Заключні зауваження і програма іспиту

На завершення курсу, хочу ще раз звернути увагу на основну мету нашого розгляду. Наша ціль – не навчитися технології обробки знімків, не отримати навички «натискання на потрібні кнопки» в певних програмах обробки зображень. Навіть запам’ятати кілька десятків конкретних алгоритмів обробки даних – не є нашою метою.

Основною метою для нас, як для студентів саме університету, є – навчитися оперувати методологією використання аерокосмічних дистанційних досліджень в географії, навчитися ставити коректні наукові задачі.

Вміння ставити наукові задачі це те, що відрізняє науковця від інженера. «Натискати на кнопки» може навчитися будь-хто протягом кількох місяців. Випускник будь-якого інженерного ВНЗ, робитиме це в будь-якому випадку краще за будь-кого з вас. Але поставити коректну наукову задачу він не зможе. Ніхто не зможе зробити цього за вас. Саме тому знання наукової методології і широке знайомство з усім комплексом сучасних аерокосмічних методів у варіативності їхнього застосування є важливим для формування сучасного науковця.

Прошу звернути увагу, що тут викладено не навчальний посібник, а саме конспект лекцій. Тобто певний мнемонічний матеріал, спрямований на те, щоб допомогти згадати лекційний матеріал, заповнити пробіли в особистих конспектах, і краще підготуватися до іспиту.

Ось, доречи і приклад запитань до іспиту (з певними варіаціями вони і будуть використані під час сесії):

ПИТАННЯ ДО іспиту (перша частина)

1. Аерокосмічні методи, їх зміст, різновиди, наукове та практичне значення у вивченні географічного середовища.
2. Коротка історія розвитку аерокосмічних методів географічних досліджень.
3. Орбітальний рух і параметри орбіти супутників.
4. ДЗЗ в Україні: структура галузі, джерела космічної інформації, основні споживачі, наукові школи та центри.
5. Електромагнітний спектр, закони розповсюдження електромагнітних хвиль,
6. Методичні засади вимірювання випромінювання, випромінювання абсолютно чорного тіла.
7. Основи формування і реєстрації корисного сигналу в діапазоні високих енергій.
8. Основи формування і реєстрації корисного сигналу в оптичному діапазоні: Розподіл спектральної щільності випромінювання в оптичному діапазоні. Взаємодія випромінювання з поверхнею і речовиною: механізми і фізична основа, основні терміни і визначення. Відбиття поверхня, глибина проникнення випромінення.
9. Основи формування і реєстрації корисного сигналу в оптичному діапазоні: Методичні основи реєстрації сигналу. Засоби реєстрації сигналу в оптичному діапазоні, загальна схема оптичного сенсору, порівняльні характеристики існуючих сенсорів оптичного діапазону.
10. Основи формування і реєстрації корисного сигналу в тепловому діапазоні: Інфрачервоний спектр. Механізм генерації теплового випромінювання, формування сигналу в тепловому діапазоні.
11. Основи формування і реєстрації корисного сигналу в тепловому діапазоні: Явище та рівняння тепло переносу. Зміни температури твердої поверхні при періодичному опроміненні. Вплив сонячного потоку на температуру поверхні.
12. Основи формування і реєстрації корисного сигналу в тепловому діапазоні: Методичні основи реєстрації сигналу в тепловому діапазоні: терміни і визначення, основні прилади.
13. Основи формування і реєстрації корисного сигналу в радіодіапазоні: Мікрохвильова радіометрія Основи формування сигналу в мікрохвильовому діапазоні, поняття про закони розсіювання, потужність енергії, еквівалентну температуру, телесний кут огляду, функцію антени, отриманий сигнал.
14. Основи формування і реєстрації корисного сигналу в радіодіапазоні: Мікрохвильова радіометрія, терміни і визначення, характеристики поверхонь. Типи приладів: прилади із реальною і синтезованою апертуро.
15. Основи формування і реєстрації корисного сигналу в радіодіапазоні: Радіолокаційна зйомка. Радари із синтезованою апертурою: фокусовані і нефокусовані системи, радарна поляриметрія и інтерферометрія.
16. Основи формування і реєстрації корисного сигналу в радіодіапазоні: Радіолокаційна зйомка. Не-іконічні радарні системи: методи зондування, скатерометри, альтиметри, приклади застосування.
17. Цифрові зображення: принципи утворення і види: технічні характеристики сенсорів, передача кольору на зображеннях, системи представлення кольорів, технологія передачі кольору, кольоровий фільтр, схеми представлення кольорів на зображеннях ДЗЗ, основні терміни та визначення.
18. Геометрична корекція і просторове прив'язування зображень: геометричні спотворення зображень, схема формування спотворень, їхня класифікація, геометрична корекція зображень, загальні алгоритми, терміни і визначення.
19. Операції із зображеннями: точкові операції. Поняття про розподіл щільності фототону зображення, основні терміни та визначення. Точкові операції із зображеннями: зміни гістограм зображень, методи збагачення контрасту.
20. Операції із зображеннями: алгебраїчні операції. Основні види алгебраїчних операцій, основні терміни та визначення, отримання спектральних індексів і кероване покращення якості. Просторово - частотні методи обробки зображень: фільтрація зображень. Основні терміни і визначення, фільтрація Фур’є, низькочастотна фільтрація, високочастотна фільтрація, основні види фільтрів.
21. Аналіз кольорової композиції зображень, перетворення кольорового представлення цифрових зображень.
22. Основні методи перетворення кольорів, методи розширення автокореляційної функції, створення композитного зображення відтінків.
23. Спектральні методи обробки зображень: основні терміни і визначення, RGB-IHS перетворення, модуляція інтенсивності, модуляція інтенсивності із згладжуванням.
24. Методи аналізу композицій зображень: аналіз зображень за методом головних компонент. Основні засади методу, аналіз головних компонент за фізичними ознаками об'єктів, статистичні методи вибору спектральних смуг.
25. Методи класифікації зображень: основні терміни і визначення, статистична класифікація, класифікація без навчання.
26. Методи класифікації зображень: класифікація з навчанням, поняття про вибірки, застосування процедур класифікації, типи вирішувальних правил, посткласифіційна обробка: оцінка точності класифікації та достовірності результатів.
27. Дешифрування зображень: загальний підхід. Загальна методологія використання даних ДЗЗ, основні терміни і визначення. Розпізнавання  і класифікація типів земної поверхні. Географічне дешифрування, його види.
28. Роль наземних досліджень у структурі ДЗЗ.

