Проект "Аэрокосмические методы в географических исследованиях"

«АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ГЕОГРАФИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЯХКадошкинского района Республики Мордовия »

Автор: Е. В. Лобачёв студ. 203 гр. ГФ.

Направление подготовки - Картография и геоинформатика

Саранск

2016г.

~ 2 ~

Оглавление

Введение .................................................................................................. 3

1.Практическое получение аэрокосмической информации ........ 5

2 Технология привязки космической информации. ...................... 8

3. Создание мозаики изображения ................................................... 11

4. Дешифрирование объектов ........................................................... 13

Заключение ........................................................................................... 17

Список использованных источников ............................................. 18

~ 3 ~

Введение

Долгое время для изучения различных природных явлений и

процессов используются различные общегеографические методы:

описательный, математический, картографический, аэрокосмический.

Последний из них в данное время используется всё шире.

Аэрокосмические методы - это исследование и картографирование Земли при

помощи летательных воздушных или космических аппаратов путём

дистанционной регистрации и последующего анализа идущего от Земли

электромагнитного излучения. Именно в географических исследованиях

главную роль играют методы, основанные на регистрации параметров

излучения в виде двухмерного изображения, снимка.

Сравнительный подход в этих исследованиях позволяет выявить

сходства и различия процессов, свойств и состояний географических

объектов, составить их классификации, а также прогноз их изменений.

Исторический подход позволяет путем изучения прошлых состояний объекта

и сравнения их с современным состоянием объяснить его уникальные черты.

Статистический метод позволяет путем обработки данных наблюдений

определять зависимость между компонентами природы, населения и

хозяйства, а также давать их сравнительную характеристику.

Картографический метод позволяет изучать закономерности

пространственного размещения и развития территориальных комплексов

путем составления и использования географических карт.

Всё это определило основную цель работы: применение этих

технологий на практике.

В данной работе изучается территория Кадошкинского района

Республики Мордовия с помощью аэрокосмических снимков.

Поставленная цель определила следующие задачи для исследования:

1.Получение космических снимков при помощи поисковой системы

Google Earth.

~ 4 ~

2. Обработка этих снимков в программном обеспечении

ERDASImagine.

3. Создание картографической модели структуры землепользования

Кадошкинского района Республики Мордовия в ГИС ArcView 3.1

4. Интерпретация и анализ полученных результатов.

~ 5 ~

1.Практическое получение аэрокосмической информации

Google Earth - проект компании Google, в рамках которого в интернет

были выложены спутниковые фотографии всей земной поверхности.

Фотографии некоторых регионов имеют беспрецедентно высокое

разрешение.

В отличие от других аналогичных сервисов, использующих для

доступа к спутниковым снимкам веб-интерфейс (например, Google Maps или

TerraServer), в данном сервисе используется специальная, загружаемая на

компьютер пользователя клиентская программа Google Earth. Такой подход

хотя и требует расхода лишнего трафика, необходимого для закачивания

самой программы, но обеспечивает дополнительные возможности

недоступные при использовании веб-интерфейса.

Эта программа изначально была выпущена компанией Keyhole, а

затем куплена компанией Google, которая и сделала программу

общедоступной.

Возможности программы:

1) Google Earth автоматически подкачивает из сети интернет

необходимые пользователю изображения и другие данные, сохраняет их в

памяти компьютера и на жёстком диске для дальнейшего использования.

Скачанные данные сохраняются на диске, и при последующих запусках

программы закачиваются только новые данные, что позволяет существенно

экономить график.

2) Для визуализации изображения используется трёхмерная модель

всего земного шара с учётом ландшафта (высоты над уровнем моря), которая

отображается на экране при помощи интерфейсов DirеctX или OpenGL.

Пользователь может легко перемещаться в любую точку планеты, управляя

положением «виртуальной камеры».

