Аэрокосмический мониторинг

Тема:Аэрокосмический мониторинг

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине

Мониторинг среды обитания

Содержание:

Введение……………………………………………………………………………………3

История развития аэрокосмического мониторинга…………………………………….4

Глава 1. Аэрокосмический мониторинг

1.1. Аэрокосмический мониторинг…………………………………………………….7

1.2. Динамика природной среды и экологический прогноз…………………………10

1.3. Использование аэрокосмического мониторинга для изучения природных ресурсов Земли………………………………………………………………………12

Глава 2. Сферы применения аэрокосмического мониторинга

2.1. Аэрокосмический мониторинг месторождений нефти и газа……………………17

2.2. Комплексный космический мониторинг прибрежных акваторий……………….20

2.2.1. Роль космических средств для мониторинга прибрежных акваторий…………21

Список используемой литературы………………………………………………………23

Введение

Экологические проблемы, наряду с такими, как энергетические, водные, продовольственные, относят к разряду глобальных. Известно, что промышленное освоение и интенсификация сельскохозяйственного производства во многих регионах мира сдерживаются именно нерешенностью экологических проблем, а затраты на предотвращение неблагоприятных экологических последствий от уже реализованных хозяйственных проектов подчас превышают расходы на сами проекты и, конечно, в десятки и сотни раз больше того, во что обошлись бы предупредительные мероприятия, осуществить которые нужно было бы на стадиях изысканий или начальных этапах развития негативных явлений.

Поскольку изменения, вносимые человеком в природную среду, и экологические эффекты, порождаемые его деятельностью, имеют, по крайней мере, региональный, а часто и глобальный характер, без аэрокосмических средств наблюдения нельзя своевременно не выявить их, ни проследить их динамику, ни дать полной картины происходящего вокруг нас. Достаточно сказать, что, как показывают аэрокосмические снимки, воздействие хозяйственной активности людей заметно почти на 60% суши, а в некоторых зонах эта цифра достигает 98%. Надо еще учесть, что антропогенные изменения природной среды происходят на два-три порядка быстрее, чем природные, и уследить за ними уже невозможно. В наше время эффективно решить столь сложную задачу можно лишь единственным способом: регулярной съемкой земной поверхности с самолетов и спутников, то есть аэрокосмическим методом экологического мониторинга.

История развития аэрокосмического мониторинга.

Комплексные космические эксперименты, решавшие различные экологические задачи путем съемки с самолетов и спутников, начали проводиться в СССР и США с конца 1960 годов. Аэрокосмические наблюдения осуществлялись взаимно калиброванной аппаратурой и одновременно дополнялись наземными исследованиями избранных типичных участков суши. Благодаря последующему сравнению данных со всех трех уровней удается корректно дешифрировать аэро – и космические снимки. И хотя такие эксперименты имели поисковые цели (отработать ту или иную методику, оценить степень достоверности, с которой из космоса определяются виды растительности и типы почв, проверить новые возможности картографирования, опробировать способы, позволяющие следить за сезонным развитием экосистем и их многолетней динамикой), их результаты затем внедрялись в практику природоохранных, лесо – и сельскохозяйственных, мелиоративных, и других работ.

В 1969 году во время группового полета космических кораблей “Союз-6” – “Союз-8” был проведен геофизический подспутниковый эксперимент над плато Устюрт в Западном Казахстане, в котором, в частности, выяснялось, каким может быть влияние атмосферы при формировании сверхмелкомасштабного космического изображения.

Распознавательный эксперимент был выполнен над Сальскими степями (Ростовская область) во время полета “Союза-9” в 1970 г. наземно исследовались посевы различных сельскохозяйственных культур, их состав и состояние, а также растительность пастбищ. Одновременно проводилась подспутниковая аэрофотосъемка масштаба 1:70 000. Впоследствии информация с наземных точек наблюдения сопоставлялась с их изображениями на аэро – и космических фотографиях, на основе чего строилась классификация изображений. Из результатов работ следовало, что вероятность правильного распознавания посевов сельскохозяйственных культур в зависимости от их состава и фенологического (сезонного) развития колеблется в пределах от 60 до 90%. Эти цифры затем подтвердили многочисленные эксперименты советских и американских ученых, охватившие большие площади.

