ДонНТУ  ; Портал магістрів

Книш Анна Ігорівна

Іститут гірництва та геології

Кафедра геоінформатики і геодезії

Спеціальність Землеустрій та кадастр

Задачи геоінформаційного забезпечення в точному землеробстві

Науковий керівник: д. т. н., проф. Могильний Сергій Георгійович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність та вивченість теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Основна частина
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Використання технології точного землеробства стає все більш поширеним не тільки в розвинених країнах Західної Європи та Північної Америки, а й в Азії, Південній Америці, Африці і є переходом на новий рівень механізації виробництва продукції рослинництва. Отримання максимального врожаю при нанесенні мінімальної шкоди навколишньому середовищу можливо за рахунок створення оптимальних умов росту і розвитку рослин. В Україні так само необхідно впроваджувати і використовувати нові технології, так як вони визначають рівень розвитку сільського господарства та його конкурентоспроможність на світових ринках. Метою даного напрямку є отримання максимального прибутку за умови економії добрив, води, палива, раціонального використання земельних ресурсів, захисту навколишнього середовища.

Точне землеробство – це використання різнорідних даних (результатів аналізу відібраних проб ґрунтів з їх географічною прив’язкою, результатів тематичної інтерпретації даних ДЗЗ, цифрових тематичних карт і тощо) з метою оптимізації прийняття рішень про локальне внесення добрив і засобів захисту рослин для підвищення продуктивності сільськогосподарського виробництва [1]. В основі концепції точного землеробства (далі ТЗ) лежать уявлення про існування неоднорідностей в межах одного поля.

1. Актуальність та вивченість теми

Дані про неоднорідність можуть бути визначені шляхом дослідження ґрунтового покриву. Ця інформація має бути просторово прив’язана до картографічній основі, інакше втрачається сенс визначення даного місця розташування, тому необхідна геоінформаційна система (далі ГІС), в якій зберігалася і оброблялася б інформація про ґрунти, картографічну основу, межі ділянок, тощо. Використання ГІС в точному землеробстві розглядали Бойко О. Г. [2], Белавцева Т. М. [3], Барладін  А. В. и Ярощук П. Д. [4], Бичков І. В. [5] та інші. В цих роботах пропонувалося використовувати інформаційні системи з елементами ГІС: SSToolBox, Agro‑Map PF, Агроменеджер, УрожайАгро, MapInfo і AgroView, тощо [5]. В якості картографічної основи приймалися отвекторезовани карти масштабів 1 : 200000 або космічні знімки Terra і Aqua шляхом векторизації меж полів з подальшим їх уточненням за даними систем позиціонування GPS / ГЛОНАСС [4, 5].

Космічні знімки застосовуються без обробки та усунення геометричних спотворень, викликаних рельєфом, умовами зйомки і типом камери, що зменшує їх точність представлення місця розташування неоднорідності, а в подальшому може призвести до неправильного внесенню добрив, поливу, напрямку сільськогосподарської техніки при зборі врожаю, що суперечить цілям точного землеробства.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Основним етапом технології ТЗ в певному господарстві є підготовка топографічних, електронних карт. Дану операцію виконують шляхом сканування карт відповідного масштабу на паперовій основі або шляхом програмної обробки даних дистанційного зондування (аерофото і супутникову зйомку в різних діапазонах частот), отриманих за допомогою навігаційної апаратури.

Метою даної роботи є дослідження величини геометричних спотворень космічних знімків, після усунення спотворень, викликаних рельєфом, умовами зйомки і типом камери.

Завдання дослідження:

1. Провести ортотрансфомування космічних знімків в програмному комплексі ENVI, використовуючи різні цифрові моделі: ASTER GDEM, SRTM, GTOPO 30.
2. Виміряти отримані відхилення і обчислити середньоквадратичні і систематичні помилки.
3. Проаналізувати отриману точність для використання оброблених знімків в технології точного землеробства.

Об’ект дослідження: геоінформаційне забезпечення в точному землеробстві.

Предмет дослідження: дистанційне зондування Землі.

Запланований результат :метод геометричної корекції космічних знімків, з метою використання в точному землеробстві.

3. Основна частина

Для дослідження було обрано космічний знімок у постачанні з даними RPC на територію міста, Донецької області, виконаний супутником QuickBird. RPC – Rational Polynomial Coefficients – коефіцієнти раціональних поліномів (многочленів) – поправки для обробки зображень на основі математичної моделі камери супутника у вигляді узагальнених апроксимуючих функцій (раціональних поліномів) [6]. Основними перевагами супутника QuickBird є широка смуга охоплення (розмір сцени – 16,5×16,5 км), висока метрична точність, можливість замовлення полігонів складної форми, у тому числі, протяжних об’єктів шириною 5 км. Характеристика знімка представлена в таблиці 1 [7].

