Тема 18. Застосування дистанційних засобів зондування Землі в топографії і картографії

 

Вид заняття: лекція

Час: 2 години

 

Навчальні питання:

 

1. Аерофотознімки і прийоми роботи з ними.

2. Роль дистанційного зондування Землі в географічних дослідженнях.

 

 

Література

1. Артамонов Б.Б., Штангрет В.П. Топографія з основами картографії: Навчальний посібник. – Львів: Новий Світ-2000, 2006. –248 с.

2. Картография с основами топографии, Часть II. Под. ред. А.В. Гедымина, М: - «Просвещение», 1973, 247 с.

3. Шмаль С.Г. Військова топографія: Підруч. для слухачів і курсантів вищ. військ. навч. закл. – К.: Вид. ПАЛИВОДА А.В., 2003. – 280 с.

 

Вступ

 

Історія початку картографії відноситься до часів Древнього Єгипту і Месопотамії. Передбачається, що саме тоді (приблизно в 2500 р. до н.е.) була створена, знайдена археологами, перша карта на глиняній табличці.

До появи дистанційного зондування карти складалися на основі безпосередніх спостережень на місцевості або узагальнювалися за даними, зібраними для інших цілей. Подібна ситуація збереглася і донині в області збору тематичної інформації (наприклад, про рослинність, клімат, економічну діяльність), яка використовується для складання карт у регіональному, національному, континентальному і глобальному масштабах. Точність таких карт визначається точністю наземної вимірювальної апаратури і рівнем кваліфікації фахівців, що працювали над картою.

Уперше дані дистанційного зондування були застосовані для вивчення географічних об’єктів, що мають просторовий розподіл, наприкінці минулого століття німецькими лісниками, що використовували фотографії, отримані з повітряних куль для підготовки карт лісів. З тих пір дистанційне зондування розглядається фахівцями, як метод одержання географічної інформації, тобто інформації про розташування об’єктів у просторі і зміні цих об’єктів у часі, а також про динаміку природних процесів у навколишньому природному середовищі.

В міру переходу від візуальної ручної обробки чорно-білих аерофотознімків для цілей картографування до машинного аналізу багатозональних даних, одержуваних із супутників у цифровому вигляді, з метою вивчення складних природних процесів, техніка і методи роботи з даними дистанційного зондування значно ускладнювалися. Дистанційне зондування відкриває величезні можливості перед ученими, що займаються географічними і екологічними дослідженнями. Для того щоб більш повно реалізувати ці можливості, необхідна збалансована програма досліджень - як фундаментальних, так і прикладних.

1. Аерофотознімки і прийоми роботи з ними

 

Повітряне фотографування - це фотографування місцевості і окремих об’єктів з літальних апаратів (літаків, вертольотів, штучних супутників Землі) за допомогою аерофотоапаратів (АФА). У результаті повітряного фотографування отримують аерофотознімки (скорочено - аерознімки).

Зображення місцевості на аерознімках детальніше і сучасніше, ніж на карті. Але на них нема підписів об’єктів місцевості, їх кількісних і якісних характеристик, горизонталей, за допомогою яких на карті математично точно передаються характеристики всіх форм рельєфу. Крім того, до недоліків аерознімків можна віднести і складність читання (дешифрування) об’єктів. Все це змушує використовувати аерознімки з картою, часто як доповнення до неї.

Види повітряного фотографування визначаються в залежності від типу АФА і положення його оптичної осі під час фотографування, від пори року і часу доби, способів виконання і застосовуваних фотоматеріалів. Основними видами повітряного фотографування є:

- планове та перспективне (за положенням оптичної осі АФА під час фотографування);

- кадрове, щілинне, панорамне (за типом АФА);

- поодиноке, маршрутне, площинне (за способом виконання);

- денне, нічне (за часом доби);

- чорно-біле, кольорове, спектрозональне (за кольором фото-зображення);

-літнє, зимове, перехідного періоду (за порою року).

Планове фотографування має найбільш широке застосування. Воно виконується при такому положенні АФА, коли його оптична вісь у момент фотографування співпадає з прямовисною лінією або відхиляється від неї на невеликий кут - не більше 4°. Плановий аерознімок на рівнинній або горбистій ділянці являє собою фотографічний план місцевості, який легко ототожнювати з картою. Він має постійний масштаб і дозволяє визначати порівняно точно місцезнаходження, конфігурацію і дійсні розміри об’єктів, а також може бути використаний для вимірювання відстаней, кутів і площ.

