Использование данных дистанционного зондирования Земли в управлении качеством окружающей среды

Использование данных дистанционного зондирования Земли воз­можно в разных областях, как научных, так и прикладных. Перечис­лим эти области, а затем рассмотрим на конкретных примерах воз­можности использования данных дистанционного зондирования.

Сельское хозяйство:

- инвентаризация сельскохозяйственных угодий;

- выделение и идентификация различных типов сельскохозяй­ственных культур;

- сельскохозяйственное почвоведение;

- сельскохозяйственная гидрология;

- сельскохозяйственная метеорология (учет климатических осо­бенностей районов земледелия с целью определения их сельско­хозяйственного потенциала);

- предотвращение сельскохозяйственных катастроф, естествен­ных (заморозков, засух, нашествий насекомых, дефляции) и антропогенных (загрязнений, пестицидов);

- прогнозирование урожаев (выявление областей, в которых потенциально возможны сельскохозяйственные катастрофы, при проведении ирригационных работ, а также при определении об­ластей, подверженных эрозиям и обезвоживанию; измерение рас­пределения индекса вегетации сельскохозяйственных культур, ко­торый необходим при определении объемов и качества урожая, планировании необходимых средств для переработки, хранения и перевозки сельскохозяйственной продукции);

-анализ сельскохозяйственного потенциала. Климатология, контроль глобальных атмосферных изменений:

- измерение концентрации газов, вызывающих «парниковый» эффект (N2O, CH4, СО2);

- контроль содержания атмосферного озона;

- исследование радиационного баланса Земли (измерение ко­личества энергии, излучаемой и отражаемой планетой. Эта инфор­мация необходима для изучения механизма преобразования энер­гии атмосферой, поверхностью суши и океаном, в результате ко­торого поддерживается необходимое энергетическое равновесие. В свою очередь, результаты изучения радиационного баланса ис­пользуются для моделирования и прогнозирования глобального климата. Кроме того, на региональном уровне эта информация позволяет учитывать происходящие климатические изменения при решении, например, сельскохозяйственных проблем, в задачах землепользования и т.д.);

- измерение солнечной постоянной;

- измерение температуры поверхности;

- контроль содержания аэрозолей в земной атмосфере;

- контроль загрязнения атмосферы (определение общего со­держания и распределения газов в атмосфере по вертикали; кар­тирование местоположения локальных источников загрязнения (целлюлозно-бумажных комбинатов, сталелитейных заводов, неф­теперерабатывающих предприятий, химических заводов, горно-обогатительных комбинатов и т.д.); наблюдение за отдаленными районами захоронения токсичных веществ);

- наблюдение за перемещением облаков;

- измерение температуры и топографирование поверхности мо­рей и океанов;

- наблюдение облачного покрова (определение типов облаков, сплоченности облачного покрова и температуры верхней части облаков; получение стереоскопических изображений облаков);

- измерение вертикального профиля температуры (необходимо при построении численных моделей погоды, контроля многолет­них глобальных температурных изменений, при изучении взаимо­связи климата с параметрами атмосферы, уточнении численных моделей атмосферы; может быть использовано для определения структуры высотных ветров (геострофических ветров), которая, в свою очередь, является основой штормопредупреждения и про­гнозирования опасных приповерхностных ветров);

- наблюдение конвективных облаков;

- анализ особенностей транстропического переноса энергии;

- наблюдение грозовых разрядов;

- анализ концентрации тропосферного озона;

- измерение вертикального профиля тропосферных ветров;

- наблюдение осадков (необходимо при решении геофизиче­ских задач различного уровня: от предсказания локальных засух или наводнений до формирования глобальных прогнозов изменения кли­мата планеты. Особое внимание при этом уделяется тропическим ливням, что обусловлено их большим удельным весом в общем процессе осадкообразования: до 2/3 от общего количества осадков планеты приходится на тропические дожди. Кроме того, процессы осадкообразования существенным образом зависят от величины альбедо, для определения которого необходимо изучение состоя­ния растительного покрова и влажности поверхности Земли);

- измерение влажности верхней тропосферы;

- измерение влажности водяного пара;

- измерение высоты верхней части облаков с целью анализа и прогнозирования погоды;

- измерение концентрации в атмосфере малых газовых компо­нентов (газов, способствующих возникновению «парникового» эф­фекта и изменению климата; химически агрессивных газов, ока­зывающих воздействие на окружающую среду, включая биосферу; газов и радикалов, влияющих на климат и на окружающую среду путем воздействия на оборот атмосферного озона).

