ТЕХНОЛОГИИ

Представьте, что на балансе вашего предприятия имеются джинн, фотоаппарат и ковер-самолет. Несмотря на некоторую необычность оборудования, все вышеназванное может оказаться весьма полезным в хозяйстве. Так, джинна можно заставить взлететь повыше и сфотографировать некий участок земной поверхности, дабы после, на основании подробных снимков, составить карту местности. Или надеть на него противогаз и командировать в зону лесного пожара, чтобы с большой высоты сфотографировать территорию, объятую огнем. А если удастся уговорить капризного джинна барражировать над зоной стихийного бедствия, делая снимки через каждые несколько часов, то динамика пожара будет как на ладони. Тот же алгоритм (за исключением противогаза) применим и при наводнении. Выдав джинну шубу, шапку и рацию, можно послать его и на север. Представьте себе, что факир на ковре-самолете летит впереди ледокола, фотографируя торосы и выявляя наиболее тонкий лед, а корабль, используя информацию о ледовой обстановке, тратит на дорогу вдвое меньше времени и втрое меньше топлива. Если джинн запросит слишком большую зарплату, его можно снова затолкнуть в бутылочку, а ковер отправить на орбиту, снабдив его передатчиком, а фотокамеру - автоспуском.

И вот сидите вы в своем кресле, а на рабочий стол регулярно поступают карты, выполненные на основании снимков, сделанных летучим ковром из космоса. И ничего от вас не спрячется и не скроется, и решение вы сможете принять верное, потому что владеете объективной и актуальной информацией.

Что такое ДДЗ и какие они бывают

Под дистанционным зондированием (ДЗ) подразумевается сбор информации о Земле, включая расположенные на ней объекты, без непосредственного контакта с поверхностью путем регистрации ее электромагнитного излучения (http://www.dataplus.ru/WIN/ARCREV/Number_17/3_Svoistva.htm). Так как дистанционное зондирование - это косвенный метод получения сведений о том, что расположено на земной поверхности, то для извлечения из собранных данных содержательной информации дополнительно требуются специальные методы обработки данных ДЗ (ДДЗ).

Температура поверхности воды Мирового океана, полученная спутником NOAA

Наиболее распространенный вид ДДЗ - снимки земной поверхности, сделанные различными способами и в разных спектральных диапазонах. Снимки позволяют не только выявлять всевозможные явления и объекты, но и оценивать их количественно. При проведении тематического анализа снимки часто используются совместно с пространственными данными из других источников - цифровыми топографическими и тематическими картами, схемами городов, внешними базами данных.

Съемочную аппаратуру можно размещать на различных платформах - спутниках, самолетах, вертолетах, аэростатах. На одной платформе может располагаться несколько съемочных устройств (датчиков). Чем ближе к изучаемому объекту находится платформа с датчиком, тем больше будет детализация снимков, но одновременно получаемые изображения будут иметь меньший охват.

Для получения ДДЗ применяются разнообразные технологии. Так, регистрироваться может как собственное излучение земной поверхности, так и отраженное излучение других источников - Солнца или самой съемочной аппаратуры: радаров и лидаров. В последнем случае часто используется когерентное излучение, позволяющее регистрировать не только интенсивность обратного рассеяния от земной поверхности, но и его поляризацию, фазу и доплеровское смещение, что обеспечивает получение дополнительной информации. Очевидно, что использование активных датчиков не зависит от времени суток, но требует при этом значительных энергозатрат.

Пригород Москвы (аэропорт Шереметьево)

- снимок получен спутником Landsat-7

Возможность обнаружить и оценить характеристики того или иного явления, объекта или процесса определяется пространственной, спектральной и временной разрешающей способностью датчика.

Пространственное разрешение характеризует размер наименьших объектов, различимых на изображении. В зависимости от решаемых задач могут использоваться данные низкого (более 100 м), среднего (10-100 м) и высокого (менее 10 м) разрешений. Обзорные снимки имеют низкое пространственное разрешение, но позволяют одномоментно охватывать значительные территории - вплоть до целого полушария. Такие данные широко используются в метеорологии. Снимки среднего пространственного разрешения на сегодня являются наиболее доступным источником данных для мониторинга природной среды. Съемка высокого разрешения из космоса до недавнего времени велась почти исключительно в военных целях, а с воздуха - для топографического картографирования. Однако уже существует несколько коммерческих космических систем высокого разрешения, позволяющих проводить пространственный анализ с большей точностью или уточнять результаты анализа, выполненного по данным более низкого разрешения.

Спектральное разрешение определяет возможность измерять уровни излучения земной поверхности на нескольких различных частотах. Весь диапазон длин волн, используемых в практике ДЗ, можно разделить на три участка: видимый свет и ближнее инфракрасное излучение; тепловое инфракрасное излучение; микроволновое излучение. Наиболее широко распространены снимки в видимом свете и ближнем инфракрасном излучении.

