Зондирование земли
 Скачать 7.34 Mb.
|
|
4.5. Применение данных дистанционного зондирования в задачах сельского хозяйства Использование снимков в социально-экономических иссле- дованиях не столь широко, как при изучении природных ресур- сов. Наиболее значимо их применение в сельскохозяйственных целях. Аграрная промышленность играет одну из ведущих ро- лей в экономиках как развитых, так и развивающихся стран. Производство продуктов питания касается всех, а эффективное и прибыльное производство является целью любого государст- ва, региональных структур управления и отдельного производи- теля. Точная и своевременная информация о состоянии посевов и почвы, оценка качества и количества будущего урожая и, как следствие этого, прогноз цен на аграрную продукцию оказывает существенное влияние как на экономику отдельного региона, так и на всю мировую торговлю в целом. Обширные территории, занимаемые сельскохозяйственны- ми угодьями, довольно сложно контролировать из-за недостатка точных карт, неразвитой сети пунктов оперативного монито- ринга, наземных станций, в том числе и метеорологических, от- сутствия авиационной поддержки, ввиду дороговизны содержа- ния штата и т. д. Кроме того, в силу различного рода природных процессов происходит постоянное изменение границ посевных площадей, характеристик почв и условий вегетации на различ- ных полях и от участка к участку. Все эти факторы препятству- ют получению объективной, оперативной информации, необхо- димой для констатации текущей ситуации, ее оценки и прогно- зирования. А без этого практически невозможны увеличение производства сельскохозяйственной продукции, оптимизация использования земель, прогнозирование урожайности, умень- шение затрат и повышение рентабельности. Материалы косми- ческой съемки могут помочь как для решения комплексных за- дач управления сельскохозяйственными территориями, так и в узкоспециализированных направлениях. С помощью спутникового мониторинга возможно контро- лировать сроки и качество проведения основных агротехниче- ских работ и тем самым оптимизировать управление сельскохо- зяйственным производством. По снимкам выполняют инвентаризацию и картографиро- вание земельных угодий на основе международной классифика- 141 ции использования земель, а снимки высокого разрешения при- меняют для создания земельного кадастра. При систематической повторяемости съемок проводят на- блюдение за динамикой развития сельскохозяйственных куль- тур и прогнозирование урожайности. Например, зная, как меня- ется спектральная яркость растительности в течение вегетаци- онного периода с учетом сельскохозяйственного календаря для разных культур, можно по тону изображения полей судить об их агротехническом состоянии и составе культур. Возможность определения состава культур и площадей под ними делает снимки объективным источником сельскохозяйственной стати- стики. Выявление площадей, занятых основными продовольст- венными культурами, и оценка их развития с учетом метеороло- гических условий определяют возможность использования кос- мической информации для прогноза урожайности. После перезимовки состояние озимых культур оценивается по различию в цвете здоровых и погибших растений, состояние озимых и яровых до уборки урожая – на основе учета степени покрытости почвы всходами и равномерности их распределе- ния. По снимкам высокого разрешения выполняют оценку со- стояния посевов – их однородности или пятнистости, связанной с вымерзанием, вымоканием, ветровым полеганием, воздействи- ем вредителей. Связи, установленные между биомассой расти- тельности и ее спектральной яркостью, обусловливают регуляр- ное составление карт вегетационного индексадля оценки био- массы посевов и пастбищной растительности. Применение методов дистанционного зондирования в сель- ском хозяйстве позволяет оперативно и точно осуществлять: классификацию типов сельскохозяйственных культур; оценку состояния посевов (оценку всхожести, смены фе- нофаз, развития и созревания культур); определение областей вымерзания озимых посевов, ран- нее выявление засухи; выделение участков эрозии, заболачивания, засоленности и опустынивания; определение областей гибели сельскохозяйственных культур от болезней, насекомых, дефляции, загрязнения