Перспективне фотографування виконується при нахиленому положенні оптичної осі АФА. Масштаб перспективного знімка перемінний: передній план - великий, а потім він поступово зменшується до заднього плану. Ці знімки дуже наочні і легше читаються, тому що на них об’єкти місцевості зображені в звичному вигляді, але проводити виміри за такими знімками дуже складно з-за спотворень перспективного зображення і за рельєф місцевості.

Щілинне фотографування на відміну від звичайного (кадрового) робиться спеціальним (щілинним) АФА, в якому експонування фотоплівки ведеться через вузьку, постійно відкриту щілину на плівку, яка перемотується зі швидкістю польоту літака в масштабі фотографування. Щілинний аерознімок являє собою суцільне (без розривів) фотозображення смуги місцевості у вигляді рулону на всю довжину плівки, яка експонується, і може успішно застосовуватись при слабкому освітленні місцевості, наприклад, у сутінках і при зніманні на великих швидкостях з малих висот.

Панорамне фотографування виконується спеціальними (панорамними) АФА, у яких під час фотографування об’єктив повертається в площині, перпендикулярній до напряму польоту. Панорамне фотографування забезпечує захват місцевості, яка фотографується, від горизонту до горизонту. На панорамних аерознімках у центральній частині виходить планове зображення місцевості, а по краях - перспективне.

Поодиноке фотографування застосовується для знімків окремих об’єктів (як правило, вночі).

В усіх інших випадках застосовується маршрутне (переважно) і площинне фотографування з перекриттями між знімками в маршруті (поздовжнє) 20% і більше та між маршрутами (поперечне) 30...40%. Двох - трьох -, і чотирьох маршрутне фотографування може проводитися з одного маршруту польоту, але спеціальними АФА.

Кольорове фотографування проводиться на плівку, яка складається з трьох емульсійнопоєднаних шарів. При зйомці на кожний шар діють промені певної частини спектра (синій, зелений, червоний), поєднання трьох основних кольорів дає будь-який кольоровий відтінок. У результаті отримують аерознімки, на яких зображені об’єкти місцевості в натуральному кольорі.

Спектрозональне фотографування виконується одночасно в декількох зонах спектра. Воно виконується одним АФА на фотоплівку, яка має два або більше емульсійних шари, кожен з яких чутливий до певної зони спектра.

Радіолокаційне зображення місцевості отримують у будь-яку пору року, час доби і за будь-якої погоди за допомогою спеціальної радіолокаційної апаратури бокового огляду.

 

Дешифрування аерофотознімків

Дешифрувати аерофотознімки - це означає розпізнати і визначити характеристики різноманітних об’єктів місцевості за їх фотографічними зображеннями.

Топографічне дешифрування аерознімків виконується з метою розпізнання і отримання характеристик тих об’єктів місцевості, які необхідно показати на топографічній карті або фотодокументі.

Об’єкти, що дешифрують, залежно від їх розмірів і конфігурації, розподіляють на площинні (ліси, болота), лінійні (дороги, ріки) і точкові (окремі об’єкти).

За способом виконання дешифрування може бути польовим (аерознімки звіряються на місцевості) і камеральним (без виходу на місцевість).

Повнота і вірогідність дешифрування залежать від знання дешифрувальних ознак, наявності часу, масштабу та якості аерознімків.

Дешифрувальними ознаками об’єктів місцевості називаються характерні особливості цих об’єктів, за зображенням яких вони розпізнаються на аерознімках. Вони поділяються на прямі (форма і розмір об’єктів, наявність деталей та тіней від об’єктів) і непрямі (місцезнаходження об’єктів на місцевості або елементів об’єкта відносно один до одного, а також ознаки діяльності об’єкта).

 

2. Роль дистанційного зондування Землі в географічних дослідженнях

Дані дистанційного зондування звичайно можна використовувати для чотирьох видів аналізу: морфометричного; причинно-наслідкового; тимчасового; функціонального й екологічного системного аналізу.

Області застосування дистанційного зондування містять у собі картографування, моніторинг і моделювання.

