Дистанционные методы мониторинга ландшафтов

Ландшафтоведение и дистанционные методы

Методы дистанционного зондирования Земли прочно вошли в исследовательский арсенал современной ландшафтной географии. Их освоению и совершенствованию издавна уделялось большое внимание географами-ландшафтоведами. Широко развернувшиеся в 50-60-е годы полевые ландшафтные исследования и крупно­масштабное ландшафтное картографирование в значительной мере опирались на использование и специализированное дешифрирова­ние материалов аэрофотосъемки. Примером могут служить рабо­ты Рязанской, Прикаспийской, Кустанайской комплексных экспе­диций географического факультета в 50-е годы, внесшие нема­лый вклад в развитие дистанционных методов в ландшафтных ис­следованиях.

На первых порах, пока ландшафтоведение рассматривалось преимущественно как наука о ландшафте (в региональном понима­нии) и его морфологических единицах, информация, получаемая по­средством крупномасштабной аэрофотосъемки, расценивалась как впол­не достаточная. Однако, с переходом к среднемасштабным и мелкомас­штабным ландшафтным исследованиям, к анализу и картографированию ландшафтных структур крупных регионов страны стала очевидной необходимость новых — адекватных по масштабу дистанционных моде­лей. Такими моделями, начиная с 70-х годов, стали космические снимки. Их использование резко активизировало происходившую в последние десятилетия трансформацию ландшафтоведения из науки главным образом о локальных природных геосистемах в науку о природных и природно-антропогенных геосистемах практически всех свойственных суше Земли размерностей — от фации, урочища и ландшафта до природной зоны и континента.

Как это часто бывает в научной практике, появление новых моделей влечет за собой разработку новых методик, новых научных направлений. Так случилось и с КС. К настоящему времени офор­милась целая гамма научных дисциплин, связывающих исследова­ние наземных объектов с их съемкой из космоса: космическое землеведение, космическая геология, космическая эко­логия, космическое картографирование и др. Наряду с этим далеко неполным перечнем можно с уверенностью гово­рить о зарождении космического ландшафтоведения, о чем сви­детельствует немалое число публикаций научно-методического и регионального характера.

Научно-методические основы дистанционного зондирования ландшафтов разрабатывались в последние годы главным образом по материалам анализа фотографической, сканерной и телевизи­онных съемок Земли из космоса в видимом и ближнем инфракрас­ном (световом) диапазонах спектра электромагнитных волн. Что касается методик дистанционных ландшафтных исследований с ис­пользованием съемок в тепловом инфракрасном диапазоне- и ра­диодиапазоне, то они находятся в стадии становления и пока не получили широкой апробации.

КС классифицируются по ряду характерных для них показа­телей: а) спектральному диапазону (снимки в видимом и ближнем инфракрасном (световом), тепловом инфракрасном и радиодиапа­зоне); б) технологии получения (фотографические, телевизионные, сканерные); в) масштабу (мелкомасштабные — 1:10 000 000-1:100 000 000, среднемасштабные — 1:1000000-1:10 000000, крупномасштабные — крупнее 1 : 1000000); г) обзорности (гло­бальные, региональные, локальные); д) разрешению; е) детальнос­ти изображения. Отличаясь высоким разрешением (первые-15-30 м, вторые до 5 м), эти снимки позволяют проводить детальное дешифрирование морфологической структуры природных и природно-антропогенных ландшафтов.

Помимо серии черно-белых зональных снимков, особой по­пулярностью в ландшафтных исследованиях пользуются цветные синтезированные, получаемые путем многоспектрального совме­щения трех-четырех зональных. Следует признать, что в арсена­ле географов-ландшафтоведов преобладают визуальные приемы дешифрирования КС. Полная автоматизация указанного процесса пока остается нерешенной проблемой. Причинами тому служат, с одной стороны, недостаточная техническая оснащенность, с другой, отсутствие алгоритмов дешифрирования таких сложных природных и природно-ангропогенных объектов как ландшафты, Несмотря на это, мы можем говорить об определенных достиже­ниях дистанционного зондирования ландшафтов из космоса за последние десятилетия.

Источник статьи: http://studopedia.ru/3_16975_landshaftovedenie-i-distantsionnie-metodi.html

3.53. Дистанционные методы мониторинга

Мониторинг состояния окружающей среды осуществляется не только контактными методами с помощью наземных средств измерений (автоматизированные системы контроля качества воздуха, стационарные посты пассивного мониторинга, лидары, телеметрия), но и дистанционными (аэрокосмическими).

Методы дистанционного зондирования являются единственным средством получения экологической информации на больших площадях с высоким пространственным разрешением в реальном масштабе времени. Удовлетворение требований оперативности, обзорности и объективности может быть оптимизировано путем сочетания многоспектральной космической съемки и сети фиксированных станций наземного базирования.

