13. Аэрокосмический мониторинг

Под аэрокосмическим мониторингом понимается система планомерных повторных наблюдений и оценок среды, выполняемых на основе материалов аэрокосмических съемок, с определенными целями. Термин «мониторинг» широко используется в зарубежной и отечественной литературе, вытесняя такие слова, как контроль, определение изменений, изучение динамики и т.д.

Идеи и принципы мониторинга распространяются на все планомерные наблюдения, представляющие регулярную информацию о динамике природных явлений. Аэрокосмический мониторинг базируется на планомерном получении информации путем производства многократных съемок.

Основные задачи аэрокосмического мониторинга заключаются в следующем: разработка принципов и общей схемы его построения; разработка методов и приемов его проведения; практическая реализация результатов исследований.

Выделяются три уровня (градации) мониторинга с точки зрения организации его функционирования:

1 мониторинг, осуществляемый отдельными учреждениями (частный);

2 отраслевой мониторинг, выполняемый ведомствами;

3 глобальный мониторинг, реализуемый по международным программам.

Наиболее разнообразной по целям, задачам, объектам, способам, является первая разновидность мониторинга. С повышением его ранга углубляются теоретические положения, унифицируются показатели и способы их определения, усиливается планомерность, усложняется организация. Таким образом, намечается тенденция к иерархичности построения системы мониторинга при взаимодействии разных уровней. В частности, эта тенденция проявляется как в стремлении использовать информацию мониторинга высшего уровня на низшем, так и во внедрении в мониторинг высшего ранга практически проверенных разработок частного мониторинга.

Мониторинг, проводимый отдельными учреждениями на локальном уровне и используемые для исследований различные виды аэрокосмических материалов, как правило, высокого разрешения, отличаются очень большим разнообразием решаемых задач. Эти исследования могут быть как плановыми данного учреждения, так и выполняться по заказу других организаций.

Например, результаты исследований мелиоративных объектов Белорусского Полесья на основе аэрофотоснимков различной периодичности съемки (1950г. – до мелиорации и 1972-75 гг. после мелиорации) и масштаба (1:5 000 - 1:20 000) показали, что на отдельных ключевых участках под воздействием мелиорации сохранились площади естественной растительности от 15 до 80%, распаханность территории составила 23,2% до мелиорации и 57,8% после ее проведения, подвержено ветровой эрозии, соответственно 9,1 и 24,3% почв. Изменилась плотность сельской застройки, дорожная и мелиоративная сеть, структура земельных угодий.

Отраслевой мониторинг. В нашей республике реализуются отдельные проекты отраслевого мониторинга. Министерство лесного хозяйства совместно с РУП «Космоаэрогеология» приступили к разработке отраслевой системы мониторинга на основе применения аэрокосмической техники, предусматривающей решение комплекса задач по изучению и картографированию лесной растительности, оценке состояния лесного фонда, охране лесов от пожаров, а также, собственно, природоохранных задач.

Глобальный мониторинг. В соответствии с обеспечением международной геосферно-биосферной программы «Глобальные изменения», впервые сделана попытка представить Землю как единую глобальную систему и разработать модель ее функционирования. Для регулярного получения информации об изучаемых явлениях используются данные наблюдения с оперативных спутников. Для получения глобальных карт спутниковые данные собираются (монтируются по виткам). Для Земли в целом, производится фильтрация облачности (в случае исследований в видимом и инфракрасном диапазонах), приведение к определенной картографической проек­ции; обрабатываются данные систем наблюдения для определе­ния картографируемого параметра (например, манипуляция с зо­нальными яркостями для расчета вегетационного индекса; анализ яркости изображения для получения характеристик сплоченности морских льдов и т.п.).

Такие системы позволили составить глобальные карты ряда по­казателей: зеленого индекса и цветового поверхности суши (по данным многоканальных радиометров геостационаров и метеоро­логических спутников на околоземных орбитах); содержания хло­рофилла в водах океана (по данным цветового сканера береговой зоны CZCS спутника «Нимбус-7»); температур воды и суши, су­точной изменчивости температур, т.е. контраста дневных и ноч­ных температур (по данным тепловых радиометров метеорологи­ческих спутников); уровня океанической поверхности, ее топогра­фии; глобаль­ного распределения приводных ветров (по радиолокационным дан­ным с «Сисата» и «Шаттла»); «озоновой дыры» над Антарктидой (по данным радиофизических измерений).

По целям и решаемым задачам аэрокосмический мониторинг можно разделить на следующие виды:

• дозорный (сигнальный), оповещающий о необходимости   органи­зации детальных наблюдений за каким-либо объектом  или районом;

• целевой, обеспечивающий наблюдение определенных объектов;

• комплексный картографо-аэрокосмический контролируемой    территории.

Основной задачей дозорного мониторинга является установление факта появления или исчезновения объекта или изменение его каких-то характеристик. Для обнаружения (выявления) объекта и его харак­теристики (изучения) требуются снимки существенно различных масштабов. Полученная при дозорном мониторинге информация служит сигналом к необходимости организации более детальных (крупномасштабных) наблюдений аэрокосмическими или другими средствами. При осуществлении дозорного мониторинга территории важны интегральные, осредненные показатели, в качестве которых могут выступать отражательные и излучательные характеристики объектов, а также структура, рисунок их изображения на снимке.

При целевом мониторинге ставятся наблюдения за конкретным объектом, характер которого определяет вид, масштаб снимков, сроки их получения, способы обработки и форму представления ре­зультатов.

Комплексный картографо-аэрокосмический мониторинг террито­рии или акватории имеет самостоятельное значение; для него характерны дистанционное наблюдение комплекса взаимосвязанных объектов и преимущественно картографическая форма предоставления результатов наблюдений.

