Современные концепции дистанционного зондирования

     Параллельно с накоплением цифровых информационных ресурсов были проведены работы по созданию новых и адаптации существующих средств программной обработки  цифрового картографического материала, отраслевой тематической информации и  данных дистанционного зондирования на основе разработанной нормативной  и методической документации. Все  это позволило в 2006 году приступить к разработке Системы Дистанционного Мониторинга Земель (СДМЗ) сельскохозяйственного  назначения. Система предназначена  для интеграции накопленных архивных и вновь поступающих из различных  источников данных с целью дальнейшей их интерпретации и предоставления выходных информационных продуктов, необходимых  для поддержки принятия решений на федеральном и региональном уровнях. Реализация и использование отдельных компонентов системы начались практически с самого начала работ по внедрению ГИС в сельскохозяйственную отрасль, планирование и разработка других проводилась и проводится в настоящее время. Все это создает основу для их постепенного объединения в единую информационно-технологическую модель на основе общей схемы, разработанной в 2005 г. В этой модели представлено концептуальное изложение возможностей, стратегий, направлений и задач развития геоинформационных технологий в системе управления сельскохозяйственной отраслью.

2. Структура системы дистанционного мониторинга земель с/х назначения.

     Центральное место в системе занимает федеральная  ГИС, построенная по иерархическому принципу – от федерального уровня до уровня субъектов РФ (с принципиальной возможностью доступа на районный уровень  и уровень сельхозпредприятия). Конечно, на федеральном уровне нет необходимости  часто просматривать и оперировать  данными более детальными, чем  региональная информация, но такая  возможность все же заложена в  построение ГИС. Федеральная ГИС, как  видно из рисунка, оперирует данными  из хранилища, которое делится на две составляющие: блок стационарной и блок оперативной информации (это  разделение в некотором смысле условно), что необходимо для повышения  эффективности работы технических  средств. В блоке стационарной информации находятся данные, не изменяющиеся в течение некоторого времени  – это, например, подготовленные на территории субъектов РФ цифровые модели местности, тематические карты сельскохозяйственного  назначения на территорию всей страны, архивные данные дистанционного зондирования, статистические данные и т.п. Информация этого блока может быть продуктом  работы самой СДМЗ или может поступать из внешних источников с обязательным прохождением этапа входного контроля. 

     В блок оперативной информации поступают, главным образом, данные из системы  оперативного спутникового мониторинга  – в настоящее время основного  источника данных дистанционное  зондирование земель. Этот компонент  был разработан и поддерживается Институтом космических исследований РАН. Данные спутникового мониторинга, в свою очередь, делятся на две  составляющие: это ежедневные (от одного до трех раз в сутки) изображения  облачности, снежного покрова, вегетационных  индексов и др., полученные со спутников  серии NOAA и Terra с разрешением 1000 и 250 метров, а также композитные изображения, полученные после обработки первичных  спутниковых продуктов (двухнедельные  композитные изображения вегетационных  индексов). Спутниковые данные одновременно поступают на сайт оперативного спутникового мониторинга. На сайт выкладывается  разнообразная спутниковая информация по территориальному и тематическому  принципам, показываются сравнительные  данные по годам, приводятся аналитические  графики, построенные по результатам  обработки данных и т.д. На сайте  также представлен большой объем  другой информации. На рис. 3 приведен пример композитной спутниковой сцены  нормализованного вегетационного индекса (NDVI) на территорию Ульяновской области. Разница между информацией на сайте и на FTP-сервере заключается  в том, что сайт предоставляет  изображения в виде простых картинок, которые можно просмотреть и  скачать, но которые не имеют привязки к реальным картографическим данным. Данные на FTP-сервере, доступные лишь авторизованным пользователям, имеют  реальную географическую привязку и  могут использоваться для совмещения с любыми пространственными данными, которые имеются у пользователя (параметры проекций пространственных данных закреплены для каждого региона  РФ).

3. Пример  композитной спутниковой  сцены.

     В хранилище данных также поступает  информация по таким параметрам, как  фитосанитарная и ветеринарная обстановка территории РФ, агроклиматические параметры, статистические данные по различным  показателям сельскохозяйственного  производства, данные о почвах и  информация о наземных наблюдениях, а также любые другие данные, имеющие  отношение к сельскохозяйственной тематике (например, ценовая и экономическая  информация).

     Вся поступающая информация проходит определенную обработку, зависящую от вида информации (по методам – от ручной до автоматической программной), с целью приведения ее к виду, пригодному для использования  в ГИС. Для этого разработан набор  спецификаций информационных продуктов, которые детально описывают структуры  и форматы используемых данных. В  зависимости от вида информации она  также может поступать в блок стационарной или оперативной информации. Например, архивная статистическая информация по годам после ее нормализации к  единому виду представления помещается в раздел стационарной информации и  может быть доступна как исторический материал для выполнения различных  задач анализа и сравнения  с использованием картографической основы. Статистическая информация, поступающая в течение весенних и осенних полевых работ, является, по существу, оперативной. При ее привязке к картографическим материалам можно наглядно показывать ход сева и уборки сельскохозяйственных культур.

     Собственно  говоря, почти любая поступающая  в хранилище информация может  использоваться в качестве оперативной. На ее основе могут формироваться  оперативные информационные продукты, например, если говорить о спутниковой  информации, – двухнедельные композиты  вегетационного индекса (рис. 3). Поступая далее в долговременное хранилище, она используется уже в качестве аналитических продуктов. Например, на основе архивных данных композитов вегетационного индекса за несколько  лет проводится построение кривых хода вегетационного индекса за текущий  год и сравнение их с кривыми  хода за предыдущие года. На этой основе можно составлять прогноз развития сельскохозяйственных культур, используя  метод года-аналога. Результаты такого сравнения, которые обрабатываются системным компонентом спутникового мониторинга по каждому из субъектов  РФ, можно посмотреть на сайте (рис. 4). Аналогичным образом обрабатываются и представляются данные по фитосанитарной и ветеринарной обстановке территории РФ, информация по агроклиматическим  параметрам.

