<<
>>

Конвергенция информационных технологий и методов дистанционного зондирования для построения аэрокосмического экологического мониторинга мегаполисов

Введение. Разработка и реализация единой интегрированной программы, отражающей конвергенцию информационных и коммуни­кационных технологий (ИКТ) и Web-технологий в широкомасштабные исследования по узловым направлениям формирования информацион­ного общества, ориентированы также и на формирование комплексной системы экологического мониторинга.

Мониторинг окружающей сре­ды -- одна из актуальных народнохозяйственных и научных задач, так как направлен на решение таких глобальных проблем, как антропоген­ное изменение климата и состояние окружающей среды. Важнейшим источником информации для мониторинга природных сред являются спутниковые данные, эффективное использование которых возможно только при условии применения современных информационных тех­нологий, обеспечивающих их автоматический прием, обработку и ар­хивацию. Система экологического мониторинга предусматривает опе­ративный доступ к спутниковой информации удаленных пользовате­лей и использование экологической информации для устойчивого раз­вития социальных структур без деградации среды обитания. Особенно важно обеспечить развитие этого ключевого направления для совре­менного мегаполиса. Так, в одной из важнейших международных про­грамм «Глобальный вызов Бангемана» (Global Bangemann Challenge, GBC), поддержанной Комиссией европейских сообществ, Центром по формированию информационного общества и направленной на разви­тие информационных и коммуникационных технологий в городах, значительное место занимают проблемы применения ИКТ в задачах охраны окружающей среды.

Проблемы и примеры решения задач спутникового геоэкологи­ческого мониторинга мегаполиса Москвы в рамках проблемы конвер­генции передовых информационных технологий и организации ин­формационной среды города рассматриваются в предлагаемой работе.

Аэрокосмический экологический мониторинг. Методы дистан­ционного зондирования, ИКТ и Интернет-технологии приобретают в настоящее время важное значение для обеспечения оперативного дос­тупа к спутниковым данным и электронным ресурсам космических методов контроля экосистем.

Развитие глобальной компьютерной сети Интернет и взрывной рост информационных технологий не только оптимизировали информационный обмена в мировом научном сооб­ществе, электронный доступ ученых к информационным ресурсам и научным базам данных ведущих национальных центров, интенсивной интеграции научно-исследовательской и информационной деятельно­сти. Одной из новых возможностей является интеграция современных информационных технологий в системах космического экологического мониторинга. В этой работе основное внимание сосредоточено на проблеме использования спутниковой информации и Интернет­технологий для наблюдения за состоянием окружающей среды в больших городах.

Использование телекоммуникационной инфраструктуры, ги­пертекстовых и интерактивных технологий чрезвычайно перспективно в спутниковом мониторинге состояния окружающей среды. Решение этих задач делает возможными интеграцию технологий дистанционно­го зондирования в системах геоэкологического мониторинга мегапо­лисов и геоэкологической безопасности г. Москвы и реализацию ново­го подхода к управлению качеством жизни в городе -- подхода, осно­ванного на прозрачности, предоставлении городскому сообществу доступа через сеть к оперативной информации о состоянии окружаю­щей среды в г. Москве.

В контексте формирования в Москве концепции информацион­ного общества и использования новейших ИКТ для интеграции источ­ников информации определим круг задач, анализ которых позволяет ответить на вопрос о возможности применения методов исследования Земли из космоса, основанных на развитии ИКТ и Интернет­технологиях, не только в традиционно решаемых задачах метеороло­гии и океанографии, но и при решении природоохранных проблем в интересах крупных городов.

Если говорить в самом общем виде о формировании концепции интеграции Москвы в информационное общество, то в направлении, основанном на использовании и интеграции спутниковой информации в городском геоэкологическом мониторинге, в настоящее время можно выделить следующие актуальные для Москвы задачи:

- информирование широких слоев населения об экологии мега­полиса, обеспечение пользователей, всего городского сообщества опе­ративными информационными ресурсами космического экологическо­го мониторинга;

- интеграция электронных ресурсов о состоянии окружающей среды в единое информационное пространство мегаполиса;

- обеспечение единого информационного пространства системы геоэкологической безопасности города на основе дистанционного зон­дирования, ГИС и Интернет-технологий;

- введение и хранение цифровых карт местности, атрибутивных баз данных, представление экологической информации на различных административных уровнях пользователя для оперативного решения задач управления геоэкологической безопасностью г.

Москвы.

