• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Бакалавриат 2021/2022

Основы дистанционного зондирования Земли

Направление: 05.03.02. География
Когда читается: 1-й курс, 1-4 модуль
Формат изучения: без онлайн-курса
Охват аудитории: для своего кампуса
Язык: русский
Кредиты: 4

Программа дисциплины

Аннотация

Дисциплина предназначена для студентов начальных курсов, знающих основы физической географии, физики, математической статистики и информатики. Курс направлен на формирование знаний о современных способах получения данных дистанционного зондирования и практических навыков сбора, цифровой обработки и тематической интерпретации аэрокосмических снимков для различных задач географических исследований. В курсе рассматриваются такие темы как технологии получения данных и физические основы дистанционного зондирования; свойства и особенности обработки снимков разного типа; основы тематической интерпретации данных дистанционного зондирования в географических исследованиях. Знания и навыки, полученные студентами в результате освоения данного курса, необходимы для изучения учебных дисциплин по тематическому дешифрированию и анализу изображений, пространственному моделированию окружающей среды; для прохождения учебной полевой практики; при подготовке курсовых и квалификационных работ в части самостоятельного подбора и обработки данных дистанционного зондирования.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Формирование знаний о современных технологиях дистанционного зондирования и о сферах их применения для тематических географических исследований на разных масштабных уровнях
  • Приобретение практических навыков сбора, автоматизированной обработки и тематической интерпретации данных дистанционного зондирования различного типа для географических исследований
Планируемые результаты обучения

