Плюсы и минусы дистанционного метода контроля окружающей среды

Введение

Актуальность работы. В связи с обострением региональных и глобальных экологических проблем возникла необходимость информационного обеспечения современных экологических программ, основное внимание в которых уделяется возможностям изучения антропогенного воздействия на природную среду с помощью аэрокосмических снимков. На них своеобразно отражаются промышленное, транспортное, мелиоративное, сельскохозяйственное, рекреационное воздействие, разнообразные неблагоприятные изменения природной среды, связанные с деятельностью человека. Как наиболее яркие примеры, можно выделить четкое отражение на аэрокосмических снимках видов эродированных почв, форм водной и ветровой эрозии, состояние пастбищ, нарушение лесной растительности вырубок, пожарищ, лесных пожаров; распаханность почв, последствия разработки карьеров и горных выработок, загрязнения территории. Появляются на аэрокосмических снимках и формы благоприятного воздействия человека на природную среду, его деятельность, направленная на восстановление утраченных природных богатств или улучшение неблагоприятных условий. Хорошо видно лесополосы, оросительные системы, применение таких средств антропогенного воздействия, как противоэрозионные мероприятия, насаждения древесно-кустарниковой растительности на склонах оврагов, последствия севооборотов и тому подобное.
Дистанционным зондированием Земли называют процесс получения данных об объекте зондирования на расстоянии некоторого контакта с ним с целью изучения его (физического, геологического, биологического и иного) состояния. Данные об объекте зондирования получают с использованием свойств электромагнитных волн, которые излучаются, отражаются, поглощаются или рассеиваются объектами зондирования. Применение дистанционных методов дает возможность наблюдения за изменениями природных условий крупных регионов, экологических бедствий и катастроф. Некоторые последствия антропогенного воздействия, имеющие глобальный характер, например, сокращение площади тропических лесов, опустынивание многих регионов требуют особого внимания.
Дистанционными методами контроля (исследований) — это совокупность методов исследований океанов, земной поверхности, атмосферы, верхнего слоя земной коры аэрокосмическими и воздушными методами, основанными на дешифрировании изображений, получаемых на расстоянии с летательных аппаратов. В итоге получают:
1) аэроснимки, полученные с высоты преимущественно от 500 м до 10 км, но не более 30 км;
2) космические снимки — с высоты более 150 км.
Большинство съемок выполняется из космоса.
Однако, дистанционные методы контроля имеют свои преимущества так и недостатки, которые стоит рассмотреть.
Объект исследования: дистанционные методы контроля окружающей среды.
Предмет исследования: особенности анализа дистанционными методами контроля окружающей среды.
Цель работы: рассмотреть плюсы и минусы дистанционного метода контроля окружающей среды.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть дистанционные методы контроля окружающей среды;
- привести преимущества и недостатки дистанционного метода контроля окружающей среды.
1. Дистанционные методы контроля окружающей среды
Контактные методы контроля состояния природной среды дополняются бесконтактными (дистанционными) методами, основанными на использовании двух свойств зондирующих полей (электромагнитного, акустического и гравитационного): для взаимодействия с контролируемым объектом и передачи полученной информации на датчик [1].
Зондирующие поля обладают широким спектром информативных признаков и разнообразием эффектов взаимодействия с веществом контролируемого объекта. Принципы функционирования бесконтактных управляющих устройств условно делятся на пассивные и активные.
В первом случае принимается зондирующее поле, исходящее от самого объекта управления; во втором-отраженные, пропущенные или повторно излученные зондирующие поля, создаваемые источником. Бесконтактные методы наблюдения и контроля представлены двумя основными группами методов: аэрокосмическими и геофизическими. Основными видами аэрокосмических методов исследования являются оптическая фотография, телевизионная, инфракрасная, радиотермическая, радиолокационная, радиолокационная и многозонная съемка. Бесконтактный мониторинг атмосферы осуществляется с использованием радиоакустических и лидарных (лазерных) методов. Сначала радиоволны использовались для анализа состояния ионосферы (по отражению и преломлению волн), затем сантиметровые волны использовались для изучения осадков, облаков и атмосферной турбулентности. Область применения радиоакустических методов ограничена по сравнению с локальными объемами воздушной среды (радиусом около 1-2 км) и позволяет осуществлять их эксплуатацию в наземных условиях и на борту воздушных судов. Одной из причин появления отраженного акустического сигнала является маломасштабная температурная неоднородность, которая позволяет контролировать изменения температуры, профили скорости ветра и верхнюю границу тумана.
Принцип лидарного (лазерного) зондирования заключается в том, что лазерный луч рассеивается молекулами, частицами, воздушными неоднородностями, поглощается, изменяет свою частоту, форму импульса, в результате чего возникает флуоресценция, которая позволяет качественно или количественно судить о таких параметрах воздушной среды, как давление, плотность, температура, влажность, концентрация газов, аэрозолей, параметры ветра. Преимущество лидарного зондирования заключается в том, что оно монохроматично, когерентно (свойство волны сохранять свои частотные, поляризационные и фазовые характеристики) и может изменять спектр, что позволяет избирательно контролировать отдельные параметры воздушной среды[2].
