Зондирование земли
 Скачать 7.34 Mb.
|
|
прогнозов распространения загрязняю- щих веществ в атмосфере широко используется информация, по- лучаемая с использованием спутниковых средств контроля атмо- сферных ветров. В тропической и субтропической зонах изобра- жения, получаемые геостационарными метеорологическими спутниками, используются для восстановления структуры тропо- сферных ветров по перемещениям облаков. За пределами тропи- ческой климатической зоны геострофическая ветровая компонен- та восстанавливается на основе данных о температурных полях. Оценка зон техногенного загрязнения в сфере влияния го- родов и транспортной сети. Это направление занимает особое место среди современных направлений использования спутни- ковых съемок. На основе полевых экспериментов и экспедици- онных обследований выяснены параметры связей яркости изо- бражения с количеством твердых загрязнителей в снегу, изучен характер изменения этих связей во времени и по территории, теоретически обоснована возможность определения по снимкам нескольких контуров загрязненности снега относительно фоно- вых значений. По снимкам картографированы хронически за- грязняемые площади вокруг городов для всех крупных водосбо- ров рек России, в том числе и расположенных на территориях соседних государств: Украины, Белоруссии, Казахстана, Эсто- нии, Латвии, Литвы, Китая, Монголии, Финляндии, Польши; определена структура размещения загрязняемых площадей в бассейнах Балтийского, Черного и Каспийского морей. На снимках со спутника Terra (рис. 4.27) прекрасно отображаются ореолы городов и дорог Иртышско-Ишимского междуречья. Нефтяное загрязнение и органические пленки. Нефтяное загрязнение морской поверхности обнаруживается на космиче- ских снимках благодаря тому, что нефтяная пленка сдерживает волнение и вызывает появление сликов. Слики (от англ. slick – гладкий, блестящий) – это гладкие зеркальные полосы или пятна на поверхности океанов, морей или внутренних водоемов, которые имеют на радиолокацион- ных изображениях практически черный цвет. При легком бризе они могут иметь вид пятен, а при ветре более 5 м/с разбиваются на узкие полосы. Основная причина их появления – пленки раз- личных органических соединений, в том числе поверхностно- активных веществ (ПАВ). Источниками органического вещества 153 в океане являются животные и растения, а также естественные источники сырой нефти. Вещества биогенного происхождения образуют на поверхности моря пленки в несколько мономоле- кулярных слоев толщиной 10 -7 –10 -6 см, скапливаясь в районах высокой биологической активности. Рис. 4.27. Изображение на снимках со спутника Terra городских ореолов и дорог Иртышско-Ишимского междуречья [Лаборатория дистанционных …, 2013] Биогенные пленки – результат жизнедеятельности морских организмов и растений, главным образом фито- и зоопланктона, а также бактерий; они образуются в море при сложных биохи- мических реакциях в процессе жизнедеятельности и разложения морских организмов и не могут считаться загрязнением в пря- мом смысле слова. Органические пленки сохраняются в море при слабых ветрах в течение продолжительного времени и на- чинают разрушаться, когда скорость ветра превышает 6–7 м/с. 154 После прекращения действия сильного ветра органические ве- щества снова выносятся на поверхность и образуют слики. Пленки антропогенного происхождения на поверхности моря образуют не только нефть и продукты ее переработки, но и различные технические и бытовые масла, жирные кислоты и спирты, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), содержащиеся в бытовых, промышленных и канализационных стоках. Разлившаяся в море нефть создает пленки различной тол- щины, так как нефть и продукты ее переработки представляют собой сложные смеси. Благодаря своим физико-химическим свойствам нефть может существовать