Дистанционные методы контроля состояния ОС с применение ГИС-технологий в экспертных исследованиях

Российский Университет  Дружбы Народов

Экологический факультет

Реферат

 по методам и средствам  судебной экспертизы

на тему:

Дистанционные методы контроля состояния ОС с 
применение ГИС-технологий в экспертных исследованиях.

Содержание

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

Дистанционные методы контроля..…………………………………………...4

ГИСы в экспертных исследованиях….……………………………………...10

Заключение……………………………………………………………………...15

Список литературы…………………………………………………………….16

Введение

Известно, что первые aвтoмaтические cиcтемы cлежения зa пaрaметрaми внешней среды были cоздaны для рeшения зaдaч в cфeрe вoeннoй и кocмичеcкой дeятельноcти. В 50-ыe гoды в cистeмe ПВO CШA уже испoльзoвaли cемь автоматических буев в Тихом океане, но самая достойная автоматическая система по контролю качecтва ОC была рeaлизoвaна в «Лунoхoдe».

Диcтанциoннoе зoндирование - этo сбoр инфoрмации об oбъекте или явлeнии c помощью рeгиcтрирующeго приборa, нe находящегося в непосредственном контакте с данным объектом или явлением. Тeрмин «диcтaнциoннoe зoндирoвaниe» oбычнo включaeт в ceбя рeгиcтрацию (запись) элeктрoмагнитных излучeний пocрeдством рaзличных кaмер, cкaнеров, рaдиoлoкаторов микрoвoлновых приeмников и других прибoрoв тaкого рoдa. Также данные устройства дистанционного наблюдения основываются на использовании подключения к базовой станции либо через наземные линии, сотовые телефонные сети или другие телеметрические сети или системы. Дистанционное зондирование используется для сбора и записи информации  oб атмосфере , o морском дне Земли, o Сoлнечной системе. Оно oсуществляется с помощью самолетов, космических летательных аппаратов, морских судов и наземных телескопов [6].

 Геоинформационные системы (также ГИС – географическая информационная система) – системы, предназначенные для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах. Другими словами, это инструменты, позволяющие пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах, например по охраняемым территориям [1].

Дистанционные методы контроля

Дистанционные (неконтактные) методы наблюдений и контроля за состоянием природной среды основаны на использовании двух свойств зондирующих полей (электромагнитных (Рис. 1)., акустических, гравитационных): осуществлять взаимодействия с контролируемым объектом и переносить полученную информацию к датчику. Зондирующие поля обладают широким набором информативных признаков и разнообразием эффектов взаимодействия с веществом объекта контроля. Принципы функционирования средств неконтактного контроля условно подразделяют на:

1. Активные. В результате данного дистанционного зондирования с самолета или спутника излучается поток энергии и используется пассивный датчик для обнаружения и измерения излучения, отраженного или рассеянного объектом изучения. Для получения данных о топографических характеристиках исследуемой области нередко применяется ЛИДАР, что особо эффективно, когда территория слишком большая и ручная съемка будет довольно затратной.

2. Пассивные. При нем происходит обнаружение земного излучения испускаемого или отраженного от объекта исследования. Наиболее популярным источником излучения считается отраженный солнечный свет, интенсивность которого измеряется пассивными измерителями. Датчики дистанционного зондирования окружающей среды настроены на определённые частоты от ИК до УФ, включая и длины волн видимого излучения. Огромные объемы данных, которые образуются при дистанционном зондировании окружающей среды, требуют мощной вычислительной аппаратуры. Эта техника позволяет проводить анализ, сравнительно, малоотличающихся радиационных характеристиках среды по данным дистанционного зондирования, успешно ликвидировать шумы и «ложные цветовые изображения» [3, 9].

Рисунок 1.

Дистанционное зондирование группирует все типы данных, получаемых с различных носителей, наиболее известные из них:

• космические (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового применения, автономные спутниковые съемочные системы и т. п.);
• авиационного базирования (вертолеты, самолеты и микроавиационные радиоуправляемые агрегаты), которые составляют существенную часть дистанционных данных как антонима контактных (прежде всего наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектом съемки [4];
• морского (наводного  и подводного) и наземного базирования (к примеру: фототеодолитную съемку, сейсмо, электромагниторазведку и иные методы гидроакустической съемки рельефа морского дна при помощи гидролокаторов бокового обзора, геофизическое зондирование недр и иные способы, основанные на регистрации собственного или отраженного сигнала волновой природы) [7].

