ДЕРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
ЗАПАДНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
Города Москвы
«Школа №97»
121357 г. Москва, улица Кременчугская, дом 46, телефон (499) 445 - 06 – 64
Использование метода визуального детектирования для обнаружения и оценки параметров объектов захоронения отходов
Игнатьев Даниил, Давыдов Артем
9 класс, ГБОУ школа №97, г. Москва
Научный консультант: Рихтер А.А., инженер-программист НИИ АЭРОКОСМОС
Куратор проекта: Музыченко С.Н., учитель ГБОУ школа №97
Москва
2017 г.
ВВЕДЕНИЕ. 3
ГЛАВА.I. Цель, задачи, методы организации исследования. 3
ГЛАВА. II. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ (ДЗЗ). 4
2.1. Общие представления о дистанционном зондировании Земли. 4
2.2. Области применения данных дистанционного зондирования. 4
2.3. Общие сведения и основные возможности Google Earth. 5
ГЛАВА.III. Мониторинг объектов захоронения отходов. 6
3.1. Как контролировать свалки мусора. 6
3.2. Мониторинг несанкционированной свалки. 7
3.3. Особенности визуального детектирования свалок по космическим снимкам. 8
ГЛАВА.IV. Использование основных возможностей Google Earth для решения задач визуального детектирования ОЗО. 9
4.1. Поиск захламлений территории. 9
4.2. Исследование существующих полигонов ТБО. 9
4.3. Применение возможностей программы Google Earth в задаче космического мониторинга ОЗО. 11
ГЛАВА.V. Результаты мониторинга и их обсуждения. 12
ГЛАВА.VI. ВЫВОДЫ. 13
Список интернет-ресурсов. 14
ВВЕДЕНИЕ.
Актуальность. Российская Федерация занимает ощутимую часть всей суши планеты. Использованием специальных «упрощающих» методов космического мониторинга можно сэкономить финансовые средства на локальных, полевых методах и перейти к глобальным, аэрокосмическим технологиям. С помощью аэрокосмических методов экологического мониторинга ОЗО исследования могут быть запущены на «конвейер».
Практическая значимость данной работы заключается в организации мониторинга ОЗО (объект захоронения отходов), содействие государственным органам в выявлении незаконных захоронений отходов.
Настоящая работа выполнена при поддержке научно-образовательного клуба (НОК) "Космический экологический дозор" и школы Инженерный лицей "Интеллект".
ГЛАВА.I. Цель, задачи, методы организации исследования.
Цель данной работы: выявление несанкционированных мусорных свалок и контроль правильности эксплуатации существующих полигонов ТБО, используя данные дистанционного зондирования Земли из космоса.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Научиться наносить на карты объекты ТБО, используя картографические ресурсы в интернете как интеграторы различной информации;
Описывать несанкционированные мусорные свалки;
Выявлять нарушения правил эксплуатации полигонов ТБО.
Методы исследования:
1.Космический мониторинг с помощью программного средства Google Планета Земля;
2.Анализ литературы по выбранной теме.
ГЛАВА. II. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ (ДЗЗ).
2.1. Общие представления о дистанционном зондировании Земли.
Под дистанционным зондированием Земли (ДЗЗ) понимают неконтактное изучение Земли, ее поверхности, приповерхностного пространства и недр, отдельных объектов, динамических процессов и явлений путем регистрации и анализа их собственного или отраженного электромагнитного излучения. Регистрацию можно выполнять с помощью технических средств, установленных на аэро- и космических летательных аппаратах, а также на земной поверхности, например при исследовании динамики эрозионных и оползневых процессов и др. [6].
Дистанционное зондирование, интенсивно развиваясь, выделилось в самостоятельное направление использования снимков.
2.2. Области применения данных дистанционного зондирования.
Применение космических снимков может осуществляться для решения пяти задач.
1. Использование снимка в качестве простейшей карты или, точнее, основы, на которую можно наносить данные из других источников в отсутствие более точных карт, отображающих современную обстановку.
2. Определение пространственных границ и структуры объектов для определения их размеров и измерения соответствующих площадей.
3. Инвентаризация пространственных объектов на определенной территории.
4. Оценка состояния территории.
5. Количественная оценка некоторых свойств земной поверхности.