Лесной пожар в районе реки Северная Двина

(снимок получен спутником “Ресурс 01-3”)

Обычная панхроматическая оптическая съемка ведется сразу во всем видимом диапазоне, многозональная - в нескольких узких зонах спектра. При прочих равных условиях панхроматические снимки обладают более высоким пространственным разрешением, они подходят для решения топографических задач и уточнения границ объектов. Многозональные снимки чаще используются для классификации свойств поверхности Земли.

Тепловое излучение несет основную информацию о температуре земной и морской поверхности и используется для определения влажности почвы, характеристик снежного покрова, изучения взаимодействия океана и атмосферы. Поскольку тепловое излучение создается самими объектами, для проведения съемки не нужен солнечный свет. Получение космических тепловых снимков высокого пространственного разрешения технически затруднительно, поэтому сегодня доступны снимки с разрешением около 100 м. Классическими примерами применения таких снимков являются прогнозирование урожая и предупреждения о штормах и ураганах.

Для получения снимков земной поверхности в микроволновом диапазоне используются так называемые радиолокаторы с синтезированной апертурой. Важнейшее преимущество снимков этого класса - в их всепогодности. Поскольку радар регистрирует собственное излучение, отраженное земной поверхностью, для его работы не требуется солнечный свет. Кроме того, радиоволны этого диапазона свободно проходят через сплошную облачность и даже способны проникать в почву на некоторую глубину.

Метеорологическая карта Дальнего Востока,

полученная спутником GMS

Наконец, временное разрешение определяет, с какой периодичностью могут быть получены снимки одного и того же участка земной поверхности. Этот параметр весьма важен для мониторинга чрезвычайных ситуаций и других быстро развивающихся явлений. Большинство спутников ДЗ обеспечивают повторную съемку через несколько дней, некоторые - через несколько часов. В критических случаях могут использоваться снимки с различных спутников, однако нужно иметь в виду, что заказ и доставка сами по себе могут потребовать некоторого времени.

Может показаться, что без обширных познаний в физике, математике, теории ДЗ простому смертному - пользователю или разработчику ГИС - использовать ДДЗ сложно. Ничуть не бывало - это как раз тот случай, когда летая на самолете, не обязательно знать, как он устроен и почему, собственно, летает, хотя он и тяжелее воздуха.

Что касается стоимости ДДЗ, то на нее влияют выбор спутника, источник данных (будут ли они взяты из архива, или съемку нужно заказывать), уровень обработки снимков, объем заказа и т. п. Обобщая, можно сказать, что цена снимков варьирует от нуля до десятков долларов за квадратный километр.

Системы дистанционного зондирования

Существуют системы ДЗ, данные с которых можно получать по Интернету бесплатно, - как правило, это метеорологические спутники с низким пространственным разрешением (1 км и менее) - METEOSAT (www.nottingham.ac.uk/meteosat), GOES (www.goes.noaa.gov), GMS (http://rcwb.ihas.nagoya-u.ac.jp/~minda/gms/gms-image.htme или http://gcmd.gsfc.nasa.gov/resourses/pointers/sat.html). Большую популярность приобрели бесплатные данные со спутников NOAA (www.saa.noaa.gov). Серьезным конкурентом NOAA может стать сенсор MODIS, установленный на запущенной в прошлом году платформе TERRA (http://visibleearth.nasa.gov/sensors/terra/MODIS.html). Из коммерческих спутников с высоким пространственным разрешением наибольшей популярностью пользуются системы Landsat и SPOT (www.dataplus.ru/WIN/ARCREV/Number_17/2_Data.htm).

Появление на рынке ДДЗ данных с Landsat-7, запущенного в 1999 г., стало заметным событием и задало новый стандарт стоимости подобных данных - 600 евро (плюс 90 евро за доставку) за сцену 180ґ183 км. По некоторым сведениям, для российского потребителя сцена обходится раза в два дороже, что, впрочем, не мешает активному росту популярности этих данных в нашей стране.

Полуостров Крым (снимок получен спутником TERRA)

Несмотря на очевидные успехи программы Landsat, французская система SPOT, космический сегмент которой состоит из трех аппаратов: Spot - 1, 2 и 4, продолжает занимать одну из лидирующих позиций на мировом рынке ДДЗ. Пространственное разрешение данных SPOT составляет 10 м при панхроматической съемке и 20 м - при многозональной. В конце нынешнего года планируется запуск системы нового поколения SPOT-5. Его пространственное разрешение увеличено более чем в два раза (10 м в режиме многозональной съемки, 5 м - в панхроматической). Еще один популярный источник цифровых данных, правда, не получивший в России широкого распространения, - индийская система IRS. Для подбора и заказа данных Landsat-7 и SPOT на интересующую вас территорию можно воспользоваться услугами фирм “Дата+” (www.dataplus.ru) и “СканЭкс” (www.scanex.ru).

