Методология осуществления дистанционного зондирования

Методология осуществления дистанционного зондирования

Хабарова Ирина Андреевна,

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Городского кадастра»

Хабаров Денис Андреевич,

аспирант кафедры «Почвоведения, экологии и природопользования»

Жорова Виктория Игоревна,

магистрант по направлению подготовки 21.04.02 «Землеустройство и кадастры», профиль: «Оценка и управление городскими территориями»

Попова Ольга Олеговна,

кандидат экономических наук, доцент кафедры «Городского кадастра»

ФГБОУВО «Государственныйуниверситет по землеустройству»,

E-mail: irakhabarova@yandex.ru, khabarov177@yandex.ru, zhorovav@inbox.ru, oopopova@yandex.ru

Аннотация: В статье рассматривается методология осуществления дистанционного зондирования Земли; применение материалов, полученные в результате выполнения аэро-и космических съёмок.

Summary: In the article the authors consider the methodology of remote sensing of the Earth; the use of materials obtained as a result of aerial and space surveys.

Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, аэросъемка и космическая съёмка, картографирование, топографическая съемка, фотограмметрическая обработка снимков.

Key words: remote sensing of the Earth, aerial and space photography, mapping, topographic survey, photogrammetric processing of images.

Дистанционное зондирование — это неконтактное изучение Земли (планеты, спутников), её поверхности, близповерхностного пространства и недр, отдельных объектов, динамических процессов и явлений путем регистрации и анализа их собственного или отраженного электромагнитного излучения.

Также к дистанционному зондированию можно отнести известные методы исследования недр Земли, такие как, сейсморазведку и гравиразведку, сканирующую эхолоцию дна водоемов и др.

Методология осуществления дистанционного зондирования включает:

- постановку задачи и целей дистанционного зондирования территории;

- подготовительный этап;

- выбор съёмочного средства для производства аэро- и космической съёмки;

- производство;

- получение материалы аэро- и космической съёмки подвергают фотограмметрической обработке и дешифрированию;

- формирования выходных данных по результатам дистанционного зондирования.

Используя средства дистанционного зондирования, решают следующие задачи: создание геоинформационных технологий, алгоритмов и программ, предназначенных для дешифрирования снимков и другие. [1]

Необходимо отметить, что методы дистанционного зондирования занимают важное место в мониторинге объектов недвижимости.

В градостроительной деятельности и сфере управления городским хозяйством пространственное моделирование на базе аэрокосмических съёмок позволит специалистам принимать в короткие сроки оптимальные управленческие решения. Использование дистанционное зондирования вместе с ГИС-технологиями и пространственным моделированием для создания архивов достопримечательностей архитектуры, в археологии открываются новые возможности для поисковых, научных и проектных работ.

Важной областью применения дистанционного зондирования являются аэрокосмический дистанционный мониторинг экологической ситуации и безопасности жизнедеятельности в труднодоступных местах и отдельных регионах страны. Так же с помощью дистанционного зондирования производят мониторинг состояния трубопроводов, ЛЭП, железных и автомобильных дорог. Большое внимание уделяется развитию дистанционного зондирования Земли для изучения природных ресурсов, прогноза погоды, картографирования шельфовой зоны морей и океанов. [2]

Следующим этап это выбор съёмочной системы, обеспечивающей наилучшую регистрацию исследуемых объектов.

Классифицировать съёмочные системы можно по различным критериям. Таким образом, съёмочные системы разделяют:

- воздушные и космические; в зависимости от места установки съёмочной системы измеряют и регистрируют излучение в наземных условиях, с воздушного (аэро-) или космического летательного аппарата.

При необходимости получения информации с большой территории использование аэро- и космических методов наиболее эффективно и оперативно. Для изучения локальных процессов или относительно небольших по размеру объектов, например, при определении объемов земляных работ, деформации зданий и сооружений, построек, мониторинге ледников, оползней и др., выполняют наземные съёмки с помощью фототеодолита, цифровых съёмочных устройств или лазерных сканеров. [3]

В зависимости от типа съёмочной аппаратуры информация может быть представлена в различном виде. Например, в виде двумерной аналоговой записи на фотографическом носителе (фотоснимке) или поэлементной цифровой записи на магнитном носителе, некоторые съёмочные системы позволяют получать трехмерное изображение, элемент которого имеет все три пространственные координаты, например лазерные системы, называется видеоинформацией. Процедура преобразования результатов аналоговой или цифровой записи сигналов в видимо изображение называют визуализацией.

