Реферат по теме «Картография с основами топографии. ГИС. ИКТ на уроках географии».
При изучении географической оболочки или ее компонентов с помощью аэрокосмических методов географ черпает информацию о них из снимков, которые получают с помощью съемочной аппаратуры, удаленной на многие километры от изучаемого объекта. Эта особенность аэрокосмических методов позволяет отнести их к дистанционным.
Дистанционные методы применяются в географических исследованиях очень давно. Правда, вначале использовались рисованные снимки, которые фиксировали пространственное расположение изучаемых объектов (цв. вкл. I , 1). С изобретением фотографии возникла наземная фототеодолитная съемка, при которой по перспективным фотоснимкам составляли карты горных районов. Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством исследований - аэрометодами. Космические снимки предоставляют геоинформацию для решения географических проблем регионального и глобального уровней.
К основным задачам космических съемок относятся: исследования планет Солнечной системы; изучение и рациональное использование природных ресурсов Земли; изучение антропогенных изменений земной поверхности; исследование Мирового океана; исследование загрязнения атмосферы и океана; мониторинг окружающей среды; исследование акваторий шельфов и прибрежных частей суши .
Мы являемся свидетелями того, как человек постепенно осваивает околоземное пространство и автоматами, засылаемыми с Земли, успешно изучают другие планеты солнечной системы. Созданные людьми и запущенные в космос искусственные спутники Земли передают на Землю фотографии нашей планеты, сделанные с больших высот.
Таким образом, сегодня можно говорить о космической геодезии, или, как ее еще называют спутниковой геодезии. Мы являемся свидетелями зарождения нового раздела картографии, который модно было бы назвать космической картографией.
Целью данной работы является рассмотрение сути космической съёмки,
ее виды и свойства космических снимков, применение их в картографии.
1. Аэрокосмические снимки
Космическую съемку ведут разными методами. По характеру покрытия земной поверхности космическими снимками можно выделить следующие съемки:
Одиночное (выборочное) фотографирование выполняется космонавтами ручными камерами. Снимки обычно получаются перспективными со значительными углами наклона.
Маршрутная съемка земной поверхности производится вдоль трассы полета спутника. Ширина полосы съемки зависит от высоты полета и угла обзора съемочной системы.
Прицельная (выборочная) съемка предназначена для получения снимков специально заданных участков земной поверхности в стороне от трассы.
Глобальную съемку производят с геостационарных и полярно- орбитальных спутников. спутников. Четыре-пять геостационарных спутников на экваториальной орбите обеспечивают практически непрерывное получение мелкомасштабных обзорных снимков всей Земли (космическое патрулирование) за исключением полярных шапок.
Аэрокосмический снимок – это двумерное изображение реальных объектов, которое получено по определенным геометрическим и радиометрическим (фотометрическим) законам путем дистанционной регистрации яркости объектов и предназначено для исследования видимых и скрытых объектов, явлений и процессов окружающего мира, а также для определения их пространственного положения.
Космический снимок по своим геометрическим свойствам принципиально не отличается от аэрофотоснимка, но имеет особенности, связанные с :
• фотографированием с больших высот,
• и большой скоростью движения.
Так как спутник по сравнению с самолетом движется значительно быстрее, то требует коротких выдержек при съемке.
Космическая съемка различается по:
• пространственному разрешению,
• спектральным характеристикам .
Эти параметры определяют возможности дешифрирования на космических снимках различных объектов и решения тех геологических задач, которые целесообразно решать с их помощью.
2. Методы получения геоинформации по снимкам
Необходимая для географических исследований информация (предметно-содержательная и геометрическая) извлекается из снимков двумя основными методами: дешифрированием и фотограмметрической обработкой. Фотограмметрия (от греч. photos - свет, gramma - запись, metreo - измеряю) - дисциплина, изучающая способы определения пространственного положения, размеров и формы объектов путем измерения их фотографических изображений, а также снимков, полученных другими методами.). Оба метода используют как традиционные технологии, основанные на визуальной обработке аналоговых снимков, так и компьютерные, которые автоматизируют эти процессы при работе с цифровыми снимками.
Дешифрирование , которое должно дать ответ на основной вопрос, что изображено на снимке, позволяет получать предметную, тематическую (в основном качественную) информацию об изучаемом объекте или процессе, его связях с окружающими объектами. В визуальном дешифрировании обычно выделяют чтение снимков и их интерпретацию (толкование). Умение читать снимки базируется на знании дешифровочных признаков объектов и изобразительных свойств снимков. Глубина же интерпретационного дешифрирования существенно зависит от уровня географической подготовки исполнителя. Чем лучше знает дешифровщик предмет своего исследования, тем полнее и достовернее информация, извлекаемая из снимка.
Фотограмметрическая обработка призвана дать ответ на вопрос, где находится изучаемый объект и каковы его геометрические характеристики - размер, форма. Она позволяет определять по снимкам плановое и пространственное положение объектов и их изменение во времени. Для фотограмметрических измерений снимков применяют специальные прецизионные оптико-механические приборы, а также компьютерные комплексы со специализированным программным обеспечением.
Компьютерные технологии
Сейчас разработаны многие сотни алгоритмов и программ компьютерной обработки изображений. Для обработки аэрокосмических снимков на персональных компьютерах можно использовать коммерческое программное обеспечение общего назначения, такое, как Adobe Photoshop , Corel PHOTO - PAINT . Однако значительно большие возможности предоставляют профессиональные программные продукты, среди которых в нашей стране наиболее известны ERDAS Imagine , Er Mapper , ENVI . Кроме того, на отечественном рынке геоинформационных услуг представлены пакеты специализированных программ, предназначенных для решения узких задач, например, топографического картографирования на цифровых фотограмметрических системах PHOTOMOD , Талка, ЦНИИГАиК (Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии). Географ должен уметь выбрать оптимальный вариант обработки из многих возможных, предоставляемых коммерческим программным обеспечением.
Современные компьютерные технологии позволяют решать следующие группы задач:
· визуализация цифровых снимков;
· геометрические и яркостные преобразования снимков, включая их коррекцию;
· конструирование новых производных изображений по первичным снимкам;
· определение количественных характеристик объектов;
· компьютерное дешифрирование снимков (классификация).
Наиболее сложной является задача компьютерного (автоматизированного) дешифрирования, которая составляет фундаментальную проблему аэрокосмического зондирования как научной дисциплины и для решения которой прилагалось и прилагается много усилий.
При визуальном дешифрировании снимков исполнителю приходится на основе дешифровочных признаков определять, узнавать объекты, а также выделять одинаковые, однородные объекты. Для выполнения этих эвристических процедур с помощью компьютера применяют наиболее распространенный подход, основанный на спектральных признаках, в качестве которых служит набор спектральных яркостей, зарегистрированных многозональным снимком. Формальная задача компьютерного дешифрирования снимков сводится к классификации - последовательной «сортировке» всех пикселов цифрового снимка на несколько групп. Для этого предложены алгоритмы классификации двух видов - с обучением и без обучения, или кластеризации (от англ. cluster - скопление, группа). При классификации с обучением пикселы многозонального снимка группируются на основе сравнения их яркостей в каждой спектральной зоне с эталонными значениями. При кластеризации же все пикселы разделяют на группы-кластеры по какому-либо формальному признаку, не прибегая к обучающим данным. Затем кластеры, полученные в результате автоматической группировки пикселов, дешифровщик относит к тем или иным объектам. Достоверность компьютерного дешифрирования формально характеризуется отношением числа правильно классифицируемых пикселов к их общему числу и составляет в среднем 70-85 %, заметно падая с увеличением набора дешифрируемых объектов.
Достижения в области полной автоматизации дешифрирования, при которой можно было бы исключить или существенно ограничить участие человека в получении географической информации по аэрокосмическим снимкам, пока скромны. Для существенного прогресса в развитии компьютерного дешифрирования необходим переход к программному обеспечению более высокого уровня, основанному на знаниях экспертов. Специалисты в области искусственного интеллекта видят решение проблемы автоматизации дешифрирования аэрокосмических снимков в объединении формализованных знаний высококвалифицированных дешифровщиков (экспертов) с возможностями современных компьютеров, т. е. в создании компьютерных экспертных систем.
