При ведении мониторинга земель применяется три основных метода получения необходимой информации: дистанционное зондирование, наземные наблюдения и обследования, фондовые данные [15].
4.1 Дистанционные методы мониторинга земель
Начиная с 70 – х годов прошлого столетия как единое многодисциплинное направление исследований в науке и технике стало быстро развиваться дистанционное зондирование Земли. Основанное на более чем полувековом опыте аэрофотосъемки и тематическом использовании ее результатов, дистанционное зондирование применяется сегодня при решении многочисленных научно-технических задач и, в том числе, при поисках месторождений полезных ископаемых и подземных вод, при изучении и рациональном использовании земельных и лесных ресурсов, при разработке проектов землеустройства различных рангов для выявления неиспользуемых земельных ресурсов, для обнаружения засоления почв в орошаемых районах, для оценки эродированности земель, для выявления очагов эрозии и разработки проектов противоэрозионных мероприятий и др. Непрерывно растет роль дистанционного зондирования при решении экологических проблем.
Параллельное развитие таких крупнейших направлений науки и техники, как радиоэлектроника, прикладная математика, освоение космического пространства сыграли важную роль в разработке новых средств и методов дистанционного зондирования таких как радарные и сканерные съемки, технические возможности которых совершенствуются и приспосабливаются к растущим и изменяющимся требованиям, предъявляемым к дистанционному зондированию различными практическими направлениями использования его данных. Они предполагают возможность использования наблюдений и измерений принципиально иных параметров и, соответственно, иной интерпретации.
Основным средством дистанционного изучения земной поверхности до конца 60-х годов была обычная однозональная аэросъемка. Аэросъемка с одновременной регистрацией радиационных потоков в нескольких зонах видимой области спектра электромагнитных излучений (ЭМИ), а также в иных областях спектра находилась в стадии разработки, исследования и внедрения.
Освоение космического пространства вызвало резкий скачок в развитии съемочной техники и особенно средств обработки получаемых данных. Появилась необходимость во введении новых и переоценки используемых понятий и определений.
В 1960 г. американский географ Э. Прюит предложил термин «дистанционное зондирование».
Термин «дистанционное зондирование» – перевод американского термина «remote sensing», который в общем, наиболее широком его смысле, обозначает изучение объектов на расстоянии, то есть без непосредственного контакта приемных чувствительных элементов аппаратуры (датчиков, сенсоров) с поверхностью изучаемого объекта. Несмотря на определенную условность соответствия термина сущности обозначаемого процесса, он широко распространился и стал официальным. В 1980 г. на XIV Конгрессе в Гамбурге Международное фотограмметрическое общество было переименовано в Международное общество фотограмметрии и дистанционного зондирования.
Под дистанционным зондированиемпонимаютнеконтактное изучение Земли (планет, спутников), ее поверхности, недр, отдельных объектов и явлений путем регистрации и анализа собственного или отраженного электромагнитного излучения [13].
Дистанционное зондирование называется пассивным, если регистрируются естественные отраженные или излученные радиационные потоки, и активным, в случае искусственного облучения изучаемой поверхности.
В зависимости от используемых носителей дистанционное зондирование можно разделить на космическое, воздушное и наземное.
Результаты регистрации излучения, представленные в виде изображения изучаемого объекта в аналоговой, цифровой или иной форме записи, называется видеоинформацией.
Анализ видеоинформации с целью извлечения сведений об изучаемых элементах местности или явлениях (определение пространственного положения, качественных и количественных характеристик) называется дешифрированием. Это определение является общим и не зависит от формы видеоинформации, решаемых задач и метода анализа.
В обычной повседневной практике дистанционным зондированием, как правило, называют фотографические и нефотографические методы съемок поверхности Земли или других планет и их естественных спутников, которые проводятся с самолетов, космических аппаратов (КА) или других носителей, для изучения состояния или тематического картографирования поверхности исследуемых объектов.
К фотографическим методам дистанционного зондирования принято относить как классические традиционные виды аэрофотосъемок, так и съемки, осуществляемые с помощью новой многозональной или мультиспектральной фотографической и телеаппаратуры. К нефотографическим методам, в первую очередь, относят съемки, проводимые с помощью оптико – механических сканеров или радаров бокового обзора.
