Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАНУ Державний

Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАНУ Державний науково-виробничий центр Природа НКАУ «Розробка технології космічного моніторингу морських акваторій і регіональних комп’ютерних систем картографічного забезпечення управління екологічною безпекою в системах «приморський регіон – прибережна зона моря – морська економічна зона» д. ф. - м. н. , проф. , чл. - кор. НАНУ Довгий С. О. , д. т. н, проф. , чл. - кор. НАНУ Трофимчук О. М. д. т. н, проф. Красовський Г. Я. , д. г. н. Радчук В. В. , к. т. н. Андрєєв С. М. , д. т. н. Бутенко О. С. , к. т. н. , доц. Березіна С. І. , Крета Д. Л. , Нечаусов А. С. , Клочко Т. О. , Слободян В. О. Київ-Харків 2012

1 Постановка завдань Об'єкт досліджень Процеси антропогенного забруднення українських секторів акваторій Азовського і Чорного морів. Предмет досліджень Методи тематичного дешифрування космічних знімків для завдань синтезу картографічних моделей екологічного стану морських вод і просторового розподілу антропогенних і природних чинників його збурення. Мета й завдання досліджень 1. Формування спеціалізованого, постійно актуалізуємого фонду космічних знімків українських секторів Азовського та Чорного морів повної лінійки роздільності в оптичному, інфрачервоному і надвисокочастотному діапазонах. 2. Визначення основних природних і антропогенних чинників впливу на екологічний стан морських вод українських секторів Азовського та Чорного морів. 3. Виділення інформативних спектральних каналів даних ДЗЗ з метою класифікації екологічного стану морських акваторій.

Постановка завдань Мета й завдання досліджень 4. 5. Визначення яскравісних і структурних ознак забруднень морських вод. Створення загального алгоритму класифікації забруднень морських акваторій за матеріалами космічних зйомок. 6. Розроблення нових методів комплексного аналізу даних моніторингу морських вод з метою прогнозу динаміки параметрів їх забруднень в умовах обмеженої апріорної інформації. 7. Розроблення векторної карти глибин Азовського та Чорного морів М 1: 200 000. 8. Розроблення макету ГІС картографічної підтримки рішень з питань охорони і раціонального використання ресурсів Азовського та Чорного морів. 9. Синтез комплексних екологічних карт Азовського та Чорного морів. 10. Розроблення спеціалізованого геопорталу оперативних і ретроспективних даних космічного моніторингу Азовського та Чорного морів.

2 Зразки космічних знімків в завданнях моніторингу морських акваторій Зона виносу річкового стоку у с. Сулина Дельта Дунаю ( ICONOS)

Зразки космічних знімків в завданнях моніторингу морських акваторій Зона забруднення моря річковим стоком у м. Алушта (QUICKBIRD)

Зразки космічних знімків в завданнях моніторингу морських акваторій Порт м. Одеса Прибережна зона м. Маріуполь

Зразки космічних знімків в завданнях моніторингу морських акваторій Абразія берегів і винос річкового стоку (ASTER) м. Одеса , Дельта Дунаю

Зразки космічних знімків в завданнях моніторингу морських акваторій Картограма покриття знімками Landsat акваторії Чорного та Азовського моря

Зразки космічних знімків в завданнях моніторингу морських акваторій RADARSAT 15 ноября 2007 г. 16 ноября 2007 г.

Зразки космічних знімків в завданнях моніторингу морських акваторій NOAA Cинтезоване зображення (канали 1, 2, 3) 08. 06. 2011

Зразки космічних знімків в завданнях моніторингу морських акваторій Канал – термальний, водної поверхні 08. 06. 2011

Зразки космічних знімків в завданнях моніторингу морських акваторій Канал – термальний, підстеляючої поверхні 08. 06. 2011

3 Теоретичні засади екологічної інтерпретації 3 космічних знімків моря Види забруднень Розлив нафти Розвиток фітопланктону Річковий стік Спиралевидна, нитковидна Нечітка Форма «факела» або «язика» Округла або витягнута Світлий тон плям Аномальний тон плям Береговий стік Абразія берега Ознаки дешифрувальні ФОРМА ПЛЯМИ СПЕКТРАЛЬНО-ЯСКРАВІСНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕКСТУРА ПЛЯМ ДИНАМІКА Темний тон плям Чергування полос різної яскравості Швидко змінюється Збільшення світлоти Рихла або нитковидна Залежить від сезону Поступове зменшення Максимальна яскравість – яскравості в береговій зоні Координати постійні Витягнута Світлий тон плям Максимальна яскравість – уздовж берега Координати дрейфуючі КЛАСИФІКАЦІЙНІ ОЗНАКИ ЕКОЛОГІЧНИХ АНОМАЛІЙ МОРСЬКИХ АКВАТОРІЙ

ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕНЬ – уточнення типів забруднень, характерних для Чорного і Азовського морів; – виділення інформативних спектральних каналів даних ДЗЗ з метою виділення забруднень морів; – визначення яскравісних характеристик забруднень різних класів; – аналіз методів, які використовуються для виділення аномальних явищ на поверхні моря; – розробка векторної моделі виділеного контура; – створення загального алгоритму класифікації забруднень морських акваторій за матеріалами космічних зйомок. 4

5 ЕКОЛОГІЧНІ АНОМАЛІЇ Розлив нафти Розвиток «фітопланктону» Береговий стік ФОРМА ПЛЯМ Абразія берега Річковий стік

АНАЛІЗ ІНФОРМАТИВНОСТІ МАТЕРІАЛІВ КОСМІЧНОЇ ЗЙОМКИ БЕРЕГОВИЙ СТІК РІЧКОВИЙ СТІК ЧИСТА ВОДА 6

ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАНИХ, ОТРИМАНИХ ЗІ СУПУТНИКІВ ASTER І LANDSAT Супутник ASTER LANDSAT Спектральні зони VNIR: 0, 52 -0, 6 мкм 0, 63 -0, 69 мкм 0, 76 -0, 86 мкм SWIR: 1, 6 -2, 43 мкм TIR: 8, 125 -11, 65 мкм Синій: 0, 45 -0, 52 мкм Зелений: 0, 52 -0, 61 мкм Червоний: 0, 63 -0, 69 мкм Ближній ІЧ: 0, 76 -0, 9 мкм Середній ІЧ: 1, 55 -1, 75 мкм Тепловий ІЧ: 10, 40 -12, 5 мкм Розрізнення VNIR: 15 м SWIR: 30 м TIR: 90 м 30 м 120 м – в тепловому ІЧ діапазоні ІНФОРМАТИВНІСТЬ КОМБІНАЦІЙ КАНАЛІВ СУПУТНИКА LANDSAT Канали 1, 2, 3 1, 2, 4 Область застосування Аналіз стану водних об'єктів, оцінка глибини. Можливо виявлення точкових і дифузних забруднень, а також «цвітіння» води. Виділення водних об'єктів. Вивчення антропогенних об'єктів. Дослідження зважених речовин у товщі води. 1, 4, 5 Вивчення віку рослинності. Оцінка глибини. Виділення водної поверхні. 2, 3, 4 Виділення морських комплексів. Аналіз стану водних об'єктів. Вивчення стану рослинного покриву. 2, 4, 7 3, 4, 5 Аналіз атмосфери, виділення диму. Вивчення сільськогосподарських земель і болотних угідь. 3, 5, 7 4, 5, 7 Аналіз атмосфери і виділення диму. Виділення водних об'єктів. Виділення берегової зони. Вивчення рослинності та аналіз стану лісових угруповань. Аналіз стану атмосфери. Виділення берегової лінії. 7

ВИДІЛЕННЯ КОНТУРУ БЕРЕГОВОЇ ЛІНІЇ Дані супутника Landsat (канал № 4) Математична модель зображення: Гістограма зображення Вирішальне правило для виділення морської поверхні: Теоретична щільність розподілу 8

ВИДІЛЕННЯ АНОМАЛЬНИХ ПЛЯМ Маска для зображення, що аналізується: 9

10 АЛГОРИТМ ВЕКТОРИЗАЦІЇ КОНТУРА Вихідне зображення Пошук області оконтурювання Вибір направлення оконтурювання p 6 p 7 p 8 p 5 p 1 p 4 p 2 p 3 Пошук стартової точки Стартова точка Направлення обходу Стартова точка Контур

ВЕКТОРИЗАЦІЯ ВИДІЛЕНОЇ ПЛЯМИ Пошук області оконтурювання Вибір стартової точки Все зображення оброблено? СТОП Вибір направлення оконтурювання Пошук наступної точки контура Контур замкнутий? Збереження результата 11

