Реферат: Методика создания карт динамики природной среды (карт антропогенных изменений) по космическим цифровым снимкам Содержание

Методика создания карт динамики природной среды (карт антропогенных изменений) по космическим цифровым снимкам

Содержание

Содержание. 2

Аннотация. 2

Введение. 2

1. Основные принципы создания и использования карт динамики природной среды.. 3

2. Исходные материалы.. 4

2.1 Перечень исходных материалов. 4

2.2. Требования к космическим снимкам.. 4

2.3 Сведения об ограничениях хозяйственной деятельности (регламентах) 6

2.4 Картографическая основа. 6

2.5 Прочие сведения и исходные материалы.. 7

3. Создание карт динамики природной среды.. 8

3.1 Этапы создания карты динамики. 8

3.2 Подготовительный этап. 8

3.3 Формирование растровой карты динамики. 11

3.4 Формирование векторных элементов содержания, разработка легенды и компоновка. 14

3.5 Составление пояснительной записки. 17

3.6 Организация работ.. 18

4. Приемы работы с картой.. 19

Приложение 1. Источники регламентов. 22

Приложение 2. Сведения о картографических материалах.. 22

Приложение 3. Сведения об основных видах хозяйственной деятельности.. 23

Приложение 4. Пример дешифровочного атласа.. 24

Приложение 5. Разностные изображения. 27

5.1 Формирование разностных изображений. Вывод формулы. 27

5.2 Ошибки разностных изображений. 28

5.3 Принципы интерпретации. 30

Приложение 6. Пример карты динамики.. 34

Аннотация

В настоящем документе содержится описание методики создания цифровых карт, основным содержанием которых являются границы участков земной поверхности, которые в течении некоторого периода подвергались воздействиям природного или антропогенного характера. Основой карты является так называемое «разностное изображение», представляющее собой растровое изображение созданное путем специальной обработки двух космических снимков, полученных через некоторый временной интервал. Карта, содержащая разностное изображение, элементы местности, границ участков территории в отношении которых установлены ограничения хозяйственной деятельности и пояснительные подписи называется картой динамики.

Карты динамики природной среды, созданные в соответствии с настоящей методикой, могут быть использованы для подготовки планов проведения проверок деятельности природопользователей, в процессе проведения экологической экспертизы и связанных с ней общественных слушаний, для независимого контроля со стороны общественности за соблюдением ее интересов в области традиционного природопользования, а так же для решения ряда других задач.

Введение

Задача мониторинга природных территорий в своей основе может быть представлена как «определение изменений компонент окружающей среды, классификация изменений, выяснение масштабов изменений и определение допустимости изменений». Если территория, подлежащая мониторингу в указанном выше смысле, является протяженной, малозаселенной и периодически или постоянно подвергается комплексному антропогенному воздействию , то решение задачи мониторинга становится весьма трудо-, время- и ресурсоемкой, что ведет к значительному увеличению стоимости процесса мониторинга традиционными средствами, но в то же время не обеспечивает его эффективности.

Для отображения результатов мониторинга целесообразно использовать картографические материалы, на которых помимо участков территории, которые подвергаются изменениям того или иного вида, будут отображены основные объекты местности и, что наиболее важно, ограничения хозяйственной деятельности, накладываемые на определенные участки территории. В качестве ограничений выступают особо охраняемые природные территории, леса 1 группы, водоохранные зоны и т.п. Такие картографические материалы мы будем называть картами динамики природной среды .

Проблема создания качественного картографического материала, отражающего текущее состояние местности может быть решена за счет вложения достаточного объема финансовых ресурсов. При этом, объем вложений будет в значительной степени зависеть от подробности создаваемой карты, ее содержания и масштаба.

Для принятия того или иного управленческого решения необходимо освидетельствование объекта на местности специалистом соответствующего органа государственной власти. Картографический материал, содержащий границы территории, подвергнувшейся воздействию не может служить юридическим документом без проведения освидетельствования. Установление характера и причин изменений являются наиболее сложной частью работы по созданию карт динамики. Следовательно, разумным компромиссом между стоимостью и качеством карты динамики является отказ от излишней детализации, связанной с точным установлением вида и причин изменений территории.

Настоящая методика содержит описание процесса создания карт динамики природной среды, которые с одной стороны, содержат подробные сведения о локализации «изменений» на местности, а с другой стороны представляют информацию только о некотором обобщенном типе или виде «изменения».

Для создания таких карт используются два или более цифровых космических снимка, полученных через некоторый интервал времени (не менее одного года). При помощи специально разработанного метода из двух исходных снимков создается разностное изображение , на котором участки территории, подвергнувшиеся изменениям и, следовательно изменившим свои спектральные отражательные характеристики, имеют значительный контраст по сравнению с участками, которые не подвергались изменениям и, следовательно, не изменяли свои отражательные характеристики.

Карты динамики природной среды, созданные в соответствии с настоящей методикой, могут быть использованы для подготовки планов проведения проверок деятельности природопользователей, в процессе проведения экологической экспертизы и связанных с ней общественных слушаний, для независимого контроля со стороны общественности за соблюдением ее интересов в области традиционного природопользования. Интерес они могут представлять для проведения топографического мониторинга, т.е. для планирования «фрагментарного» обновления картографических материалов различных масштабов, как альтернативы применяемой в настоящий момент сплошной съемке.

Методика рассчитана как на специалистов в области картографии, так и на специалистов в других отраслях, которые знакомы с основными принципами создания картографических материалов.

1. Основные принципы создания и использования карт динамики природной среды

1.1 Карты динамики природной среды (далее - карты динамики) относятся к тематическим картографическим материалам. Их основной тематической нагрузкой являются границы участков территории, подвергающихся воздействию природного или антропогенного характера, приводящему к долговременной смене вида (типа) ландшафта. Дополнительной тематической нагрузкой карт динамики являются участки территории, для которых установлены ограничения ведения хозяйственной или иной деятельности (регламенты).

1.2 Карты динамики предназначены для решения задач, связанных с проведением мониторинга территории и получением информации о деятельности, происходящей на территории. Такими задачами являются: контроль органов государственной власти за деятельностью природопользователей, контроль общественных организаций и граждан за деятельностью природопользователей, проведение научных исследований, проведение топографического мониторинга территории и др.

1.3 Карты динамики по масштабу подразделяются на три категории: крупномасштабные, среднемасштабные и мелкомасштабные, в зависимости от таксономического ранга отображаемых ландшафтов (см Таблицу).

Таблица 1. Категории масштабов карт динамики природной среды.

1.4 Карты динамики создаются для определенного временного интервала, как правило, не менее одного года и отражают изменения территории, происшедшие в рамках данного временного интервала.

1.5 Карты динамики создаются на основе спектрозональных или панхроматических космических снимков, представленных в цифровой форме, полученных с различным временным интервалом.

1.6 Карты динамики представлены в прямоугольных координатах, в проекции Гаусса-Крюгера или производных от нее проекциях (например в системе координат 1963 г.), а так же в проекции UTM. В качестве референц -эллипсоида выбирается эллипсоид Красовского или WGS84.

1.7 Карты динамики создаются при помощи современных вычислительных средств и программных продуктов – «геоинформационных систем (далее – ГИС) и средств автоматизированной обработки данных дистанционного зондирования Земли. По виду представления информации карты динамики являются комбинированными растрово-векторными цифровыми картами.

1.8 Карты динамики содержат из следующие основные части (компоненты):

- разностное растровое изображение, которое создается на основе космических снимков и содержит отображение изменившихся с течением времени участков территории,

- основные элементы местности, такие как дороги, реки, болота, населенные пункты и т.п.

- ограничения хозяйственной деятельности территории (регламенты), представляющие собой картографическое отображение участков территории, для которых установлены ограничения хозяйственной деятельности,

- элементы оформления, такие как легенда, зарамочное оформление, координатная сетка и т.п.

- пояснительная записка, в состав которой входят сопроводительные ведения, технические характеристики и описание основных принципов работы с картой.

2. Исходные материалы

2.1 Перечень исходных материалов

2.1.1 Для создания карт динамики требуются следующие основные исходные материалы:

• Два космических снимка,
• Сведения о регламентах,
• Топографическая карта-основа,

и следующие дополнительные материалы:

• Сведения об основных физико-географических процессах происходящих на территории и видах хозяйственной деятельности.

2.2. Требования к космическим снимкам

2.2.1 Для создания карты динамики требуется два космических снимка, целиком охватывающих картографируемую территорию, полученных с определенным техническими характеристиками (п.3.2.2 ) временным интервалом.

