Мониторинг земель дистанционными методами

Лекция №11 МОНИТОРИНГ ЗЕМЕЛЬ ДИСТАНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ Основные вопросы: 1. Характеристика подсистем мониторинга земель дистанционными методами. 2. Общие вопросы технологии мониторинга земель дистанционными методами. 3. Экологический мониторинг земель. Характеристика подсистем мониторинга земель дистанционными методами В систему мониторинга земель входят неземная, авиационная и космическая подсистема. Космическую подсистему используют для федерального и регионального мониторинга земель на территориях площадью 1 тыс.кв.м и более. Состоит она: – из космических летательных аппаратов; – бортовой аппаратуры дистанционного зондирования; – средств передачи информации, получаемой при зондировании; – средств приёма , регистрации и хранения информации на специальных пунктах, расположенных на Земле; – технических и программных средств отраслевой и межотраслевой обработки получаемой информации. В космической подсистеме используют КЛА, съемочные и технические средства, разрабатываемые специально для решения задач государственного мониторинга земель и экологического мониторинга территорий. Также можно использовать спутники и бортовую аппаратуру, принадлежащие другим ведомствам. Для обеспечения комплексного многоцелевого мониторинга земель на борту космического аппарата устанавливают несколько съёмочных систем, работающих в различных спектральных зонах: фотоаппаратура, многозональные сканеры (рис. 71), радиолокаторы (рис. 72) и другие. Для реализации космического мониторинга земель разрабатывают комплексный план космических съёмок, включающий следующие сведения: тип используемого космического летательного аппарата; типы съёмочных систем, требуемая периодичность съёмок; объекты съёмок с указанием географических координат границ. План космических съёмок (рис. 73) формируется на основе заявок, поступающих от фирм и организаций, осуществляющих мониторинг земель. Для проведения анализа многолетних изменений категории земель и экологических систем существуют отечественные и зарубежные архивные фонды материалов космических съёмок. В Российских фондах содержатся снимки, полученные с космических аппаратов серии «РЕСУРС-Ф», «ОКЕАН-О», «АЛМАЗ», станции «МИР» и др. Авиационную подсистему используют для проведения мониторинга на региональном и локальном уровнях. Съёмки проводят с высотных, средневысотных и низколетающих воздушных аппаратов. Они оборудованы комплексами автоматического самолетовождения, использующими для навигации данные GPS-аппаратуры. Самолёты подобного класса представляют собой летающие лаборатории с комплексом различной аппаратуры дистанционного зондирования. В подсистему наземных работ входят: Обеспечение дистанционного мониторинга земель опорной информацией для организации баз данных, используемой при обучении интерпретационных систем. Оценка дешифрирования материалов аэро- и космических съёмок. Данные подсистемы наземных наблюдений представляют в виде текстовых описаний, таблиц, гистограмм, картографической продукции и т.п. Наиболее существенная часть анализа результатов наземных наблюдений – прогнозирование проявления форм и динамики развития контролируемых объектов и явлений, определение взаимосвязей между параметрами исследуемых объектов и их изображениями или результатами измерений излучений, характеризующих свойства этих объектов. Общие вопросы технологии мониторинга земель дистанционными методами. Методика мониторинга земель может быть представлена в виде определенных последовательных действий, отвечающих смыслу понятия «мониторинг», – периодическое, с некоторым временным интервалом, получение информации об изучаемом объекте или явлении, анализ и прогнозирование его развития. Полученные данные учитывают при разработке управленческих и технических мероприятий. Проведение мониторинга земель включает несколько укрупненных процессов, обеспечивающих получение необходимой информации: разработка общей стратегии исследования; сбор фондового материала; выбор программного и технического комплекса; получение периодических материалов дистанционного зондирования; сравнение, анализ и прогнозирование изучаемых объектов и явлений. Разработка общей стратегии исследования является подготовительным этапом мониторинга земель. На район изучения подбирают все фондовые материалы, включая материалы аэро- и космических съемок прошлых лет, планово- картографический материал, результаты различных обследований территории, статистический материал и т.п. Задачи, решаемые при мониторинге земель, относятся к разряду создания различных тематических информационных слоёв, т.е. к созданию информационной земельно-кадастровой базы данных. Эффективность процедур работы с огромным количеством получаемой информации, доступность к этой информации, возможность ее визуализации, обмена внутри базы и экспорта- импорта в другие информационные системы и т.