4. График  хода вегетационного индекса за 2006 г. и  сравнение его  с 2005 г. по пахотным и  непахотным землям.

3. Технические требования

     В состав ГИС Федерального уровня входят разнообразные базовые и тематические наборы данных. Для их хранения, обработки, анализа, представления и распространения  в принятых форматах используется настольные ГИС-продукты и серверное программное  обеспечение разного назначения.

     Состав  доступных данных: 

   

• топографическая основа 1:1 000 000;
• модель рельефа с разрешением 1 км;
• материалы космической съемки с разрешением 1 км;
• карта земельных угодий 1:4 000 000 (рис. 5);
• ландшафтная карта масштаба 1:2 500 000 и база данных к ней (рис. 6);
• карта растительности 1:4 000 000;
• почвенная карта 1:2 500 000 и база данных к ней с разделением по почвенным слоям и, погоризонтно, – данные агрохимии и физических параметров (рис. 7). В настоящее время производится постепенная замена этой карты на почвенную карту масштаба 1:1 000 000 (рис. 8);
• карта административного деления до уровня субъектов РФ;
• двухнедельные композитные изображения спутникового мониторинга на сельскохозяйственную зону РФ;
• статистические, климатические, фитосанитарные данные по субъектам РФ.

5. Карта земельных угодий РФ масштаба 1:4 000 000 на территории пашни.

6. Ландшафтная карта РФ масштаба 1:2 500 000 на территории пашни.

7. Почвенная карта РФ масштаба 1:2 500 000 на территории пашни.

8. Почвенная карта южной и  центральной территорий РФ масштаба 1:1 000 000.

     Основная  масса данных федерального центра СДМЗ размещается на сервере геопространственных  данных. В дополнение к ним может  использоваться информация, предоставляемая  региональными центрами СДМЗ.

     В качестве базового программного ГИС-обеспечения  используются продукты семейства ArcGIS. Оптимальным по функциональности клиентским программным пакетом на данном уровне является ArcInfo. Для более простых  задач может использоваться ArcView. Для обработки космических снимков  применяется ERDAS IMAGINE.

     Рабочие форматы данных определяются применяемыми средствами базового ПО. На сервере  геопространственных данных картографические данные хранятся в корпоративной  базе геоданных под управлением ArcSDE в среде Microsoft SQL Server или Oracle. Космические  снимки, растровые карты и регулярные цифровые модели рельефа доступны в  форматах TIFF, GeoTIFF, ERDAS IMAGINE, для их хранения используются база геоданных и файловая структура. Табличные данные хранятся в Microsoft SQL Server. Для работы с документами применяется файловая структура и Microsoft SQL Server.

     Для автономного рабочего места используются ресурсы компьютера, на котором работает специалист. Картографические данные хранятся в персональной базе геоданных  в среде Microsoft Access и в виде шейп-файлов, растровые карты, снимки и ЦМР  – в форматах TIFF, GeoTIFF, ERDAS IMAGINE. Для  хранения табличных данных используются Microsoft Access и dBase, а для документов – файловая структура и приложения Microsoft Office.

4. Пример  комплексного подхода  к мониторингу  сельскохозяйственных территорий

     В данном подходе подразумевается  использование космических снимков  среднего и высокого разрешения со спутников Terra, Aqua, Landsat, IRS. Спутники Terra и Aqua позволяют получать информацию на обширные территории в тысячи квадратных километров дважды в день, что способствует оперативной оценке сельскохозяйственных угодий в масштабах 1:3 500 00–1:1 000 000. Спутники Landsat и IRS позволяют получать детализированную информацию с частотой 2 раза в месяц  и проводить исследования территории в масштабном ряду 1:15 000–1:300 000.

     Мониторинг  сельскохозяйственных территорий:

     Октябрь–март

     1. Изучение динамики снежного покрова.

     2. Оценка влагонакопления.

     3. Оценка паводковой ситуации.

     4. Оценка готовности угодий к  следующему сезону.

     Апрель–май

     1. Определение площади пашни, занимаемой  озимыми культурами.

     2. Определение площади земель без  осенней послеуборочной обработки  почвы.

     3. Оценка состояния озимых культур  для выявления и определения  площади ареалов деградированных  и погибших озимых.

     4. Определение площади земель, на  которых проведены инженерно-мелиоративные  мероприятия. Оценка качества  проведения осушительной мелиорации.

     5. Определение площади земель, занятых  сельскохозяйственными культурами.

     6. Определение степени увлажнения  почв.

     7. Определение температуры поверхности.

     Июнь–июль

     1. Определение площади земель под  зерновыми, пропашными и техническими  культурами.

     2. Оценка состояния всходов культур.

     3. Выявление очагов повышенной  засоренности зерновых культур.

     4. Определение площади паров (пары  — поля, не занятые сельскохозяйственными  культурами, находящиеся в стадии  восстановления).

     5. Оценка степени засоренности  паров. Определение площади паров,  требующих проведения противосорняковых  мероприятий.

     6. Выявление очагов поражения зерновых  культур вследствие стихийных  явлений (град, ливни, ураганы,  засуха, пожары).

     7. Динамика сенокосных работ. Определение  площади скошенных сенокосных  угодий.

     8. Оперативная оценка состояния  растительности, оценка фитомассы  урожая.

     9. Проведение работ по определению  участков, требующих внесения удобрений  и ядохимикатов в почву для  повышения продуктивности сельскохозяйственных  культур.