Полная версия

Главная arrow БЖД arrow Мониторинг среды обитания

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Системы аэрокосмического мониторинга, продолжительность их функционирования

Аэрокосмический мониторинг - уникальная информационная система, поскольку только с ее использованием могут быть легко получены осредненные по большим масштабам (в пространстве и во времени) интегральные признаки и характеристики экосистем. Аэрокосмический метод - основной в решении задачи слежения за динамикой антропогенных изменений в экосистемах на больших площадях.

Для этой цели, помимо самолетных и аэростатных средств, широко используются специальные спутники и спутниковые системы - -Метеор || и

-Метеор - Природа, созданные в -ERTS - (Earts Resources Technology Sattelite), -SKYLAB и -LANDSAT.

В аэрокосмическом мониторинге в основном используются пассивные методы измерения. Среди них наибольшее распространение получил метод многозональной видеоинформации (МВИ), получаемой с использованием специальных приборов - сканеров типа MSS - (multispectral scanners), работающий в четырех полосах ИК - излучения 0,5 - 0,6; 0,6 - 0,7; 0,7-0,8 и 0,8-1,1 мкм. Этот способ получения информации в основном используется на спутниках США. Российские спутники первоначально были оснащены основаны на простом соображении. Если измерить параметры светового потока на двух достаточно близких частотах, одна из которых совпадает с частотой максимального поглощения примесью, а вторая находится за пределами максимума, то, взяв отношение интенсивностей проходящего через исследуемую среду света, получают результат, почти лишенный влияния случайных факторов (шума). Действительно шум одинаковым образом отражается на величинах и в числителе, и в знаменателе, поэтому отношение этих величин оказывается почти лишенным влияния шума. Заметим, что полное исключение влияния внешнего шума возможно только при равенстве основной и опорной частот. Однако при этом исчезает возможность осуществления самого сравнительного измерения.

Процесс нормирования на опорный сигнал использует этот же принцип. Лучше всего оба приема реализуются при использовании активных дистанционных измерений с мощным моно хроматическим источником света - лазером.

Для двухчастотных измерений лазер должен быть настраиваемым на две или более частоты. При нормировании на опорный сигнал можно использовать и одночастотные лазеры.

Появление опорного сигнала другой частоты связано с некоторыми естественными процессами в зондируемом объекте. Например, если лазерный метод используется для регистрации летящим вертолетом загрязнения поверхности воды нефтяной пленкой, то посылаемый с вертолета лазерный луч создает флуоресцентный сигнал нефтяного загрязнения и одновременно возбуждает молекулы воды, которые создают эхо-сигнал комбинационного рассеяния. Взяв отношение флуоресцентной компоненты к компоненте комбинационного рассеяния, производят операцию нормирования первого сигнала на второй. Полученное отношение будет мало зависеть от процессов в атмосфере (туман, дымка, турбулентность).

МВИ-снимки перспективно использовать при определении степени загрязненности атмосферы пылевыми и аэрозольными частицами. В видимом диапазоне света удается надежно идентифицировать пылевые выбросы трубами спектра. Позднее наши спутники также стали использовать мультиспектральные сканеры.

Для многозональных спектральных съемок используется излучение в диапазоне длин волн, относящихся к окнам прозрачности атмосферы. УФ- излучение с длинами волн короче 300 нм при таких съемках не используется, поскольку оно практически полностью поглощается атмосферой. Видимое

46

излучение легко проходит через атмосферу Земли (кроме нескольких узких полос поглощения) и поэтому с успехом применяется в спектральных съемках, так же как и излучение в ближней ИК области, которые чаще всего используют для изучения природных ресурсов и состояния природных, сред, выделения антропогенных эффектов. Для многоцелевого зондирования удобен также диапазон ИК области 8-15 мкм, поскольку здесь практически отсутствует поглощение в атмосфере, а также тепловой и радио диапазон. В целом ценность информации о подстилающей поверхности и об атмосфере зависит от правильности выбора Диапазонов длин волн.

Нас в данном пособии в основном интересует мониторинг атмосферного воздуха. Надо признать, что получить информацию о вещественном составе пассивными методами крайне сложно.

Применение же активных лазерных методов, способных обеспечить получение информации о составе и содержании примесей возможно, но сильно осложняется целым рядом явлений в атмосфере, создающим значительные помехи для измерений концентраций ЗВ на протяженных трассах (атмосферный шум).

Даже в самых благоприятных условиях 54% сигнала МВ И определяется так называемой атмосферной дымкой. Существенные помехи возникают из-за турбулентности атмосферы. Поэтому простое измерение поглощения света на какой-то длине волны не позволяет сделать однозначных выводов аэроаналитического характера. Чтобы уменьшить уровень шума, применяют двухчастотный метод или методы нормирования сигнала. Оба названных приема ТЭЦ, пожарами и т.п. и определить интенсивность этих потоков и длину распространения. В ИК-Диапазоне легко установить тепловые выбросы и определить их мощность. Наблюдения за дымовыми выбросами позволяют установить концентрацию частиц в факелах. Ингредиенты факелов можно определить по поглощению света в различных участках спектра.