Поиск полезных ископаемых и энергоносителей:

- поиск нефти, природного газа и угля;

- получение информации дистанционного зондирования, не­обходимой для использовании энергии ветра;

- получение информации, необходимой для использования сол­нечной энергии;

- определение потенциальных возможностей, оптимизация характеристик и районов размещения средств, предназначенных для использования геотермальной энергии;

- получение информации, необходимой для создания и эксплуа­тации гидроэлектростанций (для обнаружения крупных зон осад­ков, определения полноводности рек, а также решения других задач контроля водных ресурсов);

- геологоразведочные задачи обзорного и регионального масш­табов.

Землепользование:

- топографическое картирование (с целью обеспечения иссле­довательских и прикладных программ по изучению глобальных изменений окружающей среды топографической информацией и информацией о характере поверхности Земли; в интересах земель­ного планирования, для определения каналов стока воды и веро­ятных областей затопления, для изучения процессов эрозии поч­вы; для выявления незначительных изменений крутизны берего­вых склонов и прогнозирования наводнений; при прогнозирова­нии извержений вулканов, землетрясений и оползней; для изуче­ния искривлений земной коры, крупномасштабных магнитных и гравитационных аномалий, а также в ряде других случаев);

- наблюдение за ростом городов;

- наблюдение за пастбищами, распределением и миграциями диких животных.

Наблюдение прибрежных зон и океанов:

- контроль динамики развития фитопланктона (фитопланктон вносит основной вклад в механизм поглощения атмосферного уг­лекислого газа, образуя биологический фильтр, поглощающий часть диоксида углерода, выделяемого в атмосферу при сгорании энергоносителей. Важность изучения фитопланктона определяется еще и тем, что он образует низшее звено в пищевой цепочке);

- изучение динамики процессов выпадения планктона (позво­ляет оценить запасы углерода в морских отложениях);

- изучение механизма участия океана в процессе глобального теплообмена (для детального изучения процессов теплового взаимо­действия атмосферы и океана; измерения высоты и спектра морских волн используются для уточнения условий формирования штормов и ураганов, необходимых при изучении процессов теплообмена);

- изучение океанских ресурсов (поиск рыбы и других пищевых ресурсов, а также полезных ископаемых (нефти, газа и т.п.); добыча природных ресурсов в открытом море; прокладка трубопро­водов по морскому дну);

- выявление источников загрязнения океана (органических от­ходов, содержащихся в местных сточных водах и промышленных отходах растительного и животного происхождения и приводящих к снижению содержания кислорода в воде; растительных пита-

I тельных веществ, способствующих вредному росту морских во­дорослей; синтетических и органических химикатов; осадков; ра­диоактивных выбросов; перегрева воды, используемой для охлаж­дения промышленных объектов). Лесное хозяйство:

- контроль за уничтожением лесов (обезлесиванием);

- определение типов лесонасаждений и доминирующих пород;

- оценка запасов лесоматериалов;

- измерение общей площади и количественная оценка биомас­сы (измерение общей площади и плотности лесного покрова осуществляется с целью количественной оценки биомассы расти­тельности и изменения концентрации углекислого газа);

- картографирование лесов (отслеживание динамики их разви­тия и планирование использования лесных массивов);

- оценка ущерба, нанесенного лесным массивам (лесные по­жары, энтомоповреждения, болезни леса, загрязнение воздуха, бури, а также кислотные дожди);

- получение информации для лесоводства (выявление несанкцио­нированных рубок леса, вырубочной динамики; контроль пора­жения деревьев насекомыми и пестицидами; обнаружение и на­блюдение лесных пожаров; контроль за посадками деревьев на месте поврежденных, приспеванием и старением лесов);

- изучение водного режима лесных массивов. Контроль водных ресурсов:

- анализ особенностей взаимодействия льда и атмосферы;

- измерение температуры и толщины льда;

- изучение отдельных льдин; - анализ шероховатости и температуры льда; - измерение отражающей способности льда; - выявление областей со снежным покровом;

- классификация снежного покрова (разделение сухого и мок­рого, толстого и тонкого, замерзшего и тающего снега);

- определение характеристик снежного покрова (влажности, температуры, глубины и альбедо — учитываются при изучении радиационного баланса и глобального климатообразования пла­неты, используются в качестве граничных условий в численных моделях прогноза погоды);

- определение водного эквивалента снега с целью выявления источников грунтовых вод, описания их характеристик и изучения особенностей их взаимодействия с поверхностными источниками;

- обнаружение участков разгрузки (вскрытия) грунтовых вод на поверхности;

- косвенное обнаружение грунтовых вод, очерчивание водо­носных слоев;

- мониторинг наводнений;

- контроль качества воды (обнаружение местоположения и ха­рактера источников загрязнений воды, планирование мест уста­новки очистных сооружений).