в океане довольно долгое время в виде пленок, в эмульгированном виде или в виде агрега- тов. На распространение пленок по поверхности моря влияют два процесса: перенос (дрейф) под действием ветра, волн и те- чений и самопроизвольное растекание по поверхности. При сильном ветре пятно разрушается, и в слое ветрового переме- шивания возникает нефтяная эмульсия (причем водная эмульсия со временем оседает на дно). В отличие от ПАВ/СПАВ, нефть никогда не растекается до мономолекулярных слоев, а ее пленки имеют большую толщину. Отрицательное воздействие нефтяных загрязнений на мор- ские экосистемы связано как с нарушением процессов взаимо- действия океана с атмосферой, так и с накоплением в них вто- ричных загрязнений. Пленки нефти и СПАВ оказывают сущест- венное влияние на ряд гидрохимических и гидробиологических процессов в океане. Бактериальное разложение и естественное окисление нефти и нефтепродуктов затруднено. Все возрастающее антропогенное загрязнение океана неф- тью становится проблемой высокой общественной значимости. Поверхностные загрязнения антропогенного происхождения в основном связаны с разливами нефти и нефтепродуктов, а также с выбросом в море спектра весьма разнообразных веществ бы- тового и промышленного происхождения. Для обнаружения и исследования пленочных загрязнений моря применяются пас- сивные и активные датчики в ультрафиолетовом, видимом, ин- фракрасном и радиодиапазонах. В настоящее время большинство датчиков выполнено в са- молетных вариантах. В видимом и инфракрасном диапазонах 155 пятна загрязнений имеют более светлый тон по сравнению с не- загрязненной поверхностью; при малой высоте солнца над гори- зонтом в видимой области возможен темный тон пятен. Тепло- вые инфракрасные датчики могут работать как в дневное время, так и ночью, однако их показания значительно искажаются при наличии облачности или осадков. Радиолокационная съемка всепогодна и независима от освещения, однако ее возможности ограничены состоянием поверхности моря. Контрасты шерохо- ватости на морской поверхности могут вызывать и другие про- цессы в океане и атмосфере, создавая сходные радиолокацион- ные образы. Однако способность радиолокаторов к всепогодно- му мониторингу делает их незаменимым средством дистанци- онного зондирования. Возможность радиолокаторов с синтезированной апертурой обнаруживать загрязнения на морской поверхности в целом зави- сит от геометрии съемки, скорости ветра (состояния поверхности моря), типа загрязняющего вещества и других факторов. Тонкие пленки СПАВ обычно наблюдались при скоростях ветра 3–6 м/с, пятна нефти – при ветре до 12 м/с. На радиолокационных снимках можно достаточно точно определить положение, форму и размер пятен; при повторных съемках – направление и скорость дрейфа. С помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой высокого разрешения возможно осуществлять локальный мони- торинг районов морской нефтедобычи на шельфе, морских путей перевозки нефти, оперативно контролировать места аварий танке- ров, экологическую обстановку во внутренних морях, в портах и в местах сброса сточных вод. Уже созданы и успешно работают геоинформационные системы для мониторинга нефтяного загряз- нения Средиземного моря, районов нефтедобычи на шельфе Се- верного и Баренцева морей. Для решения задачи обнаружения и локализации нефтяных загрязнений на морской поверхности, а также для определения типа загрязнения необходимо привлекать дополнительную информацию, поскольку визуальный анализ ра- диолокационных снимков не позволяет достаточно надежно клас- сифицировать наблюдаемые пятна, а также отличить нефтяные слики от сликов органических СПАВ биогенного происхождения. Ниже приведен радиолокационный снимок акватории Север- ной Атлантики у банки Галисия в районе катастрофы танкера «Престиж» в ноябре 2002 