п. определяет выбор конкретной, используемой при данном мониторинге геоинформационной системы. Производство аэро- или космических съемок- наиболее важный этап мониторинга земель. Съёмки проводят в определенные на подготовительном этапе периоды времени. Изображения подвергаются фотограмметрической обработке о дешифрированию, с целью получения топографических и тематических планов, карт заданных масштабов, а также их электронных аналогов в ГИС в виде соответствующих геоинформационных слоев. Результаты определений характеристик земель, полученных специальной измерительной аппаратурой, наносят на топографическую основу для пространственной привязки табл. 1. Используя фондовые материалы и материалы новых съемок, программными средствами ГИС проводят сравнение разновременных данных. В результате их анализа выявляют изменения в положениях границ, площадей, качественного состава, использования и правового статуса категории земель. Особо выделяют экологические изменения земель, вызванные техногенными процессами. Экологический мониторинг земель Экологический мониторинг является комплексной подсистемой мониторинга биосферы. Он включает системы повторных наблюдений, оценку и прогноз природных и антропогенных изменений окружающей среды, что позволяет достаточно надежно контролировать экологические условия среды обитания человека и других биологических объектов, а также функциональное состояние экосистем. Кроме того, создаются предпосылки для соответствующих корректирующих действий, если показатели экологических условий этого требуют. Основная задача экологического мониторинга – ранее обнаружение и предупреждение естественных или антропогенных изменений состояния окружающей среды. Экологический мониторинг осуществляют в целях: – наблюдения за состоянием окружающей среды, особенно в районах расположения источников антропогенного воздействия; – оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов; – обеспечения потребностей государства, юридических и физических лиц в достоверной информации и состоянии окружающей среды и ее изменениях, необходимой для предотвращения уменьшения неблагоприятных последствий таких изменений; – обеспечения участия РФ в международных системах экологического мониторинга. Виды экологического мониторинга земель: По технологии получения информации все мониторинговые исследования можно разделить на две большие группы: 1-методы наземных обследований; 2-методы дистанционного зондирования. По временному интервалу поступающей информации мониторинг подразделяют на периодический и оперативный. В зависимости от пространственного уровня проведения мониторинг подразделяют: на биоэкологический; геоэкологический; биосферный. В зависимости от вида воздействия на окружающую среду, мониторинг подразделяют на фоновый и импактный. Методологические особенности экологического мониторинга земель дистанционными методами. Дистанционные методы получения информации – основной способ наблюдения за экологическими изменениями состояния земель. Методологические особенности экологического мониторинга земель дистанционными методами. Дистанционные методы получения информации – основной способ наблюдения за экологическими изменениями состояния земель. Методология проведения экологического дистанционного мониторинга включает несколько этапов: Определяют время и условия наблюдений, при которых в наибольшей степени различаются отражательные или излучательные характеристики объекта и его аномальных изменений; Выбирают тип съемочной системы, обеспечивающей наилучшую регистрацию исследуемых объектов.; Выполняют фотограмметрическую и интерпритационную обработку полученных снимков; Сравнивают с фондовыми данными, материалами полевых обследований текстовых участков; Анализируют на основе полученных сведений динамику изучаемого процесса и прогнозируют его на будущее. Далее данные мониторинга земель используют для разработки управленческих, организационных и технических решений. При проведении экологического мониторинга земель с использованием материалов аэро- и космических съемок необходимо получать и обрабатывать информацию обо всех компонентах природной и антропогенной среды (рис. 74). Контрольные вопросы 1. Какие подсистемы входят в систему мониторинга земель? 2. Для какого мониторинга используют космическую подсистему? 3. В каких целях осуществляют экологический мониторинг земель? 4. Назовите виды экологического мониторинга земель. 5. Дайте определение экологическому мониторингу. Лекция №12 ФОТОТРИАНГУЛЯЦИЯ Основные вопросы: 1. Понятие фототриангуляции. Виды фототриангуляции. 2. Графическое построение одномаршрутного фототриангуляционного ряда. Понятие редуцирования. Понятие об оптическом редуцировании. 