Технология Географических информационных систем (ГИС) является одновременно интуитивно понятной и наглядной. 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 прекрасный 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 направили свои камеры в сторону Земли, стало очевидным неожиданное преимущество: человечество получило новую перспективу родной планеты, что возвестило о внедрении и использовании спутниковых снимков Земли.
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 и другими картографическими 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 мира вокруг нас.
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 прогнозов погоды. Была расширена ГИС-интеграция погодных 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 погодных инструментов – помогают экспертам отслеживать и предсказывать погодные 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 вам кинуть взгляд в прошлое, а также объединить исторические виды с текущими снимками. Снимки поставляются в очень простом формате, позволяя накладывать их поверх других карт и изображений, как многослойный "виртуальный бутерброд".
Так повелось, что ГИС-специалисты выполняли обработку изображений и работу с ГИС в различных системах. В течение долгих лет из-за ограничений на обработку и хранение данных раздельные системы были необходимы, причём некоторым пользователям были нужны обе. Пользователи в отдельной системе выполняли обработку спутниковых снимков, а затем загружали полученные результаты в свою ГИС. И хотя обе системы имели географическую основу, мы принимали как должное, что это были отдельные системы и задачи – и даже использовали различных специалистов для работы в этих системах. И каждая из систем имела свои сообщества и подходы. Всегда существовало понимание, что системы спутниковых данных и ГИС являлись отдельными технологиями, хотя и тесно связанными.
Но с практической точки зрения это не имеет большого смысла. Обеим технологиям требовалась геопространственная среда для работы с информацией. Обе системы управляли этими наборами данных, как географическими слоями. Обе системы предоставляли пространственно привязанные слои, чтобы их можно было объединять, совмещать и накладывать поверх других слоев. Конечно, одна интегрированная система имеет намного больше смысла.
Только недавно ГИС и спутниковые снимки были соединены вместе в одну интегрированную и полную систему – внутри ArcGIS. Частью этого являются новые возможности обработки изображений, которые были добавлены в ArcGIS. Обработка больших спутниковых данных и управление ими теперь без проблем работают с непрерывно расширяющейся сетью данных наблюдений за Землёй; миссиями беспилотников; а также новыми наземными, воздушными и спутниковыми сенсорами, быстро выходящими в онлайн. Новейшим трендом является перенос этих сложных возможностей обработки в масштабируемые облачные вычислительные сети, которые позволяют ArcGIS работать с вашими коллекциями больших данных.
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. Когда в начале двадцатого века спутниковые снимки только начинали использоваться, 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 создают целый взрыв открытий. Многие ресурсы спутниковых снимков повторяются и разрастаются, расширяя и внося вклад в базы данных изображений для наших областей интереса. ArcGIS также масштабируется, 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.
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 определённо есть движущаяся вода – важный момент, не оставшийся незамеченным сообществом ГИС и анализа изображений.
Настало время вплотную познакомиться с ArcGIS. Если вы существующий пользователь, у которого есть подписка ArcGIS (с правами издателя), и на компьютере уже установлено приложение ArcGIS Pro, то у вас есть все необходимое, можете сразу перейти к следующему разделу. Если этих двух пунктов у вас нет, продолжайте читать.
Большинство уроков в этой книге проводится на платформе ArcGIS (в облаке) и для их выполнения потребуется участие (с ролью издателя) в какой-нибудь организации ArcGIS. Организация Learn ArcGIS специально создана для тех, кто хочет изучить ArcGIS. Став участником, можно сразу начинать использовать карты, изучать ресурсы с данными и публиковать географическую информацию в интернете. Зайдите в организацию Learn ArcGIS и щелкните ссылку Войти сейчас, чтобы активизировать подписку на 60 дней.
ArcGIS Pro – это настольное приложение, которое вы загружаете и устанавливаете у себя на компьютере. Вы получаете лицензию на 60 дней через подписку в организации Learn ArcGIS. Проверьте, что удовлетворяются системные требования, и используйте кнопку загрузки ниже, чтобы установить программное обеспечение на вашем локальном компьютере.
ArcGIS Pro является 64-разрядным приложением Windows. Чтобы проверить, что на вашем компьютере можно запустить ArcGIS Pro, щелкните проверить требования.
Загрузить ArcGIS Pro
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.