Одним из наиболее заметных событий последнего времени на рынке ДДЗ стало появление данных сверхвысокого пространственного разрешения, таких, как со спутника IKONOS-2, запущенного осенью 1999 г. (его коммерческая эксплуатация началась в первой половине 2000 г.) и обладающего метровым пространственным разрешением в панхроматическом режиме и 4-метровым в многозональном.

Радарные данные представлены на рынке в основном данными с систем Radarsat (www.rci.ca) и ERS (www.eurimage.com). Radarsat позволяет проводить съемку с высоким разрешением (8 м против 30 м у ERS) и в большем числе режимов. Соответственно и цена его данных выше. Из архивных радарных данных интерес могут представлять снимки, поученные японской системой JERS-1 (www.eurimage.com).

Большой популярностью в России и в мире пользуются данные, получаемые с российского спутника “Комета”. На нем установлены фотографические камеры КВР-1000 (разрешение 2 м) и ТК-350 (разрешение 10 м). Последний успешный полет “Кометы” прошел в сентябре - ноябре 2000 г. Заказать данные, полученные с этого спутника, можно в компаниях “Совинформспутник” (www.sovinformsputnik.com) и “Дата+”. В России популярны также данные, получаемые со спутников “Ресурс-Ф” и “Ресурс-О” (качество работы последнего в настоящее время стало весьма нестабильным, что особенно досадно, поскольку данные с находящихся на “Ресурсе-О” многозональных сенсоров МСУ-Э (разрешение 35-45 м) и МСУ-СК (разрешение около 150 м) широко использовались во многих организациях, в том числе благодаря возможности их оперативного приема на персональную приемную станцию, поставляемую фирмой “СканЭкс”).

ПО для обработки ДДЗ

Для обработки данных дистанционного зондирования применяются специальные средства (http://www.dataplus.ru/WIN/ARCREV/Number_17/2_Data.htm). Например, программный комплекс ERDAS Imagine, созданный компанией ERDAS (www.erdas.com). Эта система позволяет корректировать, обрабатывать и анализировать снимки. Встроенные средства классификации дают возможность проводить дешифрирование изображений, а инструменты на основе экспертных систем позволяют формировать базы знаний для проведения комплексного дешифрирования изображений, что существенно повышает эффективность и точность их обработки.

Модульный принцип построения системы дает возможность формировать свою конфигурацию для каждой задачи. Базовые комплекты ERDAS Imagine обеспечивают функциональность, необходимую практически всем пользователям. Сюда входят прежде всего средства геометрической коррекции и географической привязки снимков, средства тематического дешифрирования и пространственного анализа, инструменты подготовки бумажных карт. Дополнительные модули (VirtualGIS, OrthoBASE, Stereo Analyst, Subpixel Classifier и Radar Mapping Suite) позволяют решать более специализированные задачи.

VirtualGIS - это инструмент трехмерной визуализации географических данных. Он позволяет с максимальной реалистичностью отобразить данные географических карт и аэрокосмических снимков, а также дополнять их графикой и трехмерными моделями объектов любой сложности. С помощью этого ПО можно не только обозревать местность в различных ракурсах, но и выполнять виртуальные пролеты и проезды по ней, записывая “по дороге” видеоролики. Функции работы с водными объектами дают возможность моделировать наводнения, прорывы дамб с отображением зон и объемов затопления и выдачей численных характеристик ситуации. От таких пакетов трехмерной визуализации, как 3D Studio, VirtualGIS отличает то, что в ней используются реальные цифровые карты и ДДЗ, имеющие точную графическую привязку, а запросы выполняются в географических координатах. Работа VirtualGIS автоматически синхронизируется с отображением ситуации на традиционной двухмерной карте, визуализация сцены может учитывать положение солнца на заданный день и час, а также метеорологические условия. VirtualGIS находит все большее признание у градостроителей, экологов, проектировщиков транспортных систем и даже у турфирм, предоставляющих клиентам возможность совершить виртуальные путешествия по предлагаемым маршрутам, чтобы выбрать для себя маршрут реальный.

Создание цифровых ортофотопланов по данным блочной аэросъемки выполняется модулем OrthoBASE, а дешифрирование стереопар - модулем Stereo Analyst. Модуль Expert Classifier использует для обработки данных ДЗ экспертные системы, а модуль Subpixel Classifier позволяет не просто отнести участки земли к тому или иному классу (лес, почвы, водные поверхности, урбанизированные территории и т. д.), но и определить процентное содержание каждого класса на участках их смешения. Встроенные алгоритмы позволяют определять процентное содержание различных видов растений, а также стадию созревания сельскохозяйственных культур.

Для широкого круга специалистов, работающих с настольными ГИС, компания ERDAS разработала модуль Image Analysis, предоставляющий пользователям ArcView GIS базовые возможности визуализации и обработки ДДЗ.

Версия для печати