Таблиця 1 – Основні характеристики системи QuickBird

Показник	Характеристика
Інформація про запуск	18 жовтня 2001 р.
Орбіта	Висота: 450 км, нахил 98 градусів, синхронно‑сонячна орбіта. Частота повторних спостережень: 1–3,5 днів, залежить від широти при 70‑сантиметровому дозволі. Кут огляду: націлювання вздовж і впоперек траєкторії. Період: 93,4 хвилини
Обсяг даних за виток	128 Гб (приблизно 57 зображень окремих територійй)
Смуга захвату і розмір області	Номінальна ширина смуги захвату: 16,5 км на надирі. Доступна смуга: 544 км центрована по траєкторії (до 30° від надира). Areas of interest: – Одинична область – 16,5×16,5 км – Смуга – 16,5×165 км
Метрична точність	23 м кругова помилка, 17 м лінійна помилка (без наземного забезпечення)
Здатність сенсора і спектральний діапазон	Панхроматичний: – 61 см в надирі; – чорно‑білий 445–900 нм	Мультиспектральний: – 2,44 м в надирі; – блакитний: 450–520 нм; – зелений: 520–600 нм; – червоний: 630–690 нм; – ближній ІЧ: 760–900 нм
Радіометрична здатність	11 біт на пиксель
Максимальне відхилення від надиру	45°
Система зв’язку	Дані з корисним навантаженням: 320 Мб/с X‑діапазон	Службові: – X‑діапазон с 4, 16, 256 Кб/с; – 2 Кб/с S‑діапазон
Система стабілізації	Стабілізована по 3 вісях, зоряний датчик / інерціальна система/ GPS
Точність вказівки	Точність: менше 0,5 мрад на вісь. Стабільність: менше ніж 10 мікрорадіан/с
Бортова пам’ять	Ємність 128 Гб
Платформа	Робоче тіло на 7 років, 2100 фунтів, 3,04 м (10 футів) у довжину

Розмір пікселя на вихідному знімку становить 0,6 м на місцевості, мультиспектральний дозвіл – 2,44 м. Раніше був виконаний попередній аналіз зсувів на знімку через рельєф, які в деяких місцях досягали 25 м.

Для усунення геометричних спотворень був використаний інструмент – програмний комплекс ENVI, ліцензія надавалася кафедрі геоіфнорматікі та геодезії Донецького національного технічного університету фірмою Pixel Solution, яка знаходиться в м. Києві. У даній програмі можливо проводити ортотрансформування без використання (функція Ortorectificatify QuickBird) і з використанням (функція Ortorectificatify QuickBird with Ground control) точок наземної прив’язки. Під ортотрансформуванням розуміємо математично строге перетворення вихідного знімка в ортогональну проекцію і усунення спотворень, викликаних рельєфом, умовами зйомки і типом камери [8]. Для дослідження було обрано перший варіант з використанням цифрової моделі місцевості (далі ЦМ). Інформація про рельєф була отримана шляхом завантаження із загальнодоступних сайтів. В якості DEM моделей були обрані ASTER 2, SRTM 3, GTOPO 30. Дані ЦМ завантажені з сайтів http://reverb.echo.nasa.gov, http://srtm.csi.cgiar.org, https://lta.cr.usgs.gov/GTOPO30 відповідно, характеристики яких представлені в таблиці 2 [9].

Таблиця 2 – Порівняння DEM

Показник	ASTER GDEM 2	SRTM 3	GTOPO 30
Джерело даних	стереопари ASTER	Space shuttle radar	Организації по всьому світі, які мають DEM
Виробник/постачальник даних	METI / NASA	NASA / NGA/ USGS	USGS
Рік випуску	2011 р.	2003 р.	1996 р.
Період збору данних	2000р. – по тепер. час	11 днів 2000р.
Крок сітки (заявлений)	1”, (30 м)	3” (90 м)	30” (1000 м)
Крок сітки за результатами тестування	2,44” (72 м)	3” (90 м)
Точність DEM (stdev.)	7–14 м	10 м	30 м
Точність DEM за результатами тестування (stdev.)	8,68 м	3,95 м
Область покриття	83° п. ш. – 83° п. ш.	60° п. ш. – 56° п. ш.	Весь світ
Система координат (горизонтальна / вертикальна)	WGS84 / EGM96	WGS84 / EGM96
Ліцензія	Обмежене використання	Вільне використання / запит дозволу	Вільне

Ортотрансформування проводилося в наступній послідовності:
1) В головному меню були обрані Мар > Orthorectification > QuickBird > Ortorectify QuickBird (рис. 1).

2) У відкрвшеєся вікно завантажується необхідний геоприв’язаний знімок, при цьому вказується зона і геодезична система, в якій відбувалася зйомка. У даному випадку була вказана 37 зона і система – WGS84. Далі подгружается файл з RPC коефіцієнтами (з розширенням .rpc, txt, .rpb).

3) У вікні представлені параметри ортотрансформування, які обираються для завершення операції (рис. 2).

