Файл: Лабутина Использование данных ДЗЗ для экомониторинга.pdf

Методическое пособие

40

4  Методика выявления изменений  

по снимкам

Применение  космических  материалов  при  проведении  монито-

ринга  сводится  к  сопоставлению  разновременных  данных  для  вы-
явления  как  короткопериодических,  так  и  многолетних  изменений. 
Основные методические приемы совместного анализа включают, во-
первых, сопоставление разновременных снимков и результатов их об-
работки, во-вторых, карт, составленных по разновременным съемоч-
ным данным, и в-третьих, архивных карт и снимков.

Наиболее  простая  по  выполнению  операция  –  вычитание  (или 

сложение) разновременных снимков. Однако во многих случаях такой 
подход требует соблюдения определенных условий, которые частично 
ограничивают его применение на практике. Снимки должны быть по-
лучены одной и той же или аналогичной съемочной системой и при-
ведены к одинаковым условиям съемки, для чего необходимо выпол-
нить дополнительную коррекцию – исключить влияние атмосферы. В 
противном случае с достаточной уверенностью можно выявлять лишь 
значительные изменения во внешнем облике территории или отдель-
ных объектов, а к количественным оценкам изменений в яркости объ-
ектов подходить с осторожностью (рис. 15). 

Значительно  чаще  выполняется  сложение  преобразованных 

изображений:  результатов  квантования,  вычисления  вегетацион-
ного или других индексов, а также классификации. Например, вы-
читание  изображений,  предварительно  квантованных  на  два  уров-
ня (вода и суша), показывает изменения в сезонной зарастаемости 
акватории водной растительностью. Во всех программных пакетах, 
предназначенных  для  обработки  растровых  изображений,  преду-
сматривается  специальная  процедура  сопоставления  (наложения) 
двух изображений, в результате выполнения которой создается но-
вое изображение и/или таблица, в которой зафиксированы все соче-
тания  выделов,  представленных  на  сопоставляемых  изображениях 
(например, в ILWIS эта операция выполняется функцией Cross). Не-
посредственное наложение разновременных аэрокосмических дан-
ных  часто  используется  при  проведении  регулярных  наблюдений, 
мониторинге. 

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

41

Вариант  сложения  трех  разновременных  аэрокосмических  сним-

ков – синтез цветного изображения (рис. 16). Так, синтез трех снимков 
в ближней инфракрасной части спектра или результатов вычисления 
вегетационного  индекса,  относящихся  к  трем  разным  сезонам  одно-
го  года,  позволит  проследить  прирост  зеленой  массы  растений  или 
дать дополнительные возможности для выделения растительных со-
обществ, у которых не совпадают фазы вегетативного развития. 

Во всех названных случаях требуется геометрическое согласование 

разновременных  изображений.  Большинство  космических  снимков 
поставляются  потребителям  с  выполненной  радиометрической  кор-
рекцией  (получение  «сырых»  данных  специально  оговаривается  и 
не всегда возможно). Если требуется количественное сравнение зна-
чений  яркости  на  разновременных  снимках,  полученных  в  разных 
условиях, необходимо выполнить и другие виды коррекции: учет раз-
личной освещенности, исключение влияния атмосферы, рельефа и ге-
ометрии съемки. При выявлении качественных, а не количественных 
параметров объектов и наличии снимков, полученных в безоблачных 
условиях, коррекция влияния атмосферы не обязательна. Можно ис-
пользовать простой, но не вполне точный метод коррекции влияния 
атмосферы  в  видимом  и  ближнем  инфракрасном  диапазоне.  Значе-
ния яркости наиболее темных объектов на снимке (участков глубокой 
тени от облаков, глубоких и чистых водоемов в ближней инфракрас-
ной зоне) теоретически должны быть нулевыми. Если они имеют не-
которое значение, отличное от нуля, то значения яркости «эталонов» 
вычитаются из значений яркости всех пикселов соответствующего зо-
нального снимка.

При сопоставлении двух разновременных снимков обычна ситуа-

ция,  когда  гистограммы  резко  различаются,  например  один  снимок 
выглядит темным, а другой светлым. В таком случае необходимо так 
преобразовать  оба  снимка  или  один  из  них,  чтобы  минимальные  и 
максимальные  значения  яркостей  были  одинаковыми.  Это  преобра-
зование известно как приведение изображений к одному виду. 

Сложение карт, составленных по разновременным снимкам (пере-

ходных карт) применяется, если моменты съемки отстоят во времени 
на десятки лет и сопоставлять, как правило, приходится разнотипные 
данные, например аэрофотоснимки или фотопланы с космическими 
снимками или космические снимки, полученные разными съемочны-
ми системами. Еще больше усложняется ситуация, если для определе-

Методическое пособие

42

ния состояния изучаемого объекта в каждый из моментов наблюдения 
использовано  несколько  источников.  Отличительная  особенность  и 
несомненное преимущество серии специально составленных переход-
ных карт – их сопоставимость: единая легенда, одинаковые цензы от-
бора и обобщения элементов содержания. Все это позволяет провести 
впоследствии совместный анализ карт средствами геоинформацион-
ных технологий. 