ПИТАННЯ ДО іспиту (друга частина)

1. Супутникові спостереження у вивченні атмосфери.

2. Використання матеріалів космічної зйомки для вирішення питань глобальних змін клімату.

3. Аналіз різночасових матеріалів по вивченню розподілу озонового шару по земній кулі та над окремими регіонами.

4. Вивчення поверхневих та підземних вод методами космічного землезнавства.

5. Напрямки використання матеріалів дистанційного зондування у вивченні Світового океану.

6. Вивчення снігового та льодового покриву Землі.

7. Використання космічної інформації при вивчення геологічних умов території.

8. Лінеаменти та кільцеві структури, їх зображення на космічних знімках.

9. Можливості засобів ДЗЗ для вивчення глибинних верств земної кори.

10.Вивчення рельєфу земної поверхні.

11. Матеріали ДЗЗ у вивченні ґрунтового покриву.

12. Використання космічних методів у вивченні екосистем.

13. Використання космічної інформації у вивченні сучасних природних та антропогенних ландшафтів.

14. Вивчення структури ландшафтів та фізико-географічне районування.

15. Вивчення динаміки ландшафтів.

16. Поняття про індикатори ландшафтної динаміки та їх типи.

17. Еталонування природних та природно-антропогенних ландшафтів.

18. Вивчення антропогенного впливу на навколишнє середовище з використанням космічної інформації.

19. Дослідження глобальної динаміки екосистем.

20. Використання космічної інформації у лісовому господарстві

21. Вивчення сільськогосподарського використання земель.

22. Використання космічної інформації у дослідженні урбосфери.

