Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов и технологий мониторинга состояния импактных районов Арктики по мультиспектральным оптическим и радиолокационным космическим изображениям и данным наземных наблюдений.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
экологический мониторинг, арктическая зона российской федерации, дистанционное зондирование земли, дешифрирование аэрокосмических изображений

Цель проекта:
Реализуемый проект направлен на решение следующих задач: 1. Разработка новых эффективных методов мониторинга состояния импактных районов Арктики, основанных на современных подходах к тематическому анализу космических оптических и радиолокационных изображений. 2. Разработка технологий сбора, обработки и совместного анализа временных серий космических и наземных данных для проведения комплексного мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики и Субарктики. 3. Создание макета системы космического мониторинга состояния импактных районов Арктики, реализующего разработанные методы и технологии. Цель проекта: Создание комплекса научно-технических решений для организации мониторинга импактных районов арктической зоны на основе спутниковых и наземных данных в интересах рационального природопользования и обеспечения экологической безопасности северных территорий Российской Федерации.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты проекта:
1. Методы мониторинга состояния импактных районов Арктики, основанные на объектно-ориентированном подходе к классификации различных типов космических оптических и радиолокационных изображений.
2. Методика сбора, обработки и совместного анализа временных серий космических и наземных данных для проведения комплексного мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики.
3. Технологии космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, включающие процесс сбора, обработки и совместного анализа временных серий космических и наземных данных.
4. Макет системы космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, реализующий разработанные методы, методики и технологии.
5. База данных космических изображений и значимых параметров, характеризующих экологическое состояние импактных районов Арктической зоны Российской Федерации, на тестовых территориях, полученных по данным дистанционного зондирования.
6. Предложения и рекомендации по использованию разработанных методов, технологии, базы данных для проведения комплексного космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики в интересах рационального природопользования и обеспечения экологической безопасности северных территорий Российской Федерации.
7. Проект технического задания на выполнение ОКР по созданию системы наземно-космического экологического мониторинга состояния импактных районов Арктики.
Основные характеристики планируемых результатов:
1. Разрабатываемые методы мониторинга состояния импактных районов Арктики, будут обеспечивать:
- анализ космических оптических данных видимого и инфракрасного диапазонов, а также радиолокационных данных на основе объектно-ориентированной классификации космических изображений;
- автоматизированное распознавание зон аномальных характеристик импактных районов, обусловленных повышенным антропогенным воздействиям, по спектральным и пространственным информационным признакам космических изображений;
- распознавание не менее 11 типов подстилающей поверхности, включая водную поверхность, 5 типа естественных почво-грунтов и искусственных покрытий и 5 типа растительного покрова;
- обнаружение и идентификацию, с вероятностью не хуже 90%, не менее 4 типов антропогенных воздействий: нефтяные загрязнения, вырубки леса, замусоренные территории, нарушение почво-грунтов;
- отслеживание месячных, сезонных и многолетних изменений состояния импактных районов, в том числе изменения площадей и степени проявления нарушений почво-грунтов и растительного покрова;
2. Разрабатываемые методики и технологии космического мониторинга состояния импактных районов Арктики, будут обеспечивать:
- автоматизированный сбор временных серий космических и наземных данных из различных источников, в том числе со станций приема космической информации, специальных баз данных;
- хранение временных серий космических и наземных данных и результатов их обработки за период не менее 10 лет, максимальным объемом не менее 10 Тб;
- работу с временными сериями космических мультиспектральных оптических данных видимого и инфракрасного диапазона спектра электромагнитных волн и радиолокационными данными, полученными на различных уровнях пространственной дифференциации, продолжительностью от суток до 10 лет;
- предварительную обработку данных дистанционного зондирования Земли, включая калибровку и географическую привязку космических оптических и радиолокационных изображений;