Неконтактные методы наблюдения и контроля представлены двумя основными  группами методов: аэрокосмическими и геофизическими. Основными видами аэрокосмических методов исследования являются оптическая фотосъёмка, телевизионная, инфракрасная, радиотепловая, радиолокационная, радарная и многозональная съёмка.

Неконтактный контроль атмосферы  осуществляется с помощью радиоакустических  и лидарных методов. Вначале радиоволны были использованы для анализа состояния ионосферы (по отражению и преломлению волн), затем сантиметровые волны применили для исследования осадков, облаков, турбулентности атмосферы.

Область использования радиоакустических  методов ограничена сравнительно локальными объёмами воздушной среды (около 1–2 км в радиусе) и допускает их функционирование в наземных условиях и на борту воздушных судов.

Одной из причин появления  отражённого акустического сигнала  являются мелкомасштабные температурные  неоднородности, что позволяет контролировать температурные изменения, профили  скорости ветра, верхнюю границу  тумана.

Принцип лидарного (лазерного) (рис. 2) зондирования заключается в том, что лазерный луч рассеивается молекулами, частицами, неоднородностями воздуха; поглощается, изменяет свою частоту, форму импульса, в результате чего возникает флюоресценция, 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 монохроматичности, когерентности и возможности изменять спектр, что позволяет избирательно контролировать отдельные параметры воздушной среды. Главный недостаток – ограниченность потолка зондирования атмосферы с Земли влиянием облаков.

Рисунок 2. Принцип действия лидара.

Основными методами неконтактного  контроля природных вод являются радиояркостной, радиолокационный, флюоресцентный. Радиояркостной метод использует диапазон зондирующих волн от видимого до метрового для одновременного контроля волнения, температуры и солёности. Радиолокационный (активный) метод заключается в приёме и обработке (амплитудной, энергетической, частотной, фазовой, поляризационной, пространственно-временной) сигнала, отражённого от взволнованной поверхности.

Для дистанционного контроля параметров нефтяного загрязнения  водной среды (площадь покрытия, толщина, примерный химический состав) используется лазерный отражательный, лазерный флюоресцентный методы и фотографирование в поляризованном свете.

Флюоресцентный метод основан на поглощении оптических волн нефтью и различии спектров свечения легких и тяжёлых фракций нефти. Оптимальный выбор длины возбуждающей волны позволяет по амплитуде и форме спектров флюоресценции идентифицировать типы нефтепродуктов.

Геофизические методы исследований применяются для изучения состава, строения и состояния массивов горных пород, в пределах которых могут развиваться те или иные опасные геологические процессы. К ним относятся: магниторазведка, электроразведка, терморазведка, визуальная съёмка (фото-, теле-), ядерная геофизика, сейсмические и геоакустические и другие методы.

В программу наземных инструментальных геофизических наблюдений в системе  мониторинга включаются:

• районы размещения дорогостоящих, ответственных и особо опасных объектов промышленного и гражданского строительства;
• промышленные зоны, в которых ведётся добыча полезных ископаемых, откачка (закачка) подземных вод, рассолов (промышленных стоков), места складирования отходов и т.п.;
• территории, занятые топливно-энергетическими комплексами;
• территории с мульдами оседания земной поверхности;
• территории занятые промышленными предприятиями, на которых выполняются прецизионные работы в различных сферах производственной деятельности;
• территории с неблагоприятной и напряжённой экологической обстановкой;
• территории расположения уникальных архитектурных сооружений и исторических памятников.

Спутниковые данные дистанционного зондирования позволяют решать следующие  задачи контроля состояния окружающей среды:

• определение метеорологических характеристик: вертикальные профили температуры, интегральные характеристики влажности, характер облачности;
• контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий;
• определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности;
• обнаружение крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий;
• составление синоптических карт;
• контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон;
• обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах;
• выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах;
• регистрация дымных шлейфов от труб;
• мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;
• обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;
• контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах влияния промышленных предприятий;
• анализа и прогноза состояния акватории морей и океанов, включая контроль ледовой обстановки.

В России существует несколько  космических систем дистанционного зондирования территории России, применимых для наблюдений за развитием опасных природных процессов и явлений. Основными и наиболее доступными для использования в ЕГСЭМ из них являются системы дистанционного зондирования «Метеор», «Океан», «Ресурс-0», «Ресурс-2» и др.

