Аэрокосмический мониторинг

Аэрокосмический мониторинг относится к дистанционному мониторингу. Физической основой дистанционного метода служит естественное (Солнца, Земли) или искусственное (созданное человеком) электромагнитное излучение. Выделяют диапазоны рентгеновских излучений, ультрафиолетовых, видимых, инфракрасных и радиоволн (рис.1). Электромагнитные волны, излучаемые самим объектом или отражаясь от его поверхности, несут различную информацию о нем, которая фиксируется на материалах съемки. Материалы съемок могут быть представлены фотографическими, телевизионными, сканерными, радиолокационными и другими изображениями.

Рис. 1. Диапазоны длин электромагнитных волн (мкм).

Фотографические изображения - это уменьшенные, наглядные образные копии объектов и явлений, получаемые посредством регистрации их собственного или отраженного излучения на светочувствительных материалах. Их получают разными способами. При аэрофотосъемке - с помощью специальных аэрофотоаппаратов, установленных на самолетах, вертолетах, воздушных шарах. Из космоса съемки ведут с применением более сложных фотографических систем, оснащенных, как правило, несколькими объективами, дающими изображения одновременно в разных зонах спектра электромагнитного излучения. При подводных съемках дна океанов и морей фотокамеры опускают на глубину в особых водонепроницаемых боксах или буксируют по грунту на специальных “санях”.

Фотоснимки могут быть сделаны в видимой, ближней инфракрасной, инфракрасной и ультрафиолетовых зонах электромагнитных волн. При этом они могут быть черно-белыми, цветными, черно-белыми спектрозональными, цветными спектрозональными, то есть выполненными в нескольких зонах спектра и даже - для лучшей различимости некоторых объектов - ложноцветными (выполненными в условных цветах).

Телевизионные изображения - телеснимки, телефильмы, телепанорамы и др. - это наглядные образные копии реальных объектов и явлений, получаемые путем регистрации изображения на светочувствительных экранах передающих телевизионных камер. В интервалах между экспозициями изображение считывается электронным лучом, преобразуется в видиосигнал и по радиоканалам передается на приемную аппаратуру. Здесь видиосигнал вновь преобразуется в изображением, хотя возможен и другой вариант - запись поступающего сигнала на магнитную ленту видеомагнитофона или на другой носитель информации.

Телевизионная съемка обычно ведется с борта самолета или спутника, причем захватывается довольно значительная полоса местности - от 1 до 2000 км в ширину в зависимости от высоты полета и фокусного расстояния объектива. Изображения, передаваемые с метеорологических спутников, отражают крупные атмосферные образования и основные структуры Земли. Они содержат мало подробностей и по своему разрешению сильно уступают фотоснимкам. Геометрические искажения телевизионных снимков довольно значительны, они зависят прежде всего от наклона оси съемочной камеры относительно земной поверхности.

Телевизионную съемку можно вести в нескольких зонах видимого и ближнего инфракрасного диапазонов с помощью съемочных камер, снабженных несколькими (обычно тремя) видиокамерами. По сравнению с фотографической съемкой телевизионная более оперативна и поэтому удобна для непрерывного слежения за объектами и процессами.

Сканерные изображения - снимки, полосы, “сцены” - уменьшенные наглядные образные копии реальных объектов, получаемые путем поэлементной и построчной регистрации их собственного или отраженного излучения. Само слово “сканирование” означает управляемое перемещение луча или пучка (светового, лазерного и др.) с целью последовательного обзора какого-либо участка.

В ходе сканерной съемки с самолета или спутника сканирующее устройство (плоское качающееся зеркало или зеркальная призма) последовательно, полоса за полосой просматривает местность поперек направления движения носителя. При этом отраженный сигнал поступает на точечный фотоприемник, и в результате получаются снимки с полосчатой или строчной структурой, причем каждая строка состоит из маленьких элементов - пикселов. Каждый такой пиксел отражает суммарную осредненную яркость небольшого участка местности (несколько десятков или сотен квадратных метров), и детали в нем неразличимы.

Съемка ведется постоянно в процессе полета, и поэтому местность сканируется в виде широкой непрерывной ленты или полосы. Отдельные участки этой полосы называют “сценами”.

К сканерным близки локационные изображения - радиолокационные, выполняемые со спутников и самолетов, и гидролокационные, которые получают при подводной съемке дна озер, морей и океанов. Радиолокационная съемка ведется в активном режиме, (то есть с помощью искусственного излучения) обычно с помощью локаторов бокового обзора, устанавливаемых на движущемся носителе по правому и левому бортам.

Съемка в радиодиапазоне обладает немалыми преимуществами: облачность, туман, ночная темнота для нее не помехи. Эта съемка ведется при любой погоде и в любое время суток, причем благодаря боковому обзору на снимках прекрасно проявляется рельеф территории, отчетливо видны детали его расчленения. При съемке океанов хорошо читаются неровности и волнение водной поверхности. Радиолокация дала возможность проникнуть сквозь мощный облачный слой Венеры и впервые подробно рассмотреть рельеф этой планеты.

В дистанционном мониторинге первая задача получение высококачественных материалов съемки, вторая - это дешифрирование снимков. Дешифрирование это процесс обнаружения, распознавания, интерпретации изображений, интересующих объектов и явлений, т.е. это извлечение необходимой информации из материалов съемки.

