Земля в окошке монитора…

Автор: Юрий Романов

Растолковать понятия и термины, привычные профессионалу, но известные не всякому читателю, а также рассказать о профессиональной "кухне" я попросил Елену Павловну Мозель — картографа со стажем, специалиста в области применения геоинформационных систем в экологии и охране природы.

Когда мы говорим о ГИС, речь идет, по существу, о компьютеризированных картах?

— Это слишком узкий взгляд. Развитая ГИС обычно включает в себя комплекс средств ввода и обработки исходных данных — спутниковых снимков, радиолокационных карт или другой информации дистанционного зондирования Земли. Снимки проходят несколько этапов цифровой обработки изображения, фильтрации, выделения тех или иных спектральных или пространственных зон или, наоборот, совмещения нескольких изображений. Например, для получения данных о рельефе выполняется большой объем тригонометрических вычислений при совместном анализе стереопар снимков с коррекцией по данным измерения высот радиотехническими средствами и лазерными высотомерами.

Компьютеризированные карты, как вы их назвали, — это уже готовый продукт ГИС. И, кстати, не единственный. Существуют так называемые пространственно-временные ГИС, которые позволяют осуществлять анализ процессов, тенденций и формировать прогнозы и оценки. Метеорологические ГИС как раз относятся к этой категории.

ГИС, используемые в экологии и спроектированные для мониторинга технологических выбросов и распространения опасных загрязнений, — тоже.

И все-таки, что же такое цифровая карта местности?

— Давайте называть вещи своими именами. "Цифровая карта" — лишь средство хранения и вывода результатов работы ГИС. Гораздо более емкое понятие — "цифровая модель рельефа и характеристик местности". Здесь ключевое слово — "модель". Это уже не статическая картинка на планшете, а комплекс алгоритмов, позволяющих получать функциональные отклики модели — например, исследовать освещенность фасадов зданий в разное время суток для всех времен года; или получать карты распределения ветров вдоль поверхности земли в зависимости от метеофакторов. В общем, модель — это не просто карта.

Исходная геоинформация для модели — трехмерные таблицы высот (или глубин, если речь идет об акватории), которые задаются в узлах пространственной сетки. Иногда эта информация задается совокупностью горизонталей, представленных в аналитической или матричной форме. В ГИС чаще всего рельеф поверхности аппроксимируется поверхностью, составленной из регулярных прямоугольных или нерегулярных треугольных ячеек, узлам которых поставлены в соответствие отметки высот.

Но ведь эти высоты кто-то должен мерить?

— Конечно. Их меряют разными способами.Начиная с нивелирования в "ручной" геодезии. А вообще-то, проводят специальную альтиметрическую аэросъемку, используют данные спутниковой радиолокации и даже лазерные спутниковые дальномеры.Рельеф дна акваторий строят на основе данных гидролокации… Для ГИС — это все исходная информация, сырье для дальнейшей математической обработки.

Расскажите, пожалуйста, о дальнейшей обработке…

— По существу, это уже создание модели. Вначале исходные снимки проходят цикл цифровой обработки, в результате которой корректируются искажения, вызванные угловым положением объектива относительно объекта съемки, вносятся коррекции масштаба с учетом истинной высоты. Для стереопар проводится большой объем вычислений, позволяющих построить сетку высот и воссоздать рельеф.

После предварительной обработки снимков и привязки к геодезической сетке высот начинается построение собственно цифровой модели местности. На этой стадии строятся трехмерные визуализации;вычисляются профили местности, позволяющие получать поперечные сечения, строить линии водоразделов; находятся местные, локальные вершины и впадины;выделяются какие-то особые образования рельефа. Полученная в результате этих процедур модель позволяет в дальнейшем вычислять вторичные геопространственные параметры — интерполяцию высот, освещенностей и ряд других.

И что со всем этим происходит дальше?

— Сформированные модели хранятся и при необходимости могут корректироваться в соответствии с данными позднейших измерений. Многие ГИС способны обмениваться моделями, для чего существуют процедуры автоматического преобразования форматов данных и их экспорта/импорта.

В обычной работе ГИС осуществляют функции перестройки картографических проекций, переходы между большим количеством используемых в геодезии и картографии систем координат. ГИС умеют вычислять расстояния между объектами на карте, определять площади на местности, вычислять точные координаты указываемых оператором объектов. Они способны выполнять логические и вычислительные операции над слоями и объектами карты, а также пространственный анализ взаимного расположения и связей объектов.

По окончании работы система генерирует картографическое плоское изображение в формате, пригодном для использования конечным потребителем, — в электронном виде для картплоттеров или в формате, принятом для полиграфического воспроизведения. При этом формируются таблицы и тексты, содержащие информацию, которая относится к содержимому карты либо сгенерирована по текущему запросу пользователя-оператора.

В состав ГИС всегда включаются средства разработки и программный инструментарий, позволяющий наращивать возможности системы и дополнять ее специфическими функциями, необходимыми пользователю. Такие ГИС больше похожи на оболочки, конкретную функциональность которым должны придавать конечные потребители подобных продуктов.

Давайте вернемся к вопросу о получении исходных геопространственных данных.Предположим, для моей ГИС понадобилась какая-то информация…

— Если информация может быть получена со спутника — это одно дело. И совсем другое, если для ее получения вам нужна специальная аэрофотосъемка — проблем будет больше, как технических, так и чисто организационных. В принципе, можно думать и об экспедиции геодезистов… Шутка.

Нет, об этом даже думать страшно. Остановимся на спутниках. Расскажите, как воспользоваться их возможностями?

— Для начала вам нужно будет разобраться в том, какие аппараты ДЗЗ сейчас находятся в рабочем состоянии, какую аппаратуру они несут на борту, удовлетворяют ли характеристики аппаратуры тем требованиям, которые вы сформулировали… Далее, важно знать параметры орбит и зоны охвата территории. Теперь, в принципе, вы уже можете себе сказать: "Вот, такой-то спутник меня устраивает. Он получает нужную мне информацию". Однако этот поиск — довольно большая работа, причем работа для знающего специалиста. Но вообще-то можно обратиться в специализированные организации и сказать: "Мне нужно то-то и то-то…" Они сами подберут спутник и даже предоставят пробную информацию.

Например, вы нуждаетесь не просто в снимках местности из космоса, а собираетесь анализировать в ГИС распространение вредных выбросов, миграцию пернатых, динамику лесных пожаров или таяния льда на судоходных реках. Тогда вам нужна спектрозональная съемка в широком диапазоне и с тем разрешением на местности, которое позволит решать вашу задачу. Смотрим справочники… Вот, допустим, MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) — хороший гиперспектральный прибор, способный снимать в 36 спектральных зонах с разрешением 250, 500 или 1000 метров, установлен на борту американских спутников TERRA и AQUA, которые работают по программе NASA EOS (Earth Observing System) [www.eostation.irk.ru/index.html.]. Над Россией эти спутники проходят четыре-шесть раз в сутки, есть карты прохождения с указанием номера витка и времени начала и завершения сеанса связи для конкретных пунктов приема информации. Не подходят эти аппараты, значит, ищем дальше. Например, нам требуется лишь высокое разрешение снимков, — тогда идем в DigitalGlobe — договариваться о покупке снимков с их аппаратов WorldView-1, WorldView-2 и QuickBird.

У них высочайшее разрешение снимков — 50-60 см в монохроме и порядка 2 м в мультиспектре. Спутник Geoeye-1 обещает даже большее разрешение…

Перечни функционирующих аппаратов можно найти в Интернете[gis-lab.info/projects/ss/ss.html.] или запросить у компаний, торгующих данными дистанционного зондирования. В любом случае, вам потребуется определить, какая компания является владельцем спутника и какие фирмы предоставляют услуги заказных съемок или доступа к архивам данных.

Данные со спутника — это же цифровая информация. С ней должна работать какая-то программа или даже комплекс программ…

— Эти программы либо пишутся самими разработчиками ГИС, либо — что значительно быстрее и проще — приобретаются у компании-провайдера услуг конкретного спутника. Есть и фирмы, специализирующиеся на поставках такого рода программ[ Например, ITT Visual Information Solutions поставляет интегрированный программный комплекс ENVI (визуализация и обработка данных дистанционного зондирования; обработка и глубокий спектральный анализ мультиспектральных и гиперспектральных изображений; пространственная привязка изображений; ортотрансформирование; создание ЦМР на основе стереоизображений; трехмерная визуализация; топографический анализ; обработка и анализ данных радарной и лидарной съемки; интерактивное дешифрование и классификация; анализ растительности с использованием вегетационных индексов (NDVI); геометрическая и радиометрическая коррекция; интерактивное спектральное и пространственное улучшение изображений; калибровка и атмосферная коррекция; поддержка растровых и векторных форматов; обеспечение поддержки данных дистанционного зондирования, полученных со спутников WorldView-1, QuickBird, Ikonos, Cartosat, ALOS, EROS, Orbview, SPOT, IRS, TERRA (ASTER), Landsat.

