авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Методология анализа данных дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности в контуре гис

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Сердитова Наталья Евгеньевна

МЕТОДОЛОГИЯ АНАЛИЗА

ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ

И ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

В КОНТУРЕ ГИС

Специальность 25.00.30 – Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

Санкт-Петербург 2011

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете (РГГМУ).

Научный консультант - доктор физико-математических наук, профессор, Белоцерковский Андрей Владленович
Официальные оппоненты - доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой метеорологии и охраны атмосферы НИУ ПГУ, Калинин Николай Александрович доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой метеорологии, климатологии и охраны атмосферы Института окружающей среды ДВФУ, Ламаш Борис Евгеньевич доктор географических наук, профессор кафедры прикладной экологии РГГМУ, Попова Елена Сергеевна
Ведущая организация - Военно-космическая академия им. А.Ф.Можайского

Защита состоится 15 сентября 2011 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.212.197.01 Российского государственного гидрометеорологического университета.

Адрес: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан “10 ” августа 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор географических наук,

профессор Угрюмов Александр Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В последние годы геоинформационные системы (ГИС) стремительно становятся стандартным инструментом для решения ряда фундаментальных и прикладных проблем метеорологии и климатологии. Благодаря способности хранить, обрабатывать, анализировать и визуализировать в структурированной электронной форме огромные объемы пространственно распределенных разнородных данных, ГИС позволяют быстро генерировать синтетическую информацию в удобной для принимающих решения специалистов форме. В решениях XV Всемирного Метеорологического Конгресса (2007, Женева) и Стратегическом плане ВМО (ВМО №1028) настойчиво рекомендуется широкое внедрение ГИС в мировую метеорологическую практику в качестве основы перспективных информационных систем.

В метеорологических и природоохранных приложениях имеется широкий класс задач, решение которых в значительной степени облегчается или ускоряется при использовании ГИС. К ним можно отнести: раннее оповещение о стихийных бедствиях и опасных погодных явлениях, наблюдения за температурой земной поверхности и Мирового океана, контроль за уровнем поверхности Мирового океана, определение границ снежного покрова, наблюдения за площадями затопления и разлива рек, наблюдения за распространением дыма от лесных пожаров, агрометеорологические и биометеорологические приложения, наблюдения за климатической системой Земли и отдельными ее элементами. Проблема эффективного применения ГИС в подобных задачах состоит в необходимости усвоения и анализа данных дистанционного зондирования, в особенности от метеорологических радиолокаторов и спутников, для исследования различных объектов климатической системы.

Однако, цифровая информация, поступающая от современных средств дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности, требует расшифровки и анализа с целью идентификации изображенных на снимках объектов, выполняемого, как правило, вне рамок ГИС с использованием специализированных программных и аппаратных средств. Можно выделить две основные проблемы, решение которых необходимо для превращения данных дистанционного зондирования в информационные слои, составляющие основу для хранения информации в ГИС: 1) компрессия данных, или выбор наиболее информативных спектральных диапазонов зондирования; 2) идентификация изображенных на снимках объектов. Значительное ускорение процесса принятия решений может быть достигнуто при рассмотрении этих задач непосредственно в контуре ГИС, особенно, в реальном масштабе времени, в темпе поступления данных дистанционного зондирования.

Столь же актуальной в процессе принятия решений с помощью ГИС является проблема оценки комплексного состояния территорий. Можно выделить два наиболее общих класса задач. Первый относится к построению сводных показателей, характеризующих природный потенциал территории без учета хозяйственной деятельности человека. Второй относится к оценке состояния территории, с учетом осуществляемой на ней экономической деятельности.

Необходимость построения сводных показателей возникает, например, при оценке различного рода территориальных потенциалов (ассимиляционного, мезоклиматического и др.), оценке диффузионного потенциала синоптической ситуации, оценке многофакторного риска стихийных бедствий или степени уязвимости для них определенного района. В силу определенной искусственности подобных сводных показателей, а также всегда имеющей место неопределенности, наиболее тонким и ответственным этапом является оценивание весовых коэффициентов, учитывающих вклад разных факторов в значение показателя. В этом смысле необходима разработка метода, который бы отвечал двум требованиям: а) учитывал имеющуюся неопределенность, б) допускал простую вычислительную реализацию в контуре ГИС.

Оценки экологического состояния территорий невозможны без рассмотрения осуществляемой на них экономической деятельности. Проблема усложняется тем, что эколого-экономическое состояние территории, с одной стороны, зависит от метеорологических и климатических факторов, а с другой стороны, может оказывать на них влияние. Необходима разработка метода оценивания в рамках ГИС наиболее общих показателей макросостояния сложных климатических и эколого-экономических систем.