Результаты регистрации электромагнитного излучения, представленные в виде изображения изучаемого объекта (участка земной поверхности) в аналоговом или цифровом виде записи.

Аэро- и космические съёмки Земли разделяют на пассивные и активные. При пассивной съемке информацию получают двумя способами: первый- путем регистрации отраженного от объекта солнечного света; второй - измерением радиационного потока, излучаемого самим объектом (собственное излучение). При активной съёмке поверхности исследуемого объекта облучается с борта аэро- или космического летательного аппарата с помощью искусственного облучателя (лазера- оптического генератора, радиогенератора), а отраженное излучение, отраженное от поверхности земли, регистрируют специальное бортовые приемные устройства.

Также можно классифицировать съёмочные системы, работающие в оптической зоне или радиодиапазоне:

- однозональные и многозональные. При многозональной съёмки получают несколько изображений в разных спектральных зонах на одной и той же территории земной поверхности;

- фотографические и нефотографические съёмочные системы;

- оперативные и неоперативные в зависимости от способа и срока получения видеоинформации.

При дистанционном зондировании Земли наиболее широко применяют пассивные съёмочные системы (фотографические и оптико-электронные), а из активных систем часто используют радиолокационные системы бокового обзора (РЛС БО) и лазерные системы. [4]

Оптико-электронные съёмочные системы в качестве приемника излучения использует ПЗС — линейку или ПЗС — матрицу. Принцип работы прибора с зарядной связью (далее

— ПЗС) работает следующим образом. Светочувствительный слой представляет собой сетку кремниевых диодов, расположенную за оптической системой. Каждый кремниевый диод соединен с ячейкой хранения заряда. Когда световой поток в виде оптического изображения поступает на диод, некоторое количество электрического заряда генерируется пропорционально падающему потоку. Заряд переносится в ячейку хранения заряда (ячейку памяти). Из ячейки памяти информация последовательно считывается и преобразуется в цифровой код (цифровое изображение).

Сканирующие съёмочные системы (сканеры) отличаются от других, прежде всего, принципом построения изображения, которое строится пространственным сканированием (просматриванием) местности.

Тепловые съёмочные системы относят к пассивным. Они регистрируют температуру сигнала формирующегося в подповерхностном слое, поэтому можно получить с некоторой глубины. Данные системы работают в инфракрасной и тепловой зонах электромагнитного излучения. При этом регистрирует собственное излучение объекта. Точность измерения от 0,1° до 0,01°.

Радиолокационные съёмочные системы бокового обзора относятся к активным съёмочным системам. В основу их работы заложены принципы радиолокации. Они облучают поверхность земли радиоволнами на длине волны 3 см, 23 см, 72 см.

Лазерные системы относятся к активным съёмочным системам, работающим в оптическом диапазоне. В основе лазерной съемки заложен принцип работы светодальномера без отражателя. При регистрации излучения в роли отражателя выступает поверхность снимаемого объекта. В качестве облучателя используют полупроводниковый лазер, генерирующий излучение в ближней инфракрасной зоне, в импульсном режиме.

Материалы аэро- и космической съёмки имеют ряд преимуществ по сравнению с топографической съёмкой, благодаря которым решаются многочисленные задачи изучения поверхности Земли. К таким преимуществам можно отнести:

- оперативность получения метрической и смысловой информации об изучаемой территории;

- объективность и документальность этой информации, так как при АКС регистрируются фактическое состояние объектов на земной поверхности;

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

- возможность регулярных наблюдений (особенно по материалам космически съёмок) за изменениями, происходящими на изучаемой участке земной поверхности. Для изучения земной поверхности применяют материалы аэро- и космической съёмки. При этом выполняется измерение (регистрация) отраженного и собственного электромагнитного излучения. Регистрация и измерение излучения производится специальными датчиками или съемочными системами на некотором расстоянии. [4]

Материалы аэро- и космической съемки подвергают фотограмметрической обработке и дешифрированию.

Аэро и космическая съёмка — это регистрация (измерение) собственного или отраженного излучение с помощью специальной аппаратуры установленной на летательном аппарате.

Разделяют три вида регистрации электромагнитного сигнала:

- одномерное предполагает измерение излучения в дискретных точках и по уровню сигнала определяют те или иные качественные состояния объекта (наличие гумуса, засоленности и т д).

- двумерное измерение или измерение двумерного пространства в результате получают двумерную картинку.

- трехмерное регистрация по трем направлениям.

Конечная цель фотограмметрической обработки снимков — преобразование из в заданную картографическую проекцию местности. В Российской Федерации, как известно, такой проекций является проекция Гаусса-Крюгера.