Морфометричний аналіз

Географічні дослідження, як правило, вимагають проведення вимірів для визначення морфології явищ, тобто їхньої форми і структури. Параметри явищ, що підлягають вимірам, можна в загальному виді класифікувати наступним чином: фізичні; просторові (географічні); тимчасові.

Одержання кількісної інформації, що характеризує зазначені параметри, є важливим моментом у дослідженнях і доповнює описові оцінки явищ.

Дистанційне зондування може відігравати важливу роль в одержанні інформації про біофізичні властивості явищ. Наприклад, відбивні і випромінювальні властивості об’єкта, зареєстровані в різних діапазонах довжин хвиль електромагнітного спектра, дозволяють одержати кількісні дані про такі властивості, як геометрія (розмір, форма, взаємне розташування і т.д.), колір і загальний вид об’єкта, температура, діелектричні властивості, вологість, склад (органічний або неорганічний). У результаті польових досліджень, як правило дорогих і проведених на обмежених територіях, виходять лише точкові дані, що вимагають наступної інтерполяції для оцінки характеристик на великих площах. Дистанційне зондування дозволяє одержувати як точкову (по мінімальному елементу розкладання зображення), так і площадну інформацію про фізичні властивості поверхні, що підстилає.

Для географічних досліджень необхідні найрізноманітніші дані - від простих контактних спостережень, коли просторові властивості не приймаються до уваги, до результатів комплексного аналізу, де головну роль відіграють просторові взаємозв’язки явищ з навколишнім середовищем. Дані дистанційного зондування, отримані в аналоговому або цифровому вигляді, при необхідності, можна перетворити в зображення, придатне як для візуальної, так і для фотограмметричної обробки. Подібні двовимірні, а при відповідному паралаксі і тривимірні (стереоскопічні) дані дозволяють дослідникові одержати синоптичне зображення ділянок земної поверхні і цілих регіонів, що практично неможливо при використанні даних, зібраних контактним методом.

Відмінна риса застосування дистанційного зондування для морфометричного аналізу полягає в тому, що отримані у визначеному масштабі дані самі по собі можна використовувати для категоризації. Крім того, дистанційне зондування дозволяє поділяти відповідну територію на окремі ділянки для наступного аналізу. Використання різномасштабних зображень дозволяє розмежовувати регіони на ділянки і застосовувати методику вибірки даних.

Не менш важливою задачею, чим класифікація явищ і виділення однорідних регіонів, є їхнє картографування. Географічна карта служить основним засобом для відображення просторової інформації. Розробка методів інтерпретації даних дистанційного зондування дозволила підвищити точність крупно - і дрібномасштабних карт-основ.

Поряд з розробкою способів виробництва точних карт-основ, дистанційне зондування істотне впливає на методи тематичного картографування. Тематичні дані (наприклад, дані про землекористування), отримані за допомогою обробки зображень і накладені на точну карту-основу, дозволяють підвищити як просторову, так і тематичну точність карт. Цей вид картографування буде більш докладно розглянутий нижче.

 

 

Причинно-наслідковий аналіз

Людині властиво вивчати процеси, що відбуваються в навколишньому світі, з метою одержання розумного пояснення зухвалих їхніх причин. Синоптичний підхід відіграє важливу роль у регіональних дослідженнях причинно-наслідкових взаємозв’язків. Встановлення таких взаємозв’язків важливо для вчених різних галузей знань. Датчики, чуттєві до довжин хвиль у видимому діапазоні електромагнітного спектра і за його межами, розширюють можливості науки у визначенні причинних зв’язків, дозволяють визначити і сформулювати такі зв’язки. Здатність вивчати процеси, недоступні зоровому сприйняттю, сприяє кращому розумінню природних явищ і процесів.

