Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет

им. Н.И. Лобачевского»

национальный исследовательский университет

Биологический факультет

Кафедра экологии

Курсовая работа

Использование аэрофотоснимков в экологических исследованиях

Работу выполнила студентка

4 курса д/о, гр. 144-6

Шаповалова К.В.

г. Нижний Новгород

2013

Содержание

Введение

Глава 1. Аэрофотосъемка как метод дистанционного зондирования

1.1 Возникновение и первые шаги воздушного фотографирования

1.2 Виды аэрофотосъемки и их особенности

1.3 Летно-съемочный процесс

1.4 Обработка полученной информации

Глава 2. Использование аэрофотоснимков в экологических исследованиях

2.1 Использование аэрофотоснимков для оценки и прогноза пожарной опасности в лесах

2.2 Контроль за состоянием растительности с помощью аэрофотосъемки

2.3 Контроль за состоянием водоемов с помощью аэрофотосъемки

2.4 Контроль снегового и ледового покрова с помощью аэрофотосъемки

2.5 Изучение и оценка состояния природных и природно-антропогенных экосистем ООПТ с помощью аэрофотосъемки

Заключение

Литература

Введение

Экология как самостоятельная наука возникла в 1866 году. Термин был предложен немецким естествоиспытателем и философом Эрнстом Геккелем. Наука имеет свои цели, задачи и методы. Наибольшую популярность в настоящее время обретают методы дистанционного зондирования. Дистанционное зондирование используется для сбора и записи информации о морском дне, об атмосфере Земли, о Солнечной системе. Оно осуществляется с применением морских судов, самолетов, космических летательных аппаратов и наземных телескопов. Науки, ориентированные на полевые работы, к числу которых относятся такие, как геология, лесоводство и география, экология, также обычно используют дистанционное зондирование для сбора данных в целях проведения своих исследований. Одним из примеров дистанционных методов является аэрофотосъемка.

Аэрофотосъёмка - фотографирование местности с воздуха специальным аэрофотоаппаратом, установленным на самолёте, вертолёте, дирижабле или искусственном спутнике Земли. Аэрофотоматериалы незаменимы в вопросах диагностики экологического состояния местности, и результаты аэрофотосъемки в последнее время все чаще используются экологами. Еще несколько лет назад перед аэрофотосъемкой ставились другие задачи, в основном связанные с картированием малоизученных территорий, определением точных координат заданного объекта, а также проведением различных картографических измерений. Сегодня, помимо перечисленных задач, а часто и вместо них, перед аэрофотосъемкой ставится задача экологической диагностики.

Глава 1. Аэрофотосъемка как метод дистанционного зондирования

1.1 Возникновение и первые шаги воздушного фотографирования

аэрофотосъемка экологический контроль

Термин "аэрофотосъемка", означающий фотографирование земной поверхности с летательного аппарата тяжелее воздуха, вошел в употребление в начале XX столетия, со времени применения самолета для целей воздушного фотографирования. Само же воздушное фотографирование возникло задолго до появления самолетов - в эпоху аэростатов.

Фотография в то время находилась в самом зачаточном состоянии. С изобретением мокрого коллодионного процесса (1851 г), вытеснившего дагерротипию, расширилась возможность применения фотографии во многих областях науки и техники. В ряде стран стали проводиться опыты воздушного фотографирования, причем для этого, наряду с привязными шарами, применялись и свободные аэростаты. В 1887 году французский фотограф Артур Батут разработал и выполнил фотосъёмку с помощью воздушного змея.

Среди различных способов ведения аэрофотосъёмки есть и довольно экзотические. Так в начале XX века немецкий аптекарь Юлиус Нойброннер запатентовал свой «Способ и средства для фотографирования пейзажей сверху» с помощью почтовых голубей. Этот способ пользовался успехом и завоевал награды на международных выставках в Дрездене, Франкфурте и Париже в 1909-1911 годах.

В 1898 г. Тиле Р.Ю. - пионер аэрофототопографии и инженерной фотограмметрии в России, изобрёл панорамограф, использовавшийся с воздушного шара. Был удостоен золотой константиновской медали Русского географического общества.

Первое использование кинокамеры, вмонтированной в летательный аппарат тяжелее воздуха, произошло 24 апреля 1909 г. над Римом, во время съёмок короткометражного (3 мин. 28 сек.) немого киноролика «Уилбур Райт и его самолёт». Первая полуавтоматическая камера, специально предназначенная для аэрофотосъёмки, была разработана русским военным инженером, полковником В. Ф. Потте в 1911 г. Этот аэрофотоаппарат использовался во время Первой мировой войны.

В Первую мировую войну аэрофотосъёмка для военных целей практиковалась многими лётчиками; в числе этих пилотов был легендарный американец Фред Зинн. Одним из первых известных сражений, во время которых проводилась аэрофотосъёмка, была битва при Нев-Шапель (1915 г).

Применение аэрофотосъёмки для картографирования впервые произошло тоже на фронтах Первой мировой войны. В январе 1918 г по приказу генерала Алленби пять австралийских лётчиков эскадрильи № 1 Королевских военно-воздушных сил Австралии сфотографировали местность площадью 1 620 км2 в Палестине с целью корректировки и улучшения карт турецкого фронта. Лейтенанты Леонард Тэплин, Аллан Браун, Х. Л. Фрэзер, Эдвард Патрик Кенни и Л. В. Роджерс сняли территорию, которая простиралась от линии турецкого фронта на 51 км вглубь тыловых районов. Начиная с 5 января, они летали на истребителях сопровождения «Ройал Эйркрафт Фэктори B.E.2» и «Мартинсайд» (Martinsyde) с целью отражения атак боевой авиации противника. Пилотам приходилось не только отбивать удары вражеской авиации, но ещё и преодолевать порывы ветра 29 м/с, огонь противовоздушной аритиллерии противника, а также справляться с плохо работающим оборудованием. Поставленная задача была выполнена предположительно 19 января 1918 г.

