Применение аэрокосмической информации в землеустройстве и кадастре земель

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ НАУК О ЗЕМЛЕ

Кафедра картографии и геоинформационных систем.

Применение аэрокосмической информации в землеустройстве и кадастре земель

(Курсовая работа)

Выполнил

Студент 705 группы

Тегенцев К.А.

Проверил

Научный руководитель

Телицын В.Л.

Тюмень 2013

ВВЕДЕНИЕ

дистанционный зондирование земля дешифрирование

Данная работа посвящена рассмотрению применения аэрокосмической информации в землеустройстве и кадастре земель. Перед обществом стоит сложная задача: так организовать использование земель, чтобы, с одной стороны, прекратить процессы деградации почв, осуществить их восстановление и улучшение, а с другой - добиться повышения эффективности производства за счет организации рационального землевладения и землепользования. Она может быть решена только в ходе землеустройства, главной целью которого является организация рационального использования и охраны земель, создание благоприятной экологической среды, улучшение природных ландшафтов и реализация земельного законодательства. В настоящее время для повышения эффективности уровня производства, применяют автоматизированную обработку данных. Всё вышеперечисленное обосновывает актуальность данной темы.

Целью моей работы является рассмотрение применения материалов дистанционного зондирования Земли для выявления захвата земель, занятых под объектом строительства «магистральный газопровод Бованенково - Ухта». Для достижения цели необходимо решить ряд задач:

- ознакомиться с правовыми основами ведения землеустроительных и кадастровых работ;

- оценить достоинства и недостатки съёмочных систем, с помощью которых получают аэрокосмический материал;

- рассмотреть программные продукты, которые используются для дешифрирования и обработки информации;

- проанализировать имеющиеся растровые изображения на территорию земель сельскохозяйственного назначения, расположенных в районе строительства магистрального газопровода Бованенково - Ухта.

Чтобы приступить к раскрытию данного вопроса, необходимо чётко понимать, что собою представляет дистанционное зондирование Земли и оценить его методы. Дистанционное зондирование Земли - это процесс получения информации о пространственном положении и свойствах объектов поверхности и недр Земли при использовании различных воздушных и космических съёмочных систем.

Это далеко не новый метод. В течение многих десятилетий человек поднимался над Землей, чтобы наблюдать ее с большого расстояния и узнать, таким образом, еще больше о ней. Для этой цели широко использовалась аэрофотосъемка, а со временем появились новые виды съемок, использующие для дистанционного зондирования не только фотографические датчики.

Благодаря последним достижениям в области искусственных спутников, несущих системы датчиков слежения за Землей, стало возможным использование огромного количества фотографий и других видов информации о состоянии Земли, которые помогут в решении таких задач, как снижение острой нехватки продуктов, управление и контроль за загрязнением окружающей среды, увеличение запасов естественных ресурсов и планирование роста городов. С точки зрения этих задач, спутниковые данные имеют большое значение при условии, что их большой объем быстро и экономично будет сведен к полезной информации. Современные быстродействующие цифровые ЭВМ хорошо приспособлены для сокращения данных, а слияние таких вычислительных методов с новыми системами наблюдения уже позволило получать точную текущую информацию об окружающем нас мире. Результат синтеза - количественный метод дистанционного зондирования.

Для анализа данных дистанционного зондирования наиболее удобны географические информационные системы (ГИС), позволяющие эффективно работать с пространственно-распределенной информацией (картами, планами, аэрокосмическими изображениями, схемами в сочетании с текстом, таблицами и др.). С данными такого рода приходится иметь дело практически в любой сфере деятельности. Это может быть карта природных ресурсов, результаты экологического мониторинга территории, атлас земельного кадастра, план городских кварталов, схема движения транспорта и др. ГИС позволяет накапливать, интегрировать и анализировать информацию, оперативно находить нужные сведения и отображать их в удобной для использования форме, оценивать геометрические характеристики объектов (длину улицы, расстояние между городами).

Большую часть данных дистанционного зондирования составляют снимки, которые дают возможность получения сведений об объекте в виде изображений в цифровой или аналоговой формах (Николаев А.Ф. Аэрокосмическая съёмка - методы дистанционного зондирования в картографировании, кадастре земель и природопользовании).

ГЛАВА 1. ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ ДЛЯ ЗЕМЛЕУСТРОИТЕЛЬНЫХ И КАДАСТРОВЫХ РАБОТ

Выполнение такого рода работ основывается на следующих нормативных документах.

Федеральный закон Российской Федерации от 24 июля 2007 г. N 221-ФЗ "О государственном кадастре недвижимости" был принят Государственной Думой 4 июля 2007 года и одобрен Советом Федерации 11 июля 2007 года.

Глава 1. Общие положения

Статья 1. Предмет регулирования настоящего Федерального закона

1. Настоящий Федеральный закон регулирует отношения, возникающие в связи с ведением государственного кадастра недвижимости, осуществлением государственного кадастрового учета недвижимого имущества и кадастровой деятельности (далее - кадастровые отношения).

2. Государственный кадастр недвижимости является систематизированным сводом сведений об учтенном в соответствии с настоящим Федеральным законом недвижимом имуществе, а также сведений о прохождении Государственной границы Российской Федерации, о границах между субъектами Российской Федерации, границах муниципальных образований, границах населенных пунктов, о территориальных зонах и зонах с особыми условиями использования территорий, иных предусмотренных настоящим Федеральным законом сведений. Государственный кадастр недвижимости является федеральным государственным информационным ресурсом.

3. Государственным кадастровым учетом недвижимого имущества (далее- кадастровый учет) признаются действия уполномоченного органа по внесению в государственный кадастр недвижимости сведений о недвижимом имуществе, которые подтверждают существование такого недвижимого имущества с характеристиками, позволяющими определить такое недвижимое имущество в качестве индивидуально-определенной вещи (далее - уникальные характеристики объекта недвижимости), или подтверждают прекращение существования такого недвижимого имущества, а также иных предусмотренных настоящим Федеральным законом сведений о недвижимом имуществе.