Технологии современного дистанционного зондирования позволяют осуществлять мониторинг различных параметров состояния атмосферы, гидросферы и биосферы. Принятие оперативных решений на основе такой информации удобнее всего осуществлять с помощью ГИС-технологий. Между тем, приходится констатировать отсутствие единого методологического подхода к анализу данных дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности для проведения комплексной оценки состояния территорий в контуре ГИС в реальном масштабе времени. Это обстоятельство во многих случаях системно ограничивает возможности оперативного нахождения наилучших решений.

Данная диссертация призвана восполнить существующий научный пробел в этой сфере, что и актуализирует тему исследования.

Целью диссертационного исследования является разработка методологии анализа данных дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности в контуре ГИС для комплексной оценки состояния территорий.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

  • Создать структуру и разработать логическую организацию наполнения картографической и атрибутивной баз данных с целью комплексной оценки состояния территорий по результатам дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности в контуре ГИС в реальном масштабе времени;
  • Разработать метод компрессии данных и выбора наиболее информативного спектрального диапазона зондирования метеорологических объектов в контуре ГИС;
  • Разработать метод автоматической идентификации изображенных на спутниковых снимках экологически значимых метеорологических объектов в контуре ГИС;
  • Разработать метод построения в рамках ГИС мезоклиматического потенциала территории в условиях априорной неопределенности;
  • Оценить статистическую обоснованность принципа максимума производства энтропии для описания сложных климатических и эколого-экономических систем;
  • Определить возможность использования концентрации антропогенных выбросов углекислого газа в качестве основы для интегральной оценки энтропийной устойчивости территории (региона);
  • Произвести расчет индекса относительной энтропийной устойчивости, отражающего относительное благополучие региона с эколого-экономической точки зрения.

Предметом и объектом диссертационного исследования является дистанционное зондирование и геоинформационное моделирование атмосферы и подстилающей поверхности, а также макро- анализ открытых сложных неравновесных климатических и эколого-экономических систем.

Методологическая и теоретическая основа исследований. Исследование базируется на системном подходе, в котором применены методы термодинамики, теоретико-информационного, теоретико-вероятностного и статистического анализа, методов теории распознавания образов, методов рандомизированных сводных показателей, геоинформационного моделирования.

Новые научные результаты, выносимые на защиту:

  • Метод выбора наиболее информативных спектральных диапазонов дистанционного зондирования метеорологических объектов на основе анализа главных компонент ковариационной матрицы наблюдений в контуре ГИС.
  • Метод автоматической идентификации изображенных на спутниковом снимке метеорологических объектов с использованием трехуровневого семейства методов распознавания образов и кластер-анализа с варьируемой степенью априорной неопределенности в контуре ГИС.
  • Алгоритм повышения степени разделимости классов метеорологических объектов путем нормирования по среднеквадратическому отклонению в случае значительного различия статистической структуры обучающих выборок.
  • Метод построения регионального мезоклиматического потенциала седиментации аэротехногенных примесей с использованием рандомизированных весовых коэффициентов в контуре ГИС.
  • Теоретико-информационное и статистическое обоснование возможности применения принципа максимального производства энтропии (МПЭ) для описания открытых сложных климатических и эколого-экономических систем, действующих в условиях ресурсных ограничений.
  • Метод учета антропогенных выбросов углекислого газа для оценки скорости производства энтропии территории.
  • Метод и результаты расчета индекса энтропийной устойчивости территории.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследования. Полученные в диссертации результаты и разработанные методы могут быть использованы:

  • в системах раннего оповещения о стихийных бедствиях и опасных погодных явлениях,
  • в системах наблюдения за лесными и тундровыми пожарами,
  • в системах наблюдения за выбросами загрязняющих веществ в атмосферу и Мировой океан,
  • при контроле водной и ветровой эрозии почв,
  • при определении границ снежного покрова, затопления и разлива рек,
  • при оценке состояния сельскохозяйственных и лесных угодий,
  • при оценке биометеорологических индексов,
  • при оценке ассимиляционных и мезоклиматических потенциалов территорий,
  • при стратегическом планировании развития территории,
  • при оценке состояния экологических и экономических систем.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 25.00.30, объединяющей исследования в области метеорологии, климатологии и агрометеорологии, настоящая работа является прикладным исследованием, ставящим целью разработку методологии анализа данных дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности в контуре ГИС для оценки комплексного состояния территорий.

Полученные научные результаты соответствуют пунктам 2, 14, 16 и 17 паспорта специальности 25.00.30 – «Метеорология, климатология, агрометеорология».

Пункту 2 «Взаимодействие между атмосферными процессами в полярных и умеренных широтах и между процессами в умеренных широтах и тропиках» соответствуют результаты применения принципа максимума производства энтропии в модели общей циркуляции атмосферы.

Пункту 14 «Микроклимат природных объектов, микроклимат мегаполисов» и пункту 16 «Метеорология и экология» соответствует получение оценки регионального мезоклиматического потенциала седиментации аэротехногенных примесей.