Одним из наиболее успешных инициаторов коммерческого использования аэрофотосъёмки был Шерман Фэйрчайлд, который основал собственную компанию «Фэйрчайлд Эйркрафт» по проектированию и производству самолётов, предназначенных для полётов в условиях высокогорной местности. В 1935 году на борту самолёта аэротопографической службы компании «Фэйрчайлд Эйркрафт» был установлен блок с двумя камерами, работающими синхронно. Каждая камера, снабжённая пятью шестидюймовыми, а также десятидюймовыми линзами, делала снимки с высоты 23 000 футов (7 010,4 м). Один снимок охватывал территорию в 580 км2. Один из первых государственных заказов компании предусматривал аэротопографическую съёмку штата Нью-Мексико для изучения почвенной эрозии. Через год Фэйрчайлд применил более совершенную камеру для аэрофотосъёмки высокогорных местностей -- она имела девять линз в одном блоке и могла снимать с высоты 30 000 футов (9 144 м), причём, каждый снимок отображал территорию 1 600 км2.

В наши дни, в связи с повсеместным распространением недорогих цифровых фотоаппаратов, многие люди тайно делают снимки, находясь на борту коммерческих самолётов и -- всё чаще -- самолетов гражданской авиации общего назначения, совершающих частные прогулочные полёты.

1.2 Виды аэрофотосъемки и их особенности

Виды аэрофотосъемки отличаются один от другого по ряду признаков. Фотографирование земной поверхности с самолета может происходить при различных положениях главной оптической оси камеры аэрофотоаппарата. В зависимости от пространственного ее положения, различают следующие виды аэрофотосъемки: горизонтальную, плановую и наклонную (перспективную). Под горизонтальной подразумевается такая аэрофотосъемка, при которой главная оптическая ось аэрофотоаппарата занимает отвесное положение (б =0), плоскость негатива - строго горизонтальна. Если в момент фотографирования главная оптическая ось камеры аэрофотоаппарата отклоняется от отвесной линии в среднем на 1,0-1,5°, но не более 3,0-5,0°, то такая аэрофотосъемка называется плановой.

Фотографирование же с самолета при наклонном положении главной оптической оси аэрофотоаппарата от отвесной линии на углы более 10° называется наклонной, или перспективной аэрофотосъемкой. В том случае, когда на аэрофотосъемке изображается естественный горизонт, аэрофотосъемка будет перспективной с горизонтом. Кроме того, может быть еще планово-перспективная аэрофотосъемка, сущность которой заключается в том, что при полете по одному и тому же маршруту с помощью специальных аэрофотоаппаратов одновременно производятся плановые и перспективные аэрофотоснимки. В зависимости от характера покрытия местности аэрофотоснимками аэрофотосъемка разделяется на ординарную, маршрутную и сплошную. Ординарная аэрофотосъемка представляет собой фотографирование отдельных объектов местности (например, гари, ветровала, склада древесины, участка леса, сплава и др.) одиночными или парными снимками, связанными между собой перекрытиями.

Маршрутной аэрофотосъемкой называется воздушное фотографирование с самолета полосы местности по определенному маршруту. В зависимости от объекта, подлежащего аэрофотосъемке, маршруты полетов могут быть прямолинейными (ряд кварталов леса) или криволинейными (вдоль русла реки). При такой аэрофотосъемке между снимками в маршруте осуществляется перекрытие, достигающее 56-60%; оно называется продольным перекрытием. Маршрутная аэрофотосъемка применяется для лесотранспортных, водно-мелиоративных и других работ, проводимых в пределах узкой полосы местности. Производится она путем проложения ряда прямолинейных и параллельных между собой маршрутов, взаимно перекрывающихся.

При данном виде аэрофотосъемки, помимо продольных перекрытий между снимками в маршрутах, должно быть соблюдено и заданное перекрытие между снимками соседних маршрутов полета, называемое поперечным перекрытием; обычно оно не превышает 30-40%.По методу последующей фотограмметрической обработки аэроснимков и изготовления конечной продукции различают три вида аэрофотосъемки:

1. контурную аэрофотосъемку, в результате которой получается только контурный план местности;

2. комбинированную аэрофотосъемку, при которой топографический план местности создается путем использование материалов аэрофотосъемки, а рельеф изображается на нем горизонталями и условными знаками в результате полевых наземных топографо-геодезических работ, преимущественно с применением мензульной съемки при совместном использовании аэроснимков;

3. стереофотограмметрическую (высотную) аэрофотосъемку, которая дает возможность получить полный топографический план местности с горизонталями на основании камеральной обработки аэроснимков при небольшом количестве геодезических точек.

Летно-съемочный процесс для всех этих видов аэрофотосъемки в основном один и тот же, но стереофотограмметрическая съемка предъявляет специальные требования к оптике, юстировке аппарата и фиксированию элементов внешнего ориентирования. Аэрофотосъемки можно различать, исходя из масштаба фотографирования. Плановая аэрофотосъемка, в зависимости от получаемого масштаба аэроснимков, разделяются на: а)крупномасштабную - при масштабе фотографирования крупнее 1:10000,

б) среднемасштабную - при масштабе фотографирования мельче 1:10 000 до 1:30 000;

в) мелкомасштабную - при масштабе фотографирования мельче 1:30 000; 1:50 000; 1:75 000 и предельно до 1:100 000.

Фотограмметрическая обработка плановых аэрофотоснимков весьма проста. В условиях равнинной местности она будет заключаться прежде всего в устранении искажений от несоблюдения вертикального положения оптической оси фотокамеры и от колебаний высоты полета. Для приведения в известность лесов и обследования их на обширных территориях вполне можно ограничиться использованием упрошенных фотосхем, составленных из приведенных к одному масштабу аэрофотоснимков. Возможность использования плановых аэрофотоснимков для таксации леса без предварительной и сложной фотограмметрической обработки (развертывания, трансформирования) является большим достоинством и позволяет сразу же после аэрофотосъемки применить их для полевых работ.

