Аэрокосмический мониторинг

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Экологические проблемы, наряду с такими, как энергетические, водные, продовольственные, относят к разряду глобальных. Известно, что промышленное освоение и интенсификация сельскохозяйственного производства во многих регионах мира сдерживаются именно нерешенностью экологических проблем, а затраты на предотвращение неблагоприятных экологических последствий от уже реализованных хозяйственных проектов подчас превышают расходы на сами проекты и, конечно, в десятки и сотни раз больше того, во что обошлись бы предупредительные мероприятия, осуществить которые нужно было бы на стадиях изысканий или начальных этапах развития негативных явлений.

Поскольку изменения, вносимые человеком в природную среду, и экологические эффекты, порождаемые его деятельностью, имеют, по крайней мере, региональный, а часто и глобальный характер, без аэрокосмических средств наблюдения нельзя своевременно не выявить их, ни проследить их динамику, ни дать полной картины происходящего вокруг нас. Достаточно сказать, что, как показывают аэрокосмические снимки, воздействие хозяйственной активности людей заметно почти на 60% суши, а в некоторых зонах эта цифра достигает 98%. Надо еще учесть, что антропогенные изменения природной среды происходят на два-три порядка быстрее, чем природные, и уследить за ними уже невозможно. В наше время эффективно решить столь сложную задачу можно лишь единственным способом: регулярной съемкой земной поверхности с самолетов и спутников, то есть аэрокосмическим методом экологического мониторинга.



1. История развития аэрокосмического мониторинга

Комплексные космические эксперименты, решавшие различные экологические задачи путем съемки с самолетов и спутников, начали проводиться в СССР и США с конца 1960 годов. Аэрокосмические наблюдения осуществлялись взаимно калиброванной аппаратурой и одновременно дополнялись наземными исследованиями избранных типичных участков суши. Благодаря последующему сравнению данных со всех трех уровней удается корректно дешифрировать аэро- и космические снимки. И хотя такие эксперименты имели поисковые цели (отработать ту или иную методику, оценить степень достоверности, с которой из космоса определяются виды растительности и типы почв, проверить новые возможности картографирования, опробировать способы, позволяющие следить за сезонным развитием экосистем и их многолетней динамикой), их результаты затем внедрялись в практику природоохранных, лесо- и сельскохозяйственных, мелиоративных, и других работ.

В 1969 году во время группового полета космических кораблей «Союз-6» - «Союз-8» был проведен геофизический подспутниковый эксперимент над плато Устюрт в Западном Казахстане, в котором, в частности, выяснялось, каким может быть влияние атмосферы при формировании сверхмелкомасштабного космического изображения.

Распознавательный эксперимент был выполнен над Сальскими степями (Ростовская область) во время полета «Союза-9» в 1970 г. наземно исследовались посевы различных сельскохозяйственных культур, их состав и состояние, а также растительность пастбищ. Одновременно проводилась подспутниковая аэрофотосъемка масштаба 1:70 000. Впоследствии информация с наземных точек наблюдения сопоставлялась с их изображениями на аэро- и космических фотографиях, на основе чего строилась классификация изображений. Из результатов работ следовало, что вероятность правильного распознавания посевов сельскохозяйственных культур в зависимости от их состава и фенологического (сезонного) развития колеблется в пределах от 60 до 90%. Эти цифры затем подтвердили многочисленные эксперименты советских и американских ученых, охватившие большие площади.

Во время полета орбитальной станции «Салют» в 1971 году были осуществлены картографические подспутниковые эксперименты. По космическим фотографиям были составлены первые мелкомасштабные геоботанические, геоморфологические и сельскохозяйственные карты Приалхашья и восточно-казахстанской части Алтая. Сравнение «космических» карт с обычными показало, что у первых есть ряд преимуществ. Прежде всего, они в 1.5-2 раза более детальны. Причем значительная часть границ (до 40%), не отмеченных на обычных картах, была выявлена по космическим снимкам. Кроме того, повысилось общее качество карт. Особенно эффективной оказалась космическая съемка сельскохозяйственных угодий. Она оперативно выявляла все ошибки в существующих картах внутрихозяйственного землеустройства. Вот почему космическая технология была сразу рекомендована для обновления тематических карт, и в первую очередь карт использования земель.

