Основы дистанционного зондирования Земли

Бакалавриат 2021/2022

Лучший по критерию «Полезность курса для Вашей будущей карьеры»

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс обязательный (География глобальных изменений и геоинформационные технологии)

Направление: 05.03.02. География

Кто читает: Базовая кафедра Института географии РАН

Где читается: Факультет географии и геоинформационных технологий

Когда читается: 1-й курс, 1-4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Охват аудитории: для своего кампуса

Преподаватели: Бушуева Ирина Сергеевна, Грищенко Михаил Юрьевич, Медведев Андрей Александрович, Тельнова Наталья Олеговна, Трошко Ксения Анатольевна

Язык: русский

Кредиты: 4

Контактные часы: 96

Дополнительные материалы в LMS Задать вопрос

Аннотация

Дисциплина предназначена для студентов начальных курсов, знающих основы физической географии, физики, математической статистики и информатики. Курс направлен на формирование и развитие знаний о современных способах получения данных дистанционного зондирования Земли и практических навыков сбора, цифровой обработки и тематической интерпретации аэрокосмических снимков для различных задач географических исследований и мониторинга глобальных изменений. В курсе последовательно рассматриваются такие темы как: технологии получения данных и физические основы дистанционного зондирования Земли; геометрия космического полета и планирование спутниковых съемок; свойства снимков разного типа, в т.ч. оптических и радиолокационных, и особенности цифровой обработки таких изображений; основы визуального и автоматизированного тематического дешифрирования данных дистанционного зондирования в географических исследованиях. В рамках семинарских занятий и самостоятельной работы студенты последовательно выполняют целостный перечень работ компьютерного практикума с использованием различного специализированного и геоинформационного ПО: от планирования съемок конкретной территории до цифровой тематической обработки временных серий изображений и их классификации с использованием ансамблевых и нейросетевых алгоритмов машинного обучения. Практическая подготовка также реализуется в формате групповых и индивидуальных проектных работ по использованию технологий и данных дистанционного зондирования в конкретных географических кейсах. Знания и навыки, полученные студентами в результате освоения данного курса, необходимы и востребованы для дальнейшего изучения учебных дисциплин по тематической интерпретации и анализу изображений методами машинного обучения и компьютерного зрения, пространственному моделированию окружающей среды; при прохождения учебных полевых практик, при подготовке проектных и квалификационных работ в части самостоятельного подбора, обработки и анализа данных дистанционного зондирования.

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

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

Введение. Значение дистанционного зондирования для географических исследований.
Основные технологии и источники получения данных дистанционного зондирования
Физические основы дистанционного зондирования Земли
Аэрокосмические снимки как пространственные данные
Цифровая обработка изображений в оптическом диапазоне для улучшения их изобразительных и дешифровочных свойств
Геометрические свойства аэрокосмических снимков
Особенности предварительной обработки и тематической интерпретации радиолокационных изображений
Современный фонд данных дистанционного зондирования
Основы фотограмметрической обработки аэрокосмических снимков
Основы дистанционного зондирования с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)
Основы тематической интерпретации данных дистанционного зондирования в географических исследованиях. Визуальное дешифрирование
Технология и методика автоматизированного дешифрирования

Элементы контроля

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.
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.
Практическая работа 5.1 Радиометрическая калибровка и атмосферная коррекция" (Раздел 5).
Предварительная обработка мультиспектральных изображений в оптическом диапазоне. Радиометрическая калибровка и атмосферная коррекция
Практическая работа 7 "Радиолокационные изображения" (Раздел 7)
Получение, предварительная обработка и интерпретация радиолокационных изображений
Практическая работа "Формирование полетного задания для БПЛА" (Раздел 10)
Формирование полетного задания для БПЛА мультироторного типа с различными параметрами съемки выбранного объекта или участка территории
Практическая работа "Автоматизированное выявление изменений" (Раздел 12)
Автоматизированное выявление и анализ изменений земельного покрова/землепользования по серии разновременных мультиспектральных снимков
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.
Практическая работа 2 (Раздел 2)
Орбитальные параметры искусственных спутников Земли и планирование съемок
Практическая работа 3 (Раздел 3)
Спектральные образы природных и антропогенных объектов Критерии оценивания
Практическая работа 4 (Раздел 4)
Способы визуализации и предварительный анализ мультиспектральных изображений с использованием специализированного программного обеспечения
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,
Практическая работа 5.2 "Спектральные преобразования" (Раздел 5)
Создание, анализ и интерпретация индексных изображений для выявления объектов разного типа по мультиспектральным данным дистанционнного зондирования
Практическая работа 6 (Раздел 6)
Геометрическая коррекция мультиспектрального снимка по опорным точкам, локальная коррекция, корегистрация и ортотрансформирование
Практическая работа "Стереофотограмметрическая обработка изображений" (Раздел 9)
Выполнение наземной фотограмметрической съемки одиночного объекта и стереофотограмметрическая обработка полученных данных.
Практическая работа "Автоматизированное дешифрирование и классификация изображений" (Раздел 12)
Автоматизированное дешифрирование типов земельного покрова/землепользования по снимкам Sentinel-2 с использованием различных алгоритмов классификации изображений
Домашнее задание 2 "Фонды аэрокосмических снимков" (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.
Экзамен (Разделы 1–9)
Экзамен проводится в конце 3 модуля в письменном виде Экзаменационный билет включает 5 контрольных вопросов, проверяющих знания содержания разделов 1-9 в виде кратких закрытых тестов, и произвольное цифровое изображение, 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.
Домашнее задание 3 "Эталонирование снимков" (Раздел 11)
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
Домашнее задание 4 "Визуальное дешифрирование" (Раздел 12)
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

2021/2022 учебный год 1 модуль
0.3 * Экзамен (модуль 1) + 0.2 * Практическая работа 2 (Раздел 2) + 0.2 * Практическая работа 4 (Раздел 4) + 0.2 * Практическая работа 3 (Раздел 3) + 0.1 * Практическая работа 1 "История дистанционного зондирования"
2021/2022 учебный год 3 модуль
0.05 * Коллоквиум 1 (раздел 8) + 0.25 * Экзамен (Разделы 1–9) + 0.15 * Домашнее задание 2 "Фонды аэрокосмических снимков" (Раздел 8) + 0.05 * Практическая работа "Стереофотограмметрическая обработка изображений" (Раздел 9) + 0.1 * Практическая работа 5.2 "Спектральные преобразования" (Раздел 5) + 0.2 * Домашнее задание 1 (Раздел 6) Привязка аэрокосмического снимка + 0.1 * Практическая работа 5.1 Радиометрическая калибровка и атмосферная коррекция" (Раздел 5). + 0.1 * Практическая работа 7 "Радиолокационные изображения" (Раздел 7)
2021/2022 учебный год 4 модуль
0.06 * Практическая работа "Формирование полетного задания для БПЛА" (Раздел 10) + 0.045 * Практическая работа "Автоматизированное дешифрирование и классификация изображений" (Раздел 12) + 0.075 * Домашнее задание 3 "Эталонирование снимков" (Раздел 11) + 0.5 * 2021/2022 учебный год 3 модуль + 0.075 * Домашнее задание 4 "Визуальное дешифрирование" (Раздел 12) + 0.045 * Практическая работа "Автоматизированное выявление изменений" (Раздел 12) + 0.2 * 2021/2022 учебный год 1 модуль

Список литературы

Авторы

Тельнова Наталья Олеговна
Бушуева Ирина Сергеевна
Медведев Андрей Александрович
Трошко Ксения Анатольевна

Программа дисциплины