Современные концепции дистанционного зондирования

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

	

Кафедра геоинженерии и кадастра 



Контрольно курсовая работа по дисциплине:

«Аэрокосмические съемки»



На тему:

«Современные концепции дистанционного зондирования»









Выполнил: ст. гр. 331861 Мурашов С.Г.

Проверил: проф. Басова И.А.




Содержание.

		1.	Введение.	3

		2.	Основное положение.	3

		2.1	NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).	3

		2.2	Гиперспектральная система MODIS.	3

		2.2.1	Исследования суши	3

		3.	Мониторинг сельскохозяйственного назначения.	3

		3.1	Правовая основа.	3

		3.2	Структура системы дистанционного мониторинга земель с/х назначения.	3

		3.3	Технические требования	3

		3.4	Пример комплексного подхода к мониторингу сельскохозяйственных территорий	3

		4.	Заключение.	3

		5.	Библиографический список.	3



Введение.

Исторически сложилось, что роль сельского хозяйства для России довольно велика, и в последние годы после некоторого спада наблюдается повышение интереса к этому сегменту российской экономики. В большинстве своем это связано со сменой земельной политики России: у земли появляется собственник, который заинтересован в оптимальном ее использовании. Обширные территории, занимаемые сельскохозяйственными угодьями, довольно сложно контролировать из-за недостатка точных карт, неразвитой сети пунктов оперативного мониторинга, наземных станций, в том числе и метеорологических, отсутствия авиационной поддержки, ввиду дороговизны содержания штата и т.д. Кроме того, в силу различного рода природных процессов, происходит постоянное изменение границ посевных площадей, характеристик почв и условий вегетации на различных полях и от участка к участку. Все эти факторы препятствуют получению объективной, оперативной информации, необходимой для констатации текущей ситуации, ее оценки и прогнозирования. А без этого практически невозможны увеличение производства сельскохозяйственной продукции, оптимизация использования земель, прогнозирование урожайности, уменьшение затрат и повышение рентабельности. За рубежом аналогичные проблемы успешно решаются благодаря применению данных аэро- и космической съемки, а также широкому использованию средств спутниковой навигации (GPS) при мониторинге посевов и при сборе урожая, для изучения состояния растительного покрова и прогноза продуктивности выращиваемых культур. В нашей стране использование данных спутникового зондирования в сельском хозяйстве представляет собой быстро развивающееся и перспективное направление. Материалы космической съемки могут помочь как для решения комплексных задач управления сельскохозяйственными территориями, так и в узкоспециализированных направлениях. Типичными задачами в этой области являются: инвентаризация сельскохозяйственных угодий, контроль состояния посевов, выделение участков эрозии, заболачивания, засоленности и опустынивания, определение состава почв, слежение за качеством и своевременностью проведения различных сельскохозяйственных мероприятий. При систематической повторяемости съемок — наблюдение за динамикой развития сельскохозяйственных культур и прогнозирование урожайности. Например, зная, как меняется спектральная яркость растительности в течение вегетационного периода, можно по тону изображения полей судить об их агротехническом состоянии. После перезимовки состояние озимых культур оценивается по различию в цвете здоровых и погибших растений, состояние озимых и яровых до уборки урожая — на основе учета степени покрытости почвы всходами и равномерности их распределения.




Основное положение.

Как известно, отражение растительного покрова в красной и ближней инфракрасной областях электромагнитного спектра тесно связано с его зеленой фитомассой. Для того чтобы количественно оценить состояние растительности, широко применяется так называемый нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - нормализованный относительный индекс растительности - простой количественный показатель количества фотосинтетически активной биомассы (обычно называемый вегетационным индексом). Один из самых распространенных и используемых индексов для решения задач, использующих количественные оценки растительного покрова.

Вычисляется по следующей формуле:



где,

NIR - отражение в ближней инфракрасной области спектра

RED - отражение в красной области спектра

Согласно этой формуле, плотность растительности (NDVI) в определенной точке изображения равна разнице интенсивностей отраженного света в красном и инфракрасном диапазоне, деленной на сумму их интенсивностей.