Фотограмметрическая обработка снимков представляет собой преобразование в заданную картографическую проекцию местности. Преобразования снимков в проекцию Гаусса-Крюгера требуют выполнения громоздких вычислений. При крупномасштабном картографировании проекция Гаусса- Крюгера как математическая основа топографической карты часто заменяют на близкую к ней по геометрическим свойствам ортогональную проекцию.

Фотограмметрическая обработка одиночного снимка состоит из нескольких этапов:

- подготовительные работы;

- ввод изображения;

- векторизация и корректировка векторизованного изображения;

- трансформирование векторизованного изображения;

- объединение (сшивка) трансформированных снимков или их фрагментов;

- создание контурного плана. [5]

На подготовительном этапе производится подбор негативных снимков, существующих топографических планов и карт на объект работ. Также определяют паспортные данные аэро фото аппарата (элементы внутреннего ориентирования, данные о дисторсии объектива) и параметры аэрофотосъёмки (масштаб и высоту фотографирования).

В качестве исходного изображения при фотограмметрической обработке можно использовать негативы аэрофильма, дешифрированные снимки или их увеличенные фрагменты.

Для получения цифрового изображения производится сканирование. Сканирующее устройство выбирают по ряду критериев: необходимые технические характеристики (разрешающая способность, позиционная точность) и покупательной способности, т е соотношение цены/ производительности.

Для перехода от цифрового растрового изображения к векторному изображению производят процедура векторизации.

Существует три варианта векторизации:

- в ручном способе с помощью дегетайзера определятся координаты точки.

- полуавтоматический способ определения координат

- автоматический способ определения координат

Корректировка векторизованного изображения необходима для чтобы, исключить погрешности процесса векторизации. Такими погрешностями могут оказаться незамкнутый контур, двойные линии границ, выходы границ в точках пересечения и т. п. Корректировка выполняется автоматически. Оставшиеся после этого погрешности устраняются оператором.

Далее следует процесс трансформирования. Для опорных точек создают текстовый файл из геодезических координат. Кроме того, оператор вводит при необходимости приближенные значения элементов внешнего ориентирования снимка. Контролем решения задачи ориентирования снимка являются остаточные расхождения в геодезических координатах опорных точек. При допустимых расхождениях на опоре переходят к решению прямой фотограмметрической засечки для всех точек векторизованного изображения.

Прямая фотограмметрическая засечка позволяет нам вычислить по измеренным на снимке координатам точки и известным элементам, полученным из обратной фотограмметрической засечки геодезические координата точки местности.

При решении прямой фотограмметрической задачи возникает необходимость в том, чтобы задать высотную координату, которую мы задаем на снимке.

Полученные трансформированные снимки или их увеличенные фрагменты объединяются в общее электронное изображение (сшиваются). По линиям соединения снимков могут возникать расхождения в плановом положении одних и тех же контуров. Расхождения считаются допустимыми, если они не превышают 1 мм в масштабе создаваемого плана. Если расхождения не входят в допуск, то возникает необходимость выполнять сводку контуров по границам объединяемых изображений аналогично процедуре сводки по планшетам при геодезической съемке.

Результатом объединения является получение единого трансформированного электронного изображения на всю картографируемую территорию или ее часть.

Следующим этапом работы является присвоение условных знаков по материалам дешифрирования каждому выделенному контуру. После этого в автоматическом режиме выполняется разделение единого плана на планшеты в соответствии государственной разграфкой, принятой для данного определенного масштаба.

Дешифрирование - метод исследования территории по ее аэро- и космическим изображениям, который заключается в обнаружении, распознавании, определении их границ, качественных и количественных характеристик с последующим отображением условными знаками.

Дешифрирование материалов дистанционного зондирования Земли (космоснимков) проводится такой с целью, что бы получить информацию о пространственном размещении географических объектов, занимаемых ими площадях, а также выявления динамики и особенностей функционирования таких объектов. [6]

При недостаточной дешифрируемости снимка применяют следующие приемы: увеличение изображения, повышение его контрастности, фильтрация и др.

По экономическим соображениям съёмку выгодно выполнять в масштабе более мелком, чем масштаб картографирования.

В зависимости от задачи, решаемой в ходе дешифрирования космоснимков, различают: общее дешифрирование (комплексное, или общегеографическое) и отраслевое (тематическое, или специальное) космоснимки.

Общее дешифрирование включает разновидности: топографическое и ландшафтное. Разновидностей отраслевого хозяйства довольно много: геологическое, геоморфологическое, почвенное, лесное, гидрологическое и др.