4. Кадастровой деятельностью является выполнение уполномоченным лицом (далее - кадастровый инженер) в отношении недвижимого имущества в соответствии с требованиями, установленными настоящим Федеральным законом, работ, в результате которых обеспечивается подготовка документов, содержащих необходимые для осуществления кадастрового учета сведения о таком недвижимом имуществе (далее - кадастровые работы).

5. В соответствии с настоящим Федеральным законом осуществляется кадастровый учет земельных участков, зданий, сооружений, помещений, объектов незавершенного строительства (далее также- объекты недвижимости).

6. Положения настоящего Федерального закона не применяются в отношении участков недр, воздушных и морских судов, судов внутреннего плавания и космических объектов, предприятий как имущественных комплексов.

7. Положения настоящего Федерального закона применяются в отношении подземных сооружений, если иное не предусмотрено федеральным законом.

Статья 2. Правовая основа регулирования кадастровых отношений

Правовую основу регулирования кадастровых отношений составляют Конституция Российской Федерации, Гражданский кодекс Российской Федерации, Земельный кодекс Российской Федерации, Лесной кодекс Российской Федерации, Водный кодекс Российской Федерации, Градостроительный кодекс Российской Федерации, Жилищный кодекс Российской Федерации, настоящий Федеральный закон, другие федеральные законы и издаваемые в соответствии с ними иные нормативные правовые акты Российской Федерации.

Статья 3. Орган, осуществляющий кадастровый учет и ведение государственного кадастра недвижимости

1. Кадастровый учет и ведение государственного кадастра недвижимости осуществляются федеральным органом исполнительной власти, уполномоченным в порядке, установленном Конституцией Российской Федерации и Федеральным конституционным законом от 17 декабря 1997 года N 2-ФКЗ "О Правительстве Российской Федерации" (далее - орган кадастрового учета).

2. Если иное не установлено Правительством Российской Федерации, предусмотренные настоящим Федеральным законом полномочия органа кадастрового учета вправе осуществлять подведомственные ему государственные учреждения.

Глава 4. Кадастровая деятельность

Статья 29. Кадастровый инженер

I. Кадастровую деятельность вправе осуществлять физическое лицо, которое имеет действующий квалификационный аттестат кадастрового инженера (далее- квалификационный аттестат).

2. Квалификационный аттестат выдается физическому лицу при условии соответствия данного лица следующим требованиям:

1) имеет гражданство Российской Федерации;

2) имеет среднее профессиональное образование по одной из специальностей, определенных органом нормативно-правового регулирования в сфере кадастровых отношений, или высшее образование, полученное в имеющем государственную аккредитацию образовательном учреждении высшего профессионального образования;

3) не имеет непогашенную или неснятую судимость за совершение умышленного преступления.

3. Квалификационные аттестаты выдаются органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации лицам, прошедшим аттестацию на соответствие квалификационным требованиям, предъявляемым к кадастровым инженерам. Органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации при выдаче квалификационных аттестатов используют печать с изображением Государственного герба Российской Федерации и со своим наименованием. Квалификационный аттестат выдается без ограничения срока, территории его действия и является документом единого федерального образца. При этом квалификационный аттестат признается действующим со дня внесения сведений о кадастровом инженере в государственный реестр кадастровых инженеров в соответствии с установленными статьей 30 настоящего Федерального закона правилами.

4. Орган исполнительной власти субъекта Российской Федерации, выдавший квалификационный аттестат, направляет в орган кадастрового учета уведомление о выдаче данного квалификационного аттестата, содержащее указанные в пунктах 1-5 части 2 статьи 30 настоящего Федерального закона сведения, и копию данного квалификационного аттестата в срок не более чем один рабочий день со дня выдачи данного квалификационного аттестата.

5. Аттестация проводится в форме квалификационного экзамена. Квалификационные экзамены принимаются квалификационной комиссией, формируемой органом исполнительной власти субъекта Российской Федерации (далее - квалификационная комиссия). При этом к сдаче квалификационных экзаменов допускаются лица, отвечающие установленным частью 2 настоящей статьи требованиям и не ограниченные в праве на обращение с заявлением о получении квалификационного аттестата в соответствии с частью 9 или 10 настоящей статьи.

6. Состав и порядок работы квалификационной комиссии, перечень документов, представляемых одновременно с заявлением о получении квалификационного аттестата, порядок выдачи квалификационных аттестатов устанавливаются Правительством Российской Федерации. Программы квалификационных экзаменов, порядок их проведения, форма квалификационного аттестата устанавливаются органом нормативно-правового регулирования в сфере кадастровых отношений.

7. Квалификационный аттестат аннулируется в случае:

1) установления факта представления подложных документов кадастровым инженером для получения квалификационного аттестата;

2) поступления в квалификационную комиссию сведений о вступлении в законную силу приговора суда, предусматривающего наказание в виде лишения кадастрового инженера права осуществлять кадастровую деятельность в течение определенного срока, или решения суда, предусматривающего административное наказание в виде дисквалификации кадастрового инженера, и соответственно лишения его права осуществлять кадастровую деятельность в течение определенного срока;

3) подачи кадастровым инженером в соответствующую квалификационную комиссию заявления об аннулировании своего квалификационного аттестата;

4) принятия неоднократно в течение календарного года органом кадастрового учета решения об отказе в осуществлении кадастрового учета по основаниям, связанным с грубым нарушением кадастровым инженером требований, установленных настоящим Федеральным законом, к выполнению кадастровых работ или оформлению соответствующих документов, подготовленных в результате таких работ (за исключением случаев, если такое решение было признано недействительным в судебном порядке);

5) непредставления кадастровым инженером в орган кадастрового учета или соответствующий орган исполнительной власти субъекта Российской Федерации уведомления в установленном частью 6 статьи 30 или частью 3 статьи 31 настоящего Федерального закона порядке.

