Проблемы и перспективы применения спутникового экологического мониторинга

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………... 3  

1. Теоретические основы  системы дистанционного зондирования…………… 4

1.1. Понятие и задачи системы дистанционного зондирования……………. 4

1.2. Средства экологического  мониторинга на базе космических  средств....9

2. Проблемы и перспективы применения спутникового экологического мониторинга……………………………………………………………………13

2.1. Современные проблемы дистанционного зондирования…………… ..13

2.2. Перспективы спутниковых систем дистанционного зондирования Земли………………………………….…………………………………………15

Заключение………………………………………………………………………25

Приложение…………………………………………………………………….27

Список использованных источников…………………………………………... 33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Дистанционное зондирование (ДЗ) можно представить как процесс, посредством которого собирается информация об объекте, территории или явлении без непосредственного контакта с ним. Методы ДЗ основаны на регистрации в аналоговой или цифровой форме отраженного или собственного электромагнитного излучения участков поверхности в широком спектральном диапазоне. Актуальность работы состоит в том, что эффективность экологического мониторинга окружающей природной среды зависит во многом от научного обоснования его методологических и теоретических основ, показателей антропогенных нарушений и изменений в биосфере, критериев оценки разных факторов. Решение этих вопросов может существенно повысить уровень значимости результатов, полученных в ходе реализации программы экологического мониторинга окружающей среды.

Различают два вида дистанционного зондирования:

- пассивное обнаружение земного излучения, испускаемого или отраженного от объекта или в окрестностях наблюдения.

- активное дистанционное зондирование со спутника или самолета -излучается поток энергии и используется пассивный датчик для обнаружения и измерения излучения, отраженного или рассеянного объектом изучения.

Цель курсовой работы - исследовать перспективы применения   дистанционного  зондирования в экологическом мониторинге.

Задачи:

- рассмотреть теоретические основы системы дистанционного зондирования;

- определить проблемы и перспективы применения спутникового экологического мониторинга.

 

 

 

 

Глава 1. Теоретические основы системы дистанционного зондирования

1.1. Понятие и  задачи системы дистанционного  зондирования

В программах мониторинга широко задействовано дистанционное зондирование окружающей среды с использованием самолетов или спутников, снабженных многоканальными датчиками.

Под дистанционным зондированием понимаются исследования неконтактным способом, различного рода съемки с летательных аппаратов – атмосферных и космических, в результате которых получается изображение земной поверхности в каком-либо диапазоне (диапазонах) электромагнитного спектра.

Выделяют космические и аэросъемки. С точки зрения конечного пользователя, между ними большого и принципиального отличия нет. Да, это съемки с разных летательных аппаратов и с разных высот. Но и сами методы съемки, и основы устройств съемочных камер сегодня могут быть похожи и для космических, и для аэросъемок.

Представление о резком различии космических и аэросъемок родилось тогда, когда появились первые доступные снимки из космоса. Они были мелкомасштабными, захватывали одним кадром целые регионы, часто были многозональными, и, наконец, именно через космические снимки систем LANDSAT TM и LANDSAT MSS широкие круги специалистов впервые познакомились с цифровыми («сканерными») снимками.

Эти космические мелкомасштабные съемки уникальны, поскольку позволяют охватить взглядом целый регион и выявить такие обобщенные особенности, которые при попытке воссоздания их по мелким фрагментам просто невозможны для изучения.

Что касается космических снимков, то следует отметить, что основной объем космических снимков сегодня и тем более завтра – это снимки с ИСЗ (искусственных спутников земли), а не с пилотируемых аппаратов.

В настоящее время 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 слабо отличающихся 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 (технология получения и обработки информации дистанционного зондирования с помощью активных оптических систем (лазеров), использующих, в том числе, явления отражения света от поверхности Земли с проведением высокоточных измерений X, Y, Z координат) (рис. 1), что особенно эффективно, когда территория велика и ручная съемка будет дорогостояща.

Дистанционное зондирование позволяет собирать данные об опасных или труднодоступных районах. Применение дистанционного зондирования включают мониторинг лесов, последствия действия изменения климата на ледники Арктики и Антарктики, исследованиях прибрежных и океанских глубин и т.д.

Данные с орбитальных платформ, полученные из различных частей электромагнитного спектра в сочетании с наземными данными, представляет информацию для контроля тенденций проявления долгосрочных и краткосрочных явлений, природных и антропогенных. Другие области применения включают управление природными ресурсами, планирование использования земли, а также различные области наук о Земле.