Схема дешифрирования представляет собой следующие этапы работ:

- подготовительный этап;

- камеральное дешифрирование и контроль производимых работ;

- полевое обследование территории и контроль выполнения работы;

- сдача продукции.

Подготовительный этап:

- подбор материалов для дешифрирования;

- ограничение рабочих площадей;

- выбор четных или нечетных снимков, на которых ограничивается рабочая площадь, а соседние снимки используем для получения стереоэффекта. В зоне тройного перекрытия находятся контурные точки, которые определяют границу рабочей площади. При таком способе ограничения рабочая площадь будет занимать практически весь снимок.

- производится подбор старых материалов, например, на данную территорию подбираются старые планы и карты различных масштабов, материалы старого дешифрирования, результаты различных обследований, планы использования земель.

- этап подготовки осуществляется высококвалифицированными специалистами, хорошо знакомые с технологией дешифрирования и имеющие большой опыт работ в данной категории.

Камеральный этап:

Все объекты подлежат дешифрированию и отображению на снимках, при условии достоверного дешифрирования наносятся на материал. Сомнительные объекты дешифрируются в поле.

Контроль дешифрирования выполняется на протяжении все процесса. Выделяют следующие виды контроля выполнения работ:

- самоконтроль;

- контроль со стороны руководителя (Данный контроль осуществляется с целью определения правильности тематического дешифрирования. Все замечания исправляются исполнителем дешифрирования.);

- контроль со стороны ОТК;

- контроль при сдаче продукции.

К выходным данным по результатам дистанционного зондирования относят карты и планы.

В результате дистанционного зондирования получают планы и карты различной тематической направленности и решающие задачи в какой-либо отрасли.

К результатам дистанционного зондирования относится цифровая модель местности. Она представляет собой многомерную цифровую запись информации о местности на магнитном носителе. Цифровая модель местности является базой для создания широкого спектра картографической продукции, используемой в различных областях.

Материалы, полученные в результате выполнения аэро- и космических съёмок, используют при решении разнообразных задач изучения земной поверхности. По снимкам, полученным с воздушных или космических носителей, изготавливают карты и планы. Изготовленные карты и планы используются в кадастре и землеустройстве, с их помощью определяют геодезические координаты, границ изучаемых объектов, их принадлежности к соответствующему классу, а также их качественные характеристики.

Список использованной литературы

1. Ромашова Л.А. Основы тематической картографии [Текст]: учеб. Метод. Пособие /Л.А. Ромашова, О.Н. Николаева. - Новосибирск: СГГА, 2013. -86 с.

2. Лурье И.К. Геоинформационное картографирование. Методы геоинформатики и цифровой обработки космических снимков/Учебник. — М.: КДУ, 2016. — 422 с.

3. Сойфер В.А. Теоритические основы цифровой обработки изображений/ В.А.Сойфер, В.В. Сергеев, С.Б.Попов, В.В.Мясников.- Самарский государственный аэрокосмический университет, Самара, 2016. -256 с.

4. Учаев Д.В., Учаев Дм.В. Разработка онтологии семантического содержания мультимасштабных электронных топографических карт. Часть 1. Теоретические предпосылки и методологические аспекты/ Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2017. № 1. С. 53-61.

5. Учаев Д.В., Учаев Д.В., Малинников В.А. Классификация гиперспектральных изображений с использованием мультифрактальных признаков и метода опорных векторов/ Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2018. Т. 62. № 5. С. 558562.

6. Маргалитадзе О.Н., Горбунов В.С. Особенности развития мировой экономики и внешнеэкономической деятельности в условиях глобализации и регионализации: монография / Издательство: НАучный консультант, 2019. - 170 с.

7. Фомин А.А. Совершенствование организационно-экономических механизмов регулирования земельных отношений в аграрной отрасли российской федерации: монография / Издательство: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Государственный университет по землеустройству, 2018. - 556 с.

8. Тенденции и проблемы развития земельного законодательства. Материалы к Парламентским слушаниям Совета Федерации Федерального Собрания Российской Федерации и к Столыпинским чтениям в Государственном университете по землеустройству 19 апреля 2018 года. Под общ. ред. С.Н. Волкова, А.А Фомина / Издательство: Государственный университет по землеустройству, 2018. - 272 с.

9. Хабарова И.А., Хабаров Д.А., Алтынбаев Т.Р., Бляблин А.А., Родовниченко С.Ю. Информационное обеспечение эффективного сельскохозяйственного землепользования «Международный журнал прикладных наук и технологий «Integral» №2/2018.- 14 с.