85399

Космическое зондирование

Доклад

Экология и защита окружающей среды

Орбиты разной высоты обеспечивают необходимые условия съемки для различных целевых задач: низкие околоземные орбиты предназначены для детальной съемки; орбиты средней высоты для менее детальной но более оперативной и территориально более захватной съемки; удаленные орбиты для постоянного наблюдения за определенным районом. с момента проведения съемки создавать цифровые карты на большие участки территории...

Русский

2015-03-24

301 KB

3 чел.

6

9. Космическое зондирование.


       Космические снимки Земли получают с высоты более ста километров.
По высоте можно выделить три группы наиболее часто используемых орбит:

а) 100-500 км (это орбиты пилотируемых кораблей, орбитальных станций, и разведспутников, имеющих наиболее характерные высоты 200-400 км);

б) 500-2000 км (орбиты ресурсных и метеорологических спутников, ресурсные пониже (600-900 км), метеорологические - повыше (900-1400 км));

в) 36000-40000 км (орбиты геостационарных спутников).

Орбиты разной высоты обеспечивают необходимые условия съемки для различных целевых задач:

- низкие околоземные орбиты предназначены для детальной съемки;

- орбиты средней высоты для менее детальной, но более оперативной и территориально более захватной съемки;

- удаленные орбиты для постоянного наблюдения за определенным районом.

Интервал повторяемости съемок может быть любой: годы, месяцы, дни, часы, минуты. Одна из главных характеристик космического снимка – его детальность или так называемое геометрическое разрешение. Геометрическим разрешением снимка называется физическая площадь прямоугольного (чаще квадратного) участка местности, который на снимке отображается самой мельчайшей точкой (пикселом). Величина геометрического разрешения выражается в длине сторон этого прямоугольника (чаще квадрата).

Что могут космические снимки?

Почему необходимо использовать космические снимки?

Проблема

Решение проблемы

В повседневной работе часто приходится использовать топографические карты масштабов 1:25000-1:200000. Однако на большинство территории Российской Федерации они не обновлялись десятилетиями. Так, например карты 1:25000 масштаба не обновлялись с 70-х годов. Топографические карты наиболее подробного - 1:25000 масштаба являются “секретными”, что делает их практически недоступными для широкого использования.

Космические снимки позволяют оперативно (в течении 1-2 мес., с момента проведения съемки) создавать цифровые карты на большие участки территории. Космические снимки позволяют гибко изменять объектовый состав создаваемых карт, для исключения объектов, не предназначенные для показа на картах для открытого использования. Пример такого картографического изображения приведен на рис 1.

Для решения многих прикладных задач требуется наличие специальных картографических материалов, создание которых не предусмотрено за государственный счет.

Космические снимки позволяют создавать специальные картографические материалы, которые проектируются и создаются непосредственно для решения определенной задачи, стоящей перед заказчиком. Пример космофотокарт такого типа приведен на рис 2.

Проведение инспектирующих проверок природопользователей всегда сталкивается с проблемами, связанными с большой пространственной протяженностью проверяемых территорий и отсутствием независимых от природопользователей источников информации.

Такие проблемы, как выбор мест для проверок (“рекогносцировки”), могут быть решены с применением космической съемки. Примеры приведены на рис 3-7. Проведение мониторинга техногенных изменений с использованием космической информации позволит получить независимую информацию о масштабах техногенной деятельности и дальнейшей ее “наземной” проверке. Примеры мониторинга приведен на рис 8, 9.

В каких случаях применение космических снимков является наиболее выгодным?

Стоимость одного снимка, полученного с зарубежного космического аппарата редко бывает менее $2000, поэтому необходимо выяснить: в каких случаях использование космической информации может принести существенную выгоду по сравнению с традиционными способами получения пространственно-распределенной информации (аэрофотосъемкой)

Существует несколько факторов, которые определяют предпочтительность использования космической съемки:

Требуется получить картографический материал с разреженной (по сравнению с топографическими картами сопоставимого масштаба) нагрузкой.