В тех же случаях, когда для решения различных лесохозяйственных, и в особенности лесоинженерных задач, требуется составление более точных планов, создаются фотопланы с соблюдением потребной степени точности (при наличии геодезической основы) путем применения метода фототриангуляции и производства трансформирования аэроснимков. Благодаря сравнительно небольшой величине искажений в изображениях леса на плановых аэрофотоснимках пользование ими не вызывает особых затруднений. При продольном перекрытии в 56-60%создается полная возможность стереоскопического их просмотра, оконтуривания участков, дешифрирования различных категорий площадей и земель и составления их описания.

Основным недостатком плановой аэрофотосъемки считается небольшая производительность ее по сравнению с перспективной и планово-перспективной съемки. Но при современном состоянии техники этот недостаток устраняется в связи с применением широкоугольных объектов, увеличением формата аэрофотоснимков и высоты фотографирования. Аэрофотоснимки наклонной аэрофотосъемки с перспективным изображением снятой местности имеют неизбежно резко-переменный масштаб, уменьшающий от переднего плана к дальнему. При этом значительное уменьшение масштаба на дальнем плане вызывает резкое падение распознаваемости заснимаемых объектов и таксационных показателей насаждений. При перспективной аэрофотосъемке в горной местности, в случае наличия резко выраженного рельефа, на аэрофотоснимках получаются значительные искажения ситуации, появляются «мертвые» пространства, вследствие чего на них не фиксируется ряд важных деталей местности. Стереоскопическое рассмотрение таких аэрофотоснимков возможно. Оно лучше на переднем плане и при небольшой перспективе изображения местности. К числу недостатков перспективной аэрофотосъемки относится большая сложность их фотограмметрической обработки.

Сущность щелевой аэрофотосъемки заключается в непрерывном фотографировании полосы местности на движущуюся пленку сквозь узкую щель в фокальной плоскости камеры, расположенную перпендикулярно к направлению полета. При целевой аэрофотосъемке происходит непрерывное экспонирование пленки, поэтому контактный отпечаток имеет на рулонной бумаге вид сплошной ленты. Движение пленки синхронизировано с движением изображения, что и обусловливает резкость снимка. Чаще всего щелевые аппараты делаются двухобъективными; один из них - широкоугольный - дает мелкомасштабное изображение, другой - крупномасштабное. С помощью этих аппаратов можно производить фотографирование с низких высот полета в облачные дни и в условиях сумерек, получать плановые аэроснимки одновременно в различных масштабах, выполнять стереоскопическую съемку под любым заданным углом.

1.3 Летно-съемочный процесс

Аэрофотосъемка состоит из подготовительных, летно-съемочных полевых фотолабораторных и полевых фотограмметрических работ. Подготовительные работы. Одним из важнейших процессов является расчет элементов аэрофотосъемки. Для этого требуется заданные значения масштаба фотографирования и фокусного расстояния АФА, формат аэрофотоснимка, заданные проценты продольного и поперечного перекрытий, размеры съемочного участка. По этим исходным данным определяют высоту и базис фотографирования, интервал между экспозициями, число аэрофотоснимков в маршруте и на съемочный участок, а так же время, необходимое для аэрофотосъемки всего участка.

Перед началом летно-съемочных работ проверяют и готовят к работе оборудование материалы и полетные карты проводят тренировку экипажей и составляют график полетов, затем приступают аэрофотосъемщик - оператор, определяет угол сноса и путевую скорость самолета, т.е. скорость движения самолета относительно Земли. С учетом величины угла сноса самолет разворачивают против ветра на угол упреждения. Значение путевой скорости самолета или другого носителя необходимо для вычисления интервала времени между экспозициями. Угол сноса и путевую скорость самолета определяют при помощи оптических визиров в прямом и обратном направлениях по маршруту. После этого приступают аппаратуру, следят за ее работой и прокладыванием аэрофотосъемочных маршрутов в соответствии с проектом.

Маршрут самолета прикладывают по приборам контролируют поземным ориентирам. При отсутствии ориентиров съемочные маршруты и заходы на них производят инструментальным методом, особенность которого заключается в прокладке маршрутов только на основании показаний навигационных и пилотажных приборов. Полевые фотолабораторные работы состоят из негативного и позитивного процессов. Негативный процесс включает проявление, фиксирование промывку экспонированной аэропленки на специальных ручных или автоматизированных приборах, которые сконструированы так, чтобы обеспечить равномерное и правильное по времени проявления пленки. Наиболее часто употребляются проявительные приборы с устройством, перематывающим пленку. Состоят они из двух вращающих катушек, расположенных на одной общей станине. Пленку равномерно перематывают с одной катушки на другую вручную или с помощью электромотора, в это время пленка находится в проявляющем растворе. После сушки аэрофильм передают в фотограмметрическую группу, где негативы регистрируют и нумеруют.

Затем аэрофильм поступает в фотолабораторию для изготовления позитивных отпечатков. Позитивный процесс заключается в получении контактных аэрофотоснимков путем печатания на специальных станках фотоизображения с негативов на светочувствительную фотобумагу или позитивную фотопленку. Контактные отпечатки должны быть достаточно контрастными и иметь полную прорубку деталей по всей площади негатива. Для получения таких аэроснимков необходимо учитывать степень контрастности негативов при наборе фотобумаги, соблюдать нужную экспозицию и правильно выполнять проявление.

Нумерацию и регистрацию аэронегативов выполняют сразу после высушивания аэрофильмов. Каждый аэронегатив нумеруют с эмульсионной стороны в левом верхнем углу обратным письмом. Кроме порядковых номеров аэрофотоснимков, подписывают дату и номенклатуру района аэрофотоснимка. Все аэрофотоснимки регистрируют в журнале и направляют в фотолабораторию для изготовления контактной печати. Предварительно аэрофотоснимки раскладывают по маршрутам.