пестицидами; характеристику и состояние почвы; прогноз урожая (качественно и количественно); учет и инвентаризацию посевных площадей; 142 мониторинг состояния пастбищ, степени поражения болез- нями и грызунами, зоны нарушения растительности в результате выпаса скота, проективное покрытие травяной растительностью; слежение за качеством и своевременностью проведения различных сельскохозяйственных мероприятий; общий мониторинг сельскохозяйственной деятельности. На спутниковых снимках прекрасно отображаются специ- фические черты, присущие тому или иному типу ведения сель- ского хозяйства. Например, сельское хозяйство в пустынях пол- ностью базируется на искусственном орошении, которое в свою очередь основывается на работе водоопреснительных установок и насосных станций. Здесь выращиваются в основном пшеница и овощи, для защиты от солнца используется пленка. Круглая форма полей обусловлена наличием орошающей системы, пред- ставляющей собой трубу-радиус, которая вращается вокруг цен- тральной точки поля, где находится скважина, и разбрызгивает воду, подаваемую из скважины с помощью насоса. Такой спо- соб орошения широко применяется в аридных районах по всему миру. Снимок со спутника позволяет подробно рассмотреть особенности взаимного расположения, а также размеры полей, которые имеют диаметр порядка 1 км (рис. 4.22). Рис. 4.22. Поля круглой формы в Саудовской Аравии (по материалам Google Earth, 2013) 143 4 .6. Применение данных дистанционного зондирования в области лесного хозяйства Аэрофотометоды с 1930-х гг. традиционно применяют для инвентаризации лесов. Недостаточная изученность лесного фон- да нашей страны побудила искать методы обследования неустро- енных резервных лесов с применением аэрокосмической съемки. Разработаны методы фотостатистической и картографической инвентаризации лесов, предусматривающие трехступенчатое по- лучение информации: космическая съемка – выборочная аэрофо- тосъемка – выборочные наземные обследования, – что сокращает сроки выполнения работ. По снимкам контролируют состояние лесов, их изменение под влиянием природных и техногенных факторов (ветровалы, вредители, промышленные выбросы, вы- рубки) (рис. 4.23). Разработаны методы использования космиче- ских снимков для контроля за соблюдением правил рубки леса, лесовозобновлением, изменениями, связанными со стихийными бедствиями и хозяйственной деятельностью. Большое внимание уделяется контролю за лесными пожарами – оценке пожароопас- ной ситуации в лесах, слежению за возгоранием и развитием по- жаров с целью их локализации и тушения; учету площадей выго- ревших лесов, определению ущерба от пожара, контролю за ле- совозобновлением на гарях. Разработаны ГИС для этих целей. Рис. 4.23. Изображение, полученное в результате вычитания фрагментов двух снимков TM/Landsat 5: 1 – май 1985 г., 2 – май 2009 г., 3 – разностное изображение, оттенками оранжево-красного цвета показаны вырубки за прошедший период [Лабутина, Балдина, 2011] 144 B области лесного хозяйства методы дистанционного зон- дирования используются при инвентаризации лесов с целью оп- ределения качественных и количественных характеристик лес- ных массивов, т. е. определения типов лесонасаждений и доми- нирующих пород, оценки запасов лесоматериалов. Важными задачами, решаемыми при помощи данных дис- танционного зондирования, также являются: обнаружение и наблюдение лесных пожаров; определение оценки ущерба, нанесенного лесными пожа- рами, болезнями леса, загрязнением воздуха, бурями, кислот- ными дождями; контроль уничтожения лесов в результате планомерных и бесконтрольных вырубок, приводящих к уменьшению фонда ценных пород деревьев. Лесные пожары являются частью природного репродук- тивного цикла, способствуя обновлению растительного покрова и высвобождению питательных веществ из почвы. Однако вне- запно возникающие и быстро распространяющиеся лесные по- жары представляют угрозу для населения, промышленных объ- ектов и животного мира. Ключевой в этой связи является ин- формация, помогающая предупреждать возникновение обширных лесных пожаров, контролировать распространение огня, оцени- вать возможные последствия пожара и планировать мероприятия по тушению и восстановлению поврежденных