Размещено на http://www.allbest.ru/

2

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Кафедра геотехногенної безпеки та геоінформатики

НАВЧАЛЬНА ГЕОІНФОРМАЦІЙНА ПРАКТИКА

Геоінформаційні системи

Студентки ІІІ курсу ГЗ-19-1К групи

спеціальності «193 - Геодезія та землеустрій»

Торко О.В.

Керівник Чепурний І.В.

м. Івано-Франківськ - 2020 рік



ЗМІСТ

ВСТУП

1 ДІЯЛЬНІСТЬ ЦЕНТРУ ПРИЙОМУ І ОБРОБКИ СПЕЦІАЛЬНОЇ ІНФОРМАЦІЇ ТА КОНТРОЛЮ НАВІГАЦІЙНОГО ПОЛЯ

2 ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ ЩОДО ДЗЗ

2.1 Основні поняття ДЗЗ

2.2 Електромагнітний спектр та характеристики об'єктів

2.3 Радіоатмосферна, атмосферна, геометрична корекції

2.4 Спектральне покращення зображень

2.5 Відкриті дані ДЗЗ

2.6 Вегетаційні індекси NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)

2.7 Системи обробки та інтепретації даних ДЗЗ

2.8 Коротка характеристика спеціалізованого ПЗ для обробки даних ДЗЗ - ENVI, ERDAS Imagine, ArcGIS

3 ПРАКТИЧНЕ ЗАВДАННЯ

ВИСНОВОК

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

навігація дистанційне зондування електромагнітний спектр



ВСТУП

ГІС-технології істотно впливають на життя сучасної людини. Існування широкого спектру онлайн-сервісів потужних Web-картографічних або ГІС-порталів (ArcGIS Online, Google Earth, Google Maps, Wikimapia, Bing Maps, MapQuest, Yahoo! Maps, MultiMap.com, Map24.com, Expedia.com, MapsOnUS, "Мир карт", eAtlas, "Яндекс. Карты", "Rambler на карте" тощо) не обходить повсякденність пересічного користувача засобів телекомуніка- цій, так само як і сервісів навігаційних систем мобільних телефонів і GPS- навігаторів. Сьогодні буденним є пошук засобами ГІС інформації про місце знаходження на Земній поверхні тих або інших об'єктів чи явищ, аналіз та вибір оптимального шляху на місцевості тощо. Еволюція ГІС-технології ґрунтується на ряді фундаментальних ГІС- характеристик з урахуванням трендів розвитку обчислювальної техніки та Інтернет-технологій. Завдяки новітнім розробкам у хмарних обчисленнях на базі продуктів компанії ESRI ГІС-технології стають доступними все більшому колу користувачів. У цих ГІС-проектах поєднані карти, фотозйомки, дані крау- дсорсингу, соціальні медіаресурси та багато іншого. перспективним у розвитку ГІС- технологій є напрям від територіально-екстенсивного підходу (пов'язано- го з акумуляцією інформації про географію об'єктів) до аналітично-інтенсивного (пов'язаного з розширенням набору інструментів обробки просторової інформації) і розробка інтелектуальних ГІС, які дозволяють накопичувати географічні знання в цифровій формі.

ГІС-аналіз припускає широкий спектр операцій геообробки, які можна виконувати в середовищі ГІС: від простого відображення об'єктів до створення складних багатокрокових аналітичний моделей.



1 ДІЯЛЬНІСТЬ ЦЕНТРУ ПРИЙОМУ І ОБРОБКИ СПЕЦІАЛЬНОЇ ІНФОРМАЦІЇ ТА КОНТРОЛЮ НАВІГАЦІЙНОГО ПОЛЯ

ЦПОСІ та КНП створений 16 квітня 1974 року, на даний час є науково-випробувальною установою, філією Національного центру управління та випробувань космічних засобів Державного космічного агентства України.

Він розташований у 15 км на захід від м. Дунаївці на Подільській височині в Хмельницькій області. На території площею 93 га. розміщені 23 станції та технічні комплекси, 97 будинків та споруд (загальна площа - 46993,39 кв.м.).

Він бере участь у виконанні в рамках державних цільових науково-технічних програм науково-дослідних, дослідно-конструкторських робіт в галузі створення ракетно-космічної, спеціальної техніки в інтересах забезпечення національної безпеки та оборони, розвитку економіки України, а також виконання окремих наукових проектів та досліджень, направлених на вдосконалення функціонування НЦУВКЗ.

Метою діяльності цього центру є всебічне забезпечення розвитку космічної галузі України, виконання заходів Загальнодержавної цільової науково-технічної космічної програми України та інших державних цільових науково-технічних програм, за які несе відповідальність Державне космічне агентство України, в інтересах національної безпеки та оборони, економіки держави, задоволення потреб населення України.

Основні завдання Центру прийому і обробки спеціальної інформації та контролю навігаційного поля (ЦПОСІ та КНП):

Ш Застосування космічних засобів, організація та несення чергування.

Ш Організація прийому інформації ДЗЗ з іноземних КА (за планом НЦУВКЗ).

Ш Підготовка персоналу та технічних засобів до запуску та управління національними космічними апаратами.

Ш Участь у розгортанні наземного сегменту управління супутником національної системи зв'язку та мовлення.

