06.05.2013

Роль дистанционного зондирования в планировании и управлении устойчивым развитием территорий на примере проекта GEOURBAN

Авторский коллектив:

Нектариос Хризолакис (координатор проекта), Димитриос Триантаконстантис (FORTH – Фонд Исследования и Технологии, Греция),

Томас Эш, Матиа Маркончини (DLR-DFD – Германский центр авиации и космонавтики, Германия),

Эберхард Парлоу, Кристофер Фейгенвинтер (UNIBAS – Университет г. Базеля, Швейцария),

Щебнем Дюзгюн, Махмут Кавур, (Kuzgun Bilisim, Турция),

Авраам Таль (GARD, Израиль),

Анна Сазонова (ООО «ГРАД-Информ», Россия).


Управление территорией – процесс динамичный, а стремление к эффективному и устойчивому развитию города требует совершенствования методов, изучения альтернативных решений, создания новых инструментов наблюдения и использования актуальной пространственной информации о городе. В настоящее время источниками подобной информация являются статистика, геодезия и картография. Однако, используемые способы обработки данных часто приводят к сравнительно грубым пространственным и временным результатам либо являются материально- и трудозатратными.

Увеличение числа методов дистанционного зондирования земли (далее – ДЗЗ) открывают новые возможности для создания перспективных инструментов, обеспечивающих поддержку планирования и принятия решений по управлению территорией города органами местного самоуправления и предоставляющих пространственные данные о территории заинтересованным лицам, в т.ч. градостроителям, архитекторам, проектировщикам, инвесторам, девелоперам, кадастровым инженерам и пр. Интеграция различных источников данных, их совместная обработка повышает качество и информативность результатов, полученных с использованием этих данных.

Проект GEOURBAN был создан с целью формирования многостороннего научного сотрудничества России со странами Евросоюза и семи ассоциированными странами в рамках программы ERA.Net-RUS. Для реализации проекта GEOURBAN были выбраны в качестве пилотных три города с различными типологиями: город Тюмень (Россия), отличающийся континентальным климатом и динамичным процессом произошедших в течение последних двух десятилетий политических изменений; средиземноморский город Тель-Авив (Израиль) и центральный европейский город Базель (Швейцария), где налажено сотрудничество между учеными в области наблюдения Земли и градостроителями.

Цель проекта заключается в использовании комплексных подходов и объединении ученых в области наблюдения Земли и градостроителей, путем демонстрации возможностей современных систем мониторинга для отображения параметров градостроительной ситуации и качества городской экологии на больших территориях с высоким уровнем детализации.

Задачи проекта GEOURBAN:

- анализ требований к данным ДЗЗ, определение источников этих данных и методов их обработки для использования в процессе управления развитием территории на примере пилотных городов;

- анализ потенциала использования результатов космической деятельности в процессе управления развитием территории;

-подбор показателей (индикаторов), полученных на основе данных ДЗЗ и отражающих состояние городской среды;

- создание веб-ориентированной информационной системы (далее – ИС), позволяющей автоматизировать процесс вычисления индикаторов, и демонстрация разработанной ИС на примере пилотных городов.

Ранее уже проводились исследования и разработки, направленные на мониторинг и моделирование развития города с использованием результатов космической деятельности, например: MURBANDY-MOLAND, Информационная служба Земли – Geoland (http://www.gmes-geoland.info/), Городской атлас (http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/data/urban-atlas), Научно-исследовательский проект динамики развития города (http://landcover.usgs.gov/urban/intro.php) и Городской экологический проект (http://cesa.asu.edu/urban-systems/). Большинство исследований использовали пространственные данные, отражающие температуру поверхности Земли и ее влияние на другие биофизические характеристики, в т.ч. индекс растительности и виды использования территории. Также, были реализованы геоинформационные системы для построения цифровых моделей территорий, обладающие веб-интерфейсом, например, Методология Giovanni с использованием данных ДЗЗ NASA. Тем не менее, особенность проекта GEOURBAN заключается в отражении многогранного характера управления развитием территории города на основе индикаторов, понятных каждому пользователю и применимых для осуществления его хозяйственной, коммерческой и иных видов деятельности.

Разделение пространства в зависимости от различных видов его использования и отображение их на карте являются основными задачами управления территорией. Для решения этих задач следует придерживаться принципа устойчивости городского развития и опираться на пространственные данные, характеризующие территорию города, рельеф, инфраструктуру, объекты недвижимости, результаты экологических исследований, информацию о защите территории от стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций.

Продолжительность проекта GEOURBAN 2 года (с 2012 г.), результатом работ будет веб-ориентированная геоинформационная система, позволяющая интегрировать и отображать данные различных источников, а также содержащая аналитический инструмент вычисления пространственных, экологических, социально-экономических (индикаторов).