Главный недостаток заключается в том, что верхний предел зондирования атмосферы с Земли ограничен влиянием облаков. Основными методами бесконтактного контроля природных вод являются радиояркий, радиолокационный и флуоресцентный[3].
Радиочастотный метод использует диапазон зондирующих волн от видимого до метрового диапазона для одновременного мониторинга волн, температуры и солености.
Радиолокационный (активный) метод заключается в приеме и обработке (амплитудного, энергетического, частотного, фазового, поляризационного, пространственно-временного) сигнала, отраженного от возбуждаемой поверхности. Для дистанционного контроля параметров нефтяного загрязнения водной среды (площадь покрытия, толщина, приблизительный химический состав) используются лазерные отражательные, лазерно-люминесцентные методы и фотосъемка в поляризованном свете. Люминесцентный метод основан на поглощении оптических волн нефтью и разнице в спектрах люминесценции легких и тяжелых фракций нефти. Оптимальный выбор длины возбуждающей волны позволяет идентифицировать типы нефтепродуктов по амплитуде и форме спектров флуоресценции. Геофизические методы исследования используются для изучения состава, структуры и состояния горных массивов, в пределах которых могут развиваться определенные опасные геологические процессы.
К ним относятся: магнитные, электрические, тепловые, визуальные (фото -, теле -), ядерные геофизические, сейсмические и геоакустические и другие методы[4].
Программа наземных инструментальных геофизических наблюдений в системе мониторинга включает: участки, где расположены дорогостоящие, ответственные и особо опасные объекты промышленного и гражданского строительства; промышленные зоны, где ведется добыча полезных ископаемых, откачка (перекачка) подземных вод, рассолов (промышленных стоков), места хранения отходов и др. территории, занятые топливно-энергетическими комплексами; территории с мульдами (формами пластов горных пород) оседания земной поверхности; территории занимают промышленные предприятия, выполняющие высокоточные (высокоточные) работы в различных сферах производственной деятельности; территории с неблагоприятными и стрессовыми экологическими условиями; территории, на которых расположены уникальные архитектурные сооружения и исторические памятники.
Основным видом непосредственного изучения опасных геологических процессов и явлений является комплексная инженерно-геологическая съемка (ИГЗ).
Метод комплексного ИГЗ сегодня достаточно хорошо разработан. Сейчас почти вся территория страны охвачена государственным среднемасштабным обследованием (1: 200 000; 1: 100 000 и в некоторых случаях 1: 50,000)

.
Методы получения инженерно-геологической информации при проведении изысканий хорошо разработаны и включают в себя комплекс подготовительных, полевых и лабораторных исследований. В ходе ИГЗ полевые исследования базируются на традиционных маршрутах геологических, топографических, геодезических и ландшафтно-индикаторных исследований, горно-буровых изысканий, полевых испытаний горных пород, динамического и статического зондирования и др. Этот комплекс работ включает в себя специальные аэрокосмические, геофизические, математические, геодезические, гидрогеологические наблюдения.
Экологический мониторинг осуществляется с использованием наземных средств измерений (автоматизированные системы контроля качества воздуха, стационарные пассивные посты мониторинга, лидары, телеметрия). Аэрокосмические методы дистанционного измерения предоставляют широкий спектр возможностей для изучения естественной и сельскохозяйственной растительности, определения запасов биомассы и ее продуктивности.
За рубежом созданы региональные геоинформационные системы мониторинга, особенно в области мониторинга загрязнения атмосферы. Геоинформационная система мониторинга (ГМС) выполняет комплекс функций по сбору информации о текущих значениях параметров геосистем, обработке этой информации в рамках имитационных моделей экологических и климатических процессов и принятию оптимальных решений[5].
Существуют локальные (стационарные средства регистрации, испытаний, анализа), региональные (аэрокосмические) и глобальные (космические) масштабы ГМС.
Оборудование, установленное на спутниках, обеспечивает регистрацию цифровой информации в видимом, ближнем инфракрасном и тепловом диапазонах электромагнитного спектра. Решаются задачи природопользования и экологического контроля: классифицируются почвенный покров, фенологические фазы и болезни растений, вызванные антропогенными воздействиями, оценивается газовый состав атмосферы, проводится мониторинг водной и ветровой эрозии почв, определяются границы снежного покрова, затопления и подтопления рек, хорошо выявляются многие антропогенные изменения в окружающей среде, такие как лесные пожары (дымовые шлейфы, лесные выгоревшие участки), обнаруживаются большие выбросы вредных веществ в атмосферу и океаны, контролируется состояние озонового слоя и др.
Наблюдения за дымовыми выбросами позволяют определить степень прозрачности плотности частиц в факелах. Примеси, составляющие такой факел, можно определить по поглощению излучения в соответствующих зонах поглощения различных газов.
