Блог

Сбор и визуализация GIS данных

• Цветков Максим
• 07.02.2026

Мангровые леса

Озеленение территории это важная часть комфортной городской среды. А озеленение береговой линии в тропических зонах еще и заметный вклад в экологию. Но просто раскидать семена не получится, для озеленения потребуется гораздо больше усилий. В данной статье разберем ключевые практики из мира GIS на примере восстановления мангровых лесов в тропических зонах.

Условия обитания

Существует множество видов мангровых деревьев, они отличаются по своей неприхотливости к условиям обитания. Для восстановления мангровых деревьев есть специальный термин EMR (ecological mangrove restoration). В ОАЭ мангровые деревья растут на плоских участках (максимум 1° наклон), иначе вода их смоет. Мангры должны хорошо омываться водой и находиться на поверхности не более 40% времени, остальное время под водой. После попадания зерна в песок, оно еще долго двигается, пока не найдет подходящее место для роста. Подходящее место это перемолотые кораллы и ракушки, такие очень маленькие камни, желательна примесь глины. Почва должна быть темная и губчатая, вода морская или солоноватая. «Почва» будет из себя представлять комбинацию песка, ила, глины, суглинка, создающее пористую массу, богатую органикой и хорошо проводящую воду. Качество почвы определяется по нейтральному pH и соленостью в диапазоне 32 – 78 ppt⁵. Тут поможет прибор рефрактометр. Вся эта субстанция получает полезные вещества от испарений, дождей и приливов. В камнях мангровые деревья не растут, как и на обычном песке. Мангры предпочитают приливно-отливные участки, в низинке.

Мангровые деревья в ОАЭ отдают семена раз в год, где-то между апрелем и июнем. Даже если растения живут практически в зоне экватора, они все равно производят семена сезонно. Если дерево очень активно дает семена, то скорее всего оно находится в плохих условиях и таким образом пытается выжить. На данный момент, В ОАЭ выжило только Avicennia marina, или серое мангровое дерево, потому что способно жить в высоком уровне соли и высокой влажности. Но даже для столь устойчивого растения соленость воды не должна превышать 41 ppt, и температура воды в диапазоне 14-37 градусов. Если соль превышает 50 ppt, то листья уже не справятся с испарением солей.

Avicennia marina обзавелись секрецией соли через железы в листьях. Может вырасти до 8 метров, но в среднем взрослое дерево не превышает 40 см. При этом корни могут распространяться на несколько метров, тем самым охраняя семена от уплывания и держа дерево выше уровня воды даже во время сильных приливов. И семена могут находиться возле дерева в режиме ожидании до года, пока не наступят подходящие условия для роста. Чем более плотно к друг другу расположены деревья, тем меньше они произведут семян. Нужно быть уверенным, что у черенка достаточно высокая позиция относительно уровня прилива, иначе они утонут. Водные потоки позволяют зернышку найти новое место подальше от родителя.

Все это оценивается на этапе предварительных изысканий, которые проводятся до начала этапа планирования посевов. На этом этапе собираются необходимые данные об объекте, включая топографическую, геологическую и экологическую информацию.

Сбор семян для посевов не должен сказываться на естественном разрастании мангровых лесов и рекомендуется собирать 20% от общего числа. Если семена собраны сегодня, то завтра уже должны быть посеяны. В течении этого времени семена должны храниться в морской воде. Если семена должны храниться дольше, то требуется хорошо кондиционируемое помещение, морская вода, и отсутствие света.

Птички, которые любят жить в мангровых лесах: фламинго, рифовая и серая цапли, рачья ржанка. Еще обязательно заведутся крабы. Крабы позволяют деревьям получать больше кислорода за счет рытья норок, а еще они крошат листья. И иногда едят зерна, но это мелочи. Когда дерево под водой, оно не способно поглощать кислород, и крабы в этом помогают — в этом их ценность.