ЕТАПИ СТВОРЕННЯ МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ КОНТУРА Контур плями Розрахунок площі фігури Визначення центру тяжіння фігури Нормування фігури Розгортка контура фігури Апроксимація розгортки Математична модель контура Коефіцієнти апроксимації 12

ЗАГАЛЬНИЙ АЛГОРИТМ ОБРОБКИ МАТЕРІАЛІВ КОСМІЧНОЇ ЗЙОМКИ 13

АЛГОРИТМ ВИКОРИСТАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОЗПІЗНАВАННЯ В ГІС 14

Структурна схема технології обробки даних космічного моніторингу водних акваторій для задач ідентифікації процесів їх забруднення під дією природних і антропогенних чинників 1. Вхідне зображення (несинтезований знімок) 2. Побудова геоінформаційних моделей для виявлення аномалій різноманітного походження (A 0) – блок фотограметричної обробки База даних аерокосмічних знімків Побудова первиного критеріального дерева на основі вихідного «знімку» 3. Побудова моделей для локалізації і попередньої ідентифікації аномалій 4. Алгебраїчні операції (A 1) з побудованим «критеріальним деревом» і еталонним» деревом з БД (створення нового «різницевого дерева» ) Виділення площадних і лиінійно протяжних об’єктів Апріорні дані БД параметрів систем зйомки Попередня ідентифікація аномалії Побудова моделі зорового сприйняття зображень з урахуванням фізіологічних аспектів зору (усереднений дешифрувальник для автоматизації процесу) 5. Формування вектору параметрів дешифровальних ознак (кількісні хар-ки) Тематичне дешифрування Визначення топологічних і геометричних характеристик аномалії Алгебраїчні операції (A 1) і побудова векторних оцінок (A 2) Визначення характеристик яскравості дешифрувальних ознак Операції з полігонами

Функціональна модель зорового сприйняття з урахуванням фізіологічних аспектів зору Модель оцінки двохпараметричного гама-розподілення: де ε - параметр форми гама-розподілення; λ>0 - параметр масштаба гама-розподілення; Г(ε) - гама-функція (інтеграл Эйлера II рода); (0, ∞) – інтервал розподілення. Показник інформативності зображень, обчислюваний на основі використання запропонованої методики є обґрунтованою згорткою технічних характеристик, таких як відношення сигнал/шум, детальність і т. д. , дозволяє враховувати особливості одержувача відеоінформації, кінцеву мету спостереження, наявність і характер використання при дешифруванні апріорної інформації, характеристики ландшафту, що оточує спостережуваний об'єкт.

Визначення якісних і кількісних характеристик досліджуваної аномалії за даними контактних методів зондування Результуючий граф посилення взаємодії чинників і об'єкту Матриця досяжності Матриця коефіцієнтів впливу чинників

Картографічна модель гідрооптичних характеристик

Результати тематичної обробки космічних знімків моря Евтрофікація Карта ризиків нафтового забруднення Чорного моря

4 Макет ГІС картографічної підтримки рішень з питань охорони і раціонального використання прибережних територій, територіальних вод і морської економічної зони України На ГІС-платформі Arc GIS v 9. 3 розроблено макет комп’ютерної системи картографічної підтримки рішень з питань управління екологічною безпекою, охороною й раціональним використанням природних ресурсів узбережжя Чорного та Азовського морів Тематичний зміст картографічних моделей комп’ютерної системи підтримки рішень з питань управління екологічною безпекою територіальних вод і морської економічної зони України

Векторна карта глибин Чорного та Азовського морів

Фактори забруднення прибережних акваторій Чорного моря

Ділянки Азовського моря: очищені від мін; промислу риби; концентрованих відвалів грунту

Скиди стічних вод українського узберіжжя Чорного та Азовського морів

Антропогенне навантаження українського сектору Азово – Чорноморського басейну

Екологічна карта Чорного моря

Екологічна карта Азовського моря

5 Розроблення тематично орієнтованного геопорталу Мета геопорталу - створення інструменту сучасної інформаційнотехнічної інфраструктури з візуалізації і розподіленої обробки даних в області науки про Землю для розвитку науково - дослідженої, проектно пізнавальної діяльності і рішення складних інформаційно - аналітичних завдань на базі геоінформаційних технологій. Основне завдання геопорталу - організація і підтримка розподілених просторових даних за допомогою будь-якого Web - браузера, тобто надання інтегруючого інтерфейсу для доступу до різнорідних масивів інформації. Успішне функціонування геопорталу багато в чому залежить від правильності проектування і вибору програмно - апаратної платформи, яка є достатньо складним завданням через їх різноманіття і тісного взаємозв'язку.