2.2.2 Космические снимки должны быть представлены в цифровом виде, в форме «сетки» или матрицы. Одна «клетка» или «ячейка» сетки называется «пиксел». Для каждого пиксела должны быть представлены сведения, позволяющие однозначно определить местоположение участка земной поверхности, который он отображает. Такие сведения называются «сведения о пространственной привязке». Рекомендуется использовать общераспространенный формат TIFF с файлом пространственной привязки, либо формат GeoTIFF.

2.2.3 Космический снимок состоит из набора отдельных изображений, полученных в узких диапазонах длин волн (спектра). Такой снимок называется «спектрозональным» а отдельное изображение – спектральным каналом. Каждый спектральный канал характеризуется полосой пропускания, выражающейся в единицах длин волн - микрометрах (мкм). Ширина полосы пропускания как правило не превышает 1 мкм.

Таблица 2. Рекомендуемые полосы пропускания, названия спектральных каналов и диапазонов длин волн.

Исходные снимки должны содержать одинаковые наборы спектральных каналов. Рекомендуется использовать снимки полученные одним и тем же сенсором и семейством сенсоров (камер).

В случае, если используются снимки различных сенсоров, рекомендуется, чтобы полосы пропускания не отличались по центральной длине волны и ширине полосы пропускания более чем на 0.2-0.4 мкм от приведенных в таблице 2. Подавляющее большинство снимков имеющихся на рынке, удовлетворяют этим требованиям.

2.2.3 Яркость пиксела снимка, представляется в сетке или матрице целым или действительным числом (для его обозначения используется аббревиатура DN – «digital number»). Количество градаций яркости (или значений которые может принять число DN), называется радиометрическим разрешением и является характеристикой сенсора. Радиометрическое разрешение исходных снимков должно быть одинаковым попарно в каждом из спектральных каналов и быть не менее 64.

2.2.4 Характерный размер участка земной поверхности, попадающего в один пиксел снимка называется «пространственным разрешением снимка» и выражается в метрах. Пространственное разрешение снимка, в каждом из каналов, не должно изменяться от пиксела к пикселю. Пространственные разрешения исходных снимков должны совпадать попарно в каждом из спектральных каналов. Пространственное разрешение является характеристикой сенсора (камеры) которой был получен снимок.

2.2.5 Снимки, по возможности, должны удовлетворять следующим дополнительным условиям, несоблюдение которых может привести искажения в карту динамики. Сведения, необходимые для соблюдения условий могут быть получены из сопроводительной документации к снимкам.

• Сходные условия освещения. Снимки должны быть получены приблизительно в одно и то же время суток, для того, чтобы солнечные лучи падали на территорию под одинаковым углом.
• Сходные условия съемки космическим аппаратом. Угол съемки (угол между вертикальной или отвесной линией и оптической осью камеры) должен быть приблизительно одинаков для обоих снимков. Лучше всего, если съемка в обоих случаях вертикальная (угол близок к 0).
• Снимки должны быть получены приблизительно в период одинаковой фазы развития растительности. Предпочтительно, чтобы оба снимка были получены в период максимального развития растительности – в середине лета.

2.2.6 На снимках должны полностью отсутствовать дымка или облака. В противном случае на карте динамики появятся искажения, связанные с тем, что дымка или облака существенным образом изменяют спектральные и энергетические (яркостные) характеристики лучей света, проходящие через них, и, следовательно влияют на качество отображения подстилающей поверхности.

Примечание. Наличие или отсутствие дымки и облачности можно установить визуальным путем по первому каналу снимка. Если имеется общая, не связанная с характером местности белесая пелена или четкие белые пятна, то скорее всего на снимке присутствует дымка или облачность. Для контроля можно использовать второй и третий канал, в которых облачность и дымка видны слабее, чем в первом канале и четвертый канал, в котором легкая облачность и дымка практически не видны. Если облака достаточно плотные, то во втором и третьем каналах недалеко от них хорошо видны темные тени.

2.3 Сведения об ограничениях хозяйственной деятельности (регламентах)

2.3.1 Сведения о регламентах собираются путем изучения следующих источников:

• Нормативно-правовых актов в области природопользования и охраны окружающей среды, в области градостроительства, изданные органами государственной власти РФ и органами государственной власти субъектов РФ.
• Градостроительной документации о планировании градостроительного развития территории и правовом зонировании,
• Лесоустроительной документации и картографических материалов лесоустройства,
• Проектов водоохранных зон,
• Проектов установления зон санитарной охраны,
• Сведений государственного земельного кадастра,
• других материалов,

а так же путем проведения опросов представителей общественных организаций и местного (коренного) населения, которое может иметь свою заинтересованность в использовании тех или иных участков территории.

2.3.2 Сведения об установленных источниках и видах регламентов заносится в таблицу, форма которой приведена в Приложении 1. Таблица служит для формирования дополнительной тематической нагрузки карты, принятия решения о способе картографического изображения регламентов и составления Пояснительной записки.

2.4 Картографическая основа

2.4.1 Топографическая карта может быть использована в качестве картографической основы для карты динамики. В этом случае подбирается карта с наиболее актуальным состоянием местности из масштабного ряда, в соответствии Таблицей 1. Топографическая карта должна быть представлена в цифровом виде в системе координат, определенной техническими характеристиками (п.3.2.2).

2.4.2 Для составления карты динамики требуется следующая тематическая нагрузка топографической карты:

• дорожная сеть,
• водные объекты,
• болота,
• линейные объекты (инженерные сооружения и коммуникации),
• промзоны,
• границы населенных пунктов и других селитебных территорий.

2.4.3 В случае отсутствия топографической карты в качестве основы может быть использована государственная лесоустроительная карта (план насаждений лесничества) масштаба 1:10000 – 1:25000 последнего лесоустройства.

2.5 Прочие сведения и исходные материалы

2.5.1 Сведения о территории и проходящих на ней физико-географических процессах, собираются по следующим направлениям:

• физико-географическое районирование,
• ландшафтное районирование,
• геоботаническое районирование, лесорастительное районирование,
• климатическое районирование,
• почвенное районирование (на территориях, не покрытых лесом),
• охраняемые природные объекты и их размещение,
• эрозионные процессы (ветровая и водная эрозия) и характер их течения,
• распространение и характеристика карста в зонах его массового распространения,
• особенности лесовосстановления вырубок,
• гидрологические условия, сведения об особенностях в характере питания болот.

2.5.2 Преимущество отдается сведениям, представленным в картографической форме. При сборе информации, связанной с картографическим отображением результатов районирования необходимо обратить особое внимание на наличие пояснительных записок к соответствующим картографическим материалам, содержащих детальное описание выделяемых районов по соответствующим показателям.

2.5.3 Сведения о картографических материалах, отражающих информацию о территории и проходящих на ней физико-географических процессах, заносятся в таблицу, приведенную в Приложении 2.

2.5.4 Сведения об основных видах хозяйственной деятельности собираются по всем основным видам природопользования:

- по недропользованию,

- по лесопользованию,

- по водопользованию (в т.ч. спецводопользованию).

2.5.5 Если позволяет возможность, необходимо получить информацию об основных видах нарушений природоохранного законодательства, связанных с различными видами природопользования, видах негативного воздействия окружающей среды на сооружения и предпринимаемые меры по их инженерной защите. Особое внимание следует обратить на выяснение мест локализации хозяйственной деятельности, ее продолжительности и масштабах. Необходимо помнить, что результаты (последствия) некоторых видов могут сказываться на состоянии окружающей среды еще длительное время после завершения деятельности.

2.5.6 Сведения об основных видах хозяйственной деятельности заносятся в таблицу, приведенную в Приложении 3.

2.5.7 Источниками сведений о территории и проходящих на ней физико-географических процессах, сведений об основных видах хозяйственной деятельности могут являться:

• Отраслевые институты Академии наук и проектные институты,
• Данные научных исследований, энциклопедий и другие литературные источники,
• Специалисты научных организаций, органов государственной власти,
• Специалисты организаций, занимающихся эксплуатацией инженерных коммуникаций,
• Члены общественных организаций природоохранной направленности,
• Представители местного населения,
• Органы государственной власти, осуществляющие выдачу лицензий на соответствующие виды природопользования,
• Данные государственной статистической отчетности,
• Государственные доклады о состоянии окружающей природной среды.

3. Создание карт динамики природной среды

3.1 Этапы создания карты динамики

3.1.1 Процесс создания карт динамики подразделяется на несколько последовательных этапов, в течение которых формируются ее основные части (компоненты):

• Подготовительный, который включает формулирование требований к создаваемой карте, сбор и обработку исходной информации.
• Формирование растровой карты динамики , в течение которого, при помощи средств автоматизированной обработки снимков, на основе исходных снимков, формируется специальное изображение, отображающее вероятность того, что тот или иной участок территории подвергался изменениям.
• Формирование векторных элементов содержания, разработка легенды и компоновка , включающая перенос элементов местности с карты-основы, оцифровку картографических материалов, содержащих регламенты или расчет ограничений, связанных с объектами, разработку легенды, компоновку печатного варианта карты.
• Составление пояснительной записки , в которой перечисляются исходные материалы, сведения о регламентах и их источниках, кратко описывается технология и подробно рассматриваются конкретные задачи и приемы их решения с использованием созданной карты динамики.

3.1.2 Карта динамики может формироваться в печатном и электронном (цифровом) видах. В любом случае проведение всех работ осуществляется при помощи геоинформационных систем и средств автоматизированной обработки изображений.

3.2 Подготовительный этап

3.2.1 Основное содержание подготовительного этапа заключается в формулировании требований к создаваемой карте, сборе и обработке исходной информации. Перечень работ, выполняемых в рамках подготовительного этапа отражен в Таблице 3.

Таблица 3. Содержание и результаты работ.

3.2.2 Технические характеристики карты динамики включают следующие показатели:

• Название карты,
• Картографируемая территория,
• Временной интервал,
• Параметры картографической проекции,
• Категория масштаба карты динамики,
• Таксономический ранг картографируемых ландшафтов,
• Требования к пространственному разрешению космических снимков,
• Численный масштаб.

3.2.3 Если позволяет имеющаяся информация необходимо кратко определить основные задачи, для решения которых создается карта динамики.

3.2.4 Сведения, указанные в п.3.2.2 и п.3.2.3 составляют Техническое задание на создание карты. Техническое задание утверждается (согласовывается) Заказчиком.

3.2.5 Сбор сведений о территории, сведений о хозяйственной деятельности, сведений о регламентах проводится в виде выезда на картографируемую территорию. Путем опроса специалистов органов государственной власти, общественных природоохранных организаций и местного населения устанавливаются основные виды хозяйственной деятельности и специфические требования местного населения по их проведению. Затем, эти сведения уточняются с использованием других, по возможности альтернативных источников информации. Результаты сбора сведений, особенно проводящихся в виде опросов (интервью) целесообразно протоколировать.

При сборе информации о регламентах необходимо следить за тем, чтобы участки территорий, для которых устанавливаются регламенты были определены или в текстовом виде или картографически. Если описание регламента представлено в текстовом виде, необходимо удостовериться, что в наличии имеются все необходимые картографические и другие материалы, позволяющие установить границы территории, в отношении которых он установлен.

В случае если имеются регламенты границы которых нечетки или неоднозначны (например территории традиционного природопользования, некоторые особо охраняемые природные территории, ареалы распространения редких видов флоры и фауны и т.п.), необходимо на карте-основе или ее копии составить проект границ территории, в отношении которой установлен регламент и согласовать его с заинтересованными сторонами.

3.2.6 Для получения информации о физико-географических характеристиках территории, особенностях проходящих на них процессах природного и техногенного характера, приводящих к преобразованию природной среды, целесообразно заключать договора с научными и проектными организациями, ведущими работы на данной территории.

3.2.7 Результатами сбора сведений являются:

- Картографические материалы, представленные в бумажном и цифровом видах,

- Текстовые описания в бумажном и цифровом видах,

- Таблицы, составленные в соответствии с Приложениями 1-3.

3.2.8 Карта-основа выбирается из имеющихся картматериалов или топографических карт соответствующего масштабного ряда. При ее выборе необходимо обращать внимание на следующие показатели качества:

• Актуальность – год состояния местности должен быть как можно более поздний,
• Отсутствие повреждений носителя – для бумажных картматериалов или картматериалов на пластике не должно быть разрывов, потертостей, осыпания красочного слоя,
• Отсутствие деформаций – размеры рамок листа карты должны соответствовать установленным соответствующими инструкциями и наставлениями,

Если в качестве карты-основы выбирается не топографическая карта то необходимо как минимум установить на основании картматериалов какого года состояния местности и какого масштаба была создана данная карта. Нагрузка такой карты должна быть достаточна для пространственной привязки и дешифрирования космических снимков. В случае отсутствия топографической карты предпочтение следует отдавать лесоустроительным картам или аэрофотокартам (фотопланам).

3.2.9 Космические снимки должны удовлетворять требованиям, приведенным в п.2.2. и представлены в цифровом виде. При выборе спектральных каналов необходимо учитывать сведения о деятельности, ведущейся на территории и сведения о естественных природных процессах приводящих к изменению территории, т.к. различные объекты имеют различные спектральные характеристики. Для выбора спектральных каналов можно руководствоваться Таблицей 3.

Таблица 3. Спектральные каналы наиболее подходящие для визуального дешифрирования основных объектов окружающей среды.

3.2.10 В случае, если территория является малоизученной или требуется составить карту динамики на которой не предполагается выделять виды изменений, в качестве исходных изображений можно использовать панхроматические снимки, полученные в диапазоне спектра 0.5-0.9 мкм. Если панхроматические снимки отсутствуют, то их можно получить путем суммирования значений соответственных пикселей нескольких спектральных каналов. Для суммирования рекомендуется использовать второй, третий и четвертый каналы. Операция суммирования проводится при помощи программных средств обработки изображений.

3.2.11 Пространственное разрешение снимков выбирается на основе данных Таблицы 1 и сведений о характерных размерах участков территории, существенным образом преобразуемых в результате деятельности, приведенных в таблице Приложения 3 и сведений о масштабах естественных природных процессов.

3.2.12 Дешифровочный атлас составляется путем визуального сравнения космических снимков с цифровой картой-основой при помощи средств ГИС.

Дешифровочный атлас включает в себя:

· эталонные изображения для объектов, отображаемых на карте основе и для участков территории существенным образом преобразуемых в результате деятельности или естественных природных процессов,

· краткое словесное описание дешифровочных признаков объектов, включающее:

o форму изображения объекта и характер границ

o цвет или тон изображения объекта

o текстуру объекта (особенности чередования оттенков)

o соседство с другими объектами (закономерность пространственного со-расположения)

Каждое изображение сопровождается комментарием, в который включается описание типа объекта или вида деятельности показанной на эталонном изображении. В случае, если дешифрирование выполнялось по косвенным дешифровочным признакам необходимо кратко описать рассуждения, связанные с анализом косвенных признаков. Пример дешифровочного атласа (фрагмент) приведен в Приложении 4.

3.2.13 Если информации, собранной о территории недостаточно для определения эталонных изображений необходимо камерально по снимкам определить ряд участков территории (изображений объектов) наиболее подходящих в качестве эталонов для тех или иных географических объектов, а затем провести их полевую проверку. В течение полевой проверки необходимо удостовериться, что изображения действительно соответствуют предполагаемым объектам.

3.3 Формирование растровой карты динамики

3.3.1 Процесс формирования растровой карты динамики направлен на создание разностного изображения.

Таблица 4. Содержание и результаты работ.

3.3.2 Снимки должны быть как можно более точно пространственно привязаны и совмещены друг с другом. Как правило, снимки одного и того же сенсора хорошо совмещаются друг с другом. В случае, если качество совмещения недостаточно, необходимо программными средствами осуществить взаимную привязку снимков, выбрав один из них в качестве базового (основного), а другой в качестве привязываемого (совмещаемого).

Для контроля качества совмещения необходимо, при помощи программных средств обработки изображений, заменить какой-либо из спектральных каналов одного снимка, на одноименный спектральный канал другого снимка. Лучше всего для этого подходят 2 или 3 каналы. В случае, если снимки совмещены недостаточно хорошо, то, при визуальном просмотре, тонкие протяженные объекты, такие как дороги и реки будут двоиться. При этом каждый из двойников объекта будет окрашен в свой цвет.

3.3.3 Снимки должны быть представлены в системе координат, в которой проводится составление карты динамики. Если система координат снимков отлична от проекции карты динамики требуется провести преобразование проекции снимков и, при необходимости, после контроля совмещения, их взаимную привязку. В случае, если автоматизированное преобразование проекции осуществить не удается (например проекция исходных снимков неизвестна), то необходимо провести привязку снимков к топографической карте-основе соответствующего масштаба (см Таблицу 1) по контрольным точкам, а затем взаимную привязку снимков.

3.3.4 Широко распространенные среднемасштабные космические снимки как правило имеют пространственную привязку несколько хуже 100 м. Для контроля качества привязки необходимо при помощи программных средств ГИС совместить их с цифровой картой основой. В случае, если видимые средние смещения более графической точности карты основы необходимо осуществить дополнительную привязку снимков к карте основе. В этом случае, сначала необходимо осуществить взаимную привязку снимков по контрольным точкам, а затем каждого из снимков к карте-основе. При такой последовательности действий определение контрольных точек для привязки к карте основе придется проводить только один раз.

