Геоэкологический мониторинг В-7

По запросу пользователя отдельные характеристики точек  описаний могут быть выведены в геоинформационной системе MapInfo в виде тематического слоя точек и совмещены с другими картографическими материалами: топографическими и отраслевыми картами, космическими снимками, материалами лесоустройства. Координатная привязка точек описаний позволяет в автоматическом режиме искать для каждой точки элемент регулярной сетки (пиксель), в которых точка описания территориально попадает, что в дальнейшем позволяет сопоставить им информацию из Блока №2.

Блок 2 – аналитический предназначен для преобразования информации о состоянии среды в ячейках регулярной сетки с фиксированным разрешением на местности. Аналитический блок содержит данные, полученные в результате обработки первичной информации и преобразованные в определенные показатели и индексы, т.е. являющиеся результатом определенных операций с исходной первичной информацией (классификация, типизация, вычисление индексов, экспертная оценка). Данный блок информационной системы включает средства статистического анализа, построения карт и отображения результатов анализа в форме, пригодной для принятия решений, разного рода оценок и т.п. Блок обеспечивает работу с двумя типами моделей отображения структуры и свойств территории: 1) объектной – позволяющей описать морфологию и свойства отдельных объектов – рек и речной сети, рельефа, геоботанических, лесотаксационных, почвенных, ландшафтных, геолого-геоморфологических и др. выделов; 2) континуально-дискретной – описывающей состояние территории в ячейках регулярной в пространстве сетки с фиксированным разрешением на местности. Модели первого типа используются для хранения, анализа, и визуализации материалов топографических и отраслевых картографических исследований (лесотаксационных, геоботанических, почвенных и др.). Для их построения в составе ГИС на базе системы настольной картографии MapInfo Professional 8.0 имеются стандартные средства: привязки в географической проекции сканированных изображений бумажных карт; их векторизации с поддержкой трех основных типов объектов: точечных, линейных и полигональных; ввода атрибутивной информации; гибкие средства поиска нужной информации по запросу пользователя. Средства анализа в рамках объектной модели представления пространственной информации включают буферные и оверлейные операции. Объектные модели могут быть преобразованы в модели континуально-дискретного (растрового) типа посредством операций растеризации и интерполяции.

В составе ГИС «Биоразнообразие лесов России» модели второго типа (растровые) используются для интерполяции полевых описаний в непрерывное картографическое изображение с фиксированным шагом на местности (пространственным разрешением). Структура растровой модели в простейшем случае представляет собой таблицу, строки которой соответствуют элементам регулярной сети (пикселям, элементарным территориальным единицам), а колонки – их характеристикам (абс. высота, крутизна и кривизна поверхности, величины отраженной солнечной радиации и др.). При обосновании оптимального шага сетки учитываются цели и задачи исследования, особенности исследуемой территории и доступных источников информации [2]. В самом общем случае можно принять, что для работ на локальном уровне используется шаг сетки близкий к 30 м, на региональном уровне – 100 м, а на федеральном 1-10 км. Минимальный набор растровых моделей данного блока информационной системы составляет цифровая модель рельефа (ЦМР) и разносезон-ные спектрозональные сканерные снимки. Наиболее часто ЦМР строятся а основе высотных отметок топографических карт соответствующего масштаба путем растеризации и интерполяции объектных (векторных) моделей изолиний высоты, точечных высотных отметок, линий тальвегов и площадных водных объектов. В крупномасштабных исследованиях могут использоваться результаты прямых топографических инструментальных измерений, а в среднем и мелком масштабе – данные дистанционного определения превышений земной поверхности с разрешением 90 м (SRTM http://www2.jpl.nasa.gov/srtm). Важными характеристиками ЦМР помимо источников данных, способа ее построения и пространственного разрешения являются ошибки и искажения, сопровождающие процесс ее построения.

