Методы исследования окружающей среды и природных ресурсов

http://.

1. Методы исследования природных ресурсов природный ресурсы информация В условиях интенсивного развития производительных сил и роста природонаселения проблема рационального использования природных ресурсов приобретает первостепенное значение.

Для исследования природных ресурсов все большее применение находят дистанционные методы сбора и регистрации информации с последующей обработкой полученных данных средствами цифровой техники. Этому в значительной степени способствует запуск серии природоресурсных спутников Земли с аппаратурой зондирования подстилающей поверхности в видимом, инфракрасном и радиоволновом диапазонах электромагнитного излучения малого, среднего и высокого разрешения.

Для приема информации, поступающей с искусственных спутников Земли (ИСЗ), и ее первичной обработки с целью устранения шумов и искажений создана сеть региональных центров, обеспечивающих хранение, тиражирование и распространение полученных изображений. Однако для решения задач тематической обработки требуется использование дополнительных источников информации. Для этих целей создаются средства подспутниковых съемок и наземные комплексы сбора данных.

Дистанционные исследования подразделяются на исследования наземного базирования и высотные. Полевые дистанционные исследования наземного базирования проводятся на стандартных полигонах или в реальных условиях при подсамолетных или подспутниковых экспериментах. Как правило, они проводятся в комплексе с контактными исследованиями, для чего создаются комплексные системы исследований.

Высотные дистанционные исследования выполняются с помощью средств аэро — или космического базирования.

Средства космического базирования передают информацию, которая необходима для решения большинства задач дистанционных исследований природных объектов. Они оснащены аппаратурой видимого, инфракрасного, радиоволнового диапазонов, приборами регистрации и обработки данных[12].

Данные, полученные комплексами сбора, при решении тематических задач подлежат обработке ручными или автоматизированными методами. К настоящему времени, широкое распространение находят методы цифровой обработки.

2. Понятие и задачи космического мониторинга окружающей среды Космический мониторинг — это постоянные наблюдения, контроль за состоянием окружающей природной среды. Он проводится с ряда ИСЗ[4].

Широкое применение имеют данные таких зарубежных спутниковых систем, как: Landsat, Spot, NOAA, ERS, GEOS, MODIS, Sea WiFS и др., а также российских спутниковых систем серии Ресурс-О.

Специальную задачу космического мониторинга составляют выделение тех изменений, которые вызваны деятельностью человека — антропогенно-техногенными факторами[13].

Космический мониторинг является комплексным наблюдение за земной поверхностью, атмосферой, гидросферой, растительным и животным миром.

Выделяют три группы комплексных задач космического мониторинга:

— задачи, связанные с наблюдением за состоянием всей географической оболочки в целом (глобальный мониторинг);

— задачи, связанные с конкретными природно-хозяйственными системами в конкретной области, стране. Здесь также комплексно изучаются изменение состава атмосферы, температура и влажность воздуха, наличие озоновых дыр и др. Наблюдаются отдельные лесные массивы, их состояние (зараженность, пожары, вырубки), изучаются бассейны рек, отдельных озер, миграция отдельных видов животных и др.(природно-хозяйственный мониторинг);

— задачи, связанные с конкретным контролем отдельных природных объектов. Наблюдению подлежат отдельные реки, озера, связанные с обеспечением питьевой водой; фиксация выбросов промышленности, слежение за чистотой воздуха над городами (санитарно-гигиенический мониторинг).

Эти три вида космического мониторинга различаются между собой по масштабу, охвату явлений и разным методам наблюдений.

Полноценное ведение глобального мониторинга в области слежения за атмосферой, океанами, морями и озерами возможно только при налаживании международного сотрудничества.

Общей задачей для всех видов мониторинга является слежение за окружающей средой, предупреждение о наступлении нежелательных и опасных явлений, прогноз дальнейшего развития природных явлений в связи с огромным действием антропогенно-техногенных факторов.

3.Основные характеристики спутниковых систем Дистанционные приборы обеспечивают измерение характеристик удаленных объектов, поэтому они должны быть размещены на устойчивой платформе, удаленной от изучаемого объекта или наблюдаемой поверхности. Платформы для дистанционных приборов могут быть расположены на земле, на самолете, на космическом корабле или на спутнике вне пределов атмосферы Земли. Спутники имеют несколько уникальных характеристик, которые едалют их особенно полезными для дистанционного зондирования поверхности Земли.

Спутниковые орбиты (траектории, по которым двигаются спутники, когда они вращаются вокруг Земли) выбираются исходя из возможностей и назначения приборов, которые размещены на спутнике. Орбиты различаются по высоте над поверхностью Земли и по ориентации плоскости вращения спутника относительно Земли. Двумя наиболее распространенными типами орбит являются геостационарные (geostationary) орбиты и полярные (near-polar) орбиты.

Геостационарные орбиты это круговые орбиты, которые ориентированы в плоскости экватора Земли на высоте 35,800 км. Когда спутник летит на такой высоте, его орбитальный период точно соответствует периоду вращению земли, поэтому спутник всегда располагается над одной и той же точкой Земной поверхности. Это позволяет обеспечить регулярные наблюдения выбранной территории в любое время суток и в любое время года. Высокое временное разрешение и постоянные углы зренияочевидные преимущества геостационарных изображений. Однако геостационарный спутник располагается слишком далеко от Земли, чтобы одновременно получить высокое пространственное разрешение и обеспечить высокоточные количественные наблюдения. Кроме того, приборы, установленные на таких спутниках вообще не видят полюсы и обеспечивают хорошие условия наблюдения только в экваториальные области, при условии одновременного размещения на орбите 5−6 спутников. Геостационарные орбиты имеют обычно метерологические спутники и спутники связи.