Важным вопросом мониторинга является периодичность и продолжительность наблюдений. Эти факторы зависят от поставленных целей и задач и изучаемого объекта. Аэрокосмические методы позволяют получать информацию через несколько часов в течение суток, по декадам, месяцам, сезонам и т.д.

Мониторинг атмосферы. Основными загрязнителями атмосферы являются различные промышленные предприятия. Космическими съемками выявлены ареалы мощных дымовых загрязнений атмосферы вокруг городов. Хорошим индикатором его распространения служит снежный покров вокруг городов. Он представляет собой естественный накопитель загрязняющих веществ, выпадающих из атмосферы в сухом виде или с осадками.

Установлена четкая зависимость яркости изображения снега на снимке от степени загрязнения поверхности. Методические эксперименты показали, что снижение альбедо от 0,70-0,90 для чистого снега до 0,20-0,30 для загрязненного позволяет выделить на зимних снимках с метеоспутников зоны влияния промышленных центров и городов. Для изучения зон теплового воздействия городов на атмосферу используется инфракрасная тепловая съемка.

Важной глобальной проблемой является истощение озонового слоя, которая обуславливается выбросами в атмосферу промышленных фреонов. Наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне со спутников «Нимбус-2» и «Метеор» обнаружена озоновая дыра над Антарктидой. По данным спектрометрирования на отдельных витках, с помощью компьютера, строятся ежедневные глобальные карты распределения озона в атмосфере, позволяющие давать оперативную оценку областей разрушения озонового слоя, исследовать их сезонную и межгодовую динамику.

Использование лазерной съемки позволяет получать количественные показатели концентрации различных веществ (углекислого газа, окиси азота, двуокиси серы и т.д.) в атмосфере.

Мониторинг океана. Важной глобальной экологической проблемой является изменение биомассы океана, обусловленной изменением теплового баланса Земли, на основе парникового эффекта.

Вторая проблема связана с загрязнением океана нефтепродуктами, а также минеральными взвесями.

Существует два метода разделения изображения минеральных взвесей и биологических компонентов (фитопланктон) на аэрокосмических изображениях. Первый заключается в фотографировании в различных зонах спектра. Если яркость изображения в красной зоне спектра коррелирует с содержанием минеральных взвесей, то в ближней инфракрасной зоне наблюдается корреляция с содержанием хлорофилла. Другой метод основан на том, что содержащийся в фитопланктоне хлорофилл меняет цвет воды океана, который можно фиксировать со спутника. Разработанный для этого цветовой сканер CZCS регулярно передавал со спутника «Нимбус-2» информацию о цветовых характеристиках вод. На основании этих данных и судовых наблюдений были составлены глобальные цифровые карты океана с осреднением за различные интервалы времени, показывающие зоны океанической пустыни в теплых тропических водах и зоны повышенной концентрации фитопланктона в холодных шельфовых зонах полярных вод. Эти карты представляют большой интерес и для оценки условий жизни в океане, и океана как источника продуктов питания и регулятора содержания углекислого газа в атмосфере.

Для выявления очагов загрязнения поверхности океана нефтепродуктами используются различные методы. Фотографическая съемка имеет сравнительно ограниченные возможности. Применима инфракрасная тепловая съемка, основанная на фиксации различной температуры между системой нефть-вода и чистой водой. Пассивная СВЧ-радиометрия базируется на том, что яркостная температура поверхности с пленкой выше, чем чистой поверхности, причем увеличение ее пропорционально толщине пленки. Активная радиолокация дает возможность определять границы нефтяных загрязнений при аварийных разливах нефти, если толщина пленки превышает 1 мм.

Антропогенное воздействие на природную среду. Космические снимки являются эффективным средством изучения процессов опустынивания и облесения. В последние десятилетия происходит опустынивание африканских саванн зоны Сахеля. Очаги приколодезного опустынивания обнаружены в Северном и Восточном Прикаспии, на плато Устюрт, в Каракумах и других пустынных районах. Это обуславливает использование снимков при фундаментальном и прогнозном картографировании опустынивания, выполняемом в глобальных масштабах по проектам ЮНЕСКО.

Изучение процессов обезлесения, мониторинг изменений границ и площадей лесов также основываются на применении космической информации. Для лесов умеренной зоны такой мониторинг наиболее эффективен с использованием зимних снимков.

В результате исследований установлено, что если в тропической зоне идет повсеместное сокращение лесов, то в борреальных лесах картина более сложная и требует детального исследования с использованием космической информации. Это обуславливается тем, что в борреальной зоне в отдельных районах идет сокращение площадей занятых лесной растительностью, а в других увеличивается за счет сокращения сельскохозяйственных угодий.

Хорошие возможности предоставляют космические снимки для изучения техногенного воздействия на природу. Воздейст­вие, связанное с использованием самой территории как ресур­са, наиболее характерно для горнодобывающей промышлен­ности; вскрышные работы с образованием карьеров, террико­нов, хвостохранилищ горнообогатительных предприятий; под­земные выработки, вызывающие проблемы просадок грунта; организация сети скважин и нефтепроводов при нефтедобыче. Эти объекты, развитие которых связано с полным уничтоже­нием существовавших на их месте ландшафтов, находят чет­кое отображение на космических снимках и позволяют оценить масштабы техногенных преобразований.

Кроме того, космические снимки предоставляют возможность для изучения многочисленных экологических проблем, возникающих в связи с антропогенным воздействием в условиях вечной мерзлоты в тундровых районах, с развитием эрозионных процессов в земледельческих районах степной зоны и др.

Отображение на космических снимках нарушений среды обитания человека в результате антропогенного воздействия на природу делает их ценным материалом для анализа современной экологической ситуации, составления карт экологической оценки территории, разработки экологических прогнозов.