Дистанционный мониторинг поверхности суши

 

 

РЕФЕРАТ

 

Курсовая работа: 33 страницы, 3 рисунка, 2 таблицы, 11 использованных источников.

Целью работы является изучение системы дистанционных наблюдений поверхности суши Земли и её роль в области контроля состояния окружающей среды.

Объектом изучения курсовой работы являются методы дистанционного мониторинга поверхности Земли. В работе рассмотрена сущность понятия дистанционный мониторинг и история развития его методов, подробно рассмотрен каждый метод дистанционного мониторинга поверхности суши и обработка данных полученных при помощи этих методов, а так же применение методов дистанционного мониторинга в области экологии.

 

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНТОРИНГ, ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ, КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ, АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ, КОСМИЧЕСКИЙ СНИМОК, ОБРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ, КАРТОГРАФИРОВАНИЕ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………….4

1. ПОНЯТИЕ О ДИСТАНЦИОННОМ МОНИТОРИНГЕ ЗЕМЛИ…….6
2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ ЗЕМЛИ……………………………………………………8
1. Воздухоплавание……………………………………………………8
2. Авиация……………………………………………………………...9
3. Ракеты………………………………………………………………10
4. Космические летательные аппараты……………………………..11
3. МЕТОДЫ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА…….…………12
1. Аэрокосмические методы………………………………………....17
2. Сканерные съемки...……………………………………………….19
3. Радарные съемки…………………………………………………..20
4. Тепловые съемки…………………………………………………..22
5. Спектрометрическая съемка……………………………………...23
6. Лидарные съемки………………………………………………….24
4. КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ…………………………………………………..…………..25
5. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ………………………..29

Выводы…………………………………………………………………….32

Список литературы……………………………………………………….33

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Экологический мониторинг (мониторинг окружающей среды) - это комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.

Основные цели мониторинга – обеспечение системы управления природоохранной деятельности и экологической безопасности современной и достоверной информацией, позволяющей:

1. оценить показатели состояния и функциональной целостности экосистемы и среды обитания человека;
2. выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия таких изменений, а также определить корректирующие меры в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются;
3. создать предпосылки для определения мер по исправлению возникающих негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб.

Основными задачами экологического мониторинга являются:

- наблюдение за источниками антропогенного воздействия;

- наблюдение за факторами  антропогенного воздействия;

- наблюдение за состоянием природной среды и происходящими в ней процессами под влиянием факторов антропогенного действия;

- оценка фактического  состояния природной среды;

- прогноз изменения состояния природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды.

Промышленное освоение, интенсификация сельскохозяйственного производства, нерациональное природопользование и иные факторы антропогенного воздействия на окружающую природную среду приводят к серьёзным изменениям её состояния, возникают экологические проблемы, которые наряду с такими, как энергетические, водные, продовольственные, относят к разряду глобальных.

Поскольку изменения, вносимые человеком в природную среду, и экологические эффекты, порождаемые его деятельностью имеют не только локальный и региональный, а часто и глобальный характер, то возникает необходимость своевременного выявления их, нужно проследить их динамику, дать полную картину происходящего вокруг нас, проводить предупредительные мероприятия. Для решения таких задач актуальным является применение дистанционных средств наблюдения (дистанционного мониторинга), которые обеспечивают большую обзорность, оперативность и регулярность получения информации.

Достаточно сказать, что, как показывают снимки, полученные дистанционными методами наблюдения, воздействие хозяйственной активности людей заметно почти на 60% суши, а в некоторых зонах эта цифра достигает 98%. Необходимо учесть, что антропогенные изменения природной среды происходят на два-три порядка быстрее, чем природные, и уследить за ними уже невозможно. В наше время эффективно решить столь сложную задачу можно лишь единственным способом: регулярной съемкой земной поверхности с самолетов и спутников, то есть дистанционным методом экологического мониторинга.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ПОНЯТИЕ О ДИСТАНЦИОННОМ МОНИТОРИНГЕ ЗЕМЛИ

 

Дистанционный мониторинг (дистанционное зондирование (ДЗ)) является подсистемой экологического мониторинга и представляет собой наблюдение поверхности Земли с помощью авиационных и космических средств, оснащённых различными видами съёмочной аппаратуры, а также с помощью приборов, установленных в труднодоступных местах Земли. Показания с этих приборов передаются в центры наблюдения с помощью методов дальней передачи информации: по радио, проводам, через спутники и т.п. Такое наблюдение производиться путём отражаемой или излучаемой объектом энергии с последующей обработкой, анализом и применением полученных измерений [1].