Мониторинг чрезвычайных ситуаций:

- предупреждение, контроль и оценка последствий наводне­ний (паводков и наводнений в результате ливневых дождей);

- организация информационного обеспечения при экстренном реагировании на землетрясения, пожары, наводнения и т.п. [14].

Выделим отдельно тематические направления проведения мо­ниторинга состояния окружающей среды с применением опера­тивной спутниковой информации.

Мониторинг аварийно-опасных ситуаций и последствий аварий. Первичный мониторинг типовой ситуации, в результате которого операторы получают представление о естественном состоянии при­родных комплексов, особенностях хода и развития сезонных яв­лений, наличии и сезонной активизации потенциально аварий­но-опасных территорий. На этом этапе может быть создан банк сезонного состояния природных комплексов и процессов, являю­щихся потенциально аварийно-опасными, а также процессов и явлений, усугубляющих развитие ситуации в месте аварии.

Мониторинг текущего состояния аварийной ситуации проводится на базе текущих съемок в период возникновения аварии и матери­алов банка данных изображений, накопленных в процессе эксплу­атации автономного пункта приема. Оценивается место аварии, на­личие и количество природных и антропогенно-производных про­цессов, влияющих на развитие аварии и устранение ее последствий.

Мониторинг послеаварийного состояния территории проводится в целях выявления последствий аварии, ущерба, качества очист­ных и восстановительных (рекультивационных работ), а также тем­пов восстановления естественного состояния природной среды в районе аварии.

Сюда относят:

- изучение аварийно-опасных процессов и условий — русловой и овражной эрозии, паводковых ситуаций, переувлажненности территории (сезонной или постоянной), крупных оползневых про­цессов и комплексов мелких оползней, районов активизации мерз­лотных процессов в почвогрунтах, лесных и торфяных пожаров;

- изучение обстоятельств, усугубляющих развитие аварийных ситуаций на продуктопроводах и участках добычи: развитой сети дренажных каналов и водотоков, близости крупных рек, озер и водохранилищ, наличия крупных болотных массивов и их типа, гидрорежима почв и грунтов на участке аварии, состава напоч­венного покрова (его шероховатость и поглощающая способность выявляется по косвенным признакам дешифрирования типов ра­стительности), локального фенологического состояния террито­рии (например, интенсивного схода снега в районе аварии), па­водковых ситуаций на водотоках разных порядков, лесных и тор­фяных пожаров;

- мониторинг послеаварийного состояния: загрязненность водо­емов пульпой, взвесями и пленками, нарушенность территории, качество проведения восстановительных и рекультивационных ра­бот, темпы и характер восстановления естественных природных комплексов.

Мониторинг экологической ситуации. Техногенные нарушения: транспортные коммуникации и транспортное строительство, гор­нодобывающая промышленность, нефте- и газодобыча, гидро­энергетика, промышленные аэрозольно-дымовые загрязнения и их последствия, техногенные стоки, сбросы и аварии, отвалы, терриконы, участки захоронения и консервации (рис. 4.20).

Нарушения природной среды, вызванные сельскохозяйственным освоением: эрозионные процессы, дефляция и пыльные бури, агро-генное засоление территории, загрязнение водоемов в процессе обработки и эксплуатации земель, деградация пастбищ при пере­выпасе, качество сельхозкультур и их обработок (полив, гумусированность, засоренность посевов), земледельческое освоение зоны влияния производственных и транспортных объектов-загрязните­лей, пожары сельхозкультур и лугово-сенокосных угодий.

Нарушения природной среды, вызванные мелиоративными меро­приятиями: качество проведения мелиорации, состояние орошае­мых мелиоративных угодий, состояние осушаемых мелиоративных угодий, территории измененного режима засоления вокруг мелио­ративных объектов, территории измененного гидрологического режима вокруг мелиоративных объектов, акватории, испытываю­щие влияние мелиоративных объектов.

Нарушения лесопокрытых площадей и состояние лесов: техно-, фито-, пиропатология, вырубки, поствырубочное восстановление, пожары лесные, нарушенность и состояние лесных водоохранных зон и лесополос (рис. 4.21).

Антропогенные нарушения торфяных и болотных массивов: тор­форазработки, их тип и состояние, торфяные пожары, антропо­генная эвтрофикация болотных массивов и ее последствия.

Антропогенные изменения мерзлотного режима и связанные с ним процессы: трансформации гидрорежима территории, термоэрозионная деятельность и термокарст, изменения в растительном по­крове.

Рис. 4.22. Цветение одного из водоемов Куйбышевского водохранилища. Данные со спутника «Ресурс-01 —3», радиометр МСУ-Э. 2 августа 1998 г.

