Дистанционные средства мониторинга природных ресурсов

Программа EOS (Earth Observing System - Система наблюдения Земли) предназначена для реализации опубликованного в 2001 г. стратегического плана NASA по исследованию планеты с помощью серии ИСЗ определенной направленности. Она включена в проект МТРЕ (Mission to Planet Earth - Миссия к планете Земля), проводимый NASA с 1991 г. по программе "Исследование глобальных изменений на Земле". В рамках программы EOS предполагается в течение 15 лет всесторонне изучать планету как единую интегрированную систему с использованием общей информационной сети EOSDIS для приема, обработки, архивирования, распределения, моделирования и интерпретации спутниковых данных, а также для комплексного планирования работы и управления полетом ИСЗ данной серии. Каждый спутник выполняет одну из задач по изучению химического состава атмосферы, динамики и энергетики атмосферы, облачного покрова, водного и энергетического баланса, динамики, физико-химических и энергетических свойств океана, глобального биохимического цикла, биологических ресурсов, гравитационного поля, а также в области геодезии, геологии, картографии.

Согласно программе EOS, группировке из первых спутников к 2015 г. предстоит решить следующие задачи:

)10-летний прогноз климата;

2)15-20-месячный прогноз  явления Эль-Ниньо;

)12-месячный прогноз выпадения  дождей в региональном масштабе;

)60-дневный прогноз извержения  вулканов;

)10-14-суточный прогноз  погоды;

)5-дневный прогноз маршрутов  ураганов с точностью 30 км;

)1-5-летний экспериментальный  прогноз землетрясений.

В других странах к числу наиболее значимых космических программ обзорного наблюдения Земли относят европейскую программу мониторинга и обеспечения безопасности Земли GMES, базирующуюся на КА "Envisat" (запущен 1 марта 2002 г.; Земля и Вселенная, 2003, № 6) и "Metop"; канадскую космическую программу с применением спутников "Radarsat" (запускаются с 1995 г.); японскую программу наблюдения Земли на базе ИСЗ "ADEOS" (запускаются с 1996 г.); индийскую систему дистанционного зондирования IRS (запуски с 1988 г.).

Из-за плохого финансирования, системных просчетов и архаичных системно-конструкторских решений не следует ожидать в обозримом будущем появления новых космических средств ДЗЗ, предусмотренных Федеральной космической программой на 2001-2005 гг. Вместе с тем значительный интерес для мониторинга окружающей среды могут представить украинско-российский КА "Сич-1М", российские "Монитор-Э" (макет спутника запущен 30 июня 2003 г.) и "Канопус-Вулкан" двойного назначения, запуск которых планируется соответственно в 2004 г., 2005 г. и 2006 г. "Сич-1М" предназначен для мониторинга облачных слоев, вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы, температуры поверхности океана, ледовых и снежных покровов, биопродуктивности и цветности океана, исследования растительного слоя. В состав аппаратуры "Сич-1 М" входят многозональное сканирующее устройство высокого разрешения МСУ-ЭУ (24 х 34 м), радиолокатор бокового обзора с разрешением 2.5 х 1.3 км, зондирующий оптико-микроволновый сканер МТВ3А-ОК. Прибор МТВ3А-ОК - модификация МТВ3А, установленного на спутнике "Метеор-3М" № 1. В МТВ3А-ОК увеличено число каналов в СВЧ-диапазоне и дополнительно включены оптический, ультрафиолетовый и инфракрасный каналы. По информативности МТВ3А-ОК превосходит совокупность американского SSM/IS и японского AMSR. Данный приборный модуль по сравнению с МТВ3А решает ряд новых целевых задач.

Конструкция МТВ3А-ОК открывает перспективу создания микроспутников ДЗЗ (Земля и Вселенная, 2004, № 2), что весьма актуально в сложившихся условиях российской экономики. К такого рода проектам относится "Канопус-Вулкан", разрабатываемый на базе новых информационных технологий и перспективных космических конструкций.