г. (рис. 4.28). Снимок получен со 156 Рис. 4.28. Радиолокационный снимок со спутника ERS-2 акватории Северной Атлантики у банки Галисия в районе катастрофы танкера «Престиж» в ноябре 2002 г. [Интернет-семинары …, 2013] спутника ERS-2. Для чистой морской воды характерен слабокон- трастный серый фон. Темные пятна на этом фоне – поверхностные пленки нефтяных загрязнений, белые точки – морские суда. От танкера «Престиж» – белой точки в юго-западной части снимка – в северо-восточном направлении тянется темный шлейф, который разделяется на два рукава – северный и восточный. Хорошо видны отдельные темные пятна эмульсии топлива, образовавшиеся в ре- зультате утечки из танков «Престижа» в первые дни аварии. 4.9. Применение данных дистанционного зондирования в задачах выявления чрезвычайных ситуаций Многие из перечисленных выше задач (мониторинг лесных пожаров, оценка зон затопления и т. д.) можно отнести также к за- дачам обнаружения и контроля чрезвычайных ситуаций (ЧС). Ме- 157 тоды дистанционного зондирования Земли из космоса позволяют на принципиально новом уровне подойти к решению задач выяв- ления ЧС; явлений, приводящих к ЧС; а также оценки их последст- вий. Интенсивно развивается оперативное картографирование ЧС. Оперативное картографирование наводнений, зон земле- трясений, вулканизма помогает оптимизировать стратегии борь- бы с последствиями стихийных бедствий. Ведется оперативный контроль за загрязнением природной среды – например, за неф- тяными разливами в морях и океанах по данным радиоло- кационной съемки. Данные дистанционного зондирования, благодаря охвату и периодичности спутниковой съемки, позволяют оперативно оце- нивать обстановку и служат основой для своевременного прогноза многих чрезвычайных ситуаций. При разработке превентивных мер эти данные используются для решения следующих задач: 1) определения и картографирования наиболее опасных мест; 2) прогноза вероятности возникновения природных и тех- ногенных катастроф; 3) мониторинга явлений для определения начала и возмож- ных вариантов развития катастрофических процессов. Космические снимки используют для получения информа- ции о размерах пострадавшей территории, уровне нанесенного ущерба и нуждах местного населения. Поскольку в период та- ких событий время становится жизненно важным фактором, данные должны передаваться практически без задержки. Во время наводнений и засух можно использовать снимки, которые обладают невысоким пространственным, но высоким времен- ным разрешением. Данные с геостационарных спутников, кото- рые передаются на Землю каждые полчаса, используют для мо- ниторинга таких непродолжительных природных катастроф, как циклоны и торнадо. В общем случае для борьбы с ЧС полезно использовать комбинацию различных наборов данных, каждый из которых характеризуется высокой пространственной, вре- менной или спектральной разрешающей способностью. Обра- ботка, анализ и сопоставление данных дистанционного зонди- рования Земли повышает оперативность реагирования на техно- генные и природные ЧС, позволяет эффективнее бороться с по- следствиями аварий и катастроф (загрязнений при добыче и транспортировке полезных ископаемых, лесных пожаров, па- водков, наводнений и т. п.). 158 Высокогорные стихийно-разрушительные явления. Высо- кая активность опасных природных процессов в горных районах делает космическую съемку важным инструментом мониторинга и предотвращения чрезвычайных ситуаций. В горах широко рас- пространены гравитационные процессы, к которым относятся снежные лавины и селевые потоки, нередко имеющие катастро- фический характер и сопровождающиеся гибелью людей, повре- ждением или разрушением дорог, построек и т. д., а также изме- нением природной среды. Результаты схода селей и лавин прояв- ляются в гибели лесов («лавинные прочесы»), изменении релье- фа – появлении нагромождений обломков или грязекаменной массы, образовании аккумулятивных форм своеобразных очерта- ний в горных долинах, по которым участки схода лавин и селей опознаются на местности и могут быть определены на снимках. 