Дистанционные методы. Аэрокосмический мониторинг.

9.1.Виды аэрокосмического мониторинга и его использование в экологии.

 

Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных и космических аппаратов, судов и подводных лодок, наземных станций. Получаемые документы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Вид документов зависит от высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также от природных особенностей местности, атмосферных условий. Главные качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления карт,–это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков и изуче­ния труднодоступных территорий.

Съемки ведут в различных зонах спектра: видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой. При этом снимки могут быть черно–белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными. Для лучшей различимости некоторых объектов применяют ложноцветные снимки, т.е. снимки, выполненные в условных цветах. Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почти не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ночная темнота тоже не помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое время суток.

Главные достоинства аэроснимков, космических, снимков и цифровых данных, получаемых в ходе дистанционного зондирования,–их большая обзорность иодномоментностъ. Они покрывают обширные, в том числе труднодоступные, территории в один момент времени и в одинаковых физических условиях. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализованное изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их структуру и связи. Очень важное достоинство съемок – их повторностъ, т.е. фиксация состояния объектов в разные моменты времени и возможность прослеживания их динамики.

Составление оперативных карт – еще один важный вид использования космических материалов. Для этого проводят быструю автоматическую обработку поступающих дистанционных данных и преобразование их в картографический формат. Наиболее известны оперативные метеорологические карты. В оперативном режиме и даже в реальном масштабе времени можно составлять карты лесных пожаров, наводнений, развития неблагоприятных экологических ситуаций и других опасных природных явлений. Космические фотокарты применяют для слежения за созреванием сельскохозяйственных посевов и прогноза урожая, для наблюдения за становлением и сходом снежного покрова на обширных пространствах, сезонной динамикой морских льдов.

Оперативное слежение и контроль состояния окружающей среды и отдельных ее компонентов по материалам дистанционного зондирования и картам называют аэрокосмическим (дистанционным) мониторингом.

Иногда в это понятие включают слежение за средой с помощью приборов, установленных в труднодоступных местах Земли (в горах, на Крайнем Севере), показания которых передаются в центры наблюдения с помощью методов дальней передачи информации. Аэрокосмический мониторинг подразделяется на виды: авиационный и космический.

Авиационный мониторинг осуществляют с самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов, не поднимающихся на космические высоты (в основном из пределов тропосферы).

Космический мониторинг – мониторинг с помощью космических средств наблюдения. Авиационный мониторинг ориентирован на региональные или локальные явления. Например, он широко используется при инвентаризации лесов, выявлении площадей, пораженных пожарами, промышленными загрязнениями, вредителями. Космический мониторинг позволяет составить представление об отдельных изменениях в биосфере, которые при других методах не выявляются.

Первый экологический искусственный спутник земли (ИСЗ) «Космос–1906» был запущен в конце 1987 г. Программа полета ИСЗ предусматривает получение и обработку данных дистанционного зондирования Земли, выполнения съемок ряда территории СНГ, Антарктиды и Мирового океана. На основе космической информации ведутся планомерные широкомасштабные исследования природных ресурсов, ОС, изучаются результаты воздействия на нее хозяйственной деятельности.

Спутник мгновенно может обеспечить съемку от 8 до 40 тыс. км2 земной поверхности, а за 10 мин работы – около 1 млн. км2. Такой огромный объем информации обрабатывается с применением ЭВМ. С помощью спутниковых данных изучают изменение границы тундры и лесотундры (это характеризует динамику глобального потепления), динамику и состояние лесов, определяют очаги распространения вредителей сельскохозяйственных культур, отслеживают динамику растительности. В настоящее время в народном хозяйстве по материалам космических съемок решается около 300 различных задач, и перечень их продолжает расти.

Мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом или явлением, но также его оценку, прогноз распространения и развития, а кроме того – разработку системы мер по предотвращению опасных последствий или поддержанию благоприятных тенденций. Оперативное картографирование при этом становится средством контроля развития явлений и процессов и обеспечивает принятие управленческих решений. Картографический метод создания глобальной системы мониторинга предполагает развертывание рaбот при обследовании и изучении любой территории в двух основных направлениях:

1.Создание базовой инвентаризационной картографической документации, отражающей современное состояние и оценку природных ресурсов;

2.Картографирование динамики изменений природной среды, предусматривающее обновление инвентаризационных карт, создание специальных карт динамики и прогноза. В данном случае проводят систематическое картографическое слежение за состоянием природной среды и ее изменениями, обуслов­ленными хозяйственной деятельностью людей.

Масштабы картографического представления и периодичность составления оперативных тематических карт мониторинга во многом зависят от характера использования земель и степени развития природно–территориального комплекса.

Масштабы и периодичность карт мониторинга природной среды в различных регионах приведены в таблице 9.1.

