Применение данных дистанционного зондирования Земли для оценки окружающей среды

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Е.М. Короткова

ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ 

ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ 

ДЛЯ ОЦЕНКИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Учебно-методическое пособие

Томск

Издательство ТГАСУ

2023

УДК 528.8:004.93(075.8)
ББК 26.113.4я73

К687

Короткова, Е.М.

Применение данных дистанционного зондирования Земли 

для оценки окружающей среды : учебно-методическое пособие / 
Е.М. Короткова. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 
2023. – 92 с. – Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-6049514-1-5

Учебно-методическое пособие содержит материалы и практические 

задания по теме обработки и анализа данных дистанционного зондирования 
Земли средствами геоинформационных технологий. Приведены рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу «Применение данных дистанционного зондирования Земли для оценки окружающей среды». Предназначено для студентов бакалавриата направления подготовки 21.03.02 
«Землеустройство и кадастры» профилей подготовки 21.03.02.01 «Городской кадастр» и 21.03.02.01 «Кадастр недвижимости: оценка и информационное обеспечение» всех форм обучения.

УДК 528.8:004.93(075.8)
ББК 26.113.4я73

Рецензенты:
С.И. Дмитриев, технический руководитель АО «ТомскТИСИз»;
Д.И. Мокшин, канд. техн. наук, и. о. зав. кафедрой геоинформатики и кадастра, ТГАСУ.

ISBN 978-5-6049514-1-5
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2023

© Короткова, Е.М., 2023

К687

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................................ 5
1. Интернет-сервисы, предоставляющие данные 
дистанционного зондирования Земли ........................................ 7

Лабораторная работа № 1. Ознакомление 
с возможностями интернет-сервисов, предоставляющих 
данные дистанционного зондирования Земли........................... 7

Теоретические положения ....................................................... 7
Ход выполнения работы .......................................................... 8
Контрольные вопросы............................................................ 17

2. Изучение космоснимка спутника Landsat 8........................ 18

Лабораторная работа № 2. Работа с космоснимком 
спутника Landsat 8: каналы, мультиспектральное 
изображение, комбинации каналов........................................... 18

Теоретические положения ..................................................... 18
Исходные данные ................................................................... 19
Ход выполнения работы ........................................................ 20
Контрольные вопросы............................................................ 34

3. Спектральные индексы: NDVI .............................................. 35

Лабораторная работа № 3. Расчет и создание карты 
вегетационного индекса NDVI по данным космоснимков 
Landsat 8....................................................................................... 35

Теоретические положения ..................................................... 35
Исходные данные ................................................................... 37
Ход выполнения работы ........................................................ 38
Контрольные вопросы............................................................ 49

4. Определение параметров природных объектов 
на основе космоснимков.............................................................. 50

Лабораторная работа № 4. Расчет изменений площади 
Сарыкамышского озера по данным космоснимков за период 
1984–2020 гг. .............................................................................. 50

Теоретические положения ..................................................... 50
Исходные данные ................................................................... 51

Ход выполнения работы ........................................................ 52
Контрольные вопросы............................................................ 65

5. Изучение цифровых моделей рельефа SRTM..................... 66

Лабораторная работа № 5. Создание карты рельефа 
и расчет экспозиции и крутизны склонов на основе 
данных цифровой модели рельефа SRTM................................ 66

Теоретические положения ..................................................... 66
Исходные данные ................................................................... 67
Ход выполнения работы ........................................................ 67
Контрольные вопросы............................................................ 88

Заключение .................................................................................... 89
Библиографический список........................................................ 90
Глоссарий ....................................................................................... 91

ВВЕДЕНИЕ

Данные дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ) давно 

являются неотъемлемой частью многих современных исследований в области наук о Земле. Начиная с XIX в., с эпохи становления воздухоплавания и развития фототехники, у человека появилась возможность получать информацию о земной поверхности 
с помощью фотосъемок с высоты. С приходом эры искусственных спутников Земли (ИСЗ) и развитием технологий оптической 
физики возможности исследования земных покровов значительно расширились. Дистанционное зондирование Земли из космоса, как одно из направлений мониторинга, развивается уже более 60 лет, и сегодня данные дистанционного зондирования 
Земли доступны не только ученым, но и любому человеку в виде 
разнообразных картографических сервисов.

Данные дистанционного зондирования Земли нашли приме
нение во многих отраслях хозяйства. Например, они активно используются в сельском и лесном хозяйстве для всевозможных 
оценок состояния и продуктивности растительности, увлажненности почвы, ее плодородия, физических и химических свойств. 
Без данных дистанционного зондирования Земли невозможно 
представить современную картографию, землеустройство и территориальное планирование. Любые задачи, связанные с мониторингом окружающей среды, будь то распространение загрязнений, выявление лесных пожаров, оценки прироста населенных 
пунктов или определение границ водных объектов и зон затопления с успехом решаются с помощью космосъемки со спутников.

