Дистанционные методы мониторинга основаны на взаимодействии излучения с веществом.
• Пассивные - методы, использующие собственное электромагнитное излучение объектов.
• Активныеметоды подразумевают использование отраженного от объектов исследования излучения, направленного на эти объекты специальными излучателями.
• Аэрокосмический мониторинг – это наблюдения за природными объектами при помощи летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, воздушных шаров, аэростатов, дирижаблей, спутников Земли).
• Дистанционные методы наземного и наводного (морского) базирования – подразумевают наблюдения с судов или береговых сооружений.
Области применения дистанционных методов
• Определение метеорологических характеристик, вертикальных профилей температуры, интегральных характеристик влажности, характера облачности
• Оценка загрязненности и состава воздуха, обнаружение крупных или постоянных выбросов
• Оценка загрязненности и состава воды, контроль сброса сточных вод, обнаружение зон наводнений
• Выявление заболоченности
• Контроль загрязнений почвы
• Оценка состояния лесных массивов, обнаружение и контроль развития пожаров
• Контроль динамики и загрязнения снежного покрова
• Выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов
Дистанционные методы основаны на способности всех объектов испускать электромагнитные волны, содержащие как собственное, так и отраженное солнечное излучение. Интенсивность и характер электромагнитного излучения зависят от вида, строения и состояния объекта.
Отраженное солнечное излучение характеризуется спектральным коэффициентом отражения СКО (СКЯ). СКО (r) равен отношению яркости излучения отражающего объекта (L) к яркости полностью отражающей поверхности, находящейся в тех же условиях освещения, что и изучаемый объект (LD).
В результате изучения зависимости излучательной и отражательной способности почв, растительности, воды, атмосферы от различных факторов (температуры, химического состава, влажности и т.д.) в различных областях спектра, были выявлены спектральные диапазоны и условия, оптимальные для диагностики каждого объекта. [3]
Определяемые характеристики:
- Распознавание с/х культур, контроль состояния растительности, исследование состава сточных вод, определение загрязнителей атмосферы и природных вод, температурный контроль
- Влажность почвы, уровень грунтовых вод, обнаружение источников тепловых потерь
- Соленость воды, температура водной поверхности,
- Влажность почвы, степень засоленности почвы
- Концентрация газов в атмосфере на разных высотах
• Тепловизионные методы:
- Спектрометрирование;
- Гиперспектральные методы
• СВЧ-радиометрия и многочастотная СВЧ-радиометрия
- Дистанционная пространственно-частотная спектрометрия
• Лидарные (основанные на различных физических процессах взаимодействия лазерного излучения с веществом)
• Радиолокационные методы (РСА, РЛС-БО, бистатическая локация, многочастотная радиотомография, радиоинтерферометрия)
- Магнитометрические методы
- Гравиметрические методы
Методы, основанные на регистрации потоков частиц (пассивная гамма-спектрометрия, активные методы и др.)
Лидарные методы
Лидарные методы – основаны на применении лазерного излучения. Относятся к активным методам.
Принцип работы лидара основан на том, что каждое вещество имеет характерный для него набор частот, на которых происходит излучение или поглощение электромагнитной энергии, а интенсивность поглощения или излучения на этих частотах пропорциональна количеству данного вещества в окружающей среде.
Лидар посылает лазерный импульс к объекту исследования и принимает обратно отраженное излучение после его взаимодействия с исследуемым объектом.
Размещение лидаров:
- на самолетах
- на спутниках
Область применения:
1. Контроль состояния атмосферы
- Определение содержания аэрозолей в воздухе
- Оценка присутствия дыма
- Оценка наличия облаков
- Определение конкретных загрязнителей.
2. Контроль состояния водных объектов
- Определение содержания фитопланктона
- Определение мутности воды
- Определение содержания растворенных органических соединений
- Обнаружение разливов нефти (оценка площади разлива, идентификация нефтепродукта, определение толщины слоя нефти)
Достоинства метода:
- Оперативность (быстрота измерения значительно превышает скорость химических анализов воздуха)
- Высокая чувствительность
- Высокое пространственное и временное разрешение.
Радиометрические методы
В основе СВЧ – радиометрического метода лежит зависимость интенсивности собственного СВЧ – излучения объектов от их физико-химических параметров.
1. Контроль состояния водных объектов
- определение минерализации воды
- определение температуры воды
- обнаружение нефтяных пятен
2. Контроль состояния земной поверхности
- влажность приповерхностых слоев почвы
- глубина залегания грунтовых вод
- глубина промерзания почв
- степень засоленности
- температура грунта и растительного покрова
- места пожаров и загораний торфяных болот
- зоны геотермальной активности
- гидрологический режим почвы под пологом леса
- динамика лесовосстановительного процесса.