Планируемые результаты обучения

  • 1. Объясняет особенности регистрации излучения от поверхности Земли в разных спектральных диапазонах и при разных способах дистанционного зондирования
  • 2. Определяет тип цифрового снимка по источнику получения, спектральному, пространственному разрешению; использует разные способы визуализации снимков
  • 3. Проводит геометрическую привязку, коррекцию и ортотрансформирование снимков
  • 4. Принимает решение о необходимости радиометрической калибровки и атмосферной коррекции снимков и непосредственно производит такую коррекцию, создает и тематически интерпретирует индексные изображения; проводит предварительную обработку радиолокационных снимков
  • 5. Обоснованно выбирает параметры съемки и обработки сверхвысокодетальных оптических данных с БПЛА в зависимости от места проведения и тематики географических исследований
  • 6. Подбирает данные, необходимые для решения конкретной тематической научной или прикладной задачи географического исследования из современного фонда аэрокосмических снимков и производных продуктов их обработки, используя все имеющиеся возможности доступа к таким данным
  • 7. Распознает и выделяет географические объекты на аэрокосмических снимках различного пространственного разрешения и типа
  • 8. Разрабатывает схемы визуального и автоматизированного дешифрирования аэрокосмических снимков различного пространственного разрешения и типа
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Введение. Значение дистанционного зондирования для географических исследований.
    Базовые понятия и определения. Особенности и преимущества использования данных и материалов дистанционного зондирования для обеспечения тематических и комплексных географических исследований и решения задач географического картографирования. История развития методов и технологий дистанционного зондирования: наземной, аэро- и космической съемок. Актуальные тенденции в области получения и тематической обработки данных дистанционного зондирования. Спутниковые навигационные системы и дистанционное зондирование. Современные национальные и международные правовые аспекты дистанционного зондирования.
  • Основные технологии получения данных дистанционного зондирования
    Регистрация электромагнитного излучения. Пассивные и активные способы зондирования. Виды съемочной аппаратуры и ее носителей. Фотографическая съемка. Принцип цифровой съемки и сканерные снимки. Дистанционное зондирование Земли из космоса в оптическом, тепловом диапазонах и радиодиапазоне. Особенности орбит космических аппаратов и их влияние на свойства получаемых данных дистанционного зондирования. Мультиспектральная и гиперспектральная съемка. Спутниковая микроволновая радиометрия. Радиолокационная съемка. Съемка с пилотируемых аэроносителей и беспилотных летательных аппаратов в оптическом и тепловом диапазонах. Наземная фотограмметрическая, тепловизионная съемка и спектрометрирование. Воздушное и наземное лазерное сканирование. Классификации данных дистанционного зондирования в зависимости от источников и технологических способов их получения.
  • Физические основы дистанционного зондирования Земли.
    Спектр электромагнитных волн. Электромагнитное излучение и его взаимодействие с атмосферой. Окна прозрачности атмосферы. Отражательная и излучательная способность объектов земной поверхности. Закон смещения Вина. Спектральные свойства географических объектов в оптическом диапазоне. Взаимодействие электромагнитного излучения с поверхностью Земли. Поверхностное и объемное рассеяние электромагнитного излучения. Особенности регистрации электромагнитного излучения от поверхности Земли и формирования изображений в различных спектральных диапазонах.
  • Аэрокосмические снимки как пространственные данные
    Разрешающая способность съемочной аппаратуры и пространственное разрешение снимков. Соотношение масштаба, обзорности и пространственного разрешения снимка. Типы снимков по спектральному разрешению. Радиометрическое разрешение. Тепловое разрешение. Факторы, определяющие временное разрешение снимков: периодичность и оперативность их получения. Комплексная система классификации снимков. Свойства цифровых снимков как двумерных изображений и многомерных пространственных данных. Анализ гистограммы изображения. Создание цветных синтезированных изображений. Программное обеспечение, используемое для обработки и анализа снимков разного типа.
  • Компьютерная обработка аэрокосмических снимков в оптическом диапазоне для улучшения их изобразительных и дешифровочных свойств
    Аналогово-цифровое преобразование. Радиометрическая калибровка снимков в оптическом диапазоне. Относительная и абсолютная атмосферная коррекция, целесообразность ее применения. Особенности радиометрической калибровки снимков в тепловом диапазоне. Пространство спектральных признаков и его преобразования. Спектральные индексы и их тематическая интерпретация. Свёрточные фильтры. Пространственная фильтрация монохромных изображений. Увеличение пространственного разрешения мультиспектральных изображений по панхроматическому каналу. Создание мозаичных изображений.
  • Геометрические свойства аэрокосмических снимков
    Геометрические свойства одиночного кадрового снимка при съемке в надир. Основные источники геометрических искажений. Геометрические особенности космических снимков в зависимости от типов съемочной аппаратуры, орбитальных параметров космических аппаратов. Геометрия радиолокационных изображений. Виды геометрической коррекции аэрокосмических снимков. Геометрическая коррекция с использованием модели съемочной системы и RPC-коэффициентов. Методы трансформации изображений и правила выбора опорных точек. Корегистрация изображений. Ортотрансформирование изображений.
  • Особенности предварительной обработки и тематической интерпретации радиолокационных снимков