3) Практически вся поверхность суши покрыта изображениями

полученными от компании DigitalGlobе, и имеющими разрешение 15 м. на

пиксель. Есть отдельные участки поверхности (как правило, покрывающие

~ 6 ~

столицы и некоторые крупные города большинства стран мира), имеющие

более подробное разрешение. Например, Москва снята с разрешением 0,6

м./пиксель, а многие города США с разрешением 0.15 м/пк. Данные о

ландшафте имеют разрешение порядка 100 м.

4) Также имеется огромное количество дополнительных данных,

которые можно подключить по желанию пользователя. Например, названия

населенных пунктов, водоёмов, аэропортов, дороги, ж/д, и др. информация.

Кроме этого, для городов США имеется более подробная информация

названия улиц, магазины, заправки, гостиницы, и т.д.

5) Пользователи могут создавать свои собственные метки и

накладывать свои изображения поверх спутниковых (это могут быть карты,

или более детальные снимки, полученные из других источников). Этими

мелками можно обмениваться с другими пользователями программы через

интернет-форумGoogle Earth Community. Отправленные на этот форум метки

через некоторое время становятся видны всем пользователям Google Earth.

Получение космоснимков. Снимки получаем из поисковой системы

GoogleEarth. Сначала загружаем её и находим территорию Республики

Мордовия (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Исходный фрагмент системы Googleна территорию

республики с нанесенной административной границей

~ 7 ~

Далее, используя инструменты системы Google, необходимо выбрать

необходимый участок территории и приблизить его на 8-9 км для

ландшафтных снимков (Рисунок 2).

На выбранном участке выбираем четыре контрольные точки и

определяем их географические координаты. Следует отметить то, что точки

ставим, учитывая то, что нужно в последующем вырезать центральную часть

снимка. Можно приблизить изображение каждой точки, чтобы получить

более точные их координаты.

Рисунок 2 - Выбранный фрагмент изображения

Далее выбранный фрагмент изображения обрезаем по полезной

площади с помощью графического редактора Paint(Рисунок 3).

Рисунок 3 - Выбранный фрагмент после вырезания центральной част/

~ 8 ~

2 Технология привязки космической информации.

Пересчет координат.В качестве контрольных точек послужили

твердые контуры местности, легко опознаваемые на изображении.

Контрольные точки, по которым впоследствии будет выполняться

трансформирование фрагмента снимка, данные в системе Google в системе

координат WGS 84. Для дальнейшего трансформирования снимка, нужно

перевести их в прямоугольную систему координат СК-42 в проекции Гаусса-

Крюгера.

Дальнейшую обработку фрагмента осуществляем в программе ERDAS

Imagine. С использованием координатного калькулятора (Tools Coordinate

Calculator) производим пересчет координат контрольных точек из WGS 84 в

систему прямоугольных координат СК-42 в проекции Гаусса-Крюгера

(Рисунок 4).

Рисунок 4 - Пример пересчёта координат контрольных точек из WGS 84

в систему прямоугольных координат СК-42 в проекции Гаусса-Крюгера

~ 9 ~

Трансформирование космоснимков. Трансформирование каждого

полученного фрагмента космоснимка производим после пересчёта координат

точек из WGS 84 в систему прямоугольных координат СК-42 в проекции

Гаусса-Крюгера. Открываем космоснимок и задаём в качестве

геометрической модели трансформирования полином 1 порядка (Polynomial).

Затем устанавливаем проекцию, в которой получаем выходной изображение

(Рисунок 5).

Рисунок 5 - Установка входных параметров трансформации

Открывшийся диалог GCP Tool Reference Setup предоставляет

возможность выбора источника получения координат опорных точек.

Выбираем как источник Keyboard Only (Рисунок 6).

Рисунок 6 - Выбор источника координат опорных точек

~ 10 ~

После этого находим контрольные точки на снимке, отмечаем их,

используя GCP Editor (Редактор наземных опорных точек) и присваиваем им

трансформированные координаты. После ввода трех опорных точек,

принажатой клавише Toggle Fully Automatic GCP Editing Mode, ERDAS

Imagine при вводе опорной точки в одном окне Вьювера автоматически

определяет приблизительное местоположение этой точки.

Полученная среднеквадратическая ошибка не должна превышать 1.