 

Таблица 9.1

Масштабы и периодичность составления оперативных карт мониторинга природной среды в различных регионах

 

Использование земель Степень развития территориально–производственного комплекса Масштаб карт Период составления карт
Интенсивное Развитие со сложной инфраструктурой 1:200 000 и крупнее Ежегодно
  Развивающиеся 1:200 000 1:500 000 1–3 года
  Формирующиеся 1:200 000 1:500 000 3–5 лет
Экстенсивное Слабая, но природно–территориальные комплексы высокодинамичные 1:200 000   1–3 года
  Слабая 1:500 000 1:1000 000 5–7 лет и более
  Отсутствует (природоохранные зоны) 1:200 000 1:500 000 1–3 года

Структура космической системы изучения природных районов земли (ПРЗ) состоит из 4 основных подсистем: получения космической информации; получения дополнительной дистанционной информации; сбора и хранения информации; обработки информации (рис.9.1).

Подсистема получения космической информации включает: космические носители измерительной аппаратуры; измерительную аппаратуру, устанавливаемую на космических носителях; аппаратуру, передающую полученную информацию на Землю (на пункты приема информации – ППИ) в подсистему сбора информации.

 

 

Рис. 9.1. Структура космической системы изучения природных ресурсов (ИСЗ – искусственные спутники Земли; ПКК – пилотируемые космические корабли; ОС – орбитальные станции).

 

Данные, полученные с помощью космической измерительной подсистемы, содержат для каждого отдельного элемента природного объекта информацию о его состоянии. Эти данные передаются на пункты приема информации и оттуда в банк данных подсистемы сбора информации на хранение.

Подсистема получения дополнительной дистанционной информации объединяет средства и методы получения дистанционной информации о природных и антропогенно–измененных объектах, осуществляемых в основном в пределах тропосферы.

В эту подсистему включены: авиационные средства (самолеты–лаборатории и вертолеты); суда–лаборатории, буйковые станции, наземные передвижные лаборатории, установленная на этих носителях измерительная аппаратура и аппаратура, передающая получаемую информацию на пункт ее приема.

В структуру космической системы изучения природной среды Земли и Мирового океана в подсистему получения дополнительной информации включены также научно–исследовательские суда–лаборатории, буйковые станции и наземные передвижные лаборатории.

В состав судов–лабораторий входят научно–исследовательские суда, экспедиционные суда, морские, озерные и речные суда, специально построенные или перестроенные из другого типа судов для комплексных исследований и для проведения различных специальных исследований (геофизических, гидробиологических и др.) в толще водных масс, морского дна, атмосферы и космического пространства.

Так, на борту научно–исследовательского судна космической службы «Космонавт Юрий Гагарин» имеется 110 научных лабораторий.

Буйковые автоматические станции снабжены специальной аппаратурой для получения определенных типов информации и передачи ее через спутники на пункты приема.

Наземные передвижные лаборатории позволяют получать достоверные и точные данные о природных объектах, процессах и данные на локальных участках земной поверхности. Наземные измерения выполняют синхронно космическими и авиационными измерениями точно в момент прохождения космических аппаратов и авиационных средств над данной точкой.

Наземные измерения служат базой для проведения необходимых методических работ, связанных с проблемой идентификации природных ресурсов и изучения их свойств на основе сопоставления и корреляции различных данных дистанционного зондирования с данными непосредственных наземных измерений.

Все вышесказанное относится к измерениям, выполняемым судами–лабораториями и автоматическими буйковыми станциями.

Основные требования, предъявляемые к измерениям, получаемым в подсистемах космической и дополнительной дистанционной информации:

– синхронность получения всех видов информации;

– метрологическое единство всех видов измерений;

– репрезентативность наземных и измерений с самолета относительно территорий, охватываемых космической съемкой;

– сопоставимость масштабов и разрешающей способности всех видов измерений;

– оперативность доставки информации с самолета и наземной в пункты приема и обработки космической информации.

Репрезентативность в статистике – главное свойство выборочной совокупности, состоящее в близости ее характеристик (состава, средних величин и др.) к соответствующим характеристикам генеральной совокупности, из которой отобрана выборочная.

Подсистема сбора и хранения информации формирует банк данных огромного и постоянно меняющегося объема различного вида информации. Задачи этой подсистемы – формирование, хранение и управление базой данных, нахождение необходимой для определенных конкретных целей информации и оперативная передача ее в блок подсистемы обработки информации.

База данных должна содержать:

1.Разновременные и разномасштабные материалы космических и аэрофотосъемок;

2.Характеристики измерительной аппаратуры;

3.Результаты наземных (натурных) измерений (выполненных синхронно с космическими съемками) параметров состояния природной среды в отдельных пунктах земной поверхности;

4.Разновременные и разномасштабные картографические материалы (топографические и специальные тематические карты);

5.Статистические и другие данные.

Эта структура (сбора, хранения, управления базой данных) подсистемы должна обеспечить оперативный обмен информацией между ее частями и доступ к ней подсистемы обработки информации.

Подсистема обработки информации заключается в оперативной обработке полученной из банка данных информации и выдаче результатов в виде картографических материалов в требуемом масштабе.