Ш Участь у розробках та модернізації наземних програмно-апаратних комплексів, інформаційних технологій, створення підґрунтя для реалізації перспективних космічних проектів.

Ш Забезпечення працездатності наземних космічних засобів.

Ш Забезпечення подальшого розвитку Центру: проведення ремонту (модернізації) техніки; прийом та введення в експлуатацію нової техніки.

Ш Проведення науково-дослідної, винахідницької та раціоналізаторської роботи.

Центр управління польотами космічних апаратів (ЦУП КА) - це організаційно-технічний комплекс, який призначений для управління космічними апаратами, що входять до складу космічної системи.

Основні задачі, що вирішуються ЦУПКА на етапі підготовки до запуску КА:

- одержання з полігону запуску початкових технологічних даних по фактичних параметрах бортових систем, необхідних для роботи засобів НКУ в період орбітального польоту КА;

- одержання з полігону запуску інформації про точний час старту КА; проведення необхідних балістичних розрахунків;

- одержання з полігону запуску необхідної інформації про траєкторію і стан КА на активній ділянці польоту;

- пошук та виявлення неорієнтованого КА (після виведення КА на орбіту) по сигналах командно-вимірювальної системи в заданому районі виводу КА ракетою-носієм;

- розрахунок параметрів виведення КА на орбіту для побудови системи КА чи поповнення системи;

- підготовка початкових даних, розрахунок командно-програмної інформації, видача її на станцію управління для закладки на борт та у інші центри управління польотами (координація робіт) під час першого сеансу зв'язку з КА.

До задач ЦУП КА на етапі штатної експлуатації відносяться:

- задачі командно-програмного забезпечення;

- задачі балістично-навігаційного забезпечення;

- задачі контролю стану і функціонування бортових систем КА, або задачі телеметричного забезпечення;

- задачі взаємодії з елементами НКУ й організаціями, що залучаються до роботи з КА;

- задачі відображення, реєстрації і документування циркулюючої в контурі управління інформації;

- задачі захисту інформації в контурах управління ЦУП;

- задачі автоматизованого інформаційного обміну і зв'язку.

Наземний комплекс управління (НКУ) являє собою сукупність наземних територіально рознесених радіотехнічних, оптико-електронних і електронно-обчислювальних засобів, що використовуються для управління одним чи декількома КА конкретної космічної системи.

На засоби НКУ покладається розв'язання таких задач:

- вимірювання параметрів руху КА;

- визначення і прогнозування параметрів орбіт КА, а при необхідності і розрахунок параметрів корекції орбіти;

- контроль технічного стану систем за результатами обробки телеметричної інформації;

- звірення і корекція бортової шкали часу;

- формування і передача на борт управляючих впливів (команд і програм управління), контроль їхнього проходження і виконання, корегування поточних задач і програм у ході польоту КА;

- відновлення працездатності і забезпечення максимального терміну активного існування КА (оптимізація режимів роботи приладів, раціональна витрата енергоресурсів і їхнє поповнення);

- забезпечення стійкого і регулярного зв'язку “Земля-борт” і “борт-Земля”;

- взаємодія в плані управління з наземним інформаційним комплексом;

- моделювання й імітація різних позаштатних ситуацій, що виникають на борту КА, з метою прийняття обґрунтованих рішень по управлінню КА.

Наземний інформаційний комплекс (НІК) являє собою сукупність технічних і програмних засобів, призначених для прийому спеціальної інформації, її документування, автоматизованої обробки, аналізу та видачі результатів споживачам. До його складу входять:

УНСПІ-8,2

Станція прийому інформації ДЗЗ високої розподільчої здатності (УНСПІ-8,2). Забезпечує прийом, візуалізацію, розпаковування інформації з КА типу “Січ”, “EgyptSat-1” в Х-діапозоні.

ППІ-137

Станція призначена для прийому, реєстрації і попередньої обробки інформації, що надходить з метеорологічних і природно-ресурсних штучних супутників Землі (ШСЗ) у метровому діапазоні довжин хвиль з низькою розподільчою здатністю (до 4 км). Забезпечує прийом інформації з КА типу “Січ”, NOAA, “Ресурс-04” в форматі APT. На сьогодні прийом здійснюється з КА серії NOAA (прилад AVHRR) в діапазоні частот 137МГц.

ППІ-1,7

Станція прийому інформації ДЗЗ малої розподільчої здатності (ППІ-1,7). Забезпечує прийом, візуалізацію і розпаковку інформації в S-діапозоні з КА типу “Січ”, NOAA, “Ресурс-04”, “MeteoSat”.

П-8,2

Станція призначена для прийому інформації ДЗЗ високої розподільчої здатності в Х-діапазоні частот; демодуляції прийнятої інформації, попередньої обробки і передачі інформації в лінію зв'язку для подальшої обробки. Забезпечувала роботи з КА МЕТЕОР-3М (прилад МСУ-Е), “Січ-1М” та EgyptSat-1.

НС «СКТРЛ-М1»

Наземна станція сумісної командно-телеметричної радіолінії модернізована призначена для:

* передачі команд і масивів інформації на борт КА;

* прийому і обробляння квитанційної і телеметричної інформації, а також масивів даних, що поступають з борту КА;

* вимірювання похилої дальності і радіальної швидкості;

* визначення невідповідності бортової і наземної шкал часу;

* організації обміну інформацією між абонентами мережі загального користування.