За рубежом созданы региональные мониторинговые геоинформационные системы, особенно в мониторинге загрязнения атмосферы. Геоинформационная мониторинговая система (ГМС) выполняет комплекс функций по сбору информации о текущих значениях параметров геосистем, обработке этой информации в рамках имитационных моделей экологических и климатических процессов и принятию оптимальных решений. Различают ГМС локального (стационарные средства регистрации, опробования, анализа), регионального (авиационно-космические средства) и глобального (космические средства) масштаба.

Аппаратура, установленная на искусственных спутниках Земли (ИСЗ), обеспечивает регистрацию цифровой информации в видимом, ближнем инфракрасном и тепловом диапазонах электромагнитного спектра. Решают задачи природопользования и экологического контроля: классифицируют земные покровы, фенологические фазы и болезни растений, вызываемые антропогенными воздействиями, оценивают газовый состав атмосферы, выполняют слежение за водной и ветровой эрозией почв, определяют границы снежного покрова, затопления и разливов рек, хорошо идентифицируют многие антропогенные изменения в окружающей среде, например лесные пожары (по шлейфам дыма, лесным гарям), обнаруживают крупные выбросы вредных веществ в атмосфере и Мировом океане, контролируют состояние озонового слоя и т.

Наблюдения за дымовыми выбросами позволяют установить по степени прозрачности плотность частиц в факелах. Примеси, составляющие такой факел, можно определить по поглощению радиации в соответствующих зонах поглощения различными газами.

Использование данных спутникового дистанционного зондирования открывает возможность обнаружения фактов нарушения природоохранного законодательства, локализации и установления источников загрязнения. Не исключено поэтому, что спутниковая информация станет доминирующей при контроле за аварийными и нелегальными разливами нефтепродуктов в условиях транспортных операций.

В качестве индикаторов состояния окружающей среды, последствий воздействия на нее природных и антропогенных факторов, местоположения экологических инцидентов и событий могут быть использованы характеристики ледяного покрова внутриконтинентальных водоемов и соответствующие ему радиолокационные сигнатуры по данным радиолокаторов с синтезированной апертурой — SAR.

Проблемы общего загрязнения водоемов и водотоков как главных частей бассейна, а также прослеживание этого загрязнения в сезонном аспекте и в ретроспективном плане весьма актуальны в связи с заметным увеличением антропогенной нагрузки в последнее десятилетие. Современные космические многоспектральные системы (NOAA, CZCS, МСУ-СК, МСУ-Э, Landsat ТМ и др.) позволяют использовать в качестве параметров, характеризующих состояние водных масс, температуру поверхности (с ней напрямую связаны сбросы промышленных предприятий и населенных пунктов, имеющие повышенную температуру), мутность, содержание фитопланктона, наличие прибрежной растительности. Дистанционные данные позволяют фиксировать указанные параметры в реальном масштабе времени на всей акватории, что позволяет судить о пространственно-временных вариациях загрязненности водоемов.

Анализ архивов цифровых многоспектральных данных ИСЗ NOAA показывает, что на таких изображениях отчетливо можно проследить термальные структуры водоемов и основные потоки, в том числе потоки мутности, формирующие сток загрязняющих веществ.

Поскольку появление потока мутности (взвешенных частиц) в истоках рек является важнейшим индикатором для принятия управленческих решений в нижележащей зоне, дополнительно к космическим данным следует использовать информацию датчика мутности (фотодиод с оптимальным спектральным интервалом, возможно с лазерной подсветкой ночью, термодатчик), установленного на буйковом наблюдательном посту.

В настоящее время разработаны методики и программное обеспечение расчета температуры (теплового потока с поверхности), содержания взвеси, фитопланктона и прибрежной растительности по многоспектральным цифровым космическим данным. Поэтому основными задачами дистанционного мониторинга водоемов являются: прослеживание потоков загрязненных вод, попадающих в сток рек при различной метеообстановке и в различные сезоны; выявление условий минимального и максимального расхода вод; разработка рекомендаций по квотированию нагрузок на элементы водного бассейна; контроль выполнения международных обязательств и бассейнового соглашения; прослеживание тенденций изменения экологической ситуации в последние 8—10 лет.

Источник статьи: http://uchebnikfree.com/ekologicheskiy-monitoring-teoriya/353-distantsionnyie-metodyi-55233.html

Дистанционные методы мониторинга

Дистанционные методы исследований составляют основу мониторинга. Они позволяют полностью решить основные задачи мониторинга (наблю­дение, оценка, прогноз) и, что очень важно, они экспрессии и экономичны. Объектами мониторинга могут быть различные природные и техногенные системы (крупные промышленные центры, горнодобывающие предпри­ятия продуктопроводы, геологическая среда, леса, реки и др.), что оп­ределяет различные цели и задачи мониторинга, а соответственно и исполь­зуемые методы ДЗ.