Началось повсеместное дешифрирование и картографирование растительности, почв, сельскохозяйственных и лесных угодий, выполнявшееся, если можно так выразиться, в статике, т.е. по космическим снимкам, полученным за короткие промежутки времени. Когда накопилось много повторных космических фотографий, охвативших достаточно представительный временной интервал, можно было приступать к экспериментам в динамике. Впервые подобные работы были проведены в СССР на том же Сальском полигоне. Сравнение снимков, полученных со станции «Салют-6» в 1978 г., с полученными ранее, показало, как меняются структура землепользования и площадь пашни, какие тенденции присущи застройке и другим видам отчуждения земель несельскохозяйственных целях, как расширяются эродированные и засоленные почвы, сокращаются площади пастбищ и т.п. В итоге уже в 1978 г. Появилась возможность дать эколого-экономический прогноз развития региона на основе предшествующих и новых аэрокосмических съемок территории.

Еще при выполнении первых распознавательных исследований ученые столкнулись с большими сезонными вариациями оптических и радиационных характеристик экосистем. Фенологический эксперимент по наблюдению за весенним («зеленая волна») и осенним («бурая волна») развитием растительности, проведенный в 1972-1973 гг. с помощью спутника «Лэндсат-1» (США), продемонстрировал, что глобально отслеживать прохождение общих фенологических смен можно.

Изучая процесс в динамике, специалисты собрали обширную информацию о существенных колебаниях сроков этих смен в разные годы, особенно на локальном уровне, т.е. в отдельных экорегионах. В 1981 г. в Кызылкумах в Узбекистане со станции «Салют-6» осуществлялся локальный фенологический эксперимент, который состоял в последовательном фотографировании из космоса одного и того же экорегиона через короткие промежутки времени и сопровождался наземными оптическими и фенологическими исследованиями полигона. Последующее сопоставление показало, что изменение оптических характеристик на космических снимках хорошо соответствует сезонному ходу нарастания и уменьшения фитомассы. Выявленные таким образом корреляционные зависимости дали возможность прогнозировать состояние пастбищной растительности на весь вегетационный период.

Обобщив результаты упомянутых выше и других базовых изысканий, специалисты в начале 1980 гг. разработали тот методический фундамент, опираясь на который уже можно было вести систематические аэрокосмические исследования состава, структуры, ритмики и динамики экосистем, их почв, растительности, животного мира, антропогенных факторов. Теперь настала очередь широкого использования аэрокосмических методов в экологии для изучения биологических ресурсов и охраны природы.

2. Аэрокосмический мониторинг

Аэрокосмический мониторинг как дистанционный метод

Система наблюдения при помощи самолетных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем называется аэрокосмическим методом мониторинга.

Аэрокосмический мониторинг подразделяется на:

Ш 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.).

Ш 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).

Ш Космический мониторинг - мониторинг с помощью космических средств наблюдения.

* методы морского (наводного) и наземного базирования

Оперативное слежение и контроль за состоянием окружающей среды и отдельных ее компонентов по материалам дистанционного зондирования и картам называют аэрокосмическим (или картографо-аэрокосмическим) мониторингом.

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

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. 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, - это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков и изучения труднодоступных территорий. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализованное изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их структуру и связи. Благодаря этому данные дистанционного зондирования нашли в картографии разнообразное применение: их используют для составления и оперативного обновления топографических и тематических карт, картографирования малоизученных и труднодоступных районов (например, высокогорий). Наконец, аэро- и космические снимки служат источниками для создания общегеографических и тематических фотокарт.

Существует несколько основных направлений применения материалов дистанционного зондирования в целях картографирования:

Ш составление новых топографических и тематических карт;

Ш исправление и обновление существующих карт;

Ш создание фотокарт, фотоблок-диаграмм и других комбинированных фото картографических моделей;

Ш составление оперативных карт и мониторинг.