Расчет NDVI базируется на двух наиболее стабильных (не зависящих от прочих факторов) участках спектральной кривой отражения сосудистых растений. В красной области спектра (0,6-0,7 мкм) лежит максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом высших сосудистых растений, а в инфракрасной области (0,7-1,0 мкм) находиться область максимального отражения клеточных структур листа. То есть высокая фотосинтетическая активность (связанная, как правило, с густой растительностью) ведет к меньшему отражению в красной области спектра и большему в инфракрасной. Отношение этих показателей друг к другу позволяет четко отделять и анализировать растительные от прочих природных объектов. Использование же не простого отношения, а нормализованной разности между минимумом и максимумом отражений увеличивает точность измерения, позволяет уменьшить влияние таких явлений как различия в освещенности снимка, облачности, дымки, поглощение радиации атмосферой и пр.



Участки характеристической кривой отражения растительности (усредненной), используемые для расчета NDVI c помощью данных MODIS



NDVI может быть рассчитан на основе любых снимков высокого, среднего или низкого разрешения, имеющим спектральные каналы в красном (0,55-0,75 мкм) и инфракрасном диапазоне (0,75-1,0 мкм). Алгоритм расчета NDVI встроен практически во все распространенные пакеты программного обеспечения, связанные с обработкой данных дистанционного зондирования (Arc View Image Analysis, ERDAS Imagine, ENVI, Ermapper, Scanex MODIS Processor, ScanView и др.).

Комбинации каналов камер спутников используемые для расчета NDVI:



MSS Landsat(4,5)

5 (0.6-0.7 мкм), 6 (0.7-0.8 мкм) или 7 (0.8-1.1 мкм)

TM Landsat(4,5)

3 (0.63-0.69 мкм), 4 (0.76-0.90 мкм)

ETM+ Landsat7

3 (0.63-0.69 мкм), 4 (0.75-0.90 мкм)

AVHRR NOAA

1 (0.58-0.68 мкм), 2 (0.72-1.0 мкм)

MODIS Terra(Aqua)

1 (0.62-0.67 мкм), 2 (0.841-0.876 мкм)

ASTER Terra

2 (0.63-0.69 мкм), 3 (0.76-0.86 мкм)

LISS IRS(1C/1D)

2 (0.62-0.68 мкм), 3 (0.77-0.86 мкм)

Со времени разработки алгоритма для расчета NDVI (Rouse BJ, 1973) у него появилось довольно много модификаций предназначенных для уменьшения влияния различных помехообразующих факторов. Таких, к примеру, как поглощение аэрозолями атмосферы (atmospheric - resistant vegetation index - ARVI), отражение от почвенного слоя (soil adjusted vegetation index - SAVI) и др. Для расчета этих индексов используются формулы, учитывающие отношения между отражающей способностью различных природных объектов и растительностью в других диапазонах, помимо красного и инфракрасного, что делает их более сложными в применении. Существуют также индексы, основанные на NDVI, но корректирующие сразу несколько помехообразующих факторов, как, например EVI (Enhanced vegetation index).



Дискретная шкала NDVI

Для отображения индекса NDVI используется стандартизованная непрерывная градиентная или дискретная шкала, показывающая значения в диапазоне от -1..1 в % или в так называемой масштабированной шкале в диапазоне от 0 до 255 (используется для отображения в некоторых пакетах обработки ДЗЗ, соответствует количеству градаций серого), или в диапазоне 0..200 (-100..100), что более удобно, так как каждая единица соответствует 1% изменения показателя. Благодаря особенности отражения в NIR -RED областях спектра, природные объекты, не связанные с растительностью, имеют фиксированное значение NDVI, (что позволяет использовать этот параметр для их идентификации):

Тип объекта

Отражение в красной области спектра

Отражение в инфракрасной области спектра

Значение NDVI

Густая растительность

0.1

0.5

0.7

Разряженная растительность

0.1

0.3

0.5

Открытая почва

0.25

0.3

0.025

Облака

0.25

0.25

0

Снег и лед

0.375

0.35

-0.05

Вода

0.02

0.01

-0.25

Искусственные материалы (бетон, асфальт)

0.3

0.1

-0.5

Но, как правило, для задач связанных с картографированием растительности используют немасштабированную шкалу, начинающуюся с 0 (значения NDVI меньше 0 растительность принимать не может). Для перевода из шкалы -1..1 в 0..200 (масштабирование) используется следующая формула:

масштабированный NDVI = 100(NDVI + 1)

Существует устойчивая корреляция между показателем NDVI и продуктивностью для различных типов экосистем:



Это свойство довольно активно используется для регионального картирования и анализа различных типов ландшафтов, оценке ресурсов и площадей биосистем в масштабе стран и континентов. Однако чаще, расчет NDVI употребляется на основе серии разновременных (разносезонных) снимков с заданным временным разрешением, позволяя получать динамическую картину процессов изменения границ и характеристик различных типов растительности (месячные вариации, сезонные вариации, годовые вариации).

