Методы информационного обеспечения геоэкологического мониторинга

УДК 528.7:574

И.В. Лесных, Л.К. Трубина

СГГ А, Новосибирск

МЕТОДЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

При геоэкологическом мониторинге геосистемы и экосистемы являются центральным объектом наблюдения, оценки и прогнозирования. Применение в системе геоэкологического мониторинга цифровых фотограмметрических методов обеспечивает сбор пространственной информации о различных компонентах природной среды. Анализ материалов, опубликованных в последние годы, показывает, что научные и практические разработки по использованию аэрокосмической информации для геоэкологического мониторинга ведутся чрезвычайно активно и плодотворно. В то же время, можно констатировать, что в подавляющем большинстве применение аэрокосмической информации направлено на решение задач глобального и регионального, и в меньшей степени локального уровней. Что же касается, более детальных уровней, соответствующих популяционному, организменному и клеточному, то для изучения экосистем такого уровня снимки, в качестве источников информации, применяются ограниченно либо совсем не применяются. В складывающейся экологической обстановке при возрастании антропогенных нагрузок на природную среду повышается актуальность исследований экосистем всех уровней их пространственной организации и как следствие, значимость материалов съемок разных масштабов в качестве оперативных источников данных.

Расширению спектра приложений фотограмметрических методов способствует высокий потенциал современных технических средств получения и обработки цифровых изображений, которые обеспечивают:

- Оперативность выполнения съемок, так как цифровые камеры хорошо приспособлены для проведения съемок в разных масштабах;

- Доступность методов обработки изображений широкому кругу пользователей за счет их реализации компьютерными средствами;

- Объективность получаемой информации, т.к. Природные объекты изучаются по адекватным им трехмерным моделям, формируемым по стереопарам изображений, обладающим высокой метрической точностью;

- Комплексный подход на основе совместного анализа материалов стереосъемок различных видов и масштабов.

Эффективная обработка снимков реализуется благодаря постоянно совершенствующимся методам цифровой обработки изображений, внедрению цифровых фотограмметрических станций (ЦФС), обеспечивающих многофункциональную обработку аэрофотоснимков и наземных снимков. Компьютерные средства делают цифровую фотограмметрию гибкой и универсальной.

Тем самым созданы условия и предпосылки широкого применения материалов разных видов цифровых стереосъемок для информационного

обеспечения геоэкологического мониторинга, что обеспечит пространственно сопряженными данными все иерархические уровни исследований экосистем. Дополнительно к материалам космических и мелкомасштабных аэрофотосъемок предлагается использовать материалы следующих видов стереосъемки: аэрофотосъемка крупных масштабов, наземная съемка, в том числе с близких расстояний, макро- и микросъемка. Наибольший эффект при обработке материалов крупномасштабных видов съемок достигается применением стереофотограмметрических методов, когда сбор информации осуществляется не по первичным источникам данных - снимкам, а - по моделям. В этом случае, пространственные по своей сути природные объекты изучаются по адекватным им трехмерным моделям. Такой подход позволяет всесторонне исследовать многие компоненты, формирующие экосистему, выявлять взаимосвязь между ними, а также наглядно представлять результаты исследований. Понятно, что реализация таких методов предполагает наличие соответствующего оборудования, профессиональной подготовки исполнителей и методик, отличающихся от используемых при обработке мелкомасштабных материалов аэрокосмической съемки.

Конкретизация объектов, надежно идентифицируемых по снимкам разного масштаба, осуществляется в соответствии с уровнем пространственной организации экосистем и опирается на базы знаний природоведческих наук. Безусловно, всякий раз должен уточняться состав объектов и, как следствие, набор определяемых количественных и качественных параметров.

Нижеприведенный перечень объектов показывает информационные возможности материалов разных видов съемок для детального изучения различных природных объектов.

Стереомикросъемка обеспечивает изучение морфологии биологических объектов на клеточном уровне (например, пыльцевые зерна растений, срезы структурных элементов растения).

Стереомакросъемка позволяет изучать строение органов и тканей отдельной особи или организма, в частности структуру частей отдельного растения: конфигурацию, линейные и относительные размеры листа, рисунок его прожилок относительно оси симметрии.

Стереосъемка с близких расстояний охватывает отдельные растения в целом, обеспечивая их структурный анализ, то есть определение размеров их частей: стеблей, листьев, плодов, их ориентацию в реальном биоценозе, биомассу; а также исследование абиотических компонентов: микрорельефа, поверхностной структуры почв, трещиноватости.

