VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Дистанционное зондирование Земли
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение
В 1957 году на орбиту Земли был выведен первый искусственный спутник. 6 и 7 августа 1961 году Герман Степанович Титов, 17 раз обогнув планету, сделал несколько снимков ее поверхности (рис. 1), – с этого началась планомерная космическая фотосъемка. В этом же полете впервые была произведена киносъемка поверхности Земли на советском киноаппарате «Конвас».
Рис. 1.
С тех пор количество дистанционных наблюдений растет лавинообразно; появились разнообразные фотографические и нефотографические системы, в том числе многозональные фотокамеры, телевизионные камеры со специальной передающей электронно-лучевой трубкой, инфракрасные сканирующие радиометры, микроволновые радиометры для радиотепловой съемки, различные радары для активного зондирования. Значительно возросло и количество космических летательных аппаратов – искусственные спутники, орбитальные станции и пилотируемые корабли.
Где и как используются космические снимки Земли, а также какими они бывают я и хочу рассказать в данной работе.
2.Что такое дистанционное зондирование Земли?
Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) является методом получения информации об объекте или явлении без непосредственного физического контакта с данным объектом [1]. Дистанционное зондирование является подразделом географии. В современном понимании, термин в основном относится к технологиям воздушного или космического зондирования местности с целью обнаружения, классификации и анализа объектов земной поверхности, а также атмосферы и океана, при помощи распространяемых сигналов (например, электромагнитной радиации). Разделяют на активное (сигнал сначала излучается самолетом или космическим спутником) и пассивное дистанционное зондирование (регистрируется только сигнал других источников, например, солнечный свет).
Пассивные сенсоры дистанционного зондирования регистрируют сигнал, излучаемый или отраженный объектом либо прилегающей территорией. Отраженный солнечный свет – наиболее часто используемый источник излучения, регистрируемый пассивными сенсорами. Примерами пассивного дистанционного зондирования являются цифровая и пленочная фотография, применение инфракрасных, приборов с зарядовой связью и радиометров.
Активные приборы, в свою очередь, излучают сигнал с целью сканирования объекта и пространства, после чего сенсор имеет возможность обнаружить и измерить излучение, отраженное или образованное путём обратного рассеивания с целью зондирования. Примерами активных сенсоров дистанционного зондирования являются радар и лидар, которыми измеряется задержка во времени между излучением и регистрацией возвращенного сигнала, таким образом определяя размещение, скорость и направление движения объекта.
Дистанционное зондирование предоставляет возможность получать данные об опасных, труднодоступных и быстродвижущихся объектах, а также позволяет проводить наблюдения на обширных участках местности. Примерами применения дистанционного зондирования может быть мониторинг вырубки лесов (например, в бассейне Амазонки), состояния ледников в Арктике и Антарктике, измерение глубины океана с помощью лота. Дистанционное зондирование также приходит на замену дорогостоящим и сравнительно медленным методам сбора информации с поверхности Земли, одновременно гарантируя невмешательство человека в природные процессы на наблюдаемых территориях или объектах. При помощи орбитальных космических аппаратов ученые имеют возможность собирать и передавать данные в различных диапазонах электромагнитного спектра, которые, в сочетании с более масштабными воздушными и наземными измерениями и анализом, обеспечивают необходимый спектр данных для мониторинга актуальных явлений и тенденций, таких как Эль-Ниньо и другие природные феномены, как в кратко-, так и в долгосрочной перспективе. Дистанционное зондирование также имеет прикладное значение в сфере геонаук, сельском хозяйстве, национальной безопасности [1].
3.Орбитальная группировка России по ДДЗ
Сегодня в России создана Единая территориально-распределительная информационная система дистанционного зондирования Земли (ЕТРИС ДЗЗ). Она уже прошла государственные испытания [2].
Сегодня российская орбитальная группировка ДЗЗ насчитывает семь космических аппаратов, находящихся в режиме эксплуатации и обеспечивающих все виды и режимы съемки, включая гиперспектральную: «Ресурс–П» №1, №2, №3. «Канопус–В», «Электро–Л» №1 и «Метеор–М» №1 и №2 [2].
«Ресурс-П»
Космические аппараты (КА) этой серии предназначены для многозонального дистанционного зондирования земной поверхности с целью получения в масштабе времени, близком к реальному, высокоинформативных изображений в видимом диапазоне спектра (рис. 2).