3.3.5 Основные теоретические принципы формирования карты динамики природной среды изложены в Приложении 5.1. Основой карты динамики служит разностное изображение. Разностное изображение характеризует вероятность того, что тот или иной пиксел изображения, и соответственно, сопоставленный ему участок территории подвергся природному или антропогенному воздействию.

3.3.6 Процесс создания разностного изображения складывается из нескольких последовательно выполняемых этапов:

• Формирование зоны перекрытия между двумя снимками
• Собственно формирование разностного изображения
• Визуализация разностного изображения и визуальная оценка качества
• Устранение ошибок разностного изображения

3.3.7 Формирование зоны перекрытия заключается в том, что из каждого снимка выделяется подмножество пикселей, которое удовлетворяет двум условиям:

• Участок территории, сопоставленный пикселю отображается так же и на другом снимке.
• Пиксели на обоих снимках находятся в пределах рабочей области соответствующих снимков, а не на «полях» оставшихся после пространственной привязки.

Указанные действия выполняются путем выделения части исходного изображения одного снимка, при помощи маски («mask») и вырезания части изображения на каждом из снимков по маске. В дальнейших манипуляциях используются только выделенные зоны.

3.3.8 Для каждого из соответственных спектральных каналов исходных снимков создается свое разностное изображение. Общее количество разностных изображений будет равно количеству соответственных спектральных каналов.

3.3.9 Формирование разностного изображения проводиться путем применения формулы (1) последовательно ко всем соответственным пикселям в попарно каждом из спектральных каналов двух исходных изображений.

(1)

где и – значения пикселей в соответствующих спектральных каналах Снимка №1 и Снимка №2, а и - средние арифметические величин DN в каждом из спектральных каналов Снимка №1 и Снимка №2.

Величина может принимать значения как большие, так и меньшие нуля. Если считать, что Снимок №1 получен раньше Снимка №2, то <0 будет означать, что коэффициент спектрального отражения участка территории с течением времени уменьшился (т.е. участок потемнел), а >0 показывает, что коэффициент отражения увеличился, т.е. участок территории стал более светлым.

Чем больше величина по абсолютному значению, тем больше вероятность того, что на участке территории который отображает данный пиксел произошли какие либо изменения и коэффициент отражения участка увеличился или уменьшился с течением времени. Чем ближе к нулю, тем больше вероятность того, что никаких изменений на участке территории который отображает данный пиксел не происходило, а коэффициент отражения незначительно изменился в силу различных условий съемки при которых получены исходные снимки.

3.3.10 С целью контроля качества, полученное разностное изображение визуализируется при помощи средств обработки изображений, в виде RGB растрового изображения следующим образом (при условии, что снимок №1, получен ранее снимка №2):

• в канал R загружается полученное разностное изображение,
• в каналы G, B загружается соответствующий спектральный канал исходного изображения снимка №2,
• гистограммы в каждом из каналов выравниваются («histogram stretching») по уровню 2%.

Примечание. В случае, если снимок №1 получен позднее снимка №2 необходимо в канал R загрузить соответствующий спектральный канал снимка №1, а в каналы G, B –разностное изображение.

Полученное изображение может быть легко визуально интерпретировано: на таком изображении участки территории, в зависимости от направления изменения коэффициента отражения будут подсвечены или красным или синим цветом. Если изменения коэффициента отражения, а следовательно, и самого участка территории незначительны, то цвет участка будет близок к серому.

3.3.11 Контроль качества разностного изображения осуществляется визуально. Основные ошибки разностных изображений, которые могут возникать в силу различных причин приведены в Приложении 5.2. Ошибки, связанные с неточностью совмещения снимков необходимо устранить путем повторного совмещения снимков (п.3.3.2). Если ошибки, связанные с различиями в условиях съемки существенны и затрудняют визуальную интерпретацию изображения, то, возможно, необходимо использовать в качестве исходных другие снимки.

3.3.12 В силу условий съемки на цветном разностном изображении, созданном в соответствии с п.3.3.10 может возникнуть «рябь» - незначительная вариация темных или светлых пикселей голубого и красного цвета. Это является показателем низкого качества разностного изображения. Для устранения ряби можно воспользоваться следующими приемами:

- применением порогового фильтра

- применением адаптивного фильтра Фроста

Применение порогового фильтра. К исходному (черно-белому) разностному изображению применяется пороговый фильтр следующего вида:

, где K некоторое число, подбираемое экспериментально. В результате из разностного изображения будут исключены пиксели, со значениями близкими к нулю. Применять фильтр необходимо с осторожностью, т.к. в результате его работы из разностного изображения могут быть исключены участки территории со значительно изменившимися отражательными характеристиками, но максимальные размеры которых близки к пространственному разрешению снимка.

Для выбора числа K можно использовать гистограмму разностного изображения (см рисунок 1).

Рисунок 1. Выбор числа K для порогового фильтра. Чем ближе значение пикселя к нулю, тем меньше вероятность того, что у территории которую он отображает произошли изменения коэффициента отражения в силу естественных или антропогенных причин. Все пиксели, попадающие в заштрихованную область будут удалены. Ширина заштрихованной области равна 2 K

Применение адаптивного фильтра Фроста . Применение адаптивной фильтрации является наилучшим способом устранения незначительных, шумовых флуктуаций яркости, при одновременном сохранении на изображении мелких деталей, таких как протяженные и тонкие линии. Рекомендуется использовать адаптивный фильтр Фроста с окном размером 5x5 пикселей и фактором увеличения (damping factor) равным 0.5.

3.3.13 Разностное изображение представленное в серой палитре, для улучшения читаемости может быть разделено на два изображения, для <0 и для >0. В этом случае на первом изображении будут показаны только те участки территории, где коэффициент спектрального отражения участка территории с течением времени уменьшился, а на втором изображении, наоборот, где коэффициент спектрального отражения участка территории с течением времени увеличился.

Для получения изображения для <0 необходимо применить фильтр , а для >0 фильтр . В результате получим два изображения, каждое из которых будет содержать положительные значения пикселей.

3.4 Формирование векторных элементов содержания, разработка легенды и компоновка

3.4.1 На данном этапе работ проводится формирование векторных элементов содержания, включающих географические объекты и зоны регламентов, осуществляется разработка легенды для векторных объектов и разностного изображения и выполняется компоновка готовой карты для вывода на печать и использования ее в электронном виде средствами геоинформационных систем.

Таблица 5. Содержание и результаты работ.

3.4.2 Векторная нагрузка карты динамики включает в себя следующие элементы:

• объекты карты-основы – географические объекты,
• границы участков территории, в отношении которых установлены регламенты.

3.4.3 Векторная нагрузка карты формируется в виде комплекта слоев цифровой карты, содержащей следующие тематические слои:

• дорожная сеть,
• водные объекты,
• болота,
• линейные объекты (инженерные сооружения и коммуникации),
• промзоны,
• границы населенных пунктов и других селитебных территорий,
• пояснительные подписи карты-основы.
• границы участков территории, для которых установлены регламенты,
• пояснительные подписи регламентов.

Количество слоев «границы участков территории…» выбирается исходя из количества типов регламентов.

3.4.4 Карта-основа должна быть представлена в цифровой форме и содержать объекты перечисленные в п.2.4.2 и п.3.4.3. Карта основа должна быть представлена в системе координат, выбранной для создания карты динамики. В случае отсутствия карты-основы в цифровом виде производится ее оцифровка по элементам содержания, необходимым для создания карты динамики и преобразование в систему координат, выбранную для создания карты динамики.

Географические объекты и пояснительные подписи, перечисленные переносятся из карты-основы в соответствующие векторные слои цифровой карты динамики. Пояснительные подписи, имеющие отношение к данным объектам переносятся в слой «пояснительные подписи карты-основы» карты динамики.

3.4.5 В случае, если карта-основа является устаревшей, некоторые объекты могут быть перенесены на нее (оцифрованы) непосредственно с космического снимка, после его привязки к карте-основе, в соответствии с пп.3.3.2-3.3.4.

3.4.6 Картографические материалы, используемые для формирования границ участков территории, в отношении которых установлены регламенты должны быть представлены в цифровой форме. В случае отсутствия данных карт в цифровой форме производится их оцифровка по элементам содержания, необходимым для создания карты динамики и преобразование в систему координат, выбранную для создания карты динамики.

3.4.7 Картографические материалы, используемые для формирования границ участков территории в отношении которых установлены регламенты, должны быть согласованы с картой-основой по положению контуров географических объектов. Для корректировки положения контуров используются возможности программных средств ГИС (например метод «rubber sheeting»). Картографические материалы корректируются в целом, по всем элементам содержания. Сдвиг отдельных элементов содержания не допускается. Особое внимание необходимо обратить на точность корректировки картматериалов, содержащих зоны регламентов.