Из-за плохого финансирования, системных просчетов и архаичных системно-конструкторских решений не следует ожидать в обозримом будущем появления новых космических средств ДЗЗ, предусмотренных Федеральной космической программой на 2001-2005 гг. Вместе с тем значительный интерес для мониторинга окружающей среды могут представить украинско-российский КА "Сич-1М", российские "Монитор-Э" (макет спутника запущен 30 июня 2003 г.) и "Канопус-Вулкан" двойного назначения, запуск которых планируется соответственно в 2004 г., 2005 г. и 2006 г. "Сич-1М" предназначен для мониторинга облачных слоев, вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы, температуры поверхности океана, ледовых и снежных покровов, биопродуктивности и цветности океана, исследования растительного слоя. В состав аппаратуры "Сич-1 М" входят многозональное сканирующее устройство высокого разрешения МСУ-ЭУ (24 х 34 м), радиолокатор бокового обзора с разрешением 2.5 х 1.3 км, зондирующий оптико-микроволновый сканер МТВ3А-ОК. Прибор МТВ3А-ОК - модификация МТВ3А, установленного на спутнике "Метеор-3М" № 1. В МТВ3А-ОК увеличено число каналов в СВЧ-диапазоне и дополнительно включены оптический, ультрафиолетовый и инфракрасный каналы. По информативности МТВ3А-ОК превосходит совокупность американского SSM/IS и японского AMSR. Данный приборный модуль по сравнению с МТВ3А решает ряд новых целевых задач.

Конструкция МТВ3А-ОК открывает перспективу создания микроспутников ДЗЗ (Земля и Вселенная, 2004, № 2), что весьма актуально в сложившихся условиях российской экономики. К такого рода проектам относится "Канопус-Вулкан", разрабатываемый на базе новых информационных технологий и перспективных космических конструкций. На микроспутнике "Канопус-Вулкан" предполагается установить новый многофункциональный прибор - бортовой измеритель БИК-ГЯ-1, предназначенный для мониторинга и исследований облачного покрова, интегральной влажности атмосферы, водного запаса облаков, интенсивности осадков, вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы, скорости и направления приводного ветра, температуры поверхности океана, ледовых и снежных покровов, изменений поверхностного слоя океана, тайфунов и ураганов, явления Эль-Ниньо (Земля и Вселенная, 2000, № 3), растительного покрова, лесных пожаров, температуры и влажности почв.

мониторинг природный ресурс дистанционный

1.4 Наземные средства  мониторинга природных ресурсов

Наземный мониторинг проводится, во-первых, для уточнения данных, полученных с космических или авиационных аппаратов, а во-вторых, для наблюдений, которые не могут быть осуществлены другими методами. К таковым, например, может быть отнесено определение физических или химических параметров приземного слоя воздуха и почв, растительности или вод. При этом часто используют живые организмы - биоиндикаторы.

Изображения со спутников передаются на Землю в реальном масштабе времени в диапазоне 1700 МГц в режиме HRPT (High Resolution Picture Transmission). Возможность свободного приема спутниковой информации наземными станциями обеспечивается Всемирной Метеорологической Организацией согласно концепции "Открытого неба".

Наземные станции в зоне видимости спутника принимают изображения земной поверхности с радиометрическим разрешением 10 бит, что обеспечивает передачу 1024 градаций яркости в каждом диапазоне. На наземных станциях приема спутниковой информации производится прием, демодуляция, первичная обработка и подготовка спутниковых данных к вводу в персональный компьютер станции. В зоне приема в среднем находятся два спутника серии NOAA, обеспечивая регулярное обновление данных о состоянии окружающей среды.

На территории России в последнее десятилетие активно развивается сеть станций приема спутниковых данных, образующая наземную инфраструктуру регионального экологического мониторинга. В оперативном режиме непрерывных наблюдений работают наземные станции приема данных от спутников NOAA в Москве (Институт космических исследований РАН, ВНИИГОЧС МЧС), Красноярске (Институт леса СО РАН), Иркутске (Институт солнечно-земной физики СО РАН), Салехарде (Госкомитет по охране окружающей среды Ямало-Ненецкого автономного округа), Владивостоке (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН). Типовые станции приема сигналов от спутников NOAA состоят из антенной системы с диаметром параболического зеркала 1,8 м и шириной диаграммы направленности 6 градусов, приемника (частота 1700 МГц) и персонального компьютера уровня PC-486 для первичной обработки принимаемых данных. Программное обеспечение позволяет осуществить полный цикл работ от расчета траекторий спутников и от приема и организации хранения данных до тематической обработки спутниковых данных в пределах нескольких часов после момента приема. Станции приема данных спутника "РЕСУРС" имеют зеркало диаметром 160 см и приемник на частоту 8176-8223 МГц. Скорость передачи информации составляет 7,68 Мбит/ сек. Начальная обработка информации проводится на компьютере типа "IBM-PC-Pentium", последующая обработка и архивация данных осуществляется на втором компьютере "Pentium" с магнитооптическим диском емкостью 1,3 Гб.

