Применение спутниковых данных в сфере экологического мониторинга и тематического картографирования
Рисунок 1 – Композитное изображение на основе данных спутника Suomi NPP
Спутниковые данные играют немаловажную роль при картографировании территорий. Существующие данные дистанционного зондирования Земли (далее ‒ ДЗЗ) используются как для топографического, так и для тематического картографирования. Тематический картографический продукт – это результат проведения тематического дешифрирования, классификации и пространственного анализа, выполняемого экспертом с применением технологий дистанционного зондирования Земли и геоинформационных технологий. Его создание можно назвать завершающим этапом в процессе использования материалов спутниковой съемки. При картографировании осуществляется выявление искомых объектов и их параметров на основе оптимальных комбинаций спутниковой съемки. Результатом тематического картографирования может являться карта любой тематической направленности.
В рамках реализации проекта «Внедрение инноваций Программы «Коперникус» для сферы охраны окружающей среды и обеспечения безопасности в регионе Балтийского моря» (R036, Speeding up Copernicus Innovation for the BSR Environment and Security, BalticSatApps), Программа трансграничного сотрудничества «Интеррег. Регион Балтийского моря» на период 2014-2020 годов было проведено исследование «Картографирование основных нужд и требований пользователей Программы «Коперникус». В ходе анализа результатов исследования был определен список основных прикладных задач, которые решаются в сфере картографирования территорий:
-
создание и обновление картографической основы на территорию;
-
определение глубин водоемов;
-
картографирование рельефа местности;
-
определение изменений границ антропогенных объектов;
-
тематическое картографирование (картографирование лесных массивов, с/х угодий).
Для решения тематических задач в сфере тематического картографирования применяются многовременные серии снимков / тематических продуктов, для мониторинга объектов и анализа динамики их изменений на определенный период времени. При этом применяются как оптические, так и радарные данные высокого пространственного разрешения.
Возможности использования данных ДЗЗ
Использование данных ДЗЗ в сфере картографирования территорий предоставляет широкие возможности для упрощения и улучшения рабочего процесса. Космические данные дают преимущество при решении многих тематических задач, среди которых можно назвать следующие:
-
мониторинг и управление территорией;
-
соблюдение законодательства;
-
оценка привлекательности земли для инвестиций;
-
контроль за строительством объектов.
Примеры из российской практики
1) Один из главных источников данных для сервиса Яндекс.Карты — спутниковые снимки. Получая маску по спутниковому снимку, разработанные нейронные сети выделяют достаточно большие скопления точек, принадлежащих домам, собирают их в связные области и представляют границы областей в векторной форме в виде многоугольников.
Рисунок 2 ‒ Работа нейросетей Яндекс со спутниковыми данными при тематическом картографировании
2) Примером успешного применения данных ДЗЗ в сфере картографирования территорий является проект, направленный на развитие фонда пространственных данных Ленинградской области. Целью проекта является развитие инфраструктуры пространственных данных в целях формирования единого геоинформационного пространства Ленинградской области.
В рамках проекта лабораторией информационных технологий в системном анализе и моделировании Санкт-Петербургским Федеральным исследовательским центром Российской академии наук выполнены разработки по 3 направлениям:
1. Создание аналитического модуля определения (расчета) и построения связанностей между пространственными объектами в ФПД.
2. Создание модуля автоматического выявления изменений на территории на основе обработки материалов космической съемки.
3. Создание подсистемы каталогизации и заказа космических снимков, включающей модули каталогизации, заказа и обработки снимков с космических аппаратов «Ресурс-П» и «Канопус-В».
Ссылка на проект: https://litsam.ru/index.php/ru/portfolio/fpd-lo
Экологический мониторинг
Рисунок 3 ‒ Концентрация мелкодисперсных частиц PM 2,5 в небе над Сибирью. 30 июня 2020 года. Фото: Windy.com
В связи с возрастающими масштабами антропогенного воздействия на природу повышается актуальность проведения объективного экологического мониторинга. Использование космических снимков в данном случае позволяет добиться полного единовременного охвата территории, провести экологическую оценку не только в пределах отдельных пунктов наблюдений, но и на любом выбранном участке, независимо от его удаленности и транспортной доступности. Данные дистанционного зондирования Земли позволяют дать оценку современному экологическому состоянию запрашиваемой территории с учетом природных катаклизмов, например, пожары, наводнения, загрязнение водоёмов, а также дать прогноз будущим катаклизмам, например, таяние ледников, состояние лесов, опустынивание и т.д. Помимо этого, за счет широкого территориального охвата у специалистов появилась возможность провести экологический мониторинг как на конкретный участок территории, так и в более широком охвате.
Спутниковый мониторинг осуществляется практически непрерывно, что позволяет оследить изменения и динамику экологических процессов.
Экологический мониторинг на основе применения ДЗЗ отвечает требованиям существующих экологических стандартов и нормативов.
В ходе анкетирования, проводившемся в рамках исследования «Картографирование основных нужд и требований пользователей Программы «Коперникус» респонденты назвали следующие прикладные задачи, при решении которых в своей профессиональной деятельности они используют спутниковые данные:
-
оценивание границ гарей;
-
выявление участков загрязнения акваторий;
-
определение степени зарастания (трофности) водоемов;
-
определение изменений границ свалок;
-
выявление изменений границ экосистем.