Будучи искусственным безразмерным показателем NDVI предназначен для измерения эколого-климатических характеристик растительности, но в тоже время может показывать значительную корреляцию с некоторыми параметрами, совсем другой области:

Продуктивностью (временные изменения)

Биомассой 

Влажностью и минеральной (органической) насыщенностью почвы

Испаряемостью (эвапотранспирацией)

Объемом выпадаемых осадков

Мощностью и характеристиками снежного покрова

Зависимость между этими параметрами и NDVI, как правило, не прямая и связана с особенностями исследуемой территории, ее климатическими и экологическими характеристиками, кроме этого, часто приходиться учитывать временную разнесенность параметра и ответной реакции NDVI.

Благодаря всем этим особенностям, карты NDVI часто используются как один из промежуточных дополнительных слоев для проведения более сложных типов анализа. Результатами которых могут являться карты продуктивности лесов и сельхозземель, карты типов ландшафтов, растительности и природных зон, почвенные, аридные, фито-гидрологические и другие эколого-климатические карты. Так же, на его основе возможно получение численных данных для использования в расчетах оценки и прогнозирования урожайности и продуктивности, биологического разнообразия, степени нарушенности и ущерба от различных естественных и антропогенных бедствий, аварий и т.д. Часто эти данные используются для вычисления других, универсальных и территориально-привязанных индексов: LAI - индекс листовой поверхности , FPAR - индекс фотосинтетической активной радиации, поглощаемый растительностью и пр.

В целом, главным преимуществом NDVI является легкость его получения: для вычисления индекса не требуется никаких дополнительных данных и методик, кроме непосредственно самой космической съемки и знания ее параметров.

Так, благодаря минимальному временному разрешению данных MODIS/Terra, вычисление NDVI на их основе может давать оперативную информацию об эколого-климатической обстановке и возможность отслеживать динамику различных параметров с периодичностью до 1 недели! А большой пространственный охват позволяет проводить мониторинг территорий, соразмерный с площадями областей и целых стран. Данные же камер высокого разрешения, типа Landsat, IRS, Aster позволяют следить за состоянием объектов размерами вплоть до отдельного поля или лесного выдела.

Следует, однако, учитывать и главные недостатки использования NDVI-индекса:

Невозможность использования данных, не прошедших этап радиометрической коррекции (калибровки);

Погрешности, вносимые погодными условиями, сильной облачностью и дымкой - их влияние можно частично скорректировать использованием улучшенных коэффициентов и композитных изображений с сериями NDVI за несколько дней, недель или месяцев (MVC - Maximum Value Composite). Усредненные значения позволяют избежать влияния случайных и некоторых систематических погрешностей. Как показывает практика, это очень часто применяемый подход для подготовки данных для создания карт NDVI, примеры показанные в дальнейшем, к сожалению, сделаны на основе разовой съемки, ошибки которой не скорректированы с помощью MVC. Расчет MVC довольно прост и может быть выполнен в ArcInfo GRID с помощью следующих операций (в примере 5 слоев NDVI сделанных из снимков разных дат): 



up = upos(ndvi1, ndvi2, ndvi3, ndvi4, ndvi5)

result = con(up == 1, ch1, up==2, ch1, up==3, ch1, up==4,ch1, up==5, ch1)

Необходимостью для большинства задач сравнения полученных результатов с предварительно собранными данными тестовых участков (эталонов), в которых должны учитываться сезонные эколого-климатические показатели, как самого снимка, так и тестовых площадок на момент сбора данных. Особенно значимыми данные материалы становятся при расчетах продуктивности, запасах биомассы и прочих количественных показателях;

Возможностью использования съемки только времени сезона вегетации для исследуемого региона. В силу своей привязанности к количеству фотосинтезирующей биомассы, NDVI не эффективен на снимках полученных в сезон ослабленной или невегетирующей в этот период растительности.

Гиперспектральная система MODIS.

Предназначение системы MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer - сканирующий спектрорадиометр среднего разрешения) состоит в сборе данных для калиброванных глобальных интерактивных моделей Земли как единой системы. В будущем эти модели должны прогнозировать глобальные изменения с точностью, достаточной для принятия разумных решений по защите окружающей среды [1]. Данные MODIS по всей поверхности Земли поступают со спутника Terra каждые 2 дня в 36 спектральных зонах ( в диапазоне 0.405-14.385 мкм) с разрешение 250-1000 м, что обеспечивает моделирование в глобальном и региональном масштабе. Система MODIS будет также размещена на спутнике Aqua, что удвоит количество поступающих данных. Материалы съемки MODIS имеют широкий спектр применения для исследования атмосферы, океана и суши.

