ИНСТРУКЦИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ

Введение

Проект мониторинга и анализа засух и засушливых процессов на территории Республики Казахстан с использованием данных дистанционного зондирования Земли и геоинформационных систем, направлен на достижение Цели укрепления продовольственной безопасности и потенциала адаптации к изменению климата в сельском хозяйстве и пастбищных системах в Южно-Казахстанской области

С 2001 года в АО «Национальный центр космических исследований и технологий», (далее НЦКИТ) разрабатываются алгоритмы, методики и ГИС-технологии решения ряда сельскохозяйственных задач прикладного характера, в том числе мониторинг засух. Между тем, с 2012 года в представительстве Программы развития Организации Объединенных Наций (ПРООН) в РК реализуется проект «Повышение устойчивости сектора пшеницы в Казахстане к изменению климата для обеспечения продовольственной безопасности в Центральной Азии». В рамках проекта, планируется создание геопортала космического мониторинга засух, далее Геопортал. Главная цель создания геопортала - предоставление заинтересованным казахстанским пользователям (фермерам, областным акиматам и МСХ) информации о засухе. Благодаря финансовой поддержке ПРООН/USAID АО «НЦКИТ» разработал пилотную версию Геопортала. Планируется, что разработка и запуск Геопортала обеспечит достижение следующих результатов:
- повысится точность оценки степени и площади распространения засух;
- увеличится производительность и качество труда специалистов за счет освобождения их от выполнения бумажных работ;
- улучшится информационное обеспечение научно-исследовательской информацией фермеров, акиматов и МСХ РК;
- упростится обмен научной информацией о засухе между государственными органами и другими заинтересованными организациями.

Для Республики Казахстан, разработка и запуск Геопортала в эксплуатацию будет иметь важное значение, так как позволит внедрить новейшие инновационные технологии в сельскохозяйственное производство.

Основные функции:
o Отображение растровых покрытий, состоящих из космических снимков земной поверхности.
o Отображение векторных слоёв на фоне растровых покрытий.
o Предоставление средств анализа изменений местности на основе космических снимков, сделанных в разное время и содержащихся в растровых покрытиях.
o Импортирование и геокодирование тематических (формализованных) данных, создание векторных слоёв объектов (точечных, линейных, площадных) с требуемыми атрибутами.
Термины и определения
Растровое покрытие - набор космических снимков земной поверхности, охватывающих определённую территорию (часть или всю территорию города, района, страны, континента или планеты).
 
Элемент растрового покрытия - отдельный космический снимок, входящий в состав растрового покрытия.
Векторная карта - набор векторных слоёв.
Базовый векторный слой - набор векторных объектов, с помощью которых представляется геопространственная информация. Каждый объект базового векторного слоя имеет идентификатор, координаты и может иметь дополнительные данные (семантические характеристики). Для каждого базового векторного слоя задан стиль, в соответствии с которым отображаются объекты слоя. Также для базового векторного слоя определён диапазон масштабов, при которых он отображается на карте.

Семантические характеристики - параметры, описывающие характеристики объектов базового векторного слоя. Например, для слоя "Страны" могут быть заданы следующие семантические характеристики: Наименование, Население, Столица. Тогда каждый объект базового векторного слоя "Страны" будет содержать соответствующие значения для перечисленных семантических характеристик.
Точечный объект - объект базового векторного слоя, который представляет геопространственный объект в виде точки.
Линейный объект - объект базового векторного слоя, который представляет геопространственный объект в виде линии.
Площадной объект - объект базового векторного слоя, который представляет геопространственный объект в виде полигона.
Тематический векторный слой - слой, соответствующий определённому базовому слою, и отображающий объекты базового слоя, при этом стиль отображения объекта зависит от значения определённой семантической характеристики этого объекта. Тематический векторный слой, как и составной, не содержит реальных объектов, а лишь определяет стили отображения объектов базового слоя.
Составной векторный слой - слой, который не содержит реальных объектов, а предназначен для объединения базовых и других составных слоёв в группу. Это свойство составных слоёв позволяет определить иерархию векторных слоёв в виде дерева слоёв. Например, составной слой "Топооснова " может содержать базовые слои "Границы", "Населенные пункты"...

Описание интерфейса

Геоинформационная система космического мониторинга засух (Веб-ГИС «Космического мониторинга засух») разработана для получения полной и единой информационной системы мониторинга засух на территории Казахстана и принятия управленческих решений.

Веб-ГИС «Космического мониторинга засух» позволяет пользователям просматривать и анализировать пространственные данные полученные методами ДЗЗ с помощью обычных веб-браузеров. В веб-ГИС реализованы функции: навигация по карте, пространственный анализ, построение графиков, гистограмм, таблиц, поиск информации, геокодирование и др. Для работы в веб-ГИС «Космического мониторинга засух» пользователю не требуется специализированное программное обеспечение или квалификация ГИС-специалиста.

