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.

Ведущую роль здесь играют США. Находящаяся под эгидой NOAA (National Oceanic Atmospheric Administration – Национальное управление по океанам и атмосфере) спутниковая метеорологическая система на полярных орбитах NOAA (запускаются с 1970 г.) и геостационарные GOES (запускаются с 1975 г.), а также принадлежащая министерству обороны США спутниковая система DMSP (Defense Meteorological Satellite Project – Оборонный проект спутниковой метеорологии; запускаются с 1966 г.) – единственные в мировой практике эксплуатационные системы мониторинга окружающей среды.

Применение на американских спутниках метеоразведки DMSP микроволновых радиометров в качестве всепогодных измерителей геофизических параметров океана и атмосферы позволило с 1991 г. реализовывать круглосуточное всепогодное обеспечение стандартной информацией о гидрометеорологических параметрах стран-членов WMO (Всемирная метеорологическая организация).

Для национальной безопасности американское правительство в середине 1990-х гг. приняло решение о создании Национальной спутниковой системы мониторинга окружающей среды с полярной орбиты NPOESS (National Polar-Orbiting Operational Environment Satellite System). Она создана путем объединения военной (DMSP) и гражданской (NOAA) спутниковых систем и включает эксплуатируемые в настоящее время DMSP и NOAA, а также разрабатываемые совместно с европейской метеорологической организацией Eumetsat ИСЗ «Metop» (запуск в 2004 г.). В работе NPOESS задействованы исследовательские спутники: Wind (запущен 1 ноября 1994 г.), Coriolis (запущен 6 января 2003 г.), а также по программе EOS –«Terra» (запущен 18 декабря 1999 г.) и «Aqua» (запущен 4 мая 2002 г.).

В других странах к числу наиболее значимых космических программ обзорного наблюдения Земли относят европейскую программу мониторинга и обеспечения безопасности Земли GMES, базирующуюся на КА «Envisat» (запущен 1 марта 2002 г.) и «Metop»; канадскую космическую программу с применением спутников «Radarsat» (запускаются с 1995 г.); японскую программу наблюдения Земли на базе ИСЗ «ADEOS» (запускаются с 1996 г.); индийскую систему дистанционного зондирования IRS (запуски с 1988 г.).

Космические аппараты, входящие в спутниковые системы глобального мониторинга Земли, представлены на рисунке 2.

В США исследование глобальных процессов с учетом их взаимодействия и влияния на состояние окружающей среды осуществляется в рамках национальной программы USGCRP (United States Global Change Research Programme – Программа изучения глобальных изменений), а также под эгидой Межправительственного комитета по климатическим изменениям IPCC (Intergovernmental Panel on Climatic Change). Ожидается, что полученные результаты станут научной основой для принятия государственных решений по вопросам состояния окружающей среды и климата в глобальном масштабе.

В нашей стране, несмотря на ее сложное экономическое положение и нарастающее отставание космической деятельности от других стран, в соответствии с Федеральной космической программой проводятся работы по дистанционному зондированию из космоса. Декларируются следующие направления:

- расширение знаний о Земле;

- мониторинг окружающей среды и контроль чрезвычайных ситуаций;

- повышение эффективности промышленного сырьевого секторов, транспорта, энергетики и др.

В 1990-х гг. в России для осуществления мониторинга окружающей среды и изучения природных ресурсов на орбиту последовательно запущены природоведческие спутники «Ресурс-О1» (запускаются с 1980 г.) и океанографические «Океан-О1» (запускаются с 1979 г.). В настоящее время функционирует выведенный на орбиту 10 декабря 2001 г. ИСЗ аналогичного назначения «Метеор-3М» №1, оснащенный кроме прочих приборов трехканальным электронно-оптическим сканером высокого разрешения МСУ (45 м) и первым в мировой практике зондирующим микроволновым сканером МТВ3А (подобный американский прибор SSM/IS, выведен на околоземную орбиту в октябре 2003 г.).

Российские спутники дистанционного зондирования Земли и метеорологических наблюдений представлены на рисунке 3.