Когда достигнута желаемая точность опорных точек, сохраняем их. После

этого производим трансформирование. На панели инструментов

геокоррекции нажимаем кнопку Display Resample Image Dialog (Диалог

трансформирования изображения). Задаем имя исходного файла и имя

выходного файла Нажимаем ОК, чтобы начать трансформирование. После

этого открываем полученный трансформированный снимок в окне Вьювера

(Рисунок 7).

Рисунок 7 - Трансформированный снимок

Координатную привязку и трансформирование проводим для всех 40

снимков на данную территорию.

~ 11 ~

3. Создание мозаики изображения

В системе ERDAS Imagine имеется возможность создавать мозаики

снимков. Этот инструмент является очень полезным при создании мозаики

космоснимков для значительной территории.

Всеснимки Кодошкинского района, полученные с помощью

программы Google Earth, имеют одинаковое спектральное разрешение и

характеристики, поэтому целесообразно создавать одну мозаику.

На главной панели выбираем DataPrepMosaic Images (подготовка

данных  мозаика изображений). Появилось окно с инструментами для

создания мозаики снимков (Рисунок 8).

Рисунок 8 - Выбор окна с инструментами для создания мозаики

снимков

Выбираем привязанные фрагменты космоснимков на центральную

часть района. Фрагменты выбираются с перекрытием не менее 20% (Рисунок

9). Один фрагмент выбирается как результирующий, а все остальные

преобразуются, исходя из его спектральных характеристик.

В результате проведенной операции все космоснимки в создаваемой

базе оказываются выровненными по спектральным характеристикам.

После создания линия сшивки вычислением значения пикселов в области

перекрытия, запускается процесс мозаики.

~ 12 ~

Рисунок 9 - Космоснимки для создания мозаики

Такие операции следует последовательно провести для всех 40

трансформированных снимков района. В итоге у нас получится 1 файл

мозаики, которая будет представлять весь район. Подгруженная в ГИС Arc

View 3.1 мозаика представлена на Рисунке 10.

Рисунок 10 – Мозаика снимков территории Кадошкинского района

~ 13 ~

4. Дешифрирование объектов

Выделение пространственных объектови создание полигональных

слоев в ГИС ArcView 3.1

Дальнейшая обработка информации и создание карты природных

объектов данного района происходит в среде ГИС ArcView.В

Arc View 3.1 реализован широкий спектр возможностей перевода

информации в цифровой вид. К основным из них относят:

-Осуществление оцифровки графических объектов по растровой

подложке;

-Согласование пространственных баз данных, с сопутствующими

атрибутивными данными;

-Создание корректной топологической структуры данных;

-Процесс дигитализации позволяет менять масштаб изображения,

передвигать его не прерываясь;

-Большое количество подгружаемых модулей (например,

Geoprocessing, CS_29 и др.) позволяет производить различные операции с

объектами: вырезать, объединять, конвертировать полигональные слои в

точечные и наоборот и г.д.

-Экспорт созданных цифровых покрытий.

Началом работы служит создание проекта с подгруженной в него

мозаикой. На карте будет выделено 7 классов пространственных объектов:

водные объекты, лесные массивы, пашни, пастбища и сенокосы, земли

населённых пунктов, транспортная сеть и прочие земли. Для каждого из этих

слоев создается отдельный полигональный слой. Все объекты показываются

полигональными знаками. Административная граница находится в

отдельном готовом слое. Первоначально создается слой «пастбища и

сенокосы»по скопированному полигону границыКадошкинского района и

изэтого слоявсе последующие слои будут вырезаны из него,при помощи

модуля Geoprocessing.

~ 14 ~

Для оцифровки полигональной темы, используем инструмент

полигон.

После проведения всейоцифровки необходимо присвоить каждому

слою нужный цвет и название, для приближения проекта к

картографическомуизображению (Рисунок 11).