Компания Bentley Systems известна своими приложениями MicroStation Geospatial Extension, MicroStation Descartes, Bentley Map, Bentley Geospatial Server. Характерный диапазон цен на программные продукты — от 15 до 200 тысяч рублей. — Прим. ред. ].

Например, для работы с информацией MODIS’а доступны около полусотни стандартных программ. Все они делятся на продукты трех категорий: первая — для записи, калибровки и первичной обработки принятого со спутника потока данных; вторая — это программы для формирования тематических карт для специалистов; и, наконец, третья категория — это программы генерации конечной картографической продукции для широкого круга потребителей.

Что такое тематические карты?

— Это графическая форма представления — в виде карты — специфической научной информации, с которой работают исследователи в той или иной области. Для выделения этой информации из данных спектрозонального снимка как раз и применяются специальные программы цифровой фильтрации, динамического маскирования и анализа физических параметров света, отражаемого или рассеиваемого подстилающей поверхностью, — например, поляризация, показатели диффузности и другие…

Так, существуют программы выделения облачного покрова, оперативного определения зон лесных пожаров, всякого рода тепловых аномалий, в частности вулканической деятельности. Программа мониторинга растительного покрова и типов почв основной инструмент экологов и природоохранных структур. Можно приобрести программы, которые будут давать распределение температур воды и суши с точностью до полуградуса… Есть программы анализа снежного покрова и оледенения водоемов.Много есть разных специализированных программ…

Но ведь подобного рода программы, фильтрующие изображения, имеются и в обычных графических пакетах…

— Сходство есть, но принципиальное отличие этих программ таково: программы, работающие в составе ГИС, — это в первую очередь не инструмент для получения изображений, а измерительный прибор. Эти программы содержат средства калибровки, коррекции ошибок измерений данного конкретного физического прибора, установленного на спутнике. Эти программы — компонент тракта измерения геопараметров.

Особенно это касается получения информации с радиолокационных спутников, которые не снимают местность в обычном смысле слова, а производят цифровой синтез изображения, которое мы рассматриваем в видимом глазу спектре, но изначально оно — картинка в невидимом радиодиапазоне. Вот будете работать с данными спутника TerraSAR-X, который разработали немцы, а запустили нашей ракетой в прошлом году, столкнетесь с этим сами.

Радар спутника работает в сантиметровом диапазоне волн и позволяет получать радиоизображения с разрешением порядка 1 м. И никакая облачность ему не мешает.То есть мы можем получать оперативную геоинформацию вне зависимости от текущих параметров облачного покрова над объектом наблюдения. Фирма-провайдер услуг этого аппарата может принять ваш заказ на съемку и в срок от одного до шести дней его выполнит…

Выходит, надо искать хозяев понравившегося спутника…

— Иногда это не обязательно. Есть отечественные организации, получающие с иностранных спутников информацию, к которой затем предоставляют доступ[Таких организаций много. Можно, скажем попробовать обратиться в компанию "Совинформспутник" (см. о ней www.gisa.ru/1547.html) — конверсионное детище советских космических разведчиков. Она располагает огромным архивом снимков разрешением 1 м на местности и поставляет разнообразные ГИС-продукты, цифровые модели рельефа, специализированное ПО и т. п. Компания заявляла о планах поставлять для России данные от SpaceImaging — оператора аппарата IKONOS и DigitalGlobe, эксплуатирующей спутник QuickBird. Аналогичные услуги предлагает компания "Совзонд" (www.sovzond.ru), поставляющая на рынок информацию со спутников "Ресурс-ДК1", WorldView-1, QuickBird, Ikonos, OrbView, Formosat, Spot, Alos и многих других, включая радарные (www.sovzond. ru/satellites). Заказ можно оформить, заполнив на сайте компании специальную форму (www.sovzond.ru/order/section95). В системе Росгидромета есть организация НИЦ "Планета" (planet.iitp.ru/index1.html) — практически монополист по работе с информацией российских спутников семейств "Метеор", "Океан" и "Ресурс". Через эту же организацию можно работать с данными со спутников NOAA, Terra, Aqua, METEOSAT, GOES, MTSAT и некоторых других. — Прим. ред. ]. Разумеется, не бесплатно. Тем не менее, без объяснения причин, скажу, что работать с иностранцами по спутниковой информации во многих случаях приятнее и, как говорится, себе дешевле… Хочется только надеяться, что это временные проблемы. Детские болезни отечественной ГИС-индустрии.