Требуется получить большой пространственный охват, при среднем масштабе создаваемой или обновляемой карты (1:25000-1:50000).

Необходимо картографически отобразить объекты, которые не показываются на топографических или других специальных картах или показаны с недостаточной степенью точности (степени заболоченности, мелкие озера, лесовозные дороги) и т.п.

Необходимо определить и картографически отобразить специальные характеристики объектов (например характер нарушения участка территории, параметры лесосек и т.п.)

Требуется произвести инвентаризацию изменений на территории происшедших с некоторого момента, в том числе определенных типов объектов (например составить карту техногенных изменений для последующей передаче в земельный комитет и другие контролирующие организации).

И еще один немаловажный фактор: чем более комплексно предполагается использовать снимок, тем более выгодным становиться его приобретение. Например, возможно, что комитету по охране природы, будет невыгодно приобретать снимок для решения задачи, скажем контроля рубок леса в охранных зонах особоохраняемых территорий. Но в случае, если с этого же снимка будут получены данные о лесовосстановлении; контроле параметров лесосек; обновлены имеющиеся в наличии карты масштабов 1:25000-1:50000 по отдельным элементам содержания; созданы карты дорог (в т.ч. лесных); получены данные о подтоплении участков территории и инженерных коммуникаций; проверены участки строительства на предмет выхода за пределы земельных отводов; и т.п., то можно уже говорить о комплексной выгоде для многих хозяйствующих субъектов и органов государственного управления, которые будут использовать полученную информацию в своей работе.

Физические основы дистанционного зондирования.

Методы дистанционного зондирования Земли из космоса можно подразделить на два больших класса: пассивные и активные.

Методы пассивного дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса основаны на регистрации отраженного солнечного излучения, просуммированного с собственным излучением атмосферы , облаков и земного покрова и ослабленного в атмосфере.

Поэтому при пассивном дистанционном зондировании Земли приборами, расположенными на спутниках, необходимо учитывать: прозрачность столба атмосферы между спутником и Землей в рабочих участках спектра; излучение атмосферных источников и подстилающей поверхности, к которым относятся собственно атмосфера, облака и земная поверхность, а также излучение космических источников: прежде всего Солнца и Луны.

Одним из определяющих факторов, формирующих прозрачность столба атмосферы между спутником и Землей в рабочих участках спектра являются спектры поглощения различных газовых компонентов атмосферы в диапазоне длин волн от 100м до 100нм.

Величина сигнала на фотоприемнике прибора, установленного на спутнике, при пассивном зондировании зависит также и от местоположения рабочего участка в солнечном спектре.

В настоящее время надежно функционирующие на орбите космические многоспектральные системы с ИК каналами: NOAA-AVHRR, Landsat TM, Ресурс-О - МСУ СК позволяют на основе априорной информации о тепловых свойствах почв, горных пород, руд, минералов и материалов успешно дешифрировать космоснимки, обнаруживать различные аномалии и строить температурные карты земной поверхности и океана, состояния растительного покрова и т.д.

Кроме того, ИК съемка успешно применяется для обнаружения и оконтуривания подземных пожаров, постоянного геотемпературного поля, подземных теплотрасс.

Весьма специфично и эффективно использование многозональной съемки для изучения водных объектов. Для них она дает дополнительные возможности, не реализуемые другими методами. Космоизображения в диапазоне 0.45- 0.6 мкм более информативны о подводном рельефе. В этом диапазоне подводные объекты дешифрируются на глубинах от нескольких метров до десятков метров. Особое достоинство заключается в использовании серии зональных изображений как разноглубинных срезов толщи воды и поверхности дна в связи со способностью лучей разных спектральных диапазонов проникать на неодинаковую глубину - наибольшую (до 20м) для лучей голубого диапазона и наименьшую - для лучей ближней ИК области спектра. Эти свойства открывают возможности исследования распространения взвешенного материала в воде - естественного загрязнения водоемов твердым стоком рек и т.д. Это позволяет составлять карты подводных ландшафтов с их комплексной характеристикой для мелководных акваторий, но именно задачи освоения и мониторинга шельфа приобрели теперь первостепенное значение.

Многозональные космоснимки весьма информативны для определения снежного покрова. Свежевыпавший снег отражает около 95% солнечной радиации в области длин волн 0.3 - 0.9 мкм. В видимой области спектра снег - белое тело, а в ИК области (длина волны 10 мкм) - абсолютно черное тело с температурой ниже 0 град. С. Обработка таких многозональных космоснимков, снятых в различных спектральных диапазонах позволяет уверенно оконтуривать снежный покров, а сочетая с данными радиозондирования или наземных наблюдений определять снегозапас территорий.

Активное ДЗЗ проводится в видимом диапазоне с помощью лидаров (532нм),

но, в основном, в радиодиапазоне.

При зондировании из космоса используется сверхвысокочастотный (СВЧ) диапазон волн - от миллиметров до нескольких сантиметров. В этом диапазоне атмосфера Земли обладает высокой прозрачностью, поэтому радиометры и радиолокаторы позволяют практически всегда осуществлять зондирование земных покровов, причем, независимо от наличия облаков.

Электрические свойства природных образований в радиодиапазоне характеризуются определенной диэлектрической постоянной и их температурой, которая для большинства природных объектов составляет величину 2-5, а для воды при 20 град. С - около 80. Такой контраст позволяет эффективно применять микроволновое зондирование природных объектов, связанных с присутствием влаги: влажность почв, засоленность водоемов и почв, температуры поверхности, ледовой обстановки в районе северного морского пути Арктики.

Проникающая способность радиоволн позволяет получить особую информацию о земных покровах, которую не удается извлечь из наблюдений в оптическом диапазоне. Так, в известной степени радиоволны позволяют "преодолеть" экранирующий эффект растительных покровов и получить информацию непосредственно о свойствах земных грунтов. 

С другой стороны, с помощью радиоволн осуществляется глубинное зондирование грунта, снега, льда, что позволяет выносить более объективные суждения о физическом состоянии земных покровов. 

Пространственное разрешение радиометров на Земле составляет 5 км. Однако, радиолокаторы с синтезированной апертурой имеют более высокое разрешение: (спутник ERS - 30м; Envisat - 30м; Jers-1 - 18м; Radarsat - 9x10м; Алмаз-1А - 15м; Алмаз-1Б - 5м) [1], Океан О - 1.3х2.5 км [28]. 

Комплексное изучение природных ресурсов

Наибольший технико-экономический эффект от использования данных космического зондирования Земли может быть получен при комплексном изучении и картографировании природных ресурсов с постановкой работ по принципу от общего к частному.

Комплексное изучение и картографирование на основе космической информации подразумевает получение новых сведений о природных ресурсах по основным их видам и территориальным сочетаниям путем интерпретации материалов космической съемки и их совместного анализа с данными традиционных исследований.

Картографическая форма отображения результатов исследований является одним из важнейших средств доведения данных дистанционного зондирования до практического использования. Преобладающее число потребителей предпочитают использовать космическую информацию в ее наиболее завершенном и пространственно определенном виде - в виде тематических карт. При этом наиболее целесообразно создавать тематические космические фотокарты, имея в виду задачу доведения до потребителей всего многообразия и богатств сведений, получаемых в результате космической съемки.