Во время полета орбитальной станции “Салют” в 1971 году были осуществлены картографические подспутниковые эксперименты. По космическим фотографиям были составлены первые мелкомасштабные геоботанические, геоморфологические и сельскохозяйственные карты Приалхашья и восточно-казахстанской части Алтая. Сравнение “космических” карт с обычными показало, что у первых есть ряд преимуществ. Прежде всего, они в 1.5-2 раза более детальны. Причем значительная часть границ (до 40%), не отмеченных на обычных картах, была выявлена по космическим снимкам. Кроме того, повысилось общее качество карт. Особенно эффективной оказалась космическая съемка сельскохозяйственных угодий. Она оперативно выявляла все ошибки в существующих картах внутрихозяйственного землеустройства. Вот почему космическая технология была сразу рекомендована для обновления тематических карт, и в первую очередь карт использования земель.

Началось повсеместное дешифрирование и картографирование растительности, почв, сельскохозяйственных и лесных угодий, выполнявшееся, если можно так выразиться, в статике, т. е. по космическим снимкам, полученным за короткие промежутки времени. Когда накопилось много повторных космических фотографий, охвативших достаточно представительный временной интервал, можно было приступать к экспериментам в динамике. Впервые подобные работы были проведены в СССР на том же Сальском полигоне. Сравнение снимков, полученных со станции “Салют-6” в 1978 г., с полученными ранее, показало, как меняются структура землепользования и площадь пашни, какие тенденции присущи застройке и другим видам отчуждения земель несельскохозяйственных целях, как расширяются эродированные и засоленные почвы, сокращаются площади пастбищ и т. п. В итоге уже в 1978 г. Появилась возможность дать эколого-экономический прогноз развития региона на основе предшествующих и новых аэрокосмических съемок территории.

Еще при выполнении первых распознавательных исследований ученые столкнулись с большими сезонными вариациями оптических и радиационных характеристик экосистем. Фенологический эксперимент по наблюдению за весенним (“зеленая волна”) и осенним (“бурая волна”) развитием растительности, проведенный в 1972-1973 г. г. с помощью спутника “Лэндсат-1” (США), продемонстрировал, что глобально отслеживать прохождение общих фенологических смен можно.

Изучая процесс в динамике, специалисты собрали обширную информацию о существенных колебаниях сроков этих смен в разные годы, особенно на локальном уровне, т. е. в отдельных экорегионах. В 1981 г. в Кызылкумах в Узбекистане со станции “Салют-6” осуществлялся локальный фенологический эксперимент, который состоял в последовательном фотографировании из космоса одного и того же экорегиона через короткие промежутки времени и сопровождался наземными оптическими и фенологическими исследованиями полигона. Последующее сопоставление показало, что изменение оптических характеристик на космических снимках хорошо соответствует сезонному ходу нарастания и уменьшения фитомассы. Выявленные таким образом корреляционные зависимости дали возможность прогнозировать состояние пастбищной растительности на весь вегетационный период.

Обобщив результаты упомянутых выше и других базовых изысканий, специалисты в начале 1980 г. г. разработали тот методический фундамент, опираясь на который уже можно было вести систематические аэрокосмические исследования состава, структуры, ритмики и динамики экосистем, их почв, растительности, животного мира, антропогенных факторов. Теперь настала очередь широкого использования аэрокосмических методов в экологии для изучения биологических ресурсов и охраны природы.

Глава 1. Аэрокосмический мониторинг

1. Аэрокосмический мониторинг

Система наблюдения при помощи самолетных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем называется аэрокосмическим методом мониторинга.

Аэрокосмический мониторинг подразделяется на:

– Дистанционный мониторинг – совокупность авиационного и космического мониторингов. Иногда в это понятие включают слежение за средой с помощью приборов, установленных в труднодоступных местах Земли (в горах, на Крайнем Севере), показания которых передаются в центры наблюдения с помощью методов дальней передачи информации (по радио, проводам, через спутники и т. п.).

