En  Ru  Ua
 
 
 
 
 
 
Часопис картографії

 

 

 

 

 


Геодані

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

УДК 528.8

Шемчук М. П.

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Картографування зміни меж об’єктів гідрографії на основі матеріалів дистанційного зондування

      Щодо питання картографування зміни меж об’єктів гідрографії на основі матеріалів дистанційного зондування автором використано багатоспектральні фотознімки ділянок Київського та Канівського водосховищ за 1984-2014 роки в межах русел Дніпра та Десни із акцентуванням уваги в дослідженні описаної проблеми на методиці аналізу та дешифрування вихідних фотознімків в середовищі ГІС-пакету ArcGIS. При цьому було використано два різних методи для різночасових знімків: за окремим каналом та за синтезом двох каналів на основі індексу NWI.

      Ключові слова: дешифрування, дистанційне зондування землі, гідрографія, картографування.

 

Вступ

      Зважаючи на важливість в господарській діяльності людини об’єктів гідрографії як джерел питної води, середовища транспортних комунікацій, так і формування обмежень щодо провадження цієї ж діяльності, це постає актуальною проблемою для картографічних досліджень. Антропогенний вплив на них важко переоцінити, адже перетворення ділянок русел може стати джерелом поповнення корисних площ для міської чи іншої тип забудов, розширенню рекреаційного освоєння та ін. Проте, неконтрольована діяльність щодо такого перетворення може стати джерелом шкідливих явищ, насамперед, затоплень прилеглих територій. Важливим для розуміння також виступає екологічний аспект — при значних змінах страждають уже сформовані біогеоценози, об’єкти водної флори та фауни.

      Дослідження вищезгаданих явищ неможливе лише при використанні польових методів дослідження, необхідним також виступає і залучення новітніх методів спостереження — дистанційне зондування, яке здійснюється за допомогою супутників на геостаціонарній орбіті. Вони володіють повним переліком сканерів, які допомагають оцінити потрібне явище комплексно та при часовому порівнянні вивести тенденції. Обробка таких фотознімків та створення картосхем є однією із прикладних задач картографії.

 

Постановка проблеми

Окреслене дослідження носить прикладний характер із детально описаною методикою оцифрування і картографування зміни явищ (в конкретному випадку — об’єктів гідрографії) за допомогою використання методів дистанційного зондування Землі та подальшою обробкою отриманих даних в ArcGIS.

 

Аналіз останніх публікацій

      Значний внесок у розвиток методів обробки і тематичної інтерпретації космічних знімків зробили такі вчені, як Кашкін В.Б., Сухінін А.І. [5], Красовський Г. Я. та інші. Видані чисельні наукові монографії, в яких висвітлено можливості застосування ГІС/ДЗЗ- технологій для здійснення моніторингу водних об’єктів, зокрема заслуговують уваги Петросова В.А [2]. Дослідженням змін, що відбуваються у водних екосистемах, за матеріалами ДЗЗ присвячені публікації Томченко О. В., Загородньої С. А., Бабин А. Ю. [1] та інших.

      Мета роботи полягає у дослідженні та картографуванні водних об’єктів за допомогою матеріалів дистанційного зондування Землі, зокрема показ зміни їх меж (на прикладі ділянки русел Дніпра та Десни).

 

Виклад основного матеріалу

      Штучні супутники Землі — літальні космічні апарати, які виведені на навколоземні орбіти та основним їх призначенням є виконання прикладних та наукових робіт [1]. Надзвичайно перспективними, щодо застосування в господарстві, є супутники для дослідження природних ресурсів Землі. Запуски таких ресурсних супутників здійснювались на основі міжнародної кооперації та в рамках національних космічних програм — американської (LANDSAT, яка розвивається із 1972 року), французької SPOT та індійської ІRS [2, с. 15]. Автором за фотооснову для створення карт було обрано дані із програми LANDSAT, яка містить значну кількість зображень земної поверхні із 1975 року. Також критерієм вибору зображень була роздільна здатність знімків та ступінь відкритості даних (можливість практичного використання без залучення значного обсягу фінансових ресурсів): даний показник у серії LANDSAT становить 30 м [3].