Если говорить об использовании спутниковой информации в городском геоэкологическом мониторинге, в настоящее время можно выделить следующие актуальные задачи:

- информирование широких слоев населения об экологии мегаполиса, обеспечение пользователей – всего городского сообщества – оперативными информационными ресурсами космического экологического мониторинга;

- интеграция электронных ресурсов о состоянии окружающей среды в единое информационное пространство мегаполиса;

- на основе дистанционного зондирования и интернет-технологий обеспечивается единое информационное пространство системы геоэкологической безопасности города;

- введение и хранение цифровых карт местности, атрибутивных баз данных, представление экологической информации на различных административных уровнях пользователя для оперативного решения задач управления геоэкологической безопасностью крупных городов.

По методу регистрации изображения можно подразделить на:

- аналоговые;

- цифровые.

Аналоговые системы – сегодня это практически только фотографические системы. Системы с телевизионной регистрацией существуют, но за исключением некоторых специальных случаев их роль ничтожно мала.

В фотографических системах все происходит примерно так же, как и в обычном фотоаппарате: изображение фиксируется на пленку, которая после приземления летательного аппарата или специальной спускаемой капсулы проявляется и сканируется для использования в компьютерных технологиях.

Среди цифровых систем съемки можно выделить сканерные, т.е. системы с линейно расположенным набором светочувствительных элементов и некоторой системой развертки, часто оптико-механической, изображения на эту линейку. Все большее распространение получают также системы с плоскими двухмерными массивами светочувствительных элементов.

Наконец, существуют еще радиолокационные системы, совсем по-особому устроенные. «Сырые» данные, получаемые с радара, не являются изображением; его надо восстанавливать с помощью сложной обработки, специфической для конкретного типа радара. Соответствующее программное обеспечение, как правило, не распространяется на рынке, а является собственностью владельца и разработчика съемочной системы.

 Радар – совершенно особый источник данных. В отличие от других, радар – активный сенсор. Он сам «освещает» снимаемый участок, поэтому время суток для радарных съемок роли не играет.

Все цифровые системы съемки имеют преимущество перед фотографическими в отношении оперативности получаемых данных. Ведь в случае космических съемок они передаются на Землю по радиоканалу, и не надо ждать, пока аппарат израсходует весь запас пленки, и на Землю будет сброшена спускаемая капсула, пленка в ней будет проявлена и отсканирована.

До недавнего времени было, однако, общепризнано, что цифровые системы уступают фотографическим в отношении разрешающей способности изображения – сегодня это уже не совсем так.

 Потребителю, однако, важнее  знать не особенности сенсора как такового, а характеристики того изображения, которое с его помощью можно получить.

Рассмотрим некоторые из них:

- пространственное разрешение на местности, т.е. минимально различимый размер объекта;                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

У разных систем космической съемки это разрешение колеблется от нескольких километров до десятков сантиметров.

- спектральный диапазон  съемок – число и границы  этих диапазонов;

Для аэрофотосъемочных систем наиболее привычными являются черно-белые съемки (черно-белые фото) в видимой зоне спектра. Они же часто используются и для космических фотосъемок, особенно для съемок системами высокого разрешения. Черно-белые пленки имеют наименьшую зернистость и обеспечивают наиболее высокое разрешение.

Но видимый диапазон – очень небольшая часть электромагнитного спектра. Более короткие длины волн – ультрафиолетовая область – мало используются в дистанционном зондировании из-за очень сильного поглощения в атмосфере. Зато инфракрасная область, занимающая огромный участок спектра, от 700 до 15000 нм, очень информативна и широко используется в дистанционном зондировании. Однако они имеют один главный недостаток – общий для всех фотографических систем – недостаточная оперативность. Поэтому наибольший интерес из всех вариантов космических многозональных съемок сегодня вызывают цифровые системы – LANDSAT TM, SPOT, NOAA.

 В настоящее время  появилась возможность прямого  получения данных дистанционного  зондирования на собственные  приемные станции потребителя. Хотя  эти снимки сравнительно низкого разрешения, они позволяют добавить, например к региональной ГИС, слой оперативной информации.

Сегодня существуют и могут быть приобретены российским заказчиком передвижные станции приема данных с любых спутников, включая LANDSAT TM, SPOT, ERS-1 и др.

 С использованием данных  ДЗ с российских спутников  давно не все благополучно. Причины – высокие цены, условия секретности. Кроме того, ориентация на интересы военных привела к резкому уклону в сторону фотографических систем высокого разрешения в ущерб многозональным цифровым системам длительного действия.

В настоящее время пока любому российскому потребителю, даже частному лицу (конечно при наличии немалой денежной суммы) проще заказать архивные и новые снимки системы SPOT и получить их в течение недели-двух.

1.2. Средства экологического  мониторинга на базе космических  средств

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.