Границы участков территории переносятся из картматериалов в соответствующие векторные слои цифровой карты динамики. Пояснительные подписи, имеющие отношение к данным объектам переносятся в слой «пояснительные подписи регламентов» карты динамики.

При переносе границ участков необходимо проводить согласование взаимного положения с объектами карты-основы с которыми данные границы могут быть связаны. В случае, если есть основание полагать, что границы участков пространственно совпадают с тем или иным географическим объектом необходимо обеспечить топологически корректное совмещение соответствующих частей векторных объектов.

3.4.8 Пояснительные подписи карты-основы и пояснительные подписи регламентов должны располагаться таким образом, чтобы обеспечить наилучшую читаемость карты.

3.4.9 Границы участков территории в отношении которых установлены регламенты, могут быть построены по текстовым или словесным описаниям. Перед их построением необходимо убедиться, что:

• все географические объекты, по которым проходят границы отображены на карте или видны на разностном изображении,
• наименования или обозначения географических объектов или других объектов, являющихся границами участков не изменялись с момента составления описания.

3.4.10 Участки территории, в отношении которых установлены определенные виды регламентов, при отсутствии надлежащих картографических материалов могут быть построены посредством геомоделирования, на основании объектов содержащихся на карте-основе. К таким регламентам относятся все виды ограничений, накладываемых на территории, располагающиеся вблизи определенных объектов: дорог, рек, водозаборов и т.п. В этом случае границы участков могут быть вычислены при помощи средств ГИС, в первую очередь – при помощи построения буферов вокруг таких географических объектов.

3.4.11 Участки территории, в отношении которых установлены определенные виды регламентов, являются площадными объектами.

3.4.12 Таблицы атрибутивных данных для слоев цифровой карты включают:

• для слоев, содержащих элементы карты основы – тип географического объекта, его наименование, номер или адрес,
• для регламентов – наименование вида регламента; наименование участка территории в отношении которого установлен регламент; наименование нормативного документа, которым установлен регламент; другие сведения в соответствии с Приложением 1.

3.4.13 Легенда карты динамики формируется как для векторных слоев, так и для растрового разностного изображения. Если предполагается создание печатной копии цифровой карты динамики необходимо обеспечить одинаковое отображение карты как в цифровом так и в печатном виде.

3.4.14 Условные знаки объектов карты-основы соответствует условным знакам топографической карты соответствующего масштаба.

3.4.15 Участки территории, в отношении которых установлены регламенты, представляют собой площадные объекты и выделяются только границами. Заливка прозрачная. Толщина и тип линий границ должны быть такими, чтобы объекты хорошо выделялись на фоне растрового разностного изображения. Цвет границ устанавливается таким образом, чтобы зоны различных регламентов хорошо визуально отличались одна от другой.

3.4.16 Разностное изображение может быть представлено в «серой» (оттенки серого) или «цветной» палитре.

Рекомендуется использовать «серую» палитру, так как в этом случае обеспечивается наилучшая читаемость растрового изображения разностного снимка и дополнительной тематической нагрузки, которая может быть представлена в цвете. Наиболее легко читаемы разностные изображения представленные в серой палитре, составленные с учетом условия п.3.3.13.

Цветная палитра для разностного изображения может быть создана несколькими способами:

• в соответствии с пп.3.3.10,
• методом градиента цвета
• методом выделения цветового диапазона

Метод градиента цвета. В качестве цветной палитры может быть использована палитра, представляющая собой плавное линейное или нелинейное изменение цвета от синего (для отрицательных значений) до красного (для положительных значений) через ноль (для значений, близких к нулю). Если будет избрана нелинейная зависимость между цветом и значением пиксела разностного изображения, то наибольший градиент изменения цвета должен соответствовать наиболее большим положительным или отрицательным значениям пиксела разностного изображения. В этом случае контраст между участками территории с различным изменением коэффициента отражения будет наибольшим.

Метод выделения цветового диапазона . Основан на присвоении одного и того же цвета всем пикселям, попадающим в некоторый диапазон значений. Остальным пикселям может быть присвоен белый цвет или они могут быть «прозрачными». Для применения этого метода необходимо опытным путем установить диапазон значений пикселей, который соответствует наиболее значимым изменениям на местности. Только эти пиксели и будут видны на результирующем изображении. Может быть выделено несколько диапазонов (например для положительных и отрицательных DN) и им присвоены различные, контрастные цвета.

3.4.17 В случае, если в состав карты динамики входят несколько разностных изображений, необходимо использовать для всех них одинаковый тип палитры.

3.4.18 Элементы внешнего оформления служат для удобства работы с печатной копией карты динамики и включают в себя:

• пояснительные подписи,
• координатную сетку,
• легенду.

3.4.19 Пояснительные подписи содержат:

• заголовок (название) карты, включающее в себя слова «Карта динамики состояния территории…», название территории и временной период, для которого составлена карта,
• данные о космических снимках: даты съемки, название сенсора, номера или названия используемых спектральных каналов,
• данные карты основы: название и год состояния местности,
• сведения об организации – составителе и организации – заказчике карты,
• сведения о системе координат,
• масштаб,
• дату создания карты.

3.4.20 Координатная сетка, если нет специальных требований Заказчика, создается в градусных единицах . Шаг сетки выбирается исходя из назначения карты: если предполагается, что карта будет использована для поиска объектов с использованием GPS приемников, то сетка должна быть достаточно подробная.

3.4.21 Легенда карты содержит условные обозначения для объектов карты-основы; границ участков территории, в отношении которых установлены регламенты, с указанием вида регламентов.

Легенда (палитра) разностного изображения дается пояснительной подписью, в которой указывается тип легенды и приводятся цвета, соответствующие участкам территории, которые подвернулись наибольшим и наименьшим изменениям. В случае, если была выбрана палитра, которая отражает направление изменения коэффициента отражения (например, градиентом цвета), тогда в легенде указываются цвета показывающие как наибольшее положительное, так и наибольшее отрицательное изменение коэффициента отражения.

3.4.22 Элементы внешнего оформления и рабочее поле карты организуются средствами ГИС в виде компоновки, или макета печати. Компоновка предназначена для непосредственного вывода копии цифровой карты на печатающее устройство. Для каждого разностного изображения, входящего в состав карты динамики создается своя компоновка.

3.4.23 Учитывая, что карта динамики в цифровом виде может представлять собой сложный комплекс, состоящий из большого набора растровых карт и векторных слоев, необходимо обеспечить самодокументируемость карты:

• использовать осмысленные названия слоев, таблиц атрибутивных данных и полей таблиц,
• использовать для ввода справочной информации или пояснений имеющиеся в большинстве программных средств ГИС возможности по формированию метаданных,
• в случае применения классификаторов и кодификаторов для атрибутивных данных обеспечить наличие расшифровки кодов,
• в случае применения классификаторов и кодификаторов, при формировании легенды для работы в ГИС, заменять значения кодов на их смысловые значения.

3.5 Составление пояснительной записки

3.5.1 Пояснительная записка содержит следующие разделы:

• Назначение карты динамики,
• Технические характеристики карты и описание технологии ее создания,
• Источники регламентов,
• Дешифровочный атлас,
• Приемы работы с картой

3.5.2 Раздел «Назначение карты динамики» содержит описание задач, для решения которых создавалась карта динамики, описание основных видов деятельности, ведущихся на территории, проблем в области охраны окружающей среды, а так же другой информации, собранной на подготовительном этапе. Раздел содержит перечень государственных и общественных организаций, осуществляющих контроль за природопользованием и перечень их функций. В данный раздел включается информация о заказчике и исполнителе работ по созданию карты.

3.5.3 Раздел «Технические характеристики карты и описание технологии ее создания» содержит описание основных технических характеристик карты динамики. Далее следует описание используемых снимков, методов их обработки, ошибок разностного изображения выявленных в процессе контроля качества. В заключение приводится список используемых исходных картографических материалов, в соответствии с таблицей Приложения 2.

3.5.4 Раздел «Источники регламентов» содержит описание источников регламентов в соответствии с таблицей Приложения 1.

3.5.5 Раздел «Дешифровочный атлас» содержит дешифровочный атлас, содержащий эталонные изображения основных объектов, отображенных на карте динамики, составленный в соответствии с п.3.2.12.

3.5.6 Раздел «Приемы работы с картой» является популярным изложением основных приемов работы с картой, направленных на решение поставленных задач. Он должен содержать описание приемов визуального дешифрирования обычных объектов на основе прилагаемого дешифровочного атласа, описание особенностей изменения спектров объектов со временем в результате природных процессов и антропогенной деятельности и ряд примеров по решению конкретных задач, информация о важности которых была получена на подготовительном этапе. Данный раздел может строиться на основе гл.4.