Монтаж начинают с верхнего маршрута справа на лево или слева направо, чтобы были видны номера аэрофотоснимков, которые последовательно накладывают один на другой, монтируют по контурам ситуации местности в местах перекрытый и закрепляют кнопками. Каждый следующий маршрут увязывают предыдущим по перекрытиям. Полученный рабочий накидной монтаж позволяет установить границы заснятой территории проверить техническое фотографическое качества съемочных работ. Давая предварительную оценку качества аэрофотоснимков, устанавливают места, подлежащие повторной аэрофотоснимке, если перекрытия между аэрофотоснимками меньше заданной величины или имеются фотографические дефекты.

1.4 Обработка полученных изображений

Визуальное дешифрование. Признаки, по которым распознаются объекты на снимках, называют дешифровочными. Дешифровочные признаки принято делить на прямые и косвенные.

Прямые дешифровочные признаки - это свойства объекта, находящие непосредственное отображение на снимках. К ним относятся три группы признаков: геометрические (форма, тень, размер), яркостные (фототон, уровень яркости, цвет, спектральный образ), структурные (текстура, структура, рисунок).

К первой группе, как следует из ее названия, относятся признаки, связанные с размерами и формой объектов на местности. Форма - наиболее надежный, т. е. не зависящий от условий съемки признак. К тому же наш глаз наиболее уверенно распознает именно форму объектов. С изменением масштаба снимков форма объекта на нем может несколько изменяться, за счет исчезновения деталей она упрощается. Форма в плане часто используется при распознавании объектов, связанных с деятельностью человека, поскольку они, как правило, имеют форму, близкую к правильной геометрической. Исключительно большое значение, особенно при дешифрировании рельефа местности, имеет пространственная, объемная форма объектов. Самый надежный способ ее определения - стереоскопическое наблюдение пары перекрывающихся снимков.

Тень - дешифровочный признак, позволяющий судить о пространственной форме объектов на одиночном снимке. Различают собственную тень, т. е. часть объекта, не освещенную прямым солнечным светом, и падающую - тень от объекта на земной поверхности или поверхности других объектов. Собственная тень позволяет судить о поверхности объектов, имеющих объемную форму: резкая граница тени характерна для угловатых объектов, например крыш домов, а размытая свидетельствует о плавной поверхности, например крон деревьев. Падающая тень в большей степени характеризует вертикальную протяженность, силуэт объекта.

Существенную роль играет тень как дешифровочный признак рельефа. По выраженности границы тени определяют профиль водораздельных поверхностей, бровок эрозионных форм, гребней форм эолового рельефа, а по размеру, протяженности - относительную высоту или длину форм рельефа. При дешифрировании форм микрорельефа плоских равнин, речных террас тень как дешифровочный признак играет едва ли не главную роль.

Размер - не вполне надежный признак. При дешифрировании чаще используются не абсолютные, а относительные размеры объектов.

Яркостные дешифровочные признаки связаны с одним и тем же свойством объектов местности - спектральной отражательной способностью, которая фиксируется на снимке в зависимости от вида съемки и типа материала, используемого при дешифрировании. На панхроматических и зональных (отдельных съемочных каналов) сканерных снимках интегральная или спектральная яркость объектов земной поверхности закодирована уровнями яркости (чаще говорят «яркостью») шкалы из определенного числа ступеней (например, 256 или 2048). Этот признак является функцией интегральной или зональной (в относительно узкой зоне спектра) яркости объектов. На многозональном снимке различия в спектральной яркости объектов отображаются набором уровней яркости в съемочных зонах, называемым спектральным образом, а на цветных синтезированных снимках - цветом. Фототоном, или тоном изображения, принято называть оптическую плотность на черно-белых фотоотпечатках при визуальном анализе. Наиболее широко этот признак использовался при дешифрировании материалов фотографической съемки, в первую очередь аэрофотосъемки.

Отражательные свойства объектов не постоянны во времени, зависят от высоты Солнца, прозрачности атмосферы, фазы вегетативного развития и других факторов. Изменчивостью спектральной яркости объектов, а также неоднозначностью изобразительных свойствсъемочных систем объясняется невысокая надежность яркостных дешифровочных признаков. Яркостные дешифровочные признаки одного и того же объекта на разных снимках могут сильно варьировать, но, несмотря на это, они широко используются при визуальном дешифрировании, а при компьютерном в настоящее время являются основными. Солнечное излучение обладает свойством в зависимости от длины волны проникать в воду на разную глубину, поэтому серия из снимков в голубой, зеленой и красной съемочных зонах создает как бы разноглубинный образ водных объектов и служит незаменимым материалом для их дешифрирования.

Косвенные дешифровочные признаки. Наличие взаимосвязей и взаимообусловленности всех природных и антропогенных свойств территории служит методологической основой дешифрирования по косвенным признакам. В качестве косвенных обычно выступают прямые дешифровочные признаки других объектов, называемых индикаторами. Интерпретировать изобразившийся на снимке объект можно по его географической приуроченности, местоположению.

Косвенные признаки условно делят на три группы: индикаторы объектов, индикаторы свойств объектов и индикаторы движения или изменений. Так, индикатором административных и государственных границ могут служить различия в нарезке сельскохозяйственных полей, структуре организации территории, состоянии растительного покрова. Колодцы в пустынных и полупустынных районах определяются на аэроснимках по сети сходящихся к ним троп и пятну выбитой скотом растительности. На космических снимках это светлые пятна (их диаметр на местности несколько километров), соответствующие растительному покрову с измененным в результате воздействия видовым составом.

По косвенным признакам определяют скрытые свойства отчетливо читающихся на снимке объектов. Чаще это относится к объектам хозяйственной деятельности.

