Тельнова Н.В., Торопов Э.С., Торопова И.Н. (ГУП ХМАО НАЦ РН им. В.И.Шпильмана)

При становлении и развитии Системы управления ресурсами Ханты-Мансийского автономного округа обозначилась проблема изучения реального состояния природной среды и объектов промышленности. Существующие топографические карты по ряду причин (время издания, недостаточная оперативность обновления, использование внемасштабных символов) не соответствуют этим потребностям.

Преимуществами космических снимков по сравнению с топографическими материалами с точки зрения получения информации о состоянии земной поверхности являются равномерная генерализованность изображения, комплексное отображение всех компонентов геосферы, регулярная повторяемость через определенные интервалы времени.

В связи с этим для решения задач по экономической оценке территорий, обеспечению мониторинга хозяйственной деятельности предприятий, экологического состояния и производственной инфраструктуры было принято решение о приобретении космических снимков на всю территорию округа.

За 1999 и 2000 годы нашей организацией были закуплены 9 снимков SPOT-4 и 32 снимка Landsat-7. Пространственное (геометрическое) разрешение данных, которое характеризуется минимальным размером объектов, различимых на снимках, французской системы SPOT составляет 10 м при панхроматической съемке и 20 м — при многозональной, американского спутника Landsat-7 — соответственно 15 и 30 м. Панхроматическими называются снимки, полученные в одном спектральном диапазоне, чаще всего в широком видимом участке спектра. При многозональной съемке раздельно фиксируются несколько изображений в различных зонах спектра. Имея материалы многозональной съемки, можно синтезировать из нескольких спектральных зон множество вариантов цветного изображения, причем каждый вариант синтеза содержит несколько отличную информацию о снятых объектах. На одном лучше выделяются кусты скважин, дороги и сооружения, населенные пункты, на другом — водные объекты, на третьем — растительность.

Для работы с космическими снимками в НАЦ РН ХМАО используется программный продукт ER MAPPER.

Наша технология обработки данных дистанционного зондирования (ДДЗ — получение информации неконтактными методами о земной поверхности, о том, что расположено на ней, под ней — гравиразведка, сейсморазведка и др., но чаще всего имеется в виду получение изображения земной поверхности в определенных участках спектра электромагнитных волн с авиационного или космического аппарата — аэроснимки или космические снимки) состоит из:

• привязки к топооснове;
• классификации;
• получения векторных слоев;
• создания специальных и тематических карт;
• печати.

Космический снимок имеет отличное от карты распределение искажений, его масштаб непостоянен в разных частях и по разным направлениям. Для точного совмещения с картой снимок необходимо геометрически трансформировать — указать достаточное число точек на снимке, для которых известно их положение на карте. Привязка — самый длительный этап по затратам ручного труда (рис.1). Особенности ландшафта Ханты-Мансийского округа заключаются в отсутствии надежных опорных точек, обычно используемых при привязке (пересечение дорог, мостов). Это приводит к тому, что в качестве опорных точек приходится использовать пересечение рек, истоки рек из озер, линии коммуникаций, скважины. К сожалению, привязку снимков SPOT (съемка сентября 1999 года) выполняли по топооснове 1948, 1951 годов выпуска, которая изначально имеет низкую точность, к тому же за столь длительное время под воздействием природных и технологических факторов произошло изменение объектов гидрографии района. Поэтому для обеспечения точности привязки снимка приходилось выбирать до 50 опорных точек.

Рис. 1. Космический снимок, наложенный на топографическую основу. На краях снимка хорошо видно совпадение контуров рек и озер на снимке и на карте, что свидетельствует о высоком качестве привязки.

 В 2000 году фонд топографических карт 200 000 и 100 000 масштабов был частично заменен на карты девяностых годов выпуска, содержащих обновленную информацию (на 58 и 67% соответственно). Качество привязки существенно улучшилось. Количество необходимых опорных точек уменьшилось до 20-30. Анализ ошибок смещения характерных и четких контуров местности на космическом снимке по отношению к координатной сетке и идентичным контурам на топографической основе показал, что отклонение находится в пределах 1 мм (среднеквадратическое +-0.5 мм), что вполне допустимо для построения специальных карт масштаба 1:100 000 и мельче.