-Авиационный мониторинг осуществляют с самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов (включая парящие воздушные шары и т. п.), не поднимающихся на космические высоты (в основном из пределов тропосферы).

-Космический мониторинг – мониторинг с помощью космических средств наблюдения.

Оперативное слежение и контроль за состоянием окружающей среды и отдельных ее компонентов по материалам дистанционного зондирования и картам называют аэрокосмическим (или картографо-аэрокосмическим) мониторингом.

Аэрокосмический мониторинг позволяет одновременно получать объективную информацию и оперативно выполнять картографирование территории практически на любом уровне территориального деления: страна – область – район – группа хозяйств (землепользование) – конкретное сельскохозяйственное угодье – культура.

Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных и космических аппаратов, судов и подводных лодок, наземных станций. Получаемые документы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида и высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также от природных особенностей местности, атмосферных условий и т. п. Главные качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления карт, – это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков и изучения труднодоступных территорий. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализованное изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их структуру и связи. Благодаря этому данные дистанционного зондирования нашли в картографии разнообразное применение: их используют для составления и оперативного обновления топографических и тематических карт, картографирования малоизученных и труднодоступных районов (например, высокогорий). Наконец, аэро – и космические снимки служат источниками для создания общегеографических и тематических фотокарт.

Существует несколько основных направлений применения материалов дистанционного зондирования в целях картографирования:

-составление новых топографических и тематических карт;

-исправление и обновление существующих карт;

-создание фотокарт, фотоблок-диаграмм и других комбинированных фото картографических моделей;

-составление оперативных карт и мониторинг.

Составление оперативных карт – это один из важных видов использования космических материалов. Для этого проводят быструю автоматическую обработку поступающих дистанционных данных и преобразование их в картографический формат. Наиболее известны оперативные метеорологические карты. В оперативном режиме и даже в реальном масштабе времени можно составлять карты лесных пожаров, наводнений, развития неблагоприятных экологических ситуаций и других опасных природных явлений. Космофотокарты применяют для слежения за созреванием сельскохозяйственных посевов и прогноза урожая, наблюдения за становлением и сходом снежного покрова на обширных пространствах и тому подобными ситуациями, сезонной динамикой морских льдов.

Мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом или явлением, но также его оценку, прогноз распространения и развития, а кроме того – разработку системы мер по предотвращению опасных последствий или поддержанию благоприятных тенденций. Таким образом, оперативное картографирование становится средством контроля за развитием явлений и процессов и обеспечивает принятие управленческих решений.

Система аэрокосмического мониторинга позволяет регулярно и оперативно проводить:

-инвентаризацию земельного фонда земель сельскохозяйственного назначения;

-ведение земельного кадастра;

-уточнение карты землепользования;

-инвентаризацию селитебных земель, их инфраструктуры (городов, поселков, деревень, в том числе больших “неперспективных” и заброшенных);

-инвентаризацию земель мелиоративного фонда;

-оценку мелиоративного состояния земель и ведение динамического мелиоративного кадастра;

-подготовку и систематическое обновление каталогов земель, находящихся в фонде перераспределения;

-контроль над темпами освоения новых земель;

-разработку экологического обоснования природопользования в районах традиционного и нового сельскохозяйственного освоения;

-планирование рационального землепользования, проведение своевременной инвентаризации очагов (зон) дефляции, водной и ветровой эрозии, деградации почв и растительного покрова;

-инвентаризацию земель, включенных в состав природоохранного, рекреационного и историко-культурного назначения, а также особо ценных земель;

-составление карт динамики природных и антропогенных процессов и явлений;

-составление прогнозных карт неблагоприятных процессов, активизирующихся в результате нерациональной хозяйственной деятельности;

-сопряжение картографической информации со статистическими данными.

Съемки ведут в видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой зонах спектра. При этом снимки могут быть черно-белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже – для лучшей различимости некоторых объектов – ложноцветными, т. е. выполненными в условных цветах. Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почти не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ночная темнота тоже не помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое время суток.