Выбираем территорию

Существуют следующие варианты восстановления лесов:

• Восстановление (restoration) — это восстановление плотности деревьев то состояния, которое было ранее. Важно понимать, почему изначально деревья были утеряны? И устранить причину. Что такое restoration вам не ответит ни один эколог, потому что у всех разные методологии.
• Реабилитация (rehabilitation) — своего рода оживление эко-системы, вдохнуть новую жизнь. Возможно, с изменением типов деревьев.
• Облесение (afforestation) — это создание леса с нуля, условно в грязевой отмели, где исторически никогда не росли мангровые деревья.
• Улучшение (enhancement) — это добавление новых деревьев в текущую эко-систему, для улучшения экологический условий.

Искусственное засеивание рекомендуется, только если эко-система сама не справляется с восстановлением, и где территория пригодна для долгосрочного роста и развития. Желательно использовать семена с деревьев, которые выросли на этой или ближайших территориях. И знать ответы на вопросы:

• Есть ли связь с другими эко-системами? Если да, то рядом здоровые или больные деревья?
• Есть ли рядом морская трава или солончками. Если да, это позволит увеличить сдерживание углерода.
• Насколько велика экологическая значимость?
• Насколько легко получить доступ к участку для мониторинга, засеивания, вовлечения людей?
• Насколько рост уровня океана повлияет на выживаемость деревьев?

Оценка может производиться на спутниковых снимках/снимков с дронов, но посетить участок лично также очень важно. Если со спутника видна низкая плотность деревьев, то увеличение плотности деревьев поможет увеличить хранение углерода. В чем и состоит ключевая цель.

Пост-наблюдение

Существует фреймворк Before-After-Control-Impact (BACI), который позволяет отследить и разделить результаты усилий человека по посадке новых мангровых лесов и естественное распространение деревьев. Проверки идут минимум каждые полгода в течении первых 2,5 лет, и далее через 5 и 10 лет. Если выявлены погибшие ростки по причинам, независящим от окружающей среды, то их требуется заменить. Это может произойти из-за некорректного метода посадки, изначально больного зерна, внезапного шторма.

Здоровым считается дерево, у которого листья зеленые и не покрыты ракушками, не более 10% листьев желтые. Если листвы мало — это тревожный знак, а если листва покусана, то еще хуже. Если листва отсутствует совсем, то дерево можно считать мертвым. Все это можно отслеживать с помощью инструментов MRV (Measurement, Reporting, Verification). И по результатам предпринимать дополнительные меры, такие как защита деревьев от слишком сильных приливов, пасущихся животных,

Из болезней, основную угрозу представляют грибки (Eutypella, Aspergillus, Rhizophus) и насекомые (мошки, амброзиевые листоеды).

Визуализация данных:

В мире визуализации данных существует множество «слоев», которые подсвечивают определенные аспекты мангровых лесов. Все перечисленные ниже слои привязаны к пространственным данным.

Но для начал немного терминологии. Пространственное разрешение (Spatial Resolution) означает способность датчика различать мелкие детали и объекты на изображении. Более высокое пространственное разрешение означает, что можно обнаруживать и различать более мелкие объекты. Спутниковый снимок записывается из видимого спектра от 0.3 µm до 0.9 µm. Спектральное разрешение относится к способности датчика различать различные длины волн света. Оно обозначает, насколько точно датчик может разделить электромагнитный спектр.

Многие слои полагаются на инфракрасный спектрум. Он лежит в диапазоне 0.7 µm до 100 µm, что в 100 раз больше видимого нам спектра. Диапазон между 3.0µm до 100 µm это термальный спектр, и он является в том числе теплом от земли. Но нам интересен диапазон волны между 1 mm до 1 m, именно в этом диапазоне работает дистанционное зондирование. То, что долетело до земли, может либо передаться дальше (например, при пролете через стекло), либо отразиться, либо поглотиться. Нам нужно отражение, но и оно бывает двух типов: зеркальное отражение и диффузный отблеск. Зеркальное отражение работает с гладкими поверхностями, диффузный отблеск же вынуждает фотон летать между разными углами маленького рельефа. Тут играет роль длина волны — песок может быть гладкой поверхностью для длинной волны, и совсем не гладкой для короткой.