1. ПОДХОД GEOURBAN

Рост численности населения и миграция, увеличение экологических проблем требует использования эффективных подходов в рамках деятельности градостроителей, экономистов, экологов и инженеров для поддержки устойчивого развития динамично меняющихся городов и регионов. Для управления качеством городской среды, необходимо обеспечить свободный доступ к пространственным данным о территории города. Тем не менее, качество окружающей среды города является сложным и переменным параметром, который зависит от ряда факторов, включая показатель интенсивности нагрева территории, распределение зелени, плотность застройки и ее геометрия, качество воздуха и т.п. Проект GEOURBAN сосредоточивается на показателях городской среды в рамках объекта территориального деления, на местном и региональном уровнях, что делает разрабатываемую в рамках проекта ИС особенно ценным инструментом.

Участники проекта GEOURBAN представлены шестью (государственными и частными формами) организациями из следующих стран: Греции, Германии, Швейцарии, Турции, Израиля и России. Деятельность в рамках проекта условно представляет 7 направлений для распределения ответственностей между участниками. Методология и схема взаимодействия участников проекта представлена на рисунке 1.

Методология проекта GEOURBAN

Для повышения эффективности используемых методов и обеспечения актуальности проводимых исследований и разработок в рамках проекта было решено сформировать профессиональное сообщество практиков (далее – Сообщество). В состав сообщества помимо участников проекта входят потенциальные пользователи ИС, заинтересованные лица и эксперты, в числе которых представители органов власти и проектных организаций. Сообщество организовано с целью обсуждения важных аспектов применимости индикаторов, подготовки требований к разрабатываемой ИС, а также сбора замечаний и предложений по результатам деятельности. Участники проекта GEOURBAN встречаются на регулярной основе не только с целью обсуждения результатов работы и определения дальнейших целей и задач, но и для обмена опытом в использовании современных методик и алгоритмов мониторинга территорий городов.

Вычисление индикаторов (показателей), характеризующих городскую среду, осуществляется на основе предварительно обработанных данных ДЗЗ. Следует отметить, что создание инструментов обработки данных ДЗЗ не является целью проекта GEOURBAN, в связи с этим применяются уже апробированные современные методы и инструменты. Эти инструменты реализуются в автономном режиме, поэтому они не являются частью ИС, а предоставляют входные данные для их отображения и использования в процессах расчета индикаторов. Тем не менее, для понимания пользователем процесса обработки данных ДЗЗ подготовлены отчеты с подробным описанием методов анализа данных ДЗЗ, используемых в проекте GEOURBAN (данные методы выходят за рамки настоящей статьи). Часть индикаторов, особенно на региональном уровне, можно вычислить автоматически с использованием данных ДЗЗ высокого разрешения, доступных в сети Интернете (например, MODIS Level-2). Однако, в масштабе города и объектов территориального деления необходимо использовать данные ДЗЗ очень высокого разрешения, и выполнение расчета индикаторов целесообразно осуществлять автономно, как в случае проекта GEOURBAN.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ

Основные достижения первого этапа работ:

- проведение регулярных встреч сообщества с целью определения потребностей перспективных пользователей ИС;

- формирование перечня индикаторов, отображающих качество и развитие городской среды;

- получение результатов на основе обработки данных космической деятельности и использование их для вычисления индикаторов;

- разработка прототипа ИС GEOURBAN.

2.1 Проведение регулярных встречи сообщества в пилотных городах проекта GEOURBAN

На встречах сообщества основным обсуждаемым вопросом является вклад данных ДЗЗ в процесс управления территорией города. Результаты космической деятельности становятся более доступными и качественными, следовательно, отсутствует необходимость в их дополнительной обработке, и увеличивается их использование в процессах управления развитием города. Организация встреч сообщества осуществляется на основе приобретенного в ходе предыдущих проектов опыта участниками проекта GEOURBAN.

В результате первого этапа (2012 г.) регулярных встреч профессионального сообщества были описаны цели управления развитием территории и сформирован перечень индикаторов, определены требования к ИС, в т.ч. к данным ДЗЗ и методам их обработки. Встречи сообщества проходили на территории всех пилотных городов.

Второй этап встреч (2013 г.) сообщества организован с целью демонстрации разработанного прототипа ИС GEOURBAN. Сообществом были представлены первые два прототипа системы. Поскольку ИС GEOURBAN представляет собой веб-инструмент, пользователи могут испытать систему в сети Интернете и обеспечить обратную связь с сообществом, для учета всех предложений и замечаний при разработке следующей версии прототипа системы. Окончательный вариант ИС будет представлен в ходе демонстрации в рамках следующих встреч сообщества.

2.2 Перечень индикаторов

В результате работы сообщества был подготовлен перечень индикаторов, вычисление которых осуществляется с использованием предварительно обработанных данных ДЗЗ. Эти индикаторы позволяют оценить качество городской жизни и обеспечить заинтересованным лицам поддержку планирования и принятия решений по управлению территорией города. Примеры индикаторов представлены на рис. 2.

Изначально был подготовлен предварительный перечень индикаторов, который был пересмотрен экспертами и заинтересованными лицами в ходе регулярных встреч на предмет необходимости и применимости каждого индикатора на примере пилотных городов. В результате был сформирован итоговый перечень. Последняя колонка показывает приоритет вычисления индикаторов в рамках проекта, полученный путем анализа его применимости в каждом пилотном городе.


