АВТОРСКИЙ КОЛЛЕКТИВ:
Нектариос Хризолакис (координатор проекта, FORTH – Фонд Исследования и Технологии, Греция)
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 информации 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 повышают 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 требуют 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 геометрию, 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: Греция, Германия, Швейцария, Турция, Израиль и Россия. Деятельность в рамках проекта условно представляет 7 направлений для распределения ответственностей между участниками. Методология и схема взаимодействия участников проекта представлена на рисунке 2.

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 Интернет (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 встреч 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 Интернет 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. 3.

Рис.3. Примеры индикаторов

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.

2.3 Обработка данных ДЗЗ

С целью получения исходных данных, используемых для вычисления индикаторов, осуществляется обработка космических снимков. Индикаторы 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. 4. Полученные путем обработки исходные данные для вычисления индикаторов приведены на рис. 5.

Рис.5. Карта вариантов использования территории г. Базеля

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, вычисления 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. 6) 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.

Рис.6. Интерфейс ИС GEOURBAN

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.

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 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, таких 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 требованиях 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).


В статье приведена лишь часть иллюстраций, все иллюстрации можно найти в печатной версии журнала.