Дистанционное зондирование является перспективным методом формирования баз данных, пространственное, спектральное и временное разрешение которых будет достаточным для решения задач рационального использования природных ресурсов. Дистанционное зондирование является эффективным методом инвентаризации природных ресурсов и мониторинга их состояния. Поскольку ДЗЗ позволяет получать информацию о любых областях Земли, включая поверхность морей и океанов, сферы применения этого метода действительно безграничны. Основой для эксплуатации природных ресурсов служит анализ информации о землепользовании и состоянии земных покровов. Помимо сбора такой информации дистанционное зондирование используют также для изучения таких природных катастроф, как землетрясения, наводнения, оползни и оседания почвы [6].
2.3. Общие сведения и основные возможности Google Earth.
Геопортал Google Earth (русский вариант «Google Планета Земля») стал общедоступным в 2005 году. Прототип продукта изначально был выпущен компанией Keyhole, а затем приобретён компанией Google и интегрирован с одноимённой поисковой системой. Отличительной чертой геопортала является то, что все данные об объектах земного пространства размещены на виртуальном интерактивном глобусе планеты Земля. Имеются также модели звёздного неба, глобусы Луны и Марса. Работа данного сервиса возможна как на персональном компьютере, так и на мобильном телефоне или планшете. Сервис Google Earth предоставляет доступ к снимкам высокого разрешения (аналогично Google Maps), а также содержит в себе большое количество инструментов для управления, навигации над поверхностью; имеется возможность добавлять метки, пути, полигоны, а также измерять расстояния. Возможно отображение различной дополнительной информации, например, границ и названий, фотографий, погоды, данных сторонних ресурсов (видео, панорамы, снимков спутника GeoEye и пр.). Особый интерес вызывают «Исторические фотографии», то есть архивные снимки высокого разрешения с указанной датой съёмки. Зачастую один и тот же объект на планете снимается спутниками неоднократно и в GE представляется возможным просмотреть некоторые доступные снимки, снятые в разное время и сравнить изменения, либо сделать какой-то пространственно-временной анализ.
ПС Google Планета Земля (Google Earth) представляет собой модели огромных объектов, таких как планеты и спутники (Земля, Марс, Луна), их проекции (3D-проекции, дно океана и др.), звездное небо (заданное относительно планеты Земля).
Модель Земли задана с различным пространственным разрешением с использованием аэрокосмических изображений ее поверхности. Например, Москва снята с разрешением 0.6 м/пк, а многие города США – c разрешением 0.15 м/пк.
Карты Google (Google Maps, ранее Google Local) – набор приложений, построенных на основе бесплатного картографического сервиса и технологии, предоставляемых компанией Google. Созданы в 2005 г. Сервис представляет собой карту и спутниковые снимки планеты Земля, причем карта может быть в «видимом» (фотография поверхности) или «модельном» (схема поверхности) варианте.
Полезные ссылки:
1. Страница «Google Планета Земля» сайта [1] – общая информация о программе. Описание сервиса, основные возможности, общие сведения о версиях программы, а также множество других связанных с ней ссылок;
2. Раздел [2]– знакомство с ПС, руководства, сам ПС для скачивания или приобретения. Это комплексный источник информации о программе. На вкладке «Обучение» можно найти руководства для новичков, опытных пользователей, по 3D-моделированию, для некоммерческих организаций, преподавателей и студентов и др. На вкладке «Знакомство» приведены некоторые возможности ПС на примерах, а также версии программы: web-версии, для мобильных телефонов и ПК; бесплатные, платные (-Pro, -ЕС, -Plus, Plug-), пробные (ограниченные временем использования, например, 7-дневные) версии. С 20 января 2015 г. приложение Google Earth Pro предоставляется бесплатно;
3. Сайт [3] – публикация скриншотов Google Earth в интернете. Для этого нужно создать аккаунт Google (если не создан), войти в него и нажать кнопку «Поделиться» в правом верхнем углу экрана. Помимо самих меток на карте можно публиковать информацию разного рода: ссылки, текст, фото, видео и др.
ГЛАВА.III. Мониторинг объектов захоронения отходов.
3.1. Как контролировать свалки мусора.
Открытыми источниками информации, дающим полную, актуальную, оперативную картину проблемы и при этом минимизирующим финансовые, временные, трудовые затраты для решения данной проблемы, являются карты и спутниковые снимки планеты Земля из космоса. Безусловно, наиболее эффективная методика мониторинга мест складирования отходов должна опираться на современные компьютерные технологии, в частности, на средства обработки данных ДЗЗ и геоинформационные системы (ГИС). Космические снимки в сочетании с выборочным наземным контролем, а также другими источниками информации (имеющимися электронными картами, цифровыми моделями рельефа), становятся основой для оперативного выявления, картографирования и мониторинга свалок.
3.2. Мониторинг несанкционированной свалки.
Эффективная методика выявления, картографирования и мониторинга несанкционированных мест складирования отходов должна включать следующие обязательные шаги:
подбор космических снимков с необходимыми временными и техническими характеристиками;
выполнение их обработки;
анализ полученной информации.
Детальность и геометрическая точность этих снимков позволяют уверенно дешифрировать свалки, проводить измерения (линейные размеры, площадь), определять координаты и типы свалок (бытовые, промышленные, строительные, сельскохозяйственные, лесохозяйственные и др.).
Для свалок характерна неправильная форма, вытянутость вдоль линейных объектов – авто- и железных дорог, склонов речных долин, берегов озер и болот. Содержащиеся в свалках материалы с высокими коэффициентами отражения дают резкое повышение яркости на космических снимках — белые, светло-желтые, светло-голубые оттенки. Исключение составляют менее отражающие сельскохозяйственные, лесохозяйственные и некоторые типы промышленных свалок. Важнейший признак, отображающийся на снимках сверхвысокого разрешения – мелкозернистая текстура (рисунок), образующаяся за счет неровностей поверхности свалок, слагаемых различными предметами. Несколько более крупная текстура характерна для промышленных и сельскохозяйственных свалок.
Для упрощения и ускорения работы по поиску свалок, а также для повышения точности их выявления по снимку на этапе дешифрирования, используются знания о возможном расположении свалок по отношению к антропогенным и природным объектам. С использованием космических снимков сверхвысокого пространственного разрешения можно визуально определять и картографировать свалки размером от 10 кв. м с очень большой степенью вероятности (до 90–95%).
Свалка отличается от других антропогенных объектов в программе Google Earth. В разные сезоны, месяцы и дни года свалка выглядит по-разному (рисунок 1). Основные характеристики ее отличия – специфическая текстура и «рваная» геометрическая форма (мусор обычно случайно, произвольно разбрасывается по окрестности основного тела).
|
|
|
(а)
|
(б)
|
(в)
|
Рисунок 1. ОЗО (1) и его текстура (2) в разные хронологические моменты времени: а) 23 мая 2011 г., б) 16 августа 2011 г.; в) 29 апреля 2012 г. ОЗО в окрестности полигона ТБО Кучино Московского региона
|
3.3. Особенности визуального детектирования свалок по космическим снимкам.
ОЗО – это, проще говоря, свалки мусора, которые могут принимать различную форму [10]: захламлений территорий, полигонов ТБО, муниципальных свалок, свалок радиоактивных отходов и т. п. Объектом исследования являются именно ОЗО, а не их компоненты – мусор. Это связано с тем, что по космическим изображениям можно увидеть сам ОЗО, а конкретный мусор (пластиковую бутылку, резиновую камеру и т. п.) как мельчайшую составляющую ОЗО – нельзя. Иногда даже сам ОЗО нельзя увидеть на изображении, ввиду малости его размера. С точки зрения визуального детектирования ОЗО – объекты, которые сильно отличаются от окружающей среды. ОЗО относятся к видимым сверху объектам. Правда, видна только поверхность этих объектов, а то, что происходит внутри них и под ними, остается невидимым. Но это не значит, что невидимое является неизвестным, т. к. признаки процессов, происходящих внутри объекта, могут иметь проявление на его поверхности.
ГЛАВА.IV. Использование основных возможностей Google Earth для решения задач визуального детектирования ОЗО.
4.1. Поиск захламлений территории.
В рамках данного направления визуального детектирования ОЗО были выполнены задачи:
Определение потенциально опасных зон замусоривания;
Выявление и разметка ОЗО внутри задаваемых областей;
Создание структур данных ОЗО;
Анализ полученных результатов.
