Osvita.ua Вища освіта Реферати Географія Ландшафтно-дистанційні дослідження природно-господарських систем Землі. Реферат
Провідні компанії та навчальні заклади Пропозиції здобуття освіти від провідних навчальних закладів України та закордону. Тільки найкращі вищі навчальні заклади, компанії, освітні курси, школи, агенції. З питань розміщення інформації звертайтесь за телефоном (044) 200-28-38.

Ландшафтно-дистанційні дослідження природно-господарських систем Землі. Реферат

Ландшафтно-дистанційні дослідження – це поєднання ландшафтних та дистанційних методів вивчення природно-господарських систем Землі. Дистанційні методи забезпечують одержання оперативних, об’єктивних, одночасних для великих територій даних про ландшафтні системи Землі

За допомогою ландшафтного методу за аерокосмічними даними можна відтворювати системну організацію природи Землі. Мережа ландшафтних систем – основа зародження і розвитку геоекологічних процесів та явищ, ефективної територіальної організації господарства, моніторингу, прогнозування, управління тощо.

Взаємодія дистанційного зондування Землі та ландшафтознавства привела до вагомих науково-прикладних результатів. Перспективи пов’язані з реалізацією поставлених у Національних космічних програмах України завдань – створення системи дистанційного природоресурсного та екологічного моніторингу, раціонального природокористування, прогнозування техногенних та природних катаклізмів, створення державної системи геоінформаційного космічного забезпечення.

Ландшафтно-дистанційні дослідження – це поєднання ландшафтних та дистанційних (аерокосмічних) методів у вивченні географічної оболонки.

За допомогою аерокосмічних методів можна одержати об’єктивні, оперативні, одночасні для великих територій дані, вони дають змогу фіксувати реальні межі та виявляти цілісні об’єкти, встановлювати закономірності їхнього територіального поширення, чинники формування, особливості функціонування, антропогенні модифікації тощо. Та найважливішою з погляду ландшафтознавства є здатність генералізувати електромагнітний сигнал і передавати відомості не про точку, а про простір як одну з найважливіших особливостей географічних об’єктів загалом, і ландшафтних систем (ЛС) зокрема.

Ефективність ландшафтного методу зумовлена передусім здатністю відтворювати системну організацію природи Землі, елементарними носіями якої є ЛС різного ієрархічного рівня. Атрибутна властивість ЛС – взаємозв’язки між усіма складовими – створює передумови для одержання відомостей про невізуалізовані на дистанційних матеріалах об’єкти та явища. Чинник взаємного впливу, окрім того, дає змогу пояснювати (інтерпретувати) явища та розуміти їх.

Відображена на ландшафтних картах повторюваність аналогічних чи подібних ЛС – передумова для достовірної екстраполяції одержаних знань на незадіяні безпосередніми дослідженнями території. Мережа та властивості ЛС визначають своєрідність та просторовий розподіл ресурсів, зародження і розвиток геоекологічних процесів та явищ. Урахування реальної ландшафтної організації – це запорука ефективної територіальної організації господарства, моніторингу, прогнозування, управління тощо [2–5].

Тривала взаємодія ландшафтознавства та дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) вже знайшла відображення у серії складених та уточнених ландшафтних карт, поліпшенні тематичної інтерпретації геологічних, гідрогеологічних, ґрунтових, біогеографічних та інших явищ, встановленні їхніх інформаційних ознак на зображеннях та оцінці їхніх декодувальних можливостей та обмежень, способах опису зображень та сформованих дешифрувальних каталогах, створенних різноманітних моделях ландшафтних явищ та методиці оцінки їхньої достовірності й ефективності, теорії та методах комп’ютерного ландшафтного опрацювання зображень тощо.

Свідченням розуміння місця та ролі ландшафтознавства у сфері тематичного опрацювання даних ДЗЗ в Україні є публікації дотичних до космічної галузі провідних наукових установ [14–19].

Проте сьогодні ландшафтно-дистанційний напрям не набув статусу інтегрованого вчення, не має належного теоретико-методичного обґрунтування, не забезпечений спеціалістами. Обидві його складові розвиваються незалежно, лише час від часу використовуючи здобутки одна одної. Тому питання пошуку точок дотику між ними, переваг та можливостей взаємодії ще тривалий час залишатимуться актуальними та потребуватимуть глибокого аналізу та синтезу.

Завдання статті – охарактеризувати найвагоміші надбання науки про ландшафтні системи та аерокосмічного способу одержання інформації, закцентувати увагу на їхніх взаємодоповнюючих елементах та окреслити спільні можливості у реалізації Третьої Національної космічної програми України (2003–2007 роки).

Завдання космічної програми в області ДЗЗ спрямовані на моніторинг, раціональне природокористування, прогнозування техногенних та природних катаклізмів [6]. Для дистанційного спостереження за екологічним станом території України, автоматизованої оцінки стану навколишнього середовища та прогнозування його змін, підготовки рекомендацій для ухвалення рішень створюють систему дистанційного екологічного моніторингу (СДЕМ) [9].

Окрім дистанційних досліджень, у структурі СДЕМ передбачені тісно пов’язані з ландшафтознавством наземне забезпечення ДЗЗ, збирання, опрацювання та поширення даних, формування баз даних (знімків, карт, фізичних характеристик, матеріалів екологічного прогнозування). Ці дані мають стати основою для виявлення несприятливих екологічних процесів та їхніх джерел, оцінювання та прогнозування станів, ухвалення рішень.

І моніторинг, і раціональне природокористування, і прогнозування давно є сферою інтересів прикладного ландшафтознавства і мають у цій галузі вагомі теоретико-методичні напрацювання [4].

Зокрема, в області моніторингу сформульовано принципи та розроблено методику ландшафтного кадастру: збирання, опрацювання, аналізу, систематизації та збереження інформації.

У сфері раціонального використання природних ресурсів ґрунтовно досліджено антропогенні впливи на ландшафтні системи, їхній сучасний стан, характер модифікацій, типи забруднень, глибину змін, стійкість до антропонавантажень та їхні допустимі норми, умови релаксації, виконано відповідне районування та картування.

Для гармонійного поєднання ресурсної та екологічної функцій ЛС розроблено відповідні рекомендації. Ландшафтознавство володіє алгоритмами оцінок репрезентативності, потенційної небезпечності, наслідків втручання, ресурсної та екологічної придатності тощо, має розроблені шкали показників та певну систему їхнього ранжування.

Тривалі дослідження перебігу процесів та явищ, встановлені закономірності їхнього просторового поширення, однорідність ландшафтних ареалів щодо ресурсів, передумов та сценаріїв розвитку дають змогу об’єктивно оцінити ступінь вірогідності виникнення тих чи інших надзвичайних ситуацій, їхні масштаби та наслідки, потенційну можливість розвитку катастроф, завчасно визначити найнебезпечніші ареали, встановити ризики для населення та господарства, запропонувати варіанти доцільних прийомів керування ними, обґрунтувати, спрямовані на їхнє суттєве зменшення або ж повне запобігання, заходи, планувати та створювати оптимальні умови для проживання та діяльності людини.

Суттєвою підмогою у дослідженні динаміки та еволюції ЛС є аналіз одночасових та різночасових дистанційних матералів, дослідження впливу антропогенної діяльності на особливості зображення ЛС на знімках, викриття її маскувальних щодо природної ситуації ефектів [12].

Розуміння тісного зв’язку між геоекологічними явищами та структурно-функціональними властивостями ЛС наявне, зокрема, в роботах [9, 10, 14, 15, 16]. Зроблено спроби встановити між ними кореляційні зв’язки.

Потреба у здобутках прикладного ландшафтознавства підсилить інтерес до вдосконалення ландшафтознавства фундаментального – уніфікації його теорії, подальшого з’ясування суті ЛС та їхніх властивостей, удосконалення та розроблення методик ландшафтних досліджень, адаптації теоретичних та методичних надбань ландшафтознавчої науки до змістовного опрацювання аерокосмічних даних.

Долучення ландшафтознавства до розв’язання, спрямованих на розроблення нових програмних засобів ДЗЗ, нових інформаційних технологій і наземної інфраструктури [6], завдань космічної програми загострить проблему найефективніших аерокомічних зображень ЛС, найефективнішої космічної апаратури для їхнього одержання, найефективніших програмних продуктів для тематичної обробки (алгоритмів аналізу зображень та обробки даних, математичних моделей розпізнаючих систем), можливостей їхньої реалізації на комп’ютері.

Триватимуть пошуки методів, які забезпечують високу вірогідність прийняття правильного рішення і знижують вірогідність помилки розпізнавання. Досліджуватимуть умови їхнього виправданого застосування.

У цьому контексті неминуче виникне питання належного математичного подання ЛС, як основи їхнього комп’ютерного розпізнавання. Моделі мають адекватно відображати предметну область та забезпечувати якісне опрацювання в базах даних.