Составление оперативных карт - это один из важных видов 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. Космофотокарты применяют для слежения за созреванием сельскохозяйственных посевов и прогноза урожая, наблюдения за становлением и сходом снежного покрова на обширных пространствах и тому подобными ситуациями, сезонной динамикой морских льдов.

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.

Аэрокосмический мониторинг. Цели и задачи.

Спутниковые данные позволяют решать следующие задачи контроля со - стояния окружающей среды:

* определение метеорологических характеристик: вертикальные профили температуры, интегральные характеристики влажности, характер облачности; * контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий;

* определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация за - грязнений почвы и водной поверхности;

* обнаружение 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 промышлен - ных предприятий.

Система аэрокосмического мониторинга позволяет регулярно и оперативно проводить:

Ш инвентаризацию земельного фонда земель сельскохозяйственного назначения;

Ш ведение земельного кадастра;

Ш уточнение карты землепользования;

Ш инвентаризацию селитебных земель, их инфраструктуры (городов, поселков, деревень, в том числе больших «неперспективных» и заброшенных);

Ш инвентаризацию земель мелиоративного фонда;

Ш оценку мелиоративного состояния земель и ведение динамического мелиоративного кадастра;

Ш подготовку и систематическое обновление каталогов земель, находящихся в фонде перераспределения;

Ш контроль над темпами освоения новых земель;

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

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

Ш инвентаризацию земель, включенных в состав природоохранного, рекреационного и историко-культурного назначения, а также особо ценных земель;

Ш составление карт динамики природных и антропогенных процессов и явлений;

Ш составление прогнозных карт неблагоприятных процессов, активизирующихся в результате нерациональной хозяйственной деятельности;

Ш сопряжение картографической информации со статистическими данными.

Съемки ведут в видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой зонах спектра. При этом снимки могут быть черно-белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже - для лучшей различимости некоторых объектов - ложноцветными, т.е. выполненными 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.

3. Основное техническое оснащение

аэрокосмический авиационный мониторинг технический

Аппаратура для аэрокосмических исследований

Научная аппаратура модуля 77КСИ «Природа» «Алиса»

Научная аппаратура (НА) «Алиса» является лидаром (лазерным локатором атмосферных образований), установленным в модуле «Природа» и предназначенным для геофизических исследований из космоса:

* определения верхней границы облачного слоя;

* измерения вертикального распределения атмосферного аэрозоля;

* возможного измерения аэрозолей спорадического происхождения.

НА работает в комплексе с радиометром «Исток» и наземными станциями.

НА расположена в ПГО-3 модуля «Природа» и работает через иллюминатор №2. НА состоит из собственно лидара и системы охлаждения СВТ.

Прибор ДК-33 предназначен для измерения быстропеременных и стационарных полей яркости в спектральном диапазоне от 120 до 1100 нм и исследования их влияния на служебную и научную оптическую аппаратуру. В УФ-диапазоне такие измерения проводятся впервые.

Блеск отдельных частиц определяется по приведенной к полю зрения эквивалентной яркости фона. Целевым назначением прибора ДК-33 является фотометрический контроль состояния окружающей среды в зоне служебной и научной оптической аппаратуры и полезного груза на всех этапах НИ изделия.

Радиометрический комплекс «Икар-Дельта» предназначен для измерения амплитудного и пространственного распределения собственного радиотеплового излучения земной поверхности в микроволновом диапазоне с целью определения следующих характеристик атмосферы, океана и суши:

* положения и изменчивости основных фронтальных зон Северной Атлантики: зоны течения системы Гольфстрим, Северо-Атлантического течения, струйных течений тропической зоны Атлантического океана;

* положения, интенсивности и направления перемещений крупномасштабных температурных аномалий, локализованных в верхних слоях океана;

* параметров снежного и ледового покрова;

* водозапасов облаков и интегральных параметров атмосферы;

* границ зон осадков;

* приводной скорости ветра;

* распределения температуры воздуха.