Тепловое дистанционное зондирование г. Москвы. Космический экологический мониторинг перспективен для выявления изменений в состоянии окружающей среды урбанизированных территорий. Спут­никовый мониторинг геофизических полей в видимом и инфракрасном диапазонах спектра позволяет контролировать состояние атмосферы над городом, обнаруживать техногенные выбросы промышленных предприятий и устанавливать зоны негативного влияния мегаполиса на прилегающие лесопарковые зоны. В Институте космических исследо­ваний РАН в 1998-1999 гг. по поручению правительства г. Москвы на основе спутниковой информации проводился мониторинг тепловых выбросов ТЭЦ и крупных производств. Для спутникового экологиче­ского мониторинга больших городов наиболее эффективны метеоро­логические спутники, как отечественные (спутники типа «Ресурс-01»), так и американские спутники серии NOAA с многоканальными радио­метрами типа AVHRR. Высокая периодичность мониторинга (не­сколько раз в сутки), достаточно хорошо разработанное метеорологи­ческое и методическое обеспечение обработки информации позволили развить концепцию и разработать спутниковую подсистему городско­го экомониторинга г. Москвы, которая в состоянии обнаруживать теп­ловые аномалии и тепловые выбросы промышленных отходов (ТЭЦ, крупные производства, пруды-охладители), регистрировать дымные шлейфы от труб, возникающие в результате крупных лесных и торфя­ных пожаров в окрестности города.

На борту спутников серии NOAA и «Ресурс-01» выполняется калибровка для последующего преобразования измеряемой спутником суммарной тепловой энергии от Земли и атмосферы в яркостные тем­пературы по определенному алгоритму.

Обнаружение тепловых аномалий и контроль тепловых выбро­сов промышленных объектов. Обнаружение тепловых аномалий вклю­чает в себя:

- собственно классификацию участков изображения по радиа­ционной температуре в условиях помех и выявление аномальных на данном снимке источников излучений;

- выявление тепловых аномалий на основе анализа временных рядов с учетом помеховой обстановки.

ков излучений. В зависимости от помеховой обстановки, времени су­ток и природно-климатических условий используются различные стандартные алгоритмы выявления тепловых аномалий, а также алго­ритмы, которые успешно апробированы при обнаружении пожаров.

При отсутствии облачности наиболее удобна регистрация теп­ловых аномалий на основе алгоритма обнаружения по порогам темпе­ратур. Участок многоканального изображения считается аномальным,

если выполняются следующие условия, представленные в табл. 8.2,где

Т, Т34р, Т, — температурные пороги, I2, Ii — интенсивность излуче­ния в 1-м и 2-м каналах.

Таблица 8.2

Критерии обнаружения тепловой аномалии

Рис. 8.18. Локализация московских тепловых электростанций: 1 — изображе­ние г. Москвы 14.12.97 г., спутник NOAA-12; 2 — температурный профиль поверхности; 3 — координаты точек и величины пикселов

Алгоритм обработки тепловых аномалий реализован в дополни­тельном программном модуле «Fire detection» к пакету прикладных программ ERDAS Imagine. Температурные пороги задаются операто­ром в следующих интервалах: Т — 310-322 К; Т34р — 7-15 К; Т - 275-285 К. Для летнего времени задаются следующие температурные пороги: Т3 = 312 К; Т34 = 15 К; Т4 = 276 К. Пример выделения источни­ков излучения от тепловых электростанций на территории г. Москвы (14 декабря 1997 г.) приведен на рис. 8.18.

В условиях разорванной облачности и при больших значениях зенитного угла Солнца «блики» в 3-м канале от облаков, водных по­верхностей и открытых участков местности резко увеличивают веро­ятность ложных помех. В этом случае хорошие результаты получены при использовании смешанного алгоритма используемого в програм­мной среде «ERDAS IMAGINE».

Разработанная методика выявления тепловых аномалий в усло­виях помех представлена на диаграмме (рис. 8.19).

Рис. 8.19. Методика выявления тепловых аномалий в условиях помех

Рис. 8.20. Тепловая аномалия под дымом техногенного происхождения

При низкой контрастности значений яркости тепловых каналов обработка производится с использованием ГИС-технологий про­граммного продукта «ERDAS IMAGINE». Градации яркости опреде­ляются посредством обработки теплового канала методом кластерного

анализа (ISODATA).

Выявление тепловых аномалий на основе анализа временных ря­дов с учетом помеховой обстановки. На абсолютные значения собст­венного излучения подстилающей поверхности, включая техногенные объекты, влияют следующие факторы:

- время суток, угол Солнца, взаимное положение спутника, уча­стка наблюдения и Солнца;

- метеорологическая обстановка (облака, осадки, ветер);

- характер застройки и инфраструктуры.

Учет вышеперечисленных факторов возможен на основе стати­стических наблюдений для разделения параметров, входящих в слу­чайную и систематическую погрешности. Такая работа должна прово­диться с использованием данных наземных измерений.

щью спутников серии NOAA производится несколько раз в сутки, то такой мониторинг позволит не только выявлять тепловые загрязнения, но и осуществлять оперативный контроль состояния технических объ­ектов.

Выделение дымовых шлейфов, локализация источников задым­ления и оценки границ размывания шлейфов в пределах городской тер­ритории. Задача выделения дымовых шлейфов во многом сходна с задачей выделения и анализа тепловых аномалий. Однако в настоящее время не существует признаков, по которым можно по данным опти­ческих и тепловых измерений со спутников (ближний ИК и обычный ИК спектральные каналы) локализовать нетепловые источники загряз­нений.

