Файл: Лабутина Использование данных ДЗЗ для экомониторинга.pdf

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

15

средствами программных пакетов, специально предназначенных для 
этого.  Часто  такие  программы  обеспечивают  не  только  извлечение 
информации из снимков, но и отображение ее на картографической 
основе, а также интеграцию с данными ГИС. Мониторинг и изучение 
динамики объектов наиболее эффективно может быть осуществлен на 
основе применения ГИС-технологий.

Программные продукты для обработки снимков довольно много-

численны и различны по сложности. Среди пакетов высокого уровня 
(дорогостоящих, лицензионных) наибольшее распространение у нас в 
стране получили ENVI, ERDAS Imagine, PCI Geomatica. Эти программ-
ные продукты обеспечивают полный комплекс обработки всех суще-
ствующих в настоящее время видов съемки, для овладения програм-
мами такого уровня требуется высокая квалификация исполнителей. 
Обзоры  программных  средств  для  обработки  материалов  дистанци-
онного  зондирования  можно  найти  в  Интернете,  например  на  сайте 
http://loi.sscc.ru/gis/RS/chapter108.html.

В свободном доступе также существуют программные комплексы, 

обеспечивающие выполнение основных операций, необходимых для 
картографирования  и  мониторинга  изменений  природных  терри-
торий локального уровня на основе ДДЗ. Как правило, для работы с 
ними не требуется высокий уровень квалификации, поэтому их могут 
использовать и специалисты-природоведы, только начинающие обра-
батывать снимки.

Остановимся несколько подробнее на двух бесплатных программ-

ных продуктах.

Программа  MultiSpec  (http://dynamo.ecn.purdue.edu/~biehl/

MultiSpec/),  разработанная  в  американском  университете  Пердью, 
хорошо известна среди специалистов по обработке снимков. Система 
позволяет  открывать,  просматривать  и  обрабатывать  многозональ-
ные,  а  также  гиперспектральные  снимки  (получаемые,  например, 
сканерами  AVIRIS  с  самолетных  носителей  и  MODIS  со  спутников 
Terra  и  Aqua),  а  также  снимки  с  радиометрическим  разрешени-
ем  больше  8  бит/пиксел  (например,  QuickBird,  GeoEye  –  11  битов). 
Этот комплекс широко применяется в школьном и университетском 
эколого-географическом образовании и в других областях. Програм-
ма  занимает  мало  места  на  диске,  может  использоваться  на  боль-
шинстве  компьютеров,  что  немаловажно  для  пользователей,  обла-

Методическое пособие

16

дающих  ограниченными  техническими  возможностями.  MultiSpec 
постоянно совершенствуется.

Основные функции программы MultiSpeс:

●

  импорт данных в бинарном или ASCII формате с заголовком или 

без него; 

●

  вывод многозональных снимков на экран в различных палитрах;

●

  построение гистограмм распределения яркости; 

●

  изменение формата данных (добавление стандартного заголовка, 

перевод  из  одного  бинарного  формата  в  другой,  комбинация  не-
скольких файлов в один, монтаж пространственно соседствующих 
снимков и др.);

●

  создание новых слоев данных; 

●

  кластеризация снимка с использованием одношагового либо ите-

ративного (ISODATA) алгоритма; 

●

  определение характеристик классов путем задания на снимке пря-

моугольных и полигональных участков, вычисления статистики по 
выборке и по классу, определения тестовых участков для количе-
ственной оценки классификации; 

●

  определение  наилучших  спектральных  зон  для  использования 

в данной классификации; 

●

  классификация выбранного снимка или его части с использовани-

ем шести алгоритмов; 

●

  вывод результатов классификации в табличной форме по обучаю-

щим и тестовым выборкам, с разделением по выборкам, по клас-
сам или по группам классов;

●

  вывод графиков спектральных яркостей для текущего пиксела или 

среднего для выбранного участка; 

●

  поддержка координатных систем (предоставленных (записанных) 

вместе со снимком) и показ их на экране;

●

  экспорт  промежуточных  и  окончательных  результатов,  черно-

белых или цветных изображений и текстов в другие программы. 

Основные особенности и функции программы MultiSpec, а также 

примеры  выполнения  отдельных  операций  при  обработке  снимков 
приведены  на  сайте  Межуниверситетского  аэрокосмического  центра 
при  МГУ  имени  М.В.Ломоносова  (http://www.geogr.msu.ru/science/
aero/acenter/sem2_sum_article.htm), где на примерах снимков с изо-

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

17

бражением  дельты  Волги  и  участка  Москвы  рассмотрено  практиче-
ское выполнение следующих операций:

●

  ввод  снимков,  (автоматический,  ручной  снимков,  соединение  зо-

нальных снимков в многозональный файл);

●

  изучение особенностей отображения объектов на снимках и выбор 

оптимального варианта синтеза; 

●

  построение кривых спектрального образа; 

●

  создание  обучающих  выборок  для  предложенных  классов  и  их 

сравнение; 

●

  создание эталонных участков и обучающих выборок в Multispec;

●

  алгоритмы классификации, предлагаемые в Multispec. 

Классификация с обучением (контролируемая): 
•  оценка качества обучающих выборок по диаграммам двумерно-

го поля признаков и выбор алгоритма классификации;

•  оценка качества обучающих выборок путем классификации эта-

лонных участков;

•  оценка качества обучающих выборок путем сравнения с резуль-

татами гибридной классификации без обучения. 