Исследования суши

MODIS позволяет исследовать широкий спектр явлений на поверхности Земли. Измерения в видимом диапазоне имеют большое значение для многих объектов суши, в частности, гляциологических в целях фиксации границ покровных и горных ледников, распространения и сезонной динамики снежного покрова, оценки количества снега и льда. Мониторинг динамики ледников - сокращения или увеличения площади оледенения - и морских льдов важен для изучения последствий глобального изменения климата. Данные о таянии снега и льда нужны для прогнозов паводковых явлений. Кроме того, площади, занятые снегом и льдом, определяют глобальное альбедо Земли - необходимый компонент при расчетах радиационного баланса. Сводка данных о готовых производных изображениях снежного покрова суши, а также морских льдов.

Система MODIS во многом ориентирована также на исследование растительности. Съемка районов сведения лесов позволяет определять темпы обезлесения. Состояние растительности, ее реакция на внешнее воздействие изучаются с использованием вегетационных индексов. Изготовление по данным MODIS производных изображений путем обработки по специальным алгоритмам информации в избранных зонах позволяет изучать первичную продуктивность, биомассу суши и интенсивность фотосинтеза.

Исследования растительности при помощи так называемых карт вегетационного индекса NDVI (Normalised Difference Vegetation Index – нормализованная разность яркостей в красной и ближней инфракрасной зонах) стали традиционными. Прежде NDVI рассчитывался обычно по данным радиометра AVHRR спутников NOAA. Однако эти спутники завершают работу, и на последующие годы  MODIS как бы принимает на себя получение данных для расчета NDVI [2]. Расчет индекса проводится по спектральным зонам, прошедшим атмосферную коррекцию (алгоритм ее расчета использует различные каналы и производные изображения MODIS). Специально для MODIS на основе NDVI разработан индекс нового поколения EVI (Enhanced Vegetation Index - улучшенный вегетационный индекс):

EVI = (r*nir - r*red) x (1+L) / (r*nir + C1 x r* red - C2 x r*blue + L)

где r*nir, r*red, r*blue - скорректированные за атмосферу (по данным съемки MODIS) значения отражательной способности в ближней инфракрасной, красной и голубой зоне (0.841-0.876, 0.620- 0.670 0.459 - 0.479 мкм); L - поправочный коэффициент, учитывающий влияние почвы; С1, С2 - коэффициенты, контролирующие вклад голубой зоны в коррекцию красной за рассеяние атмосферными аэрозолями. Новый индекс позволяет выделить больше градаций в районах с высокой зеленой биомассой и имеет преимущества для мониторинга растительности, поскольку влияние почвы и атмосферы в значениях EVI минимизировано. 

На рисунке справа приведены изображения EVI для территории США в марте-апреле и мае-июне 2001 г. Хорошо видно сезонное развитие растительности.

Для изучения растительного покрова поверхности Земли по данным дистанционного зондирования были разработаны новые алгоритмы автоматизированного расчета показателей глобального листового индекса (LAI - Leaf Area Index) и поглощенной растительностью при фотосинтезе радиации (FPAR - Fraction of Photosynthetically Active Radiation). LAI - площадь листовой поверхности (с одной стороны листа) на единицу площади - характеризует структуру растительного покрова. FPAR указывает на долю радиации в "фотосинтетически активном" диапазоне волн (0.400 - 0.700 мкм), поглощаемую растительным покровом. LAI и FPAR - это биофизические параметры, описыващие структуру растительного покрова и скорость проходящего в нем энергомассобмена. Их используют для расчета величины фотосинтеза, эвапотранспирации, и первичной продуктивности экосистем. Эти параметры также необходимы для исследования круговорота энергии, углерода, воды, и изучения биогеохимических характеристик растительности.

В отличие от традиционно применяемого вегетационного индекса 

NDVI, для расчета LAI/FPAR используется большее количество спектральных зон съемки (прошедших атмосферную коррекцию), учитывается карта типов покрова поверхности Земли и дополнительная наземная информация. 

На рисунке справа показаны карты LAI и FPAR для Африки, осредненные за декабрь 2000 г. - зимний (сухой) период для части Африки в северном полушарии, и летний - для части в южном полушарии.