Косвенный метод определения загрязнения атмосферы основан на регистрации степени поражения хвойной растительности дымовыми выбросами. Такой метод использовался спутником ERTS-1, на котором измерялась спектральная яркость в диапазонах 0,5-0,7 и 0,8-0,9 мкм.

Способы выявления изменений при аэрокосмическом мониторинге Спутниковые данные дистанционного зондирования позволяют решать следующие задачи контроля состояния окружающей среды:

1. Определение метеорологических характеристик: вертикальные

профили температуры, интегральные характеристики влажности, характер облачности и т. д.);

  • 2. Контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий;
  • 3. Определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности;
  • 4. Обнаружения крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий;
  • 5. Контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон;
  • 6. Обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах;
  • 7. Выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах;
  • 8. Регистрация дымных шлейфов от труб;
  • 9. Мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;
  • 10.Обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;
  • 11 .Контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах влияния промышленных предприятий.

Целью обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ) является получение снимков или изображений с требуемыми радиометрическими и геометрическими характеристиками. Рассмотрим основные этапы обработки данных. В общем случае обработка данных дистанционного зондирования включает три этапа:

  • 1. предварительная обработка — прием спутниковых данных, запись их на магнитный носитель, декодировка и корректировка, преобразование данных непосредственно в изображение или космический снимок или в форматы, удобные для последующих видов обработки;
  • 2. первичная обработка — исправление искажений, вызванных нестабильностью работы космического аппарата и датчика, а также географическая привязка изображения с наложением на него сетки координат, изменение масштаба изображения и представление изображения в необходимой географической проекции (геокодирование);
  • 3. вторичная (тематическая) обработка — цифровой анализ с применением статистических методов обработки, визуальное дешифрирование и интерпретация в интерактивном или полностью автоматизированном режиме.

Первый и второй этапы обработки в настоящее время могут быть выполнены на борту космического аппарата.

Многозональная съемка ведется многие годы, и исследователи накопили большой объем эмпирических данных. Уже хорошо известно, какие соотношения яркости в различных зонах спектра соответствуют растительности, обнаженной почве, водным поверхностям, урбанизированным территориям и другим распространенным типам ландшафта, существуют библиотеки спектров различных природных образований. Выразив эти соотношения в виде линейных комбинаций различных зон, можно получать так называемые индексы. Так как многие современные системы дистанционного зондирования Земли осуществляют съемку в видимой красной и ближней инфракрасной частях спектра, то распространенным методом является вычисление нормализованного вегетационного индекса (NDVI). Нормализованный вегетационный индекс показывает наличие и состояние растительности по соотношению

48

отраженных энергий в 2 спектральных каналах. Вычисляется по следующей формуле: NDVI=NIR-RED/NIR+RED, где NIR — отражение в ближней инфракрасной области спектра; RED — отражение в красной области спектра. Эта зависимость основана на различных спектральных свойствах хлорофилла в видимом и ближнем ИК диапазонах. Вегетационные индексы можно рассматривать как промежуточный этап при переходе от эмпирических показателей к реальным физическим свойствам растительного покрова. Часто вычисляют универсальные и территориально-привязанные индексы: LAI — индекс листовой поверхности или FPAR — индекс фотосинтетической активной радиации, поглощаемый растительностью и пр. Индекс LAI можно измерить в натурных условиях. В настоящее время в Интернет ежемесячно публикуются растровые изображения LAI

(пространственное разрешение 250 м) на весь мир. Эти данные в сочетании с методами классификации мультиспектральных изображений могут

значительно повысить достоверность при обработке изображений в экспертных системах, учитывающих множество различной информации.

Как известно, антропогенное воздействие на окружающую среду приводит к возникновению масштабных трудноразрешимых противоречий между интересами развития производства и сохранением природы, поскольку в результате интенсивного использования природных ресурсов происходит разрушение природных систем и интенсивное загрязнение среды. Ещё в Стокгольме на Первой Международной конференции ООН по оценке состояния природной среды в 1972 г. было признано, что экологическое состояние природной среды в промышленных странах стало угрожать не только здоровью населения, но и самому существованию человечества. Решение этих проблем, возникающих в связи с катастрофическим ухудшением окружающей природной среды, занимает сейчас центральное место при выработке стратегии экологически устойчивого социально- экономического развития промышленно развитых стран, в том числе и России. В последние годы в круг фундаментальных исследований проблем экологии территории России широко вовлечены космические методы контроля состояния экосистем.