Тепловизионные методы
Тепловизионные методы основаны на том, что любые природные и антропогенные процессы, сопровождаются поглощением и выделением тепла, изменяя внутреннюю энергию тела, которая в состоянии термодинамического равновесия пропорциональна температуре вещества. В результате этого поверхности физических тел приобретают специфическое температурное распределение.[4]
Тепловизоры преобразуют ИК – излучение объекта в электрические сигналы и регистрируют их в форме видимого изображения.
Область применения:
- Обнаружение источников сброса сточных вод, прослеживание путей их миграции
- Обнаружение нефтяных загрязнений. Нефть растекается по поверхности воды тонкой пленкой и создает эффект понижения температуры – «холодные пятна». Разность температур составляет от десятых долей градуса до 1-2°С.
- Контроль состояния тепловых сетей и тепловых потерь сооружений
- Обнаружение процессов самовозгорания
- Контроль утечек газа (благодаря подогреву газа, проходящего по газопроводу, на снимках вдоль газопровода видны теплые зоны. В зоне утечки газа образуется «холодное пятно»).
Радиолокационные методы
Радиолокационные методы основаны на использовании отражения зондирующих сигналов, излучаемых передатчиком радиолокационной съемки (РЛС) от земной поверхности. РЛС ведется в диапазоне 0,3-100 см (100 ГГц - 300 МГц). Является активным дистанционным методом.
Область применения:
- Определение береговой лини и зон подтопления
- Характеристики ледяного покрова (разрывы)
- Состояние всходов с/х культур
- Подпочвенное зондирование на глубину до 200м (например, для обнаружения пресных вод)
Независимость от метеорологических условий и времени суток
Независимость разрешающей способности от расстояния до объекта большая полоса захвата на местности (с малых высот).
Радиолокационный метод используется при работе гидрометеорологической системы «Метеор», принадлежащей Росгидромету.
Достоинства дистанционных (аэрокосмических) методов мониторинга
• большая обзорность, обеспечивающая региональные и глобальные исследования на обширных площадях;
• оперативность получения информации;
• возможность работы в любых труднодоступных районах;
• получение информации с различным разрешением практически в любом масштабе, в различных участках электромагнитного спектра;
• высокая достоверность получаемых данных, особенно в сочетании с подспутниковыми измерениями;
• широкий спектр регистрируемых параметров, обеспечивающих решение многих научных и практических проблем;
• возможность передачи космической информации и ретрансляции данных, полученных при подспутниковом мониторинге, потребителям различных уровней.
Обработка данных
Современное состояние работ в области техники и технологии обработки данных характеризуется высокими темпами развития микропроцессоров с качественно новыми техническими характеристиками и созданием программных оболочек, реализующих новый стиль разработки прикладных программ "программирования без языков программирования".
Скачкообразный рост вычислительных ресурсов и функциональных возможностей персональных компьютеров, появление разнообразной периферийной техники, прогрессирующая интеграция и сверхминиатюризация, стремительное развитие прикладных, инструментальных и диалоговых средств - все это делает реальным создание специализированных интерактивных вычислительных комплексов на основе персональных компьютеров, архитектура и программное обеспечение которых будут формироваться самим пользователем, исходя из задач исследования. Рассмотрим кратко современное состояние средств обработки МДС, базирующихся на использовании персональных компьютеров.
Персональные компьютеры (ПК).Интенсивное развитие и увеличение рынка ПК связывается с появлением в 1981 г. компьютера IBM PC. Успех этого компьютера в первую очередь был обеспечен открытой архитектурой и высокой модульностью узлов, что позволило пользователям в течение длительного времени, меняя отдельные компоненты (мониторы, платы, дисководы), поддерживать компьютер на высоком техническом уровне.
Для решения задач обработки и анализа МДС большое значение имеет разрешающая способность мониторов. В настоящее время существует ряд видеостандартов от 800—600 точек до 1280-1024 и выше при 256-цветовом режиме.
Рабочие станции.Под этим понятием подразумеваются мощные компьютеры, работающие в однопользовательском режиме, спроектированные специально для работы в сети и имеющие сетевое аппаратное и программное обеспечение. Необходимыми атрибутами современной рабочей станции являются монитор высокого разрешения, манипулятор "мышь", большой объем оперативной памяти, многозадачная операционная система, дающая доступ ко всей памяти, и интерфейс пользователя, обеспечивающий мощные пиктографические среды и многооконный режим работы. В последнее время прослеживается тенденция сближения индустрии персональных компьютеров и рабочих станций.