Мониторинг сельскохозяйственного назначения.

Для эффективного развития аграрного производства требуется высокоэффективная система земледелия. В свою очередь, создание такой системы в настоящее время вряд ли возможно без внедрения высокоэффективных технологий сбора и обработки информации по сельскохозяйственным показателям. Как свидетельствует мировой опыт, ИТ технологии могут оказать существенную помощь при решении многочисленных задач, связанных с планированием, прогнозом, анализом и моделированием сельскохозяйственных процессов.

Для решения этих и подобных им задач требуются современные методы и средства получения, хранения, обработки и представления разнообразной информации, а также средства обмена информацией. К ним относятся методы сбора значительного объема данных по множеству показателей с весьма значительных по площади территорий. Затем необходимо представить собранные данные в цифровом виде, пригодном для использования в информационных, в том числе геоинформационных системах. Эти системы должны объединять пространственные географические данные, аэро- и космические изображения а также тематические данные по множеству сельскохозяйственных параметров, представленных в картографической и табличной формах. Такие системы можно использовать для выведения значительных массивов информации на экран или на твердую копию в удобных для пользователя видах. Накладывая на собранную информацию другие полученные и собранные данные, такие, например, как качество почвы, условия орошения, метеорологическая информация, фитосанитарные наблюдения, данные полевых агроисследований, данные спутникового мониторинга и т.д., можно получать вторичный производный картографический материал аналитического свойства. На его основании можно судить о степени развития растительных культур на данной площади и в определенное время. Это, возможно, самый оптимальный способ мониторинга состояния растительного покрова, зерновых культур и пастбищ, а также их продуктивности, выявления деградации растительных культур или почвы, прогнозирования урожая и т.д.

Правовая основа.

Положение о Министерстве сельского хозяйства РФ (ППРФ от 24 марта 2006 г. № 164) устанавливает полномочия Министерства в области обеспечения устойчивого развития сельских территорий, проведения фитосанитарного и ветеринарного мониторинга, поддержания плодородия почв, рационального использования средств федерального бюджета для финансовой поддержки агропромышленного комплекса РФ.

Реализация этих положений требует соответствующей информационной поддержки, учитывающей географические, климатические, экологические, экономические и другие факторы. Пространственное распределение таких параметров, их взаимодействие моделируются посредством специализированных программных средств – географических информационных систем (ГИС).

В 2003 г. после подготовительных работ Главный вычислительный центр Минсельхоза РФ начал активно проводить мероприятия по внедрению и адаптации ГИС в сельскохозяйственной отрасли. Начальный период этих работ отражен в статье «Минсельхоз ставит на новые технологии: внедрение ГИС в сельском хозяйстве началось» в ArcReview № 2(29) за 2004 год. В ней были перечислены основные направления работ, выполненных за достаточно короткий срок практически с нуля. Они включали организационно-технические мероприятия, разработку и адаптацию необходимой нормативной документации на картографические данные и данные дистанционного зондирования, необходимые для отрасли, организацию поступления базового картографического материала, создание действующего макета централизованного приема данных дистанционного зондирования земель сельскохозяйственного назначения и многие другие.

В последующие годы (2004-2006) ГВЦ Минсельхоза РФ подготовил и обеспечил отрасль значительным объемом информационных ресурсов в числе которых:

векторные цифровые модели местности различных масштабов (1:1 000 000 и 1:200 000) на всю территорию сельскохозяйственной зоны РФ в форматах ArcGIS;

тематические картографические данные: почвенные карты, карты негативных процессов, ландшафтные карты и др.;

архивы оперативных спутниковых данных за несколько лет на территорию субъектов РФ (в настоящее время на территорию 38 субъектов РФ, покрывающих практически всю пахотную зону страны);

тематические фактографические данные по статистическим параметрам, параметрам фитосанитарного и ветеринарного состояния регионов РФ, а также по агроклиматическим показателям;

цифровые материалы, полученные в результате подготовки к проведению Всероссийской сельскохозяйственной переписи 2006 г.