В настоящем учебно-методическом пособии содержится 

информация о методах применения данных дистанционного зондирования Земли из космоса, о поисковых системах космоснимков и их тематической обработке в геоинформационных системах 
(ГИС). Пособие носит практический характер и содержит методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу 
«Применение данных дистанционного зондирования Земли для 

оценки окружающей среды», а также необходимые для выполнения лабораторных работ теоретические материалы и контрольные вопросы.

Учебно-методическое пособие предназначено для студен
тов бакалавриата направления подготовки 21.03.02 «Землеустройство и кадастры». Представленные лабораторные работы 
адаптированы для выполнения в ГИС-пакете QGis 3.14.16, находящемся в свободном доступе в официальном репозитории проекта QGis.

При создании иллюстративного ряда пособия были исполь
зованы материалы Геопорталов Роскосмоса и Геологической 
службы США.

1. ИНТЕРНЕТ-СЕРВИСЫ, 

ПРЕДОСТАВЛЯЮЩИЕ ДАННЫЕ 

ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

Целью является изучение функционала, возможностей, ал
горитмов поиска и скачивания космоснимков на двух интернетсервисах, предоставляющих доступ к данным дистанционного 
зондирования Земли, – геопорталах Роскосмоса и Геологической 
службы США.

В результате студенты освоят порядок поиска и скачивания 

космоснимков, необходимых для решения широкого спектра 
практических задач в области мониторинга окружающей среды.

Лабораторная работа № 1.

Ознакомление с возможностями интернет-сервисов, 

предоставляющих данные 

дистанционного зондирования Земли

Теоретические положения

Дистанционное зондирование Земли – это получение ин
формации о поверхности Земли и расположенных на ней объектах, об атмосфере, океане, верхнем слое земной коры бесконтактными методами, при которых регистрирующий прибор удален от 
объекта исследований на значительное расстояние. Методом дистанционного зондирования с помощью аппаратуры, размещенной на искусственных спутниках Земли, осуществляется космический мониторинг Земли. Данными такого мониторинга или 
данными дистанционного зондирования являются космоснимки.

Космоснимки представляют собой растровые изображения 

Земли, содержащие информацию об отражающих свойствах поверхности. Получить космоснимки можно с помощью специализированных интернет-сервисов – поисковых систем данных ди

станционного зондирования Земли. Существует множество таких 
сервисов, похожих друг на друга по интерфейсу и функционалу.

В рамках данной работы будут рассмотрены такие поиско
вые системы данных дистанционного зондирования Земли, как 
Геопортал Роскосмоса и Геопортал Геологической службы США. 
Работа посвящена изучению функционала и возможностей вышеуказанных интернет-сервисов, предоставляющих возможности 
поиска, просмотра и скачивания данных дистанционного зондирования Земли (космоснимков).

Ход выполнения работы

Геопортал Роскосмоса

1. Зайдите на портал Роскосмоса по ссылке https://gptl.ru/.

Ознакомьтесь с предлагаемыми разделами сайта и боковой панелью. По умолчанию на боковой панели отображается вкладка 
«События», представляющая новостную ленту, также вам предлагаются вкладки «Поиск снимков» и «Слои».

2. Перейдите на вкладку «Слои». В данном разделе вы мо
жете выбрать необходимую подложку. По умолчанию подложкой 
является карта OSM (Open Street Map). В качестве подложки вы 
также можете использовать мозаику космоснимков Landsat. При 
выборе слоя ЕЭКО отобразится дополнительная подложка – Единая электронная картографическая основа Российской Федерации, 
созданная в виде цифровых топографических карт (планов) и цифровых ортофотопланов. В пунктах «Снимки» и «Снимки ЦОД» вы 
можете вывести на подложку покрытие космических аппаратов серии «Метеор». Просмотрите все возможные варианты и вернитесь 
к подложке «Карта (OSM)».