Координати станцій в системі WGS-84 (Мапа

Мережа	Ім'я	Розміщення	Широта, градуси	Довгота, градуси	Висота, метри	X, метри	Y, метри	Z, метри
СКНЗУ	bahs	Бахмач	51,171	32,7772	175,172	3369303,4725	2169467,5288	4945627,6194
СКНЗУ	bmrs	Берегомет (Чернівецька обл.)	48,1795	25,3765	480,1916	3850028,845	1826197,234	4730563,627
СКНЗУ	brrs	Бар (Вінницька обл.)	49,0691	27,6716	326,7	3707973,5767	1944388,674	4795840,1572
СКНЗУ	chrs	Чернігів	51,5159	31,3468	178,4811	3396815,6023	2069096,8397	4969602,6077
СКНЗУ	crrs	Чернівці	48,2674	25,9195	314,664	3825893,672	1859360,446	4736955,103
СКНЗУ	ctrs	Чортків (Івано-Франківська обл.)	49,0159	25,7739	361,7001	3774372,646	1822482,067	4791989,625
СКНЗУ	dnrs	Дунаївці (Хмельницька обл.)	48,8546	26,7126	396,0735	3756109,006	1890162,2054	4780232,636
СКНЗУ	gdrs	Городок (Житомирська обл.)	50,5984	29,4465	196,9207	3532701,781	1994351,3651	4905461,5645
СКНЗУ	grrs	Городенка (Івано-Франківська обл.)	48,6629	25,5013	357,7261	3809672,939	1817227,711	4766149,757
СКНЗУ	hlrs	Хмільник	49,5566	27,9544	264,258	3661977,4536	1943369,7533	4831143,22
СКНЗУ	hmts	Хмельницкий	49,4074	26,9659	381,872	3706269,1532	1885664,8235	4820450,7708
СКНЗУ	isrs	Ізяслав (Хмельницька обл.)	50,1315	26,8081	291,787	3656514,6908	1847684,9277	4872404,3387
СКНЗУ	izrs	Ізмаїл (Одеська обл.)	45,3335	28,8355	86,824	3934475,2989	2166172,9573	4513539,9141
СКНЗУ	khrs	Харків	50,0348	36,2841	215,9951	3309039,1872	2429320,3721	4865440,7531
СКНЗУ	khts	Харків	50,0347	36,2842	216,218	3309040,4587	2429326,2419	4865437,2738
СКНЗУ	kmrs	Кременець (Тернопільська обл.)	50,1421	25,7337	288,8338	3689704,821	1778408,675	4873152,71
СКНЗУ	krrs	Кропивницький	48,5182	32,263	162,5796	3579308,7042	2259514,7755	4755359,9602
СКНЗУ	kzrs	Козятин (Вінницька обл.)	49,7131	28,8324	359,1624	3620202,178	1992890,003	4842489,921
СКНЗУ	lsrs	Ластівці (Хмельницька обл.)	48,5629	26,4584	193,4567	3786157,873	1884274,131	4758677,093
СКНЗУ	lurs	Любар (Житомирска обл.)	49,9206	27,7575	276,81	3641299,861	1916390,928	4857318,417
СКНЗУ	lvrs	Львів	49,8359	24,0121	371,344	3765343,9306	1677388,3332	4851320,9815
СКНЗУ	mezh	Межова	48,2531	36,7328	213,5172	3410018,7311	2544789,685	4735823,5317
СКНЗУ	mkrs	Мукачево (Закарпатська обл.)	48,3787	22,7093	188,1586	3915409,1008	1638600,3064	4745087,1731
СКНЗУ	nkts	Миколаїв	46,9714	31,9741	78,1581	3698590,1686	2308810,5892	4639652,7743
СКНЗУ	odts	Одеса	46,4066	30,7439	78,1225	3786572,661	2252227,705	4596582,623
СКНЗУ	rvrs	Рівне	50,605	26,2616	261,2296	3637574,899	1794769,699	4905977,06
СКНЗУ	strs	Старокостянтинів (Хмельницька обл.)	49,7549	27,1968	316,367	3672426,339	1887112,8508	4845465,0586
СКНЗУ	tnrs	Тернопіль	49,5776	25,6303	437,6978	3736270,546	1792552,822	4832789,682
СКНЗУ	vhrs	Хотянівка (Київська обл.)	50,6081	30,6029	132,5959	3490982,649	2064799,835	4906093,172
СКНЗУ	vnrs	Вінниця	49,2197	28,4273	318,9987	3670860,4742	1987087,3681	4806792,914
СКНЗУ	zlrs	Золочів (Львівська обл.)	49,8004	24,9065	331,676	3741415,637	1737221,519	4848741,467
СКНЗУ	zmrs	Житомир	50,2487	28,6691	288,3023	3585799,1	1960652,032	4880743,7
СКНЗУ	zprs	Запоріжжя	47,8287	35,1615	93,5848	3507143,1926	2470487,7942	4704181,52

Дистанційне зондування Землі з космосу (ДЗЗ) - це отримування даних про Землю з космосу, використовуючи властивості електромагнітних хвиль, випромінюваних, відбиваних, поглинених чи розсіюваних об'єктами зондування;

Відповідно, об'єктом діяльності з ДЗЗ є вся поверхня Земної кулі, включно із елементами суходолу, водного середовища, атмосфери, природними явищами та антропогенними факторами і утвореннями.