Объекты-индикаторы динамики позволяют выявить наличие движения или изменений во времени по материалам одной съемки. В некоторых случаях оказывается возможным не только установить факт наличия движения, но и выявить его особенности. Примером могут служить формы эолового рельефа - индикаторы направления ветра. Мутьевые потоки, выносимые реками в прибрежную зону озер или морей, индицируют течения в приповерхностном слое воды. Рисунок морен на поверхности ледников обусловлен характером движения льда. Обычно поверхностные морены представляют собой скопления обломочного материала в виде полос, постепенно расширяющихся в направлении течения ледника и повторяющих изгибы его языка. У пульсирующих ледников скорость движения льда крайне неравномерна, в период подвижки (пульсации) она возрастает в десятки раз, что может приводить к катастрофическим последствиям. Косвенный дешифровочный признак такого характера движения льда - наличие петель или резких изгибов в изображении поверхностных морен.

Индикационное дешифрирование - это преимущественно дешифрирование по косвенным признакам. Определение одних компонентов ландшафта по другим, физиономичным, легко опознаваемым на снимке, так называемым индикаторам, - распространенный прием географического дешифрирования. Его методологической основой служит взаимосвязь и взаимозависимость компонентов ландшафта.

В качестве индикаторов в зависимости от географических условий могут выступать отдельные компоненты природной среды, называемые частными индикаторами. Чаще в такой роли выступают растительность и рельеф. Так, в лесной зоне почвы распознаются по типу растительности: индикатором подзолистых почв служат лесные насаждения, а торфянистых - болотная растительность. На равнинах, как правило, растительность служит индикатором рельефа: посевы сельскохозяйственных культур приурочены к выровненным участкам, с углами наклона обычно не превышающими 10о, в то время как лесная растительность занимает более крутые склоны. Надежным индикатором выровненности и расчлененности равнинного рельефа служит нарезка сельскохозяйственных полей. В горных районах абсолютная высота и экспозиция склонов определяют характер почвенно-растительного покрова и служат косвенными признаками для их распознавания на снимках.

Автоматизированное (компьютерное) дешифрование. Цифровые аэрокосмические снимки могут быть представлены в различных форматах растровых изображений, например: TIFF (Tagged Image Format), HDF (Hierarchical Data Format), форматах специализированных пакетов обработки изображений. Следует учитывать, что в этих и некоторых других форматах снимки хранятся без потери информации, но существуют форматы для сжатого представления, при переводе в которое часть информации теряется (JPEG, GIF, PNG и др.). Компьютерная обработка материалов дистанционного зондирования включает геометрические и яркостные преобразования и классификацию.

Большинство яркостных преобразований направлено на улучшение качества изображения для визуального дешифрирования на экране, но иногда путем преобразований можно получить нужный окончательный результат. Среди наиболее часто применяемых преобразований - повышение контрастности снимка для его наилучшего отображения, выполняемое путем изменения гистограммы значений яркости; фильтрация, квантование снимка по яркости, синтезирование цветных изображений, слияние (синергизм) снимков с разным пространственным разрешением, создание индексных изображений.

Квантование - способ яркостных преобразований одиночного снимка, заключающийся в группировке уровней яркости в несколько относительно крупных ступеней. В результате такого преобразования получают новое изображение, на котором мелкие детали, как бы "зашумляющие" изображение, исчезают, постепенное изменение яркости заменяется четкой границей и закономерности распределения яркостей на снимке становятся более отчетливо выраженными. Весь интервал яркостей (например, значений вегетационного индекса) может быть разделен на равные ступени. Но в большинстве случаев лучшего эффекта можно достигнуть, если границы новых ступеней выбирает дешифровщик, пользуясь при этом гистограммой или измеряя на снимке интервалы яркостей для каждого из интересующих его объектов. Квантование чаще используют в случаях неопределенных границ, постепенных переходов. Яркостные преобразования многозонального снимка преследуют две основные цели: сжать информацию, т. е. получить одно изображение вместо нескольких, или улучшить визуальное восприятие снимка.

Синтез цветного изображения - простой и наиболее широко применяемый вид преобразования, при котором изображению в каждом из съемочных каналов присваивается свой цвет. Наиболее часто для синтеза используются зоны 0,5-0,6; 0,6-0,7 и 0,8-1,1 мкм или аналогичные им, которым присваивают соответственно синий, зеленый и красный цвета. Этот вариант синтеза называют стандартным. Растительность на изображении имеет красные тона, что объясняется ее высокой яркостью в ближней инфракрасной зоне спектра. Если изменить комбинацию съемочных каналов и цветов и присвоить инфракрасной зоне зеленый цвет, можно получить цветопередачу, близкую натуральной. Синтезировать можно не только зональные снимки, составляющие многозональный, но также разновременные снимки и изображения, полученные в результате более сложных преобразований.

Для улучшения пространственного разрешения цветного изображения выполняется операция, называемая улучшением пространственного разрешения. Это другой вариант создания одного изображения из трех - одного с высоким разрешением (обычно это снимок в панхроматическом канале, но может быть и снимок другой съемочной системы, например радиолокационный), и двух зональных снимков, например в инфракрасном и красном каналах.

Математические операции с матрицами значений яркости пикселей двух цифровых снимков (сложение, умножение и др.) также относятся к простейшим преобразованиям. Наиболее часто вычисляется отношение значений яркости двух зональных изображений при работе с многозональными снимками и вычитание - при анализе двух разновременных. Широко распространено определение индексов, т. е. преобразование изображений, основанных на различиях яркости природных объектов в двух или нескольких частях спектра. Наибольшее количество индексов относится к дешифрированию зеленой, вегетирующей растительности, отделении ее изображения от других объектов, в первую очередь от почвенного покрова и водной поверхности.

Вегетационные индексы основаны на отношениях значений яркости в спектральных зонах, наиболее информативных для характеристики растительности - красной и ближней инфракрасной. Наиболее часто используют нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI (Normalised Difference Vegetation Index), рассчитываемый по формуле (Черепанов, Дружинина, 2009):

NDVI= (БИК-К)/(БИК+К),

где К - значение яркости в красной зоне, а БИК - в ближней инфракрасной.