3.6 Организация работ

3.6.1 Работы выполняются одной бригадой в составе нескольких специалистов, между которыми распределяются следующие функции:

• подготовка (сбор) информации
• редакционные работы,
• входной контроль,
• оцифровка картографических материалов,
• обработка, дешифрирование и оцифровка космических снимков,
• геомоделирование,
• оформление,
• выходной контроль.

Все работы выполняются с использованием геоинформационных систем и систем автоматизированной обработки изображений.

3.6.2 Подготовка (сбор) информации заключается в получении сведений и материалов, необходимых для проведения работ, проведение необходимых командировок, заключении договоров на поставку необходимых сведений и материалов.

3.6.3 Редакционные работы проводятся в течение всего процесса создания карты и включают в себя:

• составление плана проведения работ, графика и последовательности выполнения основных этапов,
• разработку технологии оцифровки (кодирования) картографической информации, включая: разработку классификатора, разработку структуры цифровой карты, разработку структуры баз данных смысловой информации,
• разработку легенды для векторных слоев и растрового разностного изображения,
• установление показателей по которым согласовывается картографическая информация, полученная из различных источников.

3.6.4 Входной контроль заключается в проверке надлежащего качества картографических материалов, согласованности данных и сведений, в том числе представленных в картографической форме, полученных из различных источников.

3.6.5 Оцифровка картографических материалов включает в себя перевод картографической и сопутствующей ей смысловой информации в цифровую форму, с учетом технологии оцифровки, в соответствии с разработанной структурой цифровой карты и базы данных. При оцифровке проводится согласование информации по разработанным показателям. Оцифровка карты основы должна быть выполнена ранее процесса привязки снимков и оцифровки других карт.

3.6.6 Обработка, дешифрирование и оцифровка космических снимков проводится в случае необходимости обновления исходных картографических материалов. Для дешифрирования используется дешифровочный атлас созданный на подготовительном этапе работ.

3.6.7 Геомоделирование проводится с целью построения буферов, необходимых для построения некоторых участков территории, в отношении которых установлены регламенты.

3.6.8 Оформление включает в себя формирование условных знаков для векторных слоев и палитры для растрового разностного изображения, формирование текста зарамочного оформления и разработку компоновки.

3.6.9 Выходной контроль проводится по следующим направлениям:

• контроль соответствия созданной продукции техническим условиям и требованиям разработанной технологии оцифровки,
• контроль качества выходного картографического материала (наличие искажений, пропусков объектов, читаемость, адекватная генерализация и др.),
• контроль за устранением несогласованности информации,
• технический и содержательный контроль текстовых материалов.

Выходной контроль проводится с использованием исходных картографических материалов, космических снимков.

4. Приемы работы с картой

4.1 Данная глава содержит описание основных приемов работы с картой динамики, которые могут быть использованы для решения следующих задач:

• поиск участков территории, на которых ведется хозяйственная деятельность, связанная с перестройкой естественных ландшафтов, приблизительное определение вида и масштаба изменения,
• определение допустимости деятельности, связанной с перестройкой (изменением) естественных ландшафтов,
• формирование плана проверок (освидетельствования), участков территории, на которых ведется хозяйственная деятельность, связанная с перестройкой естественных ландшафтов.

4.2 В основе использования карт динамики лежит интерпретация изменений спектров объектов местности на разностном изображении. Изложение принципов интерпретации разностных изображений и особенностей изменения спектра объектов местности с течением времени, а так же некоторые примеры приведены в Приложении 5.3.

4.3 Поиск участков территории, на которых ведется хозяйственная деятельность, связанная с перестройкой естественных ландшафтов, приблизительное определение вида и масштаба изменения .

Поиск участков территории проводится путем визуального осмотра карты и выделения тех участков территории, которые отличаются от соседних значительно более темным тоном или цветом, в зависимости от палитры разностного изображения. Чем больший контраст имеют такие участки, чем больший они имеют размер, тем больше вероятность, что на данном участке территории произошли какие-либо изменения. Важное значение имеет форма участков: если они имеют четкие контуры, формы близкие к прямоугольной или выглядят как тонкие протяженные линии, то наиболее вероятно, что это изменения вызваны антропогенными причинами. Изменения территории антропогенного характера группируются вблизи ранее существовавших объектов: населенных пунктов, дорог, старых вырубок. Порядок поиска изменений приведен на диаграмме 1.

Диаграмма 1. Порядок поиска изменений на карте динамики территории.

4.4 Определение допустимости деятельности, связанной с перестройкой (изменением) естественных ландшафтов.

Понятие «допустимости» означает, что деятельность ведется на законных основаниях и имеет характер не противоречащий ограничениям хозяйственной деятельности, действующим на территории. Наиболее простой формой ограничения является запрещение деятельности (например в особо охраняемых природных территориях, лесах первой группы, водоохранных зонах и т.п)

После того, как были установлены антропогенно-измененные участки территории можно приступить к определению допустимости изменений. Предварительно необходимо внимательно изучить характер ограничений для каждой из отображенных на карте зон, который приводится в пояснительной записке. Затем, последовательно просматривая антропогенно-нарушенные участки по карте определяем зоны в которые полностью или частично они попадают. После этого, на основании характера ограничений в той или иной зоне выносим суждение о допустимости ведения данного вида деятельности. В случае необходимости, если регламент запрещает только определенные виды деятельности, с использованием дешифровочного атласа определяем (уточняем) вид деятельности ведущийся на участке. Порядок определения допустимости изменений приведен на диаграмме 2.

Диаграмма 2. Порядок определения допустимости изменений.

4.5 Формирование плана проверок (освидетельствования), участков территории, на которых ведется хозяйственная деятельность, связанная с перестройкой естественных ландшафтов.

В план проверок включаются участки, характер деятельности на которых, возможно, попадает под ограничения хозяйственной деятельности устанавливаемых регламентами. Поиск таких участков осуществляется в соответствии с п.4.4.

Приложение 1. Источники регламентов

В графе «Наименование отрасли…» указывается общее наименование отрасти деятельности или охраны в рамках которой проведено установление регламента, например «охрана окружающей среды», «градостроительство», «охрана животного мира» и т.п.

В графе «Элемент содержания…» указывается наименование регламента и (или) содержание регламента. Например: «водоохранная зона 50 м от границы болота (торфяной залежи)», «особо охраняемая природная территория Заказник «Белый бор»» и т.п.

В графе «Источник регламента…» указывается наименование нормативно-правового или иного документа устанавливающего регламент, а, при необходимости название части документа, позволяющего быстро найти информацию о нем. Например: «Постановление Совета Министров Коми АССР от 12 марта 1967 г. «Об утверждении проектов водоохранных зон»», «План насаждений Сысольского лесхоза, Визингское лесничество, кв. 167-168, лесоустройство 1995 г.» и т.п. Если сведения о регламенте получены от местного населения, то в графе указывается «интересы местного населения, населенный пункт (название)».

В графе «Характер границы» указывается характеристика границы территории в отношении которой установлен регламент: определенная на местности, определенная по картографическим материалам, составленная по текстовому описанию, составленная по словесному описанию.

В графе «Задача…» указываются ограничения, накладываемые регламентом. Если сведения о регламенте получены от местного населения, то в графе указывается в чем заключается интерес местного населения по использованию данного участка территории.

В графе «Орган государственной власти…» указывается полное наименование и адрес органа государственной власти, ответственного за проведение контроля над соблюдением данного регламента. В случае, если таких органов несколько указывается каждый их низ и делаются пометки о разделении между ними полномочий (функций). Если сведения о регламенте получены от местного населения, то в графе указываются контактные данные представителей местного населения, которые сообщили о своем интересе.

Приложение 2. Сведения о картографических материалах

В графе «Название» указывается полное название картматериала

В графе «Год издания…» указывается год издания и год состояния местности или дата на которую приведеннная на карте тематическая нагрузка является актуальной

В графе «Основа…» указываются реквизиты карты-основы (как правило топографической карты). Эти реквизиты включают в себя: наименование карты-основы, год состояния местности, масштаб, проекция, номенклатура листа (листов) - для топографических карт и планов.

В графе «Масштаб…» указывается масштаб и проекция карты

В графе «Пояснительная записка» указывается наличие пояснительной записки, прилагаемой к картографическому материалу.

В графе «Источник…» указывается наименование источника из которого был получен картографический материал (организация, наименование издания, архив и т.п).

Приложение 3. Сведения об основных видах хозяйственной деятельности

В графу «Вид хозяйственной деятельности…» вносится название отрасли или обобщенное название вида деятельности, связанной с природопользованием, например «сплошная вырубка леса», «строительство плотин» и т.п.