3. Графо-аналитическое редуцирование. Увязка фототриангуляции. Точность графической фототриангуляции. Понятие фототриангуляции. Виды фототриангуляции Фототриангуляция – метод определения координат точек местности по фотоснимкам. Используется для сгущения геодезической сети с целью обеспечения снимков опорными точками, необходимыми для составления топографической карты и решения ряда инженерных задач. Фототриангуляция может быть пространственной, если определяют все 3 координаты точек, или плановой – 2 координаты, характеризующие положение точки в горизонтальной плоскости. Для пространственной фототриангуляции строят общую модель местности и ориентируют её относительно геодезической системы координат. Эту задачу решают путём внешнего ориентирования снимков, т.е. установки их в такое положение, при котором соответственные проектирующие лучи пересекаются, а координаты полевых опорных точек равны их заданным значениям (способ связок). Общую модель создают также путём построения частных моделей по отдельным стереоскопическим парам снимков и соединения их по связующим точкам (способы независимых и частично зависимых моделей). При аналитическом решении задач пространственной фототриангуляции измеряют координаты точек снимков на монокомпараторе или стереокомпараторе и вычисляют координаты точек местности. Наиболее строгим и точным является способ связок, основанный на совместном уравнении фотограмметрических и геодезических измерений и показаний приборов на борту съёмочного самолёта. Для выполнения пространственной фототриангуляции аналоговым способом используют фотограмметрические приборы – стереограф, стереопроектор, автограф и др., позволяющие строить независимые или частично зависимые модели. Примеры фототриангуляции изображены на рис. 75. Плановая фототриангуляция Плановая фототриангуляция (рис. 76) основана на том, что центральные углы с вершиной в главной точке снимка (или вблизи этой точки) практически равны соответствующим горизонтальным углам на местности. Плановую фототриангуляцию можно развить аналитическим способом, измерив на снимках центральные углы или координаты точек, либо графическим способом при помощи построения линий направлений на кальке, на которую: перенесены углы со снимков. Применяется маршрутная и блочная фототриангуляция. Наиболее эффективной является блочная фототриангуляция, которая строится по несколько или многим маршрутам с использованием цифровых ЭВМ. Пространственная фототриангуляция Аналоговая пространственная фототриангуляция выполняется на универсальных стереоприборах способом независимого ориентирования каждой модели при составлении планов с высотой сечения более 2 м, а также при построении плановых сетей в горных районах. При высоте сечения планов меньше 1 м развиваются частично свободные или зависимые модели (способ продолжений). Отдельные звенья соединяются в общую сеть по связующим. Внешнее ориентирование выполняется по опорным точкам аналитическим или графоаналитическим способом. Универсальные стереоприборы, применяемые при аналоговой фототриангуляции, должны обеспечить: средние погрешности измерения плановых координат не ниже 0,05 мм, относительные погрешности определения высот по контрольным сеткам не ниже V. Для обычных условий и для горных районов. Внешнее ориентирование маршрутных сетей графоаналитическим способом допускается при высоте сечения более 2 м, менее 2 м – при числе базисе в меньше 4 и систематической погрешности прогиба в превышениях менее 0,1 мм. При kv > 1,5 и невязке в конце сети более 1 мм, а также при расстоянии между опорными точками на плане 8–9 дм и расхождении общих точек смежных сетей менее 0,8 мм редуцирование выполняется на редукторе, в остальных случаях применяется аналитическое ориентирование по высоте и редуцирование. В фотограмметрические сети включают пункты геодезической опорной сети, точки съемочного обоснования, сгущения и специального (инженерного) назначения, фотограмметрические точки для обработки отдельных моделей, трансформационные, связующие, в том числе и для связи с соседними сетями, характерные точки местности (минимальные и максимальные высоты, урезы воды) и контрольные точки. Число связующих точек между моделями в зоне тройного перекрытия должно быть не менее 5–6. Связующие и другие точки, не закрепленные на местности, выбираются на плоских, хорошо освещенных участках по стереомодели на интерпретоскопе или другом стереоприборе с четырех-, шестикратным увеличением. На рис. 77 изображена пространственная фототриангуляция. Графическое построение одномаршрутного фототриангуляционного ряда. Понятие редуцирования Для построения одномаршрутного фототриангуляционного ряда непосредственно в масштабе плана необходимо, чтобы восковки (кальки) первого и последнего аэронегатива данного маршрута могли быть установлены на плане при помощи обратной засечки. Пусть дано (рис. 78) 5 аэронегативов одного маршрута, причем 1-й и последний из них обеспечены 4-мя опорными точками каждый. На всех аэронегативах наколим опорные точки, рабочие центры и связующие точки на тройных перекрытиях, а затем изготовим восковки направлений обычным способом. Для увязки ряда совместим центр 3-й восковки с точкой 3. Верхний и нижний лучи восковки должны