ГИС сочетает интуицию и знания. Она сочетает мощные возможности для визуализации объектов реального мира и создания карт с инструментами анализа и моделирования. Данные дистанционного зондирования Земли – часто называемые в кругах ГИС просто спутниковыми снимками – это определяющее визуальное понятие в сердце ГИС. Они предоставляют ключ, Розеттский камень географии, который помогает раскрыть тайны существования и механизмы функционирования нашей планеты. Когда мы смотрим на фотографии Земли, сделанные с высоты, мы сразу понимаем, для чего нужны ГИС.
История спутниковых изображений как инструмента наблюдений за Землёй начинается с фотографии. В начале двадцатого века фотосъемка претерпела значительные изменения, а также прошла социальную адаптацию. Фотографии не только предлагали человечеству новый, доступный тип визуального представления – они также предлагали изменение перспективы. Увеличивалось использование цветной фотографии. Кинофильмы и телевидение пришли к тому виду, который мы знаем сегодня. А человечество взялось за полеты на самолетах, что, впервые в истории, позволило сделать фотографии земной поверхности сверху. Это было время глобальных изменений в создании карт и изучении явлений, и именно эти изменения привели к совершенно новому способу видения мира.
Во время Второй Мировой Войны произошёл огромный прорыв в использовании материалов аэрофотосъёмки в разведывательных целях. Союзные войска стали делать снимки со смещением на одно и то же место, комбинируя их в стереопары, обогащая возможности сбора разведывательных данных. В частности, при проведении разведывательной операции с кодовым названием "Арбалет" пилоты, управляющие самолетами, нагруженными оборудованием для фотосъемки настолько, что не оставалось места для оружия, сделали несколько тысяч фотографий вражеской территории. По результатам этого рейда аналитикам службы разведки пришлось интерпретировать и анализировать сотни тысяч стереопар.
Эти 3D-аэрофотографии позволяли аналитикам определить точные местоположения хорошо замаскированной ракетной техники, разработанной в Германии. Это стало ключевым моментом в обнаружении ракетных систем, нацеленный на Великобританию, что спасло тысячи жизней и приблизило конец Второй Мировой Войны. BBC создало подробный документальный фильм посвященный этой теме (Операция Арбалет: Как 3D-очки помогли победить Гитлера).
В начале 1960-х годов большинство людей сказало бы, что совершенно невозможно представить человека, гуляющего по Луне. Однако в июле 1969 г. переданные с Луны на Землю телевизионные изображения показали Нейла Армстронга и Базза Алдрина, прыгающих по лунной поверхности, что доказало, что перемещение по поверхности Луны возможно не только теоретически – это происходило на наших глазах. Видеть - значило поверить.
Когда Армстронг, Алдрин и последующие лунные астронавты направляли свои камеры в сторону Земли, неожиданное преимущество стало очевидным: человечеству предоставлялась новая перспектива родной планеты – что возвестило принятие и использование спутниковых снимков Земли (см. Земля из космоса, ниже).
В 1972 г. та же космическая технология, что была разработана для доставки людей на Луну, привела к запуску первого спутника Landsat. Миссия Landsat подарила нам новые, необыкновенные виды нашей планеты. Это были выходящие за все рамки, ориентированные на гражданское население, широко доступные спутниковые снимки, которые не только показали нам все, что можно увидеть на поверхности Земли, но также предоставили некоторую невидимую глазу информацию, так как позволили визуализировать данные электромагнитного излучения. Мы смогли рассматривать Землю принципиально новым способом.
Эта программа постоянного наблюдения за Землей продолжается по сей день; также существуют сотни других спутников и программ дистанционного зондирования. Как национальные, так и (с недавнего времени) частные компании, также запустили некоторое число миссий для сбора спутниковых изображений Земли, позволяя нам непрерывно обозревать и контролировать нашу планету.
Немногим больше десятилетия назад, казалось, весь мир осознал великую силу изображений Земли сверху. Мы начали с изучения непрерывной, многомасштабной карты изображений мира, предоставленной интерактивно компанией Google, Microsoft и другими компаниями. Являющиеся комбинацией спутниковых снимков и аэрофотографий, эти изображения Земли помогли нам осознать всю мощь спутниковых изображений, и люди по всему миру начали узнавать то, что пользователи ГИС уже знали. Мы мгновенно приближались к своему району и видели в локальном масштабе, где мы находимся по отношению к миру. Эта возможность погружения позволила нам увидеть наши локальные населенные пункты и районы через новый магический микроскоп. Соответственно, далее мы обратили внимание на более важные моменты в мире, за пределами наших локальных местоположений. Результатом стал абсолютно новый способ изучения и осознания нашей планеты.