В графу «Описание деятельности» вносятся сведения об особенностях деятельности на данной территории, которые имеют значение при дешифрировании космических снимков. Например сведения о способах рубки, примыкании лесосек, глубины и формы карьеров, ширина строящихся дорог, характер заболачивания с течением времени и т.п.

В графу «Временные интервалы» вносятся сведения о продолжительности, сезонности деятельности. Если описываются последствия какой-либо деятельности, то указывается когда она была завершена.

В графу «Нарушения» вносятся сведения об основных видах нарушений, связанных с ведением деятельности.

В графе «Масштабы деятельности» описываются характерные размеры участков территории, которые подвергаются коренной перестройке в результате деятельности природопользователей, а так же местоположение этих участков.

В графе «Источник…» указывается наименование источника из которого была получена информация

Приложение 4. Пример дешифровочного атласа

Дешифрирование болот

Болото представляет собой незначительное, слабо выраженное углубление в земной поверхности, в котором происходит застой и накопление грунтовых вод. Вследствие особенностей гидрологического режима на таком участке территории формируется особый тип растительности: древостой угнетается, либо исчезает совсем, развитие получает травяная растительность.

Болото, как правило имеет следующую структуру. В центре болота, в его наиболее глубокой части располагается сильно обводненный участок, который часто представляет собой неглубокое, заросшее озеро. На периферийной части болота, по мере уменьшения степени увлажение происходит смена типов растительности: от травяно-луговой, до древесной. На космическом снимке такая смена типов растительности может являться одним из наиболее характерных дешифровочных признаков закрытых болот (рисунок 1)[1] .

Водообмен в болоте происходит как правило по направлению от центральной части к периферийной. В структуре болотного ландшафта присутствуют элементы по которым можно оценить направление стока внутри болота. Как правило это протяженные ряды озерков или гряд (грядово-озерковые комплексы), чередующиеся с более сухими участками. На космическом снимке такие ряды имеют характерный рисунок (рисунок 2).

Дополнительным дешифровочным признаком направления стока является изменение фототона изображения от темно-коричневого и светло-красного (менее обводненной части болота) до светло-серого (более обводненной его части) и серо-зеленого (грядово-озерковых комплексов). Применение последнего признака надо производить с осторожностью, принимая во внимание характер рельефа в данной местности и направление общего уклона территории.

Открытое болото на космическом снимке имеет как правило светло коричневый цвет. Обводненные части болот имеют более темный оттенок, иногда они окрашены в грязно-зеленый цвет. На общем фоне болота, особенно если его размер достаточно велик хорошо выделяются острова – более сухие, возвышенные участки на которых развита травяная растительность и угнетенная древесная растительность.

Таблица 1. Основные дешифровочные признаки болот.

Рассмотрим дешифрирование болот по типу питания. Болота, накопление воды в которых происходит за счет атмосферных осадков, называются верховыми. Болота данного вида, а особенно их комплексы, расположенные на междуречьях имеют большую природоохранную ценность, так как многие из них являются истоками рек. Болота, в которые вода поступает с грунтовыми водами называются низинными. Оценить тип питания болота можно в первую очередь по подробной карте рельефа. В случае ее отсутствия, некоторые закономерности пространственного расположения болот относительно других объектов могут дать определенную информацию о типе питания.

Низининные болота как правило приурочены к пониженным участками местности в долинах и поймах рек. На рисунке 3 хорошо видны водотоки в поймах которых находятся низинные болота.

Верховые болота расположены на удалении от крупных водотоков. Если позволяет разрешение и пространственных охват снимка, то можно с достаточной степенью уверенности дешифрировать целиком весь комплекс река-междуречье-река (см рисунок 4). В этом случае болота, располагающиеся в междуречье, с большой степенью вероятности являются верховыми. Дополнительным признаком верхового болота является то, что из него вытекает какой-либо водоток или водотоки, но впадающих водотоков нет.

Приложение 5. Разностные изображения

5.1 Формирование разностных изображений. Вывод формулы.

В основе процесса дистанционного определения изменения, произошедших на территории лежит сравнение двух или нескольких космических снимков, полученных через некоторые интервалы времени. Сравнение может быть условно представлено как вычитание одного снимка из другого. При этом те участки территории, на которых изменений нет и, следовательно их яркость осталась прежней в результате вычитания исчезнут, а те участки, яркость которых значительно изменилась, станут еще более заметны.

В данной главе рассмотрен один из множества возможных способов создания разностных изображений, основанный на использовании простейшего подхода, который может быть легко реализован в любом программном продукте, предназначенном для обработки изображений и в котором имеются элементарные возможности программирования собственных алгоритмов обработки.

Рассмотрим рисунок 1, на котором приведена скаттерограмма снимка, состоящего из двух каналов. Первый канал получен из канала №3 (см. таблицу 2 Методики) снимка спутника Landsat 5, (сенсор TM) в 1985 г, а второй канал получен из канала №3 снимка спутника Landsat 7, (сенсор ETM+) в 2000 году. Пиксели, которые отображают участки территории не подвергнувшиеся изменениям, будут тяготеть к некоторой центральной линии проходящей приблизительно по диагонали скаттерограммы. Пиксели, соответствующие значительно измененным участкам территории и, следовательно, имеющие значительно отличающуюся яркость в каждом из каналов будут располагаться на некотором удалении от «центральной линии». Это расстояние будет тем большим, чем больше с течением времени изменился коэффициент отражения участка территории. Таким образом, расстояние d или угол , показанные на рисунке 1, могут являться мерой степени или вероятности изменений.

Рисунок 1. Скаттерограмма разностного изображения. Пояснения в тексте.

На основании уравнения прямой и расстояния от точки до прямой, принимая во внимание, что мы вычисляем некоторое «условное» расстояние и, следовательно, нормированием уравнения можно пренебречь, получим следующую формулу:

где и – значения пикселей в соответствующих спектральных каналах, а и - средние арифметические значений DN.

Применив формулу (1), мы получим изображение, каждый пиксел которого будет содержать число , прямо пропорциональное расстоянию d. Величина может принимать значения как большие, так и меньшие нуля. Для точек, располагающихся ниже прямой <0, а для точек находящихся выше прямой >0. Если считать, что Снимок №1 получен раньше Снимка №2, то <0 будет означать, что коэффициент спектрального отражения с течением времени уменьшился (т.е. объект «потемнел»), а >0 показывает, что коэффициент отражения увеличился. Такое поведение величины может быть использовано для дополнительного отбора изменений. Например развитие подтоплений связано в уменьшением коэффициента отражения и, следовательно, значения для вновь подтопленных участков будут отрицательными.

Результат создания разностных снимков данным методом приведен на рисунке 2. На рис. 2А показано разностное изображение для >0, а на рис 2Б для <0. Чем более темным является пиксел, тем больше изменения спектрального коэффициента отражения и тем выше вероятность того, что на данном участке произошли изменения. В нижней левой части рисунков хорошо заметно изображение карьера, автомобильной дороги, идущей к нему, промышленной площадки и небольших карьеров, из которых был взят песок для строительства дороги. Стрелками показаны подтопленные участки территории, которые на более раннем снимке являлись заболоченными лугами на окраине болота и в пойме реки. Как было установлено при проведении полевых обследований, это подтопление носило естественный характер: незадолго до получения более позднего снимка прошли обильные дожди, что привело к поднятию уровня рек и грунтовых вод. Сравнивая рис 2А и 2Б можно видеть, что возможность отбора по характеру направления изменения коэффициента отражения приводит к значительному улучшению читаемости изображений.

Рисунок 2 . Разностное изображение, полученное методом «евклидова расстояния».

5.2 Ошибки разностных изображений

Разностные изображения как правило отягощены ошибками двух видов, влияние которых полностью исправить не представляется возможным.

Ошибка первого вида является следствием того, что многие объекты, видимые на снимках на самом деле имеют характерные пространственные размеры менее чем разрешение снимка. Так, среднемасштабные снимки имеют пространственное разрешение 15-30 метров, в то время как часто встречающиеся изменения территории – лесные и лесовозные дороги имеют ширину порядка 10-15 м, т.е. не выражаются в масштабе снимка. Это приводит появлению «эффекта размытости» суть которого проиллюстрирована на Рисунке 3.

На рисунке 3А показано изображение новой лесовозной дороги в 3-ем спектрально канале сенсора ETM+. Стрелкой указано направление дороги. Вдоль дороги, по направлению стрелки получен профиль яркости, который показан на рис 3В. На рис С) показана гистограмма изображения и штриховкой выделен диапазон в котором наблюдается разброс значений. Диапазон настолько велик, что некоторые участки дороги на снимке выглядят очень темными, как лесопокрытые территории. Это приводит к значительному размытию изображения дороги.