НЦУВКЗ є єдиною в Україні структурою, яка здійснює весь спектр заходів щодо діяльності у сфері ДЗЗ, включно з експлуатуванням систем ДЗЗ чи окремих їх елементів, накопичуванням, оброблянням, інтерпретуванням (дешифруванням) та розповсюдження даних ДЗЗ.

Загалом дані ДЗЗ дозволяють вирішувати такі питання:

· уточнення тектонічної будови території, зокрема виділення складчастих і кільцевих структур;

· уточнення контурів (геологічних границь) геологічних тіл з урахуванням природної генералізації;

· отримання додаткової інформації про закономірності розміщення корисних копалин;

· геоморфологічний аналіз, що включає загально-геоморфологічне і структурно-геоморфологічне картографування, створення об'ємних моделей місцевості (технологія 3D);

· оцінка неотектонічної активності території;

· геоекологічні дослідження, що включають:

· оцінку ландшафтно-екологічних умов;

· виявлення геологічних процесів і явищ, потенційно небезпечних для життя і діяльностілюдини, і прогноз їхнього розвитку;

· виявлення техногенних комплексів і об'єктів, що впливають на геологічне середовище;

· моніторинг стану геосистем;

· впровадження ГІС-технологій у геолого-картографічний процес.

Однією з вимог до даних ДЗЗ є оперативність одержання актуальної просторової інформації про земну поверхню.

Дані ДЗЗ з успіхом використовуються для:

· прогнозу погоди і моніторингу небезпечних природних явищ;

· прогнозу і контролю розвитку повеней та паводків, оцінки завданого ними збитку;

· оцінки збитків від лісових пожеж і їхніх наслідків;

· контролю стану гідротехнічних споруд на каскадах водоймищ;

· природоохоронного моніторингу;

· спостереження за льодовою обстановкою в районах морських шляхів й в акваторіях видобутку нафти на шельфі;

· моніторингу розливів нафти і руху нафтової плями;

· реального місцезнаходження морських суден у тій чи іншій акваторії;

· відстеження динаміки і стану вирубки лісу;

· прогнозу врожайності сільськогосподарських культур;

· відновлення топографічних карт, що відображають реальний стан територій;

· дотримання ліцензійних угод при освоєнні родовищ корисних копалин;

· контролю несанкціонованого будівництва;



2 ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ ЩОДО ДЗЗ

2.1 Основні поняття ДЗЗ

Дистанційне зондування Землі (далі ДЗЗ) -- це одержання інформації про будь-який об'єкт чи процес без прямого контакту з ними. У сучасному розумінні ДЗЗ полягає в тематичному аналізі як власного, так і штучно створеного випромінювання земної поверхні в межах від ультрафіолетового до радіохвильового діапазонів.

Випромінювання - електромагнітні хвилі різної довжини, спектр яких змінюється в діапазоні від рентгенівського до радіовипромінювання. Для досліджень навколишнього середовища використовують більш вузьку частину спектру від оптичних хвиль до радіохвиль в діапазоні довжин 0,3мкм - 3 м.

Дисперсія світла -- залежність швидкості поширення пучка світла в певному середовищі від кольору пучка (залежність абсолютного показника заломлення від довжини світлової хвилі).

Колір -- суб'єктивна характеристика світла, яка відображає здатність людського зору розрізняти частоту електромагнітних коливань у ділянці видимого світла.

Спектральне розширення визначається характерними інтервалами довжин хвиль електромагнітного спектру, до яких чутливий датчик.

Просторова роздільна здатність - величина, що характеризує розмір найменших об'єктів, помітних на зображенні.

Радіометрична роздільна здатність визначається кількістю градацій значень кольору, відповідних переходу від яскравості абсолютно «чорного» до абсолютно «білого», і виражається в кількості біт на піксель зображення.

Тимчасове розширення визначається частотою отримання знімків конкретної області.



2.2 Електромагнітний спектр та характеристики обєктів

Електромагнітний спектр -- це «система, що класифікує за довжиною хвилі всю енергію (від короткохвильової космічної до довгохвильової радіо), що гармонічно рухається з постійною швидкістю світла» (NASA, 2013).

Довжина хвилі -- відстань між двома сусідніми гребнями, або западинами, хвиль.

Частота хвилі -- це кількість повних коливань, які здійснює хвиля за 1 секунду.

Саме через зміну своїх довжин і частот хвилі набувають специфічних властивостей та діляться на гамма-, бета-, альфа-, рентгенівське випромінювання, ультрафіолетове, видимі промені, інфрачервоне та радіохвилі. Розподіл електромагнітних хвиль за різними частотами називають спектром.

Всі властивості електромагнітних хвиль такі самі, як і хвиль іншої природи:

1) поширюються рівномірно і прямолінійно в однорідному середовищі;

2) відбиваються діелектриками та провідниками за законами відбивання хвиль;

3) заломлюються;

4) фокусуються;

5) дають явища дифракції та інтерференції;

6) поляризуются.

Для отримання даних ДЗЗ використовують такі діапазони електромагнітного випромінювання, як ультрафіолетовий, видимий, інфрачервоний, мікрохвильовий і радіодіапазон.