территорий. Технология дистанционного зондирования успешно приме- няется для решения перечисленных выше задач, позволяя ком- плексно исследовать удаленные и часто недоступные террито- рии (рис. 4.24 и 4.25). Лесные службы разных стран картографируют пожароопас- ные ситуации, очаги пожаров, площади гарей, оценивают ущерб от пожаров. Для этого новые возможности открывает спектрозо- нальная съемка. Например, материалы, получаемые системой MODIS с большим числом каналов в тепловой инфракрасной части спектра, позволяют выявлять пожары на ранних стадиях возгорания. Очаги возгорания можно дешифрировать как визу- ально, так и автоматизированно, используя яркостные темпера- туры тепловых ИК-каналов. Алгоритмы детектирования пожаров в автоматическом режиме основаны на значительной разнице температур земной поверхности (обычно не выше 10–25 °С) и очага пожара (300–900 °С). Существенные различия в тепловом 145 Рис. 4.24. Лесной пожар в Монтане (США) на снимке от 13 августа 2007 г., сделанного с «Шаттла» Рис. 4.25. Лесные пожары в Томской области на снимке, сделанном в сентябре 2012 г. спектрорадиометром MODIS: видны дымовые шлейфы от многочисленных очагов возгорания 146 излучении объектов фиксируются на снимке, а информация, по- ступающая с других спектральных каналов, помогает отделить облака. Анализ данных инфракрасных каналов идентифицирует области как наземного, так и подповерхностного горения и тле- ния. Анализ данных видимого диапазона излучения дает ин- формацию о задымленности, направлении распространения по- жара и потенциально опасных участках. Дистанционное зондирование также дает возможность пла- нировать маршруты доступа к очагам возгорания и/или пути эвакуации, позволяя оптимально использовать ресурсы, необхо- димые для предотвращения и тушения лесных пожаров. 4.7. Применение данных дистанционного зондирования в задачах городского и регионального планирования Мониторинг развития инфраструктуры и землепользования в регионе (включая город) необходим для оценки численности населения, планирования направлений развития и расширения города, для выявления существующих и потенциальных зон эко- логических нарушений. По космическим снимкам высокого раз- решения решают многие задачи изучения и картографирования городов. В первую очередь их используют для изучения динами- ки быстроменяющихся городских границ, прироста площади го- родов и развития транспортных магистралей, роста урбанизации во многих районах планеты. Делаются попытки определять чис- ленность населения в городах на основе эмпирических зависимо- стей между числом жителей и площадью городов разных типов, изучается использование городских земель. Отображение на снимках густоты застройки, озелененности жилых массивов, промышленных зон позволяет дать объективную экологическую оценку городских территорий. По тепловым ИК-снимкам изуча- ют тепловое воздействие городов на окружающие территории. Развитие (и, как следствие, расширение) городов, являясь безусловным показателем экономического развития и индуст- риализации, в целом оказывает негативное влияние на состоя- ние окружающей среды региона. Экономическое развитие горо- да затрагивает как пригородные сельское и лесное хозяйства, так и общую экологическую обстановку в городе и регионе. 147 В области слежения за развитием инфраструктуры города и региона можно выделить следующие задачи, решаемые при по- мощи методов дистанционного зондирования: оценка изменений территорий, занятых городами, насе- ленными пунктами, промышленными зонами, и их состояния; выявление зон экологических нарушений (загрязнение почвы, атмосферы, водоемов); слежение за восстановлением нарушенных природных ландшафтов в результате их промышленного использования; мониторинг отдельных объектов городской инфраструк- туры (дороги, мосты, промышленные объекты); выявление объектов размещения отходов производства и потребления; определение состояния объектов недропользования; городское планирование, строительство, транспорт, жи- лищно-коммунальное хозяйство; кадастровые работы; региональная картография. При использовании данных дистанционного зондирования для муниципального управления и градостроительства обеспечи- вается мониторинг фактического использования