Параллельно с накоплением цифровых информационных ресурсов были проведены работы по созданию новых и адаптации существующих средств программной обработки цифрового картографического материала, отраслевой тематической информации и данных дистанционного зондирования на основе разработанной нормативной и методической документации. Все это позволило в 2006 году приступить к разработке Системы Дистанционного Мониторинга Земель (СДМЗ) сельскохозяйственного назначения. Система предназначена для интеграции накопленных архивных и вновь поступающих из различных источников данных с целью дальнейшей их интерпретации и предоставления выходных информационных продуктов, необходимых для поддержки принятия решений на федеральном и региональном уровнях. Реализация и использование отдельных компонентов системы начались практически с самого начала работ по внедрению ГИС в сельскохозяйственную отрасль, планирование и разработка других проводилась и проводится в настоящее время. Все это создает основу для их постепенного объединения в единую информационно-технологическую модель на основе общей схемы, разработанной в 2005 г. В этой модели представлено концептуальное изложение возможностей, стратегий, направлений и задач развития геоинформационных технологий в системе управления сельскохозяйственной отраслью.

Структура системы дистанционного мониторинга земель с/х назначения.

Центральное место в системе занимает федеральная ГИС, построенная по иерархическому принципу – от федерального уровня до уровня субъектов РФ (с принципиальной возможностью доступа на районный уровень и уровень сельхозпредприятия). Конечно, на федеральном уровне нет необходимости часто просматривать и оперировать данными более детальными, чем региональная информация, но такая возможность все же заложена в построение ГИС. Федеральная ГИС, как видно из рисунка, оперирует данными из хранилища, которое делится на две составляющие: блок стационарной и блок оперативной информации (это разделение в некотором смысле условно), что необходимо для повышения эффективности работы технических средств. В блоке стационарной информации находятся данные, не изменяющиеся в течение некоторого времени – это, например, подготовленные на территории субъектов РФ цифровые модели местности, тематические карты сельскохозяйственного назначения на территорию всей страны, архивные данные дистанционного зондирования, статистические данные и т.п. Информация этого блока может быть продуктом работы самой СДМЗ или может поступать из внешних источников с обязательным прохождением этапа входного контроля.



В блок оперативной информации поступают, главным образом, данные из системы оперативного спутникового мониторинга – в настоящее время основного источника данных дистанционное зондирование земель. Этот компонент был разработан и поддерживается Институтом космических исследований РАН. Данные спутникового мониторинга, в свою очередь, делятся на две составляющие: это ежедневные (от одного до трех раз в сутки) изображения облачности, снежного покрова, вегетационных индексов и др., полученные со спутников серии NOAA и Terra с разрешением 1000 и 250 метров, а также композитные изображения, полученные после обработки первичных спутниковых продуктов (двухнедельные композитные изображения вегетационных индексов). Спутниковые данные одновременно поступают на сайт оперативного спутникового мониторинга. На сайт выкладывается разнообразная спутниковая информация по территориальному и тематическому принципам, показываются сравнительные данные по годам, приводятся аналитические графики, построенные по результатам обработки данных и т.д. На сайте также представлен большой объем другой информации. На рис. 3 приведен пример композитной спутниковой сцены нормализованного вегетационного индекса (NDVI) на территорию Ульяновской области. Разница между информацией на сайте и на FTP-сервере заключается в том, что сайт предоставляет изображения в виде простых картинок, которые можно просмотреть и скачать, но которые не имеют привязки к реальным картографическим данным. Данные на FTP-сервере, доступные лишь авторизованным пользователям, имеют реальную географическую привязку и могут использоваться для совмещения с любыми пространственными данными, которые имеются у пользователя (параметры проекций пространственных данных закреплены для каждого региона РФ).



Пример композитной спутниковой сцены.

В хранилище данных также поступает информация по таким параметрам, как фитосанитарная и ветеринарная обстановка территории РФ, агроклиматические параметры, статистические данные по различным показателям сельскохозяйственного производства, данные о почвах и информация о наземных наблюдениях, а также любые другие данные, имеющие отношение к сельскохозяйственной тематике (например, ценовая и экономическая информация).

Вся поступающая информация проходит определенную обработку, зависящую от вида информации (по методам – от ручной до автоматической программной), с целью приведения ее к виду, пригодному для использования в ГИС. Для этого разработан набор спецификаций информационных продуктов, которые детально описывают структуры и форматы используемых данных. В зависимости от вида информации она также может поступать в блок стационарной или оперативной информации. Например, архивная статистическая информация по годам после ее нормализации к единому виду представления помещается в раздел стационарной информации и может быть доступна как исторический материал для выполнения различных задач анализа и сравнения с использованием картографической основы. Статистическая информация, поступающая в течение весенних и осенних полевых работ, является, по существу, оперативной. При ее привязке к картографическим материалам можно наглядно показывать ход сева и уборки сельскохозяйственных культур.