Ультрафіолетовий діапазон (0,1-0,38 мкм) застосовують для оцінювання стану рослин і водойм, а також для визначення поширення малих доз газових домішок та озону в атмосфері.

Видимий (0,38-0,74 мкм) діапазон та інфрачервоний (0,75- 1000 мкм), який через свій широкий діапазон ділиться на три частини:

§ ближнє випромінювання (0,75-1,5 мкм),

§ середнє випромінювання (1,5-3 мкм)

§ довгохвильове випромінювання (3-1000 мкм)

Ближній інфрачервоний та видимий діапазони широко використовують для знімання лісових масивів. Принцип отримання інформації полягає в тому, що під дією різних умов відбуваєть- ся зміна спектральних характеристик об'єктів на земній поверхні.

Тепловий діапазон (2,5 мкм -- 1 мм) надає інформацію про теплове поле. Було встановлено, що в різних типах рослинності, в насадженнях різної щільності, складу й віку порід, у приземному шарі, на рівні поверхні і в ґрунті перепад температур досягає кількох градусів.

Мікрохвильовий, СВЧ (1 мм -- 1 м) -- діапазон дає інформа- цію про топографічні характеристики територій та акваторій, за- паси вологи в ґрунті й листках рослин, про впливи на рослини промислових викидів.

Радіодіапазон (1 м -- > 10 км) надає інформацію про підстилаючу поверхню. Для радарного знімання характерні глибокі тіні, які використовуються для виявлення об'єктів зі значними перепада- ми висот. Радіодіапазон надає можливість аналізувати рельєф те- риторії, виявляти небезпечні природні процеси, такі як селі, зсуви тощо. Радіолокаційне знімання може проводитися за будь-яких погодних умов і в будь-який час доби.

Схема роботи з даними ДЗЗ



2.3 Радіоатмосферна, атмосферна, геометрична корекції

Радіометрична корекція - приведення знімку або серії знімків до єдиної яскравості і контрастності та комбінації спектральних каналів для кращої візуалізації. Вона має справу з варіюванням значень яскравості пікселів, яке визначається збоєм або несправністю детекторів, впливом рельєфу, атмосферними ефектами. Вимірювальна апаратура природознавчих супутників Землі перед запуском ретельно калібрується і перевіряється, крім того, інформація з супутника протягом деякого часу проходить верифікацію. В результаті дані ДЗЗ можуть бути надійно використані для вирішення різних практичних задач. За час функціонування супутників на орбіті вимірювальна апаратура деградує, тому показники датчиків сканерів необхідно піддавати радіометричної корекції.

Радіометрична корекція проводиться в два етапи.

На першому етапі встановлюється взаємозв'язок між значенням пікселя і відповідним фізичним параметром , що потрапляє на датчик. Зазвичай цю процедуру виконує внутрішній калібратор датчика. Калібрування першого етапу полягає у визначенні максимального і мінімального значення пікселя (значення пікселя встановлюються 0-255 для 8-бітних даних). Таким про- разом, значення прийнятого випромінювання перетвориться в значення пікселя.

На другому етапі радіометричної корекції враховуються ефекти поширення , щоб величина випромінювання, що приймається трактувалася як випромінювання досліджуваної поверхні.

В результаті радіометричної корекції показників датчиків також усуваються похибки знімальному системи (зміщення рядків і т. д.). Радіолокаційні системи часто калібруються по площі активного перетину зворотного відбитого випромінювання.

Атмосферна корекція- поліпшення характеристик знімку шляхом усунення перешкод, що завдає атмосфера Землі.

В атмосфері Землі можуть виникати різні оптичні перешкоди - в основному хмарність та аерозолі, що можуть зробити неможливою або суттєво ускладнити обробку знімків. Надалі такі перешкоди має бути усунено до початку аналізу даних. Для знімків із супутників серії Landsat був розроблений алгоритм автоматичної оцінки хмарності ACCA (англ. Automatic Cloud Cover Assessment). Цей алгоритм дозволяє класифікувати різні області знімка і створити з них маску. В якості вхідних даних алгоритм використовує дані Landsat-4,5/TM та Landsat-7/ETM+, перетворені на спектральну відбивну здатність. На виході отримується маска хмарності.

Алгоритм складається з двох кроків: на першому кроці аналізуються другий, третій, четвертий, п'ятий та шостий спектральні канали і визначаються наступні класи областей: холодна хмара, тепла хмара, тіні, можливо хмара, не хмара. На другому кроці аналізується лише шостий (тепловий) канал і області, які на попередньому кроці не отримали однозначної оцінки. У підсумку формується маска хмарності, в якій можуть бути присутні будь-які з вищезазначених категорій хмарності. У процесі виконання першого кроку алгоритму збирається статистика по областях, які відповідають різним типам поверхні Землі. На підставі цієї статистики робиться висновок, чи потрібно переглядати області, що помічені як теплі хмари. У разі якщо на знімку більше 1% площі займає сніг, то всі ділянки з теплими областями позначаються як “можливо хмара” і аналізуються повторно. Якщо на знімку є пустелі, то їх відсоток теж враховується.

Другий крок виконується за трьох умов:

ь площа пустель займає більше 50% знімка

ь на знімку більше 0,4% холодних хмар

ь середня температура хмар менше 295 К.