За допомогою методів дистанційного зондування географи розширюють коло досліджуваних явищ, що знаходилися до останнього часу за межами можливостей безпосередніх вимірів і спостережень. При цьому реєстрація енергії здійснюється на визначеній довжині хвилі, що лежить поза видимим спектром. В інших випадках дані про об’єкти одержують протягом досить тривалого часу (наприклад, із супутника, що знаходиться на геостаціонарній орбіті) з метою контролю їхньої динаміки. Наприклад, сканери ІЧ-діапазону можуть дати точну картину розподілу температури води в річці і простежити рух потоків, що розрізняються по характеристиках, що неможливо зробити оком. Фотознімки, зроблені в ближній ІЧ-зоні спектра, можна використовувати для виявлення біофізичної пригніченості рослинності (тобто наслідку) за якийсь час до того, як причина (наприклад, втрата вологості через наявність патогенів) проявиться у видимій зоні спектра. Метеорологічні супутники на геостаціонарних орбітах, поряд з іншими супутниками, поставляють синоптичну тимчасову інформацію для вивчення причинно-наслідкових зв’язків. Збір такої інформації неефективний без застосування методів дистанційного зондування (наприклад, аналіз динаміки Гольфстріму і пов’язаних з нею теплових кільцевих структур).

Досить важлива перевага дистанційного зондування - можливість одержання інформації про геометричну форму об’єктів. Форма деяких об’єктів міняється з часом. Наприклад, міняються площі міст, що розростаються, і площі зараження комахами, зони, охоплені повенями; топографічні характеристики місцевості, пов’язані з геологічними зрушеннями, ерозією і т.д. Спостереження за такими об’єктами подає велику інформацію, використовувану для вивчення причинно-наслідкових зв’язків. Без залучення цих даних розвиток досліджень по вивченню просторового розподілу явищ у світовому масштабі було б сильно утруднене.

 

Вивчення тимчасових взаємозв’язків

Незважаючи на те, що для більшості географічних досліджень першорядне значення мають просторові зміни, необхідно також врахування і тимчасового фактора.

У географічних дослідженнях під «зміною» мається на увазі протікання процесу або послідовності процесів. Одержання точної і достовірної інформації про зміни, що відбуваються з об’єктом, складає невід’ємну частину географічних досліджень. Застосування дистанційних методів для географічних цілей дозволяє спостерігати об’єкти і явища з високим ступенем вірогідності в їхньому просторовому оточенні з урахуванням часу. Не погоджені дані виключають можливість проведення тимчасового аналізу.

Вибір між одержанням одиничного обсягу даних і ряду таких обсягів у різні моменти часу визначається метою дослідження. При вивченні щодо статичних у часі об’єктів (наприклад, ґрунтів, схилів, гірських порід) для проведення досліджень цілком достатні точкові або площадні спостереження. Для динамічних об’єктів (наприклад, річкових стоків, повеней, сільськогосподарських культур, вологості) дані, одержувані системами дистанційного зондування з поліпшеним тимчасовим дозволом, тепер дозволяють моделювати процеси з вірогідною точністю. Складаючи на основі даних дистанційного зондування матриці взаємодії статичних і динамічних процесів, можна одержати детальну інформацію про функціонування статичних і динамічних елементів у кожнім конкретному ландшафті. При проведенні досліджень традиційними методами, одержання високого тимчасового дозволу вимагає дорогих робіт по збору даних за допомогою великої кількості стаціонарних установок або в ході польових спостережень. Супутники і літакові носії дозволяють географам одержувати тимчасові послідовності даних, придатні для багатьох цілей.

 

Функціональний і екологічний системний аналіз

Отримані дані повинні бути перетворені в зручну для використання і прийняття рішень форму. Для проведення досліджень часто бувають необхідні точні просторові характеристики як мікро -, так і макромасштабних явищ. Однак у більшості випадків не існує методів, що дозволяють ефективно одержувати ці дані з необхідною точністю. Дистанційне зондування, з використанням моделювання, відкриває перед дослідниками широкі можливості по застосуванню аерокосмічної інформації для системного аналізу різномасштабних просторових явищ.

Спільне використання даних дистанційного зондування і моделей має ряд переваг.

По-перше, даним дистанційного зондування властивий просторовий розподіл (тобто просторова роз’єднаність), що ускладнює і здорожує задачу їхнього поєднання з багатьма відпрацьованими моделями процесів, що відбуваються в навколишнім середовищі, оскільки дані для цих моделей у межах заданого регіону згруповані або прив’язані до якого-небудь одного пункту.

Як правило, подібні моделі не завжди добре працюють з даними дистанційного зондування. Більш успішне поєднання досягається при використанні просторових моделей.