Эти простые картины пленяли человеческое воображение, предоставляли новые перспективы и вдохновляли на поиск новых возможностей. Сегодня буквально любой человек с доступом к Интернету может увидеть свой ежедневный мир с совершенно новых сторон, нацелившись на своей район. Кроме того, люди повсеместно ценят огромные возможности, таящиеся в сочетании любых видов слоев карты с снимками, приводящие к обогащению знаниями.
Буквально завтра каждый человек, имеющий доступ к компьютеру, станет пользователем ГИС.
Видеть - значит поверить. Наблюдение мира с помощью цветных спутниковых снимков предлагает множество информации и доступно мгновенно, предоставляя полную визуальную картину и новые знания. Спутниковые изображения ведут гораздо дальше, чем наши глаза способны вести нас – они также позволяют нам видеть мир в его настоящем состоянии. И они также дают нам возможность заглянуть в прошлое и предсказать будущее, воспринять и понять Землю, ее процессы, а также эффекты и временные рамки человеческой активности. Что еще более удивительно, спутниковые снимки позволяют нам взглянуть на невидимое, увидеть визуальные представления отраженной энергии через полный электромагнитный спектр, и помочь принять взвешенные и информированные решения о критических проблемах, ожидающих Землю и все живое на ней.
Глобальные спутниковые данные собираются непрерывно, что позволяет нам наблюдать мир в действии. Скомбинировав изображения за определённый промежуток времени мы можем начать отображать, анимировать, анализировать и понимать циклы Земли – с чего всё началось и куда движется.
Спутниковые изображения позволяют нам увидеть нечто за пределами возможностей человеческих глаз, снабжая нас новыми научными видами Земли. Спутники имеют сенсоры, измеряющие невидимую информацию, такую как инфракрасная энергия, по всему электромагнитному спектру, что позволяет нам создавать и анализировать множество новых наземных видов нашей планеты.
Развитие погодных наблюдений и спутниковых снимков за последнее десятилетие привели к существенному увеличению точности метеорологических прогнозов. Была расширена ГИС-интеграция климатических данных для управления операциями, преимуществами этого могут пользоваться фермеры, команды быстрого реагирования, районные отделы образования, отделы телекоммуникаций и многие другие. Сенсоры – от глобальных погодных спутников до находящихся на земле локальных инструментов – помогают экспертам отслеживать и предсказывать метеорологические события, как никогда раньше. Сеть сенсоров стала гиперлокальный, помогая выполнять непрерывный прогноз погодных событий в различных районах. Мы можем получить доступ к точному прогнозу погоды для своего района на ближайший час.
Изображения позволяют нам вернуться в прошлое, а также объединить исторические виды с текущими снимками. Снимки поставляются в простом формате, позволяя накладывать их поверх других карт и изображений, как многослойный "виртуальный бутерброд".
С самого начала развития современных информационных технологий существует особая связь между ГИС и данными дистанционного зондирования. В 1960-х и 1970-х годах вычислительные системы для ГИС были громоздкими, работали на перфокартах, стоили чрезвычайно дорого, а их скорость оставляла желать лучшего, но практически все фундаментальные слои данных в этих ранних системах были напрямую или косвенно получены из снимков. С момента своего появления ГИС и дистанционное зондирование дополняли друг друга, как две стороны одной монеты. Можно сказать, что они развиваются вместе.
В 1972 году случилась революция в технологии, был запущен Landsat, первый коммерческий спутник для наблюдений за Землёй и получения космических снимков. Он непрерывно двигался на земной орбите и каждые 16 дней делал новый снимок для той же самой территории. Благодаря высоте своей орбиты, он дал нам совершенно другую картину планеты и процессов, происходящих на ней. Он дал не только новый ракурс, он дал новое видение возможностей применения ГИС-технологий. Запуск этого спутника был началом революции коммерческих наблюдений за Землей, и она продолжается сейчас. С невероятной скоростью растет число малых спутников, микроспутников, космических видеокамер, беспилотников, летающих на больших высотах, и других устройств.
ГИС и дистанционное зондирование тесно связаны друг с другом уже более 50 лет. Какие же дальнейшие перспективы у этих двух союзников?
