Системы космического мониторинга окружающей среды

 

Содержание

 

 

Введение_________________________________________________________3

1 Системы космического мониторинга окружающей среды_______________4

    1.1 История развития дистанционных методов изучения Земли__________4

1.2 Задачи космического мониторинга окружающей среды_____________9

2. Применение методов космического мониторинга окружающей среды________________________________________________________________12

    2.1 Мониторинг гидрометеорологических процессов_________________14

2.1.1Уточнение метеорологических  прогнозов по спутниковым данным__________________________________________________________21

    2.2 Космический мониторинг опасных явлений и чрезвычайных ситуаций_____________________________________________________________28

          2.2.1 Мониторинг лесных пожаров___________________________29

Список использованной литературы_________________________________44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Космический мониторинг окружающей среды - это система целенаправленных повторных наблюдений за естественными и антропогенными изменениями окружающей среды, основанная на использовании информации, получаемой с помощью космических аппаратов.

Преимущества космической съемки:

• доступность любой территории;
• площадное обеспечение данными;
• большая полоса захвата;
• высокая периодичность съемки;
• комплексность данных.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Системы космического мониторинга окружающей среды

1.1История развития дистанционных методов изучения Земли

Современные дистанционные методы возникли в результате развития летательных средств, фотографии, фотограмметрии, электроники, вычислительной техники и многих других отраслей науки и техники. Однако на любом этапе своего развития дистанционные методы в первую очередь зависели от возможности поднять аппаратуру или человека над поверхностью Земли. Поэтому в данной главе, история дистанционных методов рассматривается на этапах завоевания человеком воздушного пространства и космоса. Хронологически это воздухоплавание, авиация, ракеты, космические полеты.

Каждый из этих этапов характеризовался определенным уровнем развития визуальных наблюдений, фотографических съемок и т.д. Конечно, деление истории  дистанционных методов на этапы, связанные с развитием летательных средств, носит условный и субъективный характер, но оно вполне оправдано.

Воздухоплавание

4июня 1783 года французы братья Монгольфье впервые запустили воздушный шар, наполненный горячим воздухом, и тем самым доказали возможность свободного полета. Уже 19 сентября был поставлен первый биологический эксперимент. В воздух была запущена клетка с бараном, петухом и уткой. 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 практических целях использовать аэростаты впервые стали для военных целей - в битве при Флерюсе 12 июля 1794 года войска революционной Франции одержали победу благодаря аэростату «Предприимчивый». Поле битвы представляло собой сильно пересеченную местность, и наблюдения с воздуха обеспечили французов данными о расположении и передвижении войск противника.

В научных целях впервые использовался  аэростат в 1803 г. во Франции Робертсоном для изучения магнитного поля Земли. В сентябре 1804 г. Гей-Люссак с аэростата изучал состав атмосферы. В 1806 г. Био и Гей-Люссак провели с аэростата измерения магнитного поля Земли и доказали ошибочность данных Робертсона.

Качественно новый этап развития дистанционных  методов изучения Земли начался  с изобретения фотографии, которое  относится к 1839 году (физик Ньепс и художник Дагер - дагеротипия - закрепление изображения, полученного камерой, на посеребренной медной пластине). Потребовалось 20 лет, чтобы воздухоплавание и фотография попытались вместе составить новое и эффективное средство изучения поверхности Земли в различных целях. В 1858 г. Феликс Турнашон, известный под псевдонимом Нодар, друг Жюля Верна, сделал первую фотографию с аэростата деревни под Парижем. Следующие около 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. В России первая фотография с воздушного шара была получена в мае 1886 г. в Петербурге (устье Невы). Роль фотографии в воздушных съемках была бы не столь велика, если бы не появилась новая техническая дисциплина, называемая сейчас фотограмметрией. Ее появлению предшествовали работы Ламберта по свободной перспективе, опубликованные в 1759 г., и труды гидрографа Ботана-Бопрэ, реализовавшие способ развертывания перспективного рисунка местности в ее план. Французский инженер Лосседа впервые в 1859 г. заменил рисунки перспективными наземными фотографиями, которые затем развертывались в план по законам центральной проекции. Предложенный метод вначале был назван метрофотографией, но затем стал называться фотограмметрией. С 1881 г. фотограмметрия начинает использоваться в геологии, горном деле, при изучении лесов.

Воздухоплавание еще долго, вплоть до 70-х годов XX века, применялось  для дистанционных исследований Земли. Этому способствовало развитие в начале XX века дирижаблестроения. Были проведены также интересные исследования верхних слоев атмосферы и стратосферы и мелкомасштабные съемки Земли с помощью воздушных шаров-стратостатов в СССР, США, Франции.

