ЛЕКЦИЯ 10. МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА . Неконтактные (дистанционные) методы.

 Неконтактные или дистанционные методы мониторинга среды обитания основаны на использовании зондирующих полей для изучения объекта мониторинга. В качестве таких полей могут выступать радиоволны различных диапазонов, электромагнитное излучение, акустическое или гравитационное поле. Основное преимущество зондирующих полей перед контактными методами исследования заключается в том, что эти поля позволяют изучать наблюдаемый объект независимо от расстояния, на которое он удален. Поэтому применение зондирующих полей сделало возможным ведение мониторинга за такими труднодоступными для непосредственного контакта объектами, как озоновый слой, ионосфера, Солнце и т.п. Дистанционный мониторинг осуществляется на относительно больших расстояниях от объекта наблюдения с помощью съемочной аппаратуры, которая может быть установлена на искусственных спутниках земли, самолётах, вертолётах, автомобилях, судах и других носителях. Неконтактный контроль исследуемого объекта может выполняться двумя способами: пассивным и активным. При пассивном контроле осуществляется прием зондирующего поля, исходящего от самого объекта (например, при мониторинге Солнца испускаемое им излучение фиксируется на специальные фотопленки). В случае активного контроля зондирующее поле создается неким посторонним источником и направляется на мониторируемый объект. Далее производится прием поля, отраженного или переизлученного объектом. Разновидностью активного контроля является рефлексный контроль, когда одновременно выполняется и передача, и прием зондирующего поля. Физической основой дистанционного метода служит электромагнитное излучение. Выделяют диапазоны рентгеновских излучений, ультрафиолетовых, видимых, инфракрасных и радиоволн (рис. 1).

Рисунок 1. Диапазоны длин электромагнитных волн

При данном методе используется отражательная способность волн. Электромагнитные волны, отражаясь от поверхности объекта, несут различную информацию о них, которая фиксируется на материалах съемки. Материалы съемок могут быть представлены фотографическими, телевизионными, сканерными, радиолокационными и другими изображениями. Фотографические изображения – это уменьшенные, наглядные образные копии объектов и явлений, получаемые посредством покадровой регистрации их собственного или отраженного излучения на светочувствительных материалах. Их получают разными способами. При аэрофотосъемке – с помощью специальных аэрофотоаппаратов, установленных на самолетах, вертолетах, воздушных шарах. Из космоса съемки ведут с применением более сложных фотографических систем, оснащенных, как правило, несколькими объективами, дающими изображения одновременно в разных зонах спектра электромагнитного излучения. При подводных съемках дна океанов и морей фотокамеры опускают на глубину в особых водонепроницаемых боксах или буксируют по грунту на специальных «санях». Для наземной фотосъемки используются фототеодолиты – приборы, с помощью которых выполняются высокоточное стереоскопическое фотографирование местности (рис. 2)

Рис. 2. Способы дистанционного получения геоизображений: 

1 – наземная фототеодолитная съемка; 2 – аэрофотосъемка; 3 – радиолокационная аэросъемка бокового обзора; 4 – съемка с ракеты; 5 – видиконовая космическая съемка; 6 – сканерная космическая съемка; 7 – подводная фотосъемка; 8 – подводная радиолокация бокового обзора

Фотоснимки выполняют с использованием видимой, ближней инфракрасной, инфракрасной и ультрафиолетовой части спектра электромагнитных волн. При этом они могут быть черно-белыми, цветными, черно-белыми спектрозональными, цветными спектрозональными, т.е. выполненными в нескольких зонах спектра и даже – для лучшей различимости некоторых объектов – ложноцветными (выполненными в условных цветах). Телевизионные изображения – телеснимки, телефильмы, телепанорамы и др. – это наглядные образные копии реальных объектов и явлений, получаемые путем регистрации изображения на светочувствительных экранах передающих телевизионных камер (видиконов). В интервалах между экспозициями изображение считывается электронным лучом, преобразуется в видеосигнал и по радиоканалам передается на приемную аппаратуру. Здесь видеосигнал вновь становится изображением, хотя возможен и другой вариант – запись поступающего сигнала на магнитную ленту видеомагнитофