Предмет аэро- и космических съемок. Классификация методов и средств

Геоэкология

Дистанционные методы исследования в геоэкологии. Аэрокосмические методы, их сущность и разновидность. Роль и значение аэрокосмических методов в геоэкологии.

Аэрокосмические исследования позволяют получить информацию о характере рельефа, разломной тектонике, гидрографии, проявлении экзогенных и эндогенных геологических процессов, почвах, частично о горных породах, техногенных объектах, о распространении ореолов техногенных загрязнений геологической среды. По снимкам выделяют границы ландшафтов, определяют контрольные участки для полевых наблюдений.

При помощи аэрокосмического мониторинга можно оценить современное состояние геологической среды, проследить динамику ее изменения и наметить необходимые мероприятия по ликвидации негативных последствий.

Преимущества подобных исследований:

• изучение обширных территорий,

• анализ нескольких компонентов природы в их взаимосвязи,

• высокая оперативность и эффективность контроля,

• непрерывность и повторяемость во времени.

Аэрокосмические методы используются для исследований в любом масштабе, но являются основными для мелкомасштабного картирования.

Аэрокосмические исследования основаны на расшифровке материалов, полученных с летательных аппаратов. Аэросъемку производят с высоты до 12 км самолетами АН-28, 30; ИЛ-14; АН-2; ТУ-134 и вертолетами МИ-28 и т.д. Космическую съемку осуществляют с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ), пилотируемых космических кораблей, автоматических межпланетных (МКС) и долговременных орбитальных станций (ОС).

В России широко используется ИСЗ типа МЕТЕОР, РЕСУРС, ЭЛЕКТРО, ОС МИР, КА АЛМАЗ, МКС АЛЬФА и др. Зарубежом известны американские: LANDCAT, GMSP и др.; канадский RADARSAT, европейские: POES, GOES, EVMECAT, SPOT; японские: GMS, JERS. В последние годы появились малые спутники массой от 50 до 300 кг. Ежегодно на орбиту выводятся в среднем восемь новых ИСЗ, а всего в космосе в настоящее время находится порядка 250 ИСЗ. Для координации действий по разработке и запуску ИСЗ для научных целей создан международный комитет GEOS.

Самолеты и космические носители оснащены обширными комплексами аппаратуры. Использование современных многоволновых приборов (радиометров, спектрометров, поляриметров, скаттерометров, радарных и лидарных систем) позволяет контролировать и предупреждать последствия природных и техногенных катастроф.

Оптические и инфракрасные приборы могут регистрировать нарушения рельефа, наводнения, загрязнение океанов нефтью и т.д. При большой облачности используют СВЧ-радиометры и радары высокого разрешения. Многозональные сканирующие устройства, СВЧ-радиометры, радиолокаторы позволяют выявить антропогенное загрязнение территории, определить состояние почв, снежного и ледового покрова, контролировать опустынивание, исследовать зоны вечной мерзлоты.

Использование дистанционных материалов для контроля состояния природной среды зародилось с началом эксплуатации метеорологических спутниковых систем и получило ускоренное развитие с середины 70-х годов, когда в интересах природопользования стали реализовываться крупные научно-технические программы с применением пилотируемых космических комплексов и специализированных автоматических космических аппаратов.

Круг геоэкологических проблем, решаемых с использованием дистанционных методов необычайно широк как по охвату территории (от глобальных и региональных до локальных), так и по направлению.

Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных и космических аппаратов. Получаемые снимки очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида и высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также от природных особенностей местности, атмосферных условий и т.п. Главные качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления карт: их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков (для изучения динамики) и изучения труднодоступных территорий.

Человек впервые оценил роль спутников для контроля за состоянием сельскохозяйственных угодий, лесов и других природных ресурсов Земли лишь спустя несколько лет после наступ-ления космической эры. С помощью метода дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) может решаться широкий круг социально-экономических и научных задач мониторинга природной сре-ды в интересах гидрометеорологии, природопользования, экологии, контроля чрезвычайных си-туаций, гелиогеофизики, наук о Земле.

