МОДУЛЬ 5 ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ АЭРО-, КОСМИЧЕСКИХ И

МОДУЛЬ 5 ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ АЭРО-, КОСМИЧЕСКИХ И НАЗЕМНЫХ СЪЕМОК В ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВЕ, ФОРМИРОВАНИИ БАЗЫ КАДАСТРОВЫХ ДАННЫХ И МОНИТОРИНГЕ ЛЕКЦИЯ 20 МОНИТОРИНГ ЗЕМЕЛЬ ДИСТОНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ Авторы: Лозовая Светлана Юрьевна, д. т. н. , профессор кафедры городского кадастра и инженерных изысканий Лозовой Николай Михайлович, ст. преподаватель кафедры городского кадастра и инженерных изысканий Хомин Вероника Степановна ст. гр. ГК-41

В космической подсистеме используют КЛА, съемочные и технические средства, разрабатываемые специально для решения задач государственного мониторинга земель и экологического мониторинга территорий. Для реализации космического мониторинга земель разрабатывают комплексный план космических съемок, включающий следующие сведения: тип используемого космического летательного аппарата; типы съемочных систем, требуемая периодичность съемок; объекты съемки с указанием географических координат границ. Для проведения анализа многолетних изменений категорий земель и экологических систем существуют отечественные и зарубежные архивные фонды материалов космических съемок. В Российских фондах содержатся снимки, полученные с космических аппаратов серии «РЕСУРС-Ф» , «ОКЕАН-О» , «АЛМАЗ» , станции «МИР» и др.

Авиационную подсистему используют для проведения мониторинга на региональном и локальном уровнях. Съемки проводят с высотных (тяжелых), средневысотных и низколетающих (легких) воздушных аппаратов. Высотные летательные аппараты: ТУ-134 СХ, АН-30, ИЛ-20 и другие средства применяют при съемке достаточно больших площадей. Средневысотные самолеты АН-2, АН-28, ВСХС и другие используют для аэрофотосъемки, аэровизуальных наблюдений, съемок с использованием видеоаппаратуры. Низколетающие летательные аппараты используют для проведения локального мониторинга земель. Широко применяют мотодельтапланы и беспилотные дистанционно управляемые ЛА.

В подсистему наземных работ входят: обеспечение дистанционного мониторинга земель опорной информацией для организации баз данных, используемой при обучении интепретационных систем (автоматизированный метод дешифрирования). Оценка дешифрирования материалов аэро- и космических съемок; калибровка технических средств дистанционного зондирования, учет влияний атмосферы, географическая (геодезическая) привязка материалов аэро- и космических съемок, организация пунктов первичной обработки данных, подготовка экспресс- информации. Наземные наблюдения проводят на тестовых участках, соответственно локального, регионального и федерального значения.

Данные подсистемы наземных наблюдений представляют в виде текстовых описаний, таблиц, гистограмм, картографической продукции и т. п. Наиболее существенная часть анализа результатов наземных наблюдений — прогнозирование проявления форм и динамики развития контролируемых объектов и явлений, определение взаимосвязей между параметрами исследуемых объектов и их изображениями или результатами измерений излучений, характеризующих свойства этих объектов.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА ЗЕМЕЛЬ ДИСТАНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ Методика мониторинга земель может быть представлена в виде определенных последовательных действий, отвечающих смыслу понятия «мониторинг» , периодическое, с некоторым временным интервалом, получение информации об изучаемом объекте или явлении. Проведение мониторинга земель включает несколько процессов, обеспечивающих получение информации: разработка обшей стратегии исследования; сбор фондового материала; выбор программного и технического комплекса; получение периодических материалов дистанционного зондирования: сравнение, анализ и прогнозирование изучаемых объектов и явлений. Задачи, решаемые при мониторинге земель, относятся к разряду создания различных тематических информационных слоев.

Производство аэро- или космических съемок — наиболее важный этап мониторинга земель. Съемки проводят в определенные на подготовительном этапе периоды времени. Изображения подвергаются фотограмметрической обработке и дешифрированию, с целью получения топографических и тематических планов, карт заданных масштабов, а также их электронных аналогов в ГИС в виде соответствующих геоинформационных слоев. Результаты определений характеристик земель, полученных специальной измерительной аппаратурой, наносят на топографическую основу для пространственной привязки. В результате их анализа выявляют изменения в положениях границ, площадей, качественного состава, использования и правового статуса категорий земель.

Общая схема мониторинга земель по данным аэро- и космических съемок приведена в таблице

Экстраполяция полученных результатов позволяет прогнозировать динамику изучаемых процессов.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ЗЕМЕЛЬ Экологический мониторинг является комплексной подсистемой мониторинга биосферы. Он включает системы повторных наблюдений, оценку и прогноз природных и антропогенных изменений окружающей среды, что позволяет достаточно надежно контролировать экологические условия среды обитания человека и других биологических объектов, а также функциональное состояние экосистем. Основная задача Государственного экологического мониторинга — раннее обнаружение и предупреждение естественных или антропогенных изменений состояния окружающей природной среды. Экологический мониторинг осуществляют в целях: наблюдения за состоянием окружающей среды, особенно в районах расположения источников антропогенного воздействия.