Нарушение объектов гидросферы: пленочные (поверхностные) загрязнители (нефть, органические природные и синтетические ПАВ), взвешенные загрязнители, цветение водоемов, перефор­мирование русловой и отмельной структуры в результате соору­жения и эксплуатации инженерных коммуникаций (рис. 4.22).

Состояние снежного покрова: характер установления и схода снежного покрова, загрязнение снежного покрова в зонах влия­ния промышленных предприятий и транспортных коммуникаций.

Мониторинг морских побережий и процессов переформирования береговой зоны. Мониторинг морской акватории и побережья от­ражает: типы берегов; отмельный рисунок до глубин 0 —10 м; дон­ные отложения в этом же диапазоне глубин (в том числе и донную растительность); акватории и зоны транспорта взвешенных нано­сов, контекстуально — источники взвешенного материала (мор­скую абразию берегов, речной сток взвешенных наносов); харак­тер и динамику: дельт и островных комплексов, береговой линии по типам берегов, грунтового подтопления зоны побережья мор­скими водами; паводковые и сгонно-нагонные явления; характер засоления и солевой режим территории; контроль состояния круп­ных инженерно-технических сооружений побережья (дамб, каналов, мелиоративных систем); контроль промышленного загрязнения акватории и береговой линии; состояние компонентов естественной природной среды (растительности, почв, водоемов и ланд­шафтов в береговой зоне); состояние антропогеннопроизводных компонентов природной среды (транспортных коммуникаций, мелиоративных и гидроэнергетических объектов, сельскохозяй­ственных угодий в пределах береговой зоны).

Лесное хозяйство, лесоустройство и контроль за лесопользованием. Контроль за соблюдением границ водоохранных зон при рубке леса.

Лесоустроительные работы при проведении лесоустройства по 3-му разряду.

Оценка качества лесовосстановления.

Оценка площадей и расположения участков «естественных» эко­систем в регионах, пострадавших от массовых концентрирован­ных лесозаготовок 1950 —1980-х гг.

Оценка современных границ и состояния массивов притундровых лесов.

Рассмотрим некоторые проекты, выполненные с использова­нием данных дистанционного зондирования Земли.

Обработка данных тепловой съемки позволяет точно опреде­лить частные строения, теряющие тепло из зданий, утечки из теп­лопроводов из-за недостаточной теплоизоляции, незаконные свал­ки отходов, сброс в реки и т.д.

Чтобы определить частные владения, где происходит утечка энергии, итоговая карта потерь тепла дополняется базой данных по адресам и почтовым индексам, что позволяет своевременно информировать владельцев данной собственности.

В Перми с помощью программных средств ARC/INFO и ArcView GIS на основе космической съемки SPOT, а также фондовых материалов были созданы цифровые карты современных ландшафтов, использования зе­мель, инженерно-строительных условий и традиционные схемы: функ­ционального зонирования, транспорта, магистральных инженерных се­тей, планировочных ограничений (санитарно-защитных зон предприя­тий, зон от трубопроводов, водоохранных зон и т.п.) и многие другие. В процессе дешифрирования космических изображений 57>0Гбыли вы­явлены многочисленные изменения состояния окружающей среды: но­вая застройка; карьеры, свалки, другие нарушения почвенно-растительного покрова; новые дороги и другие линейные сооружения, обнаружены значительные нарушения зеленой зоны Перми.

В Ижевске был создан компьютерный Генеральный план г. Ижевска с использованием программ ARC/INFO и ArcView GIS 3.1 и космическо­го снимка со спутника SPOT. Была создана Городская информационная система, охватывающая все территориальные аспекты жизнедеятельно­сти города — от экологической ситуации и зеленых насаждений до ин­женерной инфраструктуры, транспорта, застройки. Отражены как со­временное состояние города, так и проектные предложения. В составе проекта создано более 1000 тематических картографических слоев с со­ответствующими базами данных, сгруппированных по следующим смысловым блокам: архитектурно-планировочный; природно-экологический; инженерно-инфраструктурный; адресный план города с базой данных Бюро технической инвентаризации по каждому строению.

На основе дешифрирования космического снимка со спутника Land-sat-7 была создана карта нефтяных разливов на район Самотлорского место­рождения, которая показала, что значительная часть территории — свы­ше 10,5 тыс. га — загрязнена нефтью, причем более 10% загрязненной территории приходится на свежие разливы нефти, образовавшиеся за последние 2 — 3 года, что свидетельствует об остроте экологических про­блем в районах нефтедобычи и в целом в Западно-Сибирском регионе.