- комплексный анализ результатов тематической обработки данных дистанционного зондирования и результатов подспутниковых измерений;
- верификацию дистанционных методов мониторинга состояния импактных районов Арктики по результатам подспутниковых измерений;
- оценку пространственно-геометрических параметров импактных районов Арктики (периметр, площадь, параметры формы) с точностью не менее 4 элементов разрешения;
- оценку экологического состояния импактных районов в соответствии с условной шкалой степени проявления негативных антропогенных воздействий (сильные, средние, слабые);
- отслеживания изменений состояния импактных районов под действием природных и антропогенных факторов (пространственно-геометрических параметров и экологического состояния) временным сериям космических и наземных данных за период от 1 месяца до 10 лет;
- оперативное предоставление пользователям результатов мониторинга на основе веб-интерфейса с использованием современных геопортальных технологий;
3. Макет системы космического мониторинга будет реализовывать функции разработанных методов, технологий и методик сбора, обработки и совместного анализа временных серий космических и наземных данных для проведения комплексного мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики и обеспечивать:
- сопряжение со станциями приема космической информации;
- доступ к мировым базам данных дистанционных и подспутниковых наблюдений, через сеть Интернет, на основе веб-интерфейса;
- сбор, систематизацию, хранение, а так же обработку и комплексный анализ данных дистанционного зондирования Земли и результатов подспутниковых измерений в соответствии с возможностями разработанных методов и технологий;
- предоставление пользователям результатов мониторинга на основе веб-интерфейса;
4. База данных космических изображений и значимых параметров окружающей среды, характеризующих состояние импактных районов Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ) будет обеспечивать:
- хранение и доступ к космическим изображениям и значимым параметрам окружающей среды не менее чем 7 крупнейших импактных районов АЗРФ;
- наличие данных высокого, среднего и низкого разрешения, полученные со спутников типа Aqua, Terra, NOAA, Метеор-М, Landsat, QuickBird Ресурс-П №1 и №2 и др.;
- общий объем информационной составляющей базы данных не менее 500 Гб;
- временной охват данных дистанционных наблюдений, представленных в базе данных по каждому импактному району не менее 10 лет.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Описание макета системы космического мониторинга состояния импактных районов Арктики.
Основным конечным продуктом, полученным при проведении ПНИ является макет системы космического мониторинга состояния импактных районов Арктики, реализующего разработанные методы и технологии. Основной функцией макета такой системы является оценка состояния импактных районов на основе дистанционной и наземной мониторинговой информации.
Макет состоит из элементов обеспечивающих:
- сбор данных;
- хранение данных;
- обработку и анализ данных;
- публикацию результатов.
Макет системы функционирует следующим образом:
Сбор временных серий космических и наземных данных осуществляется в соответствии с разработанной методикой. В соответствии с этой методикой на первом этапе проводится постановка задачи на сбор данных, определяются географические координаты района исследований, временной интервал мониторинга, типы используемых данных. Далее проводится анализ и выбор источников данных (антенные комплексы, открытые всемирные базы данных, ведомственные и коммерческие базы данных). Затем оформляются запросы на данные от внешних источников и после предоставления доступа проводится непосредственно получение данных через FTP и HTTP серверы, либо получение на твердых носителях, например DVD дисках. После этого данных проводится систематизация данных по результатам которой каждому информационному пакету присваивается файл метаданных описывающий основные особенности поступивших данных и обеспечивающий опознавание данных в системе. Систематизированные данные заносятся в систему хранения данных.
Сохранение и доступ к данным осуществляется посредствам подфункций хранения данных с использованием технических средств системы хранения данных и программных средств управления данными.
В системе хранения анализируется тип, и состав поступающей информации и в зависимости от них сохраняется и/или экспортируется на АРМы для обработки и публикации данных.
Каждый уровень обработки данных сохраняется в своем разделе системы хранения.
Исходные систематизированные данные сохраняются в долговременное хранилище исходных данных, и экспортируются на АРМ предварительной обработки данных.
