Мобильная версия                      
   Характеристика_2.jpg

Наименование: «Разработка методов дистанционного мониторинга динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования с учетом влияния естественных и антропогенных факторов на основе геопространственных технологий в интересах рационального природопользования»
Соглашение о предоставлении субсидии от 03.10.2017 г. №14.583.21.0061
Уникальный идентификатор проекта RFMEFI58317X0061
Исполнитель проекта: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ «АЭРОКОСМОС»)
Научный руководитель проекта: академик РАН, профессор В.Г.БОНДУР
Дата начала проекта: 03.10.2017
Дата окончания проекта: 31.12.2019

Цели проекта:
1 Разработка методических решений по обработке и анализу космических данных для мониторинга динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования с использованием геопространственной информации путем объединения совместных Российско-Китайско-Бразильских исследований в интересах охраны окружающей среды и рационального природопользования.
2 Создание макета аппаратно-программного комплекса дистанционного мониторинга динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования с использованием геопространственных технологий.

Актуальность проводимых исследований связана с необходимостью:
- разработки новых и усовершенствования существующих методов дистанционного мониторинга динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования с учетом влиянием антропогенных и природных факторов;
- активного участия России в международном сотрудничестве по вопросам применения геопространственных технологий при дистанционном мониторинге растительности, почвы и объектов землепользования для принятия экологически, экономически и социально значимых решений на национальном, региональном и глобальном уровнях;
- создания геопортала, позволяющего осуществлять мониторинг динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования с использованием космических данных.
Для этого необходимо решить следующие основные задачи:
1) Выбрать и обосновать направления исследований в области разработки методов и программных решений мониторинга растительности, почвы и объектов землепользования на основе данных дистанционных наблюдений.
2) Провести теоретические исследования, направленные на разработку методов и программных решений мониторинга растительности, почвы и объектов землепользования на основе данных дистанционных наблюдений.
3) Разработать программное обеспечение для реализации в макете аппаратно-программного комплекса мониторинга состояния растительных ресурсов, почвы и объектов землепользования;
4) Создать макет программно-аппаратного комплекса для дистанционного мониторинга динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования.
5) Реализовать возможность работы с геопространственными функциями для мониторинга динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования.
6) Провести сбор и систематизацию необходимой космической информации для проведения экспериментальных исследований.
7) Провести экспериментальные исследования и оценку эффективности разработанных методов и макета программно-аппаратного комплекса с использованием данных ДЗЗ.
Основным путем решения задач мониторинга состояния растительности, почвы и объектов землепользования на территориях подверженных интенсивным антропогенным воздействиям на основе анализа результатов обработки различных космических данных является подход, связанный с анализом пространственных распределений значений вегетационных индексов, рассчитанных на основе данных, полученных со спутников, оснащенных мультиспектральной аппаратурой различного пространственного разрешения, например спутников серии Ресурс-П, Landsat, EOS, TerraSar и др., Согласно этому подходу, в рамках исследования состояния растительного покрова для используемых космических многоспектральных изображений рассчитываются различные вегетационные индексы (ВИ), а также индексы, отражающие состояние подстилающей поверхности. Далее массив индексов, а также исходные космические изображения распознаются на основе методов контролируемой и неконтролируемой классификации на основе которой выделяются границы участков, соответствующие областям нарушения растительного и почвенного покрова.
Для анализа состояния растительности (в отдельных случаях и почвенного покрова) могут использоваться следующие вегетационные индексы:
а) Нормализованный разностный ВИ (Normalized Difference VI, NDVI).
б) Почвенный ВИ (Soil Adjusted VI, SAVI) – применение которого целесообразно в случае разреженной растительности при этом корректирующий фактор должен быть больше чем 0.5.