Появление глобальной компьютерной сети Интернет и разработка передовых информационных технологий открыли новый этап развития космического экологического мониторинга. Особенностью нового этапа является широкое использование телекоммуникационной инфраструктуры, а также гипертекстовых и интерактивных информационных технологий, которые чрезвычайно перспективны в дистанционном мониторинге состояния окружающей среды. Актуальной является также проблема интегрирования национальных информационных ресурсов по окружающей среде, создание региональных баз данных и расширение электронных коллекций по результатам космического экологического мониторинга. Развитие технологий наблюдения из космоса, создание инфраструктур спутникового экологического мониторинга регионов России наряду с разработкой экологической системы контроля в реальном масштабе времени

49

призваны сыграть ключевую роль в обеспечении безопасности окружающей среды и устойчивого развития экономики России.

В связи с этим создаются Центры космического мониторинга (ЦКМ), которые осуществляют оперативный контроль состояния окружающей среды и природных ресурсов (например, Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск), создают многоуровневые информационные системы пространственно-временного мониторинга состояния окружающей среды, включающие технические и программные средства сбора, обработки, анализа и хранения спутниковой информации.

Во всем мире исследования Земли из космоса приобретают всеобъемлющий характер. Наиболее информативным методом для решения задач дистанционного исследования поверхности Земли из космоса является использование и тематический анализ изображений, полученных

приборными комплексами различных частотных диапазонов, установленных на космических аппаратах. Целый ряд спутников, оснащенных приборами дистанционного зондирования (радиолокаторами, скаттерометрами, радиометрами и оптической техникой), выведены на орбиту специально для получения разносторонней геофизической информации, необходимой для оценки состояния окружающей среды и для природо-ресурсных исследований.

Аэрокосмический 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.

Главнейшее значение для реализации программы создания службы мониторинга окружающей среды имеют дистанционные (аэрокосмические) средства и методы, так как одним из путей создания глобальной системы мониторинга является картографический.

Картографический метод создания глобальной системы мониторинга предполагает развертывание работ при обследовании и изучении любой территории в двух основных направлениях:

  • 1. создание базовой инвентаризационной картографической документации, отражающей современное состояние и оценку природных ресурсов;
  • 2. картографирование динамики изменений природной среды, предусматривающее обновление инвентаризационных карт, создание специальных карт динамики и прогноза, т. е. систематическое картографическое слежение за состоянием природной среды и ее изменениями, обусловленными хозяйственной деятельностью людей. Структура космической системы изучения природных ресурсов Земли

изображена на рисунке 1.4.

Структура космической системы изучения природных ресурсов Земли

Рис. 1.4 Структура космической системы изучения природных ресурсов Земли

Принципиально структура космической системы ИПРЗ состоит: из системы управления структурой; 4 основных подсистем: получения космической информации; получения дополнительной дистанционной информации; сбора и хранения информации; обработки информации. Подсистема получения космической информации включает: космические носители измерительной аппаратуры (искусственные спутники земли - ИСЗ), пилотируемые космические корабли (ПКК) и орбитальные станции (ОС).

Принципиальная блок-схема структуры космической системы изучения природных ресурсов Земли (ИПРЗ) показана на блок-схеме 1.5.

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 полученную информацию 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.

Блок-схема 1.5 Структура космической системы изучения природных ресурсов.

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.

Так, на борту научно-исследовательского судна космической службы "Космонавт Юрий Гагарин" имеется 110 научных лабораторий.

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.

Репрезентативность в статистике - главное свойство выборочной совокупности, состоящее в близости ее характеристик (состава, средних величин и др.) к соответствующим характеристикам генеральной совокупности, из которой отобрана выборочная.

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 [1].

Вопросы для самоконтроля

  • 1. Что такое среда обитания?
  • 2. Что означает термин мониторинг?
  • 3. Когда впервые появился термин мониторинг?
  • 4. Что такое мониторинг окружающей среды?
  • 5. Что такое экологический мониторинг?
  • 6. Какие объекты являются предметом наблюдения в экологическом мониторинге?
  • 7. Концепция И.П. Герасимова?
  • 8. Концепция Ю.А. Израэля
  • 9. Какие выделяются уровни систем мониторинга?
  • 10. Каково назначение национальной системы мониторинга окружающей среды?
  • 11. Какие задачи призван решать национальный экологический мониторинг?
  • 12. Что такое ЕГСЭМ?
  • 13. В чё м состоит суть организационных проблем ЕГСЭМ на современном этапе?
  • 14. Какие дистанционные методы и с какой целью целесообразно применять в экологическом мониторинге?
  • 15. Биоиндикацию и биотестирование относят к дифференциальным или интегральным методам диагностики?
  • 16. Чем отличается экологический мониторинг от экологического контроля?
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>