Виды экологического мониторинга земель. По технологии получения информации все мониторинговые исследования можно разделить на две большие группы: I — методы наземных обследований, II — методы дистанционного зондирования. По временному интервалу поступающей информации мониторинг подразделяют на периодический и оперативный. Периодический мониторинг проводится для получения данных за определенный период (обычно раз в 1, 3, 5. . . 15 лет). Периодичность получения информации обычно обусловливается скоростью протекания тех или иных негативных процессов и их опасностью для окружающей среды и человека. Оперативный мониторинг проводят для получения данных на текущий момент.

В зависимости от пространственного уровня проведения мониторинг подразделяют: на биоэкологический (локальный); геоэкологический (региональный) и биосферный (глобальный). Главная задача биоэкологического мониторинга земель — выявление реакции биосферы на антропогенные воздействия. Геоэкологический мониторинг позволяет выявлять изменения геосистем на региональном уровне, а также последствия преобразования их в природно- технические системы (агроэкосистемы, среду индустриальных районов, городскую среду и т. д. ). Биосферный мониторинг включает наблюдения за параметрами биосферы в глобальном масштабе и замыкает систему слежения за окружающей средой. В зависимости от силы воздействия на окружающую среду, мониторинг подразделяют на фоновый и импактный.

Фоновый мониторинг земель предполагает слежение за состоянием компонентов природной среды (почв, растительности, водных объектов и пр. ), не испытывающих непосредственного влияния техногенных факторов. Импактный мониторинг ставит своей целью выявление, анализ и прогноз воздействия на земли непосредственного влияния различных антропогенных факторов. Важная часть экологического мониторинга земель — этап обоснования и выбора тестовых участков. В зависимости от благоприятных условий проведения полевого сбора интересующей информации, оптимальных сроков дистанционного зондирования, при которых наилучшим образом выявляются экологические изменения, устанавливают определенные сроки проведения аэро- и космических съемок, полевых обследований и наблюдений.

Например, геоботанические обследования на землях оленьих пастбищ при ведении мониторинговых работ необходимо проводить со следующей периодичностью: I — для фоновых участков, в том числе на землях оленьих пастбищ, — раз в 4. . . 5 лет; И — в случае воздействия аэротехногенных выбросов промышленных предприятий — раз в 2. . . 3 года; III — на территории освоения нефтегазовых месторождений — ежегодно. Дистанционные методы получения информации — основной способ наблюдения за экологическими изменениями состояния земель. Физическая основа экологического мониторинга дистанционными методами заключается в том, что объекты (или их отдельные части) с изменившимися физическими и химическими свойствами имеют иные отражательные или излучательные способности.

Методология проведения экологического дистанционного мониторинга включает несколько этапов: определяют время и условия наблюдений, при которых в наибольшей степени различаются отражательные или излучательные характеристики объекта и его аномальных изменений; выбирают тип съемочной системы, обеспечивающей наилучшую регистрацию исследуемых объектов; выполняют, с помощью выбранной съемочной системы, аэро- или космическую съемку в оптимальные сроки; выполняют фотограмметрическую и интерпретационную обработку полученных снимков; сравнивают с фондовыми данными, материалами полевых обследований тестовых участков; анализируют на основе полученных сведений динамику изучаемого процесса и прогнозируют его на будущее.

При изучении экологических изменений целесообразно и эффективно построение трехуровневого мониторинга, включающего одновременное использование данных наблюдений, зафиксированных в заданном временном интервале на земле, с воздуха и из космоса. При проведении экологического мониторинга земель с использованием материалов аэро- и космических съемок необходимо получать и обрабатывать информацию обо всех компонентах природной и антропогенной среды. Только в этом случае можно объективно судить о масштабах и причинах изменения состояния земель. При загрязнении территорий практически всеми веществами: нефтью, после того как она впиталась в почву; тяжелыми металлами; диоксидом серы и т. д. — основным индикационным признаком становится растительность.

Спектральные характеристики растений определяются в основном способностью листвы отражать, поглощать или пропускать солнечную энергию. В интервалах длин волн 0, 7. . . 1, 3 мкм большая часть потока солнечной энергии отражается лиственным покровом. При ухудшении условий среды растения испытывают угнетение, выражающееся в различных формах: пожелтение, т. е. обезвоживание. Как следствие происходит вырождение хлорофилла и заметное снижение поглощения излучения в голубой и красной зонах (0, 4. . . 0, 5 и 0, 6. . . 0, 75 мкм). На аэрофотоснимках, полученных в голубой и красной зонах спектра, угнетенная растительность оказывается более светлой, чем здоровые растения того же вида. В случае произрастания растительности на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, заметно возрастает ее отражательная способность в интервалах 0, 63. . . 0, 69 и 1, 55. . Л, 75 мкм.