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. Быстрому развитию аэрофотосъемки с самолетов способствовала техническая база, созданная еще на этапе воздухоплавания.

В России в 1915 г. по аэрофотоснимкам  была составлена карта Мазурских  болот. В 1919-20 гг. аэрофотосъемка использовалась во Франции при гидрографических работах, в США и Канаде - в лесном деле. Изучение Арктики с помощью аэровизуальных наблюдений, начатых еще в 1914 г. русским летчиком Наурским, представляет собой пример долгосрочных и системных дистанционных исследований. В первой половине XX века продолжается развитие технической базы аэрофотосъемок как в области авиации, так и в области создания широкоугольных, сверхширокоугольных и щелевых фотокамер.

В СССР в 1924 г. были созданы первые аэросъемочные производственные организации, которые проводили аэрофотосъемки для нужд землеустройства, лесоустройства, дорожного строительства, для изучения пустынь, болот; озер. В связи с необходимостью научного и методического обеспечения применения аэрофотосъемок в 1929 г. в Ленинграде был организован Научно-исследовательский институт аэросъемки.

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.

Ракеты

Разработка ракет связана в  основном с их боевым применением. Однако уже в конце XIX 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 метров. С.П. Королев в 40-х годах активно занимался этим направлением исследований. 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. 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.

Космические летательные аппараты

Возможность запуска первого в  мире ИСЗ была обусловлена несколькими  обстоятельствами.

1. Возможность зависела от общего человеческого научного знания основных физических законов мироздания. К 50-м годам XX века уровень научных знаний (как в теоретическом, так и в практическом плане) был уже достаточен для технического осуществления полетов в космос.
2. Необходимость располагать достаточно высоким промышленным, научно- техническим и экономическим потенциалом. Космические исследования, связанные с запуском космических аппаратов, поглощают несколько процентов национального дохода таких развитых промышленных стран, как США и Россия.
3. Необходима большая организационная работа по созданию соответствующей технической базы, объединению и координации усилий различных отраслей и организаций и т.д.

Все перечисленные обстоятельства имели место во внутренней жизни  нашей страны, в результате чего в СССР 4 октября 1957 года был запущен  первый в мире искусственный спутник  Земли (в США - 01.02.1958 г.).

Отправной датой в истории космических съемок следует считать 7 октября 1959 г., когда была сфотографирована обратная сторона Луны советской межпланетной автоматической станцией «Луна-3». Космонавт Г. Титов 6 августа 1961 года провел первое фотографирование Земли с космического корабля «Восток-2». Две даты — 7.10.1959 г. и 6.08.1961 г. - определили два направления космических съемок - с помощью космических ИСЗ и с помощью пилотируемых космических средств. Каждое из них имеет свои особенности и каждое продолжает развиваться.

Автоматическое направление вначале  было представлено метеорологическими ИСЗ (01.04.1960, США, «Tiros-1»; 25.06.1966, СССР, «Космос-122»), затем появились специализированные ИСЗ для изучения природных ресурсов Земли - океанографические и природно-ресурсные.

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 Земле в заданные моменты времени. Это обеспечило возможность с 80-х годов приступить к началу проведения космических мониторингов в различных направлениях.

Развитие съемок с пилотируемых космических средств зависит прежде всего от развития этих средств - от увеличения продолжительности полетов, от возможности поднимать в космос большие полезные грузы и от повышения числа и квалификации космонавтов. Продолжительность полета человека постепенно возросла от нескольких секунд до года, появилась возможность поднимать в космос тяжелую аппаратуру (вес камеры МКФ-6М — около 200 кг). Оба направления космических съемок взаимно дополняют друг друга. В 70-80-е годы были освоены для получения изображений ИК-диапазоны и радиодиапазоны, появились сканеры.

В 70-е годы с появлением специализированных ИСЗ для изучения Земли начали широко использоваться пифровые методы обработки космических изображений.

1.2Задачи космического мониторинга  окружающей среды

Все задачи космического мониторинга  окружающей среды можно условно  разбить по их практическому содержанию на следующие пять основных классов :

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 др.
2. Мониторинг природных ресурсов - исследование закономерностей размещения полезных ископаемых, прогнозирование и поиск природных ресурсов, оценка режимов использования природных ресурсов, 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 и др.).
4. Фундаментальные исследования Земли в интересах метеорологии, климатологии, океанографии и др.
5. Задачи, решаемые в интересах различных отраслей и предприятий, в том числе с целью оптимизации их взаимоотношений с природой (транспорт, строительство, добыча полезных ископаемых, связь, навигация и т. п.).

Каждый класс характеризуется  своими требованиями к спутниковым  данным. Анализ заявок пользователей  на спутниковые данные показывает, что требования касаются в основном следующих характеристик данных: