15) Аэрокосмический мониторинг

В зависимости от решаемых задач аэрокосмический мониторинг подразделяют на три вида: дозорный (или сигнальный), целевой и комплексный.

Дозорный (сигнальный) - оповещающий о необходимости организации детальных наблюдений за каким-либо объектом или районом. Он устанавливает факт появления или исчезновения объекта, а также изменений контролируемых характеристик. Информация в этом случае служит сигналом для организации более детальных исследований.

Целевой мониторинг - наблюдение за конкретным объектом, характер которого определяет вид, масштаб снимков, сроки их получения, способы обработки и форму предоставления материалов.

Комплексный (картографо-аэрокосмический) мониторинг имеет самостоятельное значение. Для него характерны дистанционное наблюдение комплекса взаимосвязанных объектов и преимущественно картографическая форма предоставления результатов наблюдений.

Преимущество аэрокосмического мониторинга перед другими методами заключается в возможности достаточно частой повторности (и даже непрерывности) наблюдений во времени, получении на одном изображении обширных и отдаленных территорий, возможности пространственно-временного анализа одновременно нескольких компонентов природной среды в их взаимосвязи. По масштабу и детальности полученной информации космические изображения разделяют на глобальные, региональные и локальные (табл. 1). Особенно велика роль аэрокосмических методов при глобальных исследованиях. Только съемки с космоса могут обеспечить непрерывное слежение за антропогенными нарушениями природной среды в планетарном масштабе.

Аэрокосмический мониторинг позволяет: выявлять очаги и характер нарушений объектов природной среды; устанавливать и картографировать степень, скорость и пространственные масштабы нарушения (в том числе загрязнения) природной среды; оперативно оценивать состояние ее компонентов и составлять прогноз возможных последствий хозяйственной деятельности.

Для получения информации о изменениях в состоянии природной среды необходимо сопоставление аэрокосмических изображений одной и той же территории через определенные 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 настоящее время в аэрокосмическом мониторинге осуществляют шесть основных видов съемок: фотографическая; телевизионная; спектрометрическая индикация; инфракрасная индикация; микроволновая и радарная индикация.

фотографическая осуществляется во всей видимой (длина волн 0,4-0,8 мкм) и в ближней инфракрасной (0,8-1,1 мкм) части спектра. Получаемые снимки обладают большой информативностью и высокой разрешающей способностью (до 10-20 м). Для мониторинга используются как черно-белые снимки, так и цветные фотографии, которые передают изображение в естественных цветах. Еще 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 пленки на Землю и дает сигнал в форме, удобной для запоминания, хранения и автоматической обработки. Телевизионная съемка наиболее перспективна для регистрации быстро меняющихся природных и природно-антропогенных явлений (пыльных бурь, пожаров, наводнений и т.п.).

Спектрометрическая индикация основана на определении характеристик спектральной отражательной способности природных и антропогенных образований (коэффициента спектральной яркости, альбедо и др.). Ее достоинство состоит в возможности получения оптических характеристик в узких зонах спектра и осуществления автоматической обработки и анализа данных на ЭВМ. Успешно применяется многоспектральная съемка - зондирование в узких спектральных интервалах с помощью фотоэлектронных умножителей, сканеров и других современных приборов. Она особенно перспективна при выявлении загрязнения атмосферного воздуха, 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 объектов наблюдения с точностью так называемых радиационных температур объектов 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 дает возможность определить границы полей и лесов, площади и даже виды посевов и угодий (луга, пашни, болота).

Следует иметь ввиду, что каждый из рассмотренных методов индикации обладает определенными достоинствами лишь в сравнительно узких диапазонах спектра и при наличии необходимых технических условий. Поэтому только совместное использование разномасштабных, разновременных и разноспектральных съемок в сочетании с наземными наблюдениями создает возможность для получения достаточно полной и достоверной информации о состоянии окружающей природной среды.

При дешифрировании на снимках хорошо отражаются многие виды антропогенного воздействия - это карьеры, горные выработки, распаханность земель, нарушение лесной растительности, искусственные водоемы, гидротехнические сооружения и др. это позволяет широко использовать снимки в экологическом мониторинге природной среды для выявления степени хозяйственной освоенности территорий, контроля последствий антропогенного воздействия и выполнения мероприятий по восстановлению природных богатств.

Например, в инфракрасной зоне хорошо просматриваются участки загрязнения водоемов сточными водами. По тоновым контрастам, которые отображают температурные контрасты, четко выделяются источники загрязнения. При этом нагретые сточные воды выделяются светлым тоном и можно проследить площадь их распространения. Инфракрасные изображения позволяют регистрировать пятна нефти на поверхности морей и определять площадь их распространения. По тону изображения можно судить о концентрации и качественном составе загрязняющих веществ.

На космических снимках хорошо прослеживаются загрязнения атмосферного воздуха разных типов - города, отдельные промышленные предприятия, пожары, то есть снимки позволяют распознать выбросы промышленных предприятий, концентрации дымовых факелов, пылевые бури и т.д.

Так, с помощью космической съемки впервые обнаружены явления слияния промышленных выбросов в атмосферу от нескольких крупных городов. Например, в августе 1970 года в Западной Европе образовалось огромное дымовое облако (шириной не менее 200 км), которое в виде полосы протягивалось от Южной Англии, через Северную Францию, Бельгию, Голландию, Германию на расстоянии свыше 700 км.

Наблюдения из космоса позволяют осуществить контроль лесного фонда. На инфракрасных снимках удается выявить зоны возгорания при сплошной задымленности, определить зоны затухания и осуществлять контроль распространения пожара. Инфракрасная съемка позволяет распознавать не только очаги пожара, но и наличие облаков, необходимых для борьбы с пожарами, так как борьбу с пожарами можно вести и с помощью искусственно вызванного дождя. Пожары могут возникнуть из-за деятельности человека, а также грозами. Спутниковая аппаратура помогает заранее предсказывать вероятность появления лесного пожара по анализу перемещения гроз над землей.

С помощью инфракрасной съемки можно с большой точностью определить время начала извержения вулкана, так как в период активизации вулкана температура быстро возрастает. По этой же аналогии, инфракрасная съемка позволяет выявить очаги самовозгорания в горнорудных районах на отвалах горных пород.

Загрязнение почв промышленными и другими выбросами приводить к изменению отражательной способности почв, вследствие этого меняются и дешифровочные признаки почв. По прямым дешифровочным признакам можно определить площадь, форму, источник загрязнения и т.д., то есть то что хорошо отобразилось на снимке по изменению тона и структуры почвы.

Если же загрязнение не нашло прямого отражения на снимке, иногда оно может быть определено косвенным путем. Отрицательное воздействие на почву проявляется в изменении растительности. Например, уменьшение размеров ареала растительности, замедленном развитии, смене растительных сообществ.