Большинство спутников дистанционного зондирования в настоящее время летает по полярным орбитам. Это означает, что спутник летит к северу на одной стороне Земли, пролетает вблизи полюса, а затем летит к югу на второй половине орбиты. Многие из таких спутниковых орбит являются также солнечно-синхронизированными (sun-synchronous) так, что спутники пролетают над выбранным местом в одно и то же время. Это обеспечивает приблизительно одинаковые условия освещенности в одно и то же время года в течение последовательных лет. Половина орбиты, на которой спутник летит в северном направлении, называется восходящей (ascending) орбитой, а другая половина называется нисходящей (descending). Полярные орбиты существенно ниже, чем геостационарные. Приборы размещаемые на полярноорбитальных носителях обеспечивают лучшее пространственное разрешение и позволяют получать высококачественные данные дистанционного зондирования.

4. Описание спутников Спецификация сканера MODIS.

MODISэто основной инструмент в серии спутников NASA по наблюдению за Землей (EOS). MODIS предназначен для изучения глобальных изменений посредством мониторинга за состоянием поверности суши и океана, а так же для исследования сложнейших взаимодействий между атмосферой, океаном, поверхностью земли и биосферой. Система прямого доступа к данным MODIS дает возможность получения информации в реальном времени. Эти данные представляют собой ряд продуктов обработки включающих определение пожаров, картирование снежного покрова, классификации поверхности земли, картирование растительности и многое другое. Эти продукты обработки находят применение для мониторинга и управления природными ресурсами, предупреждения чрезвычайных ситуаций, для сферы здравоохранения и для сельского хозяйства. Радиометр MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) является одним из ключевых съемочных приборов, установленных на борту американских спутников TERRA (на орбите с 1999 г.) и AQUA (на орбите с 2002 г), осуществляющих исследования Земли из космоса по программе EOS (Earth Observing System) национального аэрокосмического агентства (NASA) США .

MODIS способен принимать излучение в 36 спектральных полосах спектра в диапазоне от видимой до тепловой инфракрасной области, с пространственным разрешением 250, 500 м. и 1 км. В зависимости от канала (таблица 2.1). На данный момент среди всех инструментов EOS MODIS обладает самым высоким спектральным и пространственным разрешением.

Радиометрическое разрешение исходных снимков весьма высоко: 12 бит. Пиковая скорость передачи данных составляет 10.6 Мбит/ с. Траектория движения носителя (высота орбиты 705 км) и угол обзора системы 110° (ширина полосы обзора 2330 км) позволяют с помощью.

MODIS за сутки получать изображение почти всей поверхности Земли, за исключением узких промежутков между полосами сканирования в низких широтах.

Необходимо отметить, что для эффективного использования данных MODIS были разработаны специализированные виды продукции (вторичных файлов спутниковых данных), представляющие результаты тематической обработки данных многоспектральных измерений. Для разработки алгоритмов тематической обработки были созданы четыре научных группы по темам:

1) калибровка данных (http://m odis.gsfc.nasa.gov/MODIS/CAL/);

2) исследования суши (http://modis-land.gsfc.nasa.gov/);

3) исследования атмосферы (http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/);

4) изучение океана (http://modis-ocean.gsfc.nasa.gov/).

Таблица 2.1- Технические характеристики радиометра MODIS.

Формат HDF.

Hierarchical Data Format (HDF) (иерархический формат данных) — это стандартный формат данных, используемый Earth Observing System Data and Information System (EOSDIS).

HDF разработан в Национальном центре суперкомпьютерных приложений США (NCSA) университета штата Иллинойс. HDF был разработан для совместного использования на различных платформах. Файл данного типа представляет собой совокупность наборов данных. Каждый набор данных содержит многомерный массив данных и имеет дополнительные метаданные, логически связанные с этим массивом и описывающие его параметры, такие как количество измерений, количество элементов в каждом измерении и т. п.

Файлы MODIS L1B (MOD09) используют следующие объекты, поддерживаемые HDF.

Scientific Data Sets (SDS) — наборы данных. Эти объекты содержат многомерный массив, используемый для хранения данных. В файлах MODIS этот массив используется для хранения калиброванных научных данных, их ошибок, и данных о точности измерения.

Кроме того, там хранятся следующие атрибуты множество атрибутов, описывающих эти данные.

Обязательные атрибуты:

* Name — строка, которая определяет внутреннее имя набора данных SDS, уникально идентифицирует его.

* Data type — тип данных (например, float 32).

* Dimensions — количество измерений (или ранг) массива.

Остальные атрибуты являются не обязательными. И их можно разбить на следующие группы :

* Предопределенные атрибуты:.

o Подписи для измерений массива и для данных.

o Единицы измерения (unit) для массива и для данных.

o Диапазон допустимых значений (valid range), задающий минимальное и максимальное значение, которые могут принимать данные.

o Значение, которым заполняются потерянные данные в наборе данных (fill value).

o Система координат, используемая при интерпретации или изображении данных.

* Атрибуты, определенные пользователем: в файлах MODIS L1B эта возможность используется для добавления атрибутов калибровки данных (scale и offset).

* Шкалы измерения: используются отдельно для каждого измерения массива при интерпретации и изображении данных .

Fixed length data (Vdata) -данные фиксированной длины. Представляют собой набор записей с полями фиксированной длины. Все записи имеют одинаковую структуру, и все поля имеют одинаковый тип данных. Эти объекты используются в файлах MODIS для хранения метаданных.

Global Attributes — глобальные атрибуты. Используются для хранения информации прибора, такой как количество сканов, состояние прибора и т. п.