Мониторинг 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. Это резко повышает оперативность мониторинга при достижении пороговых уровней контролируемых показателей, например, на отдельных участках контроля. Такой подход позволяет по данным мониторинга предпринять немедленные действия, если пороговый уровень превышен.

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

1.1 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.

1.2 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 морфои 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:

1) 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.

1.3 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.

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:

1) 10-летний прогноз климата;

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

3) 12-месячный прогноз выпадения дождей в региональном масштабе;

4) 60-дневный прогноз извержения вулканов;

5) 10−14-суточный прогноз погоды;

6) 5-дневный прогноз маршрутов ураганов с точностью 30 км;

7) 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 (24×34 м), радиолокатор бокового обзора с разрешением 2.5×1.3 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 (24×34 м), радиолокатор бокового обзора с разрешением 2.5×1.3 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.

2.1 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.

2.2 Авиационные методы мониторинга природных ресурсов

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

Для выполнения специальных задач, в частности для аэрофотосъемки, беспилотный летательный аппарат (БПЛА) должен рассматриваться в совокупности с его приборным оснащением и полезной нагрузкой, для чего введен термин беспилотная авиационная система (БАС).

БАС, помимо БПЛА, состоит из бортового комплекса управления, полезной нагрузки и наземной станции управления.

1. Бортовой комплекс:

· Интегрированная навигационная система;

· Приемник спутниковой навигационной системы;

2. Автопилот. Задачи автопилота:

· пилотирование:

· автоматический полет по заданному маршруту,

· автоматический взлет и заход на посадку,

· поддержание заданной высоты и скорости полета, стабилизация углов ориентации,

· принудительная посадка в случае отказа двигателя или прочих серьезных неполадок.

· программное управление бортовыми системами и полезной нагрузкой, например: стабилизация видеокамеры и синхронизация по времени и координатам срабатывания затвора фотоаппарата, выпуск парашюта.

· накопитель полетной информации.

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА или БЛА) — в общем случае это летательный аппарат без экипажа на борту. Понятие летательный аппарат включает в себя большое число типов, у каждого из которых есть свой беспилотный аналог. В прессе, когда речь идет о резком всплеске интереса к беспилотникам, и в данном материале под определение БПЛА попадает более узкое понятие. А именно: летательный аппарат без экипажа на борту, использующий аэродинамический принцип создания подъемной силы с помощью фиксированного или вращающегося крыла (БПЛА самолетного и вертолетного типа), оснащенный двигателем и имеющий полезную нагрузку и продолжительность полета, достаточные для выполнения специальных задач.

Для еще более точного определения тех БПЛА, которые будут рассматриваться ниже, необходимо подробнее остановиться на такой важной характеристике как способ управления БПЛА.

Существует следующие способы:

Ручное управление оператором (или дистанционное пилотирование) с дистанционного пульта управления в пределах оптической наблюдаемости или по видовой информации, поступающей с видеокамеры переднего обзора. При таком управлении оператор прежде всего решает задачу пилотирования: поддержание нужного курса, высоты и т. д.

Автоматическое управление обеспечивает возможность полностью автономного полета БЛА по заданной траектории на заданной высоте с заданной скоростью и со стабилизацией углов ориентации. Автоматическое управление осуществляется с помощью бортовых программных устройств.

Полуавтоматическое управление (или дистанционное управление) — полет осуществляется автоматически без вмешательства человека с помощью автопилота по первоначально заданным параметрам, но при этом оператор может вносить изменения в маршрут в интерактивном режиме. Таким образом, оператор имеет возможность влиять на результат функционирования, не отвлекаясь на задачи пилотирования.

Ручное управление может быть одним из режимов для БПЛА, а может быть единственным способом управления. БПЛА, лишенные каких-либо средств автоматического управления полётом — радиоуправляемые авиамодели — не могут рассматриваться в качестве платформы для выполнения серьезных целевых задач.

Последние два способа в настоящее время являются наиболее востребованными со стороны эксплуатантов беспилотных систем, т.к. предъявляют наименьшие требования к подготовке персонала и обеспечивают безопасную и эффективную эксплуатацию систем беспилотных летательных аппаратов. Полностью автоматическое управление может быть оптимальным решением для задач аэрофотосъемки заданного участка, когда нужно снимать на большом удалении от места базирования вне контакта с наземной станцией. В то же время, поскольку за полет отвечает лицо, осуществляющее запуск, то возможность влиять на полет с наземной станции может помочь избежать внештатных ситуаций.

Предпосылками применения БПЛА в качестве нового фотограмметрического инструмента являются недостатки двух традиционных способов получения данных ДЗЗ с помощью космических спутников (космическая съемка) и воздушных пилотируемых аппаратов (аэрофотосъемка). Данные спутниковой съемки позволяют получить снимки с максимальным общедоступным разрешением 0,5 м, что недостаточно для крупномасштабного картирования. Кроме того, не всегда удается подобрать безоблачные снимки из архива. В случае съемки под заказ теряется оперативность получения данных. В отношении компактных участков операторы и дистрибьюторы зачастую не проявляют гибкой ценовой политики.

