Дистанционный мониторинг

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Экологический мониторинг……………………………………………………4

2. Дистанционные методы мониторинга ………………………………………..6

2.1 Аэрокосмические………………………………..…………….………..6

2.2 Компьютерные методы обработки спутниковых данных…………..10

2.3 Фотосъемки…………………………………………………………….13

2.4 Сканерные съемки……………………………………………………..14

2.5 Радарные съемки………………………………………………….……15

2.6 Тепловые съемки………………………………………………………..16

2.7 Лидарные съемки………………………………………………………18

Вывод……………………………………………………………………….…..19

Список литературы……………………………………………………………20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Интенсивное воздействие  человека на природу, негативные, часто  необратимые последствия этого  воздействия обусловливают необходимость  глубокого и всестороннего анализа  проблемы взаимодействия общества и природы. Такой анализ в настоящее время осуществляется в рамках природопользования.

 Главная задача  природопользования как научного  направления - поиск и разработка  путей оптимизации взаимодействия  общества с окружающей природной средой. Рациональное природопользование предполагает управление природными процессами, т.е. запрограммированное воздействие на природные объекты с целью получения определенного хозяйственного эффекта. Чтобы управление было достаточно эффективным, необходимо иметь данные о динамических свойствах этих объектов, их изменении в результате антропогенного воздействия, предвидеть последствия вмешательства человека в ход естественных процессов.

Управление природными процессами должно опираться на надежную и достоверную информацию о прошлых, настоящих и будущих состояниях природных и природно-антропогенных систем. За последнее десятилетие накоплен большой материал по изменению природы. Однако он не содержит данных о динамике развития процессов.

В связи с этим встал вопрос об организации специальных наблюдений за состоянием окружающей природной среды и ее антропогенными изменениями с целью их оценки, прогнозирования и своевременного предупреждения о возможных неблагоприятных последствиях, т.е. о введении постоянной действующей службы наблюдения мониторинга.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

 

Термин «мониторинг» впервые появился в рекомендациях  специальной комиссии СКОПЕ (научный  комитет по проблемам окружающей среды) при ЮНЕСКО в 1971 году, а в 1972 году уже появились первые предложения по Глобальной системе мониторинга окружающей среды (Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде). Однако такая система не создана по сей день из-за разногласий в объемах, формах и объектах мониторинга, распределении обязанностей между уже существующими системами наблюдений. Такие же проблемы и у нас в стране, поэтому, когда возникает острая необходимость режимных наблюдений за окружающей средой, каждая отрасль должна создавать свою локальную систему мониторинга.

В соответствии со ставшим уже каноническим определением, экологический мониторинг — информационная система наблюдений, оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды, созданная с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов.

Рис.1. Блок-схема системы мониторинга

 

Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать  и анализировать информацию:

• о состоянии окружающей среды;
• о причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния (т.e. об источниках и факторах воздействия);
• о допустимости изменений и нагрузок на среду в целом;
• о существующих резервах биосферы.

Таким образом, в систему  экологического мониторинга входят наблюдения за состоянием элементов  биосферы и наблюдения за источниками и факторами антропогенного воздействия.

В соответствии с приведенными определениями и возложенными на систему функциями мониторинг включает три основных направления деятельности:

• наблюдения за факторами воздействия и состоянием среды;
• оценку фактического состояния среды;
• прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемого состояния.

Следует принять во внимание, что сама система мониторинга  не включает деятельность по управлению качеством среды, но является источником необходимой для принятия экологически значимых решений информации. Термин контроль, нередко употребляющийся в русскоязычной литературе для описания аналитического определения тех или иных параметров (например, контроль состава атмосферного воздуха, контроль качества воды водоемов), следует использовать только в отношении деятельности, предполагающей принятие активных регулирующих мер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ДИСТАНЦИОННЫЙ МЕТОД МОНИТОРИНГА

 

Как известно, первые автоматические системы слежения за параметрами  внешней среды были созданы в военных и космических программах. В 1950-е гг. в системе ПВО США уже использовали семь эшелонов плавающих в Тихом океане автоматических буев, но самая впечатляющая автоматическая система по контролю качества окружающей среды была, несомненно, реализована в «Луноходе». Одним из основных источников данных для экологического мониторинга являются материалы дистанционного зондирования (ДЗ). Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей:

- космические (пилотируемые  орбитальные станции, корабли многоразового использования, автономные спутниковые съемочные системы и т. п.);

- авиационного базирования  (самолеты, вертолеты и микроавиационные  радиоуправляемые аппараты) и составляют  значительную часть дистанционных  данных (remotely sensed data) как антонима контактных (прежде всего наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектом съемки;

- к неконтактным (дистанционным)  методам съемки, помимо аэрокосмических,  относятся разнообразные методы морского (наводного) и наземного базирования, включая, например, фототеодолитную съемку, сейсмо, электромагниторазведку и иные методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съемки рельефа морского дна с помощью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на регистрации собственного или отраженного сигнала волновой природы.

 

2.1 Аэрокосмические

 

Аэрокосмические (дистанционные) методы экологического мониторинга  включают систему наблюдения при  помощи самолетных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем, а также систему обработки данных дистанционного зондирования[1].

Для космического экологического мониторинга целесообразно ориентироваться  прежде всего на полярно-орбитальные  метеорологические спутники, как  на отечественные аппараты (спутники типа «Метеор», «Океан» и «Ресурс»), так и на американские спутники серий NOAA, Landsat и SPOT.

