Изображения, получаемые с помощью различных систем дистанционного зондирования Земли находят применения во многих практических прикладных задачах народного хозяйства. Появление космических аппаратов, осуществляющих съемку поверхности Земли на регулярной основе, дает возможность проведения как оперативной съемки, так и накопления обширных архивов данных дистанционного зондирования из космоса. К настоящему времени почти вся поверхность земной суши и значительная часть водной поверхности зафиксирована спутниковой съемкой при различных условиях наблюдения (времени года, времени суток, облачности и т.д.).
Пространственное разрешение современных сенсоров невоенного назначения достигает десятков сантиметров, что позволяет решать задачи, выполнимые ранее только методами аэрофотосъемки или полевыми исследованиями.
Многие задачи обработки данных дистанционного зондирования, особенно оперативной обработки, были недоступными для Кыргызстана в виду отсутствия космической промышленности и собственных спутников для получения многоспектральных пространственно-распределенных данных высокого разрешения для своей территории.
С 2013 года в ИФТПиМ НАН КР проводятся исследования фундаментальных основ, разработка единой технологии использования данных ДЗЗ и их хранения, создан архив снимков территории Кыргызстана[1], полученных с различных спутников, в том числе США, КНР, РФ и Казахстана объемом более 3 Терабайт.
Однако обладание информацией, пусть сколь угодно обширной, не есть обладание знаниями. Для решения каждой конкретной задачи необходимы свои, зачастую весьма специфические, методы обработки и анализа. Учитывая объемы и специфику данных, получаемых с космических аппаратов, решение поставленных задач невозможно без применения современных компьютерных технологий. В связи с эти на первый план выходит вопрос наличия математического и программного обеспечения систем обработки данных ДЗЗ.
Кроме того, спутниковые снимки в их исходном виде не могут быть использованы для тематического дешифрирования, поскольку содержат помехи и искажения (как геометрические, так и радиометрические), не привязаны к местности и не отражают полезные для конкретной задачи информацию. Эти данные получаются с использованием и анализом различных физических свойств для решения данной конкретной задачи и поэтому нуждаются в предварительной обработке. Особенности спутниковых снимков и их дешифровочных признаков требуют интегрированного разнохарактерного математического описания и программного обеспечения для их обработки, распознавания и классификации.
Подавляющее большинство данных дистанционного зондирования имеет географическую привязку. Поскольку такие данные изучают, как правило во взаимосвязи друг с другом, то для анализа и принятия решений необходимо иметь эффективное средство манипулирования данными. Таким автоматизированным средством является географическая информационная система – инструмент единого подхода к управлению и обработке пространственной информации, включая и материалы дистанционного зондирования.
Полученные данные, соответствующие алгоритмы и программы обработки, способы доступа и хранения интегрируются в географической информационной системе (ГИС). В целом ГИС является результатом объединения различных технологий обработки данных. Обычно для работы ГИС необходимы следующие компоненты: 1) рабочая станция с установленной операционной средой, 2)специализированное программное обеспечение 3) пространственно-распределенные данные (изображения) и программы их обработки, 4) специализированая память изображений, 5) экспериментальные данные измерений и программы их обработки, 6) реляционные и иерархические базы данных о характеристиках объектов ГИС и др.
Такая ГИС «Цифровой Кыргызстан» разрабатывается в Центре наблюдения Земли и цифровая Земля ИФТПиМ НАН КР [2]. Эта ГИС содержит все упомянутые выше компоненты. Данные в ГИС поступают в реальном времени с китайских спутников HJ-1A и HJ-1B, а также американского Landsat-8 из Центра данных Института дистанционного зондирования Земли Китайской академии наук. Кроме того, нам открыт доступ к информационным ресурсам Казахского ОАО «Казакстан гарыш сапары» для получения многоспектральных данных с высоким разрешением. Эти данные сохраняются в нашей ГИС со специализированной памятью большого объема в необходимых для дальнейшей обработки форматах. В настоящее время в базе данных этой ГИС имеются спутниковые снимки Кыргызстана со спутников серии Landsat с 2009 года по настоящее время. Объем этой базы данных более 3 Терабайт. Накопление данных продолжается постоянно.
В результате выполненных на данном этапе работ создан комплекс программ, реализующий межведомственную обработку аэрокосмоснимков линейными и нелинейными методами для подготовки к дальнейшему тематическому дешифрированию. В комплексе реализованы базовые операции для решения прикладных задач ДЗЗ. Это комплекс соответствует основным требованиям, необходимым при обработке изображений:
- визуализация данных ДЗЗ;
- анализ мультиспектральных и гиперспектральных изображений;
- интерактивное дешифрирование и классификация объектов;
- анализ растительности с использованием вегетационных индексов (NDVI);
- улучшение качества изображений;
- поддержка широкого диапазона растровых и векторных форматов;
- обеспечение поддержки данных ДЗЗ, полученных с различных спутников
В данном программном комплексе модуль чтения данных ДЗЗ является инвариантным к спутнику, то есть программа определяет сама, данными какого спутника являются данные, когда произведена съемка, определяет и выделяется спектральные составляющие, координаты территории. Имеются также возможности выбора данных из базы по времени, по территории и дате. Пример фрагмента работы модуля чтения приводится на Рис.1.