Традиционная аэрофотосъемка, которая проводится с помощью самолетов (Ту-134, Ан-2, Ан-30, Ил-18, Cesna, L-410) или вертолетов (Ми-8Т, Ка-26, AS-350) требует высоких экономических затрат на обслуживание и заправку, что приводит к повышению стоимости конечной продукции.

Применение стандартных авиационных комплексов нерентабельно в следующих случаях:

Съемка небольших объектов и малых по площади территорий. В этом случае экономические и временные затраты на организацию работ, приходящиеся на единицу отснятой площади, существенно превосходят аналогичные показатели при съемке больших площадей (тем более для объектов, значительно удаленных от аэродрома);

1) При необходимости проведения регулярной съемки в целях мониторинга протяженных объектов: трубопроводы, ЛЭП, транспортные магистрали.

Таким образом, плюсами применения БПЛА являются:

1. Рентабельность.

2. Возможность съемки с небольших высот и вблизи объектов. Получение снимков высокого разрешения.

3. Оперативность получения снимков.

4. Возможность применения в зонах чрезвычайных ситуаций без риска для жизни и здоровья пилотов.

Стоит отметить, что технология аэрофотосъемки с БПЛА в значительной степени отработана. В настоящее время большая часть существующих и эксплуатируемых БПЛА предназначены для воздушной разведки и наблюдения, которые осуществляются с помощью фотои видеосъемки.

Российские эксплуатанты БПЛА предпочитают закупать отечественные модели, поскольку данная техника требует высокого уровня тех. поддержки (тестирование перед покупкой, обучение работе с БПЛА персонала) и оперативного сервиса (ремонт, зап. части). Кроме того, ввоз импортных БПЛА сопряжен с таможенными хлопотами и получением разрешений (техника потенциально может быть использована в военных целях).

Функции наземного пункта управления:

— слежение за полетом;

— прием данных;

— передача команд управления

2.3 Компьютерные методы обработки данных

Целью обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ) является получение снимков или изображений с требуемыми радиометрическими и геометрическими характеристиками. Рассмотрим основные этапы обработки данных. Радиометрическая точность обеспечивается системами внутренней и внешней калибровки. Информация, необходимая для окончательной калибровки данных, должна содержаться в структуре передаваемого на землю сигнала и учитываться при последующей обработке. Наземная система обработки данных предназначена для извлечения полезной информации из мультиспектральных данных ДЗ и передачи ее потребителям. Система обработки является промежуточным звеном между датчиком ДЗ и пользователем. Поэтому ее характеристики во многом зависят как от характера данных, так и в значительной степени от требований потребителей информации ДЗ.

На первом этапе, после приема спутниковых данных, записи их на магнитный носитель и выполнения необходимых декодирующих и корректирующих операций происходит преобразование данных (с учетом калибровок), переданных с космических аппаратов, непосредственно в изображение или космический снимок, а также преобразование их в форматы, удобные для последующих видов обработки.

На втором этапе проводят радиометрические и геометрические преобразования (коррекцию) для исправления радиометрических и геометрических искажений, вызванных нестабильностью работы космического аппарата (КА) и датчика, а также географическую привязку изображения с наложением на него сетки координат, изменение масштаба изображения и представление изображения в необходимой географической проекции (геокодирование). Первый и второй этапы обработки в настоящее время могут быть выполнены на борту космических аппаратов.

Третий этап — тематическая обработка — включает как цифровой анализ с применением статистических методов обработки (кластерный анализ, методы выделения признаков и классификацию для количественных оценок и т. п.), так и визуальное дешифрирование и интерпретацию. Тематическую обработку целесообразно проводить в интерактивном или полностью автоматизированном режиме. Для этих целей разработаны различные виды программного обеспечения тематической обработки с использованием специализированной компьютерной техники, в основном зарубежного производства.