Состав комплекса.

* радиометр «Дельта-2П» 1 шт.

* радиометр «Икар-ИП» 1 шт.

* радиометр поляризационный РП-225 3 шт.

* сканирующая двухполяризационная радиометрическая система Р-400 1 шт.

* радиометр РП-600 6 шт.

Аппаратура «Индикатор» предназначена для контроля параметров собственной внешней атмосферы ОС. Аппаратура применяется для измерения плотности (общего давления) СВА, потока заряженных частиц и интенсивности набегающего потока.

Аппаратура «Индикатор» состоит из:

* блока входного преобразователя с собственным датчиком, установленным на внешней поверхности изделия;

* блока управления, установленного в ГО.

Ионозонд представляет собой комплекс бортовых и наземных средств для обеспечения глобального мониторинга околоземного космического пространства методом радиозондирования атмосферы Земли с низкоорбитальных пилотируемых объектов.

Состав аппаратуры:

* аппаратура Ионозонда на модуле «Природа»;

* система телекоммуникационного контроля и управления «Сигма»;

* наземные ионосферные станции в городах Ростов-на-Дону и Нарофоминск.

Назначение аппаратуры Ионозонда.

Предназначена для импульсного зондирования внешней атмосферы с целью получения оперативной информации о ее состоянии.

Управление аппаратурой Ионозонда и съем контрольной телеметрической информации осуществляется через ПЭВМ-КСИ и ПАО-КСИ из состава СТКУ «Сигма».

Состав аппаратуры Ионозонда:

1. аппаратура АИ 804:

- АИ 011 - приемопередатчик, предназначенный для формирования зондирующих сигналов и приема отраженного от ионосферы сигнала;

- АИ 502 - блок цифровой обработки, предназначенный для кодирования и преобразования информации с последующей передачей в СТКУ:

2. аналоговый передатчик СОРС-Д, работающий на частоте 137 МГц и предназначенный для передачи на Землю комплексного видеосигнала в аналоговом виде в зоне радиовидимости наземных ионостанций:

3. антенна Ионозонда.

Ограничения:

* время непрерывной работы не более 60 мин;

* перерыв в работе не менее 25 мин.

«Исток-1»

ИК спектрометрическая система «Исток-1» предназначена для измерения спектров собственного теплового излучения атмосферы и подстилающей поверхности при различных углах наблюдения, ИК спектров пропускания атмосферы и углов рефракции видимого излучения в режиме слежения за Солнцем для определения в составе атмосферы содержания озона, углекислого газа, паров воды, закиси азота, метана и азотной кислоты.

Состав КНА «Исток-1».

* инфракрасный спектрорадиометр (ИКСР)

* электронное визирующее устройство (ЭВУ)

* бортовое вычислительное устройство (БВУ)

* автоматически стабилизируемая платформа (АСП)

* калибровочный источник спектрорадиометра (КИС)

* контрольный источник ЭВУ

Аппаратура «МОЗ-Обзор» предназначена для регистрации отраженного от поверхности Земли и атмосферы излучения Солнца в видимой и ближней ИК областях спектра с последующей передачей этой информации в виде цифровых массивов в ТМ систему.

Аппаратура может работать в ручном и автоматическом режимах.

Аппаратура «МОЗ-Обзор» состоит из следующих приборов:

* МОЗ - модульный оптико-электронный сканер, включающий в себя оптико-электронный блок, устанавливаемый на иллюминатор, зеркало, блок процессора и блок питания;

* БВУ «Обзор» - бортовое вычислительное устройство, предназначенное для взаимодействия с СУБК;

* ПУ «Обзор» - пульт ручного управления;

* К-1…К-16 - межблочные кабели.

МОМС-2П

Целью космического эксперимента МОМС-2П является решение следующих задач:

* съемка поверхности Земли;

* съемка облачного покрова;

* съемка внутренних водоемов и поверхности океана в районе шельфа.