Периферийное оборудование. Существующий рынок предлагает богатейший выбор периферийного оборудования, позволяющего создавать конфигурацию вычислительного комплекса практически по любому вопросу. Впечатляющие результаты в области средств ввода данных связаны с разработкой целого ряда сканирующих устройств, которые дают возможность вводить в автоматическом режиме полутоновые и цветные изображения различных форматов с использованием программ оптического распознавания символов и различных текстовых данных.
Для распечатки выходной информации существует огромное разнообразие печатающих устройств, использующих разные принципы печати. Лидерами среди разных классов являются лазерные принтеры, характеризующиеся высоким качеством печати, быстродействием и универсальностью. Высокое качество изображения, прежде всего карт, дают и более дешевые струйные принтеры.
Программное обеспечение.Современная тенденция развития программного обеспечения компьютеров заключается в интеграции разнородных программ. Основные пути решения этой задачи заключаются в создании семейств совместимых модулей, интегрированных пакетов и операционных оболочек. Последние являют собой средства осуществления интеграции в объеме, определяемом самим пользователем, по принципу "сделай сам". Пользователь сам решает, какой набор пакетов его устраивает, и сам собирает эти пакеты в единый комплекс на своем компьютере.
Сейчас уже трудно представить себе персональный компьютер без какой-либо операционной оболочки, настолько поразительные возможности для дружественного и эффективного общения с машиной предоставляет пользователю их операционная среда. Как правило, операционные оболочки включают средства:
- управления файлами (копирование, перемещение, переименование, стирание и др.);
- управления каталогами (отображение дерева каталогов, пересылка, удаление, сравнение и др.);
- просмотра файлов, позволяющего увидеть содержимое файлов, не загружая прикладную программу, в которой они созданы;
- создания меню пользователя, из которого можно запустить любые прикладные программы;
- редактирования текстов.
Графические пакеты. Важным направлением развития программного обеспечения для ПК при решении задач тематического картографирования являются пакеты графического отображения информации, позволяющие выводить графическую информацию: изображение, графики, диаграммы, рисунки и др. Вывод осуществляется на экран дисплея или в виде твердой копии на бумаге, пленке и т. п.
Современные графические пакеты обладают мощными средствами создания иллюстраций и управления печатью, обеспечивающими полностью всем необходимым технологический цикл от создания предварительного эскиза до получения готового изображения.
Система управления базами данных. Концепция баз данных явилась закономерным отражением очередного этапа развития вычислительной техники, когда данные выделились в самостоятельный независимый от программ объект со своими законами движения и развития. Необходимость их изучения породила новое направление теории вычислительных систем - моделирование данных. Его практическим приложением являются системы управления базами данных (СУБД).
Существующие СУБД организуют взаимодействие пользователя с информацией, реализуют ввод информации в базу, упорядочивают ее хранение, позволяют получать запрашиваемые пользователем данные в виде документов определенной формы. Иными словами, пользователь получает средство ввода, контроля, хранения и преобразования данных.
Геоинформационные системы (ГИС).ГИС является ярким примером воплощения идеи интеграции разнородного программного обеспечения для решения прикладных задач, в частности таких, как картографирование состояния окружающей среды.
Количество действующих ГИС разного назначения сейчас исчисляется сотнями. В целом ГИС можно охарактеризовать как программно-технический комплекс, обеспечивающий:
- ввод данных, полученных с карт, материалов дистанционных съемок и др.;
- хранение и поиск данных, позволяющие оперативно вызывать, обновлять и корректировать их;
- обработку и анализ данных, позволяющие оценивать параметры, выполнять пространственно-временное и имитационное моделирование;
- документирование данных и их вывод в различных видах.
Программное обеспечение позволяет выполнять на базе ГИС
различные операции по обработке и анализу МДС в процессе тематического картографирования: оконтуривание объектов, определение количественных характеристик, редактирование, составление диаграмм, интерполяцию данных и проведение горизонталей, трансформирование снимков и построение картографических проекций, трехмерное представление пространственных данных и т. п. Ключевой операцией при комплекси-ровании разнородного материала является оверлей - совмещение изображений и других пространственно распределенных характеристик.
Процесс обработки МДС состоит из следующих основных этапов: постановка задачи, ввод исходных данных, нормализация исходных данных, интерактивное дешифрирование, графическое оформление карты, вывод картографической продукции.
На этапе постановки задачи формулируется ее основное содержание: определяются цели и объекты картографирования, исходные материалы съемок. Намечается легенда. Вся эта информация в совокупности составляет паспорт задачи. В дальнейшем паспортные данные могут уточняться и дополняться, поскольку постановка и решение содержательных задач на практике носит циклический характер.
Важнейшей характеристикой человеко-машинной обработки МДС является дружественность общения. Этой цели отвечает многооконный графический интерфейс с иерархическим вложением окон; страничным меню, соответствующим определенной операции технологического процесса. Интерфейс пользователя определяется двумя основными компонентами: совокупностью процессов ввода - вывода и собственно процессом диалога.