20 сентября 2002 г. в долине р. Геналдон в Северной Осе- тии произошла крупнейшая в истории России гляциальная ката- строфа. Гигантский вал воды, льда и камней пронесся вниз по долине, сметая все на своем пути. Грандиозная по объему ледо- вая масса была остановлена тесниной Скалистого хребта, а се- левые потоки, порожденные ею, не дошли до селения Гизель, насчитывающего 10 тыс. жителей, всего 2 км. В результате сти- хийного бедствия были уничтожены базы отдыха, жилые дома, инфраструктура, завод минеральных вод. По официальным дан- ным, на конец декабря 2002 г. обнаружены останки 19 погиб- ших, пропавшими без вести считаются 106 человек. Ледовая масса в Кармадонской котловине преградила путь боковым при- токам р. Геналдон, образовались многочисленные подпрудные озера, самое крупное из них затопило три улицы селения Старая Саниба. В октябре 2002 г. ученые оценивали объем Санибанско- го озера в 3 млн м 3 : был риск внезапного прорыва озера через ледовую массу, что могло привести к катастрофическим селям и затоплению села Гизель. Основным источником ледовых масс был ледник Колка, рас- положенный на северном склоне Казбекско-Джимарайского горно- го массива, являющегося частью Бокового хребта Большого Кавка- за. Ледник относится к категории пульсирующих и в прошлом на нем наблюдались подвижки – периоды, когда скорость тока ледни- ка резко увеличивалась и он продвигался вниз по долине. Взгляды гляциологов на причины произошедшей катастрофы различны. Часть специалистов считает, что произошла очередная 159 подвижка пульсирующего ледника. Другие главной причиной по- лагают серию обвалов висячих ледников на поверхность Колки, которая вызвала его смещение. Среди факторов, вызвавших ката- строфу, называют также землетрясения, накопление воды на ложе ледника, вулканическую активность, метеорологические условия, способствовавшие накоплению снега на висячих ледниках. По материалам космической съемки (рис. 4.29) можно предпо- ложить, как развивались события в момент катастрофы, и оценить размер ущерба. Зона катастрофы выделяется серой полосой, вытя- нутой через весь снимок с юга на север, вдоль русла р. Геналдон до ее впадения в р. Гизельдон. Видны следы свежих обвалов – черные полосы на заснеженном склоне горы Джимарай-хох над ледником Колка в южной части снимка (рис. 4.29, 1). Высота склона горы Джимарай-хох в месте обвалов превышает 1000 м. Значительная часть ледника Колка была, возможно, «выби- та» обвалами и сброшена вниз по долине. Затем гигантская мас- са устремилась вниз, вовлекая в движение рыхлые отложения, воду, мертвые льды. След движения по поверхности языка лед- ника Майли ледово-каменной массы хорошо читается на снимке в виде полосы обломочного материала (рис. 4.29, 2). Ледово-каменная масса двигалась, переходя с одного борта долины на другой, вследствие этого заплески на бортах распо- ложены несимметрично. След от удара о борт при повороте в долину р. Геналдон виден на снимке (рис. 4.29, 3). В ходе дви- жения, происходившего в полосе шириной 400–500 м, высота волн ледово-водно-каменной массы достигала 100–150 м. После удара о Скалистый хребет раздробленная масса льда, воды и камней остановилась и заняла все днище Кармадонской котловины (рис. 4.29, 4). Впоследствии выше нее образовалось крупное подпрудное Санибанское озеро, изобразившееся на снимке голубым цветом (рис. 4.29, 5). Применение космических снимков открывает новые воз- можности в исследовании потенциально опасных природных объектов во время стабилизации их состояния. Так, изучение космических снимков за более поздние даты позволило конста- тировать исчезновение многих подпрудных озер в Кармадон- ской котловине и уменьшение площади Санибанского озера, ак- тивное таяние льда и его разрушение речными потоками. На снимках за сентябрь 2010 г. видно, что зона скальных обвалов над ледником Колка значительно разрослась. 