8. Решение об аннулировании квалификационного аттестата принимается квалификационной комиссией. В данном решении должны быть указаны обстоятельства, послужившие основанием для его принятия, с обязательной ссылкой на соответствующие положения части 7 настоящей статьи. Орган исполнительной власти субъекта Российской Федерации, выдавший квалификационный аттестат, направляет копию решения об аннулировании такого квалификационного аттестата в течение одного рабочего дня со дня принятия данного решения в орган кадастрового учета, а также лицу, квалификационный аттестат которого в соответствии с данным решением аннулирован. Данная копия должна быть заверена должностным лицом указанного органа исполнительной власти. Квалификационный аттестат признается аннулированным и, следовательно, не действующим со дня внесения сведений о его аннулировании в государственный реестр кадастровых инженеров в соответствии с установленными статьей 30 настоящего Федерального закона правилами. Лицо, квалификационный аттестат которого аннулирован, вправе обжаловать решение об аннулировании квалификационного аттестата в судебном порядке.

9. Лицо, квалификационный аттестат которого аннулирован, не вправе обращаться повторно с заявлением о получении квалификационного аттестата:

1) в течение двух лет со дня принятия решения об аннулировании квалификационного аттестата, если этот аттестат аннулирован по основанию, предусмотренному пунктом 3 или 4 части 7 настоящей статьи;

2) в течение года со дня принятия решения об аннулировании квалификационного аттестата, если этот аттестат аннулирован по основанию, предусмотренному пунктом 5 части 7 настоящей статьи;

3) в течение срока, предусмотренного вступившим в законную силу приговором или решением суда, если квалификационный аттестат аннулирован по основанию, предусмотренному пунктом 2 части 7 настоящей статьи.

10. Лицо, квалификационный аттестат которого аннулирован по предусмотренному пунктом 1 части 7 настоящей статьи основанию, не вправе обращаться повторно с заявлением о получении квалификационного аттестата.

Статья 35. Основания для выполнения кадастровых работ

1. Кадастровые работы выполняются кадастровым инженером на основании заключаемого в соответствии с требованиями гражданского законодательства и настоящего Федерального закона договора подряда на выполнение кадастровых работ.

2. В случаях, предусмотренных законодательством Российской Федерации, кадастровые работы могут быть выполнены кадастровым инженером на основании определения суда. Суд самостоятелен в выборе соответствующего кадастрового инженера. Расходы, связанные с выполнением таких кадастровых работ, и денежное вознаграждение соответствующему кадастровому инженеру подлежат возмещению и выплате в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.

Статья 37. Результат кадастровых работ

В результате кадастровых работ индивидуальный предприниматель, указанный в статье 32 настоящего Федерального закона, или юридическое лицо, указанное в статье 33 настоящего Федерального закона, передает заказчику таких кадастровых работ следующие документы:

1) межевой план (при выполнении кадастровых работ, в результате которых обеспечивается подготовка документов для представления в орган кадастрового учета заявления о постановке на учет земельного участка или земельных участков, об учете изменений земельного участка или учете части земельного участка);

2) технический план (при выполнении кадастровых работ, в результате которых обеспечивается подготовка документов для представления в орган кадастрового учета заявления о постановке на учет здания, сооружения, помещения или объекта незавершенного строительства, об учете его изменений или учете его части);

3) акт обследования (при выполнении кадастровых работ, в результате которых обеспечивается подготовка документов для представления в орган кадастрового учета заявления о снятии с учета здания, сооружения, помещения или объекта незавершенного строительства).

Статья 48. Вступление в силу настоящего Федерального закона

1. Настоящий Федеральный закон вступает в силу с 1 марта 2008 года, за исключением части 4 статьи 4 и части 6 статьи 47 настоящего Федерального закона.

2. Часть 6 статьи 47 настоящего Федерального закона вступает в силу со дня официального опубликования настоящего Федерального закона.

3. Часть 4 статьи 4 настоящего Федерального закона вступает в силу с 1 января 2012 года (Федеральный закон от 02.01.2000 № 28-ФЗ «О государственном земельном кадастре». «Собрание законодательства РФ»).

ГЛАВА 2. СИСТЕМЫ, С ПОМОЩЬЮ КОТОРЫХ ПОЛУЧАЮТ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) для получения аэрокосмической информации использует два метода: активный и пассивный.

Нефотографические съёмочные системы, с помощью которых производится дистанционное зондирование Земли, отличаются от фотографических систем ДЗЗ. Во-первых, применением иных сенсоров, при помощи которых регистрируют пассивное солнечное излучение (естественное) и собственное (тепловое) излучение местности и расположенных на ней и в её недрах объектов. Тепловое излучение их регистрируют при помощи тепловых съёмочных систем.

Кроме пассивных съёмочных систем в аэрокосмосъёмке используют и активные нефотографические съёмочные системы: лазеры, работающие в оптическом диапазоне: радары (радиофизические съёмочные системы), работающие в основном в сантиметровом радиодиапазоне электромагнитных волн. Радары работают и в активном режиме, используя метод радиации, и регистрируют собственные излучения наземных и подземных объектов. Главным преимуществом радиолокационных является то, что это почти всепогодные съёмки и проведение их не зависит от степени освещённости местности. Для условий России, особенно в северных её широтах, где большая часть времени года присутствует облачность, этот фактор во многих случаях может быть решающим при выборе вида съёмки при разных характеристиках в пользу радиолокационной (П. Кронберг. Дистанционное изучение Земли).