Веб-ГИС «Космического мониторинга засух» состоит из следующих функциональных элементов: область карты (1), дерева слоев (2), интерфейса измерения линейных и двумерных параметров исследуемых объектов (3), элементов оперативного, сезонного и межсезонного анализа параметров засух (рисунок 1).



Рисунок 1 – Общий вид интерфейса веб-ГИС «Космического мониторинга засух»

Дерево слоев состоит из двух разделов: «Слои» и «Визуализация и графики» (рисунок 2). В раздел «Слои» входят: Подложки; Топоснова. С помощью раздела «Визуализация и графики» можно построить карты, построить графики и посмотреть описание показателя.



Рисунок 2 – Общий вид дерева слоев интерфейса веб-ГИС «Космического мониторинга засух»

Основным видом данных представленных на геопортале является вегетационные индексы. Вегетационный индекс (ВИ) это показатель, рассчитываемый в результате операций с разными спектральными диапазонами (каналами) ДДЗ, и имеющий отношение к параметрам растительности в данном пикселе снимка. Эффективность ВИ определяется особенностями отражения; эти индексы выведены, главном образом, эмпирически.

Основное предположение по использованию ВИ состоит в том, что некоторые математические операции с разными каналами ДЗЗ могут дать полезную информацию о растительности. Это подтверждается множеством эмпирических данных. Второе предположение – это идея, что открытая почва на снимке будет формировать в спектральном пространстве прямую линию (т.н. почвенная линия). Почти все распространенные вегетационные индексы используют только соотношение красного – ближнего инфракрасного каналов, предполагая, что в ближней инфракрасной области лежит линия открытой почвы. Подразумевается, что эта линия означает нулевое количество растительности.

Посредством раздела «Визуализация и графики» из дерева слоев можно выбрать и отобразить на карте в виде растрового слоя, в соответствии с общепринятой шкалой, данные NDVI для различных дат с восьмидневным осреднением, в течении вегетационного периода с 2000 по 2017 годы (рисунок 3).



Рисунок 3 – Данные растрового слоя NDVI с восьмидневным осреднением за выбранный период

Данные о NDVI это данные оперативного мониторинга, и показывают развитие растительности в текущий момент (декаду/восьмидневку). NDVI рассчитывается по формуле:


Впервые описан - Rouse et al. (1973), концепция впервые представлена - Kriegler et al. (1969). NDVI чаще всего имееют в виду при упоминании вегетационного индекса это наиболее популярный и распространенный индекс в мире. Одно из преимуществ состоит в том, что его значения изменяются от -1 до 1. Подробнее о NDVI (http://gis-lab.info/qa/ndvi.html).

Все показателя растительного покрова представленные на геопортале основаны на 8-дневных данных по растительному покрову, полученных от сенсора Terra/Aqwa MODIS при разрешении в 0,25-0.5 км (начиная с 2000 года).

Для сравнительного анализа значений NDVI система позволяет построить графики изменения NDVI в течении вегетационного периода в выбранной на карте точке размером 250х250 метров или в заданной самим пользователем периметре. График появляется при клике левой кнопки мыши в выбранную точку на карте. Во всплывающем окне можно выбрать для сравнения: два различных года, среднее многолетнее, максимальное и минимальное значение NDVI (Рисунок 4).



Рисунок 4 – Всплывающее окно динамики изменения NDVI

Многие авторы определяют ухудшение или улучшение состояния растительности, сравнивая значения NDVI двух и более лет съемки. Подходы для сравнения этих величин могут быть как визуальными, так и статистическими. F.Kogan предложил новый индекс, который учитывает не отдельные значения NDVI, а изменение этих значений в течение вегетационного периода и назвал этот индекс индексом условий роста растительности (Vegetation Condition Index VCI). VCI выражен следующим образом: VCIj=(NDVIj –NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)*100%, где VCIj – значение индекса условий роста растительности для даты j; NDVIj – изображение NDVI значений для даты j; NDVImax – изображение максимальных NDVI значений внутри всего набора данных; NDVImin – изображение минимальных NDVI значений внутри всего набора данных. То есть VCIj это процентное отношение значений NDVI за время j по отношению к максимальной амплитуде изменений значений NDVI за рассматриваемый период времени.



