Использование аэрофотоснимков в экологических исследованиях. реферат по картографированию. Использование аэрофотоснимков в экологических исследованиях Работу

• Название: Использование аэрофотоснимков в экологических исследованиях Работу
• Анкор: Использование аэрофотоснимков в экологических исследованиях
• Дата: 25.08.2022
• Размер: 155 Kb.
• Имя файла: реферат по картографированию.doc
• Тип: Реферат; #653067
• страница: 2 из 2

Глава 2. Использование аэрофотоснимков в экологических исследованиях

Аэрофотоматериалы незаменимы в вопросах диагностики экологического состояния местности, и результаты аэрофотосъемки в последнее время все чаще используются экологами. Еще несколько лет назад перед аэрофотосъемкой ставились другие задачи, в основном связанные с картированием малоизученных территорий, определением точных координат заданного объекта, а также проведением различных картографических измерений.

Сегодня, помимо перечисленных задач, а часто и вместо них, перед аэрофотосъемкой ставится задача экологической диагностики. Современные технологии аэрофотосъемки и оборудование, отвечающее последним научным требованиям, позволяют выявить следующие проблемы выбранной территории:

- начавшаяся деградация почвенного покрова, связанная с хозяйственной деятельностью человека,

- подтопление земель,

- вторичное засоление и загрязнение почвенного слоя,

- загрязнение водоемов,

- изменения растительного покрова.

Все перечисленные проблемы возникают как следствие техногенного воздействия на изучаемую территорию, и если в некоторых случаях такие последствия могут быть обратимыми и не опасными, то в ряде ситуаций нарушения экологии уже настолько сильны, что требуют проведения экстренных природоохранных мероприятий. Для экологов результаты аэрофотосъемки могут послужить доказательством правомерности их требований и целесообразности предлагаемых экологических проектов.
2.1. Использование аэрофотоснимков для оценки и прогноза пожарной опасности в лесах
Аэрофотосъемка лесных пожаров обеспечивает решение комплекса функциональных задач, связанных с оценкой и прогнозом пожарной опасности в лесах, обнаружением загораний в лесу и лесных пожаров, контролем их состояния и динамики, оценкой последствий лесных пожаров, управлением работой лесопожарных служб. Особенное значение имеют снимки, полученные с искусственных спутников Земли (метеорологических спутников, спутников для исследования природных ресурсов и др.). Также создаются специальные космические системы (КС), которые предназначены для наблюдений за лесопожарной обстановкой и размещения специальных приборов наблюдения на борту космических аппаратов общего назначения. При этом лесные пожары обнаруживаются на территории лесного фонда России, ограниченной 40-72°с.ш. и 20-170° в.д., общей площадью 1180 млн. га, а особое внимание привлекает территория в пределах 50-70° с.ш. и 30-170° в.д.

Оценка параметров лесных пожаров и контроль за их состоянием выполняется в результате пространственной регистрации (картирования) крупных лесных пожаров с определением контуров пожаров и размеров пройденной огнем площади, энергетической диагностики кромки пожара с определением интенсивности тепловыделения, обработки данных о дымовом шлейфе в конвекционных колонках, а также сопоставления получаемых при этом данных с результатами визуальных наблюдений за крупными лесными пожарами. Получаемая при этом информация необходима для оценки состояния и прогноза динамики крупных лесных пожаров, а также потребности в силах и средствах для их тушения, планирования работ по борьбе с огнем и оценки воздействия крупных лесных пожаров на окружающую природную среду.

Космические методы контроля числа и площади крупных лесных пожаров, на долю которых приходится свыше 80% всей охватываемой огнем площади лесного фонда, обеспечивают существенное повышение точности учета горимости лесов и объективности последствий лесных пожаров, наносимого ими ущерба природе и обществу.

К основным видам выходной картографической документации от носятся схематические карты противопожарных мероприятий, справочные лесные карты и т.д. Выходные картографические документы представляются в следующих масштабах:

—от 1:10000 000 до 1:2 500 000 на федеральном уровне;

—от 1:2 500 000 до 1:500 000 на региональном уровне;

—от 1:500 000 до 1:100 000 на локальном уровне;

—от 1:100 000 до 1:25 000 на детальном уровне.

В зависимости от способа воспроизведения они разделяются на три группы:

—визуализируемые на экране;

—выдавемые в растровом виде на принтерах;

—вычерчиваемые в векторном виде на графопостроителях.