    Характеристики объектов земной поверхности, влияющие на особенности радиолокационного изображения. Форма записи радиолокационного сигнала. Зависимость радиолокационного изображения от длины волны и поляризации сигнала. Способы устранения специфических для радиолокационных снимков геометрических и яркостных искажений. Некогерентное накопление. Фильтрация спекл-шума. Радиометрическая калибровка и нормализация. Расчет когерентности. Поляриметрическая декомпозиция и создание цветных синтезированных изображений. Текстурные индексы и их тематическая интерпретация. Преимущества и возможности использования радиолокационной съемки в географических исследованиях.
  • Современный фонд данных дистанционного зондирования
    Сравнительный анализ возможностей использования снимков различных съемочных систем для географических исследований на разных пространственных и временных уровнях. Открытые данные дистанционного различия различных уровней обработки, полученные различными съемочными системами ресурсных спутников миссий Landsat, Sentinel, Terra/Aqua. Основные геопорталы и веб-картографические сервисы открытых данных дистанционного зондирования. Возможности доступа к коммерческим спутниковым данным высокого и сверхвысокого пространственного разрешения (PlanetScope, DigitalGlobe и др.), государственным данным РКС и условия их использования. Возможности и условия использования глобальных мозаик высокодетальных космических снимков сервисов GoogleEarth и др. Электронные фонды производных материалов и тематических продуктов дистанционного зондирования.
  • Основы дистанционного зондирования с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)
    Виды и особенности данных с БПЛА, их значение и преимущества для тематических высокодетальных исследований. Лимитирующие географические факторы при планировании и проведении съемок. Влияние режима съемки, съемочной платформы и камеры на свойства снимков. Особенности пилотирования БПЛА самолетного и мультироторного типа в автоматическом и ручном режиме. Программные средства пилотирования. Объектно-ориентированный подход к выбору угла наклона съемки, времени и повторяемости съемок с БПЛА Обоснование выбора высотных эшелонов съемки. Проблема «мертвых зон» съемки и способы ее решения. Технологическая схема обработки исходных снимков и облаков точек для получения производных трехмерных моделей и ортофотоизображений. Перспективные сферы применения данных БПЛА в тематических и комплексных географических исследованиях.
  • Основы тематической интерпретации данных дистанционного зондирования в географических исследованиях
    Дешифровочные признаки: прямые (простые и сложные) и косвенные; их значимость в зависимости от пространственного разрешения снимков и целей исследования. Географическое разрешение снимков. Дешифровочные эталоны. Индикационное дешифрирование аэрокосмических снимков – важнейший метод дистанционного изучения структуры и динамики современных ландшафтов в условиях глобальных изменений. Мультивременной анализ данных дистанционного зондирования для мониторинга состояния окружающей среды на разных масштабных уровнях.
  • Технология и методика дешифрирования
    Восприятие изображений разных типов при визуальном дешифрировании. Критерии подбора аэрокосмических снимков и процедуры их предварительной обработки для использования при составлении схем дешифрирования и цифровых карт. Основные стратегии и этапы визуального дешифрирования аэрокосмических снимков – полевого и камерального. Полевое эталонирование снимков и подспутниковые исследования. Основы автоматизированного дешифрирования: создание и тематическая интерпретация индексных изображений, алгоритмы классификации, правила набора обучающих и тестовых выборок. Оценка надежности результатов дешифрирования. Основные подходы к дешифрированию мультивременных изображений.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Практическая работа 1 "История дистанционного зондирования"
    Практические работы являются важнейшей и неотъемлемой составляющей данной дисциплины, и выполняются преимущественно в виде компьютерных практикумов как в течение семинарских занятий, так и в часы самостоятельной работы. Содержание практических работ и дополняющих их заданий для самостоятельной работы раскрывает и дополняет содержание отдельных разделов лекционной части дисциплины, и в целом направлено на приобретение студентами практических навыков компьютерной обработки и визуализации данных дистанционного зондирования различных типов в нескольких специализированных программных пакетах: как открытых, так и лицензионных. В начале каждого семинарского занятия преподаватель формулирует цель и задачи практической работы, демонстрирует порядок ее выполнения, определяет структуру отчета о работе и оговаривает сроки окончательной сдачи работы, а также обеспечивает студентов необходимыми данными дистанционного зондирования и оказывает в контактные часы необходимую методическую поддержку. Отчет о практической работе содержит полученные в результате обработки цифровые данные, подробную наглядную демонстрацию этапов выполнения работы в виде скриншотов, необходимые методические пояснения, общие выводы.
  • неблокирующий Домашнее задание 1 (Раздел 6) Привязка аэрокосмического снимка
    Домашнее задание выполняется студентом индивидуально в часы самостоятельной работы. Итогом выполнения домашнего задания является отчет в письменном виде и при необходимости – полученные данные дистанционного зондирования или цифровые результаты их обработки. На установочном семинарском занятии преподаватель определяет территорию исследования (индивидуальную для каждого студента), набор используемых данных дистанционного зондирования; разъясняет необходимые технические вопросы, в т.ч. связанные с использованием специализированного ПО, определяет методику и порядок выполнения задания; приводит примеры результатов задания и устанавливает правила оформления отчетных материалов.
  • неблокирующий Практическая работа 5.1 (Раздел 5).
    Предварительная обработка мультиспектральных изображений в оптическом диапазоне. Радиометрическая калибровка и атмосферная коррекция