В нашей стране для этого используются КА. гидрометеорологического (типа "Метеор" и "Электро"),оперативного (типа "Ресурс –01" и "Океан-01") и фотографического (типа "Ресурс-Ф") наблюдения. Основными задачами мониторинга природной среды являются:

* Контроль погодообразующих и климатообразующих факторов с целью достоверного про-гнозирования погоды и изменение климата;

* Контроль за состоянием источников загрязнения (природопользовталей) атмосферы, воды и почвы с целью обеспечения природоохранных органов федерального и регионального уровней информацией для принятия управленческих решений;

*Оценка растительных ресурсов. Оперативная оценка биомассы растительности базируется на определении таких спектральных характеристик, как вегетационный индекс, и других показателей, связанных с содержанием хлорофилла в растениях. Автоматизированная обработка снимков с околоземных и геостационарных метеоспутников позволяет получать производные изображения - карты вегетационного индекса с необходимой повторяемостью, прослеживать по ним за изменениями биомассы в разных районах и выходить на глобальные оценки. Карты вегетационного индекса создаются регулярно с 1988 г. по данным спутников NOAA, SPOT, MODIS, Terra и др.

* Информационное обеспечение рационального землепользования и хозяйственной дея-тельности;

* Создание динамической модели Земли как системы с целью прогнозирования нарушений экологического баланса в географической оболочке и разработки мероприятий по сохранению среды обитания человека;

Важнейшее значение имеют также многолетние ряды космических данных ДЗЗ для про-ведения климатологических исследований, изучения Земли как целостной экологической системы, обеспечения различных изысканий и работ в интересах океанографии, океанологии, гляциологии и других областей науки, занимающихся изучением природной среды и ее ресурсов.

Геоэкологическое дешифрирование аэрокосмических материалов, на основе которых рассматривается комплекс вопросов, связанных с выявлением участков развития опасных процессов и явлений, установлением техногенных элементов ландшафтов и хозяйственной инфраструктуры, планированием порядка проведения полевых изысканий.

Дешифрирование позволяет провести предварительную оценку негативных последствий антропогенных воздействий по ареалам загрязнения, гарям, вырубкам и другим нарушениям земель.

В направлении, основанном на использовании и интеграции спутниковой инфор-мации в городском геоэкологическом мониторинге, в настоящее время можно выделить следующие актуальные задачи:

• Проблема информирования широких слоев населения об экологии мегаполиса, обеспечения пользователей – всего городского сообщества оперативными информацион-ными ресурсами космического экологического мониторинга.

• Интеграция электронных ресурсов о состоянии окружающей среды в единое ин-формационное пространство мегаполиса.

• На основе дистанционного зондирования и ГИС и ИНТЕРНЕТ- технологий обеспечивается единое информационное пространство системы геоэкологической безопасности города.

• Введение и хранение цифровых карт местности, атрибутивных баз данных, представление экологической информации на различных административных уровнях пользователя для оперативного решения задач управления геоэкологической безопасностью города Москвы.

Применяются АФС и АКС снимки для выявления тепловых аномалий, особенно в городской среде, выявления ореолов загрязнения компонентов ландшафта, для экологиче-ского мониторинга и т.д.

Спутниковые данные позволяют вести наблюдения:

-за выбросом оптически активных загрязняющих веществ в акватории;

-за процессами эвтрофикации озер в городах (сбросы пром. Стоков, удобрений и т.д.);

-за степенью озелененности города (рост жилых кварталов, промышленных терри-торий, автодорог сопровождается вырубками деревьев);

-состоянием рекреационных лесных зон (из-за промышленных выбросов, наличия тепловых аномалий может изменить состояние древесных пород);

-для определения урожайности на полях, общей зеленой биомассы и т.д.;

-можно судить о водности объектов гидрографической сети (малых рек, канав, час-то пересыхающих в летнее время), что важно для определения самоочищающей способно-сти акваторий, а также определяется прозрачность вод озер, водохранилищ;

-различными классами природно-антропогенных и антропогенных объектов;

Результаты дешифрирования и анализа космических изображений можно исполь-зовать при выборе мест рекреаций, устройстве новых городских пляжей и парков, при-своения отдельным территориям статуса охраняемых природных объектов, выявлении наиболее неблагоприятные с точки зрения антропогенной нагрузки зоны (где низок про-цент зеленых насаждений, велика доля промпредприятий, доля вытоптанных и заезжен-ных автомобилями земель и т.д.) и принять соответствующие меры.