На территории России в  последнее десятилетие активно  развивается сеть станций приёма данных от спутников NOAA (американские метеорологические спутники), образующая наземную инфраструктуру регионального  экологического мониторинга: в Москве (Институт космических исследований РАН, ВНИИ ГОЧС МЧС);

Красноярске (Институт леса СО РАН); Иркутске (Институт солнечно-земной физики СОРАН); Салехарде (Госкомитет по охране окружающей среды Ямало-Ненецкого автономного округа); Владивостоке (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН).

Изображения со спутников  передаются на Землю в реальном масштабе времени в диапазоне 1700 МГц.

Возможность свободного приёма спутниковой информации наземными  станциями обеспечивается Всемирной метеорологической организацией согласно концепции «Открытого неба».

На наземных станциях приёма спутниковой информации производится приём, демодуляция, первичная обработка и подготовка спутниковых данных к вводу в персональный компьютер станции [8].

ГИСы в экспертных исследованиях

К информационному обеспечению  экологических проблем относятся  сбор, обработка, анализ, синтез данных, построение моделей, создание баз данных для пользователей. Первичная экологическая  информация собирается с помощью  измерительных средств в процессе научно-практической деятельности. Эта информация обладает наивысшей прикладной ценностью. Вторичная информация – результат переработки первичной для дальнейшего использования в экологическом моделировании, мониторинге и экспертизе. Третичная информация – результат переработки вторичной для предоставления потребителю для последующего принятия решений.

Экспертные исследования — набор определенных действий, производимых с целью всестороннего изучения объекта экспертизы. Исследования проводятся специалистами в определенной области знаний. Проведением экспертных исследований занимаются экспертные бюро, организации и институты, имеющие лицензии на ведение экспертной деятельности и имеющие в штате компетентных специалистов, обладающих знаниями и навыками для проведения экспертизы в определенных областях и обладающих необходимыми техническими возможностями.

Экспертные исследования проводятся по заявкам физических и  юридических лиц при возникновении  спорных ситуаций, с целью выяснения  качества исследуемого объекта. Так  же ряд экспертиз проводится по запросам судебных и следственных органов, они  касаются общих и специфических  вопросов. По результатам экспертиз  выдаются официальные заключения, имеющие  доказательную силу. За экспертное заключение, выдавший его эксперт, несет  полную ответственность.

Геоинформационные системы напрямую связаны с дистанционным зондированием. Данные, полученные дистанционными методами и снабженные привязкой, могут служить основой для выделения пространственных объектов

ГИС хранит информацию о  реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных  реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Сферы применения ГИС-технологий в науке довольно обширны, начиная  от анатомической модели организма  человека (модуль BodyViewer) до создания ГИС Вселенной и планет Солнечной системы (Arcreview, 1998, №3). Это объясняется в основном широкими возможностями пространственного запроса, статистического анализа данных, уникальной визуализации в виде различных карт. Эти способности отличают ГИС от других информационных систем и отвечают требованиям многих отраслей науки. Географические информационные системы являются уникальным инструментом, как для объяснения многих природных явлений, так и для их прогнозирования и управления ими в критических ситуациях.

Создание полноценно работающих ГИС-проектов - дело работы целого коллектива специалистов разного профиля: ГИС-менеджер, который ставит задачу и координирует все работы; разработчик (специалист, отвечающий за программное обеспечение, т.е. прикладной программист, оптимизирующий программы под конкретную задачу); операторы, отвечающие за оцифровку (векторизацию) карт, и операторы, отвечающие за формирование и управление базами различных данных. Могут быть также приглашены, в зависимости от поставленных задач, и другие специалисты по различным прикладным темам.

В настоящее время ГИС - это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены сотни  тысяч людей во всем мире. ГИС  изучают в школах, колледжах и  университетах. Эту технологию применяют  практически во всех сферах человеческой деятельности - будь то анализ таких  глобальных проблем как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи [1].

ГИС с успехом используется для создания карт основных параметров окружающей среды. В дальнейшем, при  получении новых данных, эти карты  используются для выявления масштабов  и темпов деградации флоры и фауны. При вводе данных дистанционных, в частности спутниковых, и обычных  полевых наблюдений с их помощью  можно осуществлять мониторинг местных  и широкомасштабных антропогенных  воздействий. Данные об антропогенных  нагрузках целесообразно наложить на карты зонирования территории с выделенными областями, представляющими  особый интерес с природоохранной  точки зрения, например парками, заповедниками  и заказниками. Оценку состояния  и темпов деградации природной среды  можно проводить и по выделенным на всех слоях карты тестовым участкам

С помощью ГИС удобно моделировать влияние и распространение загрязнения  от точечных и неточечных (пространственных) источников на местности, в атмосфере  и по гидрологической сети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, например карты  растительности, или же на карты  жилых массивов в данном районе. В результате можно оперативно оценить  ближайшие и будущие последствия  таких экстремальных ситуаций, как  разлив нефти и других вредных  веществ, а также влияние постоянно  действующих точечных и площадных  загрязнителей.