2. Динамика природной среды и экологический прогноз

Для наблюдения за динамикой природной среды целесообразно использовать регулярную съемку нескольких десятков экологических полигонов (“горячих точек”), где неблагоприятные процессы идут особенно интенсивно и захватывают больше площади. Речь идет в первую очередь о космическом слежении за такими процессами, как:

-сокращение площади и падение продуктивности пастбищ в результате опустынивания, перевыпаса, нарушения растительного и почвенного покрова, ветровой эрозии;

-сокращение площади лесов, снижение их возраста и продуктивности, ухудшение состава насаждений вследствие вырубок, заболачивания, эрозии почв;

-поражение лиственных и хвойных лесов, посевов сельскохозяйственных культур вредителями и инфекциями;

-понижение плодородия почв из-за уменьшения содержания гумуса, ухудшения их структуры, водной эрозии;

-сокращение площади пашни вследствие отчуждения земель под несельскохозяйственное использование;

-подтопление, заболачивание, засоление почв в результате гидротехнического строительства и эксплуатации гидромелиоративных систем;

-понижение плодородия и продуктивности земель при осушении болот и пойм;

-сокращение площади лесов, пастбищ и полей, загрязнение почв и повреждение растительности в результате геотехнических работ;

-абразия (разрушение) берегов, просадочные, оползневые и другие изменения геологической среды;

-загрязнение почв и повреждение растительности вокруг городов и промышленных предприятий;

-загрязнение их стоками водных экосистем.

Частота аэрокосмической съемки при изучении динамики экосистем должна зависеть от их особенностей. Среди экосистем выделяют четыре класса:

-стабильные, требующие обновления детальной информации раз в 10 лет и реже;

-слабодинамичные – раз в 6-10 лет;

-умеренно динамичные – раз в 3-5 лет;

-сильнодинамичные – раз в 1-2 года.

Большой интерес представляет моделирование динамики по результатам многократной (повторенной три раза и более) съемки. По фотографиям разных лет за представительный период прослеживаются тренды (т. е. направленные изменения без учета случайных отклонений год от года). Динамика площадей с антропогенными нарушениями (например, рост площади разбитых песков, смытых почв, засоленных земель, горных выработок, отвалов породы и т. п.) хорошо распознаваема на аэрокосмических снимках. Математическое описание тренда отражает тот факт, что экологические события нарастают лавинообразно и содержат в своей основе экспоненту.

Здесь уместно заметить, что, осуществляя мониторинг и составляя прогнозы, ученые, естественно, не ограничиваются пассивным созерцанием неблагоприятных явлений. Аэрокосмические снимки – документы, в соответствии с которыми разрабатываются рекомендации, поступающие в правительственные органы и учитывающиеся при планировании.

Следующим шагом в аэрокосмическом мониторинге является слежение за развитием простых систем типа ресурс-резерв. Здесь уже по повторным снимкам выявляются два тренда, характеризующие увеличение потребления “ресурса” и сокращение “резерва” Точка пересечения этих трендов соответствует году качественного перелома, когда из-за исчерпания резервов начинают уменьшаться ресурсы.

Наконец, наиболее труден аэрокосмический мониторинг сложных, многоэлементных систем. Для анализа их динамики по повторным фотографиям строятся так называемые матрицы переходов, в которые заносятся все площади, изменившие состояние за период времени между съемками. Такой метод дает возможность, во-первых, составить пространственную балансовую модель динамики сложной системы в ближайшем будущем.

3. Использование аэрокосмического мониторинга для изучения природных ресурсов Земли

Структура космической системы изучения природных ресурсов Земли:

Рис. 1 Структура космической системы изучения природных ресурсов Земли

Блок-схема 1. Структура космической системы изучения природных ресурсов

Структура космической системы ИПРЗ принципиально состоит из системы управления структурой и четырех основных подсистем: получения космической информации, дополнительной дистанционной информации, сбора и хранения информации, обработки информации.