земель муници- пальных образований, включающий получение информации о состоянии территории, решение проблем упорядочения сущест- вующей застройки и реконструкции многоэтажного и частного жилого фонда, определение точных границ застройки и т. д. 4.8. Применение данных дистанционного зондирования в задачах охраны окружающей среды Многие виды антропогенного воздействия на природную среду хорошо передаются на снимках. Своеобразное отображе- ние имеет промышленное, селитебное, сельскохозяйственное воздействие на природу, хорошо видны места открытой добычи полезных ископаемых (рис. 4.26): карьеры и горные выработки, отстойники и хвостохранилища обогатительных предприятий. Застроенность пригородных и городских земель можно опреде- лить количественно. На снимках хорошо видна распаханность территории, по размерам и форме полей можно судить о произ- водственной направленности хозяйств, возделываемых культу- рах, применяемых севооборотах и пр. 148 Рис. 4.26. Карьер Коршуновского железорудного месторождения (Иркутская область) 27 апреля 2002 г. по данным панхроматической съемки IRS (по информации ФГУНПП «Росгеолфонд», 2013) Снимки отображают как формы хозяйственной деятельно- сти человека, так и различные, часто неблагоприятные изменения природной среды, связанные с этой деятельностью, – эродиро- ванность почв, пастбищную дигрессию, в особенности приколо- дезное опустынивание, вырубленность лесов, лесные пожары и гари, зоны повреждения растительности дымами промышленных предприятий, сброса промстоков в водоемы, деградации расти- тельности вблизи нефтескважин и линий нефтегазопроводов, за- грязнения снежного покрова вокруг городов. Благодаря четкой фиксации таких особенностей природопользования снимки вы- полняют ревизионную роль, их применяют для контроля отрица- 149 тельного антропогенного воздействия и действенности меро- приятий по рекультивации земель, лесовосстановлению, борьбе с эрозией и т. п., их используют для создания карт экологической оценки территории и прогноза развития экологической ситуации. Озабоченность человечества глобальными экологическими проблемами нашла отклик в разработке спутниковых программ глобального наблюдения Земли и мониторинга озонового слоя, загрязняющих примесей в атмосфере, концентрации углекисло- го газа и других парниковых газов, потенциально вызывающих нарушения теплового баланса Земли, оценки биомассы суши и океана. Такие программы реализует, например, американская долговременная программа EOS: спутники Terra и Aqua еже- дневно предоставляют глобальную информацию мировому на- учному сообществу через Интернет. Контроль загрязнения атмосферы. Быстрое развитие ме- тодов и средств контроля газовых и аэрозольных загрязнений атмосферы в последние десятилетия вызвано заметно возрос- шим пониманием их влияния на состояние окружающей среды. Существенные изменения в состав и содержание атмосферных газовых примесей, иногда превосходящие их естественные ва- риации, вносит хозяйственная деятельность человека. Антропо- генные выбросы таких газов, как углекислый газ и метан, замет- но увеличивают их содержание в атмосфере. Кроме того, в ре- зультате хозяйственной деятельности в атмосферу поступает большое количество газов, которых раньше не было в ее составе. Воздействие атмосферных примесей на окружающую среду можно условно разделить на токсическое и климатическое. Ток- сическое воздействие на здоровье человека, животных и расте- ний, на биосферу вообще, а также на объекты неживой природы оказывают многие газовые примеси антропогенного происхож- дения в сильно загрязненной атмосфере больших городов и промышленных районов. Вне этих районов уровень содержания токсичных примесей и их влияние на окружающую среду в це- лом незначительно. Газовые примеси естественного и антропо- генного происхождения оказывают также влияние на климат, погоду, локальные, региональные и глобальные атмосферные процессы. Такие газовые примеси распространяются на боль- шие расстояния, попадают в верхнюю тропосферу и стратосфе- ру и в итоге накапливаются во всей атмосфере. 