3.Аэрокосмическое картографирование
Итоговым звеном технологической схемы аэрокосмических географических исследований является изготовление по снимкам карт, от качества которых зависит не только их эстетическое восприятие, но и степень доверия к выполненным исследованиям. Многолетний опыт работ свидетельствует о том, что создание карт и ГИС (геоинформационных систем) - главнейшее направление практического и научного использования аэрокосмической информации. Результаты комплексных географических исследований, выполненных с использованием аэрокосмических снимков, представляют в виде серий взаимосогласованных тематических карт, отражающих пространственные закономерности, качественные и количественные характеристики изученной территории. Они составляют базовую основу интегрированных ГИС.
Моделирование и прогнозирование
Дальнейшие этапы включают определение количественных характеристик исследуемого явления, необходимых для математического моделирования с целью прогнозирования развития явления или процесса. Элементы этой схемы сейчас реализуются при прогнозировании талого стока рек, будущего урожая, а иногда и для экологического прогноза-предупреждения. Роль аэрокосмической информации при географическом прогнозировании будет возрастать. Так, например, в космических программах NASA ( EOS и др.) ставится задача к 2025 г. выполнять 10-летние прогнозы полей метеорологических характеристик, полуторагодовые предупреждения об Эль-Ниньо, годовые прогнозы осадков на региональном уровне, пятидневные прогнозы путей движения ураганов с 30-километровой точностью, часовые предупреждения об извержениях вулканов и землетрясениях, получасовые предупреждения о торнадо.
Исследование планет
Естественно, что космические съемки представляют также метод изучения и картографирования планет Солнечной системы и других небесных тел. Самым первым космическим снимком был снимок обратной стороны Луны с отечественной межпланетной станции Луна-3, сделанный в 1958 г., вскоре после запуска первого искусственного спутника Земли.
Для изучения планет используются все методы съемки Земли - от фотографической съемки с возвращаемых пилотируемых и автоматических аппаратов, применявшейся для картографирования лунной поверхности, до радиолокационной съемки поверхности Венеры сквозь ее постоянный плотный облачный покров. С космических аппаратов Mars Global Surveyor сканерная съемка обеспечивает, например, получение детальных снимков всей марсианской поверхности с разрешением до 20 м.
Съемкой с дальних расстояний с космических аппаратов Voyager в едином пролете с 1977 по 1989 г. охвачены дальние планеты Солнечной системы - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и их спутники Ио, Каллисто, Ганимед, Европа, Тритон. Составлены многолистные топографические и тематические карты Луны, Марса, Меркурия, атласы планет, например Атлас Венеры, по результатам съемки с отечественных межпланетных станций Венера-15,16 (1983-1984 гг.). Таким образом, изучение и картографирование планет составляет важнейшую научную сферу применения космических методов.
Разновидности дистанционных методов
Методы, основанные на регистрации съемочными системами оптического и радиоизлучения в виде двумерного изображения - снимка, универсальны. Наряду с этим существует ряд частных дистанционных методов, с помощью которых регистрируются излучение или характеристики других физических полей Земли не по площади, а в точке или по трассе полета. Эти методы базируются на применении специальных измерительных приборов.
Спутниковый скаттерометр (от англ. scatter - рассеивать) предназначен для измерения мощности отраженного радиосигнала, которая зависит от геометрии отражающей поверхности. При изучении акваторий скаттерометр позволяет дистанционно оценить направление и силу волнения морской поверхности, а по ним направление и скорость приповерхностных ветров.
При аэрокосмических съемках наряду со съемочной аппаратурой используется радиовысотомер, (альтиметр), регистрирующий время от посылки до прихода отраженного сигнала, по которому точно определяют высоту полета носителя, необходимую для фотограмметрической обработки аэрокосмических снимков. Если же параметры орбиты и пространственное положение космического аппарата точно известны, то с помощью радиовысотомера удается количественно характеризовать топографию отражающей поверхности, в частности покровных ледников или морской поверхности.
Такие же задачи (но более точно) решает и лазерный альтиметр. Его уникальной особенностью является регистрация не одного, а нескольких отраженных сигналов, например от крон деревьев разных ярусов и от земной поверхности, что важно при дистанционном изучении структуры растительного покрова.