23. Функціональні типи населених пунктів та їх дешифрувальні ознаки.

24. Дослідження природних і антропогенних катастроф, їх класифікація.

25. Методи оцінки ризиків, пов’язаних з надзвичайними ситуаціями, та оцінки безпеки територій з використанням даних ДЗЗ.

26. Задачі та проблеми аерокосмічного картографування.

27.Технологічні схеми аерокосмічного картографування.

28. Вивчення та картографування поверхні планет Сонячної системи.

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

ОСНОВНА

1. Elachi C., Zyl J. Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing. Second Edition. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2006, 557 р., ISBN-13 978-0-471-47569-9
2. Liu J.G., Mason Ph.J. Essential image processing and GIS for remote sensing. John Wiley & Sons, Oxford, Imperial College London, UK, 2009, 462 p., ISBN: 978-0-470-51032-2
3. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии: Пер. с нем. — М.: Мир, 1988. - 343 с.
4. Gao J. Digital Analysis of Remotely Sensed Imagery. McGraw-Hill, New York, 2009, 689 p., ISBN: 978-0-07-160466-6
5. Richards J.A., Jia X. Remote Sensing Digital Image Analysis. An Introduction. Fourth Edition. Springer-Verlag Berlin - Heidelberg, 2006, 454 p., ISBN-10 3-540-25128-6

ДОДАТКОВА

6. Погорільчук Н.М., Ковтонюк О.В. Використання космічної інформації у географічних дослідженнях. Методичні вказівки до вивчення курсу «Космічне землезнавство». – К.: Обрії, 2008. – 42 с.
7. Методичні вказівки до виконання практичних робіт з дисципліни «Аерокосмічні методи досліджень»/ Л.І.Зеленська, О.Є.Афанасьев. – Дніпрпетровськ, 2006.
8. Григорьев А.А., Кондратьев К.Я. Космическое землеведение. – М., 1985.
9. Кац Я.Г., Тевелев А.В., Полетаев А.И. Основы космической геологии. – М., 1988.
10. Кинг Э. Космическая геология. Введение: Пер. с англ. — М.: Мир, 1979. - 384 с.
11. Смирнов Л.Е. Аэрокосмические методы географических исследований. Учебник. – Изд-во СПб ун-та, 2005. – 348 с.
12. Аэрокосмические методы географических исследований/ В.М.Сердюков, Г.А.Патыченко, Д.А.Синельников. – К., 1987. – 223 с.

Проміжне тестування: Модульна контрольна робота #5. Застосування даних ДЗЗ для вирішення окремих задач вивчення НС та аналізу ризиків

Проміжне тестування: Модульна контрольна робота 5. Застосування даних ДЗЗ для вирішення окремих задач вивчення надзвичайних ситуацій та аналізу ризиків. 

Прошу заповнити тест і надіслати протягом тижня на електронну адресу: yuriy.v.kostyuchenko@gmail.com

Оцінка за тести, надіслані після визначеного терміну будуть знижені на 30%.

Задачі та проблеми аерокосмічного картографування

Тут будуть коротко розглянуті загальні задачі та проблеми аерокосмічного картографування. Зокрема, співвідношення знімку та карти, питання методичних схем картографування, технологічні підходи, "картографічні" платформи і сенсори, відповідність наявних технологій та доступних даних потребам користувачів, можливості аерокосмічного картографування для вирішення спеціалізованих та галузевих задач. Окремо розглядаються питання вивчення та картографування поверхні планет Сонячної системи.

Визначимо картографію як науку про дослідження, моделювання і відображення просторового розподілу і взаємозв'язку об'єктів і явищ природи і суспільства методами образно – знакового моделювання простору.

Тоді, з точки зору методу, саме – методу – ДЗЗ оптимально підходять для картографічних задач, тому що надають дані про земну поверхню одразу в «образно – знаковій» формі – інформаційному представленні – сукупності описуваних характеристик об'єктів, об'єднаних в систематичні описи.