Виды съемок:

* во всех спектральных диапазонах видимого спектра с обычным разрешением;

* в видимом диапазоне спектра с повышенным разрешением;

* стереосъемка в видимом диапазоне спектра с обычным разрешением.

Съемка полигонов обеспечивается за счет орбитального движения изделия и поперечного сканирования поверхности Земли ПЗС-приемников.

В состав аппаратуры МОМС-2П входят:

* оптический модуль массой 181 кг (устанавливается снаружи модуля 77КСИ);

* антенны МОМС НАВ (3 шт. системы GPS);

* блок питания;

* магнитофон DCRSi-107 с кассетами.

Тип прибора - модульный оптический многоспектральный стереосканер, позволяющий снимать поверхность Земли в 4 спектральных диапазонах (каналы: 1,2,3,4 - спектральные, 6,7 - стерео, 5А, 5В-высокого разрешения).

МСУ-СК

Прибор предназначен для получения и передачи на Землю изображения подстилающей поверхности в однострочном режиме в видимом, ближнем и дальнем ИК диапазонах.

МСУ-Э (многофункциональное сканирующее устройство с электронной разверткой)

Аппаратура состоит из двух приборов МСУ-Э. Прибор предназначен для получения изображения подстилающей поверхности Земли.

При проведении эксперимента ось +Z модуля 77КСИ должна быть направлена по местной вертикали с погрешностью +1 угл. град. Ось Х должна быть направлена по направлению полета, угол С-О-З должен быть больше 115 угл. град. Съемка проводится при минимальной облачности.

Приборы имеют негерметичные корпуса.

«Озон - Мир»

Целью научного эксперимента является измерение с борта ОС спектральных характеристик прямого солнечного излучения, проходящего через атмосферу Земли, при заходах Солнца относительно станции с целью последующей обработки измеренных коэффициентов спектральной прозрачности атмосферы и восстановления вертикальных профилей концентрации кислорода, озона, паров воды и других малых газовых составляющих и аэрозолей.

Аппаратура работает в автоматическом режиме и выполнена в виде 3-х независимых блоков:

* блока спектрометров;

* блока электроники;

* блока питания.

Аппаратура имеет 4 спектральных канала для измерения спектральной прозрачности атмосферы в диапазоне 257-1155 нм.

Канопус

Канопус предназначен для исследования космического пространства как среды обитания биологических и технических объектов.

Дозиметр ДК-1 предназначен для измерения основных дозовых характеристик поля ионизирующих излучений. На модуле 77КСИ «Природа» установлены два блока детектирования (БД-03 и БД-06) и регистратор (БР).

Спектрометр СПЭ-1 предназначен для измерения спектральных и угловых характеристик электронов и протонов низких энергий.

Анализатор С-11 предназначен для измерения динамики энергетического распределения протонов и спектров линейных потерь космических лучей.

«Траверс-1П»

Система «Траверс-1П» - это двухчастотный радиолокатор бокового обзора с синтезированной апертурой. Он предназначен для получения радиолокационных изображений (карт) земной поверхности.

Использование научных данных «Траверс-1П» для исследования поверхности суши позволяет проводить оценку состояния и типа растительности и влажности почв, картографирования рельефа льда и волнения поверхности мирового океана.

Основные научные задачи:

* картирование состава поверхности Марса - вулканических и осадочных пород, измороси и льдов;

* картирование основных газообразных и твердых атмосферных компонент.

Прибор имеет три канала:

* IR - 1 диапазон 2,7 - 5,2 мкм;

* IR - 2 диапазон 1,05 - 2,7 мкм;

* VNIR диапазон 0,35 - 1,05

Основные характеристики:

* спектральное разрешение 50 - 100

* угловое разрешение 4 угл. мин

пространственное разрешение 0,4 - 4 км

* многофункциональную стереоскопическую ТВ-камеру высокого разрешения HRSC, диапазон длин волн 0,4-1,0 мкм;

* ширина полосы обзора 8,8°

* масса 23,7 кг

Размещено на Allbest.ru

...