Наземная съемка позволяет получать значения некоторых параметров на популяционном уровне: разнообразие и относительность обилия видов, оценку изменения видового состава растений, животных и др. При этом возможны варианты ее проведения, как с уровня земли, так и с вышек и других приспособлений для съемки с разным ракурсом, что увеличивает обзорность и обеспечивает определение дополнительных параметров.

По материалам крупномасштабных аэрофотосъемок идентифицируются детальная структура почвенного и растительного покрова, различные фитоценотические характеристики: густота, сомкнутость крон, проективное покрытие, фитомасса, зоогенные структуры, распространение хвое- и листогрызущих насекомых и т.д. Кроме того, фотограмметрические методы обработки аэро- и наземных снимков позволяют формировать цифровые модели рельефа, как важного фактора, определяющего различные природные процессы.

Нельзя не отметить, что сведения, получаемые по материалам вышеперечисленных видов съемок, имеют несомненную прагматическую ценность не только для экологической оценки, но и для получения новой информации в прикладных исследованиях, в частности, в ботанике и зоологии, систематике растений и животных. При этом трехмерные модели, сформированные по стереопарам, позволяют сохранять уникальную информацию о биоразнообразии, что особенно актуально при изучении редких и исчезающих видов.

Для сбора пространственной информации в процессе проведения геоэкологического мониторинга предлагается использовать цифровые фотограмметрические технологии.

Основой предлагаемых технологий являются три составляющие: проведение съемок цифровыми съемочными системами, обработка снимков цифровыми методами и применение геоинформационных систем для интерпретации и визуализации результатов фотограмметрической обработки и их интеграции с другого рода экологической информацией.

Стереосъемка, проводимая цифровыми камерами, обеспечивает оперативное получение цветных цифровых изображений, при исключении фотохимических процессов, автоматизацию процесса фотографирования и переноса изображений на компьютер. Рынок цифровых камер предоставляет широкий выбор для потребителей [1]. Однако специальные цифровые камеры высокого разрешения для целей фотограмметрии, весьма дороги, что ограничивает их применение. При этом имеется ряд цифровых камер, относящихся к классу полупрофессиональных, которые обеспечивают достаточно высокое качество цифровых изображений для решения прикладных задач, на их использование и ориентированы предлагаемые технологии.

Изображения, получаемыми такими камерами, относятся к неметрическим, что не означает невозможность их применения для измерительных целей, а только вызывает необходимость учета особенностей геометрии их формирования при последующей фотограмметрической обработке. Процесс обработки изображений реализуется компьютерными средствами и сводится к формированию математической модели изучаемого объекта по стереопаре изображений, на основе возникающих при съемке условий коллинеарности и компланарности проектирующих лучей. Реализация этих условий может осуществляться с помощью разных вычислительных алгоритмов. Один из вариантов заключается в построении

модели по результатам измерения соответственных точек стереопары, с последующим приведением модели к истинному масштабу и ориентировании ее относительно внешней системы координат по опорным точкам. Другой -построение модели по установочным величинам, т.е. элементам внешнего ориентирования снимков, которые определяются непосредственно в процессе съемки, или вычисляются для каждого снимка по опорным данным. Последний вариант предпочтительнее для обработки цифровых изображений, получаемых неметрическими камерами. Типовые процедуры цифровой фотограмметрической обработки стереопар реализованы в составе программного обеспечения ЦФС. Они в большей степени ориентированы на решение комплекса топографических задач по материалам аэрофотосъёмки, поэтому их использование с целью обработки цифровых неметрических изображений потребовало некоторых методических доработок.

Рассмотрим особенности предлагаемых технологий обработки материалов съемок разных масштабов.

Технология микросъемки включает процессы получения и обработки одиночных и стереоскопических пар снимков, получаемых как оптическим, так и электронным микроскопами [2,3]. Она ориентирована на анализ морфологии частиц грубодисперсной фракции атмосферных аэрозолей при исследовании процессов их распространения. При этом грубодисперсная фракция в большинстве случаев представлена частицами неправильной геометрической формы, именно сложность формы частиц вызвала необходимость применения фотограмметрических подходов для их изучения. Обработано большое число микроизображений частиц природного аэрозоля различного типа. Проанализированы цифровые изображения пыльцевых зерен таких растений как тимофеевка луговая, пырей ползучий и лиственница сибирская, определены их морфометрические характеристики, последующая статистическая обработка которых позволила описать их форму. На примере пыльцевого зерна лиственницы сибирской показаны возможности формирования цифровой модели видимой части поверхности пыльцы по стереоскопической модели. Выполнена обработка изображений проб частиц грубодисперсной фракции атмосферного аэрозоля от различных источников: дымовой шлейф лесного пожара, угольный порошок, морской аэрозоль.