Собственно говоря, почти любая поступающая в хранилище информация может использоваться в качестве оперативной. На ее основе могут формироваться оперативные информационные продукты, например, если говорить о спутниковой информации, – двухнедельные композиты вегетационного индекса (рис. 3). Поступая далее в долговременное хранилище, она используется уже в качестве аналитических продуктов. Например, на основе архивных данных композитов вегетационного индекса за несколько лет проводится построение кривых хода вегетационного индекса за текущий год и сравнение их с кривыми хода за предыдущие года. На этой основе можно составлять прогноз развития сельскохозяйственных культур, используя метод года-аналога. Результаты такого сравнения, которые обрабатываются системным компонентом спутникового мониторинга по каждому из субъектов РФ, можно посмотреть на сайте (рис. 4). Аналогичным образом обрабатываются и представляются данные по фитосанитарной и ветеринарной обстановке территории РФ, информация по агроклиматическим параметрам.



График хода вегетационного индекса за 2006 г. и сравнение его с 2005 г. по пахотным и непахотным землям.





Технические требования

В состав ГИС Федерального уровня входят разнообразные базовые и тематические наборы данных. Для их хранения, обработки, анализа, представления и распространения в принятых форматах используется настольные ГИС-продукты и серверное программное обеспечение разного назначения.

Состав доступных данных:



топографическая основа 1:1 000 000;

модель рельефа с разрешением 1 км;

материалы космической съемки с разрешением 1 км;

карта земельных угодий 1:4 000 000 (рис. 5);

ландшафтная карта масштаба 1:2 500 000 и база данных к ней (рис. 6);

карта растительности 1:4 000 000;

почвенная карта 1:2 500 000 и база данных к ней с разделением по почвенным слоям и, погоризонтно, – данные агрохимии и физических параметров (рис. 7). В настоящее время производится постепенная замена этой карты на почвенную карту масштаба 1:1 000 000 (рис. 8);

карта административного деления до уровня субъектов РФ;

двухнедельные композитные изображения спутникового мониторинга на сельскохозяйственную зону РФ;

статистические, климатические, фитосанитарные данные по субъектам РФ.



Карта земельных угодий РФ масштаба 1:4 000 000 на территории пашни.



Ландшафтная карта РФ масштаба 1:2 500 000 на территории пашни.



Почвенная карта РФ масштаба 1:2 500 000 на территории пашни.



Почвенная карта южной и центральной территорий РФ масштаба 1:1 000 000.

Основная масса данных федерального центра СДМЗ размещается на сервере геопространственных данных. В дополнение к ним может использоваться информация, предоставляемая региональными центрами СДМЗ.

В качестве базового программного ГИС-обеспечения используются продукты семейства ArcGIS. Оптимальным по функциональности клиентским программным пакетом на данном уровне является ArcInfo. Для более простых задач может использоваться ArcView. Для обработки космических снимков применяется ERDAS IMAGINE.

Рабочие форматы данных определяются применяемыми средствами базового ПО. На сервере геопространственных данных картографические данные хранятся в корпоративной базе геоданных под управлением ArcSDE в среде Microsoft SQL Server или Oracle. Космические снимки, растровые карты и регулярные цифровые модели рельефа доступны в форматах TIFF, GeoTIFF, ERDAS IMAGINE, для их хранения используются база геоданных и файловая структура. Табличные данные хранятся в Microsoft SQL Server. Для работы с документами применяется файловая структура и Microsoft SQL Server.

Для автономного рабочего места используются ресурсы компьютера, на котором работает специалист. Картографические данные хранятся в персональной базе геоданных в среде Microsoft Access и в виде шейп-файлов, растровые карты, снимки и ЦМР – в форматах TIFF, GeoTIFF, ERDAS IMAGINE. Для хранения табличных данных используются Microsoft Access и dBase, а для документов – файловая структура и приложения Microsoft Office.

Пример комплексного подхода к мониторингу сельскохозяйственных территорий

В данном подходе подразумевается использование космических снимков среднего и высокого разрешения со спутников Terra, Aqua, Landsat, IRS. Спутники Terra и Aqua позволяют получать информацию на обширные территории в тысячи квадратных километров дважды в день, что способствует оперативной оценке сельскохозяйственных угодий в масштабах 1:3 500 00–1:1 000 000. Спутники Landsat и IRS позволяют получать детализированную информацию с частотой 2 раза в месяц и проводить исследования территории в масштабном ряду 1:15 000–1:300 000.