По содержанию и оформлению выходные картографические документы должны удовлетворять требованиям государственных и отраслевых стандартов. Детально должны показываться элементы топографической основы: железные и автомобильные дороги, гидрографическая сеть, населенные пункты и различные виды угодий — сенокосы, пастбища, кустарники, болота.

2.2. Контроль за состоянием растительности с помощью аэрофотосъемки
Контроль состояния наземных растительных покровов – одна из важнейших задач, решаемых с помощью аэрофотосъемки и включающих мониторинг посевов и пастбищ, а также лесов, лесостепных, степных и пустынных территорий.

Космический мониторинг сельскохозяйственных угодий, контроль над землепользованием, прогноз урожаев — важные составляющие современной сельскохозяйственной практики. Установлено, что биомасса, накопленная растением за время Т, линейно зависит от количества солнечной радиации, поглощенной растением:

T

P = ε₀S∫ I(t) dt,

0

где Р— продуктивность, г/(с∙м²), ε₀— скорость накопления биомассы г/Дж, I(t) — доля солнечной радиации, поглощаемая растением, с, S – солнечная постоянная, Вт/м². Вегетационный индекс NDVI характеризует способность растения поглощать солнечную радиацию, и потому NDVI(t), отнесенный к единичному интервалу времени, и доля I(t) фотосинтетически активной солнечной радиации PAR приблизительно пропорциональны. Следовательно,
P≈εS∫NDVI(t) dt.
Приведенные соотношения открывают возможность оценки по NDVI прироста биомассы, урожая и других характеристик, хотя для оценки урожая требуется использовать временной ряд NDVI, который необходимо определять с большой точностью.

На точность определения NDVI влияют многочисленные факторы, в том числе корректность учета зенитного угла Солнца и геометрии наблюдений, влияние атмосферы, дрейф калибровки аппаратуры, дрейф орбиты спутника, искажения изображения при наблюдении ж в надир и др. Установлено, например, что дрейф калибровки аппаратуры, приведший к изменению NDVI всего в 0,05, приводит к погрешности в 30% при определении продуктивности пастбищ в тропиках.

Наконец, спутниковая информация позволяет обнаруживать районы, пораженные засухой, вредителями, вредными техногенными выбросами. В последнее десятилетие в связи с появлением опасности глобальных изменений природной среды и климата возрос интерес к лесному покрову как к регулятору биосферных процессов. Леса признаются наиболее надежной природной системой, связывающей углерод и способной предотвратить возникновение парникового эффекта. В связи с этим проблема сохранения лесов и усиления их экологических функций вышла за национальные рамки и стала частью мировой экологической политики. Изучение лесов в глобальном масштабе можно реализовать только с применением искусственных спутников Земли.

При исследованиях в 70-80-е годы применялись черно-белые фотоснимки со спутника «Метеор-Природа» (многозональные изображения в спектральных интервалах 0,5-0,6; 0,6-0,7 и 0,7-0,8 мкм с разрешением 50 м). Зимние снимки масштаба 1:2 500 000 применялись для дешифрирования ореола загрязнений вокруг источников эмиссий. Позднее, в 90-е годы, использовались данные, полученные с помощью аппаратуры МСУ-Э (спутник «Ресурс-01»), MSS (спутник Landsat) и AVHRR (NOAA).

2.3. Контроль за состоянием водоемов с помощью аэрофотосъемки

Космические средства контроля окружающей среды очень эффек­тны при изучении Мирового океана и внутренних водоемов. Для исследования Мирового океана созданы специальные спутники — «Океан-О» (Россия), MOS (Япония), SeaWiFS (США) и др. В частности, на спутнике NIMBUS-7 (США) был установлен сканер CZCS со спектральными каналами:

1-й — 0,433—0,453 мкм (голубой) для измерения хлорофилла в воде;

2-й — 0,51—0,53 мкм (зеленый) для измерения хлорофилла в воде;

3-й — 0,54—0,56 мкм (желтый) для измерения содержания желтого вещества в воде, для определения солености воды;

4-й — 0,66—0,68 мкм (красный) для оценки содержания аэрозоля в атмосфере;

5-й — 0,7—0,8 мкм (ближний ИК) для выделения суши и облаков;

6-й — 10,5—12,5 мкм (дальний ИК) для определения температуры.

Океан — это не только кладовая ресурсов, но и один из главных элементов общей системы экологического равновесия на Земле. Он сильно влияет на состояние атмосферы, формирование погоды, климат, энер­гический и газовый балансы планеты, круговорот вещества в природе.

