Дистанционные средства мониторинга природных ресурсов

Введение

Термин «мониторинг» образован от латинского слова «monitor» (напоминающий, надзирающий) и обозначает процесс слежения за какими-то объектами или процессами. Мониторинг - комплексная система наблюдения, оценки и прогноза состояния природной среды, основа планомерного улучшения экологической ситуации. Мониторинг можно проводить с использованием специальных приборов, а также средств биологической индикации. Термин «мониторинг» введен в 1972 году академиком и доктором наук Ю. А. Израэлем. Он возник как научный объект почти на всей территории Земли в результате загрязнения.

Природные ресурсы - природные объекты, использующиеся человеком и способствующие созданию материальных благ. Природные условия влияют на жизнь и деятельность человека, но не участвуют в материальном производстве (воздух до определенного времени являлся лишь природным условием). Космическая деятельность играет важную роль в процессе глобализации и информатизации мирового сообщества, решении многих социально-экономических проблем и научно-исследовательских задач, а также в обеспечении национальной безопасности. Использование космической техники помогает решать ряд актуальных проблем системы "Земля" (атмосфера - океан - поверхность - биосфера), в том числе оценивать и прогнозировать изменения состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.

В настоящее время в программах мониторинга помимо традиционного "ручного" пробоотбора сделан упор на сбор данных с использованием электронных измерительных устройств дистанционного наблюдения в режиме реального времени.

Использование электронных измерительных устройств дистанционного наблюдения проводят используя подключения к базовой станции либо через телеметрической сети, либо через наземные линии, сотовые телефонные сети или другие телеметрические системы.

Преимуществом дистанционного наблюдения является то, что в одной базовой станции для хранения и анализа могут использоваться многие каналы данных. Использование систем дистанционного наблюдения требует установки специального оборудования (датчиков мониторинга), которые обычно маскируются для снижения вандализма и воровства, когда мониторинг проводится в легко доступных местах.

Глава 1. Дистанционные средства мониторинга природных ресурсов

1. Космические средства мониторинга природных ресурсов

Космические средства экологического мониторинга включают систему наблюдения при помощи самолетных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем, а также систему обработки данных дистанционного зондирования. Для космического экологического мониторинга целесообразно ориентироваться, прежде всего на полярно-орбитальные метеорологические спутники, как на отечественные аппараты (спутники типа «Метеор», «Океан» и «Ресурс»), так и на американские спутники серий NOAA, Landsat и SPOT. Остановимся на кратких характеристиках указанных спутников.

Американские метеорологические спутники серии NOAA снабжены многозональной оптической и ИК аппаратурой, а именно радиометром высокого разрешения AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Космические аппараты NOAA запускаются на полярные орбиты высотой порядка 700 км над поверхностью Земли с наклонением 98,89 градусов. Радиометр высокого разрешения ведет съемки поверхности Земли в пяти спектральных диапазонах. Космические съемки проводятся с пространственным разрешением 1100 м и обеспечивают полосу обзора шириной 2700 км.

Российские спутники серии «Ресурс» принадлежат Федеральной службе России по гидрометеорологии и мониторингу природной среды (Росгидромет). Они обеспечивают получение многозональной космической информации высокого и среднего разрешения с помощью двух сканеров видимого и ближнего инфракрасного диапазонов.

Космическая гидрометеорологическая система «Метеор», также принадлежащая Росгидромету, обеспечивает глобальный экологический мониторинг территории России. Параметры орбиты спутника «Метеор»: приполярная круговая орбита высотой около 1200 км. Комплекс научной аппаратуры позволяет оперативно 2 раза в сутки получать изображения облачности и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах, данные о температуре и влажности воздуха, температуре морской поверхности и облаков. Осуществляются также мониторинг озоносферы и геофизический мониторинг. В состав бортового комплекса спутника входят несколько сканирующих ИК-радиометров и сканирующая ТВ-аппаратура с системой запоминания данных на борту для глобального обзора и передачи данных на АППИ.

Российская космическая система «Океан» обеспечивает получение радиолокационных, микроволновых и оптических изображений земной поверхности в интересах морского судоходства, рыболовства и освоения шельфовых зон Мирового океана. Одной из основных задач спутника является освещение ледовой обстановки в Арктике и Антарктике, обеспечение проводки судов в сложных ледовых условиях. Параметры орбиты спутника: приполярная круговая орбита высотой 600-650 км. Поток информации в условиях облачности и в любое время суток обеспечивается радиолокатором РЛС БО и системой сбора информации от автономных морских и ледовых станций «Кондор». В состав комплекса бортовой аппаратуры спутника «Океан-01» входят СВЧ-радиометры Р-600 и Р-255, сканирующий СВЧ-радиометр Дельта-2, трассовый поляризационный спектрорадиометр «Трассер», а также комплекс оптической сканирующей аппаратуры.