Значения индекса изменяются в пределах от -1 до +1. Для растительности характерны положительные значения NDVI, и чем больше ее фитомасса, тем они выше. На значения индекса влияют также видовой состав растительности, ее сомкнутость, состояние, в меньшей степени экспозиция и угол наклона поверхности. Индексные изображения создают на основе и других зональных соотношений. Например, содержание в воде фитопланктона определяют по различиям в синей и зеленой зонах, а концентрацию минеральных частиц (взвесей) - в красной и синей.

Глава 2. Использование аэрофотоснимков в экологических исследованиях

Аэрофотоматериалы незаменимы в вопросах диагностики экологического состояния местности, и результаты аэрофотосъемки в последнее время все чаще используются экологами. Еще несколько лет назад перед аэрофотосъемкой ставились другие задачи, в основном связанные с картированием малоизученных территорий, определением точных координат заданного объекта, а также проведением различных картографических измерений.

Сегодня, помимо перечисленных задач, а часто и вместо них, перед аэрофотосъемкой ставится задача экологической диагностики. Современные технологии аэрофотосъемки и оборудование, отвечающее последним научным требованиям, позволяют выявить следующие проблемы выбранной территории:

- начавшаяся деградация почвенного покрова, связанная с хозяйственной деятельностью человека,

- подтопление земель,

- вторичное засоление и загрязнение почвенного слоя,

- загрязнение водоемов,

- изменения растительного покрова.

Все перечисленные проблемы возникают как следствие техногенного воздействия на изучаемую территорию, и если в некоторых случаях такие последствия могут быть обратимыми и не опасными, то в ряде ситуаций нарушения экологии уже настолько сильны, что требуют проведения экстренных природоохранных мероприятий. Для экологов результаты аэрофотосъемки могут послужить доказательством правомерности их требований и целесообразности предлагаемых экологических проектов.

2.1 Использование аэрофотоснимков для оценки и прогноза пожарной опасности в лесах

Аэрофотосъемка лесных пожаров обеспечивает решение комплекса функциональных задач, связанных с оценкой и прогнозом пожарной опасности в лесах, обнаружением загораний в лесу и лесных пожаров, контролем их состояния и динамики, оценкой последствий лесных пожаров, управлением работой лесопожарных служб. Особенное значение имеют снимки, полученные с искусственных спутников Земли (метеорологических спутников, спутников для исследования природных ресурсов и др.). Также создаются специальные космические системы (КС), которые предназначены для наблюдений за лесопожарной обстановкой и размещения специальных приборов наблюдения на борту космических аппаратов общего назначения. При этом лесные пожары обнаруживаются на территории лесного фонда России, ограниченной 40-72°с.ш. и 20-170° в.д., общей площадью 1180 млн. га, а особое внимание привлекает территория в пределах 50-70° с.ш. и 30-170° в.д.

Оценка параметров лесных пожаров и контроль за их состоянием выполняется в результате пространственной регистрации (картирования) крупных лесных пожаров с определением контуров пожаров и размеров пройденной огнем площади, энергетической диагностики кромки пожара с определением интенсивности тепловыделения, обработки данных о дымовом шлейфе в конвекционных колонках, а также сопоставления получаемых при этом данных с результатами визуальных наблюдений за крупными лесными пожарами. Получаемая при этом информация необходима для оценки состояния и прогноза динамики крупных лесных пожаров, а также потребности в силах и средствах для их тушения, планирования работ по борьбе с огнем и оценки воздействия крупных лесных пожаров на окружающую природную среду.

Космические методы контроля числа и площади крупных лесных пожаров, на долю которых приходится свыше 80% всей охватываемой огнем площади лесного фонда, обеспечивают существенное повышение точности учета горимости лесов и объективности последствий лесных пожаров, наносимого ими ущерба природе и обществу.

К основным видам выходной картографической документации от носятся схематические карты противопожарных мероприятий, справочные лесные карты и т.д. Выходные картографические документы представляются в следующих масштабах:

--от 1:10000 000 до 1:2 500 000 на федеральном уровне;

--от 1:2 500 000 до 1:500 000 на региональном уровне;

--от 1:500 000 до 1:100 000 на локальном уровне;

--от 1:100 000 до 1:25 000 на детальном уровне.

В зависимости от способа воспроизведения они разделяются на три группы:

--визуализируемые на экране;

--выдавемые в растровом виде на принтерах;

--вычерчиваемые в векторном виде на графопостроителях.

По содержанию и оформлению выходные картографические документы должны удовлетворять требованиям государственных и отраслевых стандартов. Детально должны показываться элементы топографической основы: железные и автомобильные дороги, гидрографическая сеть, населенные пункты и различные виды угодий -- сенокосы, пастбища, кустарники, болота.

2.2 Контроль за состоянием растительности с помощью аэрофотосъемки

Контроль состояния наземных растительных покровов - одна из важнейших задач, решаемых с помощью аэрофотосъемки и включающих мониторинг посевов и пастбищ, а также лесов, лесостепных, степных и пустынных территорий.

Космический мониторинг сельскохозяйственных угодий, контроль над землепользованием, прогноз урожаев -- важные составляющие современной сельскохозяйственной практики. Установлено, что биомасса, накопленная растением за время Т, линейно зависит от количества солнечной радиации, поглощенной растением:

T

P = е0S? I(t) dt,

0

где Р-- продуктивность, г/(с•м2), е0-- скорость накопления биомассы г/Дж, I(t) -- доля солнечной радиации, поглощаемая растением, с, S - солнечная постоянная, Вт/м2. Вегетационный индекс NDVI характеризует способность растения поглощать солнечную радиацию, и потому NDVI(t), отнесенный к единичному интервалу времени, и доля I(t) фотосинтетически активной солнечной радиации PAR приблизительно пропорциональны. Следовательно,

P?еS?NDVI(t) dt.

