Дистанционные методы получения исходной информации

(аэрокосмический мониторинг)

Дистанционные методы мониторинга основаны на бесконтакт­ной регистрации (дистанционном зондировании) электромагнитных волн отражённого солнечного света и собственного излучения поверхности Земли с самолётов, вертолётов и различных космических аппаратов. Преимущество дистанционного зондирования (прежде все­го из космоса) перед другими методами заключается в возможности достаточно частой повторности (а при необходимости и непрерывности) наблюдений во времени, оперативности получения аэрокосмиче­ских материалов, получении на одном изображении обширных и от­даленных территорий и акваторий (в том числе в виде экранных электронных карт в различных диапазонах спектра), возможности пространственно - временного анализа одновременно нескольких ком­понентов природы в их взаимосвязи. По масштабу и детальности полученной информации космические изображения разделяют на гло­бальные, региональные и локальные (табл. 2). Особенно велика роль космических методов при глобальных мониторинговых исследовани­ях. Только съёмки из космоса могут обеспечить систематическое слежение за антропогенными нарушениями природы в масштабе всей биосферы в целом.

 

Таблица 2. Характеристика космических изображений

 

Размерность изображений	Масштаб изображений	Пространственное разрешение,м	Высота съёмки, км	Иерархический уровень природных систем
Глобальные   Региональные   Локальные	Мельче 1:1000 000     1:1000 000 -1:200 000     Крупнее 1: 200 000	Более 1000   100 – 1000   Менее 100	Более 1000   300 – 1000   Менее 300	Ландшафтные страны, зоны, мегасистемы   Ландшафтные области, районы, макроэкосистемы   Местности, урочища, мезоэкосистемы биогеоценозы, фации) (

 

Аэрокосмический мониторинг позволяет выявить, очаги и харак­тер нарушений природных объектов с минимальной инерцией во вре­мени; установить и картографировать степень, скорость и пространст­венные масштабы нарушений (в том числе загрязнения) или преобразования природной среды; проанализировать и оценить современное состояние природных компонентов и комплексов и составить прогноз последствий хозяйственной деятельности человека.

Для получения динамической информации об антропогенных из­менениях и состоянии природной среды необходимо сопоставление повторных аэрокосмических изображений одной и той же территории через определённые промежутки времени. Оно производится как визу­ально, так и инструментально. Автоматическое сопоставление выпол­няется методом анализа различий с последующей их интерпретацией или методом машинной классификации с последующим сравнением полученных результатов.

В аэрокосмическом мониторинге используются различные мето­ды наблюдений. В настоящее время различают шесть основных видов съёмок: фотографические одно- и многозональные, телевизионные в видимой и инфракрасной областях спектра, спектрометрическую инди­кацию, инфракрасную индикацию, микроволновую индикацию, радар­ную индикацию.

Фотографирование осуществляется во всей видимой части спектра (длина волн 0,4-0,8 мкм) и в ближней инфракрасной (0,8-1Дмкм). Получаемые снимки обладают большой информативностью и высокой разрешающей способностью (до 10-20 м). Для мониторинга используются как чёрно-белые снимки, так и цветные фотографии, которые передают изображение в естественных цветах. Ещё большей достоверностью распознавания объектов обладают многозональные фо­тографии, т.е. изображения, полученные в результате синхронного фо­тографирования одного и того же участка в разных и достаточно уз­ких спектральных интервалах. Они особенно эффективны при изуче­нии загрязнения вод, заболачивания и засоления почв, состояния рас­тительности.

Телевизионная съемка имеет ряд преимуществ перед обычным фотографированием, хотя качество изображений уступает фотосним­кам. Она не требует возвращения плёнки на Землю и даёт сигнал в форме, удобной для запоминания, хранения и автоматической обра­ботки. Телевизионная съёмка наиболее перспективна для регистрации быстро меняющихся природных и природно-антропогенных явлений (пыльных бурь, лесных пожаров, наводнений и т.п.)