Спутниковая информация, принимаемая и обрабатываемая наземными станциями, служит основой для повседневного оперативного контроля за состоянием окружающей среды. С их помощью создается система геоэкологического мониторинга региона, в частности, можно осуществить контроль за сохранением границ водоохранных и санитарных зон при отводе земель и рубке леса в регионах, а также за целевым использованием земельных ресурсов.

Глава 2. Виды мониторинга природных ресурсов

Как известно, первые автоматические системы слежения за параметрами внешней среды были созданы в военных и космических программах. В 1950-е гг. в системе ПВО США уже использовали семь эшелонов плавающих в Тихом океане автоматических буев, но самая впечатляющая автоматическая система по контролю качества окружающей среды была, несомненно, реализована в «Луноходе». Одним из основных источников данных для экологического мониторинга являются материалы дистанционного зондирования (ДЗ). Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей:

космические (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового использования, автономные спутниковые съемочные системы и т. п.);

авиационного базирования (самолеты, вертолеты и микроавиационные радиоуправляемые аппараты) и составляют значительную часть дистанционных данных как антонима контактных (прежде всего наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектом съемки;

к неконтактным (дистанционным) методам съемки, помимо аэрокосмических, относятся разнообразные методы морского (наводного) и наземного базирования, включая, например, фототеодолитную съемку, сейсмо, электромагниторазведку и иные методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съемки рельефа морского дна с помощью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на регистрации собственного или отраженного сигнала волновой природы.

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 - повторностъ съемок, т.е. фиксация состояния объектов в разные моменты времени и возможность прослеживания их динамики.

.1 Космические  методы мониторинга природных  ресурсов

Космическими носителями измерительной аппаратуры являются 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. Космический метод мониторинга существенно дополняет наземные, самолетные и корабельные средства наблюдений и контроля природной среды и позволяет объединить данные о состоянии окружающей среды на основе информации, полученной из космоса.

Современный уровень развития методов исследования Земли из космоса, программных комплексов обработки космических данных и широкое распространение геоинформационных систем (ГИС), позволяют получить качественно новую информацию о состоянии территорий, наземных объектов, процессов и динамике изменения их состояния. Новое информационное качество определяет новые методологические подходы и перспективные технологии в получении и целевом применении материалов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) для комплексных исследований, анализа и эффективного управления развитием регионов. Основные направления этих работ касаются актуальнейших вопросов и проблем, стоящих перед региональными органами управления. К таким проблемам относятся:

прогнозирование, поиск и освоение новых месторождений природных ископаемых на малоизученных и труднодоступных территориях;

рациональное использование и периодическая инвентаризация природных ресурсов;

оперативное информационное обеспечение федеральных, региональных и муниципальных органов управления;

учет земель и организация рационального землепользования;

мониторинг чрезвычайных ситуаций, экологических бедствий, природных и техногенных катастроф;

космическая диагностика региональной инфраструктуры, в том числе протяженных инженерно-технических коммуникаций.

Комплексная обработка космической информации и результатов наземных измерений является основой для получения целевых данных, предназначенных для дешифрирования и тематических исследований, проводимых с целью получения объективной информации о текущем состоянии региона. Результаты обработки интегрируются в тематические ГИС для проведения всестороннего анализа и получения информации о динамике развития позитивных и негативных территориальных и объектовых процессов. Такая информация дает возможность принимать взвешенные решения, значительно повышающие эффективность регионального и местного управления в различных областях жизнедеятельности хозяйствующих субъектов.