Приведенные соотношения открывают возможность оценки по NDVI прироста биомассы, урожая и других характеристик, хотя для оценки урожая требуется использовать временной ряд NDVI, который необходимо определять с большой точностью.

На точность определения NDVI влияют многочисленные факторы, в том числе корректность учета зенитного угла Солнца и геометрии наблюдений, влияние атмосферы, дрейф калибровки аппаратуры, дрейф орбиты спутника, искажения изображения при наблюдении ж в надир и др. Установлено, например, что дрейф калибровки аппаратуры, приведший к изменению NDVI всего в 0,05, приводит к погрешности в 30% при определении продуктивности пастбищ в тропиках.

Наконец, спутниковая информация позволяет обнаруживать районы, пораженные засухой, вредителями, вредными техногенными выбросами. В последнее десятилетие в связи с появлением опасности глобальных изменений природной среды и климата возрос интерес к лесному покрову как к регулятору биосферных процессов. Леса признаются наиболее надежной природной системой, связывающей углерод и способной предотвратить возникновение парникового эффекта. В связи с этим проблема сохранения лесов и усиления их экологических функций вышла за национальные рамки и стала частью мировой экологической политики. Изучение лесов в глобальном масштабе можно реализовать только с применением искусственных спутников Земли.

При исследованиях в 70-80-е годы применялись черно-белые фотоснимки со спутника «Метеор-Природа» (многозональные изображения в спектральных интервалах 0,5-0,6; 0,6-0,7 и 0,7-0,8 мкм с разрешением ~50 м). Зимние снимки масштаба 1:2 500 000 применялись для дешифрирования ореола загрязнений вокруг источников эмиссий. Позднее, в 90-е годы, использовались данные, полученные с помощью аппаратуры МСУ-Э (спутник «Ресурс-01»), MSS (спутник Landsat) и AVHRR (NOAA).

2.3 Контроль за состоянием водоемов с помощью аэрофотосъемки

Космические средства контроля окружающей среды очень эффектны при изучении Мирового океана и внутренних водоемов. Для исследования Мирового океана созданы специальные спутники -- «Океан-О» (Россия), MOS (Япония), SeaWiFS (США) и др. В частности, на спутнике NIMBUS-7 (США) был установлен сканер CZCS со спектральными каналами:

1-й -- 0,433--0,453 мкм (голубой) для измерения хлорофилла в воде;

2-й -- 0,51--0,53 мкм (зеленый) для измерения хлорофилла в воде;

3-й -- 0,54--0,56 мкм (желтый) для измерения содержания желтого вещества в воде, для определения солености воды;

4-й -- 0,66--0,68 мкм (красный) для оценки содержания аэрозоля в атмосфере;

5-й -- 0,7--0,8 мкм (ближний ИК) для выделения суши и облаков;

6-й -- 10,5--12,5 мкм (дальний ИК) для определения температуры.

Океан -- это не только кладовая ресурсов, но и один из главных элементов общей системы экологического равновесия на Земле. Он сильно влияет на состояние атмосферы, формирование погоды, климат, энергический и газовый балансы планеты, круговорот вещества в природе.

В Институте биофизики СО РАН и Красноярском государственном техническом университете выполняется цикл работ по программе «Зеленая волна», в соответствии с которой разработаны методы мониторинга пространственной структуры, состояния и продуктивности морских и пресных водоемов, а также биоценозов суши на основе измерения распределения фитопигментов и биомассы в биосфере. Предложены новые эффективные методы измерения содержания хлорофилла и других фитопигментов на планете, позволяющие оперативно определять продуктивные зоны, следить за их динамикой. Используется информация со сканеров CZCS и AVHRR, при дешифрировании космических данных учитывается подспутниковая информация с тестовых участков, применяется атмосферная коррекция.

На первом этапе обработки спутниковых данных пиксели со сходными спектрами объединяются в классы по критерию минимальны расстояний , при этом выделяются основные объекты суши, воды и атмосферы. Далее оцениваются характеристики природных вод, программные средства используют алгоритмы многомерного статистического анализа и учитывают оптические свойства вод. В частности, концентрация хлорофилла в воде определяется по уравнениям регрессии, связывающим концентрацию и яркость водной поверхности в разных спектральных каналах. Подобным же образом формируется информация о концентрации минеральных взвешенных веществ в воде, термодинамической структуре вод, интенсивности волнения и других характеристиках, описывающих состояние водных экологических систем. Найденные характеристики лежат в основе классификации типов вод непараметрическими статистическими методами классификации с обучением.

Разработанная информационная система мониторинга позволяет по первичной продуктивности оценивать динамические процессы в водных экосистемах и выдавать диагноз отклонений от среднемноголетнего для данного района и времени года; своевременно регистрирован и отслеживать динамику и развитие последствий экологических катастроф; оценивать антропогенное воздействие на живую оболочку Земли; прогнозировать изменения экологических систем на основе обучения модели по циклической динамике.

2.4 Контроль снегового и ледового покрова с помощью аэрофотосъемки

Важнейшее практическое применение аэрофотосъемки находит в гидрологии и гляциологии при наблюдении снегового и ледового покрова, при мониторинге паводковых явлений, при обеспечении судоходства в арктических морях. Особенно это актуально для Сибири в районах с малой плотностью населения и редкой сетью метеорологических и гидрологических постов.

Аэрофотоснимки используются для обнаружения техногенного загрязнения местности. Снеговой покров зимой в начале периода снеготаяния -- удобный индикатор техногенного загрязнения местности. Например, при исследовании деградации лесов в Норильском промышленном районе выявлено соответствие между ореолом загрязнения снегового покрова, обнаруженного по зимним космическим снимкам, и концентрацией тяжелых металлов (Cu, Ni, Со) в почве, которая в верхних почвенных горизонтах (0-10см) восходит фоновый уровень в 10-1000 раз в радиусе до 40 км от источника эмиссий. Также спутниковые снимки используются для определения площади заснеженности. Важной задачей наблюдения снежного покрова является оперативное определение площади заснеженности, что необходимо для прогноза стоков рек со снеговым питанием.