Простота и скорость – главные цели. Несомненно, что будущее за простотой и легкостью. Сейчас мы видим, как эта современная технология управляется с невероятным массивом данных от распределенных по всему миру сенсоров, в то, что называется сейчас "Интернетом вещей" – обширную коллекцию потоков динамичной актуальной информации, которая насыщает и становится сердцем веб-ГИС. Важно, что эта сеть оперирует в реальном времени, предоставляя доступ к нашему собственному "Интернету всех моих вещей" через многочисленные устройства, использующие новую геоинформационную модель.
Несмотря на всю силу подпитывающих данную концепцию технологий, мы понимаем это потому, что воспринимаем изображения. Как сказал Эйнштейн, “Если я не могу это увидеть, я не могу это понять”. Мы все знаем о предмете, когда можем увидеть его.
И теперь быстро развивающиеся технологии, сочетающие изображения и данные пространственного анализа, открывают новые главы в истории ГИС. Активно включается сообщество, применяя преимущества растущих возможностей географии и интуитивного понимания, достигаемого благодаря изображениям, помогающим "видеть" во всех ракурсах.
Мы любим говорить, что карта будущего – это умное изображение.
Уже сейчас очевидно, что использование снимков предоставляет новые перспективы и взгляды на мир и те проблемы, которые вы хотите изучить. Использование снимков даёт множество преимуществ и возможностей.
Сбор изображений является быстрым и становится еще быстрее. И доступ к изображениям быстро становится все более гибким и удобным. Многие спутники и сенсоры уже запущены, и еще больше устройств появляется постоянно, собирая новые данные, добавляя их к непрерывному сбору данных – временным сериям наблюдений за нашей планетой. Эти коллекции изображений позволяют нам отображать на карте, измерять и виртуально контролировать всё, что происходит на или возле поверхности Земли. Каждый из нас может быстро собрать большое количество данных, необходимых для работы. Спутниковые изображения стали нашим основным методом изучения, когда мы "путешествуем" к другим планетам и дальше. Мы посылаем зонды в космос и получаем результаты в основном в форме спутниковых изображений, которые предоставляют непрерывные временные серии информационных наблюдений. И это позволяет нам получать новую информацию многими интересными способами.
Использование аэрофотосъемки началось сравнительно недавно. Хотя использоваться спутниковые снимки начали только в начале двадцатого века, было легко сравнивать наблюдения для существующих точек, находящихся в наших наборах снимков, по времени. Помимо этого, мы можем накладывать спутниковые изображения поверх исторических карт, что позволяет сравнивать прошлое с настоящим.
Спутниковые изображения запускают целый взрыв открытий. Многие программы получения спутниковых снимков разрастаются, расширяя и внося вклад в базы данных изображений для наших областей интереса. ArcGIS включает полноценную систему обработки изображений, позволяя управлять увеличивающимися, большими, динамически растущими наблюдениями за Землей. Это приводит к мгновенному получению снимков и возможности быстрой интеграции, что позволяет использовать все виды новых приложений и возможностей – например, виды до-и-после для чрезвычайных ситуаций, быстрое использование свежих собранных снимков, интерпретацию и классификацию изображений, а также возможность извлечения информации. Со временем, многие из этих методов вырастут в интересные новые направления, помогая глубже понимать наши сообщества, проблемы и вопросы, с которыми мы сталкиваемся и для решения которых мы можем использовать ГИС.
Спутниковые снимки и их общий формат растров предоставляют широкие возможности анализа с помощью ArcGIS. И это, в свою очередь, приводит к более глубоким знаниям и новым точкам зрения на проблемы, которые нас интересуют.
Изображения в любом случае используют один и тот же ключевой формат данных в ГИС – растр. Это один из наиболее универсальных форматов ГИС данных. Фактически любой слой данных можно представить в виде растра. Это значит, что все виды данных можно комбинировать с изображениями для дальнейшей интеграции и анализа.
Растры - это модель данных, покрывающая территорию на карте совокупностью пикселов (ячеек одинакового размера), которые организованы в серии рядов и столбцов. Их можно использовать для представления изображений как совокупности пикселов, поверхностей, таких как высоты или близость к выбранным объектам, разнообразных пространственных объектов (т.е. точек, линий и полигонов), или информацию в виде временных серий с множеством состояний для каждого периода времени.
Почвенно-растительный покров вокруг западного Средиземноморья, из глобального набора растровых данных от Информационных систем MDA, содержащий преобладающие земельные характеристики с 30-метровым разрешением.
Карта близости, показывающая расстояние от каждой ячейки или пиксела до пригодного источника пресной воды; Западная Африка. Доступ к воде является жизненно важным как для людей, так и для представителей животного мира. Водотоки наложены сверху на сетку расстояний. Ячейки сетки, которые находятся ближе всего к воде, имеют темно-синий цвет. Цвет изменяется по мере удаления от воды.