2.1 КАДРОВЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СЪЁМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ

Недостатком фотографической съёмки местности является необходимость доставки фотоплёнки на Землю для обработки, после её экспонирования на борту летательного аппарата. Этот недостаток устраняется при телевизионной съёмке. Аэрокосмической телевизионной съёмкой называется процесс получения изображений поверхности Земли, Луны, планет Солнечной системы с летательных аппаратов с помощью оптических, электронных и радиотехнических средств. Этот вид съёмки даёт возможность систематического получения изображения поверхности Земли в течение длительного времени при быстрой передаче его на приёмные станции. При выполнении съёмок этим методом используют кадровые телевизионные съёмочные системы.

Телевизионные системы могут регистрировать и передавать объёмное, плоскостное и линейное изображения объектов съёмки. Если происходит регистрация изображения, обеспечивающая получение информации о распределении яркости объектов в трёхмерном пространстве В (х, у, z), то такая система называется стереоскопической, если в двухмерном B (x, y), то передача плоскостная, если в одномерном B (x), то линейная.

При кадровой телевизионной съёмке используется миниатюрная телевизионная камера, в которой оптическое изображение, построенное объективом на экране, при считывании электронным лучом переводится в форму электросигналов и по радиоканалам передаётся на Землю.

Телевизионные снимки могут передаваться на Землю в режиме on-line. Оперативность получения снимков составляет отличительную черту этого метода. Телевизионная аппаратура без проблем устанавливается на ИСЗ, запускаемых на полярные орбиты, что позволяет охватывать такой съёмкой всю земную поверхность.

Отличительной чертой кадровой телевизионной съёмочной системы является наличие специального сенсора - фотоэлектрического устройства, называемого фотомишенью. Фотомишень является главной деталью основного прибора кадровой телевизионной съёмки - видикона.

Методы космической телевизионной съёмки можно подразделить по спектральному диапазону, по назначению материалов съёмки, количеству информационных каналов, по приёмнику световой энергии, способу передачи информации и т.д.

Телевизионная съёмка производится в диапазоне длин волн 300 - 1100нм(). Всё большее применение находит косвенный метод ультрафиолетовой телевизионной съёмки, использующий датчики, чувствительные к ультрафиолетовому излучению снимаемой поверхности, сканирование которой осуществляется телесным углом зрения оптико - механическим способом с летательного аппарата. Фототелевизионные изображения могут быть получены как чёрно - белые, так и цветные. Телевизионные системы, применяемые на космических летательных аппаратах, можно классифицировать в соответствии с кругом решаемых задач на: системы для съёмок поверхности Земли и метеорологического наблюдения облачного покрова, Луны, съёмки поверхности планет Солнечной системы; системы ретрансляции; видеотелеметрические системы для контроля состояния космонавтов и бортовой аппаратуры; инспекцию состояния других космических летательных аппаратов и слежение за их движением; системы управления космическими аппаратами; системы для астрономических наблюдений.

Недостатки кадровых ТВ - систем - большие геометрические и фотометрические искажения, низкая разрешающая способность, а также зависимость от погодных условий. ТВ - снимки используют при исследовании больших территорий земной поверхности и поверхности океанов, изучении облачности и т.п. Из отечественных ТВ - систем можно отметить систему «Метеор» с разрешением на местности около 1 км.

2.2. СКАНИРУЮЩИЕ ОПТИКО - ЭЛЕКТРОННЫЕ СЪЁМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ (СКАНЕРЫ)

Сканирующие съёмочные системы (сканеры) отличаются от других прежде всего принципом построения изображения, которое строится построчным сканированием (просматриванием) местности.

В сканирующих системах применяют различные типы приёмников электромагнитного излучения: тепловые (теплоэлектрические) и фотонные (фотоэлектрические). Тепловые работают на основе преобразования тепловой энергии в электрический сигнал, в фотонных системах уровень сигнала определяется количеством поглощённых фотонов. Наибольшее применение получили сканеры, приёмниками в которых служат линейки ПЗС (приборы с зарядной смесью). Различные типы сенсоров имеют различную спектральную чувствительность и охватывают спектральный интервал от видимой зоны до дальней инфракрасной зоны. Выбор приёмника излучения и его спектральной чувствительности зависит от спектрального интервала съёмки.

Конструктивно сканер состоит из оптической системы, фотоэлектронных преобразователей, устройства приёма и регистрации изображения. С помощью сканеров формируется изображение, состоящее из множества отдельных, последовательно получаемых элементов изображения - пикселей в пределах полос (строк, сканов). Размер пиксела определяет детальность (разрешение на местности) изображения.

Сканирование местности осуществляется в одном направлении за счёт движения самолёта (спутника) вперёд, а в другом (перпендикулярном линии полёта) - за счёт вращения или колебания призмы (зеркала). Колебательное перемещение призмы (зеркала) в сочетании с движением самолёта (спутника) обеспечивает непрерывный последовательный охват определённой полосы местности, размер которой зависит от апертуры (действующего отверстия оптической системы объектива) сканера и высоты полёта самолёта или спутника. Ширина снимаемой полосы местности определяется углом сканирования сканера, а линейное разрешение на местности (ширина скана, размер пиксела) - мгновенным углом зрения. У обзорных сканеров угол сканирования достигает , у высокоинформативных (детальных) - и меньше. Соответственно этому и мгновенный угол зрения устанавливают от нескольких градусов до десятых долей минуты. Угол сканирования и мгновенный угол зрения, соответственно полоса съёмки и разрешение на местности, - взаимозависимые величины. Чем выше разрешение, тем уже полоса съёмки. Так, при съёмке из космоса при разрешении 1-2 км. Снимают полосу местности в несколько тысяч километров, а при разрешении 20-50 м ширина полосы съёмки не превышает 100-200км.