Комплекс применяемых ДМИ должен отвечать основным принципам мониторинга (комплексность, сисЛекциятичность и периодичность, поли­гонный характер исследований и автоматизация обработки данных).

В соответствии с требованием комплексности мониторинга должны изучаться все компоненты окружающей среды (атмосфера, почвенно-растительный покров, животный мир, водные объекты, рельеф, горные по­роды, подземные воды, рекреационные ресурсы и т.д.). При этом необхо­димо обеспечить оценку фоновой составляющей, что, как правило, возможно только при ретроспективном анализе архивных данных космо-аэросъемок. В методическом отношении требования комплексности реа­лизуется через различные схемы рационального сочетания космо-, аэро- и наземных методов ДМИ с инженерно-геологическими, геохимическими, геофизическими и другими методами.

В соответствии с условием сисЛекциятичности и периодичности приме­няемые методы мониторинга должны обеспечить непрерывное получение информации об объекте мониторинга. Оперативный анализ этой информа­ции создаёт возможность разработки достоверных прогнозов.

Полигонный характер исследований обусловлен тем₉ что объекты мониторинга и зоны их возможного влияния на OС имеют, как правило, значительные площадные и линейные размеры. Объекты и зоны их влияния в полном размере должны постоянно наблюдаться исследованиями относительного мелкого масштаба с возможностью оперативного выполнения де­тальных исследований на ограниченных участках, выявленных по данным мелкомасштабного мониторинга,

В настоящее время в мире развиваются три типа систем монито­ринга:

— на базе стационарных комплексных станций слежения;

— на базе комплексных передвижных наземных лабораторий;

— на основе комплексных космо-, аэрофотосъемок.

Стационарныекомплексы позволяют осуществлять выборочный контроль по составу загрязнителей на ограниченной территории. Примером такого комплекса является лидар для дистанционного контроля аэрозольных загрязнений над городом Томском.

Передвижные наземные лаборатории в случае их рационального комплексирования со стационарным постом позволяют проводить оперативную оценку выявленных неблагоприятных ситуаций как в промышленных центрах_э так и в районах нефтегазодобычи.

Применение комплексных космо- и аэросъёмок даёт возможность за ко­роткое время получать информацию для значительных территорий, что важ­но при мониторинге лесных пожаров и других масштабных явлений.

Таким образом, необходимо комбинировать эти типы систем, рационально используя их явные преимущества.

Рассмотрим применение основных и специальных методов ДЗ в мо­ниторинге промышленных центров, городских агломераций и природно-технических систем. Под природно-техническими сисЛекциями (ПТС) здесь понимается совокупность состояний взаимодействия между компонентами природной сферы и инженерными сооружениями в условиях их динами­ческого равновесия на различных стадиях их функционирования, от проектной до реконструкционной. В различных целях мониторинга практиче­ски используются все виды космо-, аэро- и наземных методов ДЗ.

В настоящее время территория Республики Казахстан на 95% покрыта государственной космической фотоинформацией масштабов 1:1 000 000 и 1:200 000. На многие районы страны имеется банк государственной космической фотосъёмки выполненной многократно с интервалом 3—5 лет.

Космоинформация, имеющаяся в государственных фондах может быть получена оперативно по заявкам любых организаций на коммерческой основе, что позволяет решать задачи на предпроектных стадиях работ и частично при решении отдельных задач на всех стадиях создания и функционирования ПТС.

В частности, при решении экологических задач в рамках соответствующих разделов ТЭО и проектов нефтегазового строительства эти материалы позволяют получать информацию о природно-ресурсном потенциале территорий в объёме, требуемом для составления карт масштаба 1:1 000 000 – 1:200 000.

Характер получаемой при этом информации делает возможным выделение площадей различных качественных категорий с точным определе­нием их границ. Структура площадных ареалов достаточно точно иденти­фицируется на уровне картографируемой масштабной генерализации. На­пример, по космическому снимку достоверно можно установить площади и тип загрязнения водных поверхностей, а качественные и количественные характеристики загрязнения (концентрация, химический состав) опреде­ляют с помощью геохимических методов.

Аналогично можно по материалам разновременных космосъемок оценить изменение размеров и формы очагов загрязнения, проанализировать тенденции развития или затухания того или иного процесса, как в качественном, так и в количественном отношение.

Поэтому космическая информация весьма широко применяется при решении всех задач экологического анализа данных на уровне контурного дешифрирования распространения природных явлений и процессов в пределах ландшафтов местности с охватом водных объектов, почв, растительности, рельефа, горных пород, их сочетаний, но в масштабном диапазоне, оп­ределяемом информативностью исходных космических материалов. Весьма перспективным является мониторинг загрязнения ОС по данным космо-съёмки снегового покрова, который выполняется один раз в год, в конце зи­мы — в начале весны.