Для решения указанных задач специалисты используют отдельно взятые космические снимки / тематические продукты на конкретные даты для единовременного определения границ экосистем и многовременные серии снимков / тематических продуктов для мониторинга объектов и анализа динамики их изменений на определенный период времени. При этом применяются как оптические, так и радарные данные высокого пространственного разрешения.
Возможности использования данных ДЗЗ
Космические данные предоставляют определенные возможности и преимущества для специалистов, работающих в сфере экологического мониторинга. Ниже приведен список областей, рабочие процессы которых можно значительно улучшить при помощи данных ДЗЗ:
-
управление развитием территорий;
-
соблюдение законодательства;
-
соблюдение экологических норм;
-
обеспечение экологической безопасности производства.
Примеры из российской практики
1) ОАО «Газком» (дочернее предприятие ОАО «Газпром») совместно с Ракетно-космиечской корпорацией «Энергия» разрабатывает технологически новую для Росии космическую систему наблюдения и картографирования «СМОТР» (Система Мониторинга Трубопроводов), предназначенной для всепогодного, не зависящего от времени суток наблюдения и картографирования объектов и территорий с целью информационного обеспечения решения широкого круга задач нефтегазовой отрасли, основой которой является ОАО «Газпром». Разработанная система внесет вклад в обеспечение комплексной безопасности, включающей экологическую защиту окружающей среды.
Рисунок 4 ‒ Использование космических систем наблюдения в нефтегазовой отрасли с целью защиты окружающей среды.
2) Примером успешного использования данных ДЗЗ в сфере экологического мониторинга является научно-исследовательская работа, посвященная комплексному моделированию и космическому мониторингу природных и техногенных объектов: V.F. Mochalov, A.V. Markov, O.V. Grigorieva, D.V. Zhukov, O.V. Brovkina, I.Y. Pimanov. Remote Sensing for Environmental Monitoring. Complex Modeling //Advances in Intelligent Systems and Computing vol. 466, Springer International Publishing Switzerland, 2016, pp. 497-506. https://doi.org/10.1007/978-3-319-33389-2_47
3) Тематический сервис, основанный на данных наблюдения Земли – система оперативного мониторинга СКАНЭКС, проект «Карта пожаров».
Рисунок 5 – Стартовая страница сайта «Карта пожаров»
Система оперативного мониторинга природных пожаров базируется на основе сети приемных центров российской компании СКАНЭКС. Главная цель сервиса ‒ доведение результатов мониторинга пожаров до широкого круга заинтересованных пользователей. Проект ориентирован как на обычную интернет-аудиторию, так и на специалистов. В качестве базовой компоненты сервиса используется технология, основанная на алгоритме автоматического детектирования пожаров по «тепловым» каналам спутниковой съемки.
Компания СКАНЭКС ведет прямой прием этих данных на станции в приемных центрах в Москве, Мегионе, Иркутске и Магадане. Принятые данные поступают в автоматическую цепочку обработки и подготовки продуктов, которая включает стадию первичной обработки данных, создание на основе базовых продуктов космической съемки тематических продуктов высокого уровня (таких как маски ледового и снежного покровов, маска облачности, температура поверхности, пожары и тепловые аномалии), подготовку продуктов для интернет-доступа и публикацию в портале.
Ссылка на сервис: https://fires.ru/
Источники
1) Беленко, В. В. Анализ данных дистанционного зондирования (ДДЗ), применяемых для ландшафтно-экологического картографирования // Молодой ученый. — 2009. — № 10 (10). — С. 34-36. — URL: https://moluch.ru/archive/10/741/
2) NASA Earth Observatory. Night Lights 2012 Map [Электронный ресурс] ‒ Режим доступа: https://earthobservatory.nasa.gov/images/79765/night-lights-2012-map
3) Исследование «Картографирование основных нужд и требований пользователей Программы «Коперникус», проведенное в рамках реализации проекта «Внедрение инноваций Программы «Коперникус» для сферы охраны окружающей среды и обеспечения безопасности в регионе Балтийского моря» (R036, Speeding up Copernicus Innovation for the BSR Environment and Security, BalticSatApps), Программа трансграничного сотрудничества «Интеррег. Регион Балтийского моря» на период 2014-2020 годов.
4) Компания СКАНЭКС. Тематическое картографирование. URL: https://www.scanex.ru/service/kartografiya-i-deshifrirovanie/tematicheskoe-kartografirovanie/
5) Как превратить спутниковые снимки в карты. Компьютерное зрение в Яндексе. URL: https://habr.com/ru/company/yandex/blog/431108/
6) Развитие фонда пространственных данных Ленинградской области. URL: https://litsam.ru/index.php/ru/portfolio/fpd-lo
7) Компания СОВЗОНД. Экологический мониторинг. URL: https://sovzond.ru/industry-solutions/ecology/
8) V. F. Mochalov, A. V. Markov, O. V. Grigorieva, D. V. Zhukov, O. V. Brovkina, I. Y. Pimanov. Remote Sensing for Environmental Monitoring. Complex Modeling. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-319-33389-2_47
9) Тематический сервис «Карта пожаров» [Электронный ресурс] ‒ Режим доступа: https://fires.ru/
10) Использование космических систем наблюдения в нефтегазовой отрасли. Газпром. Космические системы. URL: https://www.gazprom-spacesystems.ru/ru/m/news/8645/