Центр космічного моніторингу прибережно-морських територій Азово-Чорноморського регіону Станція прийому космічної інформації з КА NOAA Постійне оновлення Космічні знімки Создание тематических продуктов Обробка, каталогізація, поповнення архіву

Станція прийому даних ДЗЗ отриманих з супутника NOAA

Зразки знімків NOAA Чорного та Азовського моря Канал 1 - оптичний (0. 53 мкм - 0. 73 мкм) Канал 2 - ближній інфрачервоний (0. 73 мкм - 1. 1 мкм) Канал 2 - середній інфрачервоний (3. 5 мкм - 3. 9 мкм) Канал 4–термальний інфрачервоний (10. 3 -11. 3 мкм) Канал 5–термальний інфрачервоний (11. 5 - 12. 5 мкм) Канал – синтезований (канали 1, 2, 3)

Зразки знімків NOAA Чорного та Азовського морів Канал – термальний, водної поверхні Канал термальний, підстеляючої поверхні Канал – вегітаційного індексу Канал – синтезований (канали 4 -5)

Узагальнена схема системи електронної каталогізації ДДЗ Для створення ефективних систем електронної каталогізації даних ДЗЗ необхідна: • оцінка якості зображень, що каталогізуються (визначення рівня імпульсних перешкод, збійних рядків і хмарного покриття на зображеннях); • поліпшення якості зображень (корекція імпульсних і смугових перешкод, об'єктний-адаптивне контрастування зображень); • координатна прив'язка супутникових відеоданих, отриманих від різнотипних відеодатчиків. 0 рівень ДЗЗ Декомунікація 1 В рівень Анализ 2 А рівень Яркосна і координатна обробка Геоприв’язка якості даних Підсистема доступі до електронного каталогу Робоче місце оператора Обзорні зображення Метадані Засоби доступу локальних користувачів ГЕОПОРТАЛ Засоби доступу віддалених користувачів Електронний каталог іншого центра прийому даних ДЗЗ Служба обміну даними База даних електроного каталогу

Організація структури метаданих за стандартом ISO 19115 – інформація про метаданих; – інформація про спосіб отримання даних; – інформація про систему координат; – інформація про походження даних. Оцінка вартості зберігання даних і обслуговування запитів S де сi – вартість зберігання одиниці даних i-го об'єкту і вартість обслуговування одного запиту до пам'яті i-го об'єкту xi – об'єм пам'яті i-го об'єкту di – вартість обслуговування одного запиту до пам'яті i-го об'єкту ki – кількість запитів до пам'яті i-го об'єкту Збільшення кількості елементів вектора параметрів, що розраховуються, для забезпечення повноти опису аномалії приводить до збільшення часу необхідному для обробки потоку вхідної інформації P. де pi - об'єм даних i-го об'єкту t ij- обчислювальні ресурси при побудові j-го ознаки i-го об'єкту. Зниження вартості зберігання даних приводить до збільшення вартості обробки, тобто збільшення одного критерію приводить до зменшення другого.

Структура реляційної бази даних для формування архіву даних ДЗЗ, яка буде інтегровано у геопортал для управління територіальним розвитком та ресурсним потенціалом прибережно - морських територій Азово. Чорноморського регіону

Науково - методичні засади з проектування та створення геопорталу Історія розвитку програмно - технологічні платформ порталів браузеры HTML CSS Java script Java Perl Python Ruby PHP ASP. NET

Структура основних програмно - технологічних Internet - платформ Дослідження рейтингу програмно - технологічних для створення сучасних геопорталів платформ використовуваних при створенні систем управління геопорталом CMS Загальний рейтинг мовних платформ, які використовуються при створенні систем управління порталом (CMS)

Схема базового набору служб-компонент геопорталу

Структура взаємодії основних елементів сучасних геопорталів

Приклад сценарію Взаємодії геопорталу з web - ресурсами на основі комбінованого використання ARCIMS і ARCSDE

Технологія створення геопорталу для управління територіальним розвитком та ресурсним потенціалом прибережно - морських територій Азово-Чорноморського регіону Програмні платформи, які використовуються

Головна сторінка геопорталу для управління територіальним розвитком та ресурсним потенціалом прибережно - морських територій Азово-Чорноморського регіону