Спектрометрическая индикация основана на определении ха­рактеристик спектральной отражательной способности природных и антропогенных образований (коэффициента спектральной яркости, аль­бедо и др.). Её достоинство состоит в возможности получения опти­ческих характеристик в узких зонах спектра и осуществления автома­тической обработки и анализа данных на компьютерах. Успешно при­меняется многоспектральная съёмка - зондирование в узких спектральных интервалах с помощью фотоэлектронных умножителей, ска­неров и других современных приборов. Она особенно перспективна при выявлении атмосферных загрязнений, состояния сельскохозяйст­венных посевов, нарушения естественных фитоценозов.

Инфракрасная индикация базируется на регистрации длинно­волнового отражения солнечного света (0,7-2,5 мкм) и собственного теплового излучения Земли (3 мкм и более). Она фиксирует различия так называемых радиационных температур, т.е. температур теплового потока, идущего от объекта наблюдения, с точностью до 0,5-1,0'С. Обработка, анализ и картографирование этих данных позволяет уста­новить степень увлажнения почв, определить нарушения растительно­сти экосистем (в частности, деградацию пастбищ), выявить очаги под­топления и получить другую мониторинговую информацию.

Микроволновая индикация (регистрация пассивного радиотеп­лового излучения Земли в диапазоне 0,3-30 см) и радарная индика­ция (активная локация объектов с летательных аппаратов) - это но­вые направления мониторинговых наблюдений. Их использование пер­спективно ввиду почти полной независимости от погодных условий и возможности проникновения радиоволн в почвогрунты на глубину не­скольких метров. Радарная индикация позволяет четко регистрировать геометрию отражательной поверхности, что даёт возможность опреде­лить границы полей и лесов, площади и даже виды растений и уго­дий (луга, пашни, болота).

Каждый из рассмотренных методов дистанционного зондирования обладает определёнными достоинствами лишь в сравнительно узких диапазонах спектра и при наличии определённых технических и при­родных условий. Поэтому только использование нескольких разно­масштабных, разновременных и разноспектральных съёмок в сочета­нии с наземными наблюдениями создает возможность для получения достаточно полной и достоверной информации о состоянии и антро­погенном изменении природной среды.

В последнее десятилетие оформились два направления геоэколо­гического дистанционного зондирования (Книжников, Кравцова, 2000): а) ставшие уже традиционными исследования региональною и ло­кального уровней, базирующиеся на использовании аэрокосмических снимков с широким спектром тематических направлений, связанных с изучением антропогенного воздействия на природную среду; б) гло­бальные дистанционные исследования, в которых поступающая со спутников информация служит непосредственным источником для соз­дания особых компьютерных карт.

При региональном и локальном мониторинге главным источни­ком информации является снимок, дешифрирование которого осущест­вляется преимущественно с помощью визуальных методов. Типичным примером подобных работ являются исследования состояния и антро­погенных изменений природной среды, проводившиеся в Приаралье в 70-80-х гг. Для изучения процессов опустынивания, связанных с край­не нерациональным использованием водных и земельных ресурсов, была разработана программа наблюдений, которая включала космиче­скую, авиационную и наземную съёмки на региональном и локальном уровнях. В неё входили комплексные исследования условий природо­пользования, изменения ландшафтов и процессов опустынивания. Со­ответственно был определён конкретный набор объектов наблюдения и их характеристик, разработаны требования к аэрокосмической съём­ке территории для решения различных задач мониторинга (Виногра­дов, 1984).

При глобальных исследованиях основным источником информа­ции становятся результаты трассовых и точечных измерений в опти­ческом диапазоне (радиометры видимого и инфракрасного диапазона, тепловые инфракрасные радиометры), в радиодиапазоне (измерения собственного и отражённого излучения с помощью микроволновых радиометров и радиолокаторов) и в ультрафиолетовом диапазоне (ультрафиолетовые спектрометры для определения содержания озона в атмосфере). Обработка принятых сигналов производится автоматически с помощью компьютеров на основе специально разработанных алго­ритмов. Так, по принятой датчиком интенсивности ультрафиолетового излучения можно судить о мощности озонового слоя, а по цветовому индексу, полученному при регистрации отражения солнечных лучей в зелёной и голубой зонах спектра, можно определить концентрацию фитопланктона в океане. В результате сформировался новый вид мо­ниторинговой информации - спутниковые компьютерные карты, созда­ваемые непосредственно по цифровым данным (Книжников, Кравцова, 2000). Они представляют собой ценный материал для анализа и оцен­ки состояния компонентов природной среды на глобальном уровне.