О журнале

Рекомендации

Аэрокосмический экологический мониторинг мегаполисов с использованием новейших ИКТ в контексте формирования информационного общества
Ершова Т.В., Кудашев Е.Б., Мясников В.П., Сюнтюренко О.В., Хохлов Ю.Е.

Аэрокосмический экологический мониторинг мегаполисов с использованием новейших ИКТ в контексте формирования информационного общества
Т.В.Ершова, Е.Б.Кудашев, В.П.Мясников, О.В Сюнтюренко, Ю.Е.Хохлов



Введение

Процесс интеграции Москвы в информационное общество требует разработки и реализации единой интегрированной программы, отражающей конвергенцию информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) и Web-технологий в широкомасштабные исследования по узловым направлениям формирования информационного общества, определяющим интеграцию городов в информационное общество. Одним из таких ключевых направлений международная программа Комиссии Европейских Сообществ "Глобальный вызов Бангемана" (Global Bangemann Chalenge, GBC) определяет применение ИКТ в задачах охраны окружающей среды [1]. Конкретные результаты, полученные в Москве в рамках этого направления, рассматриваются в предлагаемой работе.

Методы дистанционного зондирования, ИКТ и Интернет-технологии приобретают в настоящее время важное значение для обеспечения оперативного доступа к спутниковым данным и электронным ресурсам космических методов контроля экосистем. Развитие Интернета и взрывной рост информационных технологий привели не только к повышению эффективности информационного обмена в мировом научном сообществе, электронного доступа ученых к информационным ресурсам и к научным базам данных ведущих национальных центров, интенсивной интеграции научно-исследовательской и информационной деятельности. Одной из новых возможностей является интеграция информационных технологий в системах космического экологического мониторинга. В этой работе основное внимание сосредоточено на использовании спутниковой информации и Интернет-технологий для наблюдения за состоянием окружающей среды в больших городах.

Использование телекоммуникационной инфраструктуры, гипертекстовых и интерактивных технологий чрезвычайно перспективно в спутниковом мониторинге состояния окружающей среды. Решение этих задач приводит нас, в свою очередь, к возможности интеграции технологий дистанционного зондирования в системах геоэкологического мониторинга мегаполисов и геоэкологической безопасности Москвы, и, тем самым, приближает реализацию нового подхода к управлению качеством жизни в городе - подхода, основанного на прозрачности, предоставления городскому сообществу доступа через Сеть к оперативной информации о состоянии окружающей среды в Москве.

В контексте формирования в Москве концепции информационного общества и использования новейших ИКТ определим далее круг задач, анализ которых позволяет ответить на вопрос о возможности применения методов исследования Земли из космоса, основанных на развитии ИКТ и Интернет технологиях, не только в традиционно решаемых задачах метеорологии и океанографии, но и при решении природоохранных проблем в интересах крупных городов.

Если говорить в самом общем виде о формировании концепции интеграции Москвы в информационное общество, то в направлении, основанном на использовании и интеграции спутниковой информации в городском геоэкологическом мониторинге, в настоящее время можно выделить следующие актуальные для Москвы задачи :

  • Проблема информирования широких слоев населения об экологии мегаполиса, обеспечения пользователей – всего городского сообщества оперативными информационными ресурсами космического экологического мониторинга.
  • Интеграция электронных ресурсов о состоянии окружающей среды в единое информационное пространство мегаполиса.
  • На основе дистанционного зондирования и ГИС и ИНТЕРНЕТ- технологий обеспечивается единое информационное пространство системы геоэкологической безопасности города.
  • Введение и хранение цифровых карт местности, атрибутивных баз данных, представление экологической информации на различных административных уровнях пользователя для оперативного решения задач управления геоэкологической безопасностью города Москвы.

    Тепловое дистанционное зондирование Москвы

    Космический экологический мониторинг перспективен для выявления изменений в состоянии окружающей среды урбанизированных территорий [2-4]. Спутниковый мониторинг геофизических полей в видимом и инфракрасном диапазонах спектра позволяет контролировать состояние атмосферы над городом, обнаруживать техногенные выбросы промышленных предприятий и устанавливать зоны негативного влияния мегаполиса на прилегающие лесопарковые зоны. В Институте космических исследований РАН в 1998- 1999 гг по поручению правительства Москвы на основе спутниковой информации проводился мониторинг тепловых выбросов ТЭЦ и крупных производств [5]. Для спутникового экологического мониторинга больших городов наиболее эффективны метеорологические спутники, как отечественные (спутники типа «РЕСУРС-01»), так и американские спутники серии NOAA с многоканальными радиометрами типа AVHRR. Высокая периодичность мониторинга (несколько раз в сутки), достаточно хорошо разработанные метеорологическое и методическое обеспечение обработки информации позволили развить спутниковую подсистему городского экомониторинга г. Москвы [6-10], которая в состоянии обнаруживать тепловые аномалии и тепловые выбросы промышленных отходов (ТЭЦ, крупные производства, пруды-охладители), регистрировать дымные шлейфы от труб, возникающие в результате крупных лесных и торфяных пожаров в окрестности города.