Для детального изучения микробиоценозов, морфометрии отдельных представителей насекомых и структурного анализа растений разработана технология сбора пространственных данных по трехмерным моделям, создаваемым по стереопарам цифровой съемки с близких расстояний и макросъемки. В зависимости от размеров и формы объектов предлагается использовать разные виды цифровых съемок [4]. Для гербарных образцов разработана методика горизонтальной макросъемки, а для натуральной съемки

- фронтальная. В некоторых случаях одной стереопары для всестороннего охвата объекта может быть недостаточно, тогда требуется дополнительная съемка с другими ракурсами. Для того чтобы избежать увеличения числа стереопар, но при этом обеспечить полную обзорность, предложен метод съёмки с использованием бинарной зеркальной системы. В этом случае

трехмерная модель изучаемого объекта восстанавливается по результатам измерения одной стереопары с изображением объекта в трех видах [5].

Разработана технология цифровой наземной стереосъемки для фиксирования динамики распространения в пространстве облака, формируемого генератором регулируемой дисперсности (ГРД). Материалы наземной стереофотосъемки позволяют, наряду с определением диффузионных характеристик, описать геометрию сложной траектории движения дымовой струи, обусловленной более медленными изменениями скорости и направления ветра в приземном и пограничном слоях атмосферы. Разработанная технология цифровой наземной стереосъемки апробирована на серии полевых экспериментов, результаты которых подтвердили эффективность применения метода цифровой наземной съемки для изучения пространственно-временного изменения геометрии искусственного аэрозольного облака [6, 7, 8].

Для совместной обработки разновременных и разномасштабных аэрофотоснимков равнинной и всхолмленной местности разработан способ цифровой плановой фототриангуляции для реализации в среде ГИС [9, 10]. Способ обеспечивает достижение необходимой точности увязки взаимного положения выделов, составляющих структуру экосистем биоценотического и субэлементарного уровней.

Таким образом, разработанные цифровые фотограмметрические технологии могут служить эффективным инструментом сбора геопространственных данных в системе геоэкологического мониторинга.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Цифровые камеры // Компьютер пресс. - 2002, № 4.

2. Использование фотограмметрии для определения характеристик пыльцы / Головко В.В., Куценогий К.П., Киров Е.И., Трубина Л.К., Гук А.П. // Оптика атмосферы и океана.- 2000. - Т. 13, № 9. - С. 882 - 885.

3. Дюхина Е.И., Беленко О.А. Определение размеров и морфологии грубодисперсной фракции аэрозолей на основе компьютерного анализа микроизображений // Оптика атмосферы и океана.- 2004. - т. 17, № 5-6, с. 517 - 520.

4. Трубина Л.К. Использование цифровой макросъемки для изучения биологических объектов небольших размеров // Вестник СГГА. - 2002. - Вып.7. - С.101 -107.

5. Трубина Л.К. Цифровая стереосъемка биологических объектов с использованием зеркальной системы // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2002. -№ 3. - С. 92 - 100.

6. Куценогий К.П., Макаров В.И., Самсонов Ю.Н., Киров Е.И., Гук А.П., Трубина Л.К., Черемушкин А.В. Экспериментальное исследование поведения аэрозольного облака в условиях динамической неоднородности. Труды Международной конференции RDAMA-2001, 2001, т. 6, ч. 2, Спецвыпуск, с. 255 - 260.

7. Куценогий К.П., Макаров В.И., Трубина Л.К., Климашин А.М., Махов Д.Ю., Голобоков М.В. Определение геометрии дымового шлейфа от аэрозольного генератора методом цифровой стереофотограмметрии. // Оптика атмосферы и океана. - 2004. - Т. 17, № 4. - С. 339 - 344.

8. Трубина Л.К., Куценогий К.П. Использование цифровой стереофотограмметрии и ГИС- технологий для описания динамической неоднородности подстилающей поверхности // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - Т. 15, № 5 - 6. - С. 511 - 514.

9. Трубина Л.К. Разработка цифрового способа цифровой плановой

фототриангуляции для реализации в среде ГИС // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.-2GG2.- № 1.- С. 108 - 115.

1G. Трубина Л. К. Цифровая фотограмметрическая обработка снимков для получения геопространственных данных при оценке состояния экосистем // Aвтореф. дис. д-ра тех. н.: 25.00.34. - Защищена 20.12.02. - Новосибирск, 2003. - С.35.

© И.В. Лесных, Л.К. Трубина, 2005