В Україні склалась міжнародно визнана наукова школа дослідження енергомасообміну в геосистемах, що дало змогу розробити фізико-математичні моделі формування спектральних сигналів різними земними утвореннями і на цій основі створити сучасні технології пошуків корисних копалин та контролю за екологічним станом [9, 10].

Для опису зображень ландшафтних об’єктів використовують як аналітичні, так і структурно-синтаксичні методи. Оскільки ЛС складні неоднорідні утворення, найбільший інтерес становлять їхні структурно-текстурні інформативні ознаки. З огляду на специфіку конкретних ЛС потрібні свої критерії їхньої ідентифікації та відповідні процедури прийняття рішень. В Україні створюють моделі, які імітують як оптичні, так і морфометричні характеристики ландшафтних структур. Для їхнього опису та ідентифікації формують багатомірні моделі в рамках теорії модальних (нечітких) множин, розробляючи просторово-частотний аналіз, випадковий двомірний марківський процес першого порядку та метод фрактальної геометрії [8, 13, 14, 16, 17, 18, 19].

Проте, з огляду на малий обсяг вихідних експериментальних даних та недостатню верифікацію у різних географічних умовах, запропоновані моделі носять обмежений характер [16, 18]. Далеко не до кінця досліджена й їхня змістовна (географічна, ландшафтна) місткість. Тому наразі для математичного опису та подання ЛС здебільшого використовують апробовані спектральні ознаки – середні значення, дисперсію, моменти вищих порядків, які розраховують за допомогою функції розподілу яскравості пікселів (локальної гістограми) [13].

За градаціями тональної шкали гістограми можна виявляти характерні риси зображення ЛС, зокрема, їхню фізіономічну складність, ступінь антропогенного освоєння тощо [5]. Але аналіз оптичних ознак далеко не завжди дає бажаний результат, оскільки здебільшого ґрунтується на нехарактерній для ЛС структурній однорідності об’єктів та нормальному розподілі їхньої яскравості. Різноманітні моделі аналізують на придатність для дешифрування ЛС.

В Україні також роблять спроби математично подати геометричні (форми, розміри, відносне положення, орієнтацію), індикаційні, позиційні та інші показники змісту ЛС [17, 19]. Так, розроблена в ЦАКДЗ ІГН НАН України програма дає змогу визначати переважаючий напрям (орієнтацію) витягнутих структур [19].

Одночасно розробляють методику для об’єктивного оцінювання ефективності різних методів та програм опрацювання [15, 16]. Все це підвищує інформативність одержаних результатів.

Разом з тим, існує ще дуже багато аспектів ландшафтно-дистанційних досліджень, які ще потребують серйозного осмислення та опрацювання. Зокрема, створюючи моделі ЛС, практично не враховують їхню причинно-наслідкову природу. Слабо задіяний лінгвістичний (синтаксичний, структурний) підхід. А саме в результаті синтаксичного аналізу визначають елементарні складові об’єкта та формалізують відношення між ними, тоді як аналітичні методи повністю ігнорують взаємозв’язки між компонентами [8]. До того ж аналіз структур дає змогу виробити уявлення про невиражені на зображеннях явища. Не сприяють правдоподібному поданню і значно погіршують якість моделей і традиційні у моделюванні спрощення, узагальнення, усереднення.

Досі потребують відповіді питання щодо підходів та ознак розпізнавання, їхньої оптимальної вибірки та можливих відхилень від норми. Нарощування потребують роботи зі створення алгоритмів розпізнавання форм, розмірів, структур, текстур, меж, багатомодальних класів об’єктів тощо, рекомендацій щодо ефективного машинного впізнавання [15].

Не забезпечують повною мірою потреб опрацювання даних ДЗЗ і геоінформаційні технології, які, за словами Журкіна, Цвєткова [1], поки що залишаються на рівні арифметики та елементарної математичної логіки і функціонують як бази даних, а не як системи опрацювання даних, тоді, як розв’язання завдань комплексної експертної оцінки даних потребує залучення методів штучного інтелекту.

Вдосконалення старих та розроблення нових методів дешифрування (розпізнавання) ЛС потребує накопичення емпіричних даних для встановлення семантико-геометричних відношень, оцінки відповідності (неповторності) форм або текстур (чи їхнього числового подання) та вираженого ними змісту, вироблення єдиної методики стислого та змістовного опису зображень та наочних способів представлення ЛС; формування бази даних еталонів зображень ЛС на різних видах дистанційних матеріалів, виявлення реперних подібностей між ЛС в натурі та їхніми зображеннями, аналізу географічної інформативної місткості зображень, поглиблення досліджень у галузі психології сприйняття і залучення вже наявних знань до інтерпретації зображень.