Космическая информация как источник картосоставления обладает специфическими свойствами, которые способствуют системному анализу в сжатые сроки:

многоаспектность интерпретации данных позволяет выполнить многостороннее и целенаправленное картографирование природных комплексов;

единая фотографическая основа, используемая для целей тематического дешифрирования, облегчает согласование характеристик и их единообразную локализацию в картографическом изображении;

единовременность исходной информации по всем каналам, территориям и направлениям - принципиально новое свойство космической информации, чрезвычайно важное с позиций системного картографирования, которым, как правило, не обладают традиционные картографические источники;

сокращение сроков сбора тематической информации, что намного повышает оперативность подготовки картографических документов;

возможность повторной регистрации состояния природных комплексов через необходимые промежутки времени, что позволяет выявить важнейшие тенденции динамики и развития природных комплексов, способствует надежности прогнозирования [4].

Сканерные съемки Земли и прием цифровых космоизображений с современных спутников, а также широкое развитие геоинформационных систем позволяет составлять цифровые электронные тематические карты. Это качественно новая ступень в картографии, открывающая широкие возможности для комплексного анализа и применения различными потребителями.
Большинство природопользователей заинтересовано в системном многоцелевом
картографировании природных ресурсов на перспективные районы хозяйственного развития в масштабах 1:200 000, 1:500 000, 1:1 000 000. В настоящее время имеется электронная карта с рельефом (3D) больше части Земли масштаба 1: 1 000 000, являющаяся основой для составления тематических карт и двумерная карта мира с разрешением 30м для нетопографических целей , составленные по данным спутников NOAA и LandSat [78].
По данным ООН картами масштаба 1: 100 000 покрыто только 44% суши, 1: 50 000 - не более 50%, 1: 25 000 - не более 20%. На остальные участки карты либо отсутствуют либо не соответствуют действительности.

Поиск полезных ископаемых.

В практику геологических исследований внедрены новые, эффективные методы геологического изучения территорий, в том числе космофотогеологическое картирование. Применение космических методов позволяет более оперативно и эффективно вести региональные геолого-съемочные работы. При этом затраты на геологическую съемку 1 км2 территории снижаются на 15-20%.

Внедрение космических исследований в комплекс нефтегазопоисковых работ, обеспечивает информацией о разрывной и складчатой тектонике и глубинной структуре земной коры. С помощью ДЗЗ удалось выявить сотни ландшафтных аномалий, из которых более 70% подтверждались как поднятия, а при бурении в них были обнаружены месторождения нефти и газа. Аэрокосмические методы играют важную роль и при доразведке месторождений и при их эксплуатации.

Применение методов тематического дешифрирования позволяет выявить площади, перспективные для поисков оловянных месторождений , свинцово-цинкового оруднения, изучения сурьмяно-ртутного пояса, урана, меди, цветных металлов, бокситов и т.д.

В России выявлены новые рудоносные районы в Забайкалье, на Дальнем Востоке, в Якутии, крупные зоны нефтегазонакопления в Прикаспии, Средней Азии, Западной Сибири и других регионах. В 1985 году только ПО "Аэрогеология" выявило по космическим данным 120 проявлений различных полезных ископаемых, а в 1986г. - 130. Это перспективные структуры на нефть и газ, рудопроявления, россыпных проявлений золота, проявлений редких и цветных металлов, камнесамоцветного сырья и стройматериалов.

В геологических отраслях получают развитие работы по использованию космоинформации для изучения изменений окружающей среды в районах интенсивной геологоразведочной и горнодобывающей деятельности. На космоснимках обнаруживаются мульт сдвижения над подземными выработками. В районах нефтяных месторождений выявлены значительные изменения почвенно-растительного покрова, связанные с нарушением геолого-геоморфологической среды, разливами нефти и минерализованных вод. Составлены карты изменений окружающей среды районов среднего Приобья, Прикаспия и т.д.

Экологические исследования

Функционирующие в настоящее время космические системы природоведческого, метеорологического и океанологического назначения могут эффективно использоваться в интересах экологических исследований глобального, регионального и локального характера.
Особенность экологической экспертизы состоит в необходимости получения разносторонних, зачастую междисциплинарных данных, охватывающих сферу технических, биологических, социально-экономических, физико-математических и других наук. При этом должен обеспечиваться требуемый территориальный охват, достоверность, точность и необходимый объем данных, определенная периодичность, координатная и временная привязка наблюдений. Информационное обеспечение полноценных экспертных экологических исследований практически невозможно без спутникового зондирования Земли.