      Характер дешифрування гідрографічних об’єктів та гідротехнічних споруд виконувався у відповідності із методикою показу берегової лінії всіх водотоків і водоймищ (постійних, невизначених та непостійних) та за безпосередніми ознаками (форма русла, структура зображення стариць, меандри, тон зображення води) [4]. Точність результатів дешифрування прийнято оцінювати за похибкою положення розпізнаних контурів щодо точок геодезичної основи або похибкою їх взаємного положення (після перевірки вона становить +/- 0,15 мм, лише для об’єктів із визначеними межами).

      Для цілей картографування меж об’єктів гідрографії знімки повинні відповідати певним критеріям. Ці критерії покладені в основу комплексної класифікації матеріалів космічного знімання, а тому доцільно буде їх розглянути крізь призму класифікаційних ознак (рис. 1).

 

Класифікація матеріалів космічного знімання (складено автором за [5])

Рис.1. Класифікація матеріалів космічного знімання (складено автором за [5])

 

      Для дешифрування гідрографії автором було обрано знімки ближнього інфрачервоного діапазону із довжиною хвилі 0,76-0,9 мкм. та високої розрізненості (10-30 метрів), локації Київського та Канівського водосховищ за 1984 та 2014 роки. Зважаючи на часову різницю знімків та використаних для цього технологій, потрібно було уніфікувати проблему цифрових каналів, адже знімок 1984 року містить сім спектральних каналів і зроблений за допомогою сенсора TM апарату «Landsat-4». Знімок 2014 року містить 11 спектральних каналів і зроблений за допомогою сенсора ETM+ апарату «Landsat-8». Не зважаючи на значний проміжок часу, знімки мають однакову точність і просторову розрізненість, що зручно для проведення дослідження.

      Першим кроком для створення картографічного зображення стало переведення знімків за допомогою пакету ArcGIS у цифрову модель з присвоєнням числових значень кожній одиничній точці. Ця операція здійснюється за допомогою інструменту із набору ArcToolBox за адресою «ArcToolBox/SpatialAnalystTools/Math/ Float». Внаслідок цього було переведено четвертий канал знімку 1984 року та третій і шостий канали знімка 2014 року.

      Наступним етапом роботи було перетворення двох каналів знімку 2014 року у одне зображення за спеціальним індексом NWI в інструменті «Калькулятор растру» за адресою «ArcToolBox/ SpatialAnalystTools/ MapAlgebra/ RasterCalculator» у алгоритмі (1.1):

 

Калькулятор растру

 

      У результаті цього було отримано цифрове зображення на якому чітко виділяються водні об’єкти. Наступним етапом роботи була перекласифікація знімків із виділенням територій, вкритих водою (інструмент Reclassify). Перекласифікація здійснюється через розбивку значень на окремі діапазони (автором використано п’ять діапазонів) і виокремлення тих, які відповідають водним об’єктам (0-14 для знімку 1984 року та 0,4-1 для знімку 2014 року). Іншим діапазонам присвоєно значення «0». У результаті усі точкові об’єкти водної поверхні приймуть значення відмінні від поверхні суходолу, що виокремить їх візуально (рис. 2).

 

Рис.2. Результат виокремлення водної поверхні на знімках 1984 та 2014 років

Рис.2. Результат виокремлення водної поверхні на знімках 1984 та 2014 років (авторська розробка)

 

      Візуальне сприйняття дешифрування було досягнуто через синтез знімків у видимому діапазоні із обранням третього, шостого та сьомого каналів знімку 2014 року та другого, п’ятого та шостого каналів знімку 1984 року. Синтезування їх відбулась за допомогою інструмента CompositeBands із утворенням знімків у палітрі RGB.

      Наступний етап складався із локалізації області картографування (від с. Старі Петрівці до Московського моста м. Києва та від району Виноградар Києва до с. Пухівка Броварського району) за допомогою інструменту Clip та переведення растрового зображення у полігональні об’єкти для подальшої їх обробки. Для цього було використано інструмент за адресою «ArcToolBox/ ConversionTools/FromRaster/RasterToPolygon», у результаті було утворено безліч полігональних об’єктів, у атрибутах яких вказувалось їх приналежність до суходолу чи водних об’єктів.

      Отримані результати мають певну похибку, пов’язану з тим, що деякі інші об’єкти можуть мати ту ж довжину хвилі на знімках, що і об’єкти гідрографії (наприклад, тіні від будинків). Інтерактивна вибірка релевантних об’єктів була здійснена при використанні інструментарію «Геометричний калькулятор», де підраховуються площі кожного полігонального об’єкту. У результаті об’єкти отримають свою площу, мінімально — 900 м2, що дорівнює площі пікселя зі стороною 30 м.