Подсистема получения космической информации включает: космические носители измерительной аппаратуры – искусственные спутники Земли, пилотируемые космические корабли (ПКК) и орбитальные станции (ОС); измерительную аппаратуру, устанавливаемую на космических носителях; аппаратуру, передающую полученнуюинформацию на Землю (на пункты приема информации – ППИ) в подсистему сбора информации. Данные, полученные с помощью космической измерительной подсистемы, содержат для каждого отдельного элемента природного объекта информацию о его состоянии. Эти данные передаются на пункты приема информации и оттуда в банк данных подсистемы сбора информации на хранение.

Подсистема получения дополнительной дистанционной информации объединяет средства и методы получения дистанционной информации о природных и антропогенно измененных объектах, осуществляемых в основном в пределах тропосферы.

В эту подсистему включены: авиационные средства (самолеты-лаборатории и вертолеты); суда-лаборатории, буйковые станции, наземные передвижные лаборатории, установленная на этих носителях измерительная аппаратура, установленная на них аппаратура, передающая получаемую информацию на пункт приема информации.

В структуру космической системы изучения природной среды Земли и Мирового океана в подсистему получения дополнительной информации включены также научно-исследовательские суда-лаборатории, буйковые станции и наземные передвижные лаборатории.

В состав судов-лабораторий входят научно-исследовательские суда, экспедиционные суда, морские, озерные и речные суда, специально построенные или перестроенные из другого типа судов для комплексных исследований и для проведения различных специальных исследований (геофизических, гидробиологических и др.) в толще водных масс, морского дна, атмосферы и космического пространства.

Буйковые станции (автоматические станции) снабжены специальной аппаратурой для получения определенных типов информации через спутники на пункты приема информации, космической системы изучения природных ресурсов.

Наземные передвижные лаборатории позволяют получать достоверные и точные данные о природных объектах, процессах и данные на локальных участках земной поверхности. Наземные измерения выполняют синхронно космическими и авиационными измерениями точно в момент прохождения космических аппаратов и авиасредств над данной точкой.

Наземные измерения служат базой для проведения необходимых методических работ, связанных с проблемой идентификации природных ресурсов и изучения их свойств на основе сопоставления и корреляции различных данных дистанционного зондирования с данными непосредственных наземных измерений.

Все вышесказанное относится к измерениям, выполняемым судами-лабораториями и автоматическими буйковыми станциями.

Основные требования, предъявляемые к измерениям (данным), получаемым в подсистемах космической и дополнительной дистанционной информации: синхронность получения всех видов информации; метрологическое единство всех видов измерений; репрезентативность наземных и измерений с самолета относительно территорий, охватываемых космической съемкой; сопоставимость масштабов и разрешающей способности всех видов измерений; оперативность доставки информации с самолета и наземной в пункты приема и обработки космической информации.

Подсистема сбора и хранения информации формирует банк данных огромного и постоянно меняющегося объема различного вида информации.

Задачи этой подсистемы – формирование, хранение и управление базой данных, нахождение необходимой для определенных конкретных целей информации и оперативная передача ее в блок подсистемы обработки информации.

База данных должна содержать:

– разновременные и разномасштабные материалы космических и аэрофотосъемок;

– характеристики измерительной аппаратуры;

– результаты наземных (натурных) измерений (выполненных синхронно с космическими съемками) параметров состояния природной среды в отдельных пунктах земной поверхности;

– разновременные и разномасштабные картографические материалы (топографические и специальные тематические карты);

– статистические и другие данные.

Эта структура (сбора, хранения, управления базой данных) подсистемы должна обеспечить оперативный обмен информацией между ее частями и доступ к ней подсистемы обработки информации.

Подсистема обработки информации заключается в оперативной обработке полученной из банка данных информации и выдаче результатов обработки в виде картографических материалов в требуемом масштабе.

Обрабатывают материалы визуально-инструментальным (с использованием оптико-механических приборов) методом и с использованием ЭВМ и переводом данных с компьютера в цифровую карту.