ГИС является эффективным  средством для изучения среды  обитания в целом, отдельных видов  растительного и животного мира в пространственном и временном  аспектах. Если установлены конкретные параметры окружающей среды, необходимые ,например, для существования какого-либо вида животных, включая наличие пастбищ и мест для размножения, соответствующие типы и запасы кормовых ресурсов, источники воды, требования к чистоте природной среды, то ГИС поможет быстро подыскать районы с подходящей комбинацией параметров, в пределах которых условия существования или восстановления численности данного вида будут близки к оптимальным. На стадии адаптации переселенного вида к новой местности ГИС эффективна для мониторинга ближайших и отдаленных последствий предпринятых мероприятий, оценки их успешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению.

По мере расширения и углубления природоохранных мероприятий одной  из основных сфер применения ГИС становится слежение за последствиями предпринимаемых  действий на локальном и региональном уровнях. Источниками обновляемой  информации могут быть результаты наземных съемок или дистанционных наблюдений с воздушного транспорта и из космоса. Использование ГИС эффективно и  для мониторинга условий жизнедеятельности  местных и привнесенных видов, выявления  причинно-следственных цепочек и  взаимосвязей, оценки благоприятных  и неблагоприятных последствий  предпринимаемых природоохранных  мероприятий на экосистему в целом  и отдельные ее компоненты, принятия оперативных решений по их корректировке  в зависимости от меняющихся внешних  условий.

Заключение

Наиболее важный аргумент дистанционного зондирования состоит в том, что спутники, выведенные на околоземные орбиты, дали ученым возможность наблюдать, отслеживать и изучать планету Земля как целостную систему, включая ее изменяющуюся атмосферу и облик суши, изменяющийся под воздействием естественных причин и техногенной деятельности человека. Данные, получаемые со спутников, возможно, посодействуют отыскать ключ к предсказанию изменений климата, вызванных как естественными, так и техногенными причинами.

Таким образом, можно смело утверждать, что ГИС имеет определенные характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целей обработки и управления информацией. С появлением ГИС возможность решения такой задачи как анализ дистанционных данных для их полноценного использования в повседневной жизни, стала реальностью, так как эта технология позволяет собрать воедино и проанализировать различную, на первый взгляд мало связанную между собой информацию, получить основанный на массовом фактическом материале обобщенный взгляд на него, количественно и качественно проанализировать взаимные связи между характеризующими его параметрами и происходящими в нем процессами. ГИС с успехом используется для наблюдения состояния окружающей среды, а также для создания карт основных параметров окружающей среды.

Перспективы расширенного применения ГИС-технологий для решения комплексных проблем охраны окружающей среды в различных отраслях связаны с развитием предлагаемого подхода к улучшению экологического состояния территории на основе использования информации полученной с помощью современных технологий, в частности с помощью аэрокосмической информации.

Список литературы

1. Алексеев В.В., Куракина Н.И. ИИС мониторинга. Вопросы комплексной оценки состояния ОПС на базе ГИС // журнал ГИС-Обозрение.-2000.-№19.
2. Ананьев Ю.С. Геоинформационные системы. Учеб. пособие – Томск: Изд. ТПУ, 2003. – 70 с.
3. Виноградов Б. В. Аэрокосмический мониторинг экосистем. - М.:Наука, 1984. - 320 с.
4. Дистанционное зондирование в метеорологии, океанологии и гидрологии. М., 1984.
5. Кузенкова Г. В. Введение в экологический мониторинг: учебное пособие. — Н.Новгород: НФ УРАО, 2002. — 72 с.
6. Мишев Д. Дистанционные исследования Земли из космоса. М., 1985
7. Зейболд Е., Бергер В. Дно океана. М., 1984
8. Методы и приборы контроля окружающей среды. Экологический мониторинг : учебное пособие / И.В. Якунина, Н.С. Попов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. – 188 с.
9. Федеральный закон от 10.01.2002 N 7-ФЗ (ред. от 18.07.2011)

Москва - 2013