Трохи спрощуючи, можна сказати, що існує 2 концепції в сучасній картографії: ГІС як засіб, спрямований на прийняття рішень (з можливістю врахування просторово – часових гетерогенностей і розрахунку відповідних перспективних сценаріїв) та класична «метагліфіка», тобто картографія як сукупність методів знакового моделювання. ДЗЗ може бути з успіхом застосовано в обох випадках.

Наразі загальна методологічна схема застосування даних ДЗЗ в картографії - як "традиційної", так і "ГІС-орієнтованої" - виглядає так:

Виходячи із цього, можна відокремити основні задачі ДЗЗ в задачах картографії.

Супутникова картографія базується на класифікації зображень.

В рамках обговорення методів класифікації зображень ми вже обговорювали загальні та найбільш вживані методики і алгоритми класифікації, тобто, загально кажучи, мультіваріативну статистичну класифікацію, що спрямована на розділення даних в багатовимірному просторі багатошарового зображення (наприклад, багатоспектрального зображення, отриманого засобами ДЗЗ).

Класифікація зображень є важливою складовою застосування інформаційних технологій в ДЗЗ і геоматиці,  яка активно і дуже успішно розвивається протягом останніх років.

Пікселі на зображенні, як ми довели, можуть бути відокремлені на класи як у відповідності до багатоспектральної класифікації (статистична кластеризація), так і з використанням статистичних і просторових показників, тобто розподілу параметрів по відношенню до сусідніх пікселів.

Цей метод є абсолютно об'єктивним і незалежним від інтерпретатора, а лише від властивостей даних. При цьому, звичайно результати характеризуються високою невизначеністю. Тому цей метод використовується зазвичай у випадках, коли додаткова інформація (зокрема, дані наземної завірки) про розподіли даних недоступна, наприклад при аналізі знімків інших планет. Результатом класифікації без навчання є зображення, розподілене на статистичні кластери, тематичне наповнення яких є, в загальному сенсі, невідомим. Таким чином, класифіковане зображення потребує подальшої тематичної інтерпретації з використанням даних наземної завірки.

Отже, після процедури класифікації зображення ми отримуємо набір класів у вигляді сукупності растрових шарів, кожен з об’єктів яких однозначно співвіднесено з географічними координатами, які набори класів таким чином, можна розглядати як картографічний продукт для подальшого використання в ГІС. 

  

Дані, які ми використовуємо для класифікації з картографічними цілями, отримуються з кількох супутників.

Таким чином можна отримувати як проблемно орієнтовані, галузеві, так і загальногеографічні карти.

Окремий інтерес має випадок, коли ми не маємо апріорної інформації про характеристики поверхні і маємо використовувати статистичні процедури класифікації без навчання. Яскравим прикладом тут є вивчення інших планет.

Історія цього напряму дистанційного зондування є досить довгою - вона бере початок, власне з початку космічної ери.

Розглянемо основні місії і результати вивчення інших планет засобами дитстанційного зондування.

Питання для практичного заняття:

Огляд існуючих систем створення картографічної продукції за даними ДЗЗ.

Дослідження планет Сонячної системи. Планетологія планет земної групи методами супутникових спостережень: основні досягнення і проблеми.

Контрольні питання до теми 12:

1.      Які напрямки аерокосмічного картографування Вам відомі?

2.      У чому полягає технологічна схема аерокосмічного картографування?

           3.      Охарактеризуйте сучасний стан вивчення планет Сонячної системи та картографування їх поверхні. 

Рекомендована література:

1.     Elachi C., Zyl J. Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing. Second Edition. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2006, 557 р., ISBN-13 978-0-471-47569-9

2.     Liu J.G., Mason Ph.J. Essential image processing and GIS for remote sensing. John Wiley & Sons, Oxford, Imperial College London, UK, 2009, 462 p., ISBN: 978-0-470-51032-2

3.     Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии: Пер. с нем. — М.: Мир, 1988. - 343 с.