Выходные документы – тематические и специальные карты, схемы, графики, таблицы, методические материалы и т. п. Они должны быть получены в результате картографической, экономико-статистической и другой информации об изучаемых районах с обязательным использованием результатов наземных обследований в наиболее характерных природных, сельскохозяйственных, гидрогеолого-мелиоративных и водохозяйственных зонах изучаемых регионов в соответствии с разрабатываемыми уровнями системы мониторинга.

Таким образом, основная цель работ по внедрению и развитию методов аэрокосмического мониторинга в отрасли – совершенствование установления корреляционных связей между оптическими свойствами экологических комплексов (природных и антропогенно измененных), отраженными на аэрокосмических изображениях, и их свойствами в системе различных природных признаков (физической, биологической, химической и др.), направленными на выявление существующих зависимостей между геологическим строением местности и ее рельефом, гидрографией, почвами, растительностью и другими элементами ландшафта, для разработки и совершенствования методов региональных комплексных исследований, оценки природно-экологических и антропогенных условий территории при проектировании и проведении землеустроительных мероприятий с целью сохранения экологического равновесия.

Глава 2. Сферы применения аэрокосмического мониторинга

2.1. Аэрокосмический мониторинг месторождений нефти и газа

На современном этапе реализация проектов обустройства и эксплуатации месторождений нефти и газа предполагает наряду с разработкой проектов технологических решений выполнение комплекса мероприятий связанных с охраной окружающей среды. Важным элементом проектных решений является разработка программы производственного экологического мониторинга и ее практическая реализация на стадии эксплуатации месторождений. Это требует оценки состояния (загрязнения) природных компонентов окружающей среды, которые включают: атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почвенный покров, растительность и животный мир. Наряду с оценкой степени загрязнения природных компонентов объектами наблюдения экологического мониторинга являются опасные геологические процессы и явления, воздействие которых на технологические объекты может привести к авариям, и, соответственно, загрязнению природных компонентов.

В настоящее время, в соответствии с нормативными документами, проведение экологического мониторинга осуществляется на трех основных стадиях:

-предпроектной (предстроительный или фоновый мониторинг);

-проектной (строительный мониторинг);

-эксплуатационной (эксплуатационный мониторинг).

Для проведения мониторинга используются аэрокосмические наблюдения, наблюдения с наземных стационарных и передвижных пунктов, а также результаты, полученные в ходе проведения всего спектра инженерных изысканий.

Особое место в данном перечне используемых систем наблюдения отводится аэрокосмическим комплексам. Это, в первую очередь, связано с возможностью использования широкого диапазона наблюдений исследуемой территории, как по детальности и площади ее отображения, так и по возможности анализа физических свойств объектов в различных зонах электромагнитного спектра. Данные свойства аэрокосмических изображений позволяют их с успехом использовать как на начальных стадиях проведения фонового мониторинга, так и в ходе проведения строительного и эксплуатационного мониторинга. Успешная реализация данных решений возможна лишь при оптимальных выборах технологических маршрутов получения исходных изображений и их цифровой обработки. Следует отметить, что требования к проведению аэрокосмического мониторинга определяются стадией проводимых наблюдений и, соответственно, перечнем решаемых при этом задач.

В ходе проведения фонового мониторинга по материалам аэрокосмических съемок решаются следующие задачи:

-осуществляется привязка изображений к топооснове разных масштабов и существующим схемам ландшафтного, геоструктурного, инженерно-геологического и других видов районирования;

-выявляются участки развития опасных геологических, гидрометеорологических и техно-природных процессов и явлений;

-выявляются техногенные элементы ландшафта и инфраструктуры, влияющие на состояние природной среды (промобъекты, транспортные магистрали, трубопроводы, карьеры и др.);

-выполняется предварительная оценка негативных последствий прямого антропогенного воздействия (ареалов загрязнения, гарей, вырубок и других нарушений растительного покрова, изъятия земель и т. п.);

-осуществляется слежение за динамикой изменения экологической обстановки;

-определяется количество и место расположения точек наземной локальной сети мониторинга.