Якщо умови не виконуються, то аналіз температури оминається і другий крок завершується. Аналіз температури полягає в порівнянні температури областей, які переглядаються, з двома значеннями. Ці значення беруться з гістограми, яка будується на першому кроці за температурними даними. Перше значення - це температура на 83,5% (нижній поріг) гістограми, друге - на 97,5% (верхній поріг). Якщо температура області вище верхнього порогу, то робиться висновок що це не хмара. Якщо нижче, то значення температури порівнюється з нижнім порогом. Ті області, температура яких нижче, позначаються як холодні хмари, в іншому випадку вони позначаються як теплі хмари. Далі маска хмарності в остаточному вигляді зберігається.

Геометрична корекція- трансформація зображення у необхідну систему координат і картографічну проекцію та усунення похибок, що завдає кривизна Землі. Для виконання цього етапу можуть знадобиться матеріали польвих зйомок.

Геометрична корекція космічних зображень включає усунення на зображенні геометричних спотворень та географічну прив'язку. Синонімами геометричної корекції в англомовній літературі є: geometric correction, geometric rectification, image registration. Геометричні спотворення зображення - це різниці між координатами і розмірами реального зображення і ідеального, яке можна теоретично отримано за допомогою ідеального сенсора в ідеальних умовах роботи. Існує декілька причин геометричних спотворень, часто вони взаємодіють. Для різних типів космічних знімків комбінація цих причин є різною.

Основні причини виникнення геометричних спотворень зображень:

o Кривизна поверхні Землі. Спотворення виникають внаслідок того, що точки місцевості, які скануються, не належать одній площині і спостереження ведеться не в надирі, а під кутом до поверхні землі. Тому при віддаленні від центральної лінії сканування (де знімання ведеться в надирі) викривлення форми і розмірів об'єктів збільшується. Кривизна поверхні Землі викликає спотворення форми об'єктів та масштабу зображення. При спотворенні форми об'єктів пряма лінія на місцевості відображається у вигляді кривої на знімку, квадрат у вигляді прямокутника і так далі. Цим типом спотворень можна знехтувати, якщо кут огляду сканера є невеликим.

o Кривизна рельєфу викликає ті самі спотворення, що і кривина поверхні Землі, але задача їх усунення є складнішою, через те, що форми рельєфу складніші, ніж форма Землі. Оскільки космічні знімки отримують з великої висоти, то вплив форм рельєфу є незначним. Тому даний тип спотворень враховують, здебільшого, лише для гірських регіонів і при дрібномасштабному картографуванні.

o Обертання Землі. Оскільки сканування Землі з космосу відбувається не миттєво, то обертання Землі (за одну хвилину Земля обертається на 0,25^є) викликає зміну умов знімання в процесі сканування однієї сцени.

o Рух космічного апарата в процесі формування зображення. На якість і властивості знімків впливають форма і висота орбіти супутника. Наприклад, кругова орбіта забезпечує однакову висоту знімання земної поверхні, та відповідно, для однієї й тієї ж апаратури - однакове охоплення і просторове розрізнення знімків.

Для геометричної корекції використовують динамічну модель знімання, за допомогою якої знімок трансформується із власної системи координат в систему координат наземної станції. Після радіометричної корекції координати всіх точок вхідного растру перетворюються з вхідної системи координат (рядок, піксел) в географічну (широта, довгота). Картографічна проекція та орієнтація зображення задаються на етапі вибору вхідного растру. Геометричні спотворення поділяються на спотворення, пов'язані з внутрішніми недоліками геометрії сенсора, і на спотворення, обумовлені зовнішніми факторами (умови роботи сенсора, форма об'єктів зондування та ін.)

Геометрична корекція складається з таких етапів:

Ш вибір методу корекції (за результатом аналізу характеристик геометричних спотворень оберається метод корекції)

Ш визначення параметрів корекції (визначаються невідомі параметри, необхідні для встановлення математичного зв'язку між географічною системою координат і системою координат зображення)

Ш перевірка точності корекції зображення (верифікується точність геометричної корекції, якщо точність недостатня, то перевіряється метод або використовуються дані з метою усунення поибки).

Ш інтерполяція та перерахунок пікселів (здійснюється геокодування зображення за допомогою інтерполяції та перерахунок комірок зображення).

Існують три методи геометричної корекції:

1) Систематична корекція. Геометричні спотворення систематично усуваються на основі наявних референц-даних або геометрії сенсора. Часто систематична корекція достатня для усунення всіх похибок.

2) Несистематична корекція. Коефіцієнти поліномів визначаються за координатами опорних точок місцевості з використанням методу найменших квадратів. Точність залежить від порядку полінома, від кількості та розташування опорних точок.

3) Комбінований метод. Спочатку застосовується систематична корекція, а похибки, що залишилися зменшуються з використанням поліномів низького порядку

2.4 Спектральне покращення зображень

До поліпшує спектральним перетворенням відносять методи, пов'язані з модифікацією контрастності зображення, що полягає в зміні форми гістограми зображення за допомогою зміни значень пікселів. При спектральному перетворенні кожен піксель змінюється індивідуально, незалежно від значень пікселів контексту.