ЦМР используется для расчета  производных морфометрических характеристик  рельефа, описывающих перераспределение  тепла и влаги земной поверхности  в разных масштабах. Существование  устойчивых масштабных уровней в  организации рельефа, определение  их числа и средних линейных размеров устанавливается посредством спектрального  анализа рельефа [2, 3, 6], базирующегося  на прямом и обратном дискретном преобразовании Фурье. Для расчета необходимого набора морфометрических характеристик (градиент, лапласиан, площадь водосбора, доза прямой солнечной радиации) используются программы FracDim.

Спектрозональные сканерные снимки включаются в состав ГИС «Биоразнообразие лесов России» после их геометрической коррекции, обеспечивающей точность позиционирования – 1-2 пикселя. Дальнейшая обработка снимков состоит в радиометрической и атмосферной коррекции, результаты которых выражаются в виде величины потока отраженной солнечной радиации (W/(m2 * step * μm)), регистрируемого сенсором спутника [4]. Широкий набор спектральных индексов [1] позволяет косвенно оценить вещественный состав ландшафтного покрова (биомасса, биологическая продуктивность, запас влаги). Текстурные индексы, учитывающие особенности варьирования спектральных яркостей в некоторой окрестности каждого пикселя (энтропия и др.), характеризуют степень однородности среды. Алгоритмы растеризации позволяют при необходимости перевести в растровую форму векторные модели отраслевых карт, дополнив тем самым список характеристик ячеек регулярной сетки переменными, описывающими классификационную принадлежность растительного сообщества, почвы и литогенной основы соответствующего пикселю участка местности.

Растровый формат имеют месячные метеорологические данные с пространственным разрешением 0.1º, 0.25 º и 0.5 º. Они основаны на данных глобальной сети метеостанций, интерполяция которых учитывала  широтное и континентальное положение, особенности рельефа и некоторые  другие особенности [5].

Средства ГИС позволяют  визуализировать растровые модели географических данных в виде изображений  и совмещать их с иными территориально распределенными данными на основе их пространственного положения.

Средства статистического  и картографического анализа  представляют собой набор независимых  коммерческих программ, каждая из которых  специализируется на выполнении отдельных  операций. Так построение статистических моделей, вычисление их параметров и  прогноз осуществляется в программах Statistica 7.0 и SPSS 13. Некоторые виды анализа и оформления материалов в программах Erdas Imagine 8.5, FracDim (Ю.Г. Пузаченко, Г.М. Алещенко). Финаль-343

ное сведение и отображение в картографической форме всех исходных, промежуточных и конечных материалов в геоинформационной системе MapInfo Professional 8.0. В будущем предполагается разработать специализированный модуль анализа, который позволит заменить все эти программы и обеспечить ясную визуализацию результатов моделирования с возможностью комментирования.

Блок 3 – организационно-управленческий служит для подготовки комплекса сценариев, оформления рекомендаций с последующим принятием решений на основе анализа разработанных критериев, полученных индексов и оценок состояния биоразнообразия. Обычно данный этап комбинируется с разработкой прикладных эколого-экономических моделей, прогнозов и альтернативных сценариев природопользования.

ГИС предполагает связанный  анализ и представление информации на трех иерархических уровнях: локально-региональный (районный), региональный (областной) и  федеральный. Каждый уровень обеспечивается своим набором исходной рабочей  информации, но общие средства анализа, хранения и визуализации данных призваны организовать удобную с ними работу. Собранный материал позволяет оценить  различные аспекты разнообразия лесов на федеральном уровне и охарактеризовать современное представление относительно их пространственного распределения. Рассматриваются такие показатели как общая лесистость территории, площадь и доля ненарушенных лесов, доля вторичных лесов, площадь лесов, пройденных рубками, поврежденных насекомыми-вредителями, техногенными воздействиями. Ряд производных индексов (энтропия, фрагментарность и проч.), косвенно характеризующих биоразнообразие, рассчитываются на основе материалов, отражающих современное состояние лесов с использованием ДДЗ различного пространственного разрешения. Качественная оценка состояния лесов и расчет индексов может проводиться как в целом для территории РФ, так и для отдельных административных подразделений (область, край) и/или природных единиц (ландшафтных мезорегионов, зон и типов поясности растительности и др.). Использование ландшафтных индексов 
на федеральном уровне дает возможность оценить крупные закономерности в изменении ландшафтного разнообразия, позволяет уточнить структурные особенности лесов различных формаций. С помощью нахождения крайних значений величин рассчитанных индексов возможно определить наиболее гетерогенные/гомогенные по ландшафтной структуре территории, что необходимо учитывать при проектировании сети ООПТ.