Структура геопорталу для завдань інформаційної підтримки управління ресурсним потенціалом прибережно - морських територій

Формування підсистеми адміністрування для формування бази даних геопорталу

Схема використання бази знань для формування бази просторових даних Правила встановлення приналежності регіону Правила формування БД базових просторових даних Правила вибору просторових даних

Схема загального алгоритму пІдтримки рішень в актуальному стані розподіленої бази просторових даних А ПОЧАТОК В Порівняння слоїв і відносин з БД n+1 зі слоями і відносинами з БД 2 i для i від 1 до n Структура БД n+1 Структура БД 0 Співпадіння частини слоїв і відносин БД n+1 з частиною слоїв і відносин БД 2 i Структура БД 2 i для i від 1 до n Порівняння слоїв і відносин БД n+1 і БД 0 Співпадання частини слоїв і відносин БД n+1 з частиною слоїв і відносин БД 0 Виділення в БДn+1 двох частин БД 1 n+1 і БД 2 i+1 Перенос співпалих слоїв і відносин з БД 2 n+1 і БД 2 i в БД 0 Додання в БМД інформації про структуру баз даних : БД 0 ; БДn+1 ; БД i Додання в БМД інформації про структуру БДn+1 і БД 0 Доданняе бази даних n+1 джерела інформації в ІПД регіону Перенос БД 1 n+1 з БД i+1 в БД 0 КІНЕЦЬ А В

Архів даних ДЗЗ з супутників NOAA у структурі геопорталу для управління територіальним розвитком та ресурсним потенціалом прибережно - морських територій Азово-Чорноморського регіону

6 Наукові результати Отримані наступні нові наукові результати: В результаті виконання циклу НДР були отримані наступні основні науково-практичні результати: 1. Розроблено механізм виявлення чинників, які максимально впливають на динаміку екологічного стану об'єкту космічного зондування з використанням канонів алгебри нечіткої логіки. 2. Для формування ознак класифікації забруднень морських акваторій досліджені взаємні кореляційні функції й автокореляційні функції контурів забруднень і контурів тестових фігур. Результати досліджень дозволили виділити інформативну ознаку - взаємні кореляційні функції контурів досліджуваних ділянок і тестових фігур. 3. Для створення ефективного алгоритму класифікації забруднень морських акваторій проведено дослідження інформативності ознак, уточнення розмірності ознакового простору, а також визначення вирішального правила класифікації. 4. Інформаційно-статистичний аналіз інформативності структурних ознак дозволив з 10 запропонованих ознак сформувати 8 -мірний ознаковий простір для розпізнавання забруднень морських акваторій. 5. Для визначення ймовірностей ухвалення правильного рішення розраховані матриці теоретичних помилок для всіх досліджуваних ознак. Аналіз отриманих результатів дозволив виділити найбільш інформативні з них.

Наукові результати 6. Запропоновано загальний алгоритм класифікації забруднень морських акваторій із застосуванням векторної моделі контурів плям. 7. Створено спеціалізований, постійно актуалізуємий фонд космічних знімків акваторій Азовського та Чорного морів, а також приморських територій. 8. Розроблені векторні карти глибин Азовського та Чорного морів. 9. З застосуванням даних космічного зондування синтезовані картографічні моделі впливу на екологічний стан територіальних вод України природних і антропогенних чинників. 10. Розроблено програмний комплекс тематичної обробки сучасних космічних знімків для завдань ідентифікації процесів забруднення морських вод під дією природних і антропогенних чинників. 11. Створено макет ГIС картографічної підтримки рішень з питань охорони водних ресурсів Чорного моря від наслідків господарської діяльності на територіях приморських областей України 12. На основі ГІС – платформи ARСGIS 9. 3, топографічних векторних карт глибин Азовського та Чорного морів М 1: 200 000 і баз атрибутивних даних параметрів джерел впливу на екологічний стан територіальних вод України розроблені макети їх екологічних карт.

Наукові результати 13. Проведено аналіз сучасних программно - апаратних платформ геопорталів. Визначені критерії відбору сучасних програмних платформ для створення геопорталу. 14. Розроблені сценарії взаємодії геопорталу з зовнішніми web- ресурсами на підставі комбінованого використання Arc. IMS і Arc. SDE. 15. Розроблено геопортал - прототип системи предметно – орієнтованої корпоративної ГІС прибережних територій і морських акваторій Чорного і Азовського морів, який сформується засобами INTERNET – технологій.