3. Перейдите на вкладку «Поиск снимков» и изучите пара
метры поиска. Вы можете указать район интереса, интервал дат 
съемки, космический аппарат и процент облачности. Установите 
маркер в пункте «Район интереса» на значение «задать вручную». 
Здесь вы можете создать контур района интереса, используя ин

формацию из готового shp-файла, либо задать его самостоятельно, нарисовав новую область или введя ее координаты. 
Нажмите на кнопку «Новая область», выберите на карте произвольный район интереса и создайте контур любой формы, закрепив его двойным кликом. Введите интервал дат съемки за последние 5 лет. В блоке выбора космических аппаратов (КА) вы видите 
КА следующих серий: Аист, Канопус, Метеор и Ресурс. Почти 
у каждой серии представленных КА есть несколько миссий, раскройте параметры КА и, наводя курсор мыши на тип космоснимков, изучите их характеристики (разрешение, спектральные диапазоны и т. д.). Отметьте галочками все представленные космические аппараты и обратите внимание на пункт «Облачность», 
в данном пункте вы можете задать допустимый процент облачности на снимке, оставьте этот параметр в значении «не учитывать». 
Дополнительные параметры оставьте по умолчанию и нажмите 
на кнопку «Искать снимки». Перед вами результаты поиска по 
заданным критериям (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Поиск космоснимков на портале Роскосмоса

4. Ознакомьтесь со списком полученных результатов, предо
ставляемой информацией и возможностями. Кликом выберите на 

карте произвольный контур снимка, в открывшемся окне просмотрите информацию о нем, выведите снимок на карту (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Выбор космоснимка на портале Роскосмос

5. В меню Геопортала Роскосмос перейдите на страницу 

«Открытые данные» и изучите изменения в интерфейсе сервиса 
поиска снимков. Снимки, найденные в данном разделе, доступны 
для свободного скачивания. Раскройте параметры представленных КА и обратите внимание на пространственное разрешение их 
снимков. Как оно отличается от пространственного разрешения 
снимков тех же КА, представленных в разделе «Геопортал»?

6. Очистите результаты поиска, перезагрузив страницу.
7. Сервис Роскосмоса позволяет также определять по интер
активной карте расстояния и площади объектов: инструменты 
«Измерение расстояний» и «Измерение площадей» находятся на 
верхней панели карты. Опробуйте оба инструмента в действии.

8. С помощью инструмента «Измерение площадей» обри
суйте произвольное озеро на карте, определите его название и значение площади в км2. В данном случае озеро Уурэг-Нуур (рис. 1.3) 
в Монголии имеет приблизительную площадь 247,6 км2.

Рис. 1.3. Использование инструмента «Измерение площадей» на приме
ре озера Уурэг-Нуур

9. Перейдите на вкладку «Геопортал» и ознакомьтесь с пред
лагаемыми разделами сайта. Ссылка «Базовые продукты» перенаправляет вас на сайт «Банк базовых продуктов Роскосмоса». Продукты созданы для межведомственного пользования и доступны 
по запросу. С главной страницы перейдите в галерею базовых продуктов и ознакомьтесь с ними. Ссылка «Тематическая обработка» 
перенаправляет вас на портал «Геотрон РКС», на котором в режиме онлайн доступна тематическая обработка космоснимков для 
зарегистрированных пользователей.

10. Находясь в разделе «Геопортал», перейдите на вкладку 

«Поиск снимков» на боковой панели карты. Функционал раздела 
«Геопортал» аналогичен функционалу раздела «Открытые данные», однако здесь добавляется возможность выбора процента 
облачности на снимке, указания дополнительных параметров
и очистки формы запроса. Представленные в данном разделе космоснимки несут больше информации о поверхности Земли благодаря наличию каналов, изображений, содержащих различные диапазоны электромагнитного излучения, однако они не доступны 

для скачивания простому пользователю, а предоставляются по запросу в рамках программы межведомственного пользования.

11. Перейдите на вкладку «Фонд данных ДЗЗ» и авторизуй
тесь, используя логин и пароль, выданный преподавателем. Фонд 
данных ДЗЗ – новый сервис Роскосмоса, позволяющий искать, 
просматривать и заказывать космоснимки в более удобном формате. Изучите функционал панели поиска космоснимков. Обратите внимание на перечень съемочной аппаратуры, в данном разделе можно найти снимки не только отечественных, но и зарубежных спутников, таких как Landsat и Sentinel.

12. Выделите на карте прямоугольником или полигоном 

территорию г. Томска и найдите все снимки сверхвысокого разрешения с нулевым процентом облачности (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Поиск снимков в Фонде пространственных данных

13. Нажмите на произвольный контур снимка, покрываю
щего территорию г. Томска, и обзорное изображение снимка 
отобразится на экране, а строка с информацией о снимке подсветится голубым. Нажмите кнопку «Добавить в корзину» и изучите 
возможные варианты заказа данного изображения, а также его 
стоимость (рис. 1.5). Снимки из фонда пространственных данных