Например, с борта орбитальных станций зафиксирована динамика усыхания Аральского моря .

На рис. 29. Представлен космоснимок пятна нефти у берегов Испании по данным радиолокатора со спутника ERS-2. Такие снимки позволяют следить за распространением пятна нефти и организовать эффективные работы по ликвидации последствий такого сорта аварий.
 

                       Рис. 29                                                             Рис.30

Съемки со спутника "Ресурс-Ф" позволили получить объективную информацию о гидродинамических процессах в Невской губе до и после строительства дамбы. Космомониторинг показал, что причиной осложнения экологической обстановки на этой акватории является не столько плотина, сколько, главным образом, сбросы отходов из городских канализаций и промышленных предприятий в Невскую губу, реку Неву и бассейн Ладожского озера.

В ТУСУР (г. Томск) проводятся исследования влияния техногенных загрязнений приземной атмосферы на природную среду и здоровье человека по данным космической съемки территории [51, 52].

На рис. 30 представлен сканерный космоснимок со спутника "Ресурс-О" Кузбасса, принятый станцией Томского госуниверситета в начале весны 1998г. Отчетливо виден черный ореол на снегу вокруг городов региона, свидетельствующий об осевших загрязнениях за зимний период. Электронная обработка космоснимка позволяет определить ореол осаждения и распределение загрязнений, а привязка к наземным измерениям содержания загрязнений в снеге дает возможность построить количественную картину загрязнения региона.

Мониторинг лесных пожаров.

Очень эффективно проводится обнаружение и мониторинг лесных пожаров со спутников NOAA. В США, Канаде, Финляндии, России и др. странах имеются программы автоматического мониторинга лесных пожаров.

В России, на базе станций приема со спутников NOAA, расположенных в г. Москве (НИЦ "Планета") и в г. Иркутске (ИСЗФ СО РАН) реализован проект представления данных космического мониторинга лесных пожаров в Internet: http://nffc.infospace.ru/rus/fr97_sat.htm . На интерактивной карте России уже через 40 мин. после пролета спутника Вы можете выбрать интересующий район и бесплатно получить вырезку необработанного космоснимка на этот район или обработанную по определенным программам информацию.

По космоснимкам не только обнаруживаются лесные пожары, но и осуществляется прогноз опасности их возникновения, оценка ущерба от лесных пожаров.

Мониторинг опасных явлений.

Высокая обзорность и многозональность космических снимков Земли со спутников NOAA позволила разработать методическую базу гидрологических прогнозов в Сибири нового поколения, уже внедренную в ЗапСибгидромете.

Основные элементы новой стратегии гидрологических прогнозов следующие:
1. Информационное обеспечение :

  •  наземная информация сети пунктов наблюдений Росгидромета;

- космическая информация о динамике заснеженности территории, распределении температуры воздуха и др.

2. Электронная база многолетних гидрометеорологических данных наблюдений;
3. Гидрологическая модель и программное обеспечение для ПЭВМ, обеспечивающие автоматизированный перебор и моделирование возможных гидрометеорологических ситуаций на основе базы многолетних данных наблюдений.

В Красноярском НИЦ и Красноярском Геоинформационном центре СО РАН разработаны программные элементы автоматизированной системы оперативной оценки площади заснеженности по результатам многозональной космической съемки (АРМ "SNOW"). Первичная цифровая космическая информация, оперативно получаемая на станции приема, далее обрабатывается на ПЭВМ с использованием АРМ "SNOW".

АРМ “SNOW” позволяет:

  •  представить цифровое цветное изображение территории в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, с возможностью улучшения контрастности и яркости;
  •  провести географическую коррекцию изображения и совместить его с картой рельефа в горизонталях;
             - провести классификацию изображения для разделения его на области, покрытые снегом, растительностью и облаками;
  •  автоматически рассчитать площадь заснеженности территории бассейна и её распределение по высотным зонам.