Спутниковые изображения могут предоставить ценные данные, но им обычно не хватает уровня точности, необходимого для детального разбора на этапе реализации. Спутниковые изображения обычно имеют более низкое разрешение по сравнению с другими методами исследований.

NDVI — показывает здоровье растительности по спутниковым снимкам. Дает понимание здоровья по условно захардкоженному значению NDVI > 0.73, с поправками на каждый отдельный участок. Если же значение 0 &< 0.25, то это считай голая земля. Лист дерева зеленый, потому что активно поглощает красные и синие фотоны, а вот хлорофилл в себя впитывает весь зеленый спектр. Осенью в листьях уже мало хлорофилла, поэтому листья приобретают желтые и красные оттенки. NDVI со спутниковых снимки это ключевое, что есть в индустрии. А NDVI * NIR = NIRv.

NDMI, NBR, LST — покажут климат.

GCC — зеленый канал / красный + зеленый + синий каналы. Зеленые отражения.

SAVI — вегетационный индекс. Смотрит на яркость почвы, и за счет этого показывает кол-во G

EVI — хорошо показывает био-массу. Нужен синий, красный и инфракрасный канал. Также, нужен снимок в формате RGBN.

MSAVI — аналог SAVI, но работает по каждому пикселю. Также использует красный канал и инфракрасный (NIR). Инфракрасное излучение используется в тепловом дистанционном зондировании для измерения температуры и излучательной способности.

NDRE — опять используется красный канал и инфракрасный (NIR). Хорошо показывает границы растений.

FVC — плотность растений. Подскажет биологическое разнообразие, деградацию почвы.

LIDAR (Light Detection and Ranging) использует лазерные импульсы для создания подробных 3D-карт поверхности, что позволяет точно рассчитывать объем объектов нерегулярной формы, таких как песчаные холмистые местности и прочие рельефы, характеризующимся холмами и долинами. Позволяет создать DTM. Для оценки склонов, годится куда лучше чем RGB или MSP.

Существуют портативные (рюкзачные) LiDAR, они могут одновременно собирать как изображения с камеры, так и данные LiDAR. Эти системы часто используются для таких задач, как картографирование местности в удаленных или труднодоступных районах, где традиционные наземные или воздушные платформы LiDAR могут быть непрактичны. LiDAR обеспечивает высокую точность съемки, быстро и точно фиксируя подробные 3D-данные. Тут надо не забывать про здравый смысл: на зонах с регулярными приливами и отливами не удастся делать сравнения. Ситуацию спасает батиметрический лидар. Или взрослые мангровые деревья «вспахивают» землю вокруг себя, и земля визуально не соответствует описанным в начале статьи критериям.

DEM представляет собой значения высоты поверхности Земли и таких объектов, как здания, растительность и другие сооружения. Он показывает высоту объектов на земле относительно базовой точки, например, уровня моря.

Технически, большая часть этих данных может быть получена через дистанционное зондирование, это любые способы узнать информацию про поверхность земли без прямого взаимодействия с ней. Требуется 7 ключевых компонентов: источник света или любой другой электромагнитной энергии, которая летит через атмосферу к поверхности земли. Далее энергия достигает поверхности, взаимодействует с ней (распространяется и/или отражается), что должно фиксироваться удаленным сенсором. Сенсор передает данные в хранилище, где идет анализ полученных данных, и получение инсайтов.

И самое визуально классное это создание подробных 3D-моделей и карт на основе фотографий. Основная цель фотограмметрии — создание точных и подробных 3D-моделей, карт и измерений объектов или местности с помощью перекрывающихся фотографий. Эта техника включает в себя анализ геометрии и пространственных отношений на фотографиях для получения точных измерений и создания трехмерных представлений сфотографированной сцены. И данные с ETS (Electronic Total Station) очень полезны.

Метрики:

• Seedling count per subplot
• % survived seedlings
• Height/canopy width of seedlings
• Health of seedlings (‘healthy’, ‘sick’, ‘dead’, ‘grazed’)

Сбор данных

Чтобы данные визуализировать, нужно эти данные для начала собрать. Самое классическое это пойти ножками в поля и собирать данные вручную. Ручная съемка относится к традиционным методам, основанным на использовании ручных инструментов и техник, которые, как правило, менее точны, чем современные автоматизированные и цифровые методы, используемые в геодезической съемке.