Оптико - механические сканеры бывают одно - и многоканальные (2 и более). Обычно для съёмки земной поверхности применяют сканеры, работающие в видимом и ИК диапазонах (0,5 - 12 мкм). Результат регистрации излучения при съёмке методом оптико - механического сканирования представляет собой матрицу многомерных векторов. Каждый вектор отображает определённую элементарную площадку (пиксель) на Земле, а каждая его компонента соответствует одному из спектральных каналов.

При съёмке в видимом и ближнем ИК - диапазонах (0,4 - 3 мкм) применяют фотоэлектрические, а в среднем и дальнем ИК - диапазонах (3 -12 мкм) - термоэлектрические приёмники излучения. К фотоэлектрическим приёмникам относят электронные приборы, действие которых основано на внешнем (электровакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители) и внутреннем (полупроводниковые фотосопротивления, фотодиоды и др.) фотоэффектах. Термоэлектрические приёмники основаны на термоэлектронной эмиссии, они реагируют на поглощённое излучение через нагревание чувствительного элемента, что позволяют регистрировать ИК - тепловое излучение в широком спектральном диапазоне. К числу термоэлектрических приёмников относятся болометры, радиационные термоэлементы (термопары) и др. Тепловую съёмку осуществляют сканирующими радиометрами в ночное и дневное время суток.

В сканерах устанавливают несколько сенсоров, позволяющих получать изображение одновременно в различных спектральных каналах. Информацию, полученную в процессе сканерной съёмки, передают в виде цифрового изображения по радиоканалу на приёмный пункт или записывают на борту на магнитный носитель. Материалы съёмки потребителям передаются в виде записи на магнитном носителе, например на СД - дисках, с последующей визуализацией на местах обработки снимков.

По своим геометрическим свойствам и разрешению на местности сканерные снимки, которые получались съёмочными системами первых поколений, уступали фотоснимкам. Однако высокая чувствительность приёмников излучения сканеров позволяет выполнять съёмку в узких (несколько десятков нанометров) спектральных интервалах, в пределах которых различия между некоторыми природными объектами более чётко выражены. В цифровых данных, полученных с помощью сканеров отсутствуют «шумы» которые неминуемо появляются при фотосъемке и фотолабораторной обработке съёмочных материалов.

2.3. ТЕПЛОВЫЕ СЪЁМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ (ИК - СИСТЕМЫ, СВЧ - СИСТЕМЫ)

Тепловая съёмка представляет собой измерение двумерного поля излучения путём поэлементного сканирования объекта земной поверхности. Принцип получения изображения основан на изменении температур объектов местности. В зависимости от физических и химических свойств снимаемые объекты могут быть «теплее» или «холоднее». Преобразованные (визуализированные) результаты измерений температур имеют вид, аналогичный фотографическому изображению местности.

Совершенствование ИК - приёмников, оптических систем, методов термометрии позволяет получать ИК - изображения , сопоставимые по своим параметрам с фотографическими. Для стереоскопического рассматривания снимки получают с перекрытиями (часть местности, изображённой на предыдущем снимке, фиксируется на последующем). Регистрация трёх координат точек изображения позволяет визуализировать на мониторе компьютера трёхмерное изображение.

Изображения, полученные с помощью тепловых съёмочных систем, используют в целях картографирования подземных коммуникаций, выявления техногенных нарушений сооружений (нефтепроводов, теплосетей и др.)

Главная особенность инфракрасных систем заключается в возможности регистрации собственного магнитного излучения слабо нагретых объектов и наблюдении малых перепадов температур на их поверхности, что не позволяют делать фотографические и телевизионные системы. Таким образом, ИК - системы предназначены для получения в ночных и дневных условиях ИК - аэроснимков, на которых могут быть распознаны различные объекты, обладающие тепловым контрастом по отношению к окружающему их фону.

ИК - системы классифицируются по типу применяемого приёмника - на системы с одноэлементным и многоэлементным приёмником излучения. Простейшей ИК - системой является система с одноэлементным приёмником. ИК - системы по сравнению с фотографическими системами имеют особенности, заключающиеся в следующем.

Для обнаружения и опознавания объекта ИК - системой объект должен отличаться от фона по температуре или коэффициенту излучения на достаточную величину, которая позволила бы отделить его от других вариаций фона. ИК - системы способны работать в любое время суток днём и ночью в неблагоприятных погодных условиях. ИК - системы позволяют обнаруживать невидимые в видимом диапазоне длин волн объекты. Ик - системы обеспечивают получение высоких значений контраста объектов и фонов в ИК - диапазоне.

ИК - системы позволяют получать дополнительную информацию и дешифровочные признаки по сравнению с фотографическими и телевизионными системами. Например, позволяют определять уровень жидкости в цистерне, обнаруживать кильватерный след морских судов, недавно выключенные двигатели.

2.4. ЛАЗЕРНЫЕ СЪЁМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ (ЛАЗЕРЫ)

В основе лазерной съёмки заложен принцип работы светодальномера без отражателя - лазерная локация. Отражателем является поверхность снимаемого объекта. В качестве облучателя используют полупроводниковый лазер, генерирующий излучение в ближней ИК - зоне в импульсном режиме. С помощью лазера осуществляют направленное облучение поверхности. Сигнал, отражённый от элементарной площадки земной поверхности (объекта), принимает оптическая система. При каждом элементарном измерении в процессе сканирования регистрируются наклонная дальность до площадки отражения и направление относительно осей системы координат лазерного локатора.

Принцип работы лазерной системы заключается в следующем: луч от лазера направляется на местность и, отразившись от поверхности земли, собирается объективом приёмного устройства системы, направляется на приёмник излучения, где преобразуется в электрический сигнал. При движении луча по поверхности земли электрический сигнал на выходе приёмника излучения моделируется пропорционально коэффициенту спектральной яркости облучаемых природных образований и объектов. При подаче промодулированного электрического сигнала на катод электронно-лучевой трубки и перемещении электронного луча пропорционально движению луча лазера на экране можно получить яркостную монохроматическую картину местности.

