дистанционное зондирование - Основные образовательные

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
института математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра картографии и геоинформационных систем
Пупырев М.А.
ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020500.62 «География и картография» очной формы обучения
Тюменский государственный университет
2011
2
Пупырев М.А. Дистанционное зондирование. Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для студентов направления 020500 «География и картография» очной
формы обучения. Тюмень, 2011г., 15 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.
Рабочая программа дисциплины
опубликована на сайте ТюмГУ: Дистанционное
зондирование [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой картографии и геоинформационных систем.
Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой картографии и геоинформационных
систем, д.т.н. Новохатин В.В.
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Пупырев М.А., 2011.
3
1. Пояснительная записка
Программа курса рассчитана на 110 часов. Из них: 36 ч. – лекций, 36ч. – лабораторных
занятий, 38 ч. – самостоятельной работы. Читается курс студентам дневного обучения,
обучающихся по направлению «География и картография» и разработан в соответствии:
требованиям
-
государственного
образовательного
стандарта
высшего
профессионального образования к обязательному минимуму содержания и уровню
подготовки направления;
- учебному плану направления «География и картография»
Место курса в профессиональной подготовке выпускников
Дисциплина
«Дистанционное
зондирование»
является
базовой
в
общей
профессиональной подготовке направления в области географии и картографии. Понимание
общих положений, владение навыками технологий обработки и интерпретации данных
аэрокосмического зондирования необходимо будущим специалистам для выполнения
комплекса картосоставительских и научно-исследовательских работ по разработке и
актуализации топографических и тематических карт, формированию картографических баз
данных и специализированных геоинформационных продуктов, решению прикладных
географических и экологических задач. Дисциплина дает фундаментальные знания и умения
по геометрически и географически корректной интерпретации данных аэрокосмического
зондирования. Курс является одним из ведущих в подготовке картографов в современных
условиях.
Для освоения материала дисциплины необходимы знания основ географии, физики и
математики, топографии, владение информационными технологиями.
Освоение дисциплины «Дистанционное зондирование» необходимо в качестве
предшествующих
для
всех
дисциплин,
оперирующих
данными
дистанционного
зондирования Земли, курсов географического картографирования, а также для прохождения
учебных и производственных практик.
Требование к уровню освоения содержания
Освоение дисциплины «Дистанционное зондирование» необходимо в качестве
дисциплины, изучение которой требуется после изучения основных географических
дисциплин, так как подразумевает наличие умения у студентов работами с картами, умение
их читать и оперировать пространственно распределённой информацией, как экологогеографического, так и экономико-географического направления.
4
Цель курса
Цель дисциплины «Дистанционное зондирование», как одного из основных курсов в
системе подготовки по направлению «География и картография», состоит в том, чтобы дать
общие и специальные знания о дешифрировании и обработке аэрокосмических снимков
Земли, возможностях применения их для решения прикладных географических задач,
выработать методические и практические навыки камеральной обработки космических
снимков и аэрофотоснимков.
Задачи дисциплины:
 познакомить с теорией и технологией применения аэрокосмических снимков для
получения тематической информации о состоянии и изменениях географических объектов
и картографирования, с основными свойствами аэрокосмических снимков и факторами,
их определяющими;
 сформировать представление о существующих методических приемах дешифрирования и
оценки надежности результатов, обучить навыкам распознавания на снимках объектов
земной поверхности;
 научить конкретным практическим приемам дешифрирования изображений при решении
прикладных географических задач;
 познакомить
студентов
с
программными
комплексами
по
автоматическому
дешифрированию данных дистанционного зондирования;
 научить студентов использовать аэрокосмические снимки для создания и обновления
топографических и тематических карт.
Перечень необходимых навыков, приобретенных студентами при усвоении
дисциплины
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
 дешифровочные признаки объектов земной поверхности;
 факторы, влияющие на надежность и достоверность дешифрирования;
 параметры аэросъемки, влияющие на результаты дешифрирования;
 сущность и особенности индикационного дешифрирования;
 эталонирование объектов ландшафтов и виды эталонов;
Уметь:
 создавать цифровые модели местности и использовать их для создания и обновления
5
топографических и тематических карт;
 выбирать наиболее подходящие съемочные материалы, распознавать на снимках
географические объекты по их дешифровочным признакам, оценивать надежность
результатов дешифрирования;
 взаимодействовать с организациями – поставщиками космических снимков по их заказу и
получению; уметь найти и получить необходимые снимки через Интернет.