4.     Gao J. Digital Analysis of Remotely Sensed Imagery. McGraw-Hill, New York, 2009, 689 p., ISBN: 978-0-07-160466-6

5.     Richards J.A., Jia X. Remote Sensing Digital Image Analysis. An Introduction. Fourth Edition. Springer-Verlag Berlin - Heidelberg, 2006, 454 p., ISBN-10 3-540-25128-6

Використання космічної інформації в галузі управління соціально-екологічною безпекою територій: Застосування супутникових спостережень для аналізу природної і техногенної безпеки та вивчення ризиків, пов’язаних з надзвичайними ситуаціями

Тут розглядається визначення ризику, моделі реакції складних систем на зовнішні навантаження, методи і підходи до розрахунку інтегрованих соціо-екологічних ризиків, пов’язаних з надзвичайними ситуаціями. Можливості застосування даних ДЗЗ для вдосконалення комплексних моделей природних систем для прогнозування ризиків: підходи до аналізу функцій враження і функцій впливу, моделі формування інформативного сигналу, порівняльний аналіз ефективності стохастичного і детермінованого підходів до моделювання ризиків різних просторово-часових масштабів, поняття системного ризику. Моделі розподілу ризиків надзвичайних ситуацій за даними супутникового спостереження для окремих територій.

Як ми з'ясували на попередній лекції, частота і інтенсивність НС в світі зростає.

При цьому спостерігається суттєва гетерогенність розподілу небезпечних впливів, зокрема, втрат від НС.

Аналіз розподілу втрат з метою побудови стратегій управління безпекою є галуззю застосування просторово-розподілених даних, в першу чергу, даних ДЗЗ. Істотною складовою управління безпекою є аналіз і управління ризиками.

Розглянемо визначення ризику: 

Ризик слід розглядати як контекст, в якому подія відбудеться з деякою ймовірністю або деяка величина має певний розподіл ймовірності, тобто ризик є економічною категорією. Ризик - кількісна міра безпеки, прогнозована векторна величина збитку, що може виникнути внаслідок ухвалення рішень в умовах невизначеності та реалізації загрози (класичне визначення теорії безпеки) 

Поняття ризику, на відміну від математичної ймовірності, враховує і ймовірність події і величину результату, тобто

ризик має значення ймовірності настання певних небезпечних наслідків від події або процесу, що розглядається.

Відповідно до ISO 31000, управління ризиками включає ідентифікацію, оцінку та ранжування ризиків. При цьому ідентифікація має включати аналіз зовнішніх і внутрішніх джерел ризиків по відношенню до системи, яка піддається впливам, проблемний аналіз, тобто аналіз загроз, пов’язаних з ризиками, ідентифікація ризиків з точки зору загроз функціонування (можливостей досягнення цілей), ідентифікація ризиків з точки зору розвитку загроз (сценарний аналіз), ідентифікація ризиків з точки зору диференціації джерел ризику (таксономічний аналіз), а також визначення існуючого переліку загроз і ризиків. Оцінка ризиків, як наступний крок у процедурі управління ризиками, може бути як якісним так і кількісним, і таким чином має базуватися на використанні ґрунтовних наукових підходів.

Найбільш складною та досі недостатньо вирішеною задачею є оцінка екологічних і соціо-екологічних (які включають здоров'я людини в популяції) ризиків.

В цьому контексті важливим поняттям є "прийнятний ризик":

Наразі існує загальна методологія оцінки екологічних ризиків з використанням методів ДЗЗ і просторово розподілених даних.

Кожний тип НС вимагає розробки окремих концептуальних моделей і схем аналізу:

На цій основі можна побудувати загальну схуму оцінки соціо-екологічної безпеки:

Застосування цієї схеми дозволяє визначати, кількісно оцінювати і відповідно ранжувати загрози на різних рівнях:

в тому числі - відповідно до національних класифікацій НС:

Виходячи із такої концепції, можна визначити задачі ДЗЗ в задачах управління ризиками.