Монблан или "Белая гора" между Францией и Италией в Альпах включена в приложение (ссылка выше), которое представляет виртуальный 3D-тур по самым интересным местам нашей планеты.
Перспективные снимки дают перспективный вид объектов реального мира, отображающий естественные детали в 3D, что помогает в интерпретации и исследованиях.
Спутниковые снимки предоставляют нам новые перспективы, оказывая серьезное влияние на понимание тех или иных процессов, но они же дают нам возможность увидеть красоты нашего мира – прекрасные произведения искусства. Они потрясают и восхищают нас, затрагивают наши эмоции, показывают чудеса нашего мира и новых миров, которые мы пытаемся открывать и изучать. Не случайно Геологическая служба США хранит и поддерживает коллекцию Земля как искусство.
После нескольких миссий Apollo, достигнувших поверхности Луны, был проведен запуск Apollo 8, впервые доставивший людей на лунную орбиту. В канун Рождества 1968 года, пролетая над обратной стороной Луны во время их четвертой орбиты, капитан Apollo 8 Франк Борман воскликнул – "О Боже, посмотрите туда! Это восходит Земля! Как это красиво!" Второй астронавт Билл Андерс схватил свою камеру Hasselblad и сделал этот знаменитый снимок Земли, восходящей над Луной.
В этой книге Восход Земли: Как человек впервые увидел Землю историк Роберт Пуле высказывает мнение, что отдельное изображение дало началу целому движению за сохранение окружающей среды, и говорит, что "возможно оценить, как восход Земли стал стартовой точкой, гранью, когда ощущение космического возраста переключилось с осознания того, что оно означает для космоса на то, что оно означает для Земли". Вся мощь спутниковых снимков может быть легко подытожена в истории этой отдельной фотографии. Изображения могут помочь нам лучше понять нашу планету, внести изменения, создать связи – и в некоторых случаях даже начать движение.
С момента первых снимков Луны, астронавты-фотографы из мировых космических агентств направляли свои объективы вдаль от Земли. Разумеется, ГИС-пользователи, многие из которых являются фанатами науки, нашли способы создавать карты других планет. В 2015 г. NASA провозгласили, что судя по спектрозональным снимкам, полученным от сенсоров с орбиты Марса, на этой планете когда-то была движущаяся вода – важный момент, не оставшийся незамеченным сообществом ГИС и анализа изображений.
Вся платформа ArcGIS так или иначе подразумевает работу с изображениями. Есть две возможности начать использовать изображения.
Наиболее популярные базовые карты – ArcGIS Imagery и Imagery with Labels, которые добавляют в качестве подложек в ГИС-проекты пользователи со всего мира, и доступ к этим базовым картам фиксируется по несколько миллионов раз за месяц. Спутниковые изображения играют роль основы для ваших ГИС-данных, позволяя дополнять и контролировать то, что вы показываете.
Слои ландшафтного анализа обеспечивают львиную долю ландшафтного планирования, помогают в управлении природными ресурсами и их взаимодействием с окружающей средой. Слои ландшафта в этой группе настраиваются, предоставляя доступ к множеству аспектов информации о людях, естественных системах, животному и растительному миру, всему тому, что влияет на ландшафт Соединенных штатов и всего мира.
На этом уроке мы будем изучать снимки Landsat и некоторые возможности их применения при помощи приложения Esri Landsat. Сначала мы отправимся в мангровый лес Сундарбан в Бангладеше, где в инфракрасном цвете можно будет исследовать состояние растительного покрова. Затем будем искать воду в пустыне Такла-Макан и затопленные острова на Мальдивах. Поработав с архивом снимков Landsat, собранным за 40 лет наблюдений за развитием Суэцкого канала, вы станете готовы к самостоятельным исследованиям нашей планеты.
Спутниковые изображения превращаются во всё более и более мощный инструментарий для картографирования и визуализации нашего мира. Ни один иной метод сбора изображений не охватывает столь огромные территории за такое непродолжительное время. Самая продолжительная по времени программа космических снимков – Landsat, совместная инициатива двух правительственных организаций в США. Эти высококачественные данные существуют в различных диапазонах электромагнитного спектра, выделяющих невидимые невооружённым взглядом особенности, что позволяет их применять в разнообразных сферах практической деятельности.
Узкоспециализированные инструменты для работы
Освоение мировой паутины сенсоров