Новые возможности дистанционного зондирования Земли появились в конце 60-х годов с внедрением в практику гражданских исследований радарных и сканерных методов, разработанных для военной разведки, которые позволили проводить съемки в ранее не использовавшихся диапазонах электромагнитных волн и получать качественно новую информацию.
Разносторонние возможности новых методов проведения съемок очень скоро стали широко известны экологам, географам, землеустроителям, специалистам лесного и сельского хозяйства, которые на базе этих новых материалов внесли существенный вклад в свои области исследований. Все это, в совокупности, и привело к становлению нового многодисциплинного направления исследований, которое получило название «дистанционное зондирование».
Физические основы дистанционного зондирования
Распространение энергии в пространстве в виде волн или прямолинейного потока световых частиц – фотонов – называют электромагнитным излучением. В соответствии с этим определением оно обладает двоякой природой. Оно может быть описано специфическими волновыми параметрами (скоростью распространения, длиной волны, частотой) или в понятиях корпускулярной теории как поток световых квантов или фотонов, когда речь идет о световом излучении. Двойственность природы электромагнитного излучения становится очевидной на примере солнечного света. Доказательством его волновой природы служит явление интерференции, например: общеизвестны радужные интерференционные картины на тонких пленках мыльного пузыря или разлитого по поверхности воды масла. Корпускулярная природа света проявляется в фотоэлектронной эмиссии, например, при попадании света на фотоэлемент в нем возникает электрический импульс, который по величине пропорционален числу попавших на него квантов света или фотонов.
Характер всех электромагнитных волн одинаков. Они распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга собственной частотой, длиной волны и энергией, занимая соответствующее положение в электромагнитном спектре.
Общий спектр встречающегося в природе электромагнитного излучения охватывает волны длиной от фемтометров (10-15 м) до километров (103 м). Он непрерывен и делится на несколько областей или групп (зон или диапазонов). Для дистанционного зондирования используются следующие спектры электромагнитных волн, представленные на рисунке 5.
Для дистанционного зондирования очень важны отражательные и поглощательные свойства разных материалов на земной поверхности и даже одного и того же материала, но в разных состояниях, например, способность почвы во влажном и сухом состоянии по-разному отражать и поглощать солнечную энергию.
Днем поверхность Земли поглощает энергию солнечных лучей, которая преобразуется веществом объекта в тепло.
Для дистанционного зондирования важно то, что разные объекты на Земле нагреваются по-разному и по-разному отдают свое тепло, то есть имеют разную эмиссию.
Взаимодействие электромагнитных волн с атмосферой и различными веществами на поверхности Земли
Атмосфера представляет собой смесь газов, в которой взвешены твердые и жидкие частицы вещества от тонкого аэрозоля до плотных облаков со всеми промежуточными стадиями.
При прохождении через атмосферу электромагнитные волны взаимодействуют с содержащимися в ней частицами пыли, дыма, кристаллами льда, каплями воды. При этом возникают процессы рассеяния и поглощения, которые уменьшают интенсивность солнечной радиации на поверхности Земли и меняют диапазон излучения.
. Электромагнитные волны длиной менее 0.27 мкм полностью поглощаются озоном, они не проходят атмосферу и, следовательно, не могут быть использованы при дистанционном зондировании. Более длинноволновое излучение (в оптическом диапазоне 0.4 – 5.5мкм) проходит через атмосферу и при небольшом рассеивании и поглощении отражается от Земли и может быть зарегистрировано сенсорными системами (приемниками) на борту носителя (самолет, космический аппарат).lПоглощение зависит от длины волны излучения
Атмосфера прозрачна для теплового излучения только в двух узких зонах: 3.5 – 5.0 мкм и 8.0 – 14.0 мкм. Все остальное тепловое излучение Земли поглощается озоном, водяным паром, углекислым газом и метаном. По мере увеличения длины волны воздействие атмосферы уменьшается и она становится практически прозрачной для микроволнового диапазона. Это единственно возможный диапазон действия радарных методов дистанционного зондирования.