в) Индекс глобального мониторинга окружающей среды (Global Environmental Monitoring Index, GEMI) – Global Environmental Monitoring Index, индекс глобального мониторинга окружающей среды.
Кроме указанных индексов также широко могут применяться так называемые спектральные индексы, характеризующие состояние поверхности.
Для проведения оценивания пространственно-геометрических свойств районов деградации растительного покрова из массива космических изображений выбираются данные, полученные в вегетационный период года. Рассчитывается массив приведенных индексов.
Для оценивания значимых характеристик поверхности на участках изображений, отнесенных к областям интенсивного антропогенного воздействия, измеряются типичные значения различных спектральных индексов. На основании результатов оценивания значимых характеристик зон интенсивного антропогенного воздействия и прилегающих к ним территорий на основе значений вегетационных индексов определяется степень нарушенности подстилающего покрова и степень влияния промышленных объектов на окружающие растительные сообщества.
При мониторинге состояния растительности с использованием аэрокосмических изображений необходимо учитывать следующие факторы:
— различные отражательные способности для разных видов растительности;
— различная плотность растительного покрова для разных природных зон;
— различные моменты начала вегетации (даже внутри одного типа растительности), что приводит к невозможности детектирования различных типов растительного покрова на одном изображении;
— возможное ухудшение состояния растительности в общем для рассматриваемой территории является причиной понижения её отражательной способности;
— сезонность вегетационного периода растений.
Перечисленные особенности мониторинга вегетационного процесса приводят к необходимости разработке новых комплексных индексов состояния растительности на основе серий разновременных аэрокосмических изображений.
Использование полученных комплексных индексов состояния растительности в совокупности с методами статистического анализа и многомерными регрессионными моделями позволят построить надёжные количественные критерии оценивания степени антропогенного воздействия на состояние растительного покрова.
Основным путем решения задач мониторинга природных пожаров является применение спутниковых данных различного разрешения, с целью выявления очагов и оценки выгоревших территорий для дальнейшего комплексного анализа полученных результатов. Для этого будут собраны и обработаны данные спутников Terra, Aqua, Landsat, Метеор М и др. с разрешением от 30 до 1000 метров.
Для выявления очагов природных пожаров будет использован ежедневный продукт MOD14/MYD14 аппаратуры MODIS спутников TERRA и AQUA соответственно. Для оценки выгоревших территорий будет использован продукт MCD45 специально разработанный для обнаружения выгоревших участков, основанный на анализе временных серий ежедневных данных об отражательной способности поверхности. Каждый файл продукта содержит информацию за один месяц.
Одним из этапов реализации метода будет расчет разностного индекса гарей dNBR (Normalized burn ratio) по данным спутника Landsat, позволяющий идентифицировать территории, пройденные огнем, а также классифицировать степень поврежденности растительного покрова в результате природного пожара.
Также для мониторинга состояния растительного покрова в результате природных пожаров могут быть использованы данные, полученные спутниками Terra, Aqua, Fengyun, Метеор-М.
Основным путем решения задачи реализации возможности работы с геопространственными функциями при мониторинге динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования является создание геопортала, который должен быть наполнен геопространственными данными, полученными в результате реализации методов обработки данных ДЗЗ.
При разработке методов дистанционного мониторинга будут реализованы технологии, обеспечивающие сбор данных космического мониторинга, в т. ч. с систем (комплексов) приема спутниковых данных и существующих баз данных, предварительную и тематическую обработку данных, а также визуализацию и организацию хранения полученных результатов.
В настоящем проекте совместно с иностранными партнерами планируется также осуществить интеграцию данных, полученных как с российских спутников (Ресур-П, Мктеор-М, Канопус-В), китайских (Fengyun и др.), китайско-бразильского CBERS (China–Brazil Earth Resources Satellite), а также спутников серии Landsat, Terra, Aqua, Suomi NPP и др.