Если мы получим другой снимок, то для соответственных участков местности и профиль яркости и расположение отдельный пикселей-пятен, из которых складывается изображение дороги будет иным. При формировании разностного изображения это приведет к еще большему размытию изображения, что отрицательно скажется на его визуальном восприятии.

Для того, чтобы уменьшить влияния данного эффекта необходимо использовать снимки с пространственным разрешением, превышающим характерные размеры объектов, которые мы собираемся по ним дешифрировать.

Рисунок 3. Эффект размытости изображений линейных объектов, ширина которых не выражается в масштабе снимка.

Источником ошибки второго вида, является тот факт, что точное пространственное совмещение снимков практически недостижимо. Это возникает в силу того, что два снимка практически невозможно получить при совершенно одинаковом положении сенсора (а точнее его оптической оси) в пространстве. Эффект неточного совмещения проиллюстрирован на рисунке 4. Расстояние между центрами пикселей меньше пространственного разрешения снимка, однако пиксели охватывают различные участки территории. Вертикальной штриховкой показана часть объекта земной поверхности, попадающая в пиксель снимка №1. Горизонтальной штриховкой показана часть объекта попадающая в пиксель снимка №2. Очевидно, что количество отраженного излучения попадающее в каждый пиксель от одного и того же объекта, а следовательно и яркость каждого из пикселей будут различны. При создании разностного изображения наличие данного эффекта приведет к появлению яркой, или наоборот, темной каймы вдоль границ объектов.

Рисунок 4 . Эффект неточного совмещения пикселей разновременных снимков.

Для того, чтобы уменьшить влияния данного эффекта необходимо, как и в предыдущем случае, использовать снимки с пространственным разрешением, превышающим характерные размеры объектов, которые мы собираемся по ним дешифрировать, а так же более точно проводить взаимную пространственную привязку снимков.

Пример разностного изображения, отягощенного эффектами размытости и неточного совмещения приведен на рисунках 5 и 6. Можно видеть, что по краям линейных объектов (небольших просек) наблюдается яркая кайма. Данная кайма показывает, что вдоль дороги имеется значительное изменение отражательных свойств объектов (вырубка леса), чего на самом деле нет.

Рисунок 5 . Разностной снимок, отягощенный эффектом размытости и неточного совмещения. Стрелками показана кайма.

Рисунок 6 . Разностной снимок, отягощенный эффектом размытости и неточного совмещения. Увеличенный фрагмент рисунка 2А. Вдоль узких, не выражающихся по ширине в масштабе снимка просек, наблюдается темная кайма.

5.3 Принципы интерпретации

Для того, чтобы успешно проводить интерпретацию разностных изображений, необходимо иметь общие представления о спектрах участков территории (объектов) и особенностях их изменения с течением времени. Рассмотрим три наиболее часто встречающихся в северной части России вида объектов: лесопокрытые территории (леса), вода и открытые участки грунта (дороги, промплощадки и т.п.). Каждый из них обладает характерным спектром (см. рисунок 7).

Вода имеет наиболее простой спектр. Она характеризуется очень низким спектральным коэффициентом отражения <1%. При этом, чем более мы смещаемся в красную область спектра, тем ниже этот коэффициент. Поэтому на космических снимках водные поверхности или сильно обводненные участки территории (например центральные зоны болот) выглядят гораздо темнее, по сравнению с другими объектами.

Открытые участки грунта и горные породы имеют коэффициент отражения плавно увеличивающийся от 5% в синей части спектра до 50-60% в красной части спектра.

И, наконец растительность имеет довольно своеобразный спектр. В синей части спектра спектральный коэффициент отражения ее близок к коэффициенту отражения для грунта. Затем он возрастает до длин волн 0.6 мкм и тут значительно уменьшается – это зона поглощения видимого света хлорофиллом, содержащемся в листьях растений. Начиная с 0.7 мкм коэффициент отражения значительно увеличивается и становиться больше, чем коэффициент отражения для грунта. В ближней инфракрасной зоне спектра наблюдается значительная вариация коэффициента отражения для различных типов деревьев. Для лиственных пород он значительно выше, чем для хвойных. Эти различия обусловлены строением листьев этих деревьев.

Рисунок 7 . Сравнение спектров растительности, открытого грунта и воды.

На рисунке 8 показано как выглядят объекты данные объекты на снимках, полученных в различных спектральных диапазонах. Водные поверхности всегда выглядят одинаково – они являются наиболее темным объектом на снимке. И растительность и грунты в 3-ем и 4-ом каналах выглядят по разному. Так в третьем канале растительность значительно темнее открытых участков грунта, а в четвертом канале, наоборот, растительность значительно светлее чем грунты.

Рисунок 8 . Диаграмма, иллюстрирующая различия в коэффициентах отражения объектов в различных диапазонах спектра.

Как уже отмечалось, в ближней инфракрасной области коэффициент отражения растительности в большой степени зависит от строения листьев и, поэтому, коэффициенты отражения лиственных и хвойных пород значительно различаются. Коэффициент отражения хвойных пород близок к коэффициенту отражения грунтов, а коэффициент отражения для лиственных пород значительно выше, следовательно в ближнем инфракрасном спектральном канале лиственные насаждения выглядят светлее хвойных. Этот факт можно использовать для оценки успешности лесовосстановления на вырубках. Коэффициент отражения лиственных лесов в значительной мере зависит от фенофазы. В разгар лета, при максимальном развитии листвы он максимален, в весеннее в осеннее время он снижается.

При анализе изменений коэффициента отражения со временем необходимо помнить, что из-за среднего пространственного разрешения мы наблюдаем отраженный свет, интенсивность которого определяется интегральным коэффициентом отражения данного участка. В случае с лиственным лесом в период развития листвы интегральный коэффициент определяется как коэффициентом отражения листвы, так и коэффициентом отражения подстилающей поверхности (почвы). При формировании эталонных изображений, если нет возможности получить снимок в период максимального развития растительности, следует избегать возникновения таких ситуаций - выбирать в качестве эталонов высокополнотные участки леса (что можно установить по однородному тону в видимом диапазоне длин волн - 2,3-ем канале).

Рассмотрим теперь, как выглядят разностные изображения участков территории, вид которых был изменен происходящими на них природными процессами и деятельностью человека.

Ситуация	Видимый диапазон (3 канал TM)		Ближний инфракрасный (4 канал TM)	Комментарий
Осыхание водного объекта, обнажение грунта в русле. На разностном изображении отражается красным цветом.				Осыхание водного объекта привело к значительному увеличению коэффициента отражения и, следовательно, «высветлению» участка с течением времени.
Зарастание ранее существовавшей вырубки. На разностном изображении в 3 канале отображается синим цветом, в 4 канале изменения не заметны.				Вырубка, уже зараставшая к моменту получения первого снимка продолжает зарастать. Коэффициент отражения в 3-ем канале уменьшается. При этом смены пород не наблюдается, что видно из неизменного коэффициента отражения в 4-ом канале.
Новая вырубка хвойного леса и успешное лесовосстановление хвойными породами. На разностном изображении отражается красным цветом как в 3-ем так и в 4-ом каналах.				Вырубка сделана уже после получения первого снимка, поэтому в 3-ем канале коэффициент отражения возрос. В 4-ом канале коэффициент отражения только незначительно изменился из-за эффекта влияния подстилающей поверхности. Смены пород не произошло.
Вырубка хвойного леса и успешное лесовосстановление лиственными породами На разностном изображении отражается красным цветом как в 3-ем так и в 4-ом каналах.				В 4-ом канале коэффициент отражения изменился более значительно чем в предыдущем случае, т.к. участок восстанавливается лиственными породами.
Строительство дороги и промплощадки На разностном изображении в 3 канале отображается ярко красным цветом, в 4 канале изменения не заметны.				Строительство дороги и отсыпка площадки привели к значительному увеличению коэффициента отражения в 3-ем канале. В 4-ом канале коэффициент отражения практически не изменился из-за того что строительство проводилось на территории, занятой хвойными лесами.
Строительство дороги по болоту. На разностном изображении в 3 канале отображается красным цветом, в 4 канале синим цветом.				Строительство дороги привело к увеличению коэффициента отражения в 3-ем канале, вследствие уничтожения болотной растительности и из-за того, что материал отсыпки имеет более высокий коэффициент отражения чем грунт. В 4-ом канале хорошо видно потемнение вызванное уничтожением болотной растительности, вследствие чего коэффициент отражения данного участка уменьшился.

[1] Цветные изображения созданы в соответствии с требованиями п. 3.3.10