160 Рис. 4.29. Снимок, полученный со спутника EO-1 многозональным сканером ALI (Advanced Land Imager) 6 октября 2002 г., через 16 дней после катастрофы [Интернет-семинары …, 2013] 161 Цунами (рис. 4.30) – это особый класс поверхностных гравитационных волн, распространяющихся в океане на большие расстояния от места своего возникновения. В глубоком океане высота волн цунами не превышает десятка сантиметров, на шельфе волны замедляются, укорачиваются, высота их увеличивается, а в прибойной зоне может достигать десятков метров. Прогнозировать с достаточной точностью высоту цунами у берега современная наука пока еще не в состоянии. Рис. 4.30. Цунами у побережья о. Шри-Ланка 26 декабря 2004 г. на снимке со спутника QuickBird Традиционные методы предупреждения цунами основаны на сейсмической информации, получаемой сразу после земле- трясения, и на расчетах времени прихода волны и ее высоты. Однако эффективность этих методов снижается из-за отсутствия данных о параметрах цунами в открытом океане, что повышает уровень ложных тревог. 162 Современные радиоальтиметры, обеспечивая измерения уровня океана, дают информацию для решения широкого круга за- дач, связанных с уточнением формы геоида, картографированием гравитационных аномалий поля уровня океана, измерением гео- строфических течений, высоты приливов, штормовых нагонов, вы- соты морских волн. Что же касается высоты волны в глубоком океане, то именно со спутника Topex/Poseidon впервые были изме- рены параметры сейсмических волн. Цунами в Индийском океане было обнаружено через 2 часа после индонезийского землетрясе- ния 26 декабря 2004 г. с помощью альтиметра на спутнике Jason-1. Большой объем информации о величине и степени разруше- ний, вызванных этим цунами, получают с помощью космических снимков (рис. 4.31). Для оценки ущерба, нанесенного цунами, в основном применяются системы наблюдений в видимом диапазоне высокого разрешения с самолетов и космических аппаратов. Рис. 4.31. Город Арагама (Япония) до (вверху) и после цунами 11 марта 2011 г. (внизу) на спутниковых снимках сверхвысокого разрешения 163 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Учебное пособие направлено на освещение основных сведений о дистанционном зондировании Земли, необходимых при подготов- ке студентов, обучающихся по направлениям 022000.62 «Экология и природопользование» и 021600.62 «Гидрометеорология». В пособии изложены базовые понятия дистанционного зон- дирования, физические основы дистанционных методов зонди- рования Земли, освещено понятие электромагнитного излуче- ния, его взаимодействие с атмосферой и подстилающей поверх- ностью и т. д. Кроме этого, в учебном пособии рассмотрены основные технологии получения снимков и наиболее важные характери- стики сканеров и спутниковых платформ, описаны этапы пред- варительной обработки цифровых снимков, изложены вопросы неконтролируемой и контролируемой классификации и визу- ального дешифрирования снимков. Особое внимание в настоящем пособии было уделено ос- новным направлениям применения данных дистанционного зондирования Земли. При этом рассмотрены вопросы, посвя- щенные применению спутниковых снимков в океанологии, ме- теорологии и гидрологии, в сельском и лесном хозяйстве, в за- дачах охраны окружающей среды и выявления чрезвычайных ситуаций, а также для составления и обновления топографиче- ских и тематических карт. Для лучшего понимания изложенного материала студентами данное учебное пособие было снабжено иллюстрациями и таблица- ми, которые поясняют, а иногда и дополняют его текстовую часть. 