При этом рекомендуется выполнять: предварительное дешифрирование (до проведения полевых работ), полевое дешифрирование (в процессе проведения полевых работ), окончательное дешифрирование (при камеральной обработке материала, выполнении экстраполяционных операций и составлении отчета).

На основании результатов сбора материалов и данных о состоянии природной среды и предварительного дешифрирования составляются схематические экологические карты и схемы хозяйственного использования территории, предварительные легенды, ландшафтно-индикационные таблицы, оценочные шкалы и классификации, а также планируются наземные маршруты с учетом расположения выявленных источников техногенных воздействий.

В настоящее время для решения данного класса задач используются как известные зарубежные программные комплексы ERDAS, ENVI, ArcGIS, так и разработанные в последнее время отечественные комплексы ScanMagic (фирма Scanex) и геоинформационная система АГИР (Агентство Геоинформатики и Риска). Данные системы реализуют комплексную обработку и анализ, как полученной видеоинформации, так и уже существующей картографической информации, обеспечивая на конечном этапе создание многослойных тематических геоинформационных продуктов, лежащих в основе оценки состояния наблюдаемых природных компонентов

Использование специализированных программных продуктов позволяет существенно повысить эффективность и качество обработки аэрокосмических изображений применительно к конкретным задачам мониторинга.

В качестве примера реализации такого подхода на рисунке 2 представлены образцы аэрокосмического мониторинга нефтяного месторождения на стадии эксплуатации.

Рис.2 Комплексный анализ динамики развития месторождения на разновременных космических изображениях и аэроизображении

Представленные материалы иллюстрируют возможности использования материалов аэрокосмических съемок при решении классических задач мониторинга площадных территорий месторождений на стадии эксплуатации.

Следует отметить, что возможный симбиоз последних достижений получения цифровых изображений и геоинформационных технологий, существенно расширяет возможности повышения эффективности решения классических задач экологического мониторинга. Это возможно только при разработке достаточного количества классификаторов объектовой информации и повышения степени автоматизации процессов комплексного анализа и отображения получаемой информации на основе интегрированных геоинформационных технологий.

2.2. Комплексный космический мониторинг прибрежных акваторий

Одним из наиболее важных направлений изучения Мирового океана является исследование его прибрежных зон. Это обусловлено тем, что в прибрежных зонах проживает более половины населения Земли и они подвергаются интенсивным антропогенным воздействиям. Кроме того, в настоящее время шельф и континентальный склон начинают интенсивно осваивать для добычи природных ресурсов, что существенно усиливает антропогенную нагрузку на эти области.

Основными источниками антропогенных воздействий на моря и океаны, и прежде всего на прибрежные акватории, являются: промышленное производство; добыча полезных ископаемых и углеводородного сырья; сброс промышленных и хозяйственных вод непосредственно в море или с речным стоком; поступление с суши различных веществ, применяемых в сельском и лесном хозяйствах; преднамеренное захоронение в море загрязняющих, в том числе радиоактивных, веществ; утечка различных веществ в процессе судовых операций; аварии на морском транспорте и военных кораблях;аварийные выбросы с подводных трубопроводов; туристическая и рекреационная деятельность; перенос загрязняющих веществ через атмосферу и т. п.

Неуклонное нарастание суммарного воздействия многих источников загрязнений приводит к прогрессирующей эвтрофикации и микробиологическому загрязнению морской воды, что существенно затрудняет ее использование для различных нужд человека. Высокая концентрация загрязняющих веществ антропогенного происхождения в приповерхностном слое океана вызывает нарушение баланса экосистем и снижение биопродуктивности акваторий. В связи с этим актуальными становятся организация мониторинга морской среды и создание соответствующих систем, важное место среди которых занимают аэрокосмические средства.