Владеть:
 навыками аналитической обработки материалов дистанционного зондирования и
стереофотограмметрических измерений;
 методическими приемами визуального и компьютерного дешифрирования снимков;
 методами оценки пригодности снимков для решения конкретных проектных задач.
6
3. Тематический план
Таблица 1.
N
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Раздел
дисциплины
Модуль 1
Введение.
Факторы, влияющие на
дешифровочные
свойства
космоснимков.
Всего
Модуль 2
Дешифровочные
признаки.
Виды и методы
дешифрирования.
Всего
Модуль 3
Генерализация при
дешифрировании.
Автоматизация
процесса
дешифрирования.
Надежность
результатов
дешифрирования.
Лекции
Лаборато
рные
работы
Самостоя
тельная
работа
Форма
контроля
Итого
количество
баллов
2
-
1
Опрос
0-2
6
6
6
Лабораторная
работа
0-8
8
6
7
6
8
7
4
6
5
10
14
12
6
6
6
Лабораторная
работа
0 - 15
6
6
6
Лабораторная
работа
0 - 25
Контрольная
работа
Лабораторная
работа
0 - 10
6
4
7
Всего
18
16
19
Итого
36
36
38
0 - 10
Лабораторная
работа
Лабораторная
работа
0 - 20
0 - 20
0 - 40
0 - 50
зачет
0 -100
3. Структура и содержание дисциплины
Модуль 1.
1. ВВЕДЕНИЕ.
Термины и определения, цель и задачи курса, связь с другими дисциплинами
картографического профиля, краткий исторический обзор.
2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДЕШИФРОВОЧНЫЕ СВОЙСТВА КОСМОСНИМКОВ.
Оптические характеристики объектов земной поверхности: коэффициент я р к о с т и ,
яркостный контраст, интервал яркости. О с о б е н н о с т и фотографического воспроизведения
7
объектов местности. Фотографические и геометрические параметры аэрофотосъемки,
влияющие на результаты дешифрирования. Выбор оптимальных параметров и сроков
аэрофотосъемки.
Модуль 2.
3. ДЕШИФРОВОЧНЫЕ ПРИЗНАКИ.
Изобразительные и информационные свойства снимков. Прямые и косвенные
дешифровочные признаки. Индикаторы внутреннего строения лан дшафт а. К ор рел яционн ые
связи межд у о бъ ек тами местн ости. Дешифровочные эталоны.
4. ВИДЫ И МЕТОДЫ ДЕШИФРИРОВАНИЯ
Топографическое
и
тематическое
дешифрирование.
Методы
выполнения
топографического дешифрирования: сплошное полевое и с п л о ш н о е к а м е р а л ь н о е
д еши фри ро в ани е,
камеральным,
м а р ш р ут н о е
к амер ал ь но е
п ол ево е
дешифрирование
с
п о с л е д ую щ и м
дешифрирование с последующей полевой доработкой,
аэровизуальное д е ш и ф р и р о в а н и е . П р и б о р ы , п р и м е н я е м ы е п р и д е ш и ф р и р о в а н и и .
Особенности
тематического
дешифрирования.
Основные
ви д ы
тематического
дешифрирования: геологическое, сельскохозяйственное, лесохозяйственное, гидрологическое.
Модуль 3.
5. ГЕНЕРАЛИЗАЦИЯ ПРИ ДЕШИФРИРОВАНИИ.
Определение количественных характеристик объектов. Материалы картографического
значения,
и сп ольз уем ые
при
дешифрировании.
Установление
географических
названий. Особенности дешифрирования различных объектов местности.
6. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ДЕШИФРИРОВАНИЯ.
Компьютерные методы дешифрирования: яркостные преобразования, определение
индексов,
компьютерная
классификация.
Приемы
дешифрирования
разновременных
снимков. Автоматическое дешифрирование и векторизация в современных программных
комплексах и векторизаторах.
7. НАДЕЖНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЕШИФРИРОВАНИЯ.
О со б енн о сти
фотографического
воспроизведения
объектов
местности.
Фотографические и геометрические параметры аэрофотосъемки, влияющие на результаты
дешифрирования. Выбор оптимальных параметров и сроков аэрофотосъемки.
8
4. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ТЕМА: ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА
ДЕШИФРОВОЧНЫЕ СВОЙСТВА КОСМОСНИМКОВ.