    На борту спутников серии NOAA и «РЕСУРС-01» выполняется калибровка для последующего преобразования измеряемой спутником суммарной тепловой энергии от Земли и атмосферы в яркостные температуры по определенному алгоритму.

    Обнаружение тепловых аномалий и контроль тепловых выбросов промышленных объектов

    Обнаружение тепловых аномалий включает в себя:

  • собственно классификацию участков изображения по радиационной температуре в условиях помех и выявление аномальных на данном снимке источников излучений;
  • выявление тепловых аномалий на основе анализа временных рядов с учетом помеховой обстановки.

    Рассмотрим, как проводится классификация участков изображения по радиационной температуре и выявление аномальных источников излучений. В зависимости от помеховой обстановки, времени суток и природно-климатических условий используются различные стандартные алгоритмы выявления тепловых аномалий, а также алгоритмы, которые успешно апробированы при обнаружении пожаров.

    При отсутствии облачности наиболее удобна регистрация тепловых аномалий на основе алгоритма обнаружения по порогам температур. Участок многоканального изображения считается аномальным, если выполняются следующие условия (Табл.1):

    Для дневных температур
    Для ночных температур
    Т3 > T3p;
    T4 > T4p;
    T3-T4> T3,4p ;
    (I2 - I1)/(I2 +I1) > 0.1;    		Т3 > T3p;
    T4 > T4p;
    T3-T4 > T3,4p ;

    где - T3p, T3,4p , T4p, температурные пороги, а I2, I2, I1- интенсивность излучения в 1и 2 каналах.

    Алгоритм обработки тепловых аномалий реализован в дополнительном программном модуле «Fire detection» к пакету прикладных программ ERDAS Imagine. Температурные пороги задаются оператором в следующих интервалах: Т3р - 310-322К; Т34р - 7-15К; Т4р - 275-285К. По умолчанию, для летнего времени, задаются следующие температурные пороги: Т3=312К; Т34=15К; Т4=276К.

    В условиях разорванной облачности и больших значениях зенитного угла солнца «блики» в 3 канале от облаков, водных поверхностей и открытых участков местности резко увеличивают вероятность ложных помех. В этом случае хорошие результаты получены при использовании смешанного алгоритма используемого в программной среде «ERDAS IMAGINE».

    Методика выявления тепловых аномалий в условиях помех представлена следующей диаграммой ( рис. 1):


    Рис.1. Методика выявления тепловых аномалий в условиях помех.

    При низкой контрастности значений яркости тепловых каналов обработка производится с использованием программного продукта «ERDAS IMAGINE». Градации яркости определяются посредством обработки теплового канала методом кластерного анализа (ISODATA).

    Выявление тепловых аномалий на основе анализа временных рядов с учетом помеховой обстановки

    На абсолютные значения собственного излучения подстилающей поверхности включая техногенные объекты влияют следующие факторы:

    • время суток, угол солнца, взаимное положение спутника, участка наблюдения и солнца;
    • метеорологическая обстановка (облака, осадки, ветер);
    • характер застройки и инфраструктуры;
    • суточные изменения активности населения.

    Учет вышеперечисленных факторов возможен на основе статистических наблюдений для разделения параметров входящих в случайную и систематическую погрешности. Такая работа должна проводиться с использованием данных наземных измерений.

    Спутниковый мониторинг тепловых выбросов промышленных объектов

    При известных размерах источника тепловых излучений, например, труб ТЭЦ, прудов - охладителей, корпусов сталелитейных производств и тому подобных объектов возможно получение абсолютных значений температур. Так как контроль территорий с помощью спутников серии NOAA производится несколько раз в сутки, то такой мониторинг позволит не только выявлять тепловые загрязнения, но и осуществлять оперативный контроль состояния технических объектов.

    Выделение дымовых шлейфов, локализация источников задымления и оценки границ размывания шлейфов в пределах городской территории

    Задача выделения дымных шлейфов во многом перекликается с задачей выделения и анализа тепловых аномалий.Однако, в настоящее время не существует признаков, по которым можно по данным оптических и и тепловых измерений со спутников (ближний ИК и обычный ИК спектральные каналы) локализовать нетепловые источники загрязнений. Для решения этой задачи требуется привлекать более тонкие методы анализа, например, использование более широкого набора спектральных каналов, использование специальных методов обработки и выделения границ неоднородных областей шлейфов и распознавание их на фоне естественных образований, в частности, отделение шлейфов от облаков.