2.2.1. Роль космических средств для мониторинга прибрежных акваторий

За последнее время достигнуты значительные успехи в области развития аэрокосмических методов и технологий дистанционного зондирования океана. Перспективность их использования для решения задач мониторинга акваторий, в том числе прибрежных, основана на возможности регистрации современной дистанционной аппаратурой широкого спектра значимых параметров водной среды. К ним относятся, прежде всего:

– вариации гидрооптических характеристик, в первую очередь цвета и мутности, за счет флуктуаций коэффициентов рассеяния и поглощения света при изменениях концентрации взвешенных и поглощающих веществ;

– изменения гидродинамических параметров (поля течений, внутренние волны, турбулентность, циркуляционные движения и др.), приводящие к деформациям поверхностного волнения и изменениям характеристик приповерхностного слоя океана;

– вариации температуры в областях полей течений, апвеллинга, взаимодействия турбулентности и внутренних волн с водной поверхностью и др.;

– флуктуации параметров физико-химических полей океана, приводящие к изменениям температуры, солености, диэлектрической проницаемости, концентрации тяжелых металлов и т. п.;

– вариации биологических параметров (концентрация основных биогенных элементов (азота, кислорода, фосфора), кислотность, состояние фитопланктона в океане и др.);

– появления нефтяных пленок и изменения концентрации пленок поверхностно-активных веществ за счет растворенной органики, приводящие к изменениям цвета, температуры, амплитудно-частотных характеристик волнения;

– вариации уровня океана, вызванные приливно-отливными процессами, геострофическими течениями, волнами цунами и т. п.

Кроме этого, достаточно высокий уровень достигнут в области обработки космических данных, а также в усвоении больших потоков информации, полученной при комплексном мониторинге различных физических, химических и биологических полей океана с использованием спутниковых и подспутниковых средств.

При космическом мониторинге прибрежных акваторий могут решаться следующие задачи:

– исследование динамики прибрежных вод (поверхностных течений, океанических фронтов, турбулентности и циркуляционных движений различных масштабов, взаимодействия внутренних и поверхностных волн, механизмов переноса массы и энергии и т. д.).

– исследование различных гидрофизических полей в толще вод прибрежных акваторий по эффектам на поверхности и в приповерхностном слое;

– оценки углеродного бюджета прибрежных вод и оценка их вклада в углеродный цикл;

– исследование биопродуктивности и биоразнообразия прибрежных акваторий;

– выявление загрязнений прибрежных вод, обусловленных различными источниками;

– изучение изменения экосистем в прибрежных зонах морей и океанов под влиянием естественных и антропогенных факторов;

– комплексные исследования состояния и изменчивости прибрежных акваторий, в том числе при антропогенных воздействиях;

– изучение зон апвеллинга;

– мониторинг ледовой обстановки (в северных морях);

– определение рельефа дна в шельфовых зонах и его изменений под воздействием разных процессов;

– исследование приливно-отливных явлений в региональном масштабе;

– предупреждение катастрофических природных процессов в прибрежных акваториях (цунами, подводные землетрясения и т. п.) и оценка их последствий.

Перечисленный (не исчерпывающий) набор задач, решаемых космическими средствами дистанционного зондирования океана, свидетельствует об их широких возможностях. Поэтому космические методы и средства уже сегодня играют значительную роль в мониторинге океана и его прибрежных зон. В ближайшем будущем их значение для решения этой актуальной задачи будет существенно возрастать.

Список используемой литературы:

1. Бондур В. Г. Аэрокосмические методы в современной океанологии. // В кн. “Новые идеи в океанологии”. Т1: Физика. Химия. Биология / Отв. ред. М. Е

2. Бондур В. Г. Проблемы аэрокосмического мониторинга океана // Исследования в области океанологии, физики атмосферы, географии, экологии, водных проблем и геокриологии. М.: Геос, 2001. С. 87-94.

3. Бондур В. Г., Гребенюк Ю. В. Дистанционная индикация антропогенных воздействий на морскую среду, вызванных заглубленными стоками: моделирование, эксперименты// Исследование Земли из космоса, 2001, №6, с. 49-67.

4. Землеустройство с основами геодезии. – М., 2002

5. Виноградов, С. С. Лаппо. – М.: Наука, 2004, с. 55 – 117.

6. Картография. – М., 2001


Аэрокосмический мониторинг