150 При использовании методов дистанционной индикации га- зов в интересах контроля загрязнения окружающей среды ин- формация дистанционного зондирования Земли из космоса по- зволяет решать следующие задачи: 1. Определять общее содержание и распределение газов в атмосфере по вертикали, что позволяет установить: глобальный уровень загрязнения; региональное рассеяние загрязнителей и их циркуляцию; пространственное и временное изменение содержания за- грязняющих веществ над городами, сельскохозяйственными угодьями и океаническими районами; механизм выпадений загрязняющих веществ; особенности протекания атмосферных химических процессов; особенности формирования транснациональных потоков загрязняющих веществ. 2. Осуществлять картографирование местоположения локаль- ных источников загрязнения (целлюлозно-бумажных комбинатов, сталелитейных заводов, нефтеперерабатывающих предприятий, хи- мических заводов, горнообогатительных комбинатов и т. д.). 3. Осуществлять наблюдение за отдаленными районами за- хоронения токсичных веществ. Оптическое зондирование атмосферы, основанное на упру- гом рассеянии света, фактически появилось еще до создания ла- зеров. Однако оптические методы дистанционного зондирова- ния природной среды стали интенсивно развиваться лишь с применением лазеров. В лидаре источником зондирующего из- лучения является лазер. При дистанционном зондировании ат- мосферы молекулы газов и аэрозоли вызывают ослабление про- ходящего через нее лазерного излучения. Часть зондирующего лазерного излучения рассеивается в обратном направлении (в сторону приемника лидара) на молекулах газов и аэрозольных частицах либо отражается от топографических объектов (дере- вья, дома, холмы и т. п.) или от специально установленных эк- ранов и отражателей. Это излучение с помощью приемной оп- тики собирается и направляется на фотодетектор, который пре- образует его в электрический сигнал, пропорциональный интен- сивности принятого оптического излучения. Значение принято- го сигнала определяется свойством атмосферы рассеивать излу- чение в обратном направлении, отражающими характеристика- 151 ми топографических объектов или отражателей, ослаблением излучения на трассе зондирования «лидар – объект зондирова- ния – лидар». Поэтому электрический сигнал, снимаемый с фо- тодетектора, содержит информацию о присутствии в атмосфере газов и аэрозолей, их концентрации и расстоянии до объектов зондирования. Однако, чтобы извлечь эту информацию, необхо- димы специальные методы измерения и алгоритмы обработки, так как величина регистрируемого лидаром сигнала зависит от длины волны лазерного излучения, числа, размера, формы и оп- тических свойств аэрозольных частиц и молекул газов, находя- щихся на трассе зондирования. Метод дифференциального поглощения рассеянной энер- гии заключается в том, что информация о концентрации иссле- дуемого газа или аэрозоля в атмосфере извлекается из сравнения двух регистрируемых лазерных сигналов в достаточно узком спектральном диапазоне длин волн, одна из которых располо- жена в линии (или полосе) поглощения газа, а вторая лежит в области или слабого, или полного отсутствия поглощения. Существуют два подхода к проведению измерений содер- жания газовых компонент в атмосфере лидаром дифференци- ального поглощения. Оба подхода предполагают использование для зондирования двух (для одного газа) лазерных импульсов с незначительно отличающимися длинами волн (одну выбирают таким образом, чтобы она находилась в сильно поглощающей части интенсивной линии поглощения интересующей газовой компоненты, другую – в дальней части «крыла» этой линии по- глощения) и последующее сравнение ослабления этих импуль- сов. Разница в методах измерений определяется механизмами отражения лазерного излучения к приемной системе. Первый метод основан на упругом рассеянии от газовых молекул в атмо- сфере, его называют методом дифференциального поглощения и рассеяния. Этот метод позволяет проводить пространственно- разрешенные измерения газовых компонент атмосферы на зна- чительном расстоянии от лидара. Второй метод основан на отра- жении лазерного излучения от расположенной на фиксирован- ном расстоянии мишени (метод с отражателем). В этом случае можно существенно снизить уровень необходимой мощности лазерного источника. Еще более высокую чувствительность можно достичь, используя специальные уголковые отражатели. |