Мониторинг сельскохозяйственных территорий:

Октябрь–март

1. Изучение динамики снежного покрова.

2. Оценка влагонакопления.

3. Оценка паводковой ситуации.

4. Оценка готовности угодий к следующему сезону.

Апрель–май

1. Определение площади пашни, занимаемой озимыми культурами.

2. Определение площади земель без осенней послеуборочной обработки почвы.

3. Оценка состояния озимых культур для выявления и определения площади ареалов деградированных и погибших озимых.

4. Определение площади земель, на которых проведены инженерно-мелиоративные мероприятия. Оценка качества проведения осушительной мелиорации.

5. Определение площади земель, занятых сельскохозяйственными культурами.

6. Определение степени увлажнения почв.

7. Определение температуры поверхности.

Июнь–июль

1. Определение площади земель под зерновыми, пропашными и техническими культурами.

2. Оценка состояния всходов культур.

3. Выявление очагов повышенной засоренности зерновых культур.

4. Определение площади паров (пары — поля, не занятые сельскохозяйственными культурами, находящиеся в стадии восстановления).

5. Оценка степени засоренности паров. Определение площади паров, требующих проведения противосорняковых мероприятий.

6. Выявление очагов поражения зерновых культур вследствие стихийных явлений (град, ливни, ураганы, засуха, пожары).

7. Динамика сенокосных работ. Определение площади скошенных сенокосных угодий.

8. Оперативная оценка состояния растительности, оценка фитомассы урожая.

9. Проведение работ по определению участков, требующих внесения удобрений и ядохимикатов в почву для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.

10. Мониторинг и оценка качества оросительных работ.

11. Прогнозирование и предварительная оценка урожайности.

Август–сентябрь

1. Мониторинг уборочных работ.

2. Оценка готовности угодий к следующему сезону.

Космические снимки высокого разрешения позволяют решать задачи исследования гидрологического режима почв, установления источников и границ обводнения, выделения (по косвенным признакам) ареалов распространения различных видов растений. Данные дистанционных измерений помогают следить за состоянием естественных угодий, пастбищ и сенокосов, выявлять и контролировать развитие эрозионных процессов и вырабатывать противоэрозионные мероприятия.

Таким образом, начавшееся активное внедрение методов решения задач с помощью данных дистанционного зондирования поднимает сельскохозяйственное производство на качественно новый уровень. 




Заключение.

Как можно понять из вышеизложенного, система постепенно развивается и по структуре, и по содержанию. В 2006 году был проведен комплекс мероприятий, направленных на сбор, получение и обработку данных сельскохозяйственного назначения, на адаптацию стандартных и создание новых программных продуктов для обработки первичных данных. Большое внимание уделялось расширению возможностей оперативного спутникового мониторинга и подготовке различных цифровых картографических продуктов и метаданных. То есть, фактически, все работы ведутся в рамках общей структурно-информационной и технологической модели, показанной на рис. 1, и направлены на последовательное построение и ввод в действие компонентов СДМЗ.




Библиографический список.

 Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации. М.: Логос, 2002. 664

 Бункин Б.В., Гассанов Л.Г., Опаленов Ю.В. и др. Радиолокационное устройство

Положение о Министерстве сельского хозяйства РФ (ППРФ от 24 марта 2006 г. № 164)

Журнал «Пространственные данные» № 4 2009 г.

Жургал «Макс» № 3-4 2009 г

Виноградов Б.В., Кондратьев К.Я. Космические методы землеведения.: Гидрометеоиздат, 1971. 190 с.

Бурша М. Основы космической геодезии. М., 1971-1975 Дистанционное зондирование в метеорологии, океанологии и гидрологии.

Прэтт У. Цифровая обработка изображений. - М.:Мир, 1982. Кн. 2.

Потапов Н.А. «Исследование природных ресурсов (на примере Республики Бурятия)» автореферат, Москва 2000 год

Гарбун. Гершен. :”Космические ошибки дистанционного зондирования”

И.К.Лурье, А.Г.Косиков. Теория и практика цифровой обработки изображений.- М.: «Науный мир», 2003.-267 с.

Павлов А. Планета Земля // Upgrade, 2008. №50. С. 40-43.

Гершензон О.Н.  «Изображение земли из космоса примеры и применение» 2005

Интернет источники:

http://www.dataplus.ru

gis-lab.info

terra.nasa.gov

www.geogr.msu.ru



2



Тула 2010