На рисунке 2 показаны примеры потенциально опасных зон ОЗО (промышленные зоны), на которых обозначены ОЗО внутри общей и внутренних границ частной территории, отмеченные красными метками.
|
|
(а)
|
(б)
|
Рисунок 2. Карты ОЗО частных территорий на примере промзон вблизи дер. Мотяково, Люберецкий район Московского региона (красные метки)
|
4.2. Исследование существующих полигонов ТБО.
В рамках данного направления визуального детектирования ОЗО были выполнены задачи:
Выбор полигонов ТБО;
Построение графических примитивов в окрестности ОЗО;
Оценка параметров ОЗО;
Выявление нарушений правил проектирования, эксплуатации и рекультивации (ПЭР) полигонов ТБО;
Оценка состояния окружающей среды ОЗО.
Полигоны ТБО – это структурно сложные объекты, составленные из «кубиков» более простых объектов. С точки зрения визуального детектирования крупные ОЗО можно разбить на ряд подсистем которые можно разметить графическими примитивами (метками, контурами, областями, линиями, наложениями изображений и др.). На рисунке 3 показаны некоторые подсистемы ОЗО на примере полигона ТБО Торбеево: а) деление на технологические участки (1 – участок складирования, 2 – зона выработки грунта под складирование отходов, 3 – хозяйственная зона, 4 – зона расширения границ полигона под складирование отходов); б) захламления в окрестности; в) транспортная подсистема (1 – подъездные дороги к полигону (внешняя часть транспортной системы полигона), 2 – главная дорога, 3 – серпантин, 4 – второстепенные дороги, 5 – транспортные развязки хозяйственной зоны, 6 – дороги на поверхности полигона, 7 – транспортные узлы).
|
|
|
(а)
|
(б)
|
(в)
|
Рисунок 3. а) деление на технологические участки; б) захламления окрестности; в) транспортная подсистема (полигон ТБО Торбеево, Люберецкий район)
|
В программе Google Earth можно дать оценку многочисленных параметров ОЗО, в частности: p – периметр, S – площадь, h и α – средняя высота и угол откоса, lm и l0 – минимальное и среднее линейное (по прямой линии) расстояние до прилегающего населенного пункта, (φ, λ) – географические координаты, k – число захламлений окрестности, t1 и t2 – время начала и окончания эксплуатации ОЗО, T – срок эксплуатации.
Для данного полигона по результатам измерений в программе Google Earth: p=2.7 км, S=58 га, α=15o (полагается константой), h=36 м. Ближайший населенный пункт – дер. Русавкино-Романово: lm=15 м (минимальное расстояние), l0=340 м (среднее расстояние). Географические координаты центра масс объекта: φ=55o41’46.07’’, λ=38o02’44.72’’. Число захламлений на территории полигона ТБО (вне участка складирования) k=14. Временные параметры: t1<2003 г., t2>2017 г., отсюда T=t2-t1>14 лет (по историческим снимкам).
В соответствие с инструкцией [11] полагаем радиус санитарно-защитной зоны (СЗЗ) r=500 м. Для оценки правил ПЭР строим СЗЗ в виде контура параллельно контуру полигона ТБО на расстоянии r «наружу». Одним из правил ПЭР является отсутствие жилых массивов внутри СЗЗ полигона, т.е. наличие населенных пунктов или их частей в СЗЗ является нарушением правила эксплуатации полигона. Состояние окружающей среды (водомассивов, лесомассивов, почвенного и травяного покрова и др. природных объектов) также проверяется внутри СЗЗ.
4.3. Применение возможностей программы Google Earth в задаче космического мониторинга ОЗО.
В рамках данного направления визуального детектирования ОЗО были выполнены задачи:
Оценка изменений в окрестности ОЗО по историческим снимкам;
Обследование окрестностей ОЗО в режимах: просмотра улиц, панорамном и 3D-визуализации;
Обнаружение ОЗО с помощью слоев (Метки, Фотографии, Галерея и др.);
Определение административно-территориальной принадлежности ОЗО с помощью слоя Границы и названия;
Определение путей сообщения и оценка источников поступления отходов.