164 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Возможности построения автоматизированных систем обработки спутниковых данных на основе программного комплекса XV_SAT / В. А. Егоров [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондиро- вания Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мони- торинга окружающей среды, потенциально опасных объектов и явле- ний. – М. : Полиграфсервис, 2004. – С. 431–436. Картоведение : учебник для вузов / А. М. Берлянт [и др.] ; под ред. А. М. Берлянта. – М. : Аспект Пресс, 2003. – 477 с. Интернет-семинары Межуниверситетского аэрокосмического цен- тра [Электронный ресурс]. – URL : http ://www.geogr.msu.ru/science/ aero/acenter/cont.htm. ИТЦ «СКАНЭКС» [Электронный ресурс]. – URL: http://scanex.ru/ ru/index.html. Кашкин В. Б. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Циф- ровая обработка изображений : учеб. пособие / В. Б. Кашкин, А. И. Сухо- нин. – М. : Логос, 2001. – 264 с. Книжников Ю. Ф. Аэрокосмические методы географических иссле- дований : учеб. для студентов вузов / Ю. Ф. Книжников, В. И. Кравцова, О. В. Тутубалина. – М. : Академия, 2004. – 336 с. Спутниковый мониторинг озера Алтын Асыр и водных ресурсов Туркменистана [Электронный ресурс]. – URL: d33.infospace.ru/ d33_conf/tarusa11/pdf/Kostyanoy _Turkmenistan.pdf Лаборатория дистанционных методов и геоинформационных систем (ЛДМ ГИС) ГГИ [Электронный ресурс]. – URL : http ://www.hydrology.ru/ depart/dep/lgis/. Лабутина И. А. Использование данных дистанционного зондирова- ния для мониторинга экосистем ООПТ : метод. пособие / И. А. Лабутина, Е. А. Балдина. – М., 2011. – 88 с. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природ- ной среды : учеб. пособие / В. И. Козинцев [и др.] ; под ред. В. Н. Рожде- ствина. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. – 528 с. Савиных В. П. Геоинформационный анализ данных дистанционного зондирования / В. П. Савиных, В. Я. Цветков. – М. : Картгеоцентр – Гео- дезиздат, 2001. – 228 с Самардак А. С. Геоинформационные системы : учеб. пособие / А. С. Самардак. – Владивосток : ТИДОТ ДВГУ, 2005. – 123 с. Токарева О. С. Обработка и интерпретация данных дистанционного зондирования Земли : учеб. пособие / О. С. Токарева. – Томск : Изд-во Том. политех. ун-та, 2010. – 148 с. 165 Трифонова Т. А. Геоинформационные системы и дистанционное зон- дирование в экологических исследованиях / Т. А. Трифонова, Н. В. Мищен- ко, А. Н. Краснощеков. – М. : Академический проект, 2005. – 350 с. ФГУНПП «Росгеолфонд». Сибирский филиал [Электронный ре- сурс]. – URL: http://geol.irk.ru. Царев В. А. Неконтактные методы измерения в океанологии / В. А. Царев, В. П. Коровин. – СПб. : Изд-во РГГМУ, 2005. – 184 с. Чандра А. М. Дистанционное зондирование и географические ин- формационные системы / А. М. Чандра, С. К. Гош. – М. : Техносфера, 2008. – 312 с. ASTER GDEM. – URL: http://gdex.cr.usgs.gov/gdex. Campell J. B. Introduction to remote sensing / J. B. Campell. – N. Y. – London: The Guilford press, 1996 – P. 120–549. CGIAR: SRTM 90m Digital Elevation Data. – URL: http://srtm.csi.cgiar.org. EarthExplorer. – URL: http://earthexplorer.usgs.gov. GloVis. – URL: http://glovis.usgs.gov. Google Earth. – URL: http://www.google.com/earth/index.html. HydroSHEDS. – URL: http://hydrosheds.cr.usgs.gov/index.php. LandsatLook Viewer. – URL: http://landsatlook.usgs.gov. Remote Sensing Systems. – URL: http://www.remss.com. 166 Учебное издание Сутырина Екатерина Николаевна ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ ISBN 978-5-9624-0801-9 Редактор В. В. Попова Дизайн обложки П. О. Ершов Темплан 2013 г. Поз. 68 Подписано в печать 3.10.2013. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 10,4. Уч.-изд. л. 6,9. Заказ 77. Тираж 70 Издательство ИГУ 664003, Иркутск, бульвар Гагарина, 36 |