Предварительно обработанные данные, поступающие в систему хранения, сохраняются в долговременное хранилище предварительно обработанных данных и экспортируются на АРМ тематической обработки.
Результаты тематической обработки, поступающие в систему хранения, сохраняются в долговременное хранилище результатов тематической обработки. Так как для проведения тематической обработки и комплексного анализа предполагается использовать один АРМ (после тематической обработки данные автоматически доступны для комплексно анализа), то результаты тематической обработки автоматом не экспортируются для комплексного анализа, но могут быть переданы для повторного анализа по запросу.
Результаты тематической обработки и комплексного анализа сохраняются в соответствующие разделы системы хранения, и используются для формирования итоговых информационных продуктов и их публикации с использованием АРМ публикации результатов (копия созданных информационных продуктов, также сохраняется в раздел системы хранения).
Основными подфункциями функции обработки и анализа являются:
1. Предварительная обработка. Данная подфункция выполняет следующие операции, в соответствии с методикой обработки космических данных:
- геометрическая коррекция искажений вызванных особенностями съемки;
- географическая привязка данных;
- трансформирование в заданную проекцию;
- радиометрическая калибровка;
- атмосферная коррекция (для оптических изображений);
- оценка оптических изображений по проценту облачности;
- конвертирование и синтезирование радиолокационных данных;
- формирование на выходных данных пригодный для последующей тематической обработки, внесение соответствующих изменений в метаданные (новый идентификационный номер, указание на новый уровень обработки);
Предварительная обработка данных наземных наблюдений соответствует методике обработки временных серий наземных данных и заключается в проведении статистической оценки достоверности и качества данных, а также построении однородных временных ходов параметров состава атмосферы, почво-грунтов, водных объектов.
2. Тематическая обработка. Данная подфункция выполняет операции, в соответствии с разработанными методами и методикой обработки космических данных, в том числе проводится:
- анализ космических оптических данных видимого и инфракрасного диапазонов, а также радиолокационных данных на основе парадигмы объектно-ориентированной классификации космических изображений;
- распознавание зон аномальных характеристик импактных районов, обусловленных повышенным антропогенным воздействиям, по спектральным и пространственным информационным признакам космических изображений;
- распознавание 11 типов подстилающей поверхности, включая водную поверхность, 5 типа естественных почво-грунтов и искусственных покрытий и 5 типа растительного покрова;
- обнаружение и идентификация, типов антропогенных воздействий, в том числе нефтяные загрязнения, вырубки леса, замусоренные территории, нарушение почво-грунтов;
- отслеживание месячных, сезонных и многолетних изменений состояния импактных районов, в том числе изменения площадей и степени проявления нарушений почво-грунтов и растительного покрова;
- оценка пространственно-геометрических параметров импактных районов Арктики (периметр, площадь, параметры формы) с точностью не менее 4 элементов разрешения;
- оценка экологического состояния импактных районов в соответствии с условной шкалой степени проявления негативных антропогенных воздействий (сильные, средние, слабые);
- верификация дистанционных методов мониторинга состояния импактных районов Арктики по результатам подспутниковых измерений;
Тематическая обработка данных наземных наблюдений заключается в решении следующих задач, в соответсвии с разработанной методикой обработки:
- проведение статистической оценка достоверности и качества данных;
- построение в графическом виде временных ходов параметров;
- сравнение концентраций компонентов состава окружающей среды с предельно допустимыми концентрациями (ПДК), регулируемыми российскими и международными нормативными документами;
- выполнение интегральной оценки загрязнения окружающей среды в импактном районе;
- наполнение базы данных значимых характеристик окружающей среды в импактных районах.
3. Совместный анализ. Анализ выполняется в соответствии с методикой совместного анализа временных серий космических и наземных данных, и включают следующие основные процедуры:
- совмещение разнородных типов данных в рамках единого ГИС-проекта;
- непосредственно проведение совместного геопространственного анализа данных;
Публикация результатов проводится путем формирования набора выходных информационных продуктов, в соответствии с описанными выше параметрами выходных данных. А также их публикация несколькими путями, в том числе:
- отображение на экране;
- публикация на веб-ресурсах, в частности, с использованием геопортальнных технологий, с доступом на основе веб-интерфейса;
- печать картографических и текстовых отчетных материалов на бумаге;
- размещение информационных продуктов, в виде электронного архива на FTP сервере.
