Аэрокосмические исследования

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Роль и значение аэрокосмических методов в экологических исследованиях

При изучении географической оболочки или ее компонентов с помощью аэрокосмических методов географ черпает информацию о них из снимков, которые получают с помощью съемочной аппаратуры, удаленной на многие километры от изучаемого объекта. Эта особенность аэрокосмических методов позволяет отнести их к дистанционным.

Дистанционные методы применяются в географических исследованиях очень давно. Правда, вначале использовались рисованные снимки, которые фиксировали пространственное расположение изучаемых объектов. С изобретением фотографии возникла наземная фототеодолитная съемка, при которой по перспективным фотоснимкам составляли карты горных районов.

Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством исследований -- аэрометодами. Космические снимки предоставляют геоинформацию для решения географических проблем регионального и глобального уровней.

История развития аэрокосмических методов свидетельствует о том, что новые достижения науки и техники сразу же используются для совершенствования технологий получения снимков. Это нашло отражение в появлении и широком распространении обобщающего термина remote sensing, который не очень точно переводится как дистанционные методы или дистанционное зондирование.

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. 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. 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. 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, то есть, 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.

Главные достоинства аэроснимков, космических снимков и цифровых данных, получаемых в ходе дистанционного зондирования, - их большая обзорность и одномоментностъ. 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 - повторность съемок, то есть фиксация состояния объектов в разные моменты времени и возможность прослеживания их динамики.

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

? составление новых топографических и тематических карт;

? исправление и обновление существующих карт;

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

? составление оперативных карт и мониторинг.

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. 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.

1.1 Дистанционные и аэрокосмические методы исследований

Дистанционные методы понимают как любое изучение объекта, осуществляемое на расстоянии, без непосредственного с ним контакта. Например, методы исследования морского дна с применением акустического гидролокатора относятся к дистанционным. При аэрокосмических методах исследования информация об удаленном объекте (местности) передается с помощью электромагнитного излучения, которое характеризуется такими параметрами, как интенсивность, спектральный состав, поляризация и направление распространения. Зарегистрированные физические параметры излучения, функционально зависящие от биогеофизических характеристик, свойств, состояния и пространственного положения объекта исследования, позволяют изучать его косвенно. В этом заключается сущность аэрокосмических методов.

Электромагнитное излучение разных спектральных диапазонов содержит взаимодополняющую информацию об объектах и явлениях на земной поверхности. Одновременная регистрация излучения в нескольких спектральных зонах {многозональный принцип) позволяет получить наиболее разностороннюю характеристику местности.

В зависимости от устройства используемой аппаратуры регистрируется излучение в отдельных точках земной поверхности, вдоль трассы или на определенной площади. Во всех случаях фиксируется излучение от элементарных площадок объекта, конечные размеры которых {пространственное разрешение на местности) зависят от расстояния до них и совершенства регистрирующей аппаратуры.

Особенность аэрокосмических методов состоит в том, что между изучаемой местностью и регистрирующей аппаратурой всегда находится слой в общем непрозрачной атмосферы, поэтому вести исследования можно только в отдельных зонах спектра электромагнитных волн, получивших название окна прозрачности. Серьезной помехой является также облачность.

Ведущее место в аэрокосмических методах занимает изучение объекта по снимкам, поэтому главная их задача заключается в целенаправленном получении и обработке снимков. Аэрокосмические съемки выполняются с помощью специальной съемочной аппаратуры, чаще всего -- фотографических камер, сканеров и радиолокаторов, которые иногда объединяют общим названием сенсоры (от англ. sensor -- чувствительный элемент). Съемочная аппаратура, позволяющая одновременно получать снимки в нескольких спектральных зонах, называется многозональной, а в десятках и сотнях очень узких спектральных зон -- гиперспектральной. Принцип множественности, или комплексности, аэрокосмических исследований предусматривает использование не одного снимка, а их серий, различающихся по масштабу, обзорности и разрешению, ракурсу и времени съемки, спектральному диапазону и поляризации регистрируемого излучения.