      Отримані об’єкти потрібно відсортувати, відібравши найменші з них. Цензом відбору було обрано значення 10 000 м2. Далі вручну було відсортовано обрані об’єкти, із вилученням тих, що потрапили в гідрографію випадково раніше (рис. 3).

 

Рис.3. Результат генералізації водних об’єктів на знімках 1984 та 2014 років в межах русла Дніпра та Десни

Рис.3. Результат генералізації водних об’єктів на знімках 1984 та 2014 років в межах русла Дніпра та Десни (авторська розробка)

 

      Подальше оформлення та створення карти відбувалось засобами графічних редакторів (AdobeIllustrator) із нанесенням легенди, відступів, тексту та додаванням карт-врізок із місцями найбільших змін меж об’єктів гідрографії (рис. 4).

 

Карта, створена за результатами дешифрування та генералізації космічних знімків

Рис. 4. Карта, створена за результатами дешифрування та генералізації космічних знімків (авторська розробка)

 

      Згідно із отриманим картографічним зображенням, найбіль-шої зміни зазнала річка Десна, що може бути пов’язане як і з антропогенним впливом так і з природнім меандруванням річки, адже русло її пролягає в легкорозчинних породах. Також зміни зазнали і малі річки та струмки (зменшилась їх кількість), які впадали в Десну. Також відмічається збільшення площі водного дзеркала в руслі Дніпра (поява затоки на острові Великому), що носить суто антропогенний характер. Також до цього блоку варто віднести появу затоки Доманя, результатом виникнення якої стало видобування піску і перетворення меандру Десни на затоку, яка в недалекому майбутньому може стати озером.

 

Висновки

      Космічні знімки є надійним джерелом отримання інформації для створення топографічних та інших видів карт, в тому числі і для простеження динаміки окремих явищ. Автором було обрано один аспект: динамічний, об’єктом були об’єкти гідрографії, а саме русло Дніпра та Десни. Критерієм відбору космознімків виступали як їх якість (розрізненість), так і доступність. При використанні ГІС-пакету ArcGis та окремих його елементів, було розроблено методику розробки карт динаміки змін меж об’єктів гідрографії, зі збереженням стадійності в їх розробці. Проведене дослідження є перспективним та може бути використане в плануванні територій, оцінці впливу факторів на ведення господарства. Значна частина змін, за результатами аналізу обраної локації, спричинена непланованою людською діяльністю.

      Рецензент — кандидат географічних наук, доцент Т. М. Курач

 

Література:

  1. Бабин А. Ю. Дослідження зміни поверхні Київського водосховища за даними ДЗЗ [Текст] / А. Ю. Бабин // Часопис картографії. — 2014. — Вип. 10. — С. 71-80.

  2. Красовський Г. Я. Інформаційні технології космічного моніторингу водних екосистем та прогнозу водоспоживання міст [Текст] / Г. Я. Красовський, В. А. Петросов. — Київ : Наукова думка, 2003. — 224 с.

  3. Геологічна служба США [Електронний ресурс]. — Режим доступу : http://glovis.usgs.gov/.

  4. Загородня С. А. Дослідження екологічного стану Кременчуцького водосховища в межах Черкаської області методами ДЗЗ [Текст] С. А. Загородня // Ученые записи Таврического национального университета имени В. И. Вернадского. Серия : География. — 2013. — Т. 26, № 1 — С. 84-91.

  5. Кашкин В. Б. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений: Учебное пособие [Текст] / В. Б. Кашкин, А. И. Сухинин. — М. : Логос, 2001. — 264 с.

Надійшла до редакції 28 квітня 2017 р.

 
 

 
 
  +38 098-456-90-20
  +38 095-311-69-98
UkrNetMail logograd@ukr.net  
Gmail

inventlib@gmail.com

 

FBMessenger https://www.facebook.com/logograd FaceBook facebook.com/logograd  
Viber +38 098 456 90 20 linkedin.com/in/andrey-oreshchenko  
Telegram +38 098 456 90 20 Instagramm andrey_oreshchenko  
WhatsUp +38 098 456 90 20