Процессы ввода - вывода служат для того, чтобы принять от пользователя и передать ему данные через различные технические устройства. Система ввода позволяет наполнить базу данных ГИС аэрокосмическими изображениями, топографическими и тематическими картами, количественными характеристиками.
Инициатором диалогового процесса при тематическом картографировании на основе МДС является пользователь, который определяет цель и способы ее достижения с помощью запросов. Диалог при обработке МДС служит методом решения слабо формализованных задач, возникающих в процессе тематического картографирования.
Интерактивное дешифрирование основывается на использовании широкого спектра функциональных преобразований МДС, обеспечивающих необходимое усиление, подчеркивание границ объектов с последующим применением различных процедур выделения требуемых границ.
Использование в практической работе МДС невысокого качества предполагает включение в перечень средств обработки исходных материалов процедуру их нормализации: геометрической и фотометрической коррекции, фрагментации, масштабирования, совмещения изображений, снятых в разных зонах спектра. Подготовленные таким образом снимки открывают новые возможности для тематического картографирования.
Обработка МДС позволяет получить ряд количественных характеристик объектов - площади контуров и их процентное соотношение, длины линий, их ориентированность, статистические поля оптических плотностей, гистограммы оптических плотностей и др.
Результирующие данные: карты, схемы, количественные характеристики объектов - выводятся на экран дисплея или выдаются в виде твердых копий. На стадии графического оформления результатов интерактивного дешифрирования построенная карта приобретает окончательный внешний вид. Для выполнения этой операции используются средства отображения на карте текстовой, символьной и цифровой информации, а также элементов графики.[5]
На последнем этапе технологического процесса функциональная полнота диалоговой системы обеспечивается редактором изображений с определенным набором шрифтов, достаточно богатым алфавитом графических элементов, необходимых для оформления картографических материалов, и средствами заполнения контуров - штриховкой, текстурной или цветной заливкой в соответствии с требованиями легенды.
Одно из новых направлений геоинформационного картографирования - динамическое картографирование, суть которого состоит в отображении динамических картографических серий тематически и пространственно связанных кадров, воспроизводящих на экране дисплея последовательные состояния (динамические фазы, траектории) явлений и процессов, что создает эффект движения и изменения. Этот метод особенно перспективен для решения задач экологического мониторинга. Корни динамической картографии связаны с мультипликацией, основанной на известной способности системы "глаз - мозг" сохранять образы объектов при быстрой смене кадров (оптимальная скорость показа 30-33 кадр/с), на которых эти объекты изображены с незначительными изменениями, что и создает иллюзию движения.
Есть основания полагать, пишут А. М. Берлянт и Л. А. Ушаков (1993), что в недалеком будущем динамические изображения станут столь же привычным средством анализа окружающей среды, как печатные карты, аэрокосмические снимки и электронные карты.
Заключение
Аэрокосмический мониторинг не видим невооруженным глазом для обычного человека, обыватель посмотрев на небо не увидит не космического спутника, не орбитального спутника и атмосферного зонда, не обнаружив не вооруженным глазом он и не подозревает о тех неоценимых помощниках современности которые постоянно бороздят стратосферу-метеозонды, термосферу – спутники.
Развитие аэрокосмического мониторинга позволяет заглянуть на любой уголок нашей планеты, оценить масштаб положения, предупредить население о возникающих угрозах природных стихий, оценить масштаб угроз от антропогенного воздействия на окружающую среду человеком. Отслеживание трудовой деятельности и способность мгновенного доступа к данным от наблюдения делает данный метод мониторинга одним из самых перспективных и значимых методов для человечества и всего живого нашей планеты. Так как деятельность человека с каждым днем все больше загрязняет окружающую среду, распространение воздействия, последствие этого воздействия еще оценят наше будущее поколение. Поскольку изменения, вносимые человеком в природную среду, и экологические эффекты, порождаемые его деятельностью, имеют, по крайней мере, региональный, а часто и глобальный характер, без аэрокосмических средств наблюдения нельзя своевременно не выявить их, ни проследить их динамику, ни дать полной картины происходящего вокруг нас. Достаточно сказать, что, как показывают аэрокосмические снимки, воздействие хозяйственной активности людей заметно почти на 60% суши, а в некоторых зонах эта цифра достигает 98%. Надо еще учесть, что антропогенные изменения природной среды происходят на два-три порядка быстрее, чем природные, и уследить за ними уже невозможно. В наше время эффективно решить столь сложную задачу можно лишь единственным способом: регулярной съемкой земной поверхности с самолетов и спутников, то есть аэрокосмическим методом экологического мониторинга.