В Институте биофизики СО РАН и Красноярском государственном техническом университете выполняется цикл работ по программе «Зеленая волна», в соответствии с которой разработаны методы мониторинга пространственной структуры, состояния и продуктивности морских и пресных водоемов, а также биоценозов суши на основе измерения распределения фитопигментов и биомассы в биосфере. Предложены новые эффективные методы измерения содержания хлоро­филла и других фитопигментов на планете, позволяющие оперативно определять продуктивные зоны, следить за их динамикой. Используетсяинформация со сканеров CZCS и AVHRR, при дешифрировании ко­смических данных учитывается подспутниковая информация с тесто­вых участков, применяется атмосферная коррекция.

На первом этапе обработки спутниковых данных пиксели со сходными спектрами объединяются в классы по критерию минимальны расстояний , при этом выделяются основные объекты суши, воды и атмосферы. Далее оцениваются характеристики природных вод, программные средства используют алгоритмы многомерного статистического анализа и учитывают оптические свойства вод. В частности, концентрация хлорофилла в воде определяется по уравнениям регрессии, связывающим концентрацию и яркость водной поверхности в разных спектральных каналах. Подобным же образом формируется информация о концентрации минеральных взвешенных веществ в воде, термодинамической структуре вод, интенсивности волнения и других характеристиках, описывающих состояние водных экологических систем. Найденные характеристики лежат в основе классификации типов вод непараметрическими статистическими методами классификации с обучением.

Разработанная информационная система мониторинга позволяет по первичной продуктивности оценивать динамические процессы в водных экосистемах и выдавать диагноз отклонений от среднемноголетнего для данного района и времени года; своевременно регистрирован и отслеживать динамику и развитие последствий экологических катастроф; оценивать антропогенное воздействие на живую оболочку Земли; прогнозировать изменения экологических систем на основе обучения модели по циклической динамике.

2.4. Контроль снегового и ледового покрова с помощью аэрофотосъемки

Важнейшее практическое применение аэрофотосъемки находит в гидрологии и гляциологии при наблюдении снегового и ледового покрова, при мониторинге паводковых явлений, при обеспече­нии судоходства в арктических морях. Особенно это актуально для Сибири в районах с малой плотностью населения и редкой сетью метеорологических и гидрологических постов.

Аэрофотоснимки используются для обнаружения техногенного загрязнения местности. Снеговой покров зимой в начале периода снеготаяния — удобный индикатор техногенного загрязнения местности. Например, при исследовании деграда­ции лесов в Норильском промышленном районе выявлено соответст­вие между ореолом загрязнения снегового покрова, обнаруженного по зимним космическим снимкам, и концентрацией тяжелых металлов (Cu, Ni, Со) в почве, которая в верхних почвенных горизонтах (0-10см) восходит фоновый уровень в 10-1000 раз в радиусе до 40 км от источника эмиссий. Также спутниковые снимки используются для определения площади заснеженности. Важной задачей наблюдения снежного покрова является оперативное определение площади заснеженности, что необходимо для прогноза стоков рек со снеговым питанием.

Для нахождения площади заснеженности используется следующая методика. Оператор выбирает фрагменты изображения, на котором интересующая площадь свободна от облаков. Для создания обучающих выборок задается два типа эталонных участков: заведомо заснеженный и заведомо свободный от снега (например, расположенными ниже по высоте или южнее исследуемого района). Для каждого типа эталонов и каждого спектрального канала подсчитывается среднее значе­ние яркости пикселя и стандартное отклонение яркости. Таким образом были получены восемь характеристик эталонов: средние значение яркости для снега (льда) и для фона (почва, растительность) в 1-м и 2-м каналах, а также стандартные отклонения в 1-м и во 2-м каналах

Для автоматического разделения изображения в пределах выделенного водосбора на участки двух классов — заснеженные и свободные о i снега — использовался алгоритм. Заключительная процедура состояла в подсчете числа пикселей, относящихся к заснеженным участкам в пределах водосбора, и в вычислении площади заснеженности.

Для оценки заснеженности участков бассейна, закрытых облаками используется метод аналогии:

1) выбирается открытый участок – аналог: по которому по рассмотренной методике оценивается степень засне­женности;

2) для этого участка по гипсографической кривой определяется высотное положение снеговой линии;

3) по найденной таким образом высоте снеговой линии и гипсографической кривой закрытого облаками участка определяется искомая площадь заснеженности. После восстановления всех пропущенных из-за наличия облачности данных вычисляется заснеженность всего рассматриваемого бассейна. Время, затрачиваемое на определение заснеженности (с учетом получения спутниковой информации в реальном времени, обработки и анализа изображений автоматизированного расчета заснеженности), не превышает 1 час.