Остановимся на кратких  характеристиках указанных спутников (подробное описание представлено на сервере Sputnik. Американские метеорологические спутники серии NOAA снабжены многозональной оптической и ИК аппаратурой, а именно радиометром высокого разрешения AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Космические аппараты NOAA запускаются на полярные орбиты высотой порядка 700 км над поверхностью Земли с наклонением 98,89 градусов. Радиометр высокого разрешения ведет съемки поверхности Земли в пяти спектральных диапазонах. Космические съемки проводятся с пространственным разрешением 1100 м и обеспечивают полосу обзора шириной 2700 км. Российские спутники серии «Ресурс» принадлежат Федеральной службе России по гидрометеорологии и мониторингу природной среды (Росгидромет). Они обеспечивают получение многозональной космической информации высокого и среднего разрешения с помощью двух сканеров видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Космическая гидрометеорологическая система «Метеор», также принадлежащая Росгидромету, обеспечивает глобальный экологический мониторинг территории России. Параметры орбиты спутника «Метеор»: приполярная круговая орбита высотой около 1200 км. Комплекс научной аппаратуры позволяет оперативно 2 раза в сутки получать изображения облачности и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах, данные о температуре и влажности воздуха, температуре морской поверхности и облаков. Осуществляются также мониторинг озоносферы и геофизический мониторинг. В состав бортового комплекса спутника входят несколько сканирующих ИК-радиометров и сканирующая ТВ-аппаратура с системой запоминания данных на борту для глобального обзора и передачи данных на АППИ. Российская космическая система «Океан» обеспечивает получение радиолокационных, микроволновых и оптических изображений земной поверхности в интересах морского судоходства, рыболовства и освоения шельфовых зон Мирового океана. Одной из основных задач спутника является освещение ледовой обстановки в Арктике и Антарктике, обеспечение проводки судов в сложных ледовых условиях. Параметры орбиты спутника: приполярная круговая орбита высотой 600—650 км. Поток информации в условиях облачности и в любое время суток обеспечивается радиолокатором РЛС БО и системой сбора информации от автономных морских и ледовых станций «Кондор». В состав комплекса бортовой аппаратуры спутника «Океан-01» входят СВЧ-радиометры Р-600 и Р-255, сканирующий СВЧ-радиометр Дельта-2, трассовый поляризационный спектрорадиометр «Трассер», а также комплекс оптической сканирующей аппаратуры.

Спутниковые данные дистанционного зондирования позволяют решать следующие  задачи контроля состояния окружающей среды:

• Определение метеорологических характеристик: вертикальные профили температуры, интегральные характеристики влажности, характер облачности и т. д.);

 

• Контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий;

 

• Определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности;

 

 

• Обнаружения крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий;

 

• Контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон;

 

 

• Обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах;

 

• Выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах;

 

• Регистрация дымных шлейфов от труб;

 

• Мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;
• Обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;

 

• Контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах влияния промышленных предприятий.

Основной полезный груз спутника — панхроматическая оптико-электронная  система, позволяющая получать изображения с пространственным разрешением 1 м. Спутник может производить высокодеталь-ную съемку одного и того же участка местности каждые три дня, получать несколько снимков одного и того же сюжета на одном витке.

Приведём ряд распределения  спектральных каналов и области применения этих каналов:

1 канал (голубой): наиболее чувствителен  к атмосферным газам, и, следовательно,  изображение может быть малоконтрастным;  имеет наибольшую водопроницаемость  (длинные волны больше поглощаются), то есть оптимален для выявления подводной растительности, факелов выбросов, мутности воды и водных осадков; полезен для выявления дымовых факелов (так как короткие волны легче рассеиваются маленькими частицами); хорошо отличает облака от снега и горных пород, а также голые почвы от участков с растительностью.

2 канал (зеленый): чувствителен  к различиям в мутности воды, осадочным шлейфам и факелам  выбросов; охватывает пик отражательной  способности поверхностей листьев,  может быть полезен для различения  обширных классов растительности; также полезен для выявления подводной растительности.

3 канал (красный): чувствителен  в зоне сильного поглощения  хлорофилла, то есть хорошо распознает  почвы и растительность; чувствителен  в зоне высокой отражательной  способности для большинства  почв; полезен для оконтуривания снежного покрова.

4 канал (ближний инфракрасный): различает растительное многообразие; может быть использован для оконтуривания водных объектов и разделения сухих и влажных почв, так как вода сильно поглощает ближние инфракрасные волны.

5 канал (средний или коротковолновый  инфракрасный): чувствителен к изменению содержания воды в тканях листьев (набухаемости); чувствителен к варьированию влаги в растительности и почвах (отражательная способность уменьшается при возрастании содержания воды); полезен для определения энергии растений и отделения суккулентов от древесной растительности; особенно чувствителен к наличию/отсутствию трехвалентного железа в горных породах (отражательная способность возрастает при увеличении количества трехвалентного железа); отличает лед и снег (светлый тон) от облаков (темный тон).

6 канал (длинноволновый инфракрасный  или тепловой): датчики предназначены для измерения температуры излучающей поверхности от −100оС до 150оС; подходит для дневного и ночного использования; применение тепловой съемки: анализ влажности почв, типов горных пород, выявление теплового загрязнения воды, бытового скопления тепла, источников городского производства тепла, инвентаризация живой природы, выявление геотермальных зон.

7 канал (средний, или коротковолновый инфракрасный): совпадает с полосой поглощения излучения гидроминералами (глинистые сланцы, некоторые оксиды и сульфаты), благодаря чему они выглядят темными; полезен для литологической съемки; как и 5-й канал, чувствителен к варьированию влаги в растительности и почвах.

8 канал (панхроматический —  4,3,2): наиболее типичная комбинация каналов, используемая в дистанционном зондировании для анализа растительности, зерновых культур, землепользования и водно-болотных угодий (wetlands).

 

 

 

2.2 Компьютерные методы обработки спутниковых данных

 

Целью обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ) является получение снимков или изображений  с требуемыми радиометрическими  и геометрическими характеристиками.