Радиометрические преобразования используются для перевода необработанных мультиспектральных данных в радиометрически корректное и совместимое множество измерений. Часто эти преобразования используются для коррекции определенных типов искажений в системе сбора данных, таких как некомпенсированная нестабильность электронных устройств. Иногда вводится поправка на изменения параметров среды во время зондирования (состояние атмосферы, изменение освещенности). Радиометрические преобразования используются также для абсолютной калибровки данных, т. е. для преобразования интенсивности изображения, измеренной датчиком, в значение измеряемых физических параметров (перевод цвета изображения в значения содержания хлорофилла). С помощью геометрических преобразований изменяют геометрию изображения либо корректируют геометрические искажения, вносимые аппаратурой Искажения возникают, в результате ограниченности разрешения каждой системы, а также вследствие дефектов или погрешностей в системе регистрации данных. Геометрические искажения могут быть устранены или существенно уменьшены с помощью соответствующей обработки, если имеются данные, характеризующие положение датчика в пространстве в момент съемки и геометрию подстилающей поверхности. Совмещение и наложение данных — это термины, которыми обозначаются процессы геометрического выравнивания одного множества данных относительно другого. Заметим, что существует большое разнообразие данных, которые можно совместить или наложить друг на друга, например, распределение данных дистанционного зондирования океана в виде изображения или снимка можно наложить на данные о подводной топографии, о контактных подспутниковых измерениях, о метеорологических параметрах и т. п. Масштабирование, преобразование проекций, исправление систематических искажений — процедуры, необходимые для получения изображения в нужном масштабе или географической проекции и для устранения различных искажений, возникших из-за нестабильности платформы космических аппаратов. Представление данных — один из важных видов обработки и анализа данных. Формы представления данных в значительной степени зависят от характера приложений и от используемой процедуры обработки.

Сжатие и архивация данных является наиболее важным элементом обработки, так как в процедуре ДЗ приходится обрабатывать огромные потоки данных и хранить обработанную информацию. Путем уменьшения формата или объема данных в коммуникационных системах, возможно понизить требования к передаче, хранению и обработке данных, что в конечном итоге приводит к снижению стоимости системы обработки в целом.

Под улучшением изображений в широком смысле понимают процедуры улучшения любой разновидности данных, представленных в виде изображения, а в узком — процедуры, улучшающие визуальное восприятие данных, представленных в виде изображения. Все процедуры улучшения изображений могут быть полезны безотносительно того, действительно ли данные дистанционного зондирования должны быть визуализированы. Другие операции предназначены для уменьшения различных видов аппаратурных шумов и тем самым могут быть использованы для улучшения последующего классификационного анализа.

Результаты, полученные после обработки и анализа данных дистанционного зондирования, представляются конечным потребителям в определенном, строго оговоренном виде и формате (таблицы, массивы данных, графики, схемы, карты). Причем пользователи делятся на множество категорий — от так называемых продвинутых пользователей, которые смогут потреблять продукты с минимальной обработкой или без обработки вообще, до абсолютно неподготовленных, которым нужны конечные продукты дистанционного зондирования в виде таблиц, карт или графиков.

На сегодня в системах обработки данных стали стандартом рабочие станции и персональные компьютеры с высокоскоростными процессорами и накопителями большой емкости, что предъявляет соответствующие требования к процедурам обработки данных. В настоящее время разработано множество пакетов прикладных программ различного уровня для обработки данных дистанционного зондирования и изображений, начиная от распространяемых бесплатно и кончая дорогими высокопрофессиональными.

Заключение

• Экологическая ситуация в любом городе и сельскохозяйственном районе может кардинально измениться не только за продолжительное время, но часто и за считанные часы, так как интенсивность выбросов предприятиями отходов в атмосферу или водоем, рекреационная нагрузка на лесопарк, количество и тип пестицида, который использован для обработки посевов, интенсивность попадания животноводческих стоков в реку и т. д. иногда катастрофически увеличивается. Поэтому необходимо вести регулярное наблюдение за состоянием экосистем и их элементов. Такие постоянные наблюдения за происходящими в экосистемах процессами называются экологическим мониторингом.
• Огромное значение в организации рационального природопользования имеет изучение его проблем на глобальном, региональном и локальном уровнях, а также оценка качества природных ресурсов на конкретных территориях с помощью дистанционных наземных средств мониторинга. Сложившаяся к настоящему времени организация мониторинга природных ресурсов и их важнейших элементов на территории России характеризуется тем, что каждое ведомство создавало и обеспечивало функционирование собственной системы наблюдения и контроля.

Таким образом, главная проблема мониторинга — в осмыслении получаемых данных и в организации их эффективного практического использования. Существенно тормозит прогресс в этой области почти полное отсутствие аналитиков, специализирующихся на проблеме природопользования.

1. http://ru.wikipedia.org

2. http://epizodsspace.airbase.ru

3. Министерство природных ресурсов и экологии Иркутской области — «Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2007 г.» — И. 2008 г.

4. Министерство природных ресурсов и экологии Иркутской области — «Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2007 г.» — И. 2010 г.

5. Под ред. Л. А. Муравья — доктора физико-математических наук, профессора — «Экология и Безопасность жизнедеятельности» — М. 2000 г.

6. В. А. Черников, Р. М. Алексахин, А. В. Голубев, под ред. В. А. Черникова — «Агроэкология» — М.: 2000 г.

7. Т. А. Хван, П. А. Хван — «Основы экологии» — Р-н-Д «Феникс»: 2001 г.

8. К. М. Петров — «Общая экология» — С-П «Химия»: 1998 г.

9. А. А. Варламов, С. Н. Захаров, С. А. Гальченко — «Мониторинг земель» — М.: 2000 г.