Основні задачі для застосування даних ДЗЗ

• Вивчення параметрів функції ризику (функції впливу) через вивчення короткочасових варіацій показників небезпеки (статистика НС): моніторинг розвитку надзвичайних ситуацій та збитків за даними зйомок в оптичному, тепловому і радіодіапазонах; 
• Вивчення параметрів функції ризику (функції впливу) через вивчення довгострокових трендів показників небезпеки: моніторинг і контроль параметрів формування небезпеки (в т.ч. великомасштабних змін) за даними зйомок в оптичному, тепловому і радіодіапазонах; 
• Визначення вигляду функції враження: оцінка і моніторинг параметрів сталості і вразливості, визначення розподілу компонент враження; 
• Визначення вигляду функції розповсюдження: спостереження, аналіз та прогнозування параметрів середовища і характеристик джерел впливів; 
• Визначення індексів для розрахунків регіональних моделей (параметричних описів) ризиків окремих типів НС; 
• Підтримка регіональних та галузевих систем прийняття рішень (інформаційне забезпечення, картографічні продукти, контроль похибок та ефективності впровадження) 

Розглянемо кілька прикладів вирішення задач такого роду:

Частково ми їх вже розглядали у відповідних розділах - вони базуються на окремих моделях, оперують відповідними змінними і дозволяють отримувати кількісні показники ризиків на регіональних і локальних рівнях.

Висновки: можливості використання даних ДЗЗ в задачах управління безпекою і ризиками НС:

• Оперативна реєстрація НС та моніторинг показників безпеки (індикаторів) природних ландшафтів; 
• Прогнозування небезпеки виникнення НС в короткостроковій перспективі (до 2-х тижнів) за даними постійного супутникового моніторингу стану земних покровів (рослинного, ґрунтового, льодового та снігового покриву) і метеорологічних показників; 
• Контроль наслідків НС (в т.ч. індукованих забруднень), визначення екологічних і економічних втрат, контроль відновлення територій; 
• Середнестрокове (протягом сезону) прогнозування ризиків НС за даними супутникових спостережень і польових калібрувальних вимірювань; 
• Середньо- і довгострокові розрахунки тенденцій змін показників ризиків НС і розробка рекомендацій щодо систем управління соціо-екологічною безпекою природних і антропогенних ландшафтів на основі супутникових спостережень змін природних систем і наземних полігонних досліджень розробка рекомендацій щодо адаптації з метою зменшення збитків (адаптаційні та неструктурні заходи ландшафтного управління в екологічно чутливих регіонах); 

Таким чином, можливе створення системи управління ризиками, яка б об'єднувала оперативну реєстрацію, моніторинг, багатомасштабне прогнозування комплексних ризиків і розробку рекомендацій з оптимізації стратегій управління соціо-екологічною безпекою в контексті регіональних кліматичних і екологічних змін

Завдання для самостійної роботи/практичні заняття:

1. Визначення структури і обсягів даних супутникових спостережень, необхідних для вирішення задачі оцінки гідролого-гідрогеологічних ризиків.

2. Приклади розрахунку ризиків, пов’язаних з надзвичайними ситуаціями природного і техногенного походження для території України за даними ДЗЗ.

Контрольні питання до теми:

1. Охарактеризуйте місце і роль космічних технологій в задачах моніторингу надзвичайних ситуацій.

2. Для яких видів надзвичайних ситуацій застосування методів ДЗЗ має найбільшу ефективність?

2. Які основні види ризиків можуть бути з найбільшою достовірністю розраховані за даними ДЗЗ?

3 Які основні властивості складних систем (зокрема екосистем) є фактором формування ризиків і водночас формують інформативні ознаки для ДЗЗ?.

Рекомендована література:

1. Elachi C., Zyl J. Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing. Second Edition. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2006, 557 р., ISBN-13 978-0-471-47569-9
2. Liu J.G., Mason Ph.J. Essential image processing and GIS for remote sensing. John Wiley & Sons, Oxford, Imperial College London, UK, 2009, 462 p., ISBN: 978-0-470-51032-2
3. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии: Пер. с нем. — М.: Мир, 1988. - 343 с.
4. Gao J. Digital Analysis of Remotely Sensed Imagery. McGraw-Hill, New York, 2009, 689 p., ISBN: 978-0-07-160466-6
5. Richards J.A., Jia X. Remote Sensing Digital Image Analysis. An Introduction. Fourth Edition. Springer-Verlag Berlin - Heidelberg, 2006, 454 p., ISBN-10 3-540-25128-6