Классификация — это процесс объединения пикселов с одинаковыми спектральными характеристиками в один класс (рис.2). Она используется для идентификации и интерпретации областей, представляющих интерес. Применяется контролируемая и неконтролируемая классификация. При неконтролируемой классификации пикселы изображения автоматически разбиваются на указанное количество спектральных классов. При наличии дополнительной информации о районе используется метод контролируемой классификации: задаются эталонные области (области обучения), по этим образцам выделяются все элементы территории, имеющие сходный спектральный состав. К настоящему времени привязаны и классифицированы все снимки SPOT и 28 снимков Landsat.

Рис.2. Классифицированный космический снимок. В результате неконтролируемой классификации снимок разбит на 20 спектральных классов, которые окрашены в разные цвета.

Полученные классы векторизуются в тематические слои информации: озера и водотоки, затопляемые области, леса, болота, инфраструктура (рис.3). Границы полученных областей используются для построения карт (рис.4), что исключает необходимость трудоемкого процесса оцифровки.

Рис.3. Векторные слои информации, наложенные на топооснову. Зеленый цвет-леса, синий-объекты гидрографии, красный-инфраструктура.

Рис.4. Пример тематической карты территории заповедной зоны «Кондинские озера». Использован космический снимок 30-метрового разрешения Landsat, наложены границы лицензионного участка и заповедной зоны.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о большой ценности материалов космической съемки. Космические снимки дают материал для уточнения картографического изображения лесов, болот, населенных пунктов, новые представления об объектах и возможность в сжатые сроки обновлять и подготавливать тематические карты.

При наличии космоснимков за несколько лет можно:

• определять качество вод, мутность, зарастания, загрязнения, представляющие опасность для глубинной фауны в озерах и других водоемах;
• осуществить мониторинг ежегодного изменения водотоков, русел крупных рек, размывов берегов в паводковый период;
• изучать структуру растительного покрова, что особенно важно для труднодоступных и малоисследованных районов;
• четко разделять контуры сосновых, еловых, кедровых, пихтовых, лиственничных лесов, контролировать антропогенное воздействие на лесную растительность, ее вырубание, подверженность действию пожаров;
• видеть результаты хозяйственного освоения территории: «кусты» нефтяных скважин, нефте- и газопроводы, внутри- и межпромысловые автомобильные дороги, карьеры.

В заключение отметим наши проблемы, которые возникли при обработке ДДЗ.

1. Прежде всего, недостаточный процент обновленных топографических карт, что ухудшает качество привязки снимков.
2. Большие потребности дисковой памяти. Например, один снимок 15-метрового разрешения занимает 250 Мб. Для хранения обработанного снимка с промежуточными результатами требуется в 10-15 раз больше.
3. Снимки Landsat закуплены практически на всю территорию ХМАО. В силу климатических условий для нас предпочтительны майские и сентябрьские снимки. Сентябрьские изображения дают наиболее полную картину ландшафта, но они, как правило, с большим процентом облачности. Майские снимки практически с малой облачностью, отсняты в момент максимального разлива, что позволяет использовать их для определения затопляемых зон.
4. Наличие облаков и теней от облаков часто мешает правильно классифицировать снимок, потому что облака и песок, тень от облаков и вода совпадают по спектральным характеристикам.
5. Недостаточная разрешающая способность снимков в 30 метров не позволяет выделять границы небольших населенных пунктов и мелких водотоков, иной раз обязательных для содержания тематических карт.

Литература

1. Кравцова В.И. Генерализация аэрокосмического изображения: континуальные и дискретные снимки. -М.: Изд-во МГУ.- 2000. 256 с.
2. Кравцова В.И. Космические методы картографирования.- М.: Изд-во МГУ.- 1995. 240 с.