пройти через точки m и п, но практически они могут отклониться от них не более чем на 0,3 мм. Затем исправим положение 2-й восковки так, чтобы ее центральные лучи проходили через точки Ь0,с0,т и n, а начальные направления совпадали, при этом стороны треугольника погрешностей, образующихся при связующих точках над и под 2-м центром должны быть не более 0,3 мм. Необходимо также следить за наилучшим совмещением начальных направлений. Таким же образом увяжем положение 4-й восковки. Ориентирующие точки на чертеже не показаны, но их обязательно берут на углах рабочих площадей, перекалывают на восковку и включают в построение ряда. В аэрофотогеодезическом производстве главным образом применяют построение одномаршрутных фототриангуляционных рядов в произвольном приблизительно выбранном масштабе. Такие ряды называются свободными. В дальнейшем их редуцируют в единую геодезическую систему в заданном масштабе плана, используя для этого редко расположенные опорные точки. Свободные одномаршрутные фототриангуляционные ряды строят при помощи восковок направлений на план кальки. Построение получается плотнее, если оно выполняется приблизительно в масштабе плана, следовательно ширина и длина полосы берутся во столько раз больше ширины и длины обрабатываемого маршрута, во сколько раз знаменатель численного масштаба аэронегатива или аэрофотоснимка больше знаменателя масштаба будущего плана. Пространственная фототриангуляция – способ определения координат точек пространственным фотограмметрическим методом. Теоритическая основа построения фототриангуляции – наличие геометрических связей и аналитических зависимостей между компонентами соответствующих точек снимка и местности. При пространственной фототриангуляции получают координаты X и Y и высоту Н, а при плановой только X и Y. Существуют следующие способы планового фотограмметрического сгущения геодезического обоснования – аналитический; – радиальный. Также измеряют расстояния на восковке и определяют коэффициент редуцирования. R=lосн/lвоск, (1) Колебание, значение коэффициента не должны превышать 0,003. Коэффициент редуцирования (от лат. reducentis – восстанавливающий) – коэффициент, устанавливающий истинное значение площади поперечного сечения какого-либо конструктивного элемента для того или иного воспринимаемого силового воздействия. На рис. 79 показана сеть фототриангуляции. Графо-аналитическое __Wq*Nl*No#Gредуцирование. Увязка фототриангуляции. Точность графической фототриангуляции Аналитическая фототриангуляция строится по измеренным координатам изображений точек снимков. Современная аналитическая фототриангуляция в условиях цифровой фотограмметрии наиболее полно реализует свои возможности, позволяя учитывать все систематические ошибки, влияние которых можно выразить в математической форме: дисторсию объектива съемочной камеры, кривизну Земли, атмосферную рефракцию, равномерную и неравномерную деформацию снимков и т.п. Особенно важным является то, что аналитическая фототриангуляция дает возможность учета различных дополнительных данных, среди которых наиболее значимыми являются GPS/ГЛОНАСС – измерения, а так же интегрированные данные от систем спутникового позиционирования и инерциальных измерительных систем (GPS/INS – систем). Точность аналитической пространственной фототриангуляции может достигать 3-5 см., что удовлетворяет не только требованиям крупномасштабного картографирования, но и соответствует требованиям ведения кадастра в городских условиях. Наконец, в зависимости от назначения пространственную фототриангуляцию разделяют на каркасную и заполняющую. Аналитическую фототриангуляцию применяют при составлении планов и фотопланов всех масштабов. Используют плановые, конвергентные, перспективные и панорамные аэрофотоснимки, а также фототеодолитные снимки. При аналитической фототриангуляции на ЭВМ вытянутых сетей по трассе применяют программы, разработанные в ВНА им. Куйбышева. Развитие больших сетей выполняют с использованием метода соединения подблоков маршрутных сетей, квазиснимков. Сгущение сетей для составления планов в крупных масштабах выполняют по программе без предварительного определения элементов внешнего ориентирования. Графическую фототриангуляцию ограниченно применяют для сгущения опорных сетей при составлении обзорных фотосхем в масштабах 1:250001:10000 и фотопланов – 1:25000. Опорной сетью служат пункты триангуляции, имеющиеся на картах масштаба 1:25000-1:10000, и другие геодезические сети. Используют негативы, снимки, изготовленные на фотобумаге и фотопластинке, диапозитивы (на фотопленке). Представляют топографическую основу с точками сгущения и краткую пояснительную записку с методикой и погрешностями сети. Контрольные вопросы 1. Что такое фототриангуляция? 2. На какие виды подразделяют фототриангуляцию? 3. Что такое коэффициент редуцирования? 4. На какие виды подразделяют пространственную фототриангуляцию? 5. Для чего применяют графическую фототриангуляцию?