Лазерные съёмочные системы, относящиеся к группе активных съёмочных систем, в отличие от пассивных, которые фиксируют отражённый от местности солнечный или собственное (естественное) тепловое излучение, работают как сканеры. Главной частью лазерного сканера является лазерный локатор. В зависимости от типа лазерного локатора при съёмке можно фиксировать до пяти отражений для каждого направления визирования. Это означает, что при одном элементарном измерении могут быть получены изображения нескольких пространственных компонентов площадки объекта: например, от проводов линии электропередачи, лиственного покрова леса, поверхности земли.

Лазерные съёмочные системы применяют для построения профилей рельефа на территориях, закрытых лесами, и создания цифровой модели рельефа местности. Их применение эффективно при обследовании линий электропередач. При съёмке городов и поселений получаемое трёхмерное изображение позволяет успешнее проводить работы по организации территорий. Или, например, оптимизировать размещение приёмопередатчиков мобильной телефонной связи для достижения уверенного приёма сигналов.

Помимо лазерных сканеров, используемых с воздушных и космических носителей, существуют наземные лазерные сканеры. Принцип работы этих съёмочных систем аналогичен рассмотренным сканерам. Изображения, получаемые ими, применяют для изучения деформаций зданий и промышленных сооружений, составления фронтальных планов сложных архитектурных сооружений и т.д.

2.5. РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ СЪЁМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ (РАДАРЫ)

В этих системах в качестве носителя информации об объектах земной поверхности выступают электромагнитные волны сантиметрового и дециметрового радиодиапазона. Длины радиоволн, используемые при съёмке, находятся в диапазоне от 1 см до 1 м и более. Режим излучения может быть непрерывным или импульсным. После взаимодействия с объектами поверхности происходит модулирование несущего сигнала: изменяются его исходные характеристики. Степень модулирования определяется физическими и химическими свойствами объекта. Отражённый модулированный сигнал воспринимается приёмной антенной. Принятые сигналы после усиления поступают на экран, где происходит построчная визуализация результатов радиолокации. Полученное на экране с помощью электронно-лучевой трубки ЭЛТ - изображение фиксируется с помощью регистрирующего устройства на движущую фотоплёнку. Яркость изображения зависит от энергии возвратившегося сигнала.

Радиофизические съёмочные системы разделяют на 2 класса: использующие метод активной радиолокации и регистрирующие собственное излучение объектов. Из систем, относящихся к первому классу, наибольшее применение получили радиолокационные станции бокового обзора. В основу их были заложены принципы радиолокации. Генератор, установленный на борту летательного аппарата, вырабатывает радиоволны определённой длины, амплитуды, поляризации. С помощью антенны радиоизлучение в виде плоского луча направляется на земную поверхность.

Радиолокационные станции - активные всепогодные средства зондирования, основанные на использовании отражения зондирующих сигналов, излучаемых передатчиком радиолокационной станции от различных объектов на земной поверхности.

Результат данной съёмки - непрерывная полоса радиолокационного изображения. Преимущество радиолокационных съёмок - их независимость от погодных условий. Съёмку можно проводить при сплошной облачности и даже дожде, поэтому такую съёмку называют «всепогодной». Такая съёмка применяется, в основном, для изучения водных поверхностей, определения границ береговых линий, овражной сети, зон подтопления, состояния посевов и т.д.

Кроме метода активной радиолокации применяют пассивный метод, где измеряют собственное излучение объектов местности в спектральном интервале 0,15-30 см, используя сверхвысокочастотные модули (П. Кронберг. Дистанционное изучение Земли).

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, СПЕКТР, ДИАПАЗОН

При производстве аэрокосмосъёмок регистрируют отражённое или собственное (естественное) излучение электромагнитных волн. Электромагнитное излучение регистрируют и измеряют с помощью датчиков или съёмочных систем - специальных технических средств.

В зависимости от типа съёмочной аппаратуры информация может быть представлена в различном виде. Например, в виде двумерной аналоговой записи на фотографическом носителе или поэлементной цифровой записи на магнитном носителе. Некоторые съёмочные системы позволяют получать трёхмерное изображение, элемент, которого имеет все три пространственные координаты, например, лазерные съёмочные системы. С летательных аппаратов можно измерить электромагнитное излучение над объектом в дискретных точках. При этом определяют его различные характеристики, например, при спектрометрировании - оптические свойства объектов, а при исследованиях загрязнений территорий - количество и распределение определённых химических соединений, радионуклидов, тяжёлых металлов и др.

Результаты регистрации электромагнитного излучения, представленные в виде изображения изучаемого объекта (участка земной поверхности) в аналоговой или цифровой форме записи, называют видеоинформацией. Процедуру преобразования результатов аналоговой или цифровой записи сигналов в видимое изображение называют визуализацией. Аэро - и космические съёмки Земли разделяют на пассивные и активные. При пассивной съёмке информацию получают двумя способами: первый - путём регистрации отражённого от объекта солнечного светового потока; второй - измерением радиационного потока, излучаемого самим объектом (собственное излучение). При активной съёмке, поверхность исследуемого объекта облучается с борта аэро - или космического летательного аппарата с помощью искусственного облучателя (лазера - оптического генератора, радиогенератора), а отражённое излучение регистрируют соответствующие бортовые приёмные устройства.

При дистанционном зондировании, включая аэрорадиосъёмку, Земли наиболее широко применяют пассивные съёмочные системы (фотографические и оптико-электронные), а из активных - радиолокационные системы бокового обзора и лазерные системы.