Классификация и оценка результатов: 
•  создание тестовых участков для оценки результатов классифи-

кации;

•  классификация и оценка ее результатов по тестовым участкам и 

карте вероятностей;

•  применение  Multispec  и  изученных  алгоритмов  в  эколого-

географических исследованиях.

Для  иллюстрации  возможностей  программы  MultiSpec  рассмо-

трим  порядок  работы  при  картографировании  по  снимкам  высоко-
горных ландшафтов Приэльбрусья (Центральный Кавказ). На первом 
этапе для определения набора объектов для классификации по сним-
ку осуществляется предварительное знакомство с особенностями тер-
ритории. Для этой цели используются данные полевых обследований 
местности,  аэровизуальных  наблюдений,  ранее  составленные  карты. 
В приведенном примере при опоре на ландшафтную карту националь-
ного парка "Приэльбрусье" был выделен сокращенный набор объек-
тов, относящихся к разным высотным поясам. Второй этап – создание 

Методическое пособие

18

эталонных  участков  и  обучающих  выборок  по  ним,  которые  оформ-
ляются  в  виде  отдельного  файла.  Третий  этап  –  собственно  класси-
фикация элементов снимка по методу максимального правдоподобия 
(Maximum Likelihood). Результаты ее представляются в виде изобра-
жения, где выбранными цветами обозначаются пикселы снимка, от-
несенные  к  соответствующему  классу,  и  в  виде  текстовой  таблицы 
оценки  точности  классификации  по  эталонным  участкам,  при  кото-
рой оценивается, насколько достоверно разделены заданные эталон-
ные классы. 

Другие  примеры  выполнения  тематической  обработки  многозо-

нальных снимков с помощью программы MultiSpec для высокогорной 
территории  приведены  на  сайте  http://www.geogr.msu.ru/science/
aero/acenter/int_sem3/sem3_3.htm.

 
Программный  пакет  ILWIS  –  свободно  распространяемый  ГИС-

пакет, который обеспечивает не только операции по обработке сним-
ков,  включая  их  геометрические  преобразования  и  координатную 
привязку, но также и работу с картами в векторном формате (http://
www.itc.nl/Pub/Home/Research/Research_output/ILWIS-Remote_
Sensing_and_GIS_software.html).

Программная  оболочка  ILWIS  –  Integrated  Land  and  Water 

Information System, разработанная в Международном институте аэро-
космических съемок и наук о Земле (ITC, Нидерланды), использова-
лась авторами в качестве основного программного средства при раз-
работке ГИС и осуществлении мониторинга природных компонентов 
Астраханского биосферного заповедника. 

Важное  достоинство  системы  ILWIS  –  оптимальное  сочетание 

возможностей  собственно  ГИС,  систем  обработки  аэрокосмической 
информации и создания карт. Необходимыми компонентами ILWIS 
являются  система  обработки  изображений  с  функциями  геометри-
ческой  коррекции  и  извлечения  из  снимков  тематической  инфор-
мации и векторный модуль, обеспечивающий совместную обработку 
информации в растровом и векторном формате. В системе предусмо-
трен  импорт  и  экспорт  широко  используемых  форматов  растровых 
и векторных данных. Рассмотрим некоторые возможности системы 
ILWIS, наиболее существенные для организации мониторинга при-
родных  и  природно-антропогенных  территорий  на  основе  аэрокос-
мической информации.

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

19

В  системе  ILWIS  представлены  все  обязательные  компоненты, 

входящие в современные системы обработки дистанционной инфор-
мации, большая их часть была перечислена выше при характеристи-
ке программы MultiSpec. Однако, поскольку система ILWIS обладает 
и  функциями  ГИС,  то  необходимо  особо  выделить  такие  функции, 
как геометрическая коррекция изображений, редактирование и до-
полнение  результатов  обработки  снимков  картографическими  эле-
ментами.

Геометрическая коррекция и взаимное геометрическое согласова-

ние снимков с разным пространственным разрешением имеют особое 
значение  при  изучении  динамики  по  разновременным  материалам, 
полученным разными съемочными системами. Программы геометри-
ческого трансформирования изображений в среде ILWIS обеспечива-
ют  преобразование  любых  растровых  изображений  по  заданным  па-
раметрам известной картографической проекции и произвольное – по 
опорным  точкам  с  известными  координатами.  Возможны  три  основ-
ных  метода  задания  координат  опорных  точек:  1)  по  полевым  изме-
рениям приемником спутникового позиционирования; 2) c помощью 
эталонной карты или геокодированного (т. е. с пространственными ко-
ординатами) снимка, представленных в виде изображения в формате 
системы ILWIS; 3) в результате измерений по традиционным бумаж-
ным картам.

В системе предусмотрено несколько методов изменения геометрии 

исходных изображений:  конформное  (линейное),  аффинное  (линей-
ное),  преобразование  второго  порядка,  преобразование  третьего  по-
рядка и, наконец, перспективное. Выбор метода трансформирования 
зависит от геометрических особенностей изображения. Большое зна-
чение имеет и такая опция геометрического преобразования снимков, 
как склейка цифровых снимков участков территории и монтаж циф-
ровых мозаик – фотопланов. 

Для  успешного  тематического  анализа  снимков  предназначены 

процедуры улучшения визуального качества изображений, их дешиф-
рируемости: повышение контраста, синтез цветного изображения из 
нескольких  зональных.  В  программном  пакете  предусмотрены  раз-
личные методы манипуляции со значениями яркостей в зонах спек-
тра: метод главных компонент, факторный анализ, вычисление коэф-
фициентов,  в  частности,  нормализованного  вегетационного  индекса 
NDVI.