Предлагаемые подходы позволят:
- осуществлять мониторинг многолетних и сезонных изменений состояния почвенно-растительного покрова и объектов землепользования;
- проводить оценку степени антропогенных и природных воздействий на состояние растительности, почвы и объектов землепользования;
- проводить селекцию лесных пожаров, получать оперативные верифицированные данные об очагах природных пожаров, а также составлять прогнозы динамики развития и последствий природных пожаров по спутниковым данным;
- проводить классификацию космических изображений, сформированных в различных диапазонах спектра электромагнитных волн, с использованием объектно-ориентированного подхода, который позволяет выделять связные объекты, и классифицировать их, учитывая не только яркостные, спектральные, но и текстурные, геометрические, топологические и другие характеристики;
- выявлять по космическим данным ключевые природные и антропогенные факторы и оценивать их влияние на процессы изменения в почвенно-растительном покрове и объектах землепользования;
- использовать геопортальные решения для получения необходимых тематические слоев (растительность, сельское хозяйство, антропогенные объекты) при комплексном мониторинге динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования.

Научная новизна предлагаемых исследований заключается в интегрированном проведении исследовательских работ по изучению динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования, с учетом влияния антропогенных и природных факторов, а также в разработке методов и программно-технических решений. обеспечивающих сбор и обработку космических данных, полученных в различных диапазонах спектра электромагнитных волн, с использованием геопространственных технологий в целях комплексного мониторинга исследуемых объектов.
Очевидным преимуществом планируемых к разработке методов и программно-аппаратных решений дистанционного мониторинга динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования является возможность комплексного использования данных, полученных в различных диапазонах спектра электромагнитных волн с различных спутниковых систем, в том числе перспективных, с применением геопространственных технологий.
Выполнение работ совместно с ведущими организациями Китая и Бразилии, специализирующимися в области дистанционного зондирования и картографии, Институтом дистанционного зондирования и цифровой Земли Китайской академии наук и Федеральным Университетом Рио-де-Жанейро позволит разработать новые методы космического мониторинга и создавать качественные информационные продукты, конкурентоспособные на международном уровне и доступные для распространения заинтересованным пользователям.

Основные ожидаемые результаты:
- Метод классификации космических изображений для распознавания типов растительного покрова, почвы и объектов землепользования.
- Метод оценки степени угнетённости почвенно-растительного покрова с учетом влияния естественных и антропогенных факторов по разновременным сериям космических изображений.
- Метод оценки воздействия природных пожаров на состояние растительного покрова.
- Программное обеспечение, реализующее разработанные методы дистанционного мониторинга динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования с учетом влияния естественных и антропогенных факторов.
- Тестовая версия геопортала, реализующего доступ к геоинформационным функциям для мониторинга динамики растительного покрова, почвы и объектов землепользования.
- Макет аппаратно-программного комплекса для дистанционного мониторинга динамики состояния растительности, почвы и объектов землепользования.
- Рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
- Проект Технического задания на проведение ОКР.

Области применения и возможные потребители результатов проекта:
Полученные при проведении исследований результаты будут способствовать прогнозированию негативного влияния природных и антропогенных факторов на растительность и почвенный покров и позволят составлять рекомендации для снижения негативных последствий и адаптации к ним, включая научную оценку потенциальных преимуществ и недостатков разработанных методов и технологий. Они будут конкурентоспособны в исследуемой области в сравнении с известными российскими и мировыми разработками. Разработанные методы будут превосходить мировой уровень.
Результаты проекта будут востребованы Министерством природных ресурсов и экологии Российской Федерации, Министерством сельского хозяйства Российской Федерации, Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, организациями субъектов Российской Федерации, предприятиями реального сектора экономики, различными ВУЗами, иностранными организациями, институтами РАН входящими в состав Федерального агентства научных организаций.

Этапы проекта:
Этап 1 - Выбор направлений исследований. Разработка методов мониторинга – 03.10.2017-31.12.2017
Этап 2 - Экспериментальные исследования методов мониторинга. Разработка макета аппаратно-программного комплекса – 01.01.2018-31.12.2018
Этап 3 - Экспериментальные исследования макета аппаратно-программного комплекса. Обобщение результатов исследований – 01.01.2019-31.12.2019
105064, Москва, Гороховский пер. 4, "Аэрокосмос". Тел.: (495) 632-16-54, (495) 632-17-19. Факс: (495) 632-11-78.
E-mail: office@aerocosmos.info
www.aerocosmos.info