Материалы аэро - и космических съёмок имеют ряд преимуществ по сравнению с топографической съёмкой, благодаря которым решают многочисленные задачи изучения поверхности Земли: оперативность получения метрической и смысловой (семантической) информации об обучаемой территории; объективность и документальность этой информации, так как при АКС регистрируют фактическое состояние объектов на земной поверхности; экономическую эффективность получения информации по материалам аэро - и космических съёмок; возможность регулярных наблюдений (особенно по материалам космических съёмок) за изменениями, происходящими на изучаемой территории (Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли).

При производстве аэрокосмосъёмок для получения картографических материалов, экологического изучения территорий, мониторинга земель используют наиболее информативные для этого диапазоны электромагнитного излучения, оптический диапазон и радиодиапазон (длины волн электромагнитного излучения более 1 мм). Оптический диапазон делят на области и зоны спектра.

Основной естественный источник облучения земной поверхности - Солнце. Поэтому при съёмке земной поверхности чаще всего регистрируется отражённое от объектов солнечное излучение.

Оптический диапазон электромагнитных волн содержит три области: ультрафиолетовую с длинами волн л = 0,10 - 40 мкм; видимую с л = 0,40 - 0,75 мкм; инфракрасную с л = 0,75 - 1000 мкм.

Радиодиапазон электромагнитных волн волн содержит три макродиапазона волн: миллиметровый (л > 1000 мкм < 1 мм); сантиметровый (л > 1 мм); дециметровый (л > 10 см); метровый (л > 1 м).

Электромагнитное излучение, поступающее на снимаемую поверхность, состоит из двух составляющих: прямое солнечное излучение и диффузное - рассеянное атмосферное и отражённое объектами земной поверхности. От соотношения доли прямой и диффузной радиации зависит освещённость объектов. В общем случае при безоблачном небосводе вклад рассеянной радиации в суммарную освещённость невелик.

Суммарная освещённость объекта зависит от высоты Солнца, которая определяется широтой места наблюдения, датой и местным временем наблюдения.

Максимальное количество (до 99%) солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, приходится в спектральный интервал л = 0,3…7,0 мкм с преобладанием в видимой зоне спектра л = 0,4…0,7 мкм. При длине волны более 5 мкм отражение излучения не происходит.

Объекты земной поверхности излучают в пространство собственную радиацию. Собственное излучение также относят к естественному. Собственное излучение в видимой зоне спектра практически отсутствует. В спектральной зоне от 2 до 5 мкм интенсивности собственного и отражённого излучения примерно одинаковы. При выполнении аэро - и космических съёмок объектов Земли излучения в данной зоне спектра регистрируют суммарно. Собственное излучение испускается земными объектами на длинах волн более 5 мкм. Его называют тепловым излучением. Максимум собственного излучения приходится на длину волны л = 10 мкм. Интенсивность самоизлучения зависит от температуры объекта и длины волны. Аналогично отражённому собственное излучение может быть диффузным (рассеянным) и направленным.

В качестве искусственных источников излучения, используемых для освещения (облучения) объектов земной поверхности, применяют оптические генераторы (лазеры) и радары (радиолокаторы). Искусственные источники различаются по интенсивному, спектральному составу и поляризации генерируемого излучения, потребляемой мощности питания и т.п.

Технические характеристики искусственных источников излучения следующие: максимальная пиковая сила излучения, амплитудно-временной показатель силы излучения, относительная спектральная интенсивность излучения, диаграмма направленности излучения. Интегральная облученность, создаваемая на поверхности объекта, помимо перечисленных характеристик, зависит от времени облучения и высоты полёта. Искусственные облучатели применяют при съёмках поверхности Земли как с воздушных, так и с космических летательных аппаратов (Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений).

ГЛАВА 4. ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ, КОТОРЫЕ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ДЛЯ ДЕШИФРИРОВАНИЯ, ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Самые современные космические снимки не позволят получить нужную информацию без быстрых и надёжных методов дешифрирования, заложенных в большинство современных специализированных программных продуктов.

Ведущие поставщики программного обеспечения для обработки ДДЗ десятилетиями развивали инструменты классификации растров, переводящие спектральную информацию в тематическую и создающие тематические изображения, в которых значение пикселя отображает его принадлежность к определённому классу. В последние годы наметилась тенденция к созданию программных продуктов, осуществляющих не только дешифрирование, но и перевод итоговой информации в векторную форму для более лёгкой интеграции этих данных в ГИС. При этом основной тенденцией является стремление к минимальному вмешательству пользователя в процесс классификации, т.е. достижение высокой степени автоматизации процесса (Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии).

Одним из пионеров в этой области был немецкий концерн Definiens, чьи программные продукты серии eCognition завоевали определённую популярность у специалистов в конце девяностых годов прошлого века. Однако подобные решения уже не являются чем-то уникальным, так как через несколько лет после eCognition американская компания Visual Learning Systems выпустила на рынок программные продукты Feature Analyst и Lidar Analyst, удачно интегрировав их в оболочки популярных программ для обработки ДДЗ и ГИС: ArcGIS, ERDAS IMAGINE, SOCET SET и GeoMedia. В 2008 году два других ключевых игрока рынка продемонстрировали свои инструменты для автоматизированного дешифрирования данных спутниковой съёмки: это корпорация ERDAS, выпустившая модуль для объектно-ориентированного дешифрирования - Imagine Objective для ERDAS IMAGINE 9.3, и компания ITT, разработавшая первую версию модуля ENVI Fx 4.5.

Все перечисленные программные продукты выполняют сходные задачи по автоматизированному дешифрированию определённых пользователем объектов по космическим снимкам и получению готовых к использованию в ГИС слоёв геопространственных данных. Благодаря высокой степени автоматизации процессов в вышеперечисленных программных продуктах (это особенно касается Feature Analyst и Imagine Objective), они могут быть использованы как неотъемлемая часть процесса создания и обновления карт с использованием ДДЗ, помогая достичь высокой оперативности в получении итоговой информации в форме цифрового картографического материала.