В лаборатории дистанционного зондирования и геоинформационных исследований лесов Международного института леса с использованием данных спутниковой съемки проводятся: картографирование лесного по­крова; выявление текущих изменений в лесах; исследование информа­тивности спутниковых изображений для решения задач мониторинга состояния и динамики лесного покрова; детектирование лесных пожа­ров и картирование пройденных огнем лесных площадей; оценка по­вреждений лесных насаждений, вызванных массовым размножением насекомых-вредителей; изучение потенциальных возможностей спутни­ковых данных для оценки эмиссии углерода на свежих гарях.

В результате обработки снимков со спутника Landsat-5 (за 1988 — 1998 гг.) с разрешением 30 м в видимом, ближнем инфракрасном и инфракрасном диапазонах спектра и 120 м в тепловом инфракрасном диапазоне была создана электронная карта болот Интинского и Воркутинского районов Республики Коми масштаба 1:500 000, позволяющая в дальнейшем выявлять закономерности пространственного размещения болот с использованием ГИС-технологий. Карту планируется использо­вать для расчетов запаса углерода в торфе болот района исследований. Кроме этого, карта может быть полезна для уточнения площадей и гра­ниц некоторых особо ценных болотных экосистем.

При изучении динамики береговой зоны Каспийского моря использо­вались снимки, полученные сканирующей системой высокого разреше­ния «Фрагмент» со спутника «Метеор-30» (1980), фотокамерой КАТЭ-200 со спутника системы «Ресурс-Ф» (1993), со спутника «Ресурс-О» с по­мощью трехканального оптико-электронного сканера высокого разре­шения МСУ-Э (2000). По этим материалам была составлена серия век­торных карт береговой линии на изучаемом участке за 1980, 1993 и 2000 гг. Анализ составленных карт позволил выявить существенные изменения береговой линии.

Центр дистанционного зондирования в Будапеште создал демонст­рационный проект по Дунаю для оценки возможности использования данных о земельном покрове CORINE (программа Европейской комис­сии по координации информации об окружающей среде) с целью моде­лирования рассеянного загрязнения фосфором и разработки калибро­вочной модели, чтобы предсказать его концентрацию на реках.

Основой и инструментом выполнения проекта послужила растровая ГИС-модель водосборных бассейнов. Мультивременные спутниковые изображения Landsat позволили учесть сезонные изменения растительности. Разработанная модель полезна для управления средой и способ­ствует ведению устойчивого сельского хозяйства. Оценивая загрязнение фосфором от точечных и рассеянных источников, можно легко модели­ровать последствия изменений в землепользовании, таких как преобра­зование пахотных земель в лесные или пастбищные угодья. На длитель­ном отрезке времени она поможет найти пути создания сельского хозяй­ства, более эффективного и менее зависимого от внесения удобрений.

В районе Мончегорска на Кольском полуострове, где действует круп­нейший медно-никелевый комбинат «Североникель», лабораторией аэро­космических методов кафедры картографии и геоинформатики геогра­фического факультета МГУ проводилось изучение промышленного воз­действия на растительность по космическим снимкам. Материалами для работы послужили цифровые многозональные снимки со спутника Landsat-5 3a 1986 и 1992 гг.

Гринпис России и Центром охраны дикой природы создана карта мало-нарушенных лесов Карелии — региона, где происходит наиболее быст­рое уничтожение последних естественных лесных массивов. Карта вы­полнена в среде ArcView GIS на основе полевых и лесохозяйственных дан­ных и материалах космической съемки спутников SPOT и «Ресурс-О—3» в масштабе 1:500 000 и включает фрагменты малонарушенных лесов как крупного (более 20 тыс. га), так и малого (от 2 — 3 до 20 тыс. га) размера. Гринпис России, Центром охраны дикой природы и фирмой «СканЭкс» проведено также ландшафтно-экологическое картирование лесов Рес­публики Коми в системе ERDAS IMAGINE 8.2, основанное на снимках спутника «Ресурс-О—3» и выполненное в масштабе 1:1 000 000. В 1998 г. Гринпис России совместно с Центром охраны дикой природы подгото­вил карту сохранившихся крупных массивов малонарушенных лесов Ев­ропейского севера России (республик Карелии и Коми, Архангельской и Вологодской областей). Карта сделана на основании анализа спутниковой съемки (1997—1998 гг., снимки спутников «Ресурс-О—3» и «Ресурс-О—4» с разрешением 150 и 35 м) и материалов полевого обследования в масш­табе 1:2 000 000.