Экологические изменения почв и почвенного покрова (ПП) также возможно выявлять по материалам аэро- и космических съемок. Наиболее резкие и соответственно хорошо отображаемые на материалах съемок нарушения ПП происходят в результате техногенных воздействий на земную поверхность. Они приводят или к полному нарушению отдельных участков почв, или к резкому изменению их свойств. Наиболее широко распространены следующие воздействия, приводящие к нарушению почвенного покрова, изменению его свойств, отображаемые на материалах аэро- и космических съемок: открытые разработки полезных ископаемых; торфоразработки; выбросы нефти из буровых скважин и прорыве трубопроводов;

сооружение осушительных и оросительных каналов; орошение и осушение почв; строительство дорог; строительство поселков, городов, промышленных предприятий, ферм; рубка леса; лесные пожары; нарушение агроприемов при обработке и использовании пахотно-пригодных почв и др. Примером возможностей применения материалов аэро- и космических съемок для экологического мониторинга земель может служить изображение территории Западной Сибири, полученное камерой КФА-200 в районе интенсивной добычи нефти и газа. Содержащаяся на снимках информация позволяет проводить работы, входящие в систему экологического мониторинга:

намечать тестовые участки. При этом в качестве дополнительной вспомогательной информации используют топографические основы близкого масштаба и ряд тематических карт: почвенные, растительности, геоморфологические и пр. ; предварительно оценивать экологическую ситуацию на месте предстоящих работ; оценивать сложность наземных обследований и планировать виды работ на этом этапе; использовать как базу для создания ландшафтной и ландшафтно-экологических карт (после этапа наземных обследований); использовать в качестве фондовой при получении и обработке более поздних материалов.

Рассмотрим некоторые примеры использования материалов АКС при экологических исследованиях. Использование аэро- и космических снимков при изучении процессов засоления почв —сложный и многофакторный процесс. При выявлении и исследовании динамики засоления, а также разработке методов по предотвращению этого явления требуется анализ происхождения ландшафта, истории его развития, взаимосвязи почв и форм рельефа на больших территориях. Аэро- и космические снимки используют для создания почвенных карт с указанием засоленных участков. Информацию о степени засоления можно получить способом полевого дешифрирования или автоматизированным методом. В первом случае на материалах АКС, используя в качестве основного признака тон изображения, наносят границы участков с различной засоленностью.

При полевом обследовании уточняют границы, определенные камерально, и берут пробы почв. После лабораторных исследований почвенных проб на изготовленные фотограмметрическим методом карты наносят в пределах каждого участка условные знаки, указывающие степень их засоления. При обработке в автоматизированном режиме используют программное обеспечение геоинформационных систем, позволяющее классифицировать цифровые изображения, передаваемые со спутников. Получаемые тем или иным способом карты засоления участков являются базовыми для решения данной задачи. Регулярно передаваемые с космических летательных аппаратов разновременные изображения позволяют отслеживать прирост плошадей, скорость и степень засоления.

Экологический мониторинг промышленных территорий. Для изучения воздействия промышленных предприятий на природную среду используют аэро- и космические снимки. Известно губительное влияние промышленных выбросов производства на растительность, водную и воздушную среду. Размеры воздействия вредных веществ таковы, что уничтожаются не только растительные сообщества, но разрушаются и почвенные покровы. По аэро- и космическим снимкам с достаточной точностью можно определить зоны распространения нарушений. Для этого используют многозональные съемочные системы. Анализ разновременной информации позволяет прогнозировать динамику разрушения экосистем.

Мониторинг районов добычи и транспортировки нефти с помощью регулярной космической съемки. Известно, что в районах интенсивного освоения нефтяных месторождений, а также на трассах нефтепроводов возникают выбросы и утечки нефти. Анализ материалов периодических космических съемок позволяет решать следующие задачи мониторинга районов добычи нефти: выявление загрязнения нефтепродуктами земель на территориях, окружающих буровые вышки, станции перекачки, а также на участках вокруг мест повреждения продуктопроводов; выявление изменений болотных массивов, цветения озер, вызванных длительным поступлением в них органических соединений;

определение мест аварий и послеаварийного состояния территорий для оценки ущерба, разработки очистных и восстановительных работ; проведение зонирования территорий по типам аварийной опасности, обусловленной эксплуатацией трубопроводов на различных участках; определение динамики изменений русл и пойм рек, отмелей в местах сооружений и эксплуатации инженерных коммуникаций; определение динамики мерзлотных и гидрофизических свойств грунтов в зоне трасс нефтепроводов; и т. п.