Теоретические и практические основы дистанционного зондирования Земли как базовая дисциплина бакалаврской программы факультета географии и геоинформационных технологий НИУ ВШЭ

Факультет географии и геоинформационных технологий научно-исследовательского университета «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ) был создан в 2019 г. при поддержке Института географии РАН и на основе его базовой кафедры в НИУ ВШЭ. На реализующейся на факультете с 2020 г. основной программы бакалавриата «География глобальных изменений и геоинформационных технологии» обучение студентов теоретическим и практическим основам дистанционного зондирования Земли ведется в течение всего первого года их обучения параллельно с базовыми общегеографическими дисциплинами, цифровой картографией и геоинформатикой. За 5 лет преподавания дисциплины «Основы дистанционного зондирования Земли» нами накоплен успешный опыт преподавательских практик и методических подходов, позволяющий вчерашним абитуриентам последовательно приобрести как базовые знания о физических и технологических основах дистанционного зондирования Земли, сферах применения данных в контексте глобальных и региональных изменений окружающей среды, так и сформировать устойчивые навыки цифровой обработки спутниковых изображений различного пространственного разрешения и типа, и их географически осмысленной тематической интерпретации, комплексного дешифрирования и тематического картографирования. Эффективность освоения дисциплины, неоднократно высоко отмечаемой студентами за новизну полученных знаний и полезность курса для будущей профессиональной карьеры, можно оценить по большому количеству и высокому уровню выполняемых на последующих курсах исследовательских проектов и выпускных квалификационных работ, где широко используются методы дистанционной индикации географических объектов и процессов, алгоритмы классификации, мультивременного и мультисенсорного анализа данных дистанционного зондирования.
Изучение дисциплины проходит при равном объеме лекционного теоретического материала и практических занятий разного типа, организованных в 14 тематических раздела. Распознаванию географических объектов на различных изображениях уделяется особое внимание с первых лекций и семинаров на курсе. Непосредственное знакомство студентов с историей аэрокосмических съемок ведется с демонстрацией и непосредственным тематическим анализом уникальных материалов архивной аэрофотосъемки и аэрокиносъемки (1934-1991) из архива отдела картографии и дистанционного зондирования Земли Института географии РАН. На первых занятиях компьютерного практикума студенты закрепляют знания о современных технологиях дистанционного зондирования, составляя планы съемок конкретных территорий для конкретной задачи дистанционного мониторинга; знания фундаментальных физических основ ДЗЗ проверяются при самостоятельной работе студентов над построением и анализом спектрограмм различных природных и техногенных объектов. Заинтересованность студентов поддерживается тем, что в рамках таких практических работ им предлагается смоделировать ситуацию, в которой они выступают в роли экспертов в области дистанционного зондирования, для решения конкретной прикладной географической задачи. Все предлагаемые к выполнению варианты работ компьютерного практикума являются индивидуальными.
Непосредственно к цифровой обработке изображений студенты приступают после двух месяцев обучения на курсе «Основы дистанционного зондирования Земли». Традиционно большой объем учебного материала связан с обработкой и преобразованиями мультиспектральных данных оптического диапазона: визуализацией и созданием цветных композитов, радиометрической и геометрической коррекцией, спектральными и пространственно-спектральными преобразованиями. В качестве учебных данных для индивидуальных вариантов рассматриваются преимущественно открытые данные среднего разрешения (Landsat всех поколений, Sentinel-2), а также государственные и коммерческие данные, имеющиеся в фондах Отдела картографии и ДЗЗ Института географии РАН, в т.ч. данные архивных и оперативной съемок группировок Канопус и Ресурс П.
Отдельные разделы дисциплины посвящены основам тематической интерпретации и цифровой обработки данных активной радиолокации; степеофотограмметрической обработке изображений с БПЛА, составлению плана полетов в зависимости от требуемых для решения различных географических задач охвата и пространственного разрешения; самостоятельному выполнению наземных фотограмметрических съемок и обработке получаемых данных.
Курс завершают разделы «Современный фонд спутниковых снимков», «Основы тематической интерпретации снимков» и «Технология и методика дешифрирования». Практическая часть тут организована в виде целостных и продолжительных проектных работ, выполняемых студентами в малых группах. Темы проектов, предлагаемые преподавателями курса в т.ч. на основе их научных интересов, имеющихся авторских публикаций и выполненных проектов, посвящены решению различных тематических задач дистанционного мониторинга, и привязаны к конкретным территориям. Тематика и география проектов ежегодно меняются и имеют широкий охват: «Мониторинг дрейфа айсберга A-23в Антарктике» (куратор проектной работы И.С. Бушуева»), ««Деградация и мелиорация сельскохозяйственных земель в процессе эксплуатации Черноземельской ООС (Республика Калмыкия), 1970-2020-е гг», «Экологические проблемы, вызванные освоением Ново-Шемурского месторождения, Северный Урал 2010-2020-е гг.» (куратор Н.О. Тельнова). Для каждого проекта группа вначале подбирает и каталогизирует имеющиеся данные ДЗЗ, публично представляет результаты предварительного анализа выявленных по временным сериям снимков изменения. Для смежных участков территории интереса участниками проектной группы составляются схемы визуального комплексного дешифрирования и разрабатывается сводная легенда к ним. Автоматизированное дешифрирование территорий тех же участков предполагает разработку индивидуальных наборов обучающих выборок, проведение классификации несколькими методами машинного обучения, автоматизированное выявление и пространственный анализ изменений. Курс завершается представлением индивидуальных портфолио проектных работ студентами, успешно освоившими дисциплину «Основы дистанционного зондирования Земли».
Практикоориентированность заданий и проектов, выполняемых в процессе освоения дисциплины, индивидуализация вариантов практических, домашних и проектных работ благодаря огромному фонду данных дистанционного зондирования, постоянный акцент на географически грамотном «чтении» изображений, а также разнообразие используемых форм индивидуального, группового и взаимного оценивания, способствует глубокому освоению теоретических и практических основ дистанционного зондирования Земли уже на первом году обучения студентов-географов НИУ ВШЭ, и позволяет им успешно использовать полученные знания в дальнейшей учебе на программе, в рамках учебных полевых практик, при подготовке проектных и квалификационных работ в части подбора, цифровой обработки и тематического анализа данных ДЗЗ различного пространственного разрешения и типа.
В части подбора учебных данных работа выполнена в рамках Госзадания "Разработка методов геоинформационного анализа, картографирования и дистанционного мониторинга компонентов природной среды и антропогенных объектов (FMWS-2024-0009) 2024 / 2028".