В ноябре 1999 г. в Красноярске началось осуществление проекта «Лес­ная вахта России». Он представляет собой часть всемирного проекта не­правительственных организаций «Лесная вахта мира» {GlobalForest Watch), начатого по инициативе Института мировых ресурсов (World Resources Institute) и направленного на объединение усилий заинтересованных и обладающих соответствующим опытом работы местных научных и не­правительственных организаций с целью получения качественной, свое­временной, пользующейся доверием и доступной для всеобщего исполь­зования информации о лесах Земли. Основная задача проекта — инвен­таризация слабо нарушенных хозяйственной деятельностью человека (неосвоенных) крупных лесных территорий.

На первом этапе реализации проекта созданы карты в масштабе 1:1000 000 крупных (более 100 тыс. га) неосвоенных лесных массивов России на основе анализа спутниковых снимков среднего разрешения (МСУ-СК) «Ресурс-О 1» из архива ИТЦ «СканЭкс» с использованием нейронной технологии обработки растровых изображений ScanEx NeRIS.

В МЧС России была разработана методика экспресс-оценки ущерба от потери древостоя в результате лесных пожаров с использова­нием данных космической съемки.

Космическая съемка позволяет регистрировать пожары и выго­ревшие участки лесов как на освоенных, так и на неохраняемых территориях в оперативном и полуоперативном режимах, имеет относительно низкую стоимость по сравнению с авиасъемкой. Дан­ные о состоянии лесных массивов, полученные с помощью КА, имеют более высокую достоверность, чем данные, полученные с мест, из-за неполноты информации у последних. Поэтому ве­личина ущерба от потери древостоя, вычисленная с использовани­ем космических съемок, более достоверна, чем полученная лю­быми другими способами.

Для этого необходимо идентифицировать лесные гари на кос­мических изображениях; определить местоположение лесных га­рей; вычислить площади сгоревшего в текущем году леса; оценить ущерб.

В методике используется новый метод дешифрирования изоб­ражений лесных гарей, основанный на анализе спектральных кри­вых природных объектов и самих сгоревших ареалов. Впервые при выявлении лесных гарей использованы методы распознавания без обучения. Площади лесных гарей и их географическая привязка вычисляются автоматически. Предложен новый подход к представлению результатов распознавания, заключающийся в отображе­нии контуров лесных гарей непосредственно на растровой топо­графической или тематической карте.

В методике используются топографические карты в масштабе 1:200 000 и космическая информация, получаемая с помощью приемных станций «СканЭкс» и «СканЭр»: данные с аппаратуры КА «Ресурс-О» и NOAA. Цифровая обработка космических изоб­ражений и тематическое дешифрирование исследуемых объектов ведутся на программных средствах: ERDAS IMAGINE, ArcView, Scan Viewer [I, c. 169-175].

В МЧС России была создана система космического монито­ринга природных ЧС с помощью обзорных спутников, средства наблюдения которых позволяют контролировать значительные территории. Аппаратура таких космических аппаратов имеет низ­кое разрешение, но может с успехом использоваться для наве­дения КА, имеющих аппаратуру среднего или высокого разре­шения, а в необходимых случаях — для наведения авиационной разведки.

Система включает наземные лаборатории приема и обработки космической информации в Москве, Красноярске, Владивостоке, Элисте. Прием данных дистанционного зондирования Земли осуще­ствляется с КА NOAA, «Ресурс-О», «Океан-О», Terra. В системе используются средства телекоммуникации и связи, позволяющие передавать в оперативном режиме не только текстовую информа­цию, но и космические снимки с географической привязкой ко­ординат с помощью использования ГИС-технологий.

Система получения и предоставления информации о ЧС обеспе­чивает оперативное выявление природных чрезвычайных ситуаций, мониторинг потенциально опасных территорий и объектов и полу­чение информации органами управления федерального и террито­риального уровней. Для информационной поддержки отдельных групп и подразделений, проводящих работы в отрыве от штабов, в системе используется радиолюбительский диапазон радиосвязи.

Задачи, решаемые системой космического мониторинга в об­ласти контроля чрезвычайных ситуаций:

- оперативное выявление возникновения и динамики развития лесных (торфяных) пожаров (координаты очагов, площади горе­ния, удаление от объектов инфраструктуры, зоны задымления ат­мосферы городов);

- оперативный контроль возникновения и динамики развития паводков, наводнений, селей (координаты зон затопления, пло­щадь, объекты инфраструктуры, попавшие в зоны бедствия).