На участках повышенной экологической опасности, а также в про­мышленных центрах для решения задач по оценке состояния компонентов ОС и прогнозирования возможных изменений целесообразно применение многозональной аэрофотосъемки (МАФС) в комплексе с другими аэрогеофизическими и аэрогеохимическими работами.

В частности, за счет синхронной съёмки в узких интервалах спектра (от 0,4 до 0,85 мкм) с получением 4 раздельных фотоизображений в синем, зеленом, желто-оранжевом и инфракрасном каналах материалы МАФС позволяют фиксировать изменчивость проявлений тепловлагопереноса в ландшафтах местности, режим развития которых связан с динамикой теп­ла и влаги почв и грунтов. К ним относятся мерзлотные процессы и явле­ния, просадки, заболачивание, оползни, эрозия и другие.

Отсюда вытекают возможности МАФС по получению большого объ­ема информации о техногенной нарушенности ландшафтов (пожары, выпасы скота, лесохозяйственные, горнопроходческие выработки, следы гусеничного и колесного транспорта, различные виды загрязнения водных объектов, почв и грунтов, захоронения радиоактивных отходов).

МАФС — достаточно дорогой метод исследований, его стоимость в 2,5 раза превышает стоимость более простой спектрозональной аэрофотосъём­ки (СПЗ) и в 4 раза — обычной чёрно-белой панхроматической аэрофото­съемки (АФС). Но её возможности несопоставимы со старыми, традицион­ными аэрометодами. Достаточно широкий масштабный диапазон МАФС (в равной степени СПЗ и АФС) позволяет использоватьеё на всех стадиях проектно-изыскательских работ, строительства и эксплуатации ПТС.

В состав аэрокомплекса дистанционного экологического мониторинга, который был использован в районе аварии Чернобыльской АЭС, а также применялся в Москве, входили гамма-спектрометрическая, газовая, и аэрозольная и ИК-съёмки. Мониторинговые работы в данном случае представляют собой регулярные сезонные площадные аэросъёмки промышленных центров и городских агломераций, выполняемые в масштабах 1:10 000-1:25 000.

Тепловая инфракрасная аэросъёмка (ТИКАС) опробована в районахосвоения нефте-газоконденсатных месторождений на Севере Западной Сибири в различных направлениях. При этом обоснована её эффективность на стадиях завершения строительства объектов и в период эксплуатации, когда проявляются взаимосвязи технических конструкций с природными компонентами ПТС.

В этих ситуациях тепловая инфракрасная аэросъёмка надёжный и достоверный метод выявления и предупреждения:

— деформаций трубопроводов, земляного полотна железных и автомобильных дорог, искусственных сооружений;

— подтопления сооружений и заболачивания территорий

— теплового и газового загрязнения приземных слоев атмосферы и водных объектов;

— утечек нефте- и газопродуктов из трубопроводов;

— взрыво- и пожароопасности в местах возможных деформации трубопроводов, подземных коммуникации.

Перспективным считается применение для решения рассматриваемых задач радиолокационной съемки (РЛ). РЛ эффективна в самостоя­тельном и опережающем варианте, в плохих метеоусловиях и в ночном режиме с больших высот, но при этом обязательно в комплексе с обычной аэрофотосъемкой.

Базовое оборудование радиотехнического экологического контроля для систем авиационного мониторинга, используемое в большинстве зарубежных разработок, строится на принципах комплексного (поэтапного) использования:

— поисковой разведки и целеуказания;

— идентификации и выявления основных количественных характеристик очагов загрязнения;

— сопровождения процессов ликвидации экологических эксцессов дистанционным измерением остаточных локальных явлений с повышенной точностью.

Все три фазы дистанционного мониторинга обеспечиваются поддержкой средствами оптико-электронной визуализации и документирования.

К средствам, решающим задачи первой фазы наблюдении (развед­ки), относятся, в основном, локаторы бокового обзора, используемые главным образом при работе над акваториями с достаточно значительным радиусом обзора (десятки километров), зависящим от высоты полёта.

Вторая фаза — идентификация и количественная оценка очагов — обеспечивается средствами пассивной радиометрии в миллиметровом диапазоне. Ширина полосы обзора составляет величину около 1,5-2 H Перспективные решения позволяют приблизить эффективность применения миллиметровой радиометрии по точностным показателям к возможностям базовых средств, обычно применяемых на 3-й фазе мониторинга — датчикам ИК-теплового излучения.

Обнаружение, идентификация и количественная оценка масштабов и объёмов разливов нефтепродуктов на акваториях (почвах) обеспечивается измерением и обработкой данных теплового радиояркостного контраста Так, при толщине нефтяной плёнки от 0,01 до 1,5 величина радиояркостного контраста достигает 150 К.

Источник статьи: http://lektsii.org/17-42234.html