Рисунок 11 - Картографическая модель структуры землепользования

Кадошкинского района в среде ГИС ArcView 3.1

Подсчёт площадей выделенных объектов

Расчет площади объектов заключается в получении в существующем

поле атрибутивной таблицы значения площади соответствующего полю этой

таблице полигона. Расчет производим следующим образом:

 Создаем новое поле в таблице Edit\Add field, тип поля Number

 Щелкаем на заголовке поля.

 Выбираем инструмент Calculate на панели инструментов.

 В появившемся окне Field Calculator вводим следующее

выражение: |Shape|.ReturnArea (Рисунок 12).

~ 15 ~

Рисунок 12 - Выражение для расчёта площади объектов

 После выполнения этого запроса в поле, выбранном для записи

значений, появится значения площади для выбранной темы.

После этого полученные по всем полигонам площади нужно

суммировать в отдельной таблице. Полученные результаты приведены в

таблице .

Таблица 1 - Площади природных и антропогенных объектов

Объекты

Площадь, в га

Доля к общей

площади района, в %

Кадошкинский район

65016,05899

100

Водные объекты

288,7279

0,44

Лесные массивы

21987,0455

33,85

Пастбища и сенокосы

12880,03289

19,8

Транспортная сеть

712,3619

1,1

Населенные пункты

2870,6524

4,42

Пашни

25829,0942

39,7

Прочие земли

448,1442

0,69

Это наиболее легкий способ, однако, подсчитать площадь можно и

при помощи модуля «Статистический анализ данных».

С помощью таблицы видно что наибольшую площадь занимают

пашни (39,7%), далее идут лесные массивы (33,85%), пастбища и сенокосы

(19,8%),затем населенные пункты (4,42%),транспортная сеть (1,1%) иводные

объекты (0,44%)Прочие земли занимают 0,69% от площади района.

~ 16 ~

Рисунок 17 - Диаграмма площадей природных и антропогенных

объектов

~ 17 ~

Заключение

По ходу выполнения данной работы для того, чтобы получить

космические снимки была изучена, и применена поисковая системаGoogleEarth.

С помощью данной программы был выбран необходимый участок

территории Кадошкинского района и приближенна 8,5-9 км. Затем были

выбраны контрольные точки и их географические координаты.

Дальнейшее выполнение работы проходило в программном

обеспечении ERDASImagine 8.4. В данной программе с помощью модуля

CoordinateCalculator был произведен пересчет координат контрольных точек

из WGS84 в прямоугольную систему координат СК-42 в проекции Гаусса-

Крюгера, а затем через GeometricCorrectionпровели трансформацию

космического снимка. В итоге из полученных 40 трансформированных

космических снимковтерритории Кадошкинского района, была выполнена

мозаика с помощью программного обеспечении ERDASImagine.

Последней программой, которая была использована в ходе данной

работы, являлась ГИС ArcView3.1. С помощью нее была создана

картографическая модель структуры землепользования Кадошкинского

района Республики Мордовия. С использованиемметода визуального

дешифрирования были дешифрированы земельные участки района,

вычислены их количественные характеристики.

Завершающим пунктом выполняющейся работы являлись

интерпретация и анализ полученных результатов, которые были

показаны в виде площади в га и в процентном соотношении к

площади изучаемого района, и показаны с помощью таблицы и диаграммы.

Итог: по завершению проводимой работы была получена карта

структуры земельных угодий по Кадошкинскому району Республики

Мордовия а также были получены знания по применению новых

программных обеспечений, таких как GoogleEarth и ERDASImagine 8.4 и

изучены новые возможности ГИС ArcView3.1.

~ 18 ~

Список использованных источников

1) Google: Планета Земля 6.0.1.2032

2) ErdasImagine : руководство пользователя: пер. с

англ.-Дата+, 2006

3) Яндекс карты

4) ArcViewGIS: руководство пользователя –Изд. ESRI,

1996, – 300 с.

5) Книжников Ю.Ф., В.И. Кравцова, О. В. Тутубалина

Аэрокосмические методы географических исследований – Изд.

Академия, 2004, - 336 с.

Скачать материал

Проект "Аэрокосмические методы в географических исследованиях"

География - еще материалы к урокам:

Предметы

Похожие материалы