Задачи, решаемые в области мониторинга территорий:

- динамика схода снежного покрова (границы снеготаяния);

- ледовая обстановка (снимки с ледовыми полями);

- состояние облачного покрова (снимки облачного покрова);

- мониторинг лесов: состояние леса, лесные гари, вырубки леса, густота лесонасаждений (на качественном уровне), предоставле­ние данных для оценки ущерба от лесных пожаров (координаты, площади гарей). При необходимости может быть произведена эк­спресс-оценка прямого ущерба от потерь древесины;

- мониторинг земельных угодий (состояние растительности, влажность почв, карты-схемы наземных покрытий);

- мониторинг сельскохозяйственных угодий (состояние всхо­дов сельхозкультур и динамика их роста, карты-схемы использо­вания сельскохозяйственных земель, предварительная оценка ущерба от чрезвычайных ситуаций);

- мониторинг акваторий (зоны загрязнения водных поверх­ностей);

- мониторинг воздушных бассейнов городов и крупных про­мышленных центров (зоны загрязнений атмосферы на качествен­ном уровне).

Также возможно решение ряда экологических задач, задач по выявлению опасных участков при проектировании трубопровод­ных трасс и контроль их состояния на стадии эксплуатации (подтоп­ляемые, оползневые и сейсмоопасные участки, овражно-балочная сеть и динамика ее роста и др.).

Информация с космических аппаратов принимается на аппа­ратно-программные комплексы, разработанные ИТЦ «СканЭкс».

Только в 2000 г. с помощью анализа полученных 3600 космических снимков выявлено (главным образом, в малонаселенных территориях Сибири и Дальнего Востока, что особенно важно) около 9000 очагов лесных и торфяных пожаров.

Кроме этого, в рамках международного сотрудничества были выяв­лены очаги лесных (степных) пожаров на территории Греции (143), Мон­голии (354) и стран СНГ (около 2500).

Контроль начала вскрытия рек ото льда контролируется по информа­ции, получаемой с КА серии NOAA. По информации с КА «Ресурс-О» и «Океан-О» контролировалась обстановка на отдельных участках рек.

На основе полученных более 1200 космических изображений разли­вов воды на 40 реках выявлено более 30 участков с крупными разливами воды и обнаружено 7 мощных ледовых заторов (р. Ангара, Енисей, Лена). Проводился оперативный контроль схода селя близ г. Тырныауз (р. Бак-сан). Кроме этого, в рамках международного сотрудничества проводился оперативный космический мониторинг наводнений на р. Тиса и Бодрог (Венгрия) и на р. Припять.

Методика выявления паводковой обстановки позволяет опреде­лять реки, на которых начался паводок (по данным КА NOAA). Указываются места разлившейся воды, ледяные заторы, прово­дится оценка снегозапасов в бассейнах рек. Период обновления информации, поступающей в органы управления МЧС России, составляет от 6 — 8 ч до 1 — 2 суток.

Методика цифровой обработки изображений зон затопления включает в себя:

- выбор фрагмента космического изображения с районом за­топления;

- импортирование и радиометрическую коррекцию изображе­ния в ERDAS IMAGINE 8.2 (модуль «Ресурс»);

- трансформирование изображения в проекцию карты в масшта­бе 1:200 000 или 1:500 000;

- совмещение трансформированного изображения с картой;

- использование методов классификации (без обучения или с обучением) для выделения воды. Выделение на классифициро­ванном изображении только класса, соответствующего водным объектам (создание маски);

- наложение маски (слоя, соответствующего воде) на карту и определение населенных пунктов, подверженных затоплению. Под­счет затопленных площадей.

В случае классификации без обучения класс воды идентифици­руется методом анализа спектральных кривых выделенных классов. Спектральная кривая, соответствующая классу воды, имеет харак­терный ход: падает с увеличением длины волны от видимого (0,5 — 0,6 мкм) к ближнему инфракрасному диапазону (0,8 — 1,1 мкм), в то время как спектральные кривые других природных объектов растут с увеличением длины волны.

Для выявления засухи по космическим снимкам разработаны методики анализа развития сельскохозяйственных растений в ве­гетационный период. Предложено три методических подхода для решения этой задачи:

1) применение алгоритма ISO DATA и анализ полученных спек­тральных кривых объектов (исходное изображение разбивается на 20 классов, соответствующих природным объектам в разном со­стоянии);

2) применение вегетационных индексов для выделения и ана­лиза состояния растительного покрова;

3) анализ распределения пикселов с разным значением ярко­сти (анализируются изображения, полученные в ближнем инфра­красном диапазоне).

Для определения степени загрязнения городов разработана ме­тодика, позволяющая по космическим изображениям выявлять городские территории, подверженные приземным загрязнениям (задымление от транспорта, запыленность). Одной из важных за­дач, решаемых методами дистанционного зондирования, является оценка ущерба от лесных пожаров и сельскохозяйственной расти­тельности от паводков (наводнений) на основе использования космической информации.

