А. Гаврилова; под ред. А.И. Обиралов. - М.: КолосС, 2012. - 400 с.

.Понятие и назначение мониторинга и охраны городских земель [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Поцелуев А.А., Архангельский В.В. Дистанционные методы исследования окружающей среды: Учебное пособие для Вузов. - Томск: Изд-во STT, 2010. - 184 с.

.Савченко, П.А. Аэрокосмические снимки// «Геопрофи». - 2010. - №2. - 23-26.

.Сечин А.Ю. Современные цифровые камеры. Особенности фотограмметрической обработки [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Сивков Ю.В. Мониторинг земель города [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Сизов, А.П. Мониторинг городских земель с элементами их охраны: учеб. пос. / А.П. Сизов. - М.: 2010. - 156 с.

.Следюк Д. Аэрофотосъемка с радиоуправляемых моделей/ Д. Следюк [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Смирнов В.В. Трёхмерная визуализация поверхности земли И ГИС-технологии для моделирования и использования в почвоведении. М.: Экос. 2014. - 260 с.

.Технические средства и методы защиты информации [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">.Условные знаки для топографических планов в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500. - М: Недра, 2015. - 300 с.

.Фостиков, А.А. Аэрофотогеодезические изыскания в сельском хозяйстве/ А.А. Фостиков, Б.Ш. Альтшулер, Р.М. Плоткин [и др.]; под ред. А.А. Фостикова. - М.: Недра,1980.

.Хомич, В.А. Экология городской среды/ В.А. Хомич. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2013. - 240с.

.Чандра А.М. Дистанционное зондирование и географические информационные системы: пер. с англ. / А. М. Чандра, С. К. Гош. - М.: Техносфера, 2008. - 312 с.

.Чернов, А.В. Мониторинг с помощью ДДЗ и практика регионального управления// Земля из космоса. - 2010. - №7. - 19-27.

.Якунина И.В. Методы и приборы контроля окружающей среды. Экологический мониторинг [электронный ресурс] - Режим доступа: #"justify">ПРИЛОЖЕНИЕ

Состав задач мониторинга территорий населенных пунктов и требования к космической информации для их решения

№ п/пОбласти использования космической информации, решаемые задачиТребования к информацииРазрешениеСпектральный диапазонПолоса захвата, обзора, кмГеографический район наблюдения Точность географической привязки, кмОбщая площадь объектов наблюдения, млн. км2Суммарная площадь ежегодных обследований, млн. км2Сезон, периодичность наблюдений Оперативность получения информацииПространственное мРадиометрическое123456789101.1Контроль источников выбросов в атмосферу (дымовых, тепловых, газовых)2-10 30-50 150000.1-0.5% 0.1-0.5 К 256 уровней 0.1-0.50.5-1.1 мкм (4-5 кан.) 10.5-12.5 мкм 0.5-2.5 мкм 2-16 мкм (ИКФС) (Rсп=0.1-0.5 см-1)50 600 20 600 1500Промышленные зоны РФ (выборочно), зоны лесных пожаров 0.05-0.1 км0.5100.5-1 сут 3-6 час1.2Контроль выбросов в водную среду (тепловых, взвесей, нефтепродуктов)2-10 100.1-0.5% -"- -"- 0.1-0.5 К -"- 256 уровней 0.1-0.5 дБ0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 3-5 мкм 8-10.5 мкм 11-12.5 мкм 0.5-1.1 мкм 3-6 см (РСА)50 600 20 600Промышленные зоны РФ (выборочно), зоны ЧС на водных поверхностях0.5100.5-1 сут 3-6 час1234567891.3Контроль загрязнения почв (свалки, протечки нефтепродуктов и др.)2-10 100.1-0.5% -"- -"- 0.1-0.5 К -"- 256 уровней 0.1-0.5 дБ0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 3-5 мкм 8-10.5 мкм 11-12.5 мкм 0.5-1.1 мкм 3-6 см (РСА)50 600 20 600Промышленные зоны РФ (выборочно), зоны аварий на продуктопроводах0.5100.5-1 сут 3-6 час1.4Выдача исходных данных для моделирования экологической ситуации - федеральный уровень - региональный уровень10-100 2-100.1-0.5% -"- 0.1-0.5 К -"-0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 10.5-12.5 мкм -"-200 600 50 200Территории субъектов РФ -"-0.5 -"-10 -"-0.5-1 сут 3-6 час 0.5-1 сут 3-6 час1.5Контроль загрязнения атмосферы городов510-20 нм -"- -"- 1-2 нм0.4-0.5 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-0.9 мкм 2-25 мкм (СРМ)50 600 Крупные промышленные центры РФ0.15 7-10 сут 0.5-1 сут1.6Контроль загрязнения территорий нефтепродуктами3-50.1-0.5% -"- -"- 0.1-0.5 К 0.1-0.5 дБ0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 3-5 мкм 11-12.5 мкм 3-6 см (РСА)50 600 20-30Промзоны, зоны нефтепроводов, зоны аварий транспортных средств0.151-10 сут 3-24 час1.7Создание и обновление топографических карт масштабов: 1:10 000 1:25 000 1:50 000 1:100 000 1:200 000 Стереосъемка1-1.5 2-2.5 3-3.5 4-4.5 5-6До 15% 0.5-1 дБ0.5-0.8 мкм 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-0.9 мкм 3-25 см (РСА)4/600 60/600 100/600 200/600 200/600Территория РФ, стран СНГ и стран дальнего зарубежья5 6 10 20 200.34 2.9 3 3.1 3.12 года/ 1 мес 3 года/ 1 мес 5 лет/ 1 мес123456789101.8Обновление цифровых топографических карт масштабов: 1:10 000 1:25 000 1:50 000 1:100 000 Стереосъемка 1-1.5 2-2.5 3-3.5 4-4.5 -"--"--"- -"--"--"--"-1.9Создание цифровых (электронных или компьютерных) космофотопланов и космофотокарт масштабов: 1:10 000 1:25 000 1:50 000 1:100 000 1:200 000 Стереосъемка1-1.5 2-2.5 3-3.5 4-4.5 5-6-"-0.5-0.8 мкм 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-0.9 мкм 3-25 см (РСА)100 600 Территория РФ, стран СНГ и стран дальнего зарубежья20-254-51 раз в 3-5 лет1.10Выбор участков для проектирования и строительства крупных инженерных сооружений2-5-"--"--"--"--"--"--"-1.11Изучение транспортных зон-"--"--"--"--"--"--"-1 год 1 месяц1.12Оценка состояния и пропускная способность дорог-"--"--"--"--"--"--"--"-1.13Обслуживание географических информационных систем (ГИС) различного назначения на внутреннем рынке0.5-1 1-2 2-5 5-10 0.1-0.5% -"- 0.1-0.5% 0.1-0.2 К 0.5-1 дБ 0.1-0.5% 0.1-0.2 К 256 уровней 0.5-1 дБ0.5-0.7 мкм -"- 0.5-1.1мкм (3-4 кан.) 10-12 мкм 1-20 см (РСА) 0.5-1.1 мкм (3-4 кан.) 10.12 мкм 0.5-1.1 мкм 1-20 см (РСА)30/600 50/600 60/600 60/600 Территория РФ 2-10 км -"- -"- -"- 2-3 3-5 5-7 17.1 5 15 30 50 5 сут-1 год 1-10 сут -"- 5 сут-1 год 0.5-10 сут -"-

Похожие работы на - Использование материалов дистанционного зондирования для мониторинга обьектов населенных пунктов

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!