Назначение:
исследование природных ресурсов;
контроль загрязнения и деградации окружающей среды;
информационное обеспечение для поиска месторождений полезных ископаемых;
Рис. 2
ценка состояния ледовой обстановки;
контроль состояния социально-экономической инфраструктуры;
информационное обеспечение для проведения инженерных изысканий;
создание и обновление кадастровых планов, топографических и навигационных карт;
определение вида и состояния растительности, состав пленки загрязнений на поверхности воды, идентификация минералов, почв;
обнаружение незаконных посевов наркосодержащих растений и контроль их уничтожения.
На «Ресурсе-П» установлена оптическая аппаратура «Геотон Л1», разработанная Холдингом «Швабе», входящем в Госкорпорацию Ростех. Аппаратура «Геотон-Л» высокого разрешения позволяет проводить панхроматическую съемку земной поверхности с разрешением не хуже 1 метра, а также делать спектрозональные снимки с разрешением от 2 до 3 метров с высоты 475 километров (рис. 3).
Рис. 3.
«Канопус-В»
Данный спутник позволяет проводить мониторинг техногенных и природных чрезвычайных ситуаций (рис 4).
Назначение:
Рис. 4
Картографирование;
обнаружение очагов лесных пожаров, крупных выбросов загрязняющих веществ в природную среду;
регистрация аномальных явлений для исследования возможности прогнозирования землетрясений;
мониторинг сельскохозяйственной деятельности, водных и прибрежных ресурсов;
высокооперативное наблюдение заданных районов земной поверхности.
На рисунке 5 показан снимок столицы Кубы Гаваны, полученный со спутника.
Рис. 5.
«Метеор-М»
Данный комплекс предназначен для оперативного получения глобальной гидрометеорологической информации в целях прогноза погоды, контроля озонового слоя и радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве, а также для мониторинга морской поверхности, включая ледовую обстановку, с целью обеспечения судоходства в полярных районах (рис. 6).
Рис. 6
В состав бортового информационного комплекса КА «Метеор-М» включена бортовая аппаратура международной системы поиска и спасания терпящих бедствие КОСПАС-САРСАТ.
Решаемые задачи:
глобальное наблюдение атмосферы и поверхности Земли;
мониторинг состояния окружающей среды;
мониторинг чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера;
решения задач сельского и лесного хозяйства;
научные исследования.
На рисунке 7 представлен снимок со спутника «Метеор-М» на котором видно извержение вулкана в Индонезии.
«Электро-Л»
Спутники данной серии предназначены для получения изображений облачности и подстилающей поверхности Земли (рис. 8).
Решаемые задачи:
получение данных о гелиогеофизической обстановке на высоте орбиты КА для решения задач гелиогеофизического обеспечения;
выполнение телекоммуникационных функций по распространению, обмену гидрометеорологическими и гелиогеофизическими данными и ретрансляции информации с платформ сбора данных;
сбор и ретрансляция гидрометеорологической и служебной информации.
Рис. 7.
Рис. 8
На рисунке 9 представлен снимок со спутника «Электро-Л».
Рис. 9.
4.Развитие картографии с использованием ДЗЗ
Особенно широкое применение снимки из космоса нашли в картографии [3]. И это понятно, потому что космический фотоснимок точно и с достаточной подробностью запечатлевает поверхность Земли, и специалисты могут легко перенести изображение на карту.
Внедрение в технологический процесс создания карт данных ДЗЗ позволило ускорить процесс картографирования практически всех направлений (топографического, тематическое) и повысить качество картографической продукции.
До последнего времени мелкомасштабные физические карты мира, континентов, отдельных государства или крупных регионов создавались путем сведения и преобразования материалов топографических карт крупных и средних масштабов, основанных на данных аэросъемочных и наземных топографо-геодезических работ. Благодаря региональным и глобальным космическим снимкам автоматически удалось получить новые объективные физические карты и сопоставить эти реальные изображения лика планеты со старыми сводными. Оказалось, что они не схожи: на прежних отсутствуют следы движения ледников, границы ландшафтных зон, ряд вулканов, русла древних рек и высохшие озера.
Космические снимки позволяют получить объективную информацию об исчезнувшей в наше время гидрографической сети и высохших водоемах. По «небесным» данным на карты нанесены древние долины и дельты Сырдарьи и Амударьи, прежние русла Зеравшана и ряда притоков Амазонки, а также очертания значительных озер, занимавших некогда замкнутые котловины в Восточном Казахстане, Северо-Западном Китае и Южной Монголии.
К числу важнейших задач картографии, решаемых с помощью данных ДЗЗ, можно отнести:
создание и обновление топографических карт всего масштабного ряда;
обновление кадастровых планов;
создание тематических карт, как природно-ресурсных, так и социально-экономических.
