Автоматизированное определение экологического состояния территории по анализу данных спутникового радиометра MODIS

Экологический мониторинг территории с использованием данных дистанционного спутникового зондирования является весьма актуальной задачей. Только с помощью спутников возможен периодический мониторинг обширных территорий Земли. В связи с высокой антропогенной загрузкой различных участков территории возникает постоянная необходимость выявления изменений экологического состояния. Точное и своевременное выявление изменений во временных рядах спутниковых данных может предотвратить значительные убытки и негативные последствия на окружающую среду в промышленных зонах, местах добычи угля и нефтегазовой отрасли.
В настоящее время мониторинг изменений растительного покрова ведется с помощью данных спутникового радиометра MODIS [1] или подобных спутниковых приборов (например, LandSat). Тип орбиты выбран таким образом, что прибор позволяет вести непрерывный ежедневный мониторинг территорий большой протяженности в спектральных 36 каналах.
Для получения, обработки и анализа спутниковых данных нами разрабатывается автоматизированная программная система. В настоящее время, при отработке основных применяемых алгоритмов, нами используются данные спутникового прибора MODIS (MOD09GQ) с разрешением 250 м. В дальнейшем нами планируется расширить круг используемых данных, получаемых с помощью других спутниковых приборов.
Основой нашей программной системы являются сами спутниковые данные и сопутствующая им априорная информация (температура, ветер, влажность и др.), получаемая из открытых источников информации. После преобразования спутниковой и априорной информации выполняются расчеты индексов за определенный промежуток времени.
Программная система реализована как ИГИС (Интернет гео-информационная система)которая предназначена для сбора данных, хранения, предварительной обработки, обработки, анализа и графического отображения результатов расчетов в виде слоев, каждый из которых несет определенную информацию (вегетационные индексы, результаты анализа и др.). Анализ заключается в выявлении изменений экологического состояния территории на основе подхода выявления изменений во временных сериях спутниковых данных.
Ежедневно получаемые данные, хранящиеся в файлах продукта MOD09GQ, обрабатываются, и на их основе выполняется расчет индекса NDVI (а также TVI, RVI и один разрабатываемый индекс) для территории Томской и Новосибирской областей. Данная система хорошо интегрируется в существующие системы и программные продукты, в том числе в Google Earth.
Данные дистанционного зондирования, получаемые со спутников, имеют периодическую компоненту, возникающую вследствие постоянно возникающих природных событий (например, сезоны года). Для устранения вариаций индекса за счет атмосферы и рельефа, нами проводится атмосферная коррекция и учет рельефа
После расчета индекса NDVI он используются для статистических расчетов, в сравнении с предыдущими значениями, построения графиков разного типа, поиска изменений индекса, характеристики распределений, выявления разладки статистических характеристик распределений индексов и регрессионного анализа. Эти все численные манипуляции позволяют получить вариации значений индекса, на основе которых строится некоторая функция (для отрезка времени равной году).
Для получения адекватной информации о пространственно-временном поведении найденной функции мы принимаем во внимание априорную информацию, которая сопутствует спутниковым измерениям и берется из разнообразных открытых источников информации (например, влажность, ветер, приземное давление, температура и др.).
В итоге, результаты расчетов позволяют получить естественные (природные) изменения функции во времени и пространстве, за вычетом сезонных изменений, с учетом априорной информации (например, дождя). При этом, любое изменение функции, не связанное с естественными вариациями (например, пожар, стройка или др.) будут нами зафиксированы и выделены. Определение того, что же произошло в данном месте, в отмеченный период времени в настоящее время нами не диагностируется.