.2 Дистанционное  зондирование земли из космоса

Дистанционное зондирование Земли из космоса (ДЗЗ) предоставляет уникальную возможность получать ценную информацию о земных объектах и явлениях в глобальном масштабе с высоким пространственным и временным разрешением. Космическая съемка поверхности Земли определяет физические, химические, биологические, геометрические параметры объектов наблюдения в различных средах Земли, как правило, используя функциональную зависимость между инструментальной способностью космической техники и искомыми параметрами. Спектральный диапазон бортовых измерителей выбирается при их разработке в зависимости от излучательной способности объектов наблюдения. Дистанционное зондирование Земли поверхности методами аэрофотосъёмки или из космоса позволяет значительно снизить стоимость получения информации и увеличить ее, объём, обеспечить оперативность информационных потоков, поскольку проводимый мониторинг осуществляется относительно простыми, но высокотехнологическими средствами.

Необходимо при этом иметь в виду, что методология дистанционного мониторинга, основанная на корректировании, условно говоря, экстенсивных и интенсивных данных, получаемых в результате наземных, авиационных и спутниковых наблюдений, сопряжена с рассеиванием определенной части информации. Не в последнюю очередь по этой причине целесообразным и эффективным является построение трехуровневого мониторинга, включающего одновременное использование данных наблюдений, зафиксированных в заданном временном интервале на земле, с воздуха, из космоса.

При осуществлении экологического мониторинга, особенно дистанционным путем, существенно возрастает значение интегральных характеристик экологических систем. Они позволяют достаточно объективно судить о крупномасштабных изменениях природных комплексов, обусловленных влиянием антропогенных факторов.

Стратегия комплексного мониторинга позволяет ограничиваться сбором наземной информации лишь на ключевых участках. Дешифрирование же видеоинформации по остальной следуемой территории проводят на основе корреляций, устанавливаемых по ключевым участкам. Получаемая полезная информация уже сейчас дает достаточно значимые результаты несмотря на то, что база для корреляций данных пока еще находится на стадии формирования.

Для целей дистанционного мониторинга были созданы специальные спутниковые аппараты. Еще в начале 70-х годов со спутника «Метеор» принимали изображения, позволяющие с достаточной для практических целей точностью характеризовать состояние пастбищной растительности.

Обширная и интересная информация о состоянии природных систем и ресурсов, естественных и антропогенных процессах на земной поверхности поступает с пилотируемых космических станций.

Дистанционные методы расширяют и обогащают возможности комплексного изучения геосистем, природных и культурных ландшафтов, включая агроландшафты. Они служат надежным качественно новым инструментом познания, в естественных областях науки (географии, почвоведение и др.), более совершенным средством исследования многоплановых биосферных процессов. Спутниковую информацию успешно применяют при изучении морфо- и геоструктур, определении структуры землепользования, оценке состояния сельскохозяйственных угодий. Использование многоспектральной съемки позволяет выявить и оценить состояние разных типов почв и их гранулометрический состав. Дистанционные наблюдения с искусственных спутников Земли поставляют исходный материал для картирования почв, районирования их по отдельным признакам.

Различают два вида дистанционного зондирования:

)Пассивное обнаружение  земного излучения, испускаемого  или отраженного от объекта  или в окрестностях наблюдения. Наиболее распространенным источником излучения является отраженный солнечный свет, интенсивность которого измеряется пассивными датчиками. Датчики дистанционного зондирования окружающей среды настроены на конкретные длины волн - от далекого инфракрасного, до далекого ультрафиолета, включая и частоты видимого света. Громадные объемы данных, которые собираются при дистанционном зондировании окружающей среды требуют мощной вычислительной поддержки. Это позволяет проводить анализ слабоотличающихся различий в радиационных характеристиках среды в данных дистанционного зондирования, успешно исключать шумы и «ложные цветовые изображения». При нескольких спектральных каналах удается усилить контрасты, которые незаметны для человеческого глаза. В частности, при задачах мониторинга биоресурсов можно различать тонкие отличия изменения концентрации в растениях хлорофилла, обнаружив области с различием питательных режимов.

2)При активном дистанционном  зондировании со спутника или  самолета излучается поток энергии  и используется пассивный датчик  для обнаружения и измерения  излучения, отраженного или рассеянного  объектом изучения. Для получения  информации о топографических  характеристиках исследуемой области  часто используется ЛИДАР, что  особенно эффективно, когда территория  велика и ручная съемка будет  дорогостояща.