Основними параметрами є – image resampling і input height. У image resampling можливо вибрати необхідний метод інтерпаляції:

– Nearest Neighbor – найближчого сусіда, тобто в новому зображенні пікселю присвоюється значення пікселя, найближчого за положенням у вихідному зображенні;

– Cubic Convolution – кубічної згортки. У цьому методі значення пікселя в новому зображенні обчислюється як апроксимація значень 16‑ти найближчих, використовуючи кубічні поліноми;

– Bilinear – билинейная інтерполяція. У ньому значення пікселя в новому зображенні розраховується за допомогою лінійної інтерполяції між значеннями чотирьох найближчих пікселів;

– Background – виключаються з обробки пікселі з заданим спектральним значенням (зазвичай 0) – пікселі поза зображення.

В даному випадку обрано метод Bilinear билинейної інтерполяції зображення.

Параметр input height визначає, як буде проводитися ортотрансформірованіе – з використанням цифрової моделі рельєфу DEM (Digital Elevation Model) або на середню площину Fixed [10]. Трансформування виробляється з використанням ЦМ, тому необхідно додати ЦМ, натиснувши кнопку Select DEM File. З’явиться діалогове вікно, в якому обирається файл, що містить ЦМ (рис. 3).

Ортотрансформування знімка проводилося з використанням трьох ЦМ. Для подальших досліджень було обрано знімок, оброблений з ЦМ Aster, а за еталон прийнятий знімок, який був ортотрансформований в іншому програмному комплексі, з використанням точок наземної прив’язки. Еталонний знімок має місцеву систему координат, а оброблений – WGS84 що не дозволяє оцінити отримані відхилення. Для приведення до однакової системі координат в головному меню у вкладці Registration вибирається функція Image to image, потім у вікні (рис. 4) необхідно вказати, яке зображення буде опорним, а яке обробляємим, тобто не прив’язаним.

Далі на обох знімках були виміряні координати 20 характерних точок. Для проведення операції за замовчуванням вказано метод перерахунку координат – поліном 1‑го ступеня. Перетворення вище 3‑го ступеня не рекомендується застосовувати, оскільки значно зменшується надійність оцінки якості точок. Середня квадратична помилка склала 3,2 м.

Для оцінки відхилень на еталонному знімку і на обробленому були виміряні координати 1000 точок (рис. 5).

Для кожної точки були пораховані відхилення, максимальне по координаті Х склало 9 м, а по У – 13 м. Лінійні відхилення розраховувалися за формулою 1 обчислення відстані:

(1)

где x_i, y_i – координати эталоного знымка, x_j, y_j – координати ортотрансформованого знімка.

Среднеквадратическая ошибка (RMS Error) в ортотрансформированном снимке, с использованием ЦМ Aster была вычислена по формуле 2.

(2)

де n – кількість точок.

Помилка склала 3 м. Cистематичні помилки були обчислені по формулам 3 и 4.

(3)

(4)

Отримали систематичні помилки близьки до 0: dX – 0,2 м, dY – 0,01 м. Це свідчить про те, що приведення в однакову систему координат було виконано правильно.

Висновки

1. В програмному комплексі ENVI було виконано ортотрансформування космічного знімка QuickBird, середньоквадратична помилка склала 3 м. Даною точності достатньо для визначення меж поля, відповідно до нормативу [2], який становить 10 м.
2. В точному землеробстві для планування внесення добрив, моніторингу врожайності, автоматичного збору інформації, потрібна точність – 1 м. Використання більш точних цифрових моделей, відсутніх у вільному доступі, може дозволити досягти необхідну точність.
3. Використовуючи матеріали багатоспектральних даних дистанційного зондування Землі, можливо виконувати аналіз неоднорідностей, властивостей грунтового покриву для цілей точного землеробства.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: січень 2015 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

1. Н. И. Кобец Применение данных дистанционного зондирования земли в системах точного земледелия. – [Электронный ресурс] – http://www.ulrmc.org.ua.
2. О. Г. Бойко Можливості використання ГІС / ДЗЗ технологій у точному землеробстві. – [Электронный ресурс] – pdaa.edu.ua.
3. Т. М. Белавцева Технологии точного земледелия, их перспективы и возможность использования на мелиорированных землях. – М.: ФГНУ ЦНТИ Мелиоводинформ, 2009. – 110 – с.
4. А. В. Барладин, П. Д. Ярошук Использование ГИС и ДЗЗ – технологий в сельском хозяйстве. – [Электронный ресурс] – http://repository.crimea.edu.
5. И. В. Бычков, Л. В. Нефедьев, Г. М. Ружников, Н. Г. Луковников Внедрение геоинформационных технологий и навигационных систем в задачах точного земледелия. – [Электронный ресурс] – http://it.nsu.ru.
6. Геометрическая обработка данных со спутника QuickBird. – [Электронный ресурс] – http://geopriz.webrost.lgg.ru.
7. Обзор космических съемочных систем высокого разрешения. – [Электронный ресурс] –  http://vinek.narod.ru.
8. Ортокоррекция космических снимков с использованием RPC. – [Электронный ресурс] – http://gis-lab.info.
9. Выбор и характеристика DEM. – [Электронный ресурс] – http://gisa.ru.
10. Учебное пособие «Программный комплекс ENVI». – М.: Компания Совзонд, 2007. – 265 с.