Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0086

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0086
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС"
Название доклада
Разработка методов и технологий мониторинга состояния импактных районов Арктики по мультиспектральным оптическим и радиолокационным космическим изображениям и данным наземных наблюдений.
Докладчик
Бондур Валерий Григорьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является 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.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
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 космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики и Субарктики, включающие процессы сбора, обработки и совместного анализа временных серий космических и наземных данных.
3. Создание макета системы космического мониторинга состояния импактных районов Арктики, реализующего разработанные методы и технологии.
Актуальность и новизна исследования
Мониторинг экологического состояния импактных районов Арктики и своевременное реагирование на возможные негативные явления, связанные как с деятельность человека, так и с природными факторами, является важной составляющей обеспечения рационального природопользования, экологической безопасности и устойчивого развития Арктической зоны. Учитывая огромные территории российской Арктики, сложность климатических условии и труднодоступность некоторых районов развитие наземных средств мониторинга и их возможность по охвату территории АЗРФ весьма ограничены. В таких условиях особую важность приобретают методы мониторинга природной среды на основе космических средств дистанционного зондирования Земли, работающих в оптическом и радиодиапазоне спектра электромагнитных волн.
Постоянное увеличение объемов космической мониторинговой информации, поставляемой отечественными и зарубежными спутниками, а также перспективы создания многоцелевой космической системы «Арктика» требуют развития методов, технологий и систем сбора, обработки и анализа космических данных, получаемых при мониторинге импактных районов Арктики.
Новизна предлагаемых решений заключаются в комплексном использовании различных типов данных дистанционного зондирования Земли, получаемых с различным пространственным разрешением и в разных диапазонах спектра электромагнитных волн, разработке новых методов обработки космической информации, основанных на объектно-ориентированном подходе к распознаванию зон интенсивных антропогенных воздействий путем анализа комплексных информативных признаков изображений импактных районов и интеграции этих методов в технологии сбора обработки и анализа космических данных.
Описание исследования

В ходе исследований были 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 последовательности непрерывного отображаемых обрабатываемых космических изображений при изменении значения того или иного параметра обработки.

Были разработаны программные реализации перечисленных методов, которые выполнены в виде исследовательского программного обеспечения на языках программирования Матлаб 8.3 (среда разработки Matlab 2014a) и C++ (среда разработки Visual Studio 2008). Данное исследовательское программное обеспечение, интегрировано в макет системы космического мониторинга, предназначенный для отработки технических и технологических решений в области мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, подвергающихся интенсивным антропогенным воздействиям.

Созданный макет системы космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, включает в свой состав:  АРМы сбора и управления данными; предварительной обработки; тематической обработки; файловый сервер; систему хранения данных; средства сопряжения с антенными комплексами приема оперативной космической информации; средства обеспечения бесперебойного энергопитания системы и др. Программное обеспечение макета включает общесистемное ПО обеспечивающее автоматизированный сбор, распаковку, предварительную обработку, визуализацию данных, а также управление базой данных космических изображений и значимых параметров окружающей среды и специальное ПО направленное на обработку предметной информации для мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики. 

Созданная база данных включает космические изображения, данные о параметрах окружающей среды, полученные по данным ДЗЗ, данные наземных наблюдений - результаты экологического мониторинга тестовых территорий.

Для реализации технологий космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики были разработаны следующие методики:

- 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 состояния импактных районов Арктики, заключающаяся в: совместном анализе разновременных космических изображений для автоматизированного обнаружения и выделения 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.

Проведены экспериментальные исследования разработанных решений, которые показали соответствие полученных результатов требованиям Технического задания.

Результаты исследования

Основными результатами исследований являются:

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.

Полученные результаты соответствуют мировому уровню работ в исследуемой области и являются конкурентоспособными в сравнении с известными отечественными и зарубежными разработками.

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). Космические данные также широко применяются для мониторинга криосферы в целом [NSIDC -National Snow and Ice Data Center, http://nsidc.org] и ледовой обстановки на приполярных участках земной поверхности [http://www.seaice.dk]. 

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 арктические экосистемы, тем более на мониторинг импактных районов. Поэтому  результаты проведенных исследований найдут широкое применение при решении задач мониторинга участков Арктики подвергающихся интенсивному антропогенному воздействию.

Практическая значимость исследования
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 и т.д.
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.