ЗАДАНИЕ 1. Вычислить базис фотографирования "В" и высоту фотографирования "Н",
которые относятся к геометрическим параметрам аэрофотосъёмки, влияющим на результаты
дешифрирования. Формат аэрофотоснимков равен lx х ly = 13 х 18 см. Остальные исходные
данные приведены для каждого варианта в таблице.
№
вариа
нта
Данн
ые
m
fк, мм
Р%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
14000
100
65
12000
70
60
18000
140
63
7500
210
64
25000
100
68
5000
350
66
18000
70
70
10000
350
62
4500
210
67
25000
140
69
ЗАДАНИЕ 2. ОБЪЯСНИТЬ, каким образом высота фотографирования и базис фотографирования
оказывают влияние на результаты дешифрирования.
Для вычисления использовать формулы, известные из курса фотограмметрии:
1. Н = fк * m, где
fк – фокусное расстояние съемочной камеры,
m – знаменатель масштаба аэрофотосъемки;
l
2. b = 100 * (100 – Р %),
B = b*m,
где b – базис фотографирования в масштабе аэрофотосъемки,
Р % - продольное перекрытие.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 ТЕМА: ДЕШИФРОВОЧНЫЕ ПРИЗНАКИ
ЗАДАНИЕ 1. Изучение дешифровочных признаков объектов на аэро- и космических снимках.
Задание 2. Определение количественных характеристик объектов по аэроснимкам.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ТЕМА: ВИДЫ И МЕТОДЫ ДЕШИФРИРОВАНИЯ
ЗАДАНИЕ 1 Дешифрирование функциональных зон городской территории по космическим
снимкам сверхвысокого пространственного разрешения.
Обработка изображений проведена с использованием программного продукта ENVI 4.3.
Исходные
материалы
представляют
собой
9
комплекты
панхроматических
и
мультиспектральных
изображений
с
пространственным
разрешением
и
1
м
4
соответственно. Исходные снимки с использованием технологии паншарпенинга (pansharpening) приведены к пространственному разрешению 1 м. Динамический диапазон
изображений составляет 11 бит, размерность спектрального пространства снимков равна
четырем (голубой, зеленый, красный и инфракрасный диапазоны съемки).
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ТЕМА: ГЕНЕРАЛИЗАЦИЯ ПРИ ДЕШИФРИРОВАНИИ.
ЗАДАНИЕ. Определить длину, ширину и высоту постройки по измерениям, выполненным на
аэрофотоснимках. Исходные данные для каждого варианта приведены в таблице.
Результаты
измерений, мм
№
варианта
Данные
m
fк, мм
δl, мм
Дли
на
Шир
ина
Δp
b
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10000
100
-0,07
25000
100
-0,06
50000
100
-0,03
10000
140
-0,07
50000
140
-0,06
5000
140
-0,03
10000
70
-0,07
25000
70
-0,06
50000
70
-0,03
7,7
3,9
2,1
7,5
3,7
1,9
7,8
3,8
2,0
10000
210
0,07
7,0
2,5
1,3
0,6
2,0
0,6
0,3
2,2
1,0
0,5
1,8
1,5
60
1,0
60
0,7
60
1,4
64
0,8
64
0,7
64
1,8
66
1,2
66
0,9
66
1,7
62
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ТЕМА: АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА
ДЕШИФРИРОВАНИЯ.
Задание 1. Применяя компьютерные методы дешифрирования: яркостные преобразования,
определение индексов, компьютерная классификация, провести исследования снимков
сверхвысокого разрешения.
Задание 2. Автоматизированное дешифрирование растительности и объектов гидрографии,
анализ
различных
методов
классификации
с
обучением,
заложенных
в
ENVI
(параллелепипедов, евклидова расстояния, расстояния Махаланобиса, максимального
правдоподобия, спектрального угла) для этой задачи.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ТЕМА: НАДЕЖНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ
ДЕШИФРИРОВАНИЯ.
10
ЗАДАНИЕ. На аэрофотоснимке 1 : м = 1 : 5000 выполнить дешифрирование
топографических объектов, указанных в таблице для каждого варианта. Результаты дешифрирования вычертить на аэрофотоснимке условными знаками. Объяснить, какие
дешифровочные признаки использованы для опознавания объектов. Для выполнения
работы потребуются условные знаки масштаба 1:5000.