Для регионального уровня обеспеченность тематическим картографическим материалом значительно меньшая и слабее представлена в электронном формате. Поэтому для регионального уровня на первый план выходят ДДЗ и информация о рельефе территории. Наряду с фактором антропогенного воздействия, природный фактор – характер рельефа – в большинстве случаев определяет вид и распределение наземного покрова территории. На этом уровне в зависимости от конкретных задач может быть получен достаточно большой пакет тематических карт, характеризующих различные аспекты биоразнообразия (лесистость, фрагментация, типологический состав, распределение отдельных видов, доля ООПТ и проч.). Например, сопоставление карты ООПТ с картами первого блока в рамках ГИС позволяет оценить необходимый уровень охраны различных типов леса на федеральном и региональном уровне. По изложенной схеме ГИС «Биоразнообразие лесов России» выполнены тестовые работы в локально-региональном масштабе: на базе Центрально-Лесного заповедника (Тверская область), Мончегорского района (Мурманская область), Нарофоминского района (Московская область). Региональный уровень поддерживается на примере Костромской, Мурманской и Подмосковной областях.

Использование геоинформационной системы для оценки и мониторинга лесов призвано существенно улучшить качество оценочных работ по биоразнообразию систем любого уровня, что проявляется в обеспечении ряда дополнительных возможностей для успешной классификации, районирования, экстраполяции на множественной пространственной основе.

Литература      

 Козлов Д.Н. Инвентаризация  ландшафтного покрова методами  пространственного анализа для  целей ландшафтного планирования // Труды Международной школы-конференции  «Ландшафтное планирование. Общие  основания. Методология. Технология.» М.: Географический факультет МГУ, 2006. с. 117-137.      

 Пузаченко Ю.Г., Мерзлякова И.А. Международное сотрудничество в области сохранения биоразнообразия и вопросы гармонизации данных. М.: Издательский дом Страховое ревю, 2002. 67 с.      

 Пузаченко Ю.Г., Онуфреня И.А., Алещенко Г.М. Многомерный анализ структуры рельефа: (Метод главных компонент). Известия РАН Серия географическая. 2004. № 1. с. 26-36.

4.  Image Processing Procedure // U.S. Department of the Interior U.S. Geological Survery, Revised 01/09/2006,http://landcover.usgs.gov/pdf/image_preprocessing.pdf      

New M., Lister D., Hulme M., Makin I., 2002 A high-resolution data set of surface climate over global land areas. Cli-mat Reseearch, Vol.21. p. 1-25/     

 Turcotte D.L. Fractals and chaos in geology and geophysics. Cambridge: Cambridge Univ. press. 1997. 398 p.

2. Назначение искусственных спутников Земли: "Метеор", "Природа", "Океан" и др.