На рисунке 4 приведена временная пара изображений полигона ТБО Торбеево.
|
|
(а)
|
(б)
|
Рисунок 4. Изменения окрестностей полигона ТБО Торбеево: а) июнь 2003 г.; б) апрель 2014 г.
|
Видно, что поверхность Земли технологически весьма сильно поменялась за последние несколько лет. В частности: 1) сама свалка выросла в несколько раз (1); 2) там, где были фермерские хозяйства, теперь – хозяйственная зона полигона со всеми вытекающими последствиями (2); 3) значительные территории перерыты под грунт и расширение полигона (3); 4) вырублена без того тонкая лесная полоса и уничтожены значительные территории плодородной земли (4); 5) «наметки» на внешние территории, за границами полигона (5) и др. особенности изменений.
ГЛАВА.V. Результаты мониторинга и их обсуждения.
Как показали исследования по космическим изображениям, метод визуального детектирования ОЗО является весьма эффективным, т.к. является оперативным (дает быстрый мониторинг для небольших «точечных» областях наблюдений) и имеет широкий спектр решаемых задач. В частности, в программе Google Earth можно решать многочисленные задачи космического мониторинга ОЗО и давать оценку различным параметрам и характеристикам ОЗО и местности, таким как:
Общая экологическая обстановка региона;
Общая площадь и места наибольшей плотности замусоривания;
Потенциал растительности и его изменение во времени в окрестности полигонов ТБО.
ГЛАВА.VI. ВЫВОДЫ.
В результате проведенных исследований было разработано множество алгоритмов визуального детектирования свалок, позволяющих решать задачи обнаружения, анализа и контроля ОЗО. Разработанная методика позволяет в режиме реального времени по снимкам высокого разрешения отслеживать появление несанкционированных свалок размера не менее 3 м, а также находить источник их возникновения. Методика обнаружения, анализа и контроля ОЗО является дополнением к существующим методам экологического мониторинга свалок. По выявленным опасным участкам можно уточнить параметры загрязнения полевыми методами.
ГЛАВА.VII. ЛИТЕРАТУРА.
1. Методы и приборы контроля окружающей среды. Экологический мониторинг. И.В. Якунина, Н.С. Попов. – Тамбов: Издательство ТГТУ, 2009.
2. Экологический мониторинг окружающей среды : учеб. пособие для вузов : в 2 т. / Ю.А. Комиссаров, Л.С.Гордеев, Ю.Д. Эдельштейн, Д.П. Вент ; под ред. П.Д. Саркисова. – М. : Химия, 2005.
3. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации. Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. – Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003.
4. Криволуцкий Д.А., Степанов А.М., Тихомиров Ф.А., Федоров Е.А. Экологическое нормирование на примере радиоактивного и химического загрязнения экосистем // Методы биоиндикации окружающей среды в районах АЭС. – М.: Наука, 1988.
5. Охрана окружающей среды и обращение с опасными отходами: курс лекций: / Л.А. Акимова, И.Б. Бутковская, И.Б. Веренкова. М.: «Альтаир», 2010.
6. Обиралов А. И. Фотограмметрия и дистанционное зондирование / А. И. Обиралов, А. Н. Лимонов, Л. А. Гаврилова. – М. : Колос, 2006. – 335 с.
7. В.Г. Бондур, А.Б. Мурынин, А.А. Рихтер, М.А. Шахраманьян. Разработка алгоритма оценки степени деградации почвы по мультиспектральным изображениям. – Известия ЮФУ. Технические науки, 2012, № 6(131), с. 130-135.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ: «Автоматизированная система космического мониторинга в режиме реального времени объектов захоронения отходов», 2013611942.
9. Свидетельство о государственной регистрации базы данных: «Кривые спектральной яркости объектов захоронения отходов по данным космического мониторинга», 2013620206.
10. Шахраманьян М.А., Рихтер А.А. Методы и технологии космического мониторинга объектов захоронения отходов в интересах обеспечения экологической безопасности территорий: Учебно-методическое пособие. – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2013. – 24.
11. Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов ТБО.
Список интернет-ресурсов.
https://wikipedia.org
https://support.google.com/earth
https://plus.google.com
http://gis-lab.info/qa/srtm.html.
http://dds.cr.usgs.gov/srtm/version1/Eurasia/.
Благодарность.
Выражаю благодарность своим руководителям Музыченко С.Н. и Рихтеру А.А. за помощь в проекте. Также благодарю своих одноклассников, с которыми работал над проектом.
</2003>
|