При  использовании  архивных  карт  особое  значение  имеют  два 

взаимосвязанных  обстоятельства:  дата  съемки,  по  материалам  кото-
рой составлены карты, и точность планового положения объектов на 
них.  Дата  съемки  далеко  не  всегда  указывается  в  выходных  данных, 
более  того,  год  издания  карты  и  время,  которому  соответствует  изо-
браженная ситуация, могут не совпадать и отстоять друг от друга на 
десятки  лет.  О  точном  положении  объектов  свидетельствуют  только 
топографические карты, которые составляются по инструкциям. Важ-
но также учитывать метод составления архивных карт. 

Результаты мониторинговых наблюдений могут быть представле-

ны в виде количественных характеристик или карт динамики. В любом 
случае расхождения, выявленные путем совмещения разновременных 
данных, будь то снимки или результаты их дешифрирования, требуют 
дополнительного  анализа,  целью  которого  является  разделение  из-
менений, происшедших на местности, и разного рода погрешностей. 
Такой анализ значительно более важен при использовании геоинфор-
мационных  технологий,  чем  при  традиционных  картографических 
способах, когда исполнитель осмысленно выполняет сопоставление и 
рисовку контуров изменившихся объектов, обобщает или отбрасывает 
ненужные объекты и детали. При компьютерной обработке операция 
сопоставления данных выполняется формально, а в результирующем 
изображении и таблице (матрице) переходов появляются фиктивные 
изменения, что может привести исследователя к неверным выводам.

Появление  фиктивных  изменений  связано  с  двумя  основными 

причинами. Первая из них – сопоставление при изучении многолет-
ней  динамики  снимков,  зафиксировавших  разные  сезонные  состоя-
ния ландшафта. В некоторых случаях, и таких немало, внутригодовые 
изменения в площади объектов могут превышать долговременные, за 
десятки лет. Так, к существенным ошибкам при изучении речной сети 
может  привести  сопоставление  снимков,  сделанных  в  паводок  и  ме-
жень, а при определении границ оледенения – снимков с изображе-

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

43

нием  сезонного  снежного  покрова.  Выявление  сезонных  изменений 
географических объектов – необходимое условие получения достовер-
ных  данных  о  многолетних  изменениях.  Вторая  причина  появления 
фиктивных  изменений  –  неизбежные  «технические»  погрешности  в 
положении  границ  объектов  дешифрирования  на  разновременных 
изображениях. 

В случае непосредственного сопоставления растровых изображе-

ний, составляющих как бы многовременный снимок (или результаты 
его  преобразования,  классификации),  фиктивные  изменения  возни-
кают  как  следствие  неоднозначности  геометрических  преобразова-
ний.  Обеспечить  идеальное  наложение  пикселов  по  всей  сопостав-
ляемой  площади  снимков  нельзя.  Погрешность  совмещения  можно 
свести к минимуму, если снимки получены одной и той же или ана-
логичной  съемочной  системой,  а  при  взаимном  координировании  в 
качестве опорных использовались идентичные точки. Точность поло-
жения контуров в таком случае зависит от размера пиксела и точности 
определения пространственных координат опорных точек. Например, 
при размере пиксела разновременных снимков 30 м погрешность их 
сопоставления  без  учета  геометрического  согласования  составит  45 
м,  погрешность  геометрического  согласования  –  не  меньше  одного 
пиксела, т. е. изменения в площади даже в идеальном случае можно 
определить не точнее 1 га. Выявление фиктивных изменений, выра-
жающихся чаще в изменении площади объектов, при непосредствен-
ном сопоставлении растровых изображений затруднительно или даже 
невозможно.

При  сопоставлении  разновременных  переходных  карт  в  вектор-

ном  формате,  кроме  погрешностей  геометрических  преобразований 
исходных аэрокосмических данных, неизбежно возникают погрешно-
сти  цифрования.  Положение  отдешифрированных  (оцифрованных) 
контуров в определенной мере субъективно вследствие того, что для 
многих природных объектов четкие границы нетипичны, им больше 
свойственны  постепенные  переходы.  При  сопоставлении  составлен-
ных независимо одна от другой карт из-за неоднозначного проведения 
границ, отбора мелких деталей на каждой из них появляются контуры 
фиктивных изменений. В отличие от ситуации с растровыми моделя-
ми, на изображениях, полученных в результате наложения векторных 
карт, фиктивные изменения определить значительно легче: их можно 
обнаружить как на самом изображении, так и при смысловом анализе 

Методическое пособие

44

таблицы переходов. При использовании цифровых методов возмож-
ны разные варианты выявления «лишних» контуров: поиск на гисто-
грамме  объектов  размером  меньше  предвычисленного,  выявление 
заведомо невозможных изменений и т. д. Избежать фиктивных изме-
нений или, по крайней мере, свести к минимуму их число можно, если 
увязать между собой сопоставляемые разновременные карты. 

Последовательное сопоставление разновременных карт – один из 

возможных  методических  приемов.  Смысл  его  заключается  в  нало-
жении векторного изображения, относящегося к одному из моментов 
наблюдения, на снимок (растровое изображение), относящийся к сле-
дующему моменту. Если границы выделов на двух изображениях со-
впадают или расходятся не более чем на число пикселов, соответству-
ющее точности исходных данных, положение векторной границы не 
изменяется. Если расхождение превышает допуск, проводится новая 
граница.  Аналогичная  процедура  выполняется  и  для  других  сроков 
наблюдений. Таким образом, не изменившиеся контуры оказываются 
одинаковыми на всей серии переходных разновременных карт, а несо-
впадение границ с высокой степенью достоверности свидетельствует о 
действительном наличии изменений.