Дистанционное зондирование является сложной системой, которая состоит из источника излучения, исследуемого объекта, регистратора излучения, носителя регистратора излучения, станции приёма и обработки информации, блока интерпретации и анализа обработанной информации, а так же блока применения полученных характеристик исследуемого объекта.

Наличие источника излучения является необходимым требованием зондирования, т.к. он облучает (освещает) или передает другим способом электромагнитную энергию наблюдаемому объекту. Источником излучения может быть и сам исследуемый объект. При прохождении до сенсора (датчика) отраженное или испущенное объектом электромагнитное излучение взаимодействует с атмосферой.

Регистратор излучения это сенсор, который должен регистрировать и записывать излучение, пришедшее от наблюдаемого объекта. Регистраторы устанавливаются на авиационные или космические аппараты (КА), таким образом эти аппараты являются носителями регистратора излучения.

Полученные сенсором данные передаются на станцию приёма и обработки информации, где информация прошедшая первичную обработку далее поддается интерпретации и анализу с целью определения характеристик наблюдаемого объекта. После полученных характеристик наблюдаемого объекта происходит применение этих характеристик при создании информационных технологий мониторинга окружающей среды и решения различных задач.

Все задачи дистанционного мониторинга окружающей среды можно условно разбить по их практическому содержанию на следующие пять основных классов[2]:

1. Экологический мониторинг – исследование динамики изменений экосистем различного масштаба и различных естественных и антропогенных факторов, влияющих на экосистемы. Сюда относятся выявление и классификация загрязнений поверхности моря и суши, обнаружение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, выявление мест нарушения и болезни растительности и т.д.
2. Мониторинг природных ресурсов – исследование закономерностей размещения полезных ископаемых, прогнозирование и поиск природных ресурсов, оценка режимов использования природных ресурсов, а в том числе – получение характеристик земной поверхности для управления сельским и лесным хозяйством, водными и земельными ресурсами.
3. Прогнозирование и контроль природных катастроф и техногенных аварий, анализ факторов, предшествующих и сопровождающих катастрофы и аварии, с целью совершенствования методов прогнозирования чрезвычайных ситуаций (наводнения, лесные пожары, засухи, промышленные аварии).
4. Фундаментальные исследования Земли в интересах метеорологии, климатологии, океанографии.
5. Задачи, решаемые в интересах различные отраслей и предприятий, в том числе с целью оптимизации их взаимоотношений с природой (транспорт, строительство, добыча полезных ископаемых, связь, навигация).

2 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ  МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ ЗЕМЛИ

 

Современные методы дистанционного мониторинга возникли в результате развития летательных средств, фотографии, фотограмметрии, электроники, вычислительной техники и многих других отраслей науки и техники. Однако на любом этапе своего развития методы дистанционного мониторинга в первую очередь зависели от возможности поднять аппаратуру или человека над поверхностью Земли. Поэтому в данном разделе история дистанционных методов рассматривается на этапах завоевания человеком воздушного пространства и космоса. Хронологически это воздухоплавание, авиация, ракеты, космические полёты. Каждый их этих этапов характеризовался определённым уровнем развития визуальных наблюдений, фотографических съемок и т.д [2].

 

1. Воздухоплавание

 

4 июня 1783 года французы братья Монгольфье впервые запустили шар, наполненный горячим воздухом, и тем самым доказали возможность свободного полёта. 21 ноября 1783 года впервые на воздушном шаре поднялись люди (Пилатр де Розье и маркиз д’Арманд). В России первым поднялся на воздушном шаре генерал С.Л. Львов через 20 лет – в 1803 году вместе с французом Гарюреном.

В практике начали использовать аэростаты, которые были необходимы для военных целей. В научных целях впервые использовался аэростат в 1803 г. во Франции Робертсоном для изучения магнитного поля Земли. В сентябре в 1806 г. Био и Гей – Люссак провели с аэростата измерения магнитного поля Земли и доказали ошибочность данных Робертсона[2].