Під контрастом зазвичай розуміють різницю максимального і мінімального значень яскравості. Низький контраст зображень може бути наслідком поганого освітлення, надмірно великого діапазону сенсора або невірно встановленої діафрагми об'єктива при зйомці. Посилення контрасту досягається збільшенням динамічного діапазону яскравості на зображення, яке обробляється.

Гістограма - це графік, який показує кількість пікселів зображенні, що мають значення спектральної яскравості. Зазвичай зміна форми гістограми представляється графіком передавальної функції, який показує, як значення вихідного пікселя залежить від значення вхідного пікселя.

2.5 Відкриті дані ДЗЗ

Відкриті геодезичні дані включають просторові компоненти і мають особливий режим розміщення, що дає можливість широкого доступність до даних. Насправді геодані відкриті вже давно, оскільки є доступ в мережу інтернет. Особливо часто такі матеріали використовуються в ДЗЗ, де відкриваються величезні масиви інформації. Дані про супутникове позиціонуванні, зйомка Землі, глобальні моделі рельєфу та інші базові матеріали, одержані за допомогою супутників, мають величезну стимулюючу дію на ринок і розвиток технологій.

Згідно з визначенням, запропонованим Open Knowledge Foundation (OKF), «відкриті дані - це дані які:

Ш загальнодоступні вільно або по необтяжливою ціною, без технологічних або будь-яких інших дискримінацій;

Ш можна вільно поширювати;

Ш можна використовувати для створення похідних продуктів »

2.6 Вегетаційні індекси NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)

Спектральні індекси, що використають для оцінки стану рослинності, називають вегетаційними індексами. Перший вегетаційний індекс RVI (Ratio Vegetation Index) був розробленій у 1969 році C.F. Jordan. А в 1973 році J.W. Rouse та його співавтори створили вегетаційний індекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). NDVI - це найвідоміший та найпопулярніший вегетаційний індекс. Його застосовували у безлічі наукових праць. Абревіатура NDVI майже стала синонімом терміна «вегетаційний індекс». На ньому прогрес не зупинився. Було розроблено багато вегетаційних індексів. Крім рослинності, спектральні індекси знайшли своє застосування в дослідженнях водойм, ґрунтів, сніжного покрову, поверхонь зі штучних матеріалів.

Для відображення індексу NDVI використовується стандартизована безперервна градієнтна або дискретна шкала, що показує значення в діапазоні від -1..1 в % (рис.2.9) або в так званій масштабованій шкалі в діапазоні від 0 до 255 (використовується для відображення в деяких пакетах обробки ДЗЗ, відповідає кількості градацій сірого), або в діапазоні 0..200 (-100..100), що більш зручно, так як кожна одиниця відповідає 1% зміни показника. Завдяки особливості відображення в NIR -RED областях спектра, природні об'єкти, не пов'язані з рослинністю, мають фіксоване значення NDVI, що дозволяє використовувати цей параметр для їх ідентифікації.

Значення NDVI для різних типів об'єктів

Тип об'єкту	Відбиття в червоній області спектру	Відбиття в інфрачервоній області спектру	Значення NDVI
Густа рослинність	0.1	0.5	0.7
Розряджена рослинність	0.1	0.3	0.5
Відкритий грунт	0.25	0.3	0.025
Хмари	0.25	0.25	0
Сніг і льод	0.375	0.35	- 0.05
Вода	0.02	0.01	- 0.25
Штучні матеріали (бетон, асфальт)	0.3	0.1	- 0.5

Найчастіше, розрахунок NDVI вживається на основі серії різночасових (різносезонних) знімків із заданою часовою здатністю, дозволяючи отримува- ти динамічну картину процесів зміни кордонів і характеристик різних типів рослинності (місячні варіації, сезонні варіації, річні варіації). Завдяки всім цим особливостям, карти NDVI часто використовуються як один з проміжних додаткових шарів для проведення більш складних типів аналізу. Результатами яких можуть бути карти продуктивності лісів і сільськогосподарських земель, карти типів ландшафтів, рослинності і природних зон, ґрунтові та інші еколого-кліматичні карти. Так само, на його основі можливе отримання численних даних для використання в розрахунках оцінки і прогнозування врожайності і продуктивності, біологічного різноманіття, ступеня порушення і збитку від різних природних і антропогенних лих, аварій та ін.

Головні недоліки використання NDVI:

Ш неможливість використання даних, які не пройшли етап радіометрич- ної корекції (калібрування);

Ш похибки, що вносяться погодними умовами, сильною хмарністю і серпанком;

Ш необхідність для більшості завдань порівняння отриманих результатів з попередньо зібраними даними тестових ділянок (еталонів), в яких повинні враховуватися сезонні еколого-кліматичні показники, як самого знімка, так і тестових майданчиків на момент збору даних;

Ш можливість використання зйомки тільки пори року вегетації для дос- ліджуваного регіону.

2.7 Системи обробки та інтепретації даних ДЗЗ

Системи ДЗЗ - це спостереження і вимір енергетичних і поляризаційних характеристик власного і відбитого випромінювання елементів суші, океану і атмосфери Землі в різних діапазонах електромагнітних хвиль, що сприяють опису місцезнаходження, характеру і тимчасової мінливості природних параметрів і явищ, природних ресурсів Землі, навколишнього середовища, а також антропогенних об'єктів і утворень.