Оскільки в основі візуального та комп’ютерного дешифрування (розпізнавання) лежить класифікація, потрібно створювати такі алгоритми розбиття простору ознак на області, які б до мінімуму зводили або ж узагалі унеможливлювати прийняття помилкових рішень. Рішення про належність тої чи іншої ділянки до конкретного типу ЛС приймають автоматично за максимальним значенням оператора належності після розв’язання програмою всіх рівнянь, які описують математичні моделі ЛС. Необхідне розроблення таких експрес-методів, які б при класифікації давали змогу враховувати плавний та безперервний перехід від одного типу ЛС до іншого.

Оскільки однакові характеристичні ознаки можуть належати різним типам ЛС, аналіз будують на базі теорії розмитих множин. Актуальними залишаються питання вироблення критеріїв для пошуку значущих елементів класифікації, їхньої мінімізації та способів поєднання в оптимальні композиції, пошуку елементів, між якими нема розбіжностей у натурі та на зображеннях.

Автоматизоване районування території за знімками потребує вироблення єдиних підходів та методик ландшафтного картографування, усунення розбіжностей у розумінні ареалів ЛС та їхніх меж (пошук об’єктивних критеріїв цілісності та цілісності сприйняття), дослідження характеру виявлення ландшафтних меж на знімках, пошуку можливостей розпізнавання нечітких обрисів, встановлення причин їхньої прихованості, вироблення пропозицій щодо критеріїв проведення меж ЛС на знімках в різних фізико-географічних регіонах. З цього погляду цікавими є дослідження в області сегментації зображень [7, 8].

Найактуальніші серед них – побудова аналітичних виразів для розділу зображень на об’єкти та фон, розроблення автоматичного пошуку порогового значення яскравості для сегментації зображень без втрати об’єктів.

Усі ці знання дають змогу і візуально, і комп’ютерним способом (автоматично чи автоматизовано) впізнавати ландшафтні утворення на матеріалах дистанційних знімань, визначати їхні властивості, чинники формування, прогнозувати розвиток та функціонування тощо. А підняті проблемні питання змушують переосмислити ідеологію моделювання та програмування, наблизити її до реальної дійсності.

Реалізація проекту космічної програми "Створення та експлуатація системи геоінформаційного космічного забезпечення" актуалізує фундаментальне для ландшафтознавства питання систематизації наявної (в літературі, картах, фондах тощо) інформації та накопичення нової на тестових полігонах, у т. ч. способом підсупутникового експерименту. Оскільки мережа тестових полігонів в Україні ще не спормована, важливим є питання обґрунтування їхнього територіального розміщення. Один з варіантів щодо його вирішення є в роботі [11].

Полігони у структурі наземного сегмента ДЗЗ потрібні для встановлення точних даних про відбивно-випромінювальні характеристики природно-антропогенних об’єктів та явищ (формування відповідного банку даних), встановлення чинників їхнього формування, динаміки та географічних закономірностей поширення, розкриття взаємозв’язків між компонентами, властивостями та процесами, еталонування, яке, серед іншого, передбачає співвіднесення зображень з реальною ландшафтною ситуацією, встановлення стандартних типів зображень ЛС, систематизації та формування дешифрувальних ключів.

Обов’язковий характер наземних досліджень у структурі ДЗЗ визнаний у багатьох публікаціях, зокрема, [9, 11, 15, 16].

Ці дані є основою:

  • калібрування, деталізації, корегування спотворень;
  • тематичної інтерпретації дистанційних матеріалів;
  • перевірки достовірності (верифікації) отриманих при опрацюванні дистанційних даних теоретичних положень, фактів та знань;
  • створення адекватних моделей енергомасообміну та зображення ЛС і зменшення частки числових (математичних) експериментів у моделюванні та контролю його якості;
  • контрольованої (з навчанням) класифікації зображень;
  • екстраполяції одержаних даних і залежностей на великі території та уникнення у такий спосіб трудомісткого, тривалого в часі, наземного вивчення всієї земної поверхні;
  • прогнозування поведінки ЛС під впливом природних та антропогенних чинників та ймовірних катастрофічних явищ;
  • удосконалення наявної та створення нової універсальної базової методики наземного забезпечення ДЗЗ;
  • функціонування експертних систем;
  • формування експериментального досвіду та знань спеціалістів тощо.