Пункту 16 «Метеорология и экология» соответствует метод учета антропогенных выбросов углекислого газа для оценки производства энтропии экологической системой территории.

Пункту 16 «Метеорология и экология» и пункту 17 «Прикладная климатология – атмосфера и строительство, медицина, курортология, транспорт, лесоведение» соответствует разработка метода и получение результатов расчета индекса энтропийной устойчивости территории и теоретико-информационное обоснование возможности применения принципа максимального производства энтропии для описания открытых сложных климатических и эколого-экономических систем, действующих в условиях ресурсных ограничений.

Пункту 16 «Метеорология и экология» соответствует разработка метода выбора наиболее информативных спектральных диапазонов дистанционного зондирования экологически значимых метеорологических объектов; разработка метода автоматической идентификации изображенных на спутниковом снимке экологически значимых метеорологических объектов; разработка алгоритма повышения степени разделимости классов метеорологических объектов в случае значительного различия статистической структуры обучающих выборок.

Апробация. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научной конференции в РГГМУ (Санкт-Петербург, ноябрь 1999 г.), на Итоговых сессиях Ученого совета РГГМУ (Санкт-Петербург, январь 2001-2009 гг.), на научных семинарах кафедр прикладной метеорологии и экспериментальной физики атмосферы, экономики предприятия и учетных систем РГГМУ (1999-2009 гг.). Результаты исследования были использованы при написании международных и российских грантов, договорных НИР: «Преобразование социальной сферы города за счет реализации его образовательных возможностей» (1999-2002 гг.), «Оценивание экономической эффективности, разработка моделей и оптимизация гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства» (2001-2004 гг.), «Организация и регулирование инновационной деятельности в регионе с использованием потенциала высшей школы» (2003-2004 гг.), «Управление природопользованием на предприятиях посредством интеграции данных бухгалтерской и экологической отчетности» (2005-2010 гг.), TEMPUS JEP 26005-2005 "COMBAT-METEO" (2007-2009 гг.); TEMPUS JEP “QUALIMET”(2009-2012 гг.),  BRIDGE "Keeping it cool"(2007 г.); грант молодых научно-педагогических работников высших учебных заведений и академических институтов Санкт-Петербурга в 2007 году № 07009; грант фонда "Научный потенциал" – конкурс научно- исследовательских проектов в 2008-2009 гг. договор № 171.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены лично автором и опубликованы более чем в 50 печатных работах, материалы использованы в научно-исследовательских отчетах.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация содержит введение, 7 глав, заключение, приложения и список литературы. Главы делятся на разделы. Основной текст содержит 218 страниц, включая 8 таблиц и 44 рисунка, имеется 15 приложений на 54 страницах. Список использованных источников составляет 200 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, кратко освещается современное состояние проблемы, определяются задачи и цель работы, описывается структура диссертации и формулируются общие подходы к решению поставленных задач.

Первая глава посвящена обзору технологии геоинформационных систем как автоматизированной информационной системы, предназначенной для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация. Рассматривается типовая структура ГИС и ее основные функции, описываются стандартные средства ГИС, обсуждаются методы представления пространственной информации, анализируются особенности и перспективность использования ГИС в метеорологических и природоохранных приложениях, рассматриваются недостатки существующих систем с точки зрения таких приложений и возможности их устранения, формулируются основные выводы по первой главе.

Вторая глава посвящена методам компрессии данных спутникового дистанционного зондирования метеорологических объектов путем выбора наиболее информативного спектрального диапазона.

Объясняется необходимость сжатия данных и предлагается использование простого и эффективного способа компрессии многомерных случайных величин, каковыми являются спутниковые изображения, основанного на составлении их линейных комбинаций с ядрами, являющимися собственными векторами ковариационной матрицы. Полученные таким образом новые случайные величины некоррелированы и обладают дисперсией (а, следовательно, и информативностью), равной соответствующим собственным числам. При этом наибольшей информативностью на классе всех линейных комбинаций будет обладать комбинация с ядром, отвечающим максимальному собственному числу.

Рассматривается случайный вектор наблюдений

, (1)

где n- число спектральных каналов, - яркость в точке поверхности в -ом диапазоне. При получении снимка в -ом спектральном диапазоне реализация вектора наблюдений будет представлять собой матрицу значений яркости в каждой точке изображения . определяют размеры изображения с учетом пространственного разрешения.

Строится оценка максимального правдоподобия ковариационной матрицы вектора наблюдений

(2)

. (3)

Строится оценка максимального правдоподобия для главных компонент и их дисперсий. Для этого решается характеристическое уравнение для определения собственных чисел

(4)

и находится множество соответствующих собственных векторов , удовлетворяющим уравнениям

(5)

. (6)

Главные компоненты в этих обозначениях представляют собой

. (7)

Оценивается доля объясняемой каждой компонентой дисперсии (и, соответственно, ее информативность) с помощью коэффициента

. (8)



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.