Качественно новый этап развития дистанционных методов изучения Земли начался с изобретения фотографии, которое относится к 1839 году. Потребовалось 20 лет, чтобы воздухоплавание и фотография попытались вместе составить новое и эффективное средство изучения поверхности Земли в различных целях. Следующие 20 лет фотографирование с аэростатов совершалось в основном в области повышения светочувствительности материалов и быстродействия затворов камер, что особенно существенно в условиях колебательных движений аэростатов. С 1880 года началось широкое и успешное фотографирование с воздушных шаров.

Воздухоплавание ещё долго, вплоть до 70 – х годов ХХ века, применялось для дистанционных исследований Земли. Этому способствовало развитие в начале ХХ века дирижаблестроения. Были проведены также интересные исследования верхних слоёв атмосферы и стратосферы и мелкомасштабные съемки Земли с помощью воздушных шаров – стратостатов в СССР, США, Франции [3].

 

2. Авиация

 

В 1903 г. братья Райт создали аппарат тяжелее воздуха – аэроплан, который смог продержаться в воздухе 39 секунд. Довольно скоро, в отличие от воздушных шаров, после своего появления авиация начала использоваться для выполнения аэрофотосъемок и визуальных наблюдений. Уже в 1909 г. Вильбур Райт, один из изобретателей аэроплана, проводил фотографирование с воздуха [6]. Быстрому развитию аэрофотосъемки с самолётов способствовала техническая база, созданая ещё на этапе воздухоплавания.

В первой половине ХХ века продолжалось развитие технической базы аэрофотосъемок как в области авиации, так и в области создания широкоугольных, сверхширокоугольных и щелевых фотокамер [2].

В СССР в 1924 г. были созданы первые аэросъемочные производственные организации, которые проводили аэрофотосъемки для нужд землеустройства, лесоустройства, дорожного строительства, для изучения пустынь, болот, озёр.

С помощью аэрофотосъемки в 50 – е годы были составлены карты всей территории СССР в стотысячном масштабе. В эти же годы в СССР начала применяться цветная аэрофотосъемка [3].

 

3. Ракеты

 

Разработка ракет связана в основном с их боевым применением. Однако уже в конце ХІХ века, когда был накоплен опыт в создании пороховых ракет, началось их применение для фотографических съемок земной поверхности. Первые съемки осуществил саксонский инженер Мауль. Фотоаппарат размещался на пороховой ракете и имел ряд приспособлений, включая парашют для спуска после экспозиции, гироскоп для стабилизации аппарата. Фотографирование проводилось с высоты 500 – 600 меров [2].

Первый снимок земной поверхности в США был получен при помощи фотоаппарата, установленного на баллистической ракете V – 2 немецкого производства, запущенной в 1945 г. с американского ракетного полигона White Sands [3].

Специальные ракеты, предназначенные для изучения Земли, запускались в России, США и Англии вплоть до 70 – х годов. Съемки проводились с высоты 200 – 270 км. Поскольку запуски ракет значительно дешевле по сравнению с запусками искусственных спутников Земли (ИСЗ), то считалось, что использование подобных ракет имеет преимущество. Казалось бы, что этому способствует возможность выбора оптимальных условий фотографирования (отсутствие облачности, прозрачность атмосферы, высота Солнца и т.д.). Однако негативные стороны съемки Земли с ракет, а именно решение только локальных задач, не позволяют ракетам конкурировать с космическими орбитальными средствами. Ракеты как средство съемок Земли сыграли свою роль только на этапе подготовки фотографирования с ИСЗ [3].

 

4. Космические летательные аппараты

 

4 октября 1957 года был запущен  первый в мире искусственный  спутник Земли (ИСЗ) в СССР (в США  – 01.02.1958 г.) [1].

Развитие автоматических ИСЗ шло в основном по пути совершенствования съемочной бортовой аппаратуры, расширения каналов и скорости передачи информации из космоса на Землю, по пути выполнения различной коррекции принимаемой информации. Автоматизированные космические системы обладают возможностью получать изображения одних и тех же участков местности с постоянной и высокой периодичностью, возможностью проводить съемку различных участков в одно и то же местное время, с их помощью может быть достигнута высокая оперативность, т.е. возможность регистрировать какой – либо объект на Земли в заданные моменты времени. Это обеспечило возможность с 80 – х годов приступить к началу проведения дистанционного мониторинга в различных направлениях [2].