Искусственные Спутники Земли (ИСЗ), космические летательные аппараты, выведенные на орбиты вокруг Земли и предназначенные для решения научных и прикладных задач. Запуск первого ИСЗ, ставшего первым искусственным небесным телом, созданным человеком, был осуществлен в СССР 4 октября 1957 и явился результатом достижений в области ракетной техники, электроники, автоматического управления, вычислительной техники, небесной механики и др. разделов науки и техники. С помощью этого ИСЗ впервые была измерена плотность верхней атмосферы (по изменениям его орбиты), исследованы особенности распространения радиосигналов в ионосфере, проверены теоретические расчёты и основные технические решения, связанные с выведением ИСЗ на орбиту. 1 февраля 1958 на орбиту был выведен первый американский ИСЗ «Эксплорер-1», а несколько позже самостоятельные запуски ИСЗ произвели и другие страны: 26 ноября 1965 — Франция (спутник «А-1»), 29 ноября 1967 — Австралия («ВРЕСАТ-1»), 11 февраля 1970 — Япония («Осуми»), 24 апреля 1970 — КНР («Китай-1»), 28 октября 1971 — Великобритания («Просперо»). Некоторые спутники, изготовленные в Канаде, Франции, Италии, Великобритании и др. странах, запускались (с 1962) с помощью американских ракет-носителей. В практике космических исследований широкое распространение получило международное сотрудничество. Так, в рамках научно-технического сотрудничества социалистических стран запущен ряд ИСЗ. Первый из них — «Интеркосмос-1» — был выведен на орбиту 14 октября 1969. Всего к 1973 запущено свыше 1300 ИСЗ различного типа, в том числе около 600 советских и свыше 700 американских и др. стран, включая пилотируемые космические корабли-спутники и орбитальные станции с экипажем.

Общие сведения об ИСЗ. В соответствии с международной договорённостью космический аппарат называется спутником, если он совершил не менее одного оборота вокруг Земли. В противном случае он считается ракетным зондом, проводившим измерения вдоль баллистической траектории, и не регистрируется как спутник.

Лит.: Александров С. Г., Федоров Р. Е., Советские спутники и космические корабли, 2 изд., М., 1961; Эльясберг П. Е., Введение в теорию полёта искусственных спутников Земли, М., 1965; Руппе Г. О., Введение в астронавтику, пер. с англ., т. 1, М., 1970; Левантовский В. И., Механика космического полёта в элементарном изложении, М., 1970; Кинг-Хили Д., Теория орбит искусственных спутников в атмосфере, пер. с англ., М., 1966; Рябов Ю. А., Движение небесных тел, М., 1962; Меллер И., Введение в спутниковую геодезию, пер. с англ., М., 1967. См. также лит. при ст.

Примером спутников, на которых  реализованы система трехосной  ориентации и независимая ориентация солнечных батарей на Солнце, могут  служить метеорологические спутники системы «Метеор» — спутники «Космос-122», «Космос-144», «Космос-156», «Космос-184», «Космос-206».

Эти спутники передают комплексную  метеорологическую информацию, содержащую телевизионное изображение в  видимом участке спектра и  инфракрасное изображение как освещенной, так и теневой сторон земной поверхности, а также многодиапазонные актинометрические (радиационные) измерения. Для выполнения этой задачи спутник должен быть строго ориентирован на Землю. Его главная ось должна быть направлена по местной вертикали, вторая — по вектору скорости (по касательной к траектории) и третья — перпендикулярно плоскости орбиты. Такая ориентация обеспечивается с помощью специальной системы маховиков, которые включаются по командам логического устройства, принимающего сигналы от датчиков направления на Землю и по курсу. Система ориентации обеспечивает предварительное успокоение спутника после отделения его от ракеты-носителя, а затем поддерживает заданную ориентацию.

Спутники системы «Метеор» имеют независимую ориентацию солнечных  батарей на Солнце. Плоскости батарей  могут поворачиваться вокруг осей, перпендикулярных главной оси спутника, с помощью специального электродвигателя, получающего команды от автономной системы слежения за Солнцем. Эта  система, содержащая фотодатчики, усилители  и логическое устройство, обеспечивает ориентацию плоскостей солнечных батарей  перпендикулярно направлению солнечных  лучей и позволяет получить максимальную энергию при любом положении  орбиты относительно Солнца.

Искусственный спутник Земли "ОКЕАН", запущен для получения  оперативной океанографической  информации и данных о ледовой  обстановке. Запуск первого "Океана" - 1988, СССР.