По-друге, просторові або площинні моделі (як у силу їх більшої просторової визначеності, так і в зв’язку з тим, що найчастіше вони мають детермінований, а не вузловий або індексний характер) дозволяють одержувати більш детальні прогнози при екстремальних умовах. Нарешті, об’єднання методів дистанційного зондування і моделювання в рамках географічних інформаційних систем і баз даних, у яких вхідні масиви даних сформовані з використанням географічних координат, корисно ще і тому, що для одержання найкращих результатів один підхід повинний спиратися на іншій.

Таким чином, дистанційне зондування може відігравати об’єднуючу роль у функціональному й екологічному системному аналізі, забезпечуючи спільне застосування біофізичних, геохімічних, соціальних і економічних даних для підвищення ефективності моделювання.

Описані вище методи аналізу лежать в основі географічних досліджень, що мають своєю метою картографування, моніторинг і моделювання. Приклад структури географічної інформаційної системи приведений на рис. 10.8.

 

Картографування

Більшість учених, що займаються географічними дослідженнями, хотіли б мати у своєму розпорядженні карти, орієнтовані на конкретні задачі. В даний час карти-основи, як правило, складаються з використанням фотограмметричних методів.

Основні зусилля в області застосування даних дистанційного зондування спрямовані на тематичне картографування (наприклад, картографування типів покриття земної поверхні, гідрологічних об’єктів, ґрунтів і ін.).

Тематичне картографування є важливим компонентом будь-яких досліджень природних ресурсів. Сучасними завданнями картографії і геодезії є:

- огляд поверхні материків (основа для геодезії, складання кадастрів і інженерних вишукувань);

- картографування поверхні материків (планіметричне, топографічне, тематичне);

- морське картографування (навігаційні і батиметричні карти, карти небезпечних ділянок).

Моніторинг

Можливість виявляти зміни, що відбуваються в покривах земної поверхні і їхніх біофізичних характеристик, дозволяє використовувати дані дистанційного зондування для цілей керування і планування. Спостереження за сільськогосподарськими посівами в період вегетації дозволяють прогнозувати врожай у конкретних регіонах.

Швидкості зміни параметрів у навколишньому середовищі сильно варіюють у залежності від категорії об’єктів. Наприклад, зсув меж пригородів в область сільськогосподарських угідь відбувається значно швидше, ніж відновлення лісостою на вирубках. Подібні розходження у швидкостях повинні бути ретельно оцінені з функціональної і просторової точок зору для виділення територіальних одиниць, придатних для одержання систематичної інформації про зміни. Напрямок деяких процесів і перетворень, що відбуваються в земному покриві, надзвичайно важко поміняти на зворотні, тоді як інші процеси цілком необоротні. Наприклад, перехід міських територій на сільськогосподарське виробництво являє собою важко здійсненний процес, у той час як сільськогосподарські угіддя можуть бути легко перетворені в пасовища, і навпаки. Це вимагає необхідність ретельного документування й оцінки змін, що відбуваються, з метою виявлення незворотних процесів на самих ранніх етапах.

В останні роки зріс інтерес до дистанційного зондування як до засобу моніторингу навколишнього середовища. Прийнята в рамках НАСА програма по вивченню світового біологічного середовища мешкання (Global Biology and Global Habitability - QBGH) і запропонована Національною академією наук Міжнародна геосферно-біосферна програма (International Geosphere Biosphere Program) у значній мірі засновані на можливості застосування дистанційного зондування для глобального моніторингу окремих елементів навколишнього середовища. Ці програми передбачають збір інформації, що має важливе географічне значення. Передбачається проведення моніторингу і моделювання процесів у безпрецедентному масштабі - від дослідження процесів настання пустель і зникнення лісів до розрахунків глобальної циркуляції і процесів, що визначають клімат. Має сенс те, що названі програми націлені на довгострокові дослідження.

Моделювання

Дистанційне зондування дозволяє створювати моделі, що використовують у якості вхідних даних інформацію, отриману з висотних носіїв. Моделі, що використовують машинну обробку даних дистанційного зондування для спеціальних географічних додатків, знаходяться в основному на стадії розробки. Якщо ми хочемо перейти від вивчення системних структур до області системних процесів і їхньої динаміки, подібні дослідження повинні бути інтенсифіковані. Прогнозування тенденцій протікання процесів у навколишньому середовищі і можливість оцінювати передбачуваний вплив управлінських рішень за допомогою моделювання є важливим кроком на шляху до розуміння стану і динаміки різних географічних явищ.