Каждый объект или явление имеет свои дешифровочные признаки, зная которые дешифровщик может получить интересующую информацию. Дешифровочными признаками могут быть форма, размер, цвет, структура, тень, которые являются признаками объекта и несут информацию о самом объекте. Такие признаки называются прямыми. Многие объекты или явления не находят прямого отображения на снимках. Дешифрирование таких объектов и явлений проводится косвенно, то есть через прямые признаки других объектов, которые указывают на наличие или свойства первых, а вторые в этом случае будут называться индикаторами. Например, облачность может указывать на наличие течения в океане, а также холодное или теплое оно. Часто растительность служит индикатором при дешифрировании почвенного покрова, его химического состава, увлажненности. Также в качестве индикатора растительность используют при изучении геолого-геоморфологического строения земли, экологической оценке территорий и др.

Аэрокосмический мониторинг позволяет: выявлять очаги и характер нарушений объектов природной среды; устанавливать и картографировать степень, скорость и пространственные масштабы нарушения (в том числе загрязнения) природной среды; оперативно оценивать состояние ее компонентов и составлять прогноз возможных последствий хозяйственной деятельности.

Для получения информации о изменениях в состоянии природной среды необходимо сопоставление аэрокосмических изображений одной и той же территории через определенные промежутки времени. Оно производится как визуально, так и инструментально. Автоматическое сопоставление выполняется методом анализа различий с последующей их интерпретацией или методом машинной классификации с последующим сравнением полученных результатов.

В настоящее время в аэрокосмическом мониторинге осуществляют шесть основных видов съемок: фотографическая; телевизионная; спектрометрическая индикация; инфракрасная индикация; микроволновая и радарная индикация.

При дешифрировании на снимках хорошо отражаются многие виды антропогенного воздействия - это карьеры, горные выработки, распаханность земель, нарушение лесной растительности, искусственные водоемы, гидротехнические сооружения и др. это позволяет широко использовать снимки в экологическом мониторинге природной среды для выявления степени хозяйственной освоенности территорий, контроля последствий антропогенного воздействия и выполнения мероприятий по восстановлению природных богатств.

Например, в инфракрасной зоне хорошо просматриваются участки загрязнения водоемов сточными водами. По тоновым контрастам, которые отображают температурные контрасты, четко выделяются источники загрязнения. При этом нагретые сточные воды выделяются светлым тоном и можно проследить площадь их распространения. Инфракрасные изображения позволяют регистрировать пятна нефти на поверхности морей и определять площадь их распространения. По тону изображения можно судить о концентрации и качественном составе загрязняющих веществ.

На космических снимках хорошо прослеживаются загрязнения атмосферного воздуха разных типов - города, отдельные промышленные предприятия, пожары, то есть снимки позволяют распознать выбросы промышленных предприятий, концентрации дымовых факелов, пылевые бури и т.д.

Так, с помощью космической съемки впервые обнаружены явления слияния промышленных выбросов в атмосферу от нескольких крупных городов. Например, в августе 1970 года в Западной Европе образовалось огромное дымовое облако (шириной не менее 200 км), которое в виде полосы протягивалось от Южной Англии, через Северную Францию, Бельгию, Голландию, Германию на расстоянии свыше 700 км.

Наблюдения из космоса позволяют осуществить контроль лесного фонда. На инфракрасных снимках удается выявить зоны возгорания при сплошной задымленности, определить зоны затухания и осуществлять контроль распространения пожара. Инфракрасная съемка позволяет распознавать не только очаги пожара, но и наличие облаков, необходимых для борьбы с пожарами, так как борьбу с пожарами можно вести и с помощью искусственно вызванного дождя. Пожары могут возникнуть из-за деятельности человека, а также грозами. Спутниковая аппаратура помогает заранее предсказывать вероятность появления лесного пожара по анализу перемещения гроз над землей.

С помощью инфракрасной съемки можно с большой точностью определить время начала извержения вулкана, так как в период активизации вулкана температура быстро возрастает. По этой же аналогии, инфракрасная съемка позволяет выявить очаги самовозгорания в горнорудных районах на отвалах горных пород.

Загрязнение почв промышленными и другими выбросами приводить к изменению отражательной способности почв, вследствие этого меняются и дешифровочные признаки почв. По прямым дешифровочным признакам можно определить площадь, форму, источник загрязнения и т.д., то есть то что хорошо отобразилось на снимке по изменению тона и структуры почвы.

Если же загрязнение не нашло прямого отражения на снимке, иногда оно может быть определено косвенным путем. Отрицательное воздействие на почву проявляется в изменении растительности. Например, уменьшение размеров ареала растительности, замедленном развитии, смене растительных сообществ.

В зависимости от решаемых задач аэрокосмический мониторинг подразделяют на три вида: дозорный (или сигнальный), целевой и комплексный.

Дозорный (сигнальный) - оповещающий о необходимости организации детальных наблюдений за каким-либо объектом или районом. Он устанавливает факт появления или исчезновения объекта, а также изменений контролируемых характеристик. Информация в этом случае служит сигналом для организации более детальных исследований.

Целевой мониторинг - наблюдение за конкретным объектом, характер которого определяет вид, масштаб снимков, сроки их получения, способы обработки и форму предоставления материалов.

Комплексный (картографо-аэрокосмический) мониторинг имеет самостоятельное значение. Для него характерны дистанционное наблюдение комплекса взаимосвязанных объектов и преимущественно картографическая форма предоставления результатов наблюдений.