Основное внимание уделяется получению количественных по­казателей при оценке состояния объектов, а также выявлению источников экологического загрязнения. Например, на рис. 4.23 представлены результаты дешифровки космического изображения (использованы тепловые каналы КА Landsat), по которому выявлен объект, загрязняющий участок р. Москвы (Курьяновские стан­ции аэрации) [1, с. 176 — 192].

На использовании данных дистанционного зондирования ос­нованы многие международные проекты и программы по мони­торингу и оценке состояния окружающей среды.

Например, проект GEWEX по изучению глобального цикла энер­гии и воды и их влияния на изменение климата (как часть ВПИК — Всемирной программы исследований климата; WCRP — World Climate Research Programme).

С 1983 г. осуществляется Международный проект по спутниковой климатологии облачности (ISCCP (International Satellite Cloud Clima­tology Project), главная цель которого — совместное использование данных геостационарных и полярно-орбитальных спутников, на­земных и корабельных наблюдений для понимания проблем оце­нивания параметров облачного покрова со спутников и использо­вания этих параметров в моделях климата.

Международный проект по спутниковой климатологии поверхно­сти суши ISLSCP (international Satellite Land Surface Climatology Project) был организован для разработки методологии получения информации о климатических характеристиках поверхности суши (проективном покрытии почв растительностью, альбедо, темпе­ратуре и радиационном балансе системы почва —растительность) по наблюдениям отраженного и собственного теплового излуче­ния со спутников с использованием подспутниковых измерений на тестовых участках земной поверхности.

Среди международных программ по изучению природных ре­сурсов и оценке состояния окружающей среды на основе данных дистанционного зондирования выделяется Международная геосферно-биосферная программа (МГБП; IGBP— the International Geosphere-Biosphere Programme). В рамках этой программы существует проект «Данные и информационные системы» (DIS — Data and Information Systems), который предназначен для увязки главных направлений функционирования остальных проектов МГБП между собой и с другими аналогичными международными проектами, осуществ­ляемыми под эгидой Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП; UNEP — the United Nations Environmental Programme), Всемирной метеорологической организации (ВМО; WM0 — the World Meteorological Organization) и др.

Проект МГБП-D/iS1 играет также роль в оказании помощи по обеспечению внешних пользователей данными спутниковых и наземных наблюдений. Например, ВПИК для реализации своих целей проявляет интерес к наборам данных по земным покровам суши; такие данные подготовлены в рамках МГБП-Ш51. Другие группы исследователей включают представителей космических агентств, имеющих собственные данные и информационные сис­темы, которые требуют совмещения с данными МГБП.

Основные направления деятельности МГЬП-DIS следующие:

- управление данными и политика обмена;

- партнерство пользователей;

- внутренняя оперативность данных и согласование стандартов.
При этом планы разработки системы данных для ключевых про­ектов МГБП включают:

- идентификацию требований к данным и информации;

- оценку качества данных;

- создание требуемых наборов данных;

- подготовку метаданных и каталогов;

- обеспечение условий для архивации данных;

- согласование стандартов;

- уточнение форм и методов внешней кооперации в части обме­на данными;

- распространение данных по сети;

- согласование возможностей будущих измерительных систем.
Основные ключевые проекты, информационная деятельность которых поддерживается MTNI-DIS:

- «Биосферные аспекты гидрологического цикла» (ВАНС —
Biopsheric Aspects of the Hydrological Cycle);

- «Глобальные изменения земных экосистем» (GCTE — Global
Change and Terrestrial Ecosystems);

- Международный проект по химии глобальной атмосферы
(IGAC — International Global Atmospheric Chemistry);

- «Объединенное исследование глобальных потоков в океане»
{JGOFS— Joint Global Ocean Fluxes Study);

- «Взаимодействия суши и океана в прибрежной зоне» (LOICZ—
Land-Ocean Interactions in Coastal Zone);

- «Глобальные изменения в прошлом» (PAGES — Past Global
Changes);

- «Изменение землепользования и покрова суши» (LUCC —
Land Use/Cover Change);

- система для анализа, исследований и подготовки кадров
(START— System for Analysis, Research and Training);

- «Глобальный анализ, интерпретация и моделирование»
(GAIM — Global Analysis, Interpretation and Modeling); данный проект
и МТБП-DIS тесно взаимодействуют между собой в части разработки пространственно привязанных глобальных наборов данных
по ключевым биогеохимическим и гидрологическим процессам.

Для обеспечения долговременного междисциплинарного мони­торинга глобальных изменений в рамках международного сотрудни­чества разрабатываются три близко связанные глобальные наблюда­тельные системы: Глобальная система наблюдений климата (GCOS — Global Climate Observing System); Глобальная система наблюдений океа­на (GOOS — Global Ocean Observing System) и Глобальная система наблюдений суши (GTOS — Global Terrestrial Observing System) [41].