    В настоящее время практически может быть решена более узкая задача – выявление тепловых шлейфов и зон задымления от локализованных источников, то есть от таких источников, которые могут быть обнаружены по данным спектрального канала 3,5 – 3,9 мкм. Такой канал имеется и на отечественных спутниках серии «РЕСУРС- 01» (5 канал МСУ- СК), и на спутниках NOAA.

    На рис.6 показан снимок г. Москвы 14 декабря 1997 года с КА «Ресурс-О1» (прибор МСК- СК). Хорошо видны дымовые шлейфы от крупных ТЭЦ, котельных и заводских труб ( в виде узких полос длиной порядка от нескольких километров до десятков километров).

    Перспективным для решения подобной задачи является использование многоканальных (оптических и тепловых) спектральных каналов, в том числе и совмещенных данных дистанционного зондирования со спутников разных серий. Анализ серии снимков со спутников «Ресурс-О1» показал, что в результате такого совмещения источники тепловых аномалий полностью совпадают с источниками дымовых шлейфов.

    Оценка обстановки, складывающейся в результате крупных лесных, торфяных и промышленных пожаров

    Возникающие вблизи городов пожары могут сильно влиять на экологическую обстановку в городе за счет насыщения воздуха углекислым газом и продуктами горения, в отдельных случаях вызывать острый дефицит кислорода. Примерами являются торфяные пожары вблизи г. Москвы в 1972 году и пожары на нефтяной скважине (рис.3). Протяженность дымовых шлейфов достигает 100-200 км.

    Программное обеспечение, разработанное для нужд МЧС России позволяет выявлять очаги пожаров (для торфяных пожаров до возникновения дымовых шлейфов), осуществлять географическую привязку и использовать возможности современных геоинформационных систем для принятия решений. При возникновении крупных техногенных пожаров в черте города, наблюдения со спутника NOAA позволяют визуализировать район загрязнения опасными химическими веществами.



    Перспективы применения спутникового мониторинга в больших городах


    Проведенные исследования показали, что аэрокосмические методы изучения природной среды находят широкое применение в спутниковом экомониторинге мегаполисов. Метод тепловой космической съемки мегаполисов основан на безконтактном определении температуры объекта земной поверхности или среды по плотности потока излучения в инфракрасном диапазоне длин волн. Регистрируемое излучение (радиационная температура) является функцией термодинамической температуры и спектрального коэффициента излучения, характеризующего оптические свойства излучающей поверхности.

    Представим в заключение основные перспективные направления дальнейшего использования спутникового геоэкологического мониторинга больших городов:
    • Разработка методов теплового дистанционного зондирования мегаполисов и выявления изменений в состоянии окружающей среды урбанизированных территорий.
    • Оперативное обнаружение тепловых аномалий и техногенных выбросов, например, контроля тепловых выбросов ТЭЦ и промышленных объектов. Классификация участков космических снимков по радиационной температуре и выявление аномальных источников излучений. Выделение дымовых шлейфов на основе специальных алгоритмов и выделение границ неоднородных областей шлейфов. Задача выявления тепловых дымовых шлейфов и зон задымления от локализованных источников.
    • Прогнозирование переноса загрязнений в городской атмосфере,основанное на анализе структуры турбулентных полей и ветра.Известно, что распространение загрязнений в городской атмосфере определяется структурой турбулентных полей и ветра. В то время как средний ветер вызывает адвекцию (снос) примесей, турбулентность приводит к диффузионному расплыванию облака загрязнений. Характеристики крупномасштабной турбулентности определяют размеры зон, охваченных загрязнениями воздуха. Показано, что в условиях плотной городской застройки возникают благоприятные возможности возбуждения крупных вихревых структур.
    • На основе комплексного экологического мониторинга региона возможно эффективно оценивать влияние мощной техногенной системы на экологию города.
    • Построение температурных карт городов и тематических методик обработки спутниковых данных.
    • Выявление температурных аномалий и суммарных загрязнений природной среды объектами промышленного и городского хозяйства с использованием тематической дешифровки и компьютерной обработки данных ДЗЗ и ГИС-технологий.
    • Формирование единой упорядоченной информационной среды региона. Создание информационного банка знаний по космическому геоэкологическому мониторингу мегаполиса. Комплексная обработка экологической информации о мегаполисе, начиная со сбора данных и кончая ее хранением, обновлением и представлением городскому сообществу.
    • Построение динамических моделей техногенного воздействия по данным тепловой космической съемки.