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).

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

Космический мониторинг - мониторинг с помощью космических средств наблюдения.

1.2 Разновидности дистанционных методов

Методы, основанные на регистрации съемочными системами оптического и радиоизлучения в виде двумерного изображения -- снимка, универсальны. Наряду с этим существует ряд частных дистанционных методов, с помощью которых регистрируются излучение или характеристики других физических полей Земли не по площади, а в точке или по трассе полета. Эти методы базируются на применении специальных измерительных приборов. Спутниковый скаттерометр (от англ. scatter -- рассеивать) предназначен для измерения мощности отраженного радиосигнала, которая зависит от геометрии отражающей поверхности. При изучении акваторий скаттерометр позволяет дистанционно оценить направление и силу волнения морской поверхности, а по ним направление и скорость приповерхностных ветров.

При аэрокосмических съемках наряду со съемочной аппаратурой используется радиовысотомер (альтиметр), регистрирующий время от посылки до прихода отраженного сигнала, по которому точно определяют высоту полета носителя, необходимую для фотограмметрической обработки аэрокосмических снимков. Если же параметры орбиты и пространственное положение космического аппарата точно известны, то с помощью радиовысотомера удается количественно характеризовать топографию отражающей поверхности, в частности покровных ледников или морской поверхности.

Такие же задачи (но более точно) решает и лазерный альтиметр. Его уникальной особенностью является регистрация не одного, а нескольких отраженных сигналов, например, от крон деревьев разных ярусов и от земной поверхности, что важно при дистанционном изучении структуры растительного покрова.

Точное положение, форму и размер объекта можно определить с помощью сканирующих лазерных дальномеров или лазерных локаторов, которые называют также лидарами (от англ. lidar, light detection and ranging -- световая локация). В самолетном варианте сканирующие лазерные локаторы с успехом применяются для быстрого и высокоточного измерения пространственных координат очень большого количества точек на местности. При лазерной (световой) локации местность и расположенные на ней объекты отображаются большой совокупностью («облаком») точек, на каждой из которых получены все три координаты и которые ври визуализации на мониторе образуют изображение местности --лазеролокационный, или светолокационный, снимок. Этот новый дистанционный метод позволяет быстро создать точную цифровую модель местности. При географических исследованиях особенно перспективно его комбинирование с многозональной съемкой. С помощью самолетных и спутниковых магнитометров, регистрирующих напряженность магнитного поля Земли, удается выявить магнитные аномалии, связанные с геологическим строением территории.

Значительное место в геофизических исследованиях отводится аэрора-диометрической съемке, при которой регистрируется коротковолновое гамма-излучение над месторождениями радиоактивных руд или на участках радиационного заражения местности. В результате вертолетных обследований европейской части нашей страны с помощью гамма-спектрометра были картографированы ареалы выпадения радиоактивных осадков после Чернобыльской катастрофы в 1985 г. и ведется мониторинг этих районов.

Картографический метод создания глобальной системы мониторинга предполагает развертывание работ при обследовании и изучении любой территории в двух основных направлениях:

? создание базовой инвентаризационной картографической документации, отражающей современное состояние и оценку природных ресурсов;

? картографирование динамики изменений природной среды, предусматривающее обновление инвентаризационных карт, создание специальных карт динамики и прогноза, то есть систематическое картографическое слежение за состоянием природной среды и ее изменениями, обусловленными хозяйственной деятельностью людей.

Таблица 1

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

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 1.

Структура космической системы изучения природных ресурсов Земли изображена на рисунке 2.

Рис. 2 Структура космической системы изучения природных ресурсов Земли

Принципиально структура космической системы изучения природных ресурсов Земли (ИПРЗ) состоит: из системы управления структурой; 4 основных подсистем: получения космической информации; получения дополнительной дистанционной информации; сбора и хранения информации; обработки информации. Подсистема получения космической информации включает: космические носители измерительной аппаратуры (искусственные спутники земли - ИСЗ), пилотируемые космические корабли (ПКК) и орбитальные станции (ОС).