Для решения этой задачи требуется применять более сложные методы анализа. Например, использовать более широкий набора спек­тральных каналов, специальные методы обработки и выделения гра­ниц неоднородных областей шлейфов и распознавания их на фоне ес­тественных образований, в частности отделения шлейфов от облаков.

В настоящее время практически может быть решена более узкая задача -- выявление тепловых шлейфов и зон задымления от локали­зованных источников, т.е. от таких источников, которые могут быть обнаружены по данным спектрального канала 3,5-3,9 мкм. Такой ка­нал имеется и на отечественных спутниках серии «Ресурс-01» (5-й ка­нал МСУ-СК), и на спутниках NOAA. Перспективным методом реше­ния подобной задачи является использование многоканальных (опти­ческих и тепловых) спектральных каналов, в том числе и совмещен­ных данных дистанционного зондирования со спутников разных се­рий. Анализ серии снимков со спутников «Ресурс-01» показал, что в результате такого совмещения источники тепловых аномалий полно­стью совпадают с источниками дымовых шлейфов.

Возникающие вблизи городов пожары могут сильно влиять на экологическую обстановку в городе за счет насыщения воздуха угле­кислым газом и продуктами горения, в отдельных случаях вызывать острый дефицит кислорода. Примерами являются торфяные пожары вблизи г. Москвы в 1972 г. и пожары на нефтяной скважине. Протя­женность дымовых шлейфов достигает 100-200 км (рис. 8.21).

Программное обеспечение, разработанное для нужд МЧС Рос­сии, позволяет выявлять очаги пожаров (для торфяных пожаров до возникновения дымовых шлейфов), осуществлять географическую привязку и использовать возможности современных геоинформацион­ных систем для принятия решений.

При возникновении крупных техногенных пожаров в черте го­рода наблюдения со спутника NOAA позволяют визуализировать рай­он загрязнения опасными химическими веществами.

Рис. 8.21. Пожары в Центральной части России, 15.06.98 г.

Перспективы применения спутникового экомониторинга в больших городах. Проведенные исследования показали, что аэрокос­мические методы изучения природной среды находят широкое приме­нение в спутниковом экомониторинге мегаполисов. Метод тепловой космической съемки мегаполисов основан на бесконтактном опреде­лении температуры объекта земной поверхности или среды по плотно­сти потока излучения в инфракрасном диапазоне длин волн. Регистри­руемое излучение (радиационная температура) является функцией термодинамической температуры и спектрального коэффициента из­лучения, характеризующего оптические свойства излучающей поверх­ности.

1. Разработка методов теплового дистанционного зондирования мегаполисов и выявление изменений в состоянии окружающей среды урбанизированных территорий.

2. Оперативное обнаружение тепловых аномалий и техногенных выбросов, например контроль тепловых выбросов ТЭЦ и промышлен­ных объектов. Классификация участков космических снимков по ра­диационной температуре и выявление аномальных источников излу­чений. Выделение дымовых шлейфов на основе специальных алгорит­мов и определение границ неоднородных областей шлейфов. Задача выявления тепловых дымовых шлейфов и зон задымления от локали­зованных источников.

3. Прогнозирование переноса загрязнений в городской атмосфе­ре, основанное на анализе структуры турбулентных полей и ветра. Из­вестно, что распространение загрязнений в городской атмосфере опре­деляется структурой турбулентных полей и ветра. В то время как средний ветер вызывает адвекцию (снос) примесей, турбулентность приводит к диффузионному расплыванию облака загрязнений. Харак­теристики крупномасштабной турбулентности определяют размеры зон, охваченных загрязнениями воздуха. Показано, что в условиях плотной городской застройки возникают благоприятные возможности для возбуждения крупных вихревых структур.

4. На основе комплексного экологического мониторинга регио­на возможно эффективное оценивание влияния мощной техногенной системы на экологию города.

5. Построение температурных карт городов и тематических ме­тодик обработки спутниковых данных.

6. Выявление температурных аномалий и суммарных загрязне­ний природной среды объектами промышленного и городского хозяй­ства с использованием тематической дешифровки и компьютерной обработки данных ДЗЗ и ГИС-технологий.

7. Формирование единой упорядоченной информационной сре­ды региона. Создание информационного банка знаний по космическо­му геоэкологическому мониторингу мегаполиса. Комплексная обра­ботка экологической информации о мегаполисе -- от сбора данных до ее хранения, обновления и представления городскому сообществу.

8. Построение динамических моделей техногенного воздействия по данным тепловой космической съемки.

8.1.4.

<< | >>
Источник: Толмачева Н.И., Шкляева Л.С.. Космические методы экологического мониторинга: учеб. пособие / Н.И. Толмачева, Л.С. Шкляева; Перм. ун­т.- Пермь,2006.- 296 с.. 2006

Еще по теме Конвергенция информационных технологий и методов дистанционного зондирования для построения аэрокосмического экологического мониторинга мегаполисов:

  1. Конвергенция информационных технологий и методов дистанционного зондирования для построения аэрокосмического экологического мониторинга мегаполисов