Примеры индикаторов: а) процент непроницаемости поверхности для г. Тюмени (источники - RapidEye и TearraSAR-X)

коэффициент отражательной способности поверхности  г. Базель (широкополосное коротковолновое,  источник - Landsat)

2.3 Обработка данных ДЗЗ

С целью получения исходных данных, используемых для вычисления индикаторов, осуществляется обработка космических снимков. Индикаторы, приведенные в таблице, могут быть вычислены с использованием цифровой модели рельефа, карты объектов территориального деления и иных изображений местности, характеризующих степень покрытия территории растительностью, отражательную способность поверхности, температуру поверхности Земли, концентрацию веществ в воздухе и т.п. Примеры используемых результатов космической деятельности для получения исходных данных представлены на рис. 3. Полученные путем обработки исходные данные для вычисления индикаторов приведены на рис. 4.

Описание используемых данных и процедуры их анализа и обработки в рамках проекта GEOURBAN осуществляется в отчетах о работе сообщества.


2.4 Прототип геоинформационной системы GEOURBAN

Первый прототип ИС GEOURBAN был разработан в начале 2013 года. Этот прототип включал в себя стандартный набор инструментов для управления картой, переключения слоев, изменения масштаба, измерения расстояний, вычисление площади и отображения атрибутивных данных объектов, в т.ч. значений индикаторов. В рамках первого релиза были опубликованы результаты вычисления первых 3 индикаторов для пилотных городов Базеля и Тюмени: Плотность застройки, Открытые пространства, Зеленые территории. Индикаторы были получены путем растровых вычислений на основе Карты вариантов использования территории городов. В качестве базового слоя (подложки) при публикации использовались карты свободного ресурса OpenStreetMap.

Релиз второго прототипа системы состоялся в конце апреля текущего года. Были проведены работы по совершенствованию интерфейса системы (рис. 5) и опубликованы дополнительно 3 индикатора: два из которых получены путем обработки результатов космической съемки со спутников TerraSAR-X и RapidEye, индикатор «Непроницаемость» получен аналогично индикаторам в рамках первого релиза. Публикация информации второй версии системы осуществляется с опорой на два дополнительных базовых слоя – космоснимки Google Maps. Разработка окончательного варианта ИС будет завершена к концу июня.

Для публикации карты в формат, совместимый со всеми популярными интерактивными картами (в т.ч. Google Maps, OpenStreetMap) системой используется сферическая проекция Меркатора (EPSG: 3857). Программное обеспечение прототипа системы разработано ООО «ГРАД – Информ».

Доступ к прототипу ИС GEOURBAN, как и ко всей интересующей информации о проекте открыт по адресу http://geourban-fp7-eranet.com/ и требует от пользователя только наличие подключения к сети Интернет и веб-браузер.

Интерфейс ИС GEOURBAN

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проект GEOURBAN направлен на преодоление барьера между учеными в области наблюдения Земли и градостроителями, а также на решение вопросов обеспечения пространственными данными заинтересованных лиц. В рамках проекта GEOURBAN были выявлены задачи, которые можно решить с использованием данных ДЗЗ, также выбраны методы обработки этих данных с целью использования полученных результатов для вычисления индикаторов, которые были отобраны и часть из которых реализована в геоинформационной системе GEOURBAN.

В настоящее время разработанный прототип ИС имеет как автоматические и полуавтоматические функции, в зависимости от применения и выбранного масштаба Проект GEOURBAN обладает значимым инновационным потенциалом в части поддержки деятельности, связанной с разработкой градостроительной документации, оценкой современного состояния территории и контролем ее развития на основе градостроительной документации, мониторингом соблюдения требований законодательства в области градостроительной деятельности, управлением землей и улучшением инвестиционного климата в городе.

Завершение разработки финального прототипа ИС GEOURBAN ожидается к июню текущего года. Сообщество планирует в развитии этого инструмента использование новых методов обработки данных, такие как Sentinels (http://www.esa.int/esaLP/SEM097EH1TF_LPgmes_0.html), EnMAP (http://www.enmap.org/) and HyspIRI (http://decadal.gsfc.nasa.gov/hyspiri.html). Проект GEOURBAN направлен на создание не только по-настоящему нужного и полезного инструмента для управления развитием территории, но и на создание прототипа такого инструмента, который может быть адаптирован для территории любого города. Поскольку каждый город уникален, развитие дополнительных методов и программного обеспечения будет основываться на конкретных требований фактических пользователей системы.

4. БЛАГОДАРНОСТЬ

Авторы выражают благодарность Еврокомиссии за финансирование проекта GEOURBAN (ERA.Net-RUS-033) и командам RESA / RapidEye и TerraSAR-X за предоставление данных, используемых для целей проекта, в т.ч. 504 (RapidEye) и LAN0896 (TerraSAR-X).


Архив журнала "Управление развитием территории", № 1/2013 г.