Для нахождения площади заснеженности используется следующая методика. Оператор выбирает фрагменты изображения, на котором интересующая площадь свободна от облаков. Для создания обучающих выборок задается два типа эталонных участков: заведомо заснеженный и заведомо свободный от снега (например, расположенными ниже по высоте или южнее исследуемого района). Для каждого типа эталонов и каждого спектрального канала подсчитывается среднее значение яркости пикселя и стандартное отклонение яркости. Таким образом были получены восемь характеристик эталонов: средние значение яркости для снега (льда) и для фона (почва, растительность) в 1-м и 2-м каналах, а также стандартные отклонения в 1-м и во 2-м каналах

Для автоматического разделения изображения в пределах выделенного водосбора на участки двух классов -- заснеженные и свободные о i снега -- использовался алгоритм. Заключительная процедура состояла в подсчете числа пикселей, относящихся к заснеженным участкам в пределах водосбора, и в вычислении площади заснеженности.

Для оценки заснеженности участков бассейна, закрытых облаками используется метод аналогии:

1) выбирается открытый участок - аналог: по которому по рассмотренной методике оценивается степень заснеженности;

2) для этого участка по гипсографической кривой определяется высотное положение снеговой линии;

3) по найденной таким образом высоте снеговой линии и гипсографической кривой закрытого облаками участка определяется искомая площадь заснеженности. После восстановления всех пропущенных из-за наличия облачности данных вычисляется заснеженность всего рассматриваемого бассейна. Время, затрачиваемое на определение заснеженности (с учетом получения спутниковой информации в реальном времени, обработки и анализа изображений автоматизированного расчета заснеженности), не превышает 1 час.

2.5 Изучение и оценка состояния природных и природно-антропогенных экосистем ООПТ с помощью аэрофотосъемки

Например, в работе (Тишков, Малышев, 2006) всесторонне рассматривается использование спутниковой информации для дистанционного мониторинга состояния экосистем ООПТ. Особо отмечен тот факт, что размеры ООПТ и использование для их мониторинга данных дистанционного зондирования тесно связаны. При мониторинге ООПТ различного уровня (регионального, субрегионального и локального) первостепенное значение имеет пространственное разрешение, с которым была получена информация. Размеры ООПТ различаются от нескольких сот гектаров (некоторые участки кластеров степных заповедников, заказников и памятников природы) и тысяч гектаров (небольшие участки лесных и горных заповедников, национальных парков и заказников) до сотен тысяч и миллионов гектаров (арктические, тундровые и таежные заповедники и национальные парки). Аналогичным образом меняются и объекты наблюдений при мониторинге.

Например, полосы отчуждения линейных сооружений - 30-100 м при их протяженности в границах ООПТ от нескольких десятков метров до десятков и сотен километров. Природные объекты мониторинга более масштабны, если речь идет об оценке состояния экосистем площадью от сотни до нескольких тысяч гектаров (нефрагментированные массивы тундр, тайги, степей, пустынь, высокогорий), или, наоборот, имеют «миниатюрные размеры» (очаги загрязнения и механических нарушений - десятки и сотни метров по площади, очаги подтопления и изменения гидрологического режима - сотни и первые тысячи м), зоогенные нарушения растительности и пр.

Заключение

Наибольшую популярность в настоящее время обретают методы дистанционного зондирования. Дистанционное зондирование используется для сбора и записи информации о морском дне, об атмосфере Земли, о Солнечной системе. Оно осуществляется с применением морских судов, самолетов, космических летательных аппаратов и наземных телескопов. из примеров дистанционных методов является аэрофотосъемка.

Аэрофотоматериалы незаменимы в вопросах диагностики экологического состояния местности, и результаты аэрофотосъемки в последнее время все чаще используются экологами. Еще несколько лет назад перед аэрофотосъемкой ставились другие задачи, в основном связанные с картированием малоизученных территорий, определением точных координат заданного объекта, а также проведением различных картографических измерений.

Сегодня, помимо перечисленных задач, а часто и вместо них, перед аэрофотосъемкой ставится задача экологической диагностики. Современные технологии аэрофотосъемки и оборудование, отвечающее последним научным требованиям, позволяют выявить следующие проблемы выбранной территории:

- начавшаяся деградация почвенного покрова, связанная с хозяйственной деятельностью человека,

- подтопление земель,

- вторичное засоление и загрязнение почвенного слоя,

- загрязнение водоемов,

- изменения растительного покрова,

- таяние ледников,

-угроза возникновения лесных пожаров и др.

Для экологов результаты аэрофотосъемки могут послужить доказательством правомерности их требований и целесообразности предлагаемых экологических проектов.

Литература

1. Востокова, Е.А., Сущеня, С.В., Шевченко, Л.А., 1988. Экологическое картографирование на основе космической информации. Недра, Москва

2. Востокова, Е.А., Шевченко, Л.А., Сущеня, С.В., Скатерщиков, С.В., Кельнер, Ю.Г., Амелин, А.В., Концов, С.В., Сомова, В.И., Козлова, Т.С., Пшенина, Н.А., Рябчикова, В.И., Амелина, Т.В.. Картографирование по космическим снимкам и охрана окружающей среды. М.:, Недра, 1982

3. Виноградов Б.В.. Аэрокосмический мониторинг экосистем. "Наука", 1984

4. Ершов Д.В. и др. Российская система спутникового мониторинга лесных пожаров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Вып. 1, 2004 г. С. 47-57

5. Лабутина И.А, Балдина Е.А. Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга ООПТ. Методическое пособие. М.: Москва, 2011. 88 с.

6. Черепанов А.С., Дружинина Е.Г.. Спектральные свойства растительности и вегетационные индексы. Геоматика №3. 2009

7. Шершень А. И. Аэрофотосъемка. Летносъемочный процесс. М., 1949 г.

Размещено на Allbest.ru

...