Использование материалов дистанционного зондирования для мониторинга обьектов населенных пунктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

ВВЕДЕНИЕ

1. МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ

1.1 Объекты мониторинга населенных пунктов

1.2 Сущность и задачи мониторинга

1.3 Информационное обеспечение мониторинга объектов населенных пунктов

1.4 Методы получения информации для мониторинга объектов населенных пунктов

2. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

2.1 Авиационные съемочные системы

2.2 Космические съемочные системы

2.3 Наземные системы дистанционного зондирования

3. 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

1.1 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:

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

2) в их полифункциональности;

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

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

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

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

7) в функциональной взаимозависимости состояния земельных участков друг от друга;

8) 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:

1. Планировку и строительное зонирование города;

2. Загрязнение городом атмосферы, биосферы, гидросферы и литосферы;

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

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

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

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

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

8. Регулирование поверхностного стока, улучшение фильтрации поверхностных осадков;

9. Понижение уровня подземных вод в результате интенсивных откачек;

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

11. Статические нагрузки от поверхностных сооружений;

12. Динамические нагрузки от транспорта, различных механизмов, взрывов;

13. Тепловое воздействие города на атмосферу, литосферу и гидросферу;

14. Техническая мелиорация горных пород;

15. Образование антропогенных отложений (культурный слой);

16. 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:

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

2) эффективностью использования земель;

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

4) динамикой изменения площадей жилой застройки и земель общего пользования;

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

6) 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:

1) систематическое выявление изменений в состоянии земельного фонда;

2) изучение и оценка негативных процессов;

3) обновление банка данных государственного кадастра недвижимости;

4) информационное обеспечение контроля за использованием и охраной земель;

5) информационное обеспечение оценки земель [1].

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

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

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

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

10) 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:

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

2) единство методов и технологий, согласованность ведения мониторинга земель;

3) экономичность и эффективность;

4) взаимная совместимость и сопоставимость разнородных данных;

5) централизованное руководство по единой методике в масштабе России;

6) 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:

1) хранение и поиск режимной информации о состоянии окружающей среды;

2) целенаправленная постоянная обработка и оценка информации;

3) выполнение перманентных прогнозов развития и состояния окружающей среды;

4) 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].



Размещено на http://www.allbest.ru/

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

2.1 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 23Ч23 см (или 18Ч18 см), в результате получаются цифровые изображения размером ~15000Ч15000 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.