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
Т3р, Т34р, Т4р, — 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: Т3р — 310-322 К; Т34р — 7-15 К; Т4р - 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.