Все информационные продукты, также сохраняются в разделе системы хранения данных.
В макете системы действуют минимальные ограничения связанные с объемами поступающих данных с систем космического и наземного мониторинга, объемом хранимых данных, форматами и типами используемых данных, а также скоростью обработки данных.
Новизна научных и технических решений заключается, в следующем:
- комплексном использовании различных типов данных дистанционного зондирования Земли, получаемых с различным пространственным разрешением и в разных диапазонах спектра электромагнитных волн, их взаимном совмещении и в совместной обработке и анализе с привлечением данных подспутниковых измерений для непрерывного всепогодного мониторинга экологического состояния Арктики и Субарктики;
- использовании новых типов данных дистанционного зондирования, в том числе, оптических и радиолокационных данный сверхвысокого разрешения и ориентации на использование совместно с перспективными космическими системами типа «Арктика» ;
- разработке новых методов мониторинга, основанных на использовании объектно-ориентированного подхода к распознаванию зон интенсивных антропогенных воздействий;
- использовании комплексных информативных признаков, получаемых при обработке космических изображений, и несущие сведения как о спектральных свойствах подстилающей поверхности, так и текстурных свойствах.
Сопоставление с результатами аналогичных работ.
В настоящее время в России и мире создано несколько систем аэрокосмического мониторинга, использование которых возможно и на арктических территориях, например, Государственная пространственно-распределеная система космического мониторинга окружающей среды (ГСКМ). Также существуют более узкоспециализированные системы мониторинга, которые также охватывают и северные территории, например, системы мониторинга лесных пожаров НИИ «АЭРОКОСМОС», МЧС России, Rapidfire [http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/realtime/], мониторинга мирового океана [http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/], мониторинга суши («MODIS Land» [http://modis-land.gsfc.nasa.gov/]), мониторинга атмосферы («MODIS Atmosphere» [http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/]), мониторинга растительных ресурсов WELD (Web Enable Landsat Data - система геологической службы США, которая обеспечивает аэрокосмический мониторинг растительных ресурсов и наземных экосистем континентальной части США и территории штата Аляски на основе архива данных спутников Landsat).
Космические данные также широко применяются для мониторинга криосферы в целом [http://nsidc.org/data/modis/index.html] и ледовой обстановки на приполярных участках земной поверхности [http://www.seaice.dk]. Центра данных о снеге и льдах (США) NSIDC (National Snow and Ice Data Center) специализируются в области дистанционного зондирования снега и льда, климата Арктики, мерзлого грунта, ледяного покрова, ледников. NSIDC использует большой набор данных наземных и дистанционных наблюдений, накапливает и обрабатывает их, предоставляя доступ к информационным продуктам другим исследовательским сообществам [http://nsidc.org/].
Важную роль в мониторинге арктических районов играет Единая государственная система информации об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО) [http://esimo.ru/], которая содержит большой объем разнообразной информации об обстановке в океане, на морях и прибрежных территориях, в том числе на арктических территориях [http://data.oceaninfo.ru].
Не смотря на широкое распространение дистанционных методов, систем и баз данных, содержащих результат мониторинга арктических регионов, основной упор в них делается на мониторинге климатических параметров и состояния ледяного покрова, с использованием космической аппаратуры низкого разрешения. Ни одна из приведенных систем не ориентирована на изучение локальных техногенных воздействий на экологическое состояния арктических регионов, тем более на мониторинг импактных районов. Поэтому для создания системы мониторинга экологического состояния импактных районов необходима разработка новых технологий основанных на дистанционном зондировании арктических регионов России и выявлении участков местности подвергающихся интенсивному антропогенному воздействию.