В работе [61] сообщается о картографировании и мониторинге наводнений в реальном масштабе времени по данным спутникового зондирования.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82440. Преломление базовых концептов в национальных менталитетах на примере концепта «Время» 34.62 KB
  Время – важнейшая часть бытия человека его жизни и деятельности. Время – понятие многоплановое. Время нельзя повернуть вспять нельзя обогнать нельзя вернуться назад.
82442. Категория вежливости в устных и письменных межкультурных коммуникациях 33.58 KB
  В английском языке слова используемые для выражения вежливости имеют более тонкие оттенки нежели в русском. Например слово конечно звучит нейтрально и даже дружескив английском же of course звучит слишком категорично и имеет подтекст странночто вы этого не знаете лучше говорить sure . Гид не знал что в английском этикете ответ of course имеет подтекст Странночто вы не знаете этих вещей . В английском и французском использование подобных средств воспринимается как приказ и подобные вещи выражаются более мягким способомблизким к...
82443. Ведущая роль лексико-семантической системы в формировании ЯКМ 28.96 KB
  Российский лингвист Евгений Михайлович Верещагин основатель лингвострановедения писал в отличии от языковой системы которая не связана непосредственно с культурой словарь обнаруживает непосредственную зависимость от культуры поэтому лексический состав определенного языкового коллектива следует изучать исходя из культуры Наиболее наглядно характер языковой картины мира представлен в лексике ведь именно благодаря ей возможно членение действительности выделение в...
82444. Феминизация лексических изменений в европейских языках 31.66 KB
  Под давлением некоторых организаций правительство Франции 23 февраля 2012 года приняло постановление об ограничении употребления слова mdemoiselle . В современной Франции обращение mdemoiselle воспринимается как комплименттак как подразумеваетчто женщина молода и свободна но существует также давняя театральная традиция обращаться к известным актрисам mdemoiselle . Представительницы феминисткой группы в сентябре 2011 года развернули активные кампании против слова mdemoiselle заявив что оно является оскорбительным и подразумевает...
82445. Место и роль гипер-гипонимических отношений в формировании языковой картины мира 34.75 KB
  Гиперонимы и гипонимы Синонимические ряды Большую роль в формировании ЯКМ играют гиперонимы и гипонимы. Гиперонимы – слова с широким родовым значением например véhicule m – транспортное средство передвижения Гипонимы – слова с конкретным точечным значение например слово рука в русском языке – это гипероним а во французском существуют гипонимы – min f – кисть руки brs m –рука от плеча до кисти.Спортивные мероприятия ctivités sportives Существуют гипонимы которые передаются целым предложением.
82446. Способы передачи французских фразеологизмов на русский язык 33.1 KB
  Возможность полноценной передачи фразеологизмов зависит в основном от соотношений между их единицами во французском и русском языках. При этом существуют 3 способа передачи французских фразеологизмов на русский язык: Французский фразеологизм имеет в русском языке точное независящее от контекста полноценное соответствие.
82447. Связь языка и культуры, характер связи 30.71 KB
  Язык – это явление культуры. Именно благодаря языку человек осознаёт себя как своё я выделяет себя из внешнего мира тем самым отличаясь от животных. Язык – единственное средство связи между разными поколениями именно благодаря ему мы усваиваем культуру прошлых поколений.
82448. Отражение национально-культурного различия в фразеологизмах 33.45 KB
  Хотя французы и говорят что одежда не делает монаха они встречают незнакомца нередко именно по одёжке hbillé comme un mnnequin манекен; 3. Понастоящему образованным считается тот кто в совершенстве владеет родным языком prler comme un livre un orcle un nge 4. Неслучайно имеются фразеологизмы с опорным словом rire rire comme une bleine кит comme un gmin gosse – ребенок ; 5.