№
варианта
1
2
3
Топографические объекты
Жилые строения
Древесная растительность
а) Луговая растительность
б) Огороды
№
варианта
6
7
8
Административные и
производственные строения
Улицы с покрытием и без
покрытия
4
5
9
10
Топографические объекты
Нежилые строения
Декоративные посадки
а) Башни водонапорные и
силосные
б) Сады
а) Строящиеся здания
б) Сараи
а) Пруд и плотина
б) Высокотравье
5. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ
1. Дешифрирование антропогенных комплексов, по снимкам Quickbird, WorldView-1,
WorldView-2, GeoEye-1.
2. Автоматическое и полуавтоматическое дешифрирование данных дистанционного
зондирования в современных программных продуктах.
3. Дешифрирование классов бонитета и типов леса по цветным и черно-белым
аэрофотоснимкам.
6.ТЕМЫ ДОКЛАДОВ И РЕФЕРАТОВ
1. История развития съемки Земли из космоса.
2. Развитие космической фотографической съемки
3. Сканерная съемка. Технология получения и особенности обработки изображений.
4. Специфика ПЗС-съемки. История развития и особенности изображений.
5. Спектральные характеристики компонентов природной среды (по выбору).
Особенности дешифрирования.
6.
Дешифрирование
антропогенных
зондирования.
11
объектов
по
данным
дистанционного
7. Индикационное дешифрирование и его применение при изучении природных и
антропогенных объектов.
8. Роль аэрокосмических снимков в комплексных исследованиях природной среды и
социально-экономической сферы.
9. Роль аэрокосмических снимков в геоэкологических исследованиях.
10. Дистанционные исследования динамики атмосферы.
11. Дистанционные исследования динамики вод океанов.
12. Исследования динамики дельт рек по космическим снимкам.
13. Дистанционные исследования изменений ледового покрова Земли.
14. Исследование динамики процессов рельефообразования по космическим снимкам.
15. Исследование и картографирование динамики лесов по космическим снимкам.
16. Аэрокосмические исследования динамики использования земель.
17. Синтезированные космические фотоизображения и фотокарты.
18. Сочетание свойств карты и космического фотоснимка при создании и
использовании космических фотокарт.
7. ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ
1. Факторы, влияющие на дешифрируемость аэрокосмических снимков
2. Влияние условий съемки на дешифровочные свойства снимков
3. Спектральная отражательная способность природных объектов
4. Спектральная яркость растительности
5. Спектральная яркость почв
6. Спектральные свойства водных объектов
7. Пространственная отражательная способность природных объектов
8. Влияние сезонной изменчивости объектов земной поверхности дешифрируемость снимков
9. Прямые дешифровочные признаки
10. Геометрические дешифровочные признаки (форма, размер, тень)
11. Структурные дешифровочные признаки (текстура, структура, рисунок)
12.Яркостные дешифровочные признаки (фототон, яркость, цвет, спектральный образ)
13. Косвенные дешифровочные признаки. Индикаторы объектов, их свойств и движения
14. Индикационное дешифрирование
15. Классификация аэрокосмических снимков по способу их получения
16. Классификация аэрокосмических снимков по спектру регистрируемого излучения
17. Свойства радиолокационных снимков
18. Свойства тепловых инфракрасных снимков
19. Технологическая схема процесса дешифрирования
20. Полевое дешифрирование
21. Камеральное дешифрирование
22. Яркостные преобразования цифровых снимков. Синтез цветного изображения
23. Методы автоматизированного дешифрирования - кластеризация и классификация
24. Дешифрирование разновременных снимков
12
25. Надежность результатов дешифрирования
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
8.1 ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных
технологий: тр. Всерос. науч.-практ. конф., 28-30 апр. 2008 г./ ред. Ю. М. Урличич. - Москва:
Физматлит, 2009. - 376 с.
2. Будущее прикладной математики: лекции для молодых исслед. : поиски и открытия : [сб.]/
Ин-т прикл. мат. им. М. В. Келдыш РАН; ред. Г. Г. Малинецкий. - Москва: ЛИБРОКОМ,
2009. - 640 с.;
3. Обиралов А. И., Лимонов А. Н., Гаврилова Л. А. Фотограмметрия и дистанционное
зондирование: учеб. для студ. вузов, обуч. по спец. 120301 "Землеустройство", 120302 "Зем.
кадастр", 120303 "Город. кадастр"; Междунар. ассоциация "Агрообразование". - Москва:
КолосС, 2006. - 334 с.;
8.2 ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
4. Берлянт А. М. Теория геоизображений. - Москва: ГЕОС, 2006. - 262 с.