В даний час існує широкий клас систем ДЗЗ, які формують зображення досліджуваної підстильної поверхні. В рамках даного класу апаратури можна виділити кілька підкласів, що розрізняються по спектральному діапазону використовуваного електромагнітного випромінювання і за типом приймача реєстрованого випромінювання, а також за методом (активний чи пасивний) зондування:

Ш Фотографічні і фототелевізійні системи;

Ш Скануючі системи видимого і інфрачервоного діапазону (телевізійні оптико-механічні та оптико-електронні, скануючі радіометри та багатоспектральні сканери);

Ш Телевізійні оптичні системи;

Ш Радіолокаційні системи бічного огляду (РЛСБО);

Ш Скануючі СВЧ-радіометри.

У той же час триває експлуатація та розробка апаратури ДЗЗ, орієнтованої на отримання кількісних характеристик електромагнітного випромінювання, просторово-інтегральних або локальних, але не формують зображення. В даному класі систем ДЗЗ можна виділити декілька підкласів нескануючі радіометри та спектрорадіометри, лідари.

Перед основною обробкою отриманий знімок необхідно провести через етап попередньої обробки, який полягає в проведенні геометричної, радіометричної та атмосферної корекцій.

Тематична обробка даних дистанційного зондування (даних ДЗЗ) - це методи поліпшення зображення, що включають в себе модифікацію контрастності, придушення шумів, виділення кордонів. Тематична обробка даних ДЗЗ здійснюється для вирішення конкретного завдання. В процесі тематичної обробки даних здійснюється класифікація об'єктів за космічними знімками з їх характерними ознаками. Дані дистанційного зондування дозволяють отримати більш детальну інформацію про території, оскільки не всі дрібні об'єкти можуть бути відображені на спеціалізованих картах через генералізації даних (дрібні озера, просіки, зміна порід дерев і т.д.).

Калібрувальні коефіцієнти, необхідні для проведення корекцій, постав- ляються разом з вихідним пакетом знімка, що завантажується. Механізм проведення корекцій досить складні. Однак, існує можливість не займатися корекцією і навіть основною обробкою знімків самостійно, а скористатися готовими "вторинними" знімками, якщо вони поставляються для обраного сенсора і якість їх даних підходить для вирішуваних завдань.

Продукція сенсорів надходить до кінцевого споживача в двох формах:

1) Вихідний оригінал знімка з усіма сценами спектральних каналів (стільки файлів зі сценами, скільки спектральних каналів має сенсор);

2) Похідні продукти - оброблений операторами знімок за чітко визначеним алгоритмом для виявлення певних характеристик.

Рівні обробки даних ДЗЗ (за системою NASA)

Рівень	Опис
Level 0	Реконструйовані необроблені дані сенсора повної здатності без службових даних (синхронізаційні фрейми, заголовки, повтори)
Level 1A	Реконструйовані необроблені дані сенсора повної здатності, прив'язані за часом, забезпечені радіометричними і геометричними калібрувальними коефіцієнтами і параметрами географічної прив'язки (додані до цього рівня необхідні для прове- дення корекцій калібрувальні коефіцієнти обчислені за даними Level 0, але не застосовані на цьому рівні)
Level 1B	Дані рівня Level 1A, перетворені в одиниці виміру сенсора (не всі знімки входять до комплекту поставки з цим рівнем обробки)
Level 2	Похідні геофізичні змінні (висота океанічних хвиль, вологість ґрунту, концентрація льоду) з тієї ж роздільною здатністю, як у даних рівня Level 1
Level 3	Змінні, відображені в універсальній просторово-часовій шкалі, можливо доповнені інтерполяцією.
Level 4	Дані, отримані в результаті розрахунків на основі попередніх рівнів. Фінальна модель або результат аналізу попередніх рів- нів обробки (змінні, отримані в результаті багатьох вимірів).



2.8 Коротка характеристика спеціалізованого ПЗ для обробки даних ДЗЗ - ENVI, ERDAS Imagine, ArcGIS

Програмний комплекс ENVI ліцензований провідними операторами космічних даних, одержуваних із супутників QuickBird, Ikonos, Orbview, Cartosat-1, Formosat-2, Resourcesat-1, SPOT, IRS, Landsat й ін. Крім фіксованих моделей сенсорів, включених у програмний комплекс, користувач може виконати геометричну корекцію довільного сканерного зображення, використовуючи модифікований алгоритм DLT (Direct Linear Transformation), закладений у програмний комплекс ENVI. ENVI призначений для візуалізації й обробки даних і містить у собі набір інструментів для проведення повного циклу обробки даних від ортотрансформування й просторової прив'язки зображення до одержання необхідної інформації і її інтеграції з даними ГІС.

Відмінною рисою програмного комплексу ENVI є відкрита архітектура й наявність мови програмування IDL (Interactive Data Language), за допомогою якої можна істотно розширити функціональні можливості програми для вирішення спеціалізованих задач: автоматизувати існуючі алгоритми, а також створювати власні алгоритми обробки даних і виконувати пакетну обробку даних.

ENVI містить спектральні бібліотеки, алгоритми та інструменти для виконання спектрального аналізу, які постійно оновлюються. Ця програма підтримує широкий діапазон растрових і векторних форматів, таких як...