Составление картосхемы
Чтение космических снимков, основано на опознавательных (дешифровочных) признаках. Основными из них служат форма объектов, их размеры и тон. Реки, озера и другие водоемы изображаются на снимках темными тонами (черным цветом) с четким выделением береговых линий. Для лесной растительности характерны менее темные тона мелкозернистой структуры. Подробности горного рельефа хорошо выделяются резкими контрастными тонами, которые получаются на фотографии в результате различной освещенности противоположных склонов. Населенные пункты и дороги также можно опознать по своим дешифровочным признакам, но только под большим увеличением.
Использование космических снимков в картографических целях начинают с определения их масштаба и привязки к карте. Эту работу обычно выполняют по карте более мелкого масштаба, чем масштаб снимка, так как на нее приходится наносить границы не одного, а целого ряда снимков.
Сличая снимок с картой, можно узнать, что и как изображено на снимке, как это показано на карте и какие дополнительные сведения о местности дает фотоизображение земной поверхности из космоса. И даже в том случае, если карта будет того же масштаба, что и фотоснимок, все равно по снимку можно получить более обширную и главное – свежую информацию о местности по сравнению с картой.
Составление карт по космическим снимкам выполняют так же как и по аэрофотоснимкам. В зависимости от точности и назначения карт применяют различные методы их составления с использованием соответствующих фотограмметрических приборов. Наиболее легко изготовить карту в масштабе снимка. Именно такие карты и помещают обычно рядом со снимками в альбомах и книгах. Для их составления достаточно скопировать на кальку со снимка изображения местных предметов, а затем с кальки перенести их на бумагу.
Такие картографические чертежи называют картосхемами. Они отображают только контуры местности (без рельефа), имеют произвольный масштаб и не привязаны к картографической сетке. На рисунке 10 изображена картосхема функциональных зон г. Перми.
Рис. 10.
Фотокарты
Наглядно, выразительное отображение местности на снимках вызывает естественное стремление использовать аэрокосмическое изображение в дополнение к карте, а иногда и вместо нее. Это привело к созданию нового вида картографической продукции – фотокарт [4].
Фотокарты начали создавать в 1950-х годах, используя материалы аэросъемки. Тогда их изготовливали только в сравнительно крупных масштабах, до
1:50000. Построить высококачественные фотокарты более мелких масштабов не удавалось, так как мозаичное фотоизображение, смонтированное из многих снимков, было неоднородным, пестрым. Появление космических снимков, с большим пространственным охватом, получаемых в широком диапазоне масштабов и разрешения, вызвало к жизни быстрое развитие этого нового вида картографических произведений, весьма разнообразных по содержанию и форме. Высококачественные фотокарты начали составлять в масштабах 1:100000 и мельче. Производственное изготовление фотокарт стало возможным лишь после накопления фондов снимков на обширные территории.
Тенденция соединения снимков в фотокарты проявлялась начиная с первых космических экспериментов. Массовое получение снимков с первой долговременно работавшей орбитальной станции «Салют-4» завершилось созданием серии фотокарт южных республик бывшего Советского Союза. Через несколько месяцев работы первого американского ресурсного спутника Landsat была смонтирована из почти 600 снимков фотокарта США, репродуцированная затем в широком диапазоне масштабов от 1:250 000 до 1:5 000 000. Позже по снимкам со спутника Landsat созданы фотокарты многих стран и даже континентов. На рисунке 11 показана фотокарта города Екатеринбург, изготовленная по космическим снимкам с американского спутника.
Рис. 11.
Тематическое картографирование
В настоящее время по космическим снимкам созданы разнообразные тематические карты. В ряде случаев характеристики некоторых явлений можно определить только по космическим снимкам, а получить их другими методами невозможно. По результатам космического фотографирования обновлены и детализированы многие тематические карты, созданы новые типы геологических ландшафтных и других карт [4]. При составлении тематических карт особенно полезными являются снимки, полученные в различных зонах спектра, так как они содержат богатую и разностороннюю информацию. На практике, при использовании данных дистанционного зондирования Земли, тематическое картографирование выполняется непосредственно после дешифрирования изображения. На рисунке 12 показаны исходный космический снимок и полученная на его основе тематическая карта преобладающих эрозионных процессов.
Рис. 12.