.3 Средства спутникового  мониторинга

Для мониторинга окружающей среды на базе космических средств наиболее продуктивно используется информационная спутниковая система, которой присущи целостность, целенаправленность, динамизм, преемственность, совместимость, автономность. Структурно эта сложная спутниковая система мониторинга включает орбитальный и наземный сегменты: первый осуществляет функцию наблюдения, второй осуществляет функции оценки и прогноза. Мониторинг природных ресурсов предъявляет специфические требования к эксплуатационным характеристикам системы, а также к результатам космических съемок (в части информационных параметров) и автоматизации средств манипуляции с ними. Весьма существенны регулярность проведения съемок и оперативное предоставление данных пользователям. Это обеспечивает орбитальная группировка системы, которая формируется из нескольких КА, долгосрочно функционирующих на солнечно-синхронных орбитах. Информационные и эксплуатационные характеристики космических аппаратов определяются многоспектральной съемкой разрешением порядка 100 м и выше с полосой обзора 800-2000 км.

Эффективность спутниковой системы мониторинга окружающей среды достигается при комплексном применении перспективных космических и новых информационных технологий. Такие технологии представляют собой мощный методологический арсенал синтеза спутниковых систем и весьма продуктивны на всех фазах создания и функционирования спутниковой системы мониторинга: проектирование, изготовление, использование по целевому назначению и модернизация. Они лежат также в основе процесса диагностики наземных объектов из космоса. Научно-техническая поддержка спутниковой системы мониторинга окружающей среды представляет интеграционный процесс, который включает получение научных знаний о Земле, разработку информационных и космических технологий на этапе исследования и проектирования системы, создание моделей и демонстрационные испытания на этапе создания системы, диагностику объектов и явлений в процессе функционирования системы.

Наблюдение Земли из космоса началось в 1960-е гг. с американских и советских метеорологических спутников серии "Tiros", "ESSA", "Nimbus", "ITOS", "Метеор". За последующие десятилетия информационные возможности и целевое применение космических аппаратов ДЗЗ значительно расширились. На смену метеорологическим ИСЗ пришли спутниковые системы, предназначенные для мониторинга окружающей среды и исследования динамики планетарных процессов, совместно с системами изучения природных ресурсов Земли, такими как "Landsat" (США, запускаются с 1972 г.), "SPOT" (Франция, запускаются с 1986 г.) и "Ресурс" (РФ, запускаются с 1988 г. ), и миссиями исследовательских космических аппаратов.

Ведущую роль здесь играют США. Находящаяся под эгидой NOAA (National Oceanic Atmospheric Administration - Национальное управление по океанам и атмосфере) спутниковая метеорологическая система на полярных орбитах "NOAA" (запускаются с 1970 г.) и геостационарные "GOES" (запускаются с 1975 г.), а также принадлежащая министерству обороны США спутниковая система DMSP (Defense Meteorological Satellite Project - Оборонный проект спутниковой метеорологии; запускаются с 1966 г.) - единственные в мировой практике эксплуатационные системы мониторинга окружающей среды.

Применение на американских спутниках метеоразведки "DMSP" микроволновых радиометров в качестве всепогодных измерителей геофизических параметров океана и атмосферы позволило с 1991 г. реализовывать круглосуточное всепогодное обеспечение стандартной информацией о гидрометеорологических параметрах стран - членов WMO (Всемирная метеорологическая организация). Для национальной безопасности американское правительство в середине 1990-х гг. приняло решение о создании Национальной спутниковой системы мониторинга окружающей среды с полярной орбиты NPOESS (National Polar-Orbiting Operational Environment Satellite System). Она создается путем объединения военной (DMSP) и гражданской (NOAA) спутниковых систем и включает эксплуатируемые в настоящее время КА "DMSP" и "NOAA", а также разрабатываемые совместно с европейской метеорологической организацией Eumetsat ИСЗ "Metop" (запуск планируется в 2004 г.). В работе NPOESS задействованы исследовательские спутники: "Wind" (запущен 1 ноября 1994 г.), "Coriolis" (запущен 6 января 2003 г.; Земля и Вселенная, 2004, № 1), а также по программе EOS -"Terra" (запущен 18 декабря 1999 г.; Земля и Вселенная, 2000, № 6) и "Aqua" (запущен 4 мая 2002 г.; Земля и Вселенная, 2003, № 6). В США исследование глобальных процессов с учетом их взаимодействия и влияния на состояние окружающей среды осуществляется в рамках национальной программы USGCRP (United States Global Change Research Programme - Программа изучения глобальных изменений), а также под эгидой Межправительственного комитета по климатическим изменениям IPCC (Intergovernmental Panel on Climatic Change). Ожидается, что полученные результаты станут научной основой для принятия государственных решений по вопросам состояния окружающей среды и климата в глобальном масштабе.