Но так как мы живем в мире вертолетов, дронов и спутников, посмотрим на более современные методы сбора данных. Первый это ортофотоснимок. Это аэрофотоснимок, который был геометрически скорректирован для получения единого масштаба. Эта корректировка устраняет влияние наклона камеры и рельефа местности, что позволяет измерять истинные расстояния непосредственно по изображению. Такое единообразие достигается посредством процесса орторектификации. прочего сбора данных.

Почти наверняка, вам доведется собирать данные с помощью самолетов и дронов. Они очень часто используются для съемки изображений высокого разрешения и сбора данных над определенными территориями, но, в отличие от наземных платформ, они обычно не применяются для непрерывного или долгосрочного мониторинга.

В агрокультурной индустрии, приняты следующие дроны:

• DJI – Mavic 3M, маленький и подойдет на территорию менее 100 гектар
• Wingtra – WingtraOne Gen II, вполне себе рабочая и во многом удобная пташка
• Quantum Systems – Trinity Pro
• Foxtech
• Либо альтернативые методы, например Phase One PAS PANA

При триангуляционной съемке площадь делится на хорошо сформированные треугольники, то есть треугольники, углы которых не слишком малы и не слишком велики, в идеале от 30° до 120°. Это обеспечивает более высокую точность и стабильность измерений.

Нивелирование — это традиционный метод геодезии, используемый для измерения перепадов высот и установления точных точек в строительных проектах. Геодезия включает в себя точное измерение расстояний, углов и высот для определения относительного положения точек на поверхности Земли. Соответственно, геодезическая съемка включает в себя измерение больших площадей земной поверхности с высокой точностью. Она учитывает кривизну Земли и использует сложное оборудование и техники для достижения более высокой степени точности по сравнению с другими типами съемки.

Георадар (GPR) — это геофизический метод, в котором для получения изображения подповерхностных слоев используются радиолокационные импульсы. Он обычно применяется для обнаружения подземных сооружений, в том числе водотоков, путем посылания электромагнитных импульсов в грунт и измерения отражений от подповерхностных объектов. Различия в свойствах материалов, например наличие воды, могут давать отчетливые отражения, которые помогают идентифицировать подземные водотоки. И другая тяжелая артиллерия это наземные платформы. Также известны под именем наземные метеостанции и станции мониторинга, и действительно используются для непрерывного мониторинга атмосферных явлений, таких как температура, влажность, давление воздуха и т. д. Они также используются для долгосрочного мониторинга наземных объектов, таких как изменения в землепользовании, рост растительности и условия окружающей среды. Эти платформы обеспечивают сбор локальных данных, часто в режиме реального времени, что делает их ценными для различных приложений мониторинга.

GNSS (Global Navigation Satellite System) — GNSS-приемники широко используются в современной геодезии для точного позиционирования, хотя исторически они не считаются традиционным оборудованием. Одним из ключевых преимуществ съемок с помощью GNSS является то, что они относительно независимы от условий окружающей среды. Приемники GNSS могут получать точные данные о местоположении в различных погодных условиях и на различных рельефах, что делает их универсальным инструментом для полевых съемок. Установка GNSS-приемников на штативах необходима для сбора данных с опорных станций, это не является основным фактором для эффективной работы сети CORS.

Есть нюансы, и много. Один их них это ионосферная погрешность. Возникает из-за влияния ионосферы на распространение сигналов GNSS, вызывая задержки и искажения. Хотя она может способствовать погрешностям позиционирования, обычно не является крупнейшим источником погрешностей. Все такие нюансы можно замерить и учитывать. Например, DOP означает «разбавление точности». Это термин, используемый в системах спутниковой навигации и GPS для количественной оценки влияния геометрии спутников на точность определения местоположения.

Необработанные данные GNSS хранятся в файлах RINEX (Receiver Independent Exchange Format) и используются для импорта в Trimble Business Center для последующей обработки. Файлы RINEX содержат необработанные данные спутниковых наблюдений, собранные приемниками GNSS, и совместимы с различным программным обеспечением для последующей обработки.