    Авторы выражают признательность за поддержку РФФИ (гранты №№ 02-07-90008, 02-07-90092), ФЦП "Интеграция", Правительству Москвы в лице Московского комитета по науке и технологиям.)


    Литература

    1. Улла Скиден. Глобальный вызов Бангеманна: о международной программе Европейской Комиссии по интеграции городов в информационное общество. Журнал «Информационное Общество» 1999 г., № 4, С. 11-14.
    2. Y.Kravtsov and E.B.Kudashev, Development of environmental management for the megacity of Moscow on the basis of satellite monitoring technologies and computer telecommunication networks. UDMS. Urban Data Management Society. Proceedings of UDMS 99, p. 11.4. 21st Urban Data Management Symposium, Venice, Italy, 21–23 April 1999.
    3. E. Kudashev, Yu. Kravtsov, V.Myasnikov, M.Raev, N.Armand, V.Savorskij, M.Smirnov, Yu. Tishchenko. Remote sensing for operational applications in the Environmental monitoring of the megacities , 19 ISPRS Congress Amsterdam 2000, Proceedings, International Society for Photogrammetry & Remote Sensing, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Volume XXXIII, Part B 7/ 2, Commission VII. Amsterdam. P. 257-261.
    4. Ю.А.Кравцов, Е.Б.Кудашев,М.Д.Раев, Д.А.Бондарев, В.В.Голомолзин. Использование космического мониторинга для оценки опасности жизнедеятельности в больших городах. Физическая экология (физические проблемы экологии), № 4, С. 144–151. Изд. Физического факультета МГУ. Москва. 1999.
    5. Ю.А.Кравцов, Е.Б.Кудашев. Разработка аппаратурно-информационного комплекса для экологического мониторинга г. Москвы. Отчет ИКИ РАН по договору № Э-1/8 с от 11.03.98 с Московским Комитетом по науке и технологиям. М. 1999 г.
    6. Kravtsov Yu., Kudashev E., Raev M, Real Opportunities for Moscow Environmental Management on the basis of Remote Sensing and Internet technologies // Rivista di TELERILEVAMENTO, 4, p.32, 1998.
    7. Kravtsov Yu.A, Kudashev E.B, Satellite techniques in Early Warning systems for large towns and megacities. Proceedings of International IDNDR Conference on Early Warning Systems for the Reduction of Natural Disasters, p. 106. Potsdam, Federal Republic of Germany, September 7–11, 1998.
    8. В.П.Мясников, Н.А.Арманд, Ю.А.Кравцов, Е.Б.Кудашев, М.Д.Раев, В.П.Саворский, М.Т.Смирнов, О.В.Сюнтеренко, Ю.Г.Тищенко. Информационные технологии и информационные ресурсы космического экологического мониторинга. Вестник РФФИ, 2000 г., С. 30–37, №2, (июнь).
    9. Российско-Британский спутниковый экологический мониторинг на основе Web- и Интернет-технологий. Кадлип В., Кравцов Ю.А., Кудашев Е.Б., Раев М.Д., Сюнтюренко О.В., Арманд Н.А., Саворский В.П., Смирнов М.Т., Тищенко Ю.Г, Мясников В.П. Журнал «Информационное Общество», 2000 г , №2, С. 59-64.
    10. Интернет и космические методы в экологии России. Н.А.Арманд, Ю.А.Кравцов, Е.Б.Кудашев, В.П.Мясников, М.Д.Раев, В.П.Саворский, М.Т.Смирнов, Ю.Г.Тищенко, Инженерно-Экологический журнал», 2000 г., № 5, С. 2-19.

    Ершова Татьяна Викторовна - Генеральный директор Института развития информационного общества, руководитель Дирекции и член Координационного совета Партнерства для развития информационного общества в России.

    Кудашев Ефим Борисович - ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН, доцент механико-математического факультета МГУ им. Ломоносова, кандидат технических наук.

    Мясников Вениамин Петрович - Директор Института автоматики процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН, заведующий кафедрой вычислительной механики механико-математического факультета МГУ им. Ломоносова, доктор физико-математических наук, академик Российской академии наук.

    Сюнтюренко Олег Викторович - Директор Российского Фонда Фундаментальных исследований, доктор технических наук, профессор.

    Хохлов Юрий Евгеньевич - Председатель совета директоров Института развития информационного общества, кандидат физико-математических наук, член-корреспондент Российской инженерной академии.


    &copy Информационное общество, 2001, вып. 5, с. 38-42.