Оценка обстановки, складывающейся в результате крупных лесных, торфяных и промышленных пожаров. Возникающие вблизи городов пожары могут сильно влиять на экологическую обстановку в городе за счет насыщения воздуха углекислым газом и продуктами горения, в отдельных случаях вызывать острый дефицит кислорода. Программное обеспечение, разработанное для нужд МЧС России позволяет выявлять очаги пожаров (для торфяных пожаров до возникновения дымовых шлейфов), осуществлять географическую привязку и использовать возможности современных геоинформационных систем для принятия решений. При возникновении крупных техногенных пожаров в черте города, наблюдения со спутника NOAA позволяют визуализировать район загрязнения опасными химическими веществами.

Объект и предмет аэрокосмического мониторинга. Средства аэрокосмического мониторинга.

Оперативное слежение и контроль за состоянием окружающей среды и отдельных ее компонентов по материалам дистанционного зондирования и картам называют аэрокосмическим (или картографо-аэрокосмическим) мониторингом. 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. Таким образом, оперативное картографирование становится средством контроля за развитием явлений и процессов и обеспечивает принятие управленческих решений.

Главнейшее значение для реализации программы создания службы мониторинга окружающей среды имеют дистанционные (аэрокосмические) средства и методы, так как одним из путей создания глобальной системы мониторинга является картографический. Дистанционный мониторинг - совокупность авиационного и космического мониторингов. 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 (по радио, проводам, через спутники и т. п.).

Авиационный мониторинг осуществляют с самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов (включая парящие воздушные шары и т. п.), не поднимающихся на космические высоты (в основном из пределов тропосферы). Космический мониторинг - мониторинг с помощью космических средств наблюдения.

Картографический метод создания глобальной системы мониторинга предполагает развер-тывание работ при обследовании и изучении любой территории в двух основных направ-лениях:

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, т. е. систематическое картографическое слежение за состоянием природной среды и ее изменениями, обусловленными хозяйственной деятельностью людей.

Аэрокосмический мониторинг позволяет одновременно получать объективную информацию и перативно выполнять картографирование территории практически на любом уровне территориального еления: страна - область - район - группа хозяйств (землепользование) - конкретное сельскохозяйственное угодье - культура.

Возможности изучения по космическим снимкам многочисленных экологических проблем, возникающих в связи с антропогенным воздействием в условиях вечной мерзлоты в тундровых районах, с развитием эрозионных процессов в земледельческих районах степной зоны, охарактеризованы выше в разделах по применению космических снимков в различных областях исследований Земли. Отображение на космических снимках нарушений среды обитания человека в результате антропогенного воздействия на природу делает их ценным материалом для анализа современной экологической ситуации, составления карт экологической оценки территории, разработки экологических прогнозов.

Оперативное слежение и контроль за состоянием окружающей среды - динамичными при-родными процессами, за воздействием человека на природу и происходящими в ней изменениями, организованные на основе сочетания наземных, воздушных, космических наблюдений, образуют систему аэрокосмического мониторинга. Мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом или явлением, но и его оценку, прогноз распространения и развития, а кроме того разработку системы мер по предотвращению опасных последствий или поддержанию благоприятных тенденций. Таким образом, аэрокосмический мониторинг не только выполняет контрольные функции, но и обеспечивает принятие управленческих решений.