Для достижения заявленных результатов в ходе выполнения настоящего проекта решаются комплексные научно-технические задачи, включающие применение современных методов и средств дистанционного зондирования, технологий приёма и методов обработки космической информации, методов сбора и оценки космических и других данных, полученных в результате исследований арктических территорий, а также решение научно-технических задач, направленных на создание системы наземного и космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики.
Полученные при выполнении проекта результаты будут превышать мировой уровень работ в исследуемой области. Они будут конкурентоспособны в сравнении с известными отечественными и зарубежными разработками.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проведения ПНИ могут быть использованы для проведения опытно-конструкторских работ (ОКР), направленных на:
- создание систем мониторинга различных параметров окружающей среды в северных районах России и других арктических держав;
- оценку степени влияния глобального потепления на экосистемы севера России;
- планирование и управление особо охраняемыми природными территориями;
- обеспечение контроля за законностью разработки и использованием месторождений природных ресурсов;
- обеспечение контроля экологической обстановки в районах подверженных интенсивным антропогенным воздействиям;
- обеспечение контроля и ликвидации стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций;
- обеспечение интересов государственной безопасности в арктических приграничных районах Российской Федерации и т.д.
Коммерциализация результатов работ может быть осуществлена путем практического использования полученных объектов интеллектуальной собственности заинтересованными организациями.
Результаты прикладных научных исследований будут востребованы: Министерством природных ресурсов и экологии Российской Федерации, Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды; Министерством транспорта Российской Федерации; Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, силовыми ведомствами, а также Минсельхозом России; Росземкадастром; Роснедвижимостью; институтами и учреждениями Российской академии наук; нефте- и газодобывающими компаниями; компаниями по транспортировки нефти, газа и нефтепродуктов; ВУЗами и другими образовательными учреждениями; международными организациями.
В рамках международного сотрудничества, в том числе в рамках Арктического совета, могут проводиться исследования экологического состояния арктических регионов с использованием разработанных методов, методик, технических и технологических решений.
Разрабатываемый макет системы, а в последствии и система мониторинга экологического состояния импактных районов, обеспечивающая получение систематизированной информации о наиболее уязвимых регионах Арктики, может заинтересовать зарубежные организации и отдельных ученых, занимающихся исследованиями северных территорий. Система будет основана на принципах расширяемости и обеспечит возможность ее дополнения и актуализации с примением новых методических и технических решений, а также новых типов космических данных, в том числе с использованием данных создаваемой космической системы «Арктика».

Текущие результаты проекта:
В 2014 году были проведены аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, патентные исследования, обоснование и выбор направления исследований, определены методы, способы и средства решения поставленных задач.
В 2015 году были получены следующие результаты:
1 Разработаны методы мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, основанные на объектно-ориентированном подходе к классификации космических оптических и радиолокационных космических изображений, в том числе:
- метод сегментации космических изображений для объектно-ориентированной классификации космических изображений импактных районов Арктики, который основан на семантической сегментации с использованием марковских случайных полей;
- метод классификации объектов подстилающей поверхности при мониторинге импактных районов Арктики, основанный на байесовском подходе к классификации космических изображений;
- метод автоматического детектирования областей антропогенного воздействия по космических изображениям импактных районов Арктики, основанный на анализе динамики вегетации растительности вблизи импактных районов;
- метод интерактивной видеообработки изображений для выявления объектов в пределах импактных районов Арктики, основанный на визуальном анализе изобразительных свойств последовательности непрерывного отображаемых обрабатываемых космических изображений при изменении значения того или иного параметра обработки.