Принципиальная блок-схема структуры космической системы изучения природных ресурсов Земли (ИПРЗ) показана на блок-схеме 2.

Блок-схема 2 Структура космической системы изучения природных ресурсов

аэрокосмический экологический съемочный космический

Структура космической системы изучения природных ресурсов Земли (ИПРЗ) принципиально состоит из системы управления структурой и четырех основных подсистем: получения космической информации, дополнительной дистанционной информации, сбора и хранения информации, обработки информации. Подсистема получения космической информации включает: космические носители измерительной аппаратуры - искусственные спутники Земли, пилотируемые космические корабли (ПКК) и орбитальные станции (ОС); измерительную аппаратуру, устанавливаемую на космических носителях; аппаратуру, передающую полученную информацию на Землю (на пункты приема информации - ППИ) в подсистему сбора информации.

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, установленная на них аппаратура, передающая получаемую информацию на пункт приема информации.

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) в толще водных масс, морского дна, атмосферы и космического пространства.

Буйковые станции (автоматические станции) снабжены специальной аппаратурой для получения определенных типов информации через спутники на пункты приема информации, космической системы изучения природных ресурсов.

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 авиасредств 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 (данным), 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) 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:

? разновременные и разномасштабные материалы космических и аэрофотосъемок;

? характеристики измерительной аппаратуры;

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

? разновременные и разномасштабные картографические материалы (топографические и специальные тематические карты);

? 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 обработки в виде картографических материалов в требуемом масштабе.

Обрабатывают материалы визуально-инструментальным (с использованием оптико-механических приборов) методом и с использованием ЭВМ и переводом данных с компьютера в цифровую карту.

Выходные документы - тематические и специальные карты, схемы, графики, таблицы, методические материалы. Они должны быть получены в результате картографической, экономико-статистической и другой информации об изучаемых районах с обязательным использованием результатов наземных обследований в наиболее характерных природных, сельскохозяйственных, гидрогеолого-мелиоративных и водохозяйственных зонах изучаемых регионов в соответствии с разрабатываемыми уровнями системы мониторинга.

Таким образом, основная цель работ по внедрению и развитию методов аэрокосмического мониторинга в отрасли - совершенствование установления корреляционных связей между оптическими свойствами экологических комплексов (природных и антропогенно измененных), отраженными на аэрокосмических изображениях, и их свойствами в системе различных природных признаков (физической, биологической, химической), направленными на выявление существующих зависимостей между геологическим строением местности и ее рельефом, гидрографией, почвами, растительностью и другими элементами ландшафта, для разработки и совершенствования методов региональных комплексных исследований, оценки природно-экологических и антропогенных условий территории при проектировании и проведении землеустроительных мероприятий с целью сохранения экологического равновесия.

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.

Система аэрокосмического мониторинга позволяет регулярно и оперативно проводить:

? инвентаризацию земельного фонда земель сельскохозяйственного назначения;

? ведение земельного кадастра;

? уточнение карты землепользования;

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

? инвентаризацию земель мелиоративного фонда;

? оценку мелиоративного состояния земель и ведение динамического мелиоративного кадастра;

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

? контроль над темпами освоения новых земель;

? 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 историко-культурного назначения, а также особо ценных земель;

? составление карт динамики природных и антропогенных процессов и явлений;

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

? сопряжение картографической информации со статистическими данными.

Литература

1. Аковецкий В. И. Дешифрирование снимков. М: Недра, 1983.

2. Землеустройство и экологический мониторинг. М., 2002.

3. Картография. М., 2001.

4. Книжников Ю. Ф., Кравцова В. И., Тутубалта О. В. Аэрокосмические методы географических исследований. М.: Издательский центр «Академия», 2004.

5. Кравцова В. И. Космические методы картографирования. М.: Изд-во МГУ, 1995.

6. Шалькевич Ф.Е. Методы аэрокосмических исследований. Мн., Изд-во БГУ, 2006.

Размещено на Allbest.ru