Радар (Radio Detection and Ranging) — используются для прогнозирование погоды. Радары могут обнаруживать осадки, облака, штормы и другие атмосферные явления путем передачи радиоволн и измерения отраженных сигналов. Эта информация имеет решающее значение для мониторинга погодных условий и прогнозирования экстремальных погодных явлений.

Нивелир это оптический прибор, используемый для измерения перепадов высот или возвышений. Несмотря на то, что он обеспечивает точные измерения, он, как правило, дешевле тахеометра.

Компас очень простые и недорогие геодезические инструменты, используемые для измерения направлений. Они не так совершенны и дороги, как тахеометры.

Теодолиты — это оптические приборы, используемые для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Они точны и незаменимы при выполнении геодезических работ, при этом обычно стоят дешевле тахеометров, которые обладают дополнительными функциями, такими как измерение расстояний.

Тахеометры — это современные геодезические приборы, в которых объединены технологии электронного измерения расстояний (EDM) и функции теодолита. Они отличаются высокой точностью, прецизионностью и расширенными функциями, такими как запись и хранение данных, что делает их более дорогими по сравнению с более простыми приборами, такими как компасы, нивелиры или теодолиты.

Однолучевой эхолот. В мелководных прибрежных районах и реках для измерения глубины воды обычно используются однолучевые эхолоты. Этот метод заключается в излучении одного акустического импульса вниз с судна или платформы и измерении времени, необходимого импульсу для отражения от дна и возврата к датчику. Затем глубина рассчитывается на основе времени, затраченного импульсом на прохождение и возврат.

Другой способ посмотреть под воду это батиметрическая съемка. Она фокусируется на подводных особенностях, а не на наземной топографии. Батиметрическая съемка включает измерение и картографирование глубины, контуров и особенностей океанов, морей, озер и рек. Она необходима для понимания подводной топографии, морской навигации и прибрежного инжиниринга. Визуализация будет в формате контурных карт. Они используются для представления батиметрических данных. На этих картах отображаются линии, соединяющие точки одинаковой высоты (глубины в случае батиметрии), что обеспечивает визуальное представление подводных рельефных особенностей, таких как впадины, хребты и долины.

Переходим к тяжелой артиллерии. CORS (непрерывно работающие опорные станции). CORS — это сеть постоянно установленных опорных станций, которые в режиме реального времени предоставляют приемникам поправки GNSS (глобальной навигационной спутниковой системы). Эти поправки позволяют осуществлять точное позиционирование и навигацию за счет компенсации ошибок, вызванных такими факторами, как атмосферные условия и отклонения орбиты спутников. Непрерывная запись данных обычно идет с интервалом менее 30 секунд.

Мобильные платформы, такие как смартфоны и планшеты, обычно не используются для непрерывного мониторинга атмосферных явлений или долгосрочного мониторинга наземных объектов. Они чаще используются для сбора личных или локальных данных и не так широко применяются для целей крупномасштабного мониторинга. Космические платформы, такие как спутники, используются для непрерывного мониторинга атмосферных явлений и долгосрочного мониторинга земных объектов. И наземные платформы специально разработаны для непрерывного и локализованного мониторинга.

Цвета

В картографии используется три основных типа цветовых схем:
1) Последовательные схемы
Используются для упорядоченных или числовых данных, которые прогрессируют от низких к высоким значениям. Эти палитры варьируются по яркости — от светлого к темному (или наоборот) — что позволяет легко отслеживать тенденции.

2) Расхождающиеся схемы
Идеально подходят для выделения значений выше и ниже центральной средней точки (например, среднего значения, нуля). Средний цвет обозначает эталонное значение, а контрастные оттенки на обоих концах — высокие и низкие крайние значения.

3) Качественные схемы
Лучше всего подходят для категориальных данных, где каждая категория представлена отдельным оттенком с одинаковой яркостью и насыщенностью — идеально подходят для различения регионов, типов землепользования или административных границ. Скажем, есть 5 параметров и они меняются с течением времени, выбирайте control chart и контрастные цвета.