Система аэрокосмического мониторинга позволяет регулярно и оперативно проводить:

-ведение земельного кадастра, уточнение карты землепользования;

-инвентаризацию селитебных земель, их инфраструктуры (городов, поселков, деревень, в том числе больших "неперспективных" и заброшенных);

-инвентаризацию земель сельскохозяйственного назначения и мелиоративного фонда, оценку мелиоративного состояния земель и ведение динамического мелиоративного кадастра;

-разработку экологического обоснования природопользования в районах традиционного и нового сельскохозяйственного освоения;

-планирование рационального землепользования, проведение своевременной инвентаризации очагов (зон) дефляции, водной и ветровой эрозии, деградации почв и растительного покрова;

-инвентаризацию земель, включенных в состав природоохранного, рекреационного и исто-рико-культурного назначения, а также особоценных земель;

-составление карт динамики природных и антропогенных процессов и явлений;

-составление прогнозных карт неблагоприятных процессов, активизирующихся в ре-зультате нерациональной хозяйственной деятельности;

-сопряжение картографической информации со статистическими данными и др.

Классификация аэрокосмических съемок по технологии получения, масштабу, обзорности, разрешающей способности, детальности, уровням генерализации.

Аэрокосмическая съемка подразделяется на фотографическую, телевизионную, многозональную, спектрометрическую, ультрафиолетовую, инфракрасную (тепловую), радиотепловую, радиолокационную и лазерную (лидарную).

Фотографическая съемка выполняется фотоаппаратами на фотопленке, которую затем доставляют на Землю для дальнейшей обработки и получения плановых и перспективных снимков. При телевизионной съемке изображение проектируется на приемное устройство – видикон. С видикона электрические сигналы по радиоканалу поступают на Землю или записываются на магнитную пленку с последующей передачей. Съемка осуществляется с помощью телевизионных камер (кадровая) или сканирующих устройств. При кадровой съемке проводится последовательная экспозиция различных участков поверхности и передача изображения по радиоканалам. При сканерной съемке изображение формируется из отдельных полос, получающихся в результате ''просматривания" местности лучом поперек движения носителя (сканирование). Изображение получается в виде непрерывной ленты. Со сканирующих устройств информацию непосредствен но с магнитных лент можно вводить в ЭВМ.

Многозональная съемка выполняется как с помощью фотографических (МКФ-6,4 ЗЕНИТ АЭРО-707), так и электроннооптических сканирующих систем (Фрагмент). Снимки получают в различных зонах спектра. Обработка таких снимков дает возможность использовать синтезированные псевдоцветные изображения.

Перечисленные виды съемки позволяют наблюдать за тайфунами, ураганами, изучать динамику состояния природной среды, характер антропогенного загрязнения (табл. 1).

Спектрометрическую съемку проводят специальными приборами - спектрографами, которые измеряют коэффициенты спектральной яркости природных объектов относительно эталона. Спектрометрическая съемка позволяет создавать банк данных о спектральных характеристиках различных объектов и типах подстилающей поверхности, регистрировать концентрацию СО2, малых примесей (SO2, CLO, NO2), аэрозолей и озона.

Ультрафиолетовая съемка осуществляется с использованием специальных источников излучения и фотоумножителей в качестве приемников. Её разновидность – флуоресцентная съемка – используется для обнаружения урановых месторождений, нефти и газов, способных светиться при облучении ультрафиолетом.

Виды аэрокосмических исследований/ Методы съёмки:

Оперативная оценка окружающей среды /Телевизионная

Оценка состояния почв и растительности / Телевизионная, радиотепловая, радиолокационная

Распространение пожаров, вулканическая активность, прогнозирование землетрясений / Телевизионная, инфракрасная, радиотепловая

Загрязнение воздушного бассейна / Инфракрасная, лазерная, сканерная

Изменение ландшафтов под влиянием горнодобывающих предприятий /Телевизионная

Горное оледенение, движение ледников, прогнозирование селей, схода снежных лавин, оползней /Фотографическая, телевизионная

Оценка ледовой обстановки, передвижение айсбергов / Фотографическая, телевизионная, радиолокационная

Изучение влажности почв и грунтов зоны аэрации / Радиотепловая, радиолокацион ная

Концентрация газов в городских и промышленных районах, вдоль трубопроводов и т.д. /Лазерная

Утечки тепла, сброс теплых вод, изучение геологических процессов в районах многолетней мерзлоты /Инфракрасная

Обнаружение урансодержащих пород, исследование атмосферы / Лазерная, ультрафиолетовая

Нефтяное загрязнение / Лазерная, ультрафиолетовая, инфракрасная, радиолокационная

Радиоактивное загрязнение / Аэрогамма-спектрометрическая

Инфракрасная съемка, или тепловая фиксирует тепловое излучение природных объектов. Широко применяется для изучения районов вулканической активности, морских акваторий, подземных вод, геологических процессов в районах вечной мерзлоты, нефтяного загрязнения.