Рисунок 5 - Данные растрового слоя VCI с восьмидневным осреднением за выбранный период

VCI используют в качестве показателя условий роста растительности в отдельно взятом регионе. Kogan успешно применил этот индекс для мониторинга засухи и оценки условий роста растительности как в США, так и в других странах. Он выяснил, что если использовать этот индекс в течение многих лет, то можно оценить потенциальную способность данного региона для получения урожаев сельскохозяйственных культур. Индекс VCI уменьшает влияние природных факторов (погодных условий, географических, экосистемных изменений, почвенных, растительных, топографических условий), позволяет сравнивать между собой отсчеты NDVI в разных природных зонах, разных ландшафтах и при разных погодных условиях. На примере южного Судана было выявлено, что индекс VCI имеет более тесные связи с количеством выпавших осадков, чем NDVI. Индекс VCI был успешно применен при изучении климатологии засухи на юго-востоке Русской равнины. Данный индекс применялся в качестве показателя засухи в течение 20 лет.

Значения VCI изменяются от 0 до 100%, отражая изменения погодных условий вегетации от сухих до влажных. Условия считаются влажными и благоприятными для растительности на данной территории при значении индекса более 70%. Изменения VCI в диапазоне 30-70% отражают близкие к норме условия увлажнения. Стрессовое состояние растительности (засуха) наступает при значении индекса менее 30%.

Для сравнительного анализа в меню можно выбрать и отобразить на карте в виде растрового слоя, в соответствии с общепринятой шкалой (рисунок 6), данные VCI для различных дат с восьмидневным осреднением, в течении вегетационного периода с 2000 по 2017 годы (рисунок 5).



Рисунок 6 – Шкала VCI

Также для сравнительного анализа значений VСI система позволяет построить графики изменения VCI в течении вегетационного периода в выбранной на карте местности размером 250х250 метров. График появляется при клике левой кнопки мыши в выбранную точку на карте. Во всплывающем окне можно выбрать для сравнения: два различных года (рисунок 7).



Рисунок 7 – Всплывающее окно динамики изменения VCI

Фактически пользователь может сравнить условия вегетации не только текущего года с любым другим, но и два произвольных года. Наиболее распространенная форма сравнения это сравнение с прошлым годом, так как это сравнение является для фермеров наиболее доступным для понимания.

Сравнительные данные можно получить как в точке, так и для определенной площади (поля). Для сравнительного анализа значений NDVI осредненных по площади, система позволяет построить графики изменения NDVI в течении вегетационного периода на произвольно выбранной прямоугольной площади на карте. График появляется при выборе границ интересующей области. При выборе определенного восьмидневного временного периода появляется гистограмма распределения значений NDVI (текущего, среднего, максимального, минимального) (рисунок 8).



Рисунок 8 – Всплывающее окно динамики изменения NDVI, осредненного по площади, в виде графиков и гистограммы

Пользователи могут наглядно-визуально увидеть различия вегетации в разные годы, оценить насколько лучше или хуже этот год по сравнению с остальными.

Для сравнительного анализа значений VCI осредненных по площади, система позволяет построить графики изменения VCI в течении вегетационного периода на произвольно выбранной прямоугольной площади на карте. График появляется при выборе границ интересующей области. При выборе определенного восьмидневного временного периода появляется круговая диаграмма распределения значений VCI (рисунок 9).



Рисунок 9 – Всплывающее окно динамики изменения VCI, осредненного по площади, в виде графиков и круговых диаграмм

На портале можно отобразить карту значений нормализованного разностного водного индекса NDWI. В основе индекса лежит тот факт, что вода отражает гораздо меньше света в инфракрасной области спектра, чем в видимой. Индекс NDWI используется для определения наличия влаги в растительном покрове. Более высокие значения NDWI указывают на достаточную увлажненность, в то время как, низкое значение указывает на водный стресс.

Посредством раздела «Визуализация и графики» из дерева слоев можно выбрать и отобразить на карте в виде растрового слоя, данные NDWI для различных дат с шестнадцатидневным осреднением, в течении вегетационного периода с 2000 по 2017 годы (рисунок 10).



Рисунок 10 - Данные растрового слоя NDWI с шестнадцатидневным осреднением за выбранный период

Посредством подраздела «Построить график» из дерева слоев можно построить график динамики NDWI для вегетационного периода с 2000 по 2017 годы в любой заданной точке или на произвольно выбранной прямоугольной площади (рисунок 11).



Рисунок 11 – Всплывающее окно динамики изменения NDWI, осредненного по площади, в виде графиков и гистограммы

Интерфейс веб-ГИС системы включает инструменты для измерения линейных размеров объектов (метры)(рисунок 12)



Рисунок 12 – Инструмент для измерения линейных размеров объектов (метры)

Интерфейс веб-ГИС системы включает инструменты для измерения площадных размеров объектов (кв.метры)(рисунок 13)



Рисунок 13 – Инструмент для измерения площадных размеров объектов (кв.метры).

Все графики и диаграммы можно сохранить в нескольких распространенных форматах (JPEG, PDF и т.д.), а также распечатать на принтере (рисунок 14).



Рисунок 14- Функциональные возможности экспорта и печати диаграмм и графиков