2.5. Изучение и оценка состояния природных и природно-антропогенных экосистем ООПТ с помощью аэрофотосъемки
Например, в работе (Тишков, Малышев, 2006) всесторонне рассматривается использование спутниковой информации для дистанционного мониторинга состояния экосистем ООПТ. Особо отмечен тот факт, что размеры ООПТ и использование для их мониторинга данных дистанционного зондирования тесно связаны. При мониторинге ООПТ различного уровня (регионального, субрегионального и локального) первостепенное значение имеет пространственное разрешение, с которым была получена информация. Размеры ООПТ различаются от нескольких сот гектаров (некоторые участки кластеров степных заповедников, заказников и памятников природы) и тысяч гектаров (небольшие участки лесных и горных заповедников, национальных парков и заказников) до сотен тысяч и миллионов гектаров (арктические, тундровые и таежные заповедники и национальные парки). Аналогичным образом меняются и объекты наблюдений при мониторинге.

Например, полосы отчуждения линейных сооружений – 30–100 м при их протяженности в границах ООПТ от нескольких десятков метров до десятков и сотен километров. Природные объекты мониторинга более масштабны, если речь идет об оценке состояния экосистем площадью от сотни до нескольких тысяч гектаров (нефрагментированные массивы тундр, тайги, степей, пустынь, высокогорий), или, наоборот, имеют «миниатюрные размеры» (очаги загрязнения и механических нарушений – десятки и сотни метров по площади, очаги подтопления и изменения гидрологического режима – сотни и первые тысячи м), зоогенные нарушения растительности и пр.

Заключение

Наибольшую популярность в настоящее время обретают методы дистанционного зондирования. Дистанционное зондирование используется для сбора и записи информации о морском дне, об атмосфере Земли, о Солнечной системе. Оно осуществляется с применением морских судов, самолетов, космических летательных аппаратов и наземных телескопов. из примеров дистанционных методов является аэрофотосъемка.
Аэрофотоматериалы незаменимы в вопросах диагностики экологического состояния местности, и результаты аэрофотосъемки в последнее время все чаще используются экологами. Еще несколько лет назад перед аэрофотосъемкой ставились другие задачи, в основном связанные с картированием малоизученных территорий, определением точных координат заданного объекта, а также проведением различных картографических измерений.

Сегодня, помимо перечисленных задач, а часто и вместо них, перед аэрофотосъемкой ставится задача экологической диагностики. Современные технологии аэрофотосъемки и оборудование, отвечающее последним научным требованиям, позволяют выявить следующие проблемы выбранной территории:

- начавшаяся деградация почвенного покрова, связанная с хозяйственной деятельностью человека,

- подтопление земель,

- вторичное засоление и загрязнение почвенного слоя,

- загрязнение водоемов,

- изменения растительного покрова,

- таяние ледников,

-угроза возникновения лесных пожаров и др.
Для экологов результаты аэрофотосъемки могут послужить доказательством правомерности их требований и целесообразности предлагаемых экологических проектов.


Литература

1. 
   Востокова, Е.А., Сущеня, С.В., Шевченко, Л.А., 1988. Экологическое картографирование на основе космической информации. Недра, Москва
   
2. 
   Востокова, Е.А., Шевченко, Л.А., Сущеня, С.В., Скатерщиков, С.В., Кельнер, Ю.Г., Амелин, А.В., Концов, С.В., Сомова, В.И., Козлова, Т.С., Пшенина, Н.А., Рябчикова, В.И., Амелина, Т.В.. Картографирование по космическим снимкам и охрана окружающей среды. М.:, Недра, 1982
   
3. 
   Виноградов Б.В.. Аэрокосмический мониторинг экосистем. "Наука", 1984
   
4. 
   Ершов Д.В. и др. Российская система спутникового мониторинга лесных пожаров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Вып. 1, 2004 г. С. 47-57
   
5. 
   Лабутина И.А, Балдина Е.А. Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга ООПТ. Методическое пособие. М.: Москва, 2011. 88 с.
   
6. 
   Черепанов А.С., Дружинина Е.Г.. Спектральные свойства растительности и вегетационные индексы. Геоматика №3. 2009
   
7. 
   Шершень А. И. Аэрофотосъемка. Летносъемочный процесс. М., 1949 г.