Точное положение, форму и размер объекта можно определить с помощью сканирующих лазерных дальномеров или лазерных локаторов, которые называют также лидарами (от англ. Шаг, light detection and ranging - световая локация). В самолетном варианте сканирующие лазерные локаторы с успехом применяются для быстрого и высокоточного измерения пространственных координат очень большого количества точек на местности. При лазерной (световой) локации местность и расположенные на ней объекты отображаются большой совокупностью («облаком») точек, для каждой из которых получены все три координаты и которые при визуализации на мониторе образуют изображение местности - лазеролокационный, или светолокационный, снимок. Этот новый дистанционный метод позволяет быстро создать точную цифровую модель местности. При географических исследованиях особенно перспективно его комбинирование с многозональной съемкой.
С помощью самолетных и спутниковых магнитометров, регистрирующих напряженность магнитного поля Земли, удается выявить магнитные аномалии, связанные с геологическим строением территории.
Значительное место в геофизических исследованиях отводится аэрорадиометрической съемке, при которой регистрируется коротковолновое гамма-излучение над месторождениями радиоактивных руд или на участках радиационного заражения местности. В результате вертолетных обследований европейской части нашей страны с помощью гамма-спектрометра были закартографированы ареалы выпадения радиоактивных осадков после Чернобыльской катастрофы в 1985 г. и ведется мониторинг этих районов.
4. Контроль из космоса за окружающей средой
Космические методы базируются на длительной работе регулярно пополняемых группировок спутников - спутниковых систем, которые включают сложную инфраструктуру, обеспечивающую функционирование космических аппаратов на орбите (центры управления полетом и съемкой), прием информации (наземные пункты приема, спутники-ретрансляторы), ее хранение и распространение (центры первичной обработки, архивы снимков).
В 60-х годах XX в. в числе первых, наряду с обзорными метеорологическими системами, были созданы космические съемочные системы детальной фоторазведки военных ведомств США (спутники-съемщики с аппаратурой KeyHole - «замочная скважина») и СССР (спутники-съемщики Зенит). Затем начали функционировать космические съемочные системы, поставляющие пространственную геоинформацию широкому кругу гражданских потребителей, изучающих недра и морские акватории, оценивающих земельные, лесные и водные ресурсы, составляющих карты. Естественно, разные специалисты предъявляли неодинаковые требования к космической геоинформации по обзорности, оперативности, периодичности получения и главное - по пространственному разрешению. Большинству требуются многозональные космические снимки земной поверхности охватом 50 - 200 км с разрешением 10-30 м. Для одной группы потребителей необходима оперативная доставка информации - в течение нескольких дней и даже часов, для другой приемлем срок в несколько месяцев. Для осуществления мониторинга окружающей среды необходимы регулярные повторные съемки. В летних съемках нуждаются многие исследователи. Эти требования учитывались при создании национальных космических систем природно-ресурсного направления, среди которых наиболее известны системы первого поколения - Ресурс (СССР), Landsat (США) и французская система
SPOT (Satellite Pour l'Observation de la Terre). За четверть века регулярно запускаемые спутники каждой из этих систем многократно покрыли съемками всю нашу планету, дав миллионы снимков, образовавших их глобальный фонд.
Отечественная космическая система Ресурс, функционирующая с середины 70-х гг. XX в., создавалась как общегосударственная постоянно действующая система для изучения природных ресурсов и контроля окружающей среды, обеспечивающая получение геоинформации двух видов - базовой (фотографической) и оперативной (передаваемой по радиоканалам). В систему входили автоматические космические аппараты фотографической съемки Ресурс-Ф и оперативного наблюдения за сушей Ресурс-0 (рис. 2) и океаном Океан-О. К работе в системе эпизодически привлекались пилотируемые космические корабли и орбитальные станции, а также специальные самолеты-лаборатории. Многоярусная система Ресурс предусматривала и наземный ярус в виде специальных тестовых участков местности - полигонов - в различных природных зонах, предназначенных для отработки методов практического использования дистанционной видеоинформации.
Спутники Ресурс-Ф рассчитаны на детальную фотосъемку местности с высот 200 - 300 км в течение нескольких недель с возвращением спускаемого аппарата с отснятой фотопленкой на Землю. Спутники оперативного наблюдения, на которых установлены съемочные сканеры, работая в течение нескольких лет на орбитах высотой 600 - 900 км, быстро и регулярно передают видеоинформацию по радиоканалам на наземные пункты приема (рис. 3).
Вся обработка видеоинформации, полученной со спутников, делится на предварительную (межотраслевую) и тематическую (отраслевую). Предварительная обработка заключается в приведении материалов космических съемок к виду, наиболее пригодному для последующего тематического анализа и интерпретации отраслевыми потребителями. Она предусматривает устранение неизбежных искажений и помех снимков, обусловленных как техническими причинами, так и природными факторами. Это так называемая коррекция снимков, которая бывает геометрической и радиометрической.
Геоинформация, поставляемая системой Ресурс, используется в народнохозяйственных, научных, учебных целях. Наиболее целесообразно применение космических снимков для комплексного изучения и картографирования природных ресурсов, экологического мониторинга и создания ГИС (географических информационных систем) крупных регионов.
Космическая американская система Landsat начала функционировать в 1972 г., ее эксплуатация предусматривала поочередный вывод на орбиту по одному спутнику с расчетным сроком функционирования несколько лет (рис. 1.4). За 16 дней спутник может покрыть сканерной многозональной съемкой всю поверхность Земли. Цифровая информация со спутников по радиоканалам передается на наземные пункты приема, которые оборудованы во многих странах.
Космическая французская система SPOT начала функционировать в 1986 г. Съемка выполняется с высоты 800 км двумя сканерами в надир или в сторону от трассы полета спутника, что позволяет более часто производить повторную съемку (рис. 1.6). Информация, передаваемая по радиоканалам, принимается двумя основными (во Франции и в Швеции) и более чем двадцатью региональными станциями приема.
Опыт эксплуатации космических систем первого поколения подтверждает, что съемки с орбитальных высот оказались весьма эффективными как для изучения Земли, так и для решения народнохозяйственных задач. Космическую съемку отличает большая обзорность, возможность охвата труднодоступных территорий, оперативность получения информации. В то же время стало ясно, что рассчитывать на всемогущество космических методов было бы ошибкой; необходимо рациональное сочетание их с другими методами исследований.
Космические съемки, решают разные задачи, связанные с дистанционным зондированием земли, и свидетельствуют об их широких возможностях. Поэтому космические методы и средства уже сегодня играют значительную роль в изучении Земли и около земного пространства. Технологии идут вперед, в ближайшем будущем их значение для решения этих задач будут существенно возрастать.
Космические технологии развиваются быстро: совершенствуются спутники, съемочная аппаратура, технологии съемки и обработки снимков. Каждый новый спутник поставляет снимки более совершенные, чем предыдущий. Но наступает время качественного скачка, переоценки используемых методов, определения наиболее перспективных.
В результате функционирования в течение четверти века космических систем первого поколения оказалось, что фотографические снимки не выдерживают конкуренции с новыми типами космической видеоинформации. Большие перспективы имеют снимки, оперативно получаемые цифровыми многозональными сканерами и всепогодными радиолокаторами. Предполагают, что они обеспечат не только создание базовых картографических основ ГИС различного уровня, но и регулярное обновление данных. Космические системы нового поколения можно разделить на системы, выполняющие глобальные съемки для исследования и мониторинга Земли в целом и локальные - для удовлетворения практических запросов.
Список литературы:
1. Берлянт А. М. Картография. – М.: Аспект Пресс. 2001
2. Географический атлас для учителей средней школы (Отв. ред.Л. Н.Колосова). – М.: ГУГК, 1986. http://geography.su/atlas/item/f00/s00/z0000000/
3. Капустин В. Г. Картография с основами топографии: Лабораторный практикум (Часть 2 «Мелкомасштабные карты»): Учеб. пособие для студентов географо-биологического факультета / Урал. гос. пед. ун-т. Екатеринбург, 2010. 79 с.
4. Левицкий И. Ю., Евглевская Я. В. Решение задач по географическим картам. М.: Просвещение, 1996 http://urss.ru/cgi-bin/db.pl?lang=Ru&blang=ru&page=Book&id=105217
5. Салищев К. А. Картография. – М.: Высшая школа, 1985. http://www.twirpx.com/file/831871/
6. Топография с основами геодезии (Под ред. А. С. Харченко и А. П. Божок). – М.: Высшая школа, 1986. http://www.twirpx.com/file/983138/
7. Школьные географические атласы (последних лет издания). http://atlases.narod.ru/atlases.html
8. Южанинов В. С. Картография с основами топографии. – М.: «Высшая школа», 2001.