Создание и обновление топографических карт
Технология составления топографических карт предусматривает выполнение полного цикла работ– от предварительной обработки данных ДДЗ до получения готовой карты в векторном виде и необходимом формате. На рисунке 13 исходная фотография с КА. На рисунке 14 на исходной фотографии произвели векторизацию объектов, а на рисунок 15 демонстрирует полученную векторную карту данной местности.
Рис. 13.
Рис. 14.
Рис. 15.
5.Применение ДЗЗ в сельском хозяйстве
При помощи спутников можно с определенной цикличностью получать изображения отдельных полей, регионов и округов. Пользователи могут получать ценную информацию о состоянии угодий, в том числе идентификацию культур, определение посевных площадей сельскохозяйственных культур и состояние урожая. Спутниковые данные используются для точного управления и мониторинга результатов ведения сельского хозяйства на различных уровнях. Эти данные могут быть использованы для оптимизации фермерского хозяйства и пространственно-ориентированного управления техническими операциями. Изображения могут помочь определить местоположение урожая и степень истощения земель, а затем могут быть использованы для разработки и реализации плана лечения, для локальной оптимизации использования сельскохозяйственных химикатов [5].
6.Мониторинг лесных пожаров с помощью ДЗЗ
Дистанционное зондирование также применяется для мониторинга лесного покрова и идентификации видов [6]. Полученные таким способом карты могут покрывать большую площадь, одновременно отображая детальные измерения и характеристики территории (тип деревьев, высота, плотность). Используя данные дистанционного зондирования, возможно определить и разграничить различные типы леса, что было бы трудно достичь, используя традиционные методы на поверхности земли. Данные доступны в различных масштабах и разрешениях, что вполне соответствует локальным или региональные требованиям. Требования к детальности отображения местности зависит от масштаба исследования. Для отображения изменений в лесном покрове (текстуры, плотности листьев) применяются:
мультиспектральные изображения: для точной идентификации видов необходимы данные с очень высоким разрешением;
многоразовые снимки одной территории, используются для получения информации о сезонных изменениях различных видов;
стереофотографии – для разграничения видов, оценки плотности и высоты деревьев. Стереофотографии предоставляют уникальный вид на лесной покров, доступный только через технологии дистанционного зондирования.
Пожары, как один из наиболее мощных факторов воздействия на леса, часто приводят к полной гибели насаждений или их частичным повреждениям, в зависимости от вида, интенсивности и продолжительности воздействия огня. Оценка экономических и экологических последствий лесных пожаров требует своевременного получения объективных данных о состоянии поврежденных насаждений. Особенно остро проблема оперативных данных о состоянии лесов встала летом 2010 года, когда нашу страну «поглотила» небывалая жара, и, как следствие, возникла катастрофическая ситуация с лесными пожарами. На снимках из космоса было хорошо видно, где и как горят лесные массивы и торфяники в России. По снимкам можно было спрогнозировать развитие событий при различных погодных условиях. На рисунке 16 показано распространение в атмосфере угарного газа.
Рис. 16.
Спутниковая информация позволяет оценить масштабы лесных пожаров, а также вызванную ими неблагоприятную экологическую обстановку. Поскольку спутниковая информация порой является единственным источником, за этим направлением науки – будущее оперативного наблюдения и контроля природных процессов и явлений [6].
Заключение
Таким образом, область применения космических снимков трудно переоценить. И, казалось бы, ДЗЗ открывает большие перспективы для частных компаний, занимающихся сельским хозяйством, перевозом грузов морским или сухопутным путями и т.д. Но, к сожалению, в отличии от западных корпораций, российские не приучены тратить деньги за получение информации с космических спутников. И за это, порой, приходится дорого платить. В частности, 20 сентября 2002 года в горах Северной Осетии произошла трагедия: в Кармадорском ущелье сошел ледник Колка, унесший жизни более 100 человек, в том числе членов съемочной группы Сергея Бодрова. То, что ледник движется было хорошо видно из космоса. Этой информацией поделился Герой России космонавт-испытатель Валерий Корзун на встрече со школьниками в г. Лыткарино.
Тем не менее, я надеюсь, что в ближайшем будущем космические технологии в области ДЗЗ будут нам всем доступнее и мы сможем получать практическую выгоду не только на государственном уровне, но и в частной жизни.
Список использованных источников
https://ru.wikipedia.org
russianspacesystems.ru
Лупян Е.А., Лаврова О.Ю., Барталев С.А. «Дни космической науки 2010» – дистанционное зондирование Земли//Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. Том 7. Номер 4. – М.: ООО «ДоМира», 2010. - 334 с.
https://sovzond.ru
gis.ugatu.ac.ru
rusnauka.com