2. Разработаны методики для реализации технологий космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, в том числе:
- методика сбора временных серий космических и наземных данных, обеспечивающая получение широкого спектра результатов дистанционных наблюдений и контактных измерений параметров окружающей среды, необходимых для оценки экологического состояния импактных районов Арктики, с использованием антенных комплексов приема космической информации, архивов космических и наземных данных, мониторинговых систем;
- методика обработки временных серий космических и наземных данных, включающая процессы предварительной и тематической обработки информации, использующие как существующие методы обработки исходных космических изображений и временных рядов данных наземных измерений, так и новые, разработанные в рамках настоящей работы, методы мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики;
- методика совместного анализа временных серий космических и наземных данных для проведения комплексного мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, заключающаяся в: совместном анализе разновременных космических изображений, которая обеспечивает автоматизированное обнаружение и выделения на разновременных снимках одного и того же участка местности и областей, содержащих структурные изменения объектового состава земной поверхности; анализе степени таких изменений; непосредственном совместном анализе временных серий космических и наземных данных с использованием инструментов ГИС; анализе пространственных структур импактных районов и определении их взаимных связей и атрибутивных характеристик для оценки экологического состояния арктических территорий;
3. На основании методов структурного анализа и проектирования и методологии IDEF0, рекомендованной для использования Госстандартом РФ, разработана функциональная модель системы для реализации технологий космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, отражающая взаимодействие функций сбора, хранения и обработки и анализа данных, а также публикации результатов мониторинга, содержащая описание параметров входных и выходных данных системы, многоуровневую диаграмму функций и потоков данных, описание функций элементов системы, описание ограничений действующих в системе, а также формулировку критериев оптимизации.
4. Предложена схема макета системы для реализации технологий космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, включающая 4 автоматизированных рабочих места (АРМ), коммутационное оборудование, систему хранения данных, функционально сопряженная со средствами приема космической информации. Проведено обоснование и выбор программно-технических средств макета системы. В качестве операционной системы АРМов была выбрана Windows 8.1 Professional x64 Russian, базовым программным обеспечением для обработки данных мониторинга выбраны ENVI+IDL, средствам разработки выбраны средства программирования IDL, Borland C++ Builder, MATLAB. Предложен состав технических средств для реализации макета, в том числе для реализации АРМов двух типов: на базе высокопроизводительных рабочих станций на базе процессоров Intel 5-го поколения и систем средней производительности на базе процессоров Intel 4-го поколения, а также реализации функций коммутации и хранения данных.
5. На основании разработанной логической структуры создана база данных космических изображений и значимых параметров среды, характеризующих состояние импактных районов Арктической зоны Российской Федерации, на тестовых территориях, полученных по данным дистанционного зондирования. База данных включает актуальную и архивную космическую информацию, полученную приборами Геотон и ГСА, установленными на отечественных спутниках Ресурс-П №1и №2, а также приборами MODIS (спутники TERRA, AQUA), TM/ETM (спутники Landsat5,7), OLI/TIRS (спутник Landsat 8), Hyperion, ALI (спутник EO-1), РСА спутников Radarsat, Santinel-1 для ряда выбранных и обоснованных тестовых участков в пределах Арктики, содержащие как области интенсивного антропогенного воздействия, так и области естественного фона (например, расположенных на Кольском полуострове, в республике Коми, вблизи города Норильска).
6. Созданы алгоритмы и программные реализации для разработанных методов мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, основанные на объектно-ориентированном подходе к классификации космических оптических и радиолокационных космических изображений.
7. По результатам выполнения проекта, в 2015 году в журналах, индексируемых в базах данных Scopus и WEB of Science, опубликованы три статьи.
Подана заявка на получение патента на изобретение «Способ определения дигрессии надпочвенного покрова в арктической зоне».
Основные исполнители проекта принимали участие в мероприятиях по демонстрации и популяризации результатов проекта, например, в Международной научной конференции МДК-2015-03.
При выполнении прикладных научных исследований были использованы три уникальные научные установки – комплексы приема и обработки космических данных.
Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта составила 55% (требуемое значение индикатора не менее 35%).
Средний возраст исследователей – участников проекта составил 40,8 лет (требуемое значение показателя не менее 46 лет).