Использование материалов дистанционного зондирования для мониторинга обьектов населенных пунктов

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

TanDEM-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.

26 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.

В настоящее время GPS-приемник стал привычным инструментом для геодезистов проводящих топографическую съемку и землеустроительные работы, осуществляющих инженерно-геодезические изыскания и геодезическое обеспечение строительства.

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.

Cтали 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:

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

2. 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 земель	Степень развития территориально-производственного комплекса	Масштаб карт	Период составления
Интенсивное	Развитые со сложной инфраструктурой	1:200 000 и крупнее	Ежегодно
	Развивающиеся	1:200 000…500000	1 … 3 года
	Формирующиеся	1:200000…1:500000	3 … 5 лет
Экстенсивное	Слабая, но естественно высокодинамичные природно-территориальные комплексы	1:200000	1 … 3 года
	Слабая	1:500000…1:1000000	5 … 7 лет и более
	Отсутствует (природоохранные зоны)	1:200000…1:500000	1 … 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.

1) 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.

2) 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.

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

4) 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:

1. 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;

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

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

4. 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

2. 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

3. II Международная конференция «Космическая съемка на пике высоких технологий» [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.konferencii.ru/info/id/573.

4. Актуальные экологические проблемы [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.scanex.ru/ru/monitoring/default.asp

5. Антыпко А.И. Основы дистанционного теплового мониторинга геологической среды городских агломераций. - М.: Недра, 1992. - 15 с.

6. Аэросъемка тепловых сетей [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.airdz.ru /teploseti.html

7. Аэросъемочный комплекс воздушной гиперспектральной съемки CASI 1500 [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.geolidar.ru/facilities/equipment/ itres/about_2.php

8. Белый, А.В. Мониторинг и охрана городской среды: учебное пособие/ А.В. Белый. - Вологда: ВоГТУ, 2010. - 198 с.

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

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

11. 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.

12. 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.

13. 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.

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

15. Географические информационные системы [электронный ресурс] - Режим доступа: http://geoinsys.narod.ru/pp_dz_r.htm

16. Геодезическое оборудование. Системы лазерные координатно-измерительные сканирующие [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.pribory-si.ru/catalog/4506/2549/

17. Геостройизыскания [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.gsi.ru/

18. Гершензон О.Н. Российские космические технологии в сфере космосъемки: реалии и перспективы [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.scanex.ru/ru/publications/pdf/publication111.pdf

19. ГКИНП 09-32-80 Основные положения по аэрофотосъемке, выполняемой для создания и обновления топографических карт и планов. - Введ. 22.04.1980. - М.: Недра,1982.

20. Городское планирование и сельское хозяйство [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.magnolia.com.ru/remotesensing/agro/

21. Ершова Т.В. Аэрокосмический экологический мониторинг мегаполисов с использованием новейших ИКТ в контексте формирования информационного общества [электронный ресурс] - Режим доступа: http://emag.iis.ru/arc/infosoc/emag.nsf/BPA/0b3b2bef90aa53cdc3256d060045ed8

22. Зайцев А. Им сверху видно все… [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=75035

23. 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.

24. Космические снимки в инфраструктуре пространственных данных РФ [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.scanex.ru/ru/ publications/pdf/ publication53.pdf

25. Космический мониторинг для решения экологических задач [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.scanex.ru/ru/monitoring/ default.asp?submenu=conservation &id=prob_solv

26. Крюков Ю.А. Учебные и методические материалы. Земельный кадастр как информационное обеспечение рынка недвижимости [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.crea.ru/Articles/uch/inf-rnk2/artcl_64.htm

27. Лабутина, И.А. Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ/ И.А. Лабутина, Е.А. Балдина. - М., 2011. - 88 с.

28. Медведев Е.М. Авиационное дистанционное зондирование как важнейший источник геопространственной информации [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.gisa.ru/38331.html

29. Михайлов В.Ф. Спутниковая аппаратура дистанционного зондирования Земли / В. Ф. Михайлов, И. В. Брагин, С. И. Брагин. -- М.: Вузовская книга, 2008. -- 340 с.

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

31. Обзор космических съемочных систем высокого разрешения [электронный ресурс] - Режим доступа: http://vinek.narod.ru/satellites.htm

32. Обиралов, А.И. Практикум по фотограмметрии и дешифрированию снимков / А.И. Обиралов, Я.И. Гебгарт, Н.Д. Ильинский [и др]. - М.: Недра, 2007.

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

34. Понятие и назначение мониторинга и охраны городских земель [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.landregister.ru/default.aspx

35. Поцелуев А.А., Архангельский В.В. Дистанционные методы исследования окружающей среды: Учебное пособие для Вузов. - Томск: Изд-во STT, 2010. - 184 с.

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

37. Сечин А.Ю. Современные цифровые камеры. Особенности фотограмметрической обработки [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.racurs.ru/?page=254

38. Сивков Ю.В. Мониторинг земель города [электронный ресурс] - Режим доступа: http://ecotext.ru /131.html

39. Сизов, А.П. Мониторинг городских земель с элементами их охраны: учеб. пос. / А.П. Сизов. - М.: 2010. - 156 с.

40. Следюк Д. Аэрофотосъемка с радиоуправляемых моделей/ Д. Следюк [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.rcdesign.ru/ articles/ avia/aero_foto