  • неблокирующий Практическая работа 7 (Раздел 7)
    Получение, предварительная обработка и интерпретация радиолокационных изображений
  • неблокирующий Практическая работа 8 (Раздел 9)
    Формирование полетного задания для БПЛА мультироторного типа с различными параметрами съемки выбранного объекта или участка территории
  • неблокирующий Практическая работа 10 (Раздел 11)
    Автоматизированное выявление и анализ изменений земельного покрова/землепользования по серии разновременных мультиспектральных снимков
  • неблокирующий Коллоквиум 1 (раздел 8)
    Коллоквиум проводится в формате устного представления и обсуждения результатов отчетов ранее выполненных домашних заданий. Преподаватель устанавливает регламент выступлений, представляющих проект и время на общее обсуждение всех прослушанных докладов.
  • неблокирующий Практическая работа 2 (Раздел 2)
    Орбитальные параметры искусственных спутников Земли и планирование съемок
  • неблокирующий Практическая работа 3 (Раздел 3)
    Спектральные образы природных и антропогенных объектов Критерии оценивания
  • неблокирующий Практическая работа 4 (Раздел 4)
    Способы визуализации и предварительный анализ мультиспектральных изображений с использованием специализированного программного обеспечения
  • неблокирующий Экзамен (модуль 1)
    Экзамен в форме контрольного теста проводится в конце 1 модуля для проверки приобретенных в результате освоения Разделов 1-4 знаний о физических и технологических основах дистанционного зондирования, истории и современного состояния этой предметной области. Состоит из 10 вопросов. Взвешенная сумма ответов на все вопросы оценивается максимум в 10 баллов,
  • неблокирующий Практическая работа 5.2 (Раздел 5)
    Создание, анализ и интерпретация индексных изображений для выявления объектов разного типа по мультиспектральным данным дистанционнного зондирования
  • неблокирующий Практическая работа 6 (Раздел 6)
    Геометрическая коррекция мультиспектрального снимка по опорным точкам, локальная коррекция, корегистрация и ортотрансформирование
  • неблокирующий Практическая работа 9 (Раздел 11)
    Автоматизированное дешифрирование типов земельного покрова/землепользования по снимкам Sentinel-2 с использованием различных алгоритмов классификации изображений
  • неблокирующий Домашнее задание 2 (Раздел 8)
    Работа с электронными фондами аэрокосмических снимков. Анализ обеспеченности аэрокосмическими снимками и производными продуктами их обработки выбранной территории на заданный временной интервал; подготовка каталога метаданных и оценка применимости собранных данных для географических исследований данной территории. Домашнее задание выполняется студентом в часы самостоятельной работы. В период подготовки домашнего задания и представления его результатов на коллоквиуме проводятся регулярные онлайн-консультации с преподавателями.
  • неблокирующий Экзамен (Разделы 1–9)
    Экзамен проводится в конце 3 модуля в письменном виде Экзаменационный билет включает 5 контрольных вопросов, проверяющих знания содержания разделов 1-10 в виде кратких закрытых тестов, и произвольное цифровое изображение снимка, визуальный анализ которого позволит ответить на 3 предложенных вопроса в виде открытого и закрытых тестов. Взвешенная сумма ответов на все вопросы оценивается максимум в 10 баллов.
  • неблокирующий Домашнее задание 3 (Раздел 10)
    По серии снимков различного пространственного и спектрального разрешения на выбранную территорию, отобранных в результате выполнения Домашнего задания 2, студент составляет таблицу дешифровочных эталонов различных географических объектов и пояснительную записку к ней Домашнее задание выполняется студентом в часы самостоятельной работы. В период подготовки домашнего задания проводятся регулярные онлайн-консультации с преподавателями
  • неблокирующий Домашнее задание 4 (Раздел 11)
    Составление схемы визуального тематического дешифрирования мультиспектрального снимка высокого разрешения на выбранную территорию Домашнее задание выполняется студентом в часы самостоятельной работы. В период подготовки домашнего задания проводятся регулярные онлайн-консультации с преподавателями.
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (1 модуль)
    0.1 * Практическая работа 1 "История дистанционного зондирования" + 0.2 * Практическая работа 2 (Раздел 2) + 0.2 * Практическая работа 3 (Раздел 3) + 0.2 * Практическая работа 4 (Раздел 4) + 0.3 * Экзамен (модуль 1)
  • Промежуточная аттестация (3 модуль)
    0.1 * Домашнее задание 1 (Раздел 6) Привязка аэрокосмического снимка + 0.1 * Домашнее задание 2 (Раздел 8) + 0.05 * Коллоквиум 1 (раздел 8) + 0.1 * Практическая работа 5.1 (Раздел 5). + 0.1 * Практическая работа 5.2 (Раздел 5) + 0.2 * Практическая работа 7 (Раздел 7) + 0.1 * Практическая работа 8 (Раздел 9) + 0.25 * Экзамен (Разделы 1–9)
  • Промежуточная аттестация (4 модуль)
    0.25 * Домашнее задание 3 (Раздел 10) + 0.25 * Домашнее задание 4 (Раздел 11) + 0.25 * Практическая работа 10 (Раздел 11) + 0.25 * Практическая работа 9 (Раздел 11)
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • James B. Campbell, & Randolph H. Wynne. (2011). Introduction to Remote Sensing, Fifth Edition: Vol. 5th ed. The Guilford Press.

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Margarita N. Favorskaya, & Lakhmi C. Jain. (2017). Handbook on Advances in Remote Sensing and Geographic Information Systems : Paradigms and Applications in Forest Landscape Modeling. Springer.
  • Sam J. Purkis, & Victor V. Klemas. (2011). Remote Sensing and Global Environmental Change. Wiley-Blackwell.
  • Siamak Khorram, Cynthia F. van der Wiele, Frank H. Koch, Stacy A. C. Nelson, & Matthew D. Potts. (2016). Principles of Applied Remote Sensing (Vol. 1st ed. 2016). Springer.
  • Steven M. de Jong, & Freek D. van der Meer. (2004). Remote Sensing Image Analysis: Including the Spatial Domain. Springer.