Рис.1. Пример чтения данных ДЗЗ в ГИС «Цифровой Кыргызстан»
Вопросами использования данных ДЗЗ для прикладных задач экономики занимались исследователи в различных странах мира. В ГИС «Цифровой Кыргызстан» реализованы модули для выделения спектральных составляющих и манипулирование ими для тематического дешифрирования.
Например, для целей сельского хозяйства по данным ДЗЗ [3] выявляются на основе нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) и яркостной температуры подстилающей поверхности, а также различных комбинаций этих параметров. В качестве исходных данных для мониторинга засух чаще всего используются космические снимки низкого разрешения, с высокой повторяемостью съемки и длительным рядом наблюдений. Наиболее известными индексами, используемыми для мониторинга засухи на основе данных со спутников, являются индекс условий роста растительности (Vegetation Condition Index, VCI) и «индекс засухи» (Index of Drought).
NDVI характеризует плотность растительности, позволяет растениеводам оценить всхожесть и рост растений, продуктивность угодий. Индекс рассчитывается как разность значений отражения в ближней инфракрасной (NIR) и красной (Red) областях спектра, деленная на их сумму. В результате значения NDVI меняются в диапазоне от –1 до 1. Расчет индекса для каждого пиксела космического снимка по красной и ближней инфракрасной спектральным зонам позволяет получить производное изображение — карту NDVI. При этом, чем большее значение данного индекса, тем более яркая растительность и в лучшем состоянии она находится. Расчет NDVI, для любого пикселя на снимке, позволяет получить карту NDVI. С помощью карты NDVI проводится оценка вегетационного состояния земной поверхности, что необходимо для сельского хозяйства и экологического мониторинга.
Используя возможности ГИС «Цифровой Кыргызстан» можно составлять отчеты по состоянию растительности на определенный период вегетации, как например, на рис.2.
Данные дистанционного зондирования Земли являются также чрезвычайно важными для задач мониторинга полезных ископаемых [4]. Здесь также используются различные индексы, рассчитываемые по спектральным составляющим спутникового снимка. Так, например, для выявления содержания окислов железа используется индекс, получаемый как отношение значений в красном диапазоне к значениям в синем канале, а для расчета содержания глинистых минералов применяется отношение значений яркости в разных интервалах среднего инфракрасного канала. Выяление содержания оксида железа в почве основано на различии отражательной способности красноцветных минералов в красном (К) и зеленом (З) диапазонах, рассчитываемого как индекс красноцветности RI=R-G/R+G.
Технологии обработки данных ДЗЗ играют все большее значение для мониторинга водных ресурсов Кыргызстана[5], в том числе анализа состояния труднодоступных высокогорных ледников. С помощью инструментария разработанной ГИС «Цифровой Кыргызстан» можно выделить информацию для анализа данных гляциальных процессов: накопление и совмещение геоизображений и расчет на их основе объема и направления изменений ареалов ледников и горных озер, расчет скрытых характеристик объектов.
Рис.2. Состояние сельскохозяйственных культур по данным ДЗЗ.
Литература
- К.М.Жумалиев,Н.К.Джаманкызов,С.А.Алымкулов,К.К.Талыпов, Ж.А.Исмаилов и др. Инновационные технологии для развития экономики Кыргызской Республики. Труды международной научной конференции «Рахматуллинские-Ормонбековские чтения». – г.Бишкек, 2013.-с.7-16
- Talypov K.K., Akkozov A.Dj., Tilenbaeva N., Albreht A.S. About act data remote sensing for GIS “Digital Kyrgyzstan’ for rural economic and geological interpretation. – The second International Symposium on Earth Observation for arid and Semi-Arid enviorenment (ISEO-2014).Proceedings. –Issyk-Kul, 2014.-p.238-243.
- Talypov K.K., Amanova N.T. Identification signs with drought vegetation index NDVI Chui valley. – The second International Symposium on Earth Observation for arid and Semi-Arid enviorenment (ISEO-2014).Proceedings. –Issyk-Kul, 2014.-p.164-168.
- М.Ю.Жиленов. Обзор применения мультиспектральных данных ДЗЗ и их комбинаций при цифровой обработке. ГЕОМАТИКА, 2009, №3.
- К.К.Талыпов, А.Дж.Аккозов,Г.К.Алибаева. Исследования методов и технологий обработки данных ДЗЗ для мониторинга водных ресурсов Кыргызстана. Физика, 2013, №2.-с.146-151.[schema type=»book» name=»ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИС «ЦИФРОВОЙ КЫРГЫЗСТАН» ДЛЯ МЕЖВЕДОМСТВЕННОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДЗЗ» description=»В статье приводится описание ГИС «Цифровой Кыргызстан» и примеры использования данной ГИС для тематической обработки данных дистанционного зондирования Земли для задач сельского хозяйства, геологии и оценки состояния ледников. Обсуждаются также другие возможные применения.» author=»Талыпов Кубатбек Кемелович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-05″ edition=»euroasia-science.ru_29-30.12.2015_12(21)» ebook=»yes» ]