5. Лурье И. К. Геоинформационное картографирование: методы геоинформатики и цифровой
обработки косм. снимков : учеб. для студ. Вузов. Моск. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова,
Геогр. фак.. - Москва: КДУ, 2008. - 424 с
6. Кашкин В. Б., Сухинин А. И. Дистанционное зондирование Земли из космоса: цифровая
обработка изображений : учеб. пособие. - Москва: Логос, 2001. - 264 с.
7. Пьянков С. В. Использование геоинформационных систем и технологий при решении
пространственных задач. Пермь : Изд-во ПГУ, 2007. 164 с.
8. Раклов В.П. Картография и ГИС: - М.: АКАДЕМИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ; Киров: Константа,
2011.-214 с.
9. Серапинас Б.Б. Математическая картография.- М., Academa, 2005. 336с.
10. Справочник потребителя спутниковой информации/ Федер. служба России по гидрометеор.
и мониторингу окр. среды, НИЦ космической гидрометеор. "Планета"; ред. В. В. Асмус, О.
Е. Милехин. - Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2005. - 114 с.
11. Трифонова Т. А., Мищенко Н. В., Краснощеков А. Н. Геоинформационные системы и
дистанционное зондирование в экологических исследованиях: учеб. пособие для студ. вузов,
обуч. по эколог. спец. - Москва: Академический Проект, 2005. - 352 с.;
8.3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ
Программе обеспечение
- PHOTOMOD, Ракурс. Лицензионный продукт для обработки аэрокосмических
материалов и оформления результатов.
- ERDAS Imagine, ESRI. Лицензионный продукт для обработки аэрокосмических
материалов и оформления результатов
-
MultiSpec.
Purdue
http://cobweb.ecn.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/
Research
свободно
Foundation,
распространяемый
Ink.
программный
пакет для обработки растровых изображений
-
ILWIS
(Integrated
Land
and
13
Water
Information
System)
http://52north.org/downloads/ilwis свободно распространяемый программный пакет для
обработки растровых изображений и создания векторных карт
- Графические программы (CorelDraw, Adobe Illustrator и т.п.)
Интернет-ресурсы
- Каталог Геологической службы США (http://earthexplorer.usgs.gov),
- Каталог портал центров НАСА (https://wist.echo.nasa.gov/~wist/api/imswelcome/)
- Каталог Совзонда (http://www.sovzond.ru)
- Генеральный каталог российского Научного центра оперативного мониторинга
Земли (НЦ ОМЗ) (http://sun.ntsomz.ru/data_new/)
- Геопортал GoogleEarth (http://www.googleearth.com)
- Геопортал Космоснимки (http://www.kosmosnimki,ru)
9.Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины
-
Учебная аудитория с мультимедийным проектором для проведения лекционных занятий.
-
Компьютерный класс с доступом в Интернет.
-
Учебная аудитория, оснащенная оборудованием для ведения компьютерных практикумов,
включая работу в стереорежиме.
-
Компьютеры: ОЗУ не менее 1 Гб, объем жесткого диска от 100 Гб, экран монитора с
минимальным размером 17" и разрешением от 1024x768.
-
Лицензионные программы и материалы на электронных носителях информации;
-
Комплект аэро- и космических снимков на территорию Российской Федерации и мира
разного пространственного охвата и разрешения.
14
ПЛАНИРОВАНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
№
Модули и темы
Виды СРС
обязательные
дополнительные
Неделя
семестра
Объем
часов
Кол-во
баллов
1
1
0-2
2-4
6
06
7
0-8
5
7
0-4
6-7
5
0-6
12
0-10
Модуль 1
1.
Введение.
Факторы, влияющие на
дешифровочные свойства
космоснимков
Всего по модулю 1:
Модуль 2
2.
собеседование
подготовка сообщений
к докладу
исследовательская
работа
решение примеров
3.
Дешифровочные признаки
исследовательская
работа
решение примеров
4.
Виды и методы дешифрирования
реферат
подготовка сообщений
к докладу
Всего по модулю 2:
Модуль 3
5.
Генерализация при дешифрировании.
Автоматизация процесса
дешифрирования
Надежность результатов
7.
дешифрирования
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
6.
исследовательская
работа
решение примеров
8-9
6
0-9
расчётно-графическая
решение примеров
10-11
6
0-7
исследовательская
работа
подготовка сообщений
12-13
7
0-5
19
38
0-21
0-39
15