С применением СВЧ-радиометра МТВ3А начались измерения таких важнейших для прогноза погоды параметров, как водный запас облаков, профили температуры и влажности атмосферы, радиационный баланс и скорость ветра. Подобная информация используется государственными метеорологическими службами стран-членов ВМО, ранее ее единственным источником служили спутники, принадлежащие министерству обороны США. Благодаря единому антенному блоку, включающему антенну, радиометрические приемники и многочастотный облучатель, в приборе МТВ3А реализована технология совмещения во времени спектральных и поляризационных видов измерений. Изображение получается при механическом сканировании антенного луча и движении космического аппарата. Коническое сканирование обеспечивает постоянство угла визирования и поляризации в рабочем секторе и исключает необходимость коррекции температуры (в радиодиапазоне), как это имеет место в микроволновых приборах на американских спутниках DMSP и NOAA.

Схема научно-технической поддержки спутниковой системы мониторинга окружающей среды приведена на рисунке 4.

Глава 2. Проблемы и перспективы применения

спутникового экологического мониторинга

2.1. Современные  проблемы дистанционного зондирования в рамках экологического мониторинга

Космическая деятельность России в области ДЗЗ рассматривается как часть общих усилий мирового сообщества по сохранению и оздоровлению сферы обитания, решению глобальных проблем энергетического и продовольственного обеспечения и обеспечению устойчивого экономического развития. В этой связи наряду с дальнейшим развитием и совершенствованием космического и наземного сектора российских средств ДЗЗ ставится задача эффективной интеграции и взаимодействия со средствами ДЗЗ мирового сообщества.

Сегодня космическая наука и технологии космической деятельности, создаваемые космические средства – эффективный инструмент обеспечения устойчивого развития. Им была представлена также космическая гидрометеорологическая система «Арктика».

Задача создания многоцелевой системы «Арктика» определена как одна из приоритетных задач, определенных Основами политики Российской Федерации в области космической деятельности на период до 2020 года и дальнейшую перспективу. Назначение системы «Арктика» состоит в:

- наблюдении крупномасштабных  гидрометеорологических процессов  на огромной территории Арктического региона (недоступного для наблюдения с геостационарных орбит) с получением многоспектральных данных в квазинепрерывном режиме (недостижимом для низкоорбитальных метеоспутников);

- высокопериодическом мониторинге  с разрешением до 1 м в любое время суток и при любом состоянии погоды за трассой Северного морского пути и другими маршрутами морского транспорта, а также высокоширотными районами добычи газа и нефти и ледовой обстановкой на всем пространстве Северного ледовитого океана в интересах экономики и безопасности России;

- получении гелиогеофизических  данных в полярных областях околоземного космического пространства;

- выполнении телекоммуникационных функций по сбору, обмену и ретрансляции гидрометеорологических данных.

Следует отметить, что в настоящее время в России активно развиваются спутниковые методы и новые технологии дистанционного зондирования Земли. Ведущиеся разработки, направленные на решение как фундаментальных, так и прикладных задач, не уступают современному мировому уровню исследований в данной области, а многие теоретические разработки опережают мировые достижения.

Что касается вопросов создания и использования приборов и систем для спутникового мониторинга состояния окружающей среды, то в настоящее время «слабыми местами» являются:

- создание приборов ДЗЗ;

- навигационная привязка получаемой информации;

- радиометрическая и геометрическая калибровка приборов.

В области создания приборных разработок обсуждаются как вопросы подготовки аппаратуры, которая будет запущена в ближайшее время:

- комплекс многозональной спутниковой съемки;

- атмосферный ИК Фурье-спектрометр ИКФС-2 для КА «Метеор-М», так и перспективные разработки, среди которых основное вниманиепосвящено разработке видеоспектрометров.

Видеоспектрометры безусловно являются одним из перспективных направлений космического приборостроения, но, к сожалению, все предлагаемые видеоспектрометры ограничиваются видимым и ближним ИК диапазонами, т.е. длинами волн менее 1 мкм.

К настоящему времени проведен большой объем работ в области технологий и методов использования спутниковых данных в системах мониторинга как в России, так и в странах ближнего зарубежья. Основными направлениями работ являлись:

- методическое и аппаратное  обеспечение систем дистанционного  зондирования;

- развитие программно-аппаратного  и методического обеспечения  тематической интерпретации экспериментальных данных;

- использование данных  ДЗЗ в различных отраслях народного  хозяйства и научных исследованиях;

- совершенствование и  развитие новых систем сбора, обработки и хранения информации.