Рис. 1. Автоматизированный поиск и выделение объектов по данным съёмки высокого разрешения в модуле Feature Analyst.

Модуль Feature Analyst для ERDAS IMAGINE 9.0 и ArcGIS 9.1 был выпущен в 2001 году компанией VLS, которая была впоследствии приобретена компанией Overwatch Systems. Первоначально, модуль был разработан как специальный продукт для использования специалистами армии США, однако затем он был выведен на рынок, как готовое программное решение в среде наиболее популярного программного продукта для обработки ДДЗ - ERDAS IMAGINE, и наиболее распространённой ГИС в мире - ArcGIS компании ESRI.

Модуль Feature Analyst содержит набор инструментов, позволяющих автоматизировать процесс выделения двухмерных и трёхмерных объектов, таких как дороги, здания, водные объекты, растительность, проницаемые/непроницаемые покровы, а также разделённые по типу землепользования объекты (рис. 1). Алгоритм классификации использует как множественные пространственные признаки (размер, форма, текстура, структура, пространственные связи, тени и пр.), так и спектральные особенности стереоскопических или моноскопических изображений. На выходе пользователь получает векторный файл в формате ESRI Shape, который он может тут же использовать в ГИС, так как Feature Analyst полностью интегрирован в программную среду ArcGIS (рис. 2). Технология Software Agent даёт возможность выделять как мелкие объекты (автомобили, самолёты), так и крупные объекты (границы типов землепользования, ареалы распространения растений). Не менее интересны инструменты выделения трёхмерных объектов, позволяющие осуществить выделение объектов на основе данных лазерного сканирования или ЦМР, и группа инструментов классификации, которые позволяют проводить классификацию в режиме пакетной обработки.

Рис. 2. Пример выполнения автоматического выделения лесной растительности по панхроматическому снимку в модуле Feature Analyst под ArcGIS 9.3.

Feature Analyst использовался специалистами Национального Агентства по Картографии и Дистанционному зондированию США - NIMA (National Imagery and Mapping Agency) в рамках длительной программы тестирования, целью которой было выявить наилучшие алгоритмы для автоматизированной классификации ДДЗ и подготовки данных для ГИС. По итогам этой программы данный модуль показал отличные результаты по скорости, точности и автоматизации процесса классификации, что было зафиксировано экспертами NIMA. Из других опубликованных работ с использованием автоматизированной классификации Feature Analyst можно выделить проекты по созданию тематических карт растительности на основе данных Landsat 5 и 7, которые проводились в Университете Монтаны. Использование Feature Analyst специалистами подразделения лесной службы США (USDA-Forest Service) для картографирования лесов с использованием снимков высокого разрешения, и многие другие исследования.

Другой модуль компании Overwatch Systems - Lidar Analyst - предназначен для обработки особого типа данных, полученных в результате воздушного лазерного сканирования (рис. 3). В качестве входных данных он воспринимает распространённый формат облака точек LAS, а также растры. Модуль характеризуется высокой степенью автоматизации процесса и позволяет строить поверхности «голой почвы», модели местности, выделять здания и растительность в автоматическом режиме с минимальным вмешательством пользователя. Этот модуль несколько раз использовался при анализе последствий стихийных бедствий, в первую очередь, при анализе ущерба, нанесённого домам жителей и прочим строениям, попавшим в область урагана на юге США. Для этих целей запускался лёгкий двухместный самолёт с лазерным сканером LEICA ALS50, осуществлявшим съёмку, затем эта информация обрабатывалась при помощи Lidar Analyst. Таким образом, оперативно составлялись карты изменений в зоне воздействия урагана и создавались трёхмерные модели местности, после изучения которых принимались решения по распределению сил для ликвидации последствий стихийного бедствия (Цветков В.Я. Создание интегрированной информационной основы ГИС).



Рис. 3. Примеры обработки данных лазерного сканирования в модуле LIDAR Analyst

В 2008 году компания ERDAS объединила свой опыт и опыт своих конкурентов и выпустила на рынок модуль для объектно-ориентированной классификации - Imagine Objective, работающий в среде ERDAS IMAGINE 9.2 и 9.3.

Модуль IMAGINE Objective содержит набор инновационных инструментов для векторизации, выявления изменений по разновременным данным, а также создания и поддержания в актуальном состоянии геопространственной информации, полученной с помощью космических и аэроснимков (рис. 4). Компания ERDAS разработала и запатентовала механизм классификации, комбинирующий методы работы искусственного интеллекта, компьютерных алгоритмов и традиционных методов обработки ДДЗ. Работа модуля сводится не только к оконтуриванию растровых объектов, но также и к многоуровневой векторизации, созданию пространственно-целостного результата и точному отображению реальной формы каждого существующего объекта. Из ключевых особенностей модуля можно выделить возможность использования настраиваемых и надстраиваемых моделей дешифрирования определённых типов объектов, возможность очень тонкой настройки классификатора для получения адекватных результатов и, безусловно, объектно-ориентированный подход, означающий, что, помимо спектральных характеристик объектов, при классификации также используются и их пространственные свойства. IMAGINE Objective также позволяет провести дискретное выделение объектов и включение различных алгоритмов фильтрации в процесс дешифрирования, чтобы на выходе получать готовые к использованию в ГИС слои с геопространственной информацией. Полная интеграция в рабочую среду ERDAS IMAGINE предоставляет готовое решение для сложной объектно-ориентированной классификации в рамках единого программно-аппаратного комплекса. При этом для вспомогательных слоёв может привлекаться дополнительная информация, например, карты уклонов, экспозиции, данные лазерной съёмки, текстуры для объектов и пр., наряду с элементами объектно-ориентированного подхода, учитывающего метрику, близость, связность и прочие пространственные характеристики объектов.