Использование данных спутникового дистанционного зондирования позволяет выявлять нарушения природоохранного законодательства, локализовать и идентифицировать источники загрязнения. Поэтому не исключено, что спутниковая информация станет доминирующей при мониторинге аварийных и незаконных разливов нефтепродуктов в контексте транспортных операций.
В качестве индикаторов состояния окружающей среды, воздействия на нее природных и антропогенных факторов, местоположения экологических инцидентов и событий, характеристик ледового покрова внутренних водоемов и соответствующих радиолокационных сигнатур могут быть использованы данные РЛС с синтезированной апертурой (САР).
Методы дистанционного зондирования являются единственным средством получения экологической информации на больших площадях с высоким пространственным разрешением в режиме реального времени. Удовлетворение требований скорости, видимости и объективности может быть оптимизировано путем объединения мультиспектральных спутниковых снимков и сети стационарных наземных станций[6].
Решение проблем общего загрязнения водохранилищ и водотоков как основных частей бассейна, а также прослеживание этого загрязнения в сезонном аспекте и ретроспективе весьма актуально в связи с заметным увеличением антропогенной нагрузки в последнее десятилетие. Современных космических многоспектральных систем (YOAA, МСУ-СК, МСУ-э, ТМ) они могут быть использованы в качестве параметров, характеризующих состояние водных масс, температуру поверхности (она непосредственно связана со сбросами промышленных предприятий и населенных пунктов как имеющие высокую температуру), мутность, содержание фитопланктона, а также наличие прибрежной растительности. Удаленные данные позволяют регистрировать эти параметры в режиме реального времени по всей акватории, что позволяет судить о пространственных и временных вариациях загрязнения воды[7].
Поскольку появление мутного потока (взвешенных частиц) в истоках рек является важным индикатором для принятия управленческих решений в подстилающей зоне, помимо космических данных необходимо использовать информацию датчика мутности (фотодиод с оптимальным спектральным интервалом, возможно с лазерной подсветкой в ночное время, термодатчик), установленного на буевом наблюдательном пункте.
В настоящее время разработаны методы и программное обеспечение для расчета температуры (теплового потока с поверхности), содержания взвеси, фитопланктона и прибрежной растительности по мультиспектральным цифровым космическим данным. Поэтому основными задачами дистанционного мониторинга водохранилищ являются::
отслеживание потоков загрязненной воды, поступающей в речной сток при различных погодных условиях и в разное время года. Определение минимальных и максимальных условий расхода воды;
разработка рекомендаций по квотам нагрузок на элементы водного бассейна;
мониторинг выполнения международных обязательств и бассейнового соглашения;
отслеживание тенденций в экологической ситуации;
в последние 8-10 лет.
2. Преимущества и недостатки дистанционного метода контроля окружающей среды
Аэрокосмические методы являются эффективным средством наблюдения за изменениями природных условий крупных регионов, особенно районов экологических катастроф и катастроф.
Моментальные снимки могут выполнять роль ревизии. Для такого использования изображений необходимо создать систему эталонных изображений различных видов антропогенного воздействия. Эти изображения дают хороший материал для картирования антропогенного воздействия на природу (2, с. 173).
Спутниковые снимки используются при составлении карт нового типа -природоохранных карт, которые оценивают текущее антропогенное воздействие, характеризуют текущие природоохранные мероприятия и выявляют необходимость применения каких-либо новых защитных мер (2, с. 173).
Преимущества и недостатки спутниковых систем
Среди различных доступных методов получения изображений спутниковые системы имеют ряд преимуществ:
на орбите Земли одновременно находится много спутников, поэтому один и тот же район можно регулярно просматривать для обнаружения изменений;
подавляющее большинство современных спутников передают информацию в цифровом виде, что обеспечивает простую и легкую передачу по радио или коротковолновой связи, анализ и обработку информации;
спутники обеспечивают большую адекватность получаемой информации, благодаря четкой геометрии полета;
спутники запускаются в течение длительного времени, поэтому стоимость получения данных ниже по сравнению с авиационными системами.
На свойства изображений и получаемой информации влияет целый ряд параметров спутниковых орбит. Это, прежде всего, высота, наклон, период вращения и положение относительно Солнца.
В зависимости от высоты, как правило, существует три уровня:
200-400 км - околоземные орбиты пилотируемых кораблей и космических станций, позволяющие проводить детальные фотографические съемки.
600-1400 км - орбиты ресурсных и метеорологических спутников, используемых для оперативных менее детальных съемок.
36 000 км и выше-орбиты геостационарных спутников, используемых для постоянного наблюдения за заданной территорией.
Период запроса особенно важен для решения задач мониторинга. Наиболее подходящими являются так называемые квазипериодические орбиты с периодом 14-16 витков в сутки, что позволяет получать повторяющиеся изображения одного и того же района несколько раз в год, а определенное суточное смещение траекторий полета обеспечивает широтное перекрытие изображений.
Спутниковые системы также незаменимы для мониторинга экологической ситуации в отдельных регионах, а также в глобальном смысле по всей планете