2.2. Перспективы  спутниковых систем 

дистанционного зондирования Земли

В соответствии с «Концепцией развития российской системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025 года», главной целью создания российской орбитальной группировки космических средств ДЗЗ (ОГ КС ДЗЗ) является максимальное удовлетворение потребностей национальной экономики и обеспечение конкурентоспособности в области ДЗЗ. Достижение поставленной цели реализуется в рамках «Федеральной космической программы России на 2006-2015 годы» запланированными мероприятиями по разработке перспективных космических средств ДЗЗ (КС ДЗЗ), оснащаемых достаточно сложным комплексом современной съемочной аппаратуры, и сбалансированным развитием наземной инфраструктуры эксплуатации создаваемой орбитальной группировки.

Формирование российской ОГ КС ДЗЗ началось в июне 2006 г. запуском первого гражданского космического аппарата (КА) высокодетального наблюдения «Ресурс-ДК», который успешно функционирует до настоящего времени. Запуском в январе и вводом в июле 2011 г. в опытную эксплуатацию космического спутника геостационарного базирования «Электро-Л», обеспечивающего глобальную съемку Земли в видимом и инфракрасном диапазонах, состав отечественной ОГ КС ДЗЗ доведен до трех КА. Созданная орбитальная группировка, включающая в том числе полярно-орбитальный КА гидрометеорологического назначения «Метеор-М» №1, обеспечивает проведение космической съемки и получение разнообразных данных ДЗЗ высокого, среднего и низкого разрешения в оптическом диапазоне спектра. Эксплуатация запускаемых КА ДЗЗ успешно реализуется Оператором КС ДЗЗ – Научным центром оперативного мониторинга Земли ОАО «Российские космические системы».

Важным итогом этого периода является подтверждение правильности реализуемых технических решений в части создания современной целевой аппаратуры наблюдения. Существенным шагом вперед на пути российского космического приборостроения стало создание специалистами ОАО «Российские космические системы» многозональных сканирующих устройств низкоорбитальных КА (МСУ-МР / «Метеор-М» № 1) и КА геостационарного базирования (МСУ-ГС / «Электро-Л» №1). При отработке приборов совместно с предприятиями кооперации восстановлены технологии изготовления систем радиационного охлаждения фотоприемников до криогенных температур (ОАО «НИИЭМ», г. Истра), прецизионных высокоточных двух- и трех- координатных приводов (СКВ ИКИ РАН, г. Таруса), впервые в мировой практике на геостационарном КА использованы многоэлементные приемники инфракрасного диапазона. Конструктивное сотрудничество специалистов ОАО «Российские космические системы» и ФГУП «НПО Орион» позволило приступить к производству ИК-приемников нового поколения для перспективных КК ДЗЗ.

В целом совокупные возможности орбитальной группировки ближайшего периода в десятки раз повышают нагрузку на наземную инфраструктуру эксплуатации КС ДЗЗ. Проведенные оценки показывают, что потребуется ежесуточно проводить более 100 сеансов приема данных с КА группировки с обработкой в потоковом режиме (в темпе приема) около 15 ТБ разнородной информации. В этих условиях устойчивый режим по своевременному предоставлению данных ДЗЗ потребителям может быть обеспечен только заблаговременным решением ряда первоочередных задач, которые можно условно разделить на два крупных направления.

Первое – это реализация комплекса мероприятий по созданию всех необходимых технологических компонентов эффективного целевого применения ОГ КС ДЗЗ, который включает:

- экспериментальную отработку и внедрение автоматизированной системы комплексного планирования целевого применения совокупного информационного ресурса орбитальной группировки ДЗЗ;

- создание Единой территориально распределенной информационной системы ДЗЗ (ЕТРИС ДЗЗ);

- создание системы валидационных подспутниковых наблюдений как составной части процесса целевого применения каждого КА группировки;

- обеспечение технологической готовности Оператора КС ДЗЗ к работе с новыми видами космической съемки (гиперспектральной и радиолокационной) и созданию на ее основе информационных продуктов.

Второе направление – развитие системы общедоступных сервисов по обеспечению потребителей как первичными данными, так и максимально унифицированными продуктами ДЗЗ, в первую очередь на основе глобальных информационных интернет-технологий удаленного доступа.