Радиотепловая съемка регистрирует излучение природных объектов в микроволновом диапазоне электромагнитного спек- тра. Используется для изучения геотермальных объектов, вулка- нической деятельности, обнаружения лесных пожаров, для на- блюдения за состоянием поверхностных вод, лесов, сельскохозяйственных угодий и т.д.

Радиолокационная съемка фиксирует естественное радиоизлучение объектов и искусственный радиосигнал от этих объектов в сантиметровом диапазоне спектра 0,3 - 100 см. Ее применяют при исследовании нефтяного загрязнения водной поверхности, изучения зон чрезвычайной ситуации, изменения характеристик земной поверхности (влажности, засоленности и т.д.).

Лазерная съемка (лазерные локаторы – лидары) позволяет оценивать загрязнение воздуха, состояние дна водоемов и т.д. С помощью лазерного флуоресцентного зондирования наблюдают за источниками загрязнения природной среды, измеряют концен- трации примесей в водной среде (хлорофилл, нефтепродукты и т.д.), изучают распределение примесей по глубине, распознают геологические породы (см. табл. 1).

В результате съёмки получаем информацию в виде негативов и аналоговых сигналов, записанных на магнитную ленту. После обработки исходных материалов имеем позитивные отпечатки (аэро- и космоснимки), фотодиапозитивы, цифровые данные на магнитной ленте, пригодные для обработки на ЭВМ, распечатки, графики и диаграммы, построенные ЭВМ.

Чаще всего для геолого-экологических исследований используются черно-белые, цветные и синтезированные (ложно цветные) снимки.

По уровню генерализации, степени обзорности и величине разрешающей способности космические снимки подразделяются на:

• глобальные – масштаб <1:15000000,

• континентальные – 1:5000000-1:2500000,

• региональные – 1:1000000-1:500000,

• локальные – 1:200000-1:100000,

• детальные – масштаб >1:100000.

Аэроснимки подразделяются на:

• мелкомасштабные – масштаб <1:30000,

• среднемасштабные – 1:30000-1:10000,

• крупномасштабные – масштаб >1:10000.

Чем мельче масштаб, тем большую площадь охватывает снимок.

По виду носителей съемочных средств различают космическую и аэросъемку.

В зависимости от используемого диапазона электромагнитных волн и типа приемника, дистанционные исследования подразделяются на большую группу методов. Для применения в мониторинге окружающей среды могут быть рекомендованы фотографические, в том числе многозональная, и нефотографические - тепловая инфракрасная, микроволновая, сканерная, телевизионная, лазерная, радиолокационная съемки и аэровизуальные обследования.

Наиболее информативными зонами для решения задач мониторинга окружающей среды является зеленая и красная-инфракрасная. В зеленом канале четко видны участки переувлажненных грунтов, лишенные растительности. В красной-инфракрасной зоне, наоборот, четко дешифрируется поверхностное обводнение, границы раздела вода-суша.

Предмет аэро- и космических съемок. Классификация методов и средств

Аэрокосмические методы относятся к дистанционным методам изучения Земли. По материалам съемок может производиться разностороннее изучение, анализ и описание географической оболочки Земли в целом или ее комплексов и компонентов.

Для изучения земной поверхности в настоящее время используются различные способы получения изображения местности, в том числе телевизионные, радиолокационные, лазерные и др. Однако наибольшим распространением пользуются фотографические, в особенности аэрофотографические.

Существенной стороной аэрокосмических методов в географических исследованиях является извлечение качественной информации из материалов съемки. Этот процесс называется дешифрированием и заключается в распознавании и классификации изображенных на снимках объектов и их комплексов.

Дата добавления: 2015-11-14