Остання обставина особливо важлива, оскільки в розроблених технологіях основні функції з розпізнавання, класифікації об’єктів та визначення їхніх характеристик покладають на оператора. Ці дії, як зауважено [13], досвідчені оператори-дешифрувальники виконують з розпізнавання образів на знімках набагато ліпше за алгоритми автоматичного розпізнавання. Реальних даних потребує і випробовування алгоритмів – розроблення підходів до розпізнавання, їхня перевірка, оцінка ефективності тощо.

Полігональні дослідження підсилюють інтерес до можливостей екстраполяції одержаних даних на інші території. У зв’язку з цим актуалізуються питання вдосконалення методик екстраполяції, формування банку генетичних, морфологічних та фотографічних аналогів ЛС, оцінки ефективності екстраполяції за різними критеріями, вироблення рекомендацій щодо її застосування у різних регіонах.

Забезпечення вивчення методами ДЗЗ безпосередньо невідображених на матеріалах дистанційних знімань об’єктів та явищ активізують ландшафтно-індикаційні дослідження. Вивчення потребують зв’язки між індикаторами та індикатами і їхня тіснота, особливості та варіації взаємних поєднань та меж коливання параметрів, ранжованість за силою та пріоритетністю впливів, чинники мінливості, необхідні та достатні умови розвитку.

Актуальним залишається визначення достовірності отриманих залежностей та аналіз відхилень у їхньому співвідношенні, окреслення території з одноманітними зв’язками, вироблення рекомендацій щодо ефективності індикації за окремими компонентами, властивостями, регіонами. Ці дані, окрім усього іншого, потрібні для реалізації структурного підходу при автоматичному розпізнаванні ЛС.

Активне залучення ландшафтознавства до розв’язання проблем ДЗЗ потребує вдосконалення у відповідному напрямі реєстраційних систем, технологій опрацювання, підсупутникових експериментів, алгоритмів цифрового опрацювання.

Отже, спільні ландшафтно-дистанційні дослідження відкривають нові можливості для реалізації Національних космічних програм та функціонування системи дистанційного екологічного моніторингу.

Глибокі, систематичні, адаптовані до вирішення завдань ДЗЗ ландшафтознавчі дослідження сприятимуть зростанню інформативності матеріалів ДЗЗ та обсягів одержаних з них даних, збільшаться вірогідність правильного розпізнавання інформаційного сигналу та ступінь правдоподібності створених моделей, підвищать однозначність та правильність інтерпретації досліджуваних явищ.

Література

  1. Загульська О. Б. Передумови ландшафтного опрацювання аерокосмічної інформації в Україні // Ландшафт як інтегруюча концепція ХХІ сторіччя: Зб. наук. праць. К., 1999.
  2. Загульська О. Б. Можливості ландшафтознавства у реалізації Загальнодержавної космічної програми України на 2003–2007 роки // Геогр. освіта і наука в Україні: Зб. тез доп. ІІ Міжнар. наук. -практ. конф. К., 2003.
  3. Загульська О. Б. Перспективи прикладного ландшафтознавства у контексті Національних космічних програм // Суч. пробл. і тенд. розв. геогр. науки: Матер. міжнар. конф. Львів, 2003.
  4. Загульська О. Б. Географічна інформативність зображень ландшафтних систем на космічних знімках // Геодезія, картографія і аерофотознімання: Міжвід. наук. -техн. зб. Львів, 2003. Вип. 63.
  5. Закон України "Про Загальнодержавну (Національну) космічну програму України на 2003–2007 роки" // Відом. Верх. Ради. 2002. №49.
  6. Каливанов А. Ж. Способы автоматической сегментации изображений // Исслед. Земли из космоса. 1997. №3.
  7. Косаревич Р. Я. Апроксимація контурів образів для їх класифікації при дистанційному зондуванні Землі // Косм. наука і технол. 1998. Т. 4. №4.
  8. Лялько В. І. Системний підхід щодо вирішення завдань комплексного використання матеріалів аерокосмічних зйомок та моделювання енергомасообміну в геосистемах // Інформатиз. аерокосм. землезн. К., 2001.
  9. Лялько В. І. Теоретико-методичні основи комп’ютерного моделювання енергомасообміну в геосистемах // Інформатик. з аерокосм. землезн. К., 2001.


22.11.2011

Провідні компанії та навчальні заклади Пропозиції здобуття освіти від провідних навчальних закладів України та закордону. Тільки найкращі вищі навчальні заклади, компанії, освітні курси, школи, агенції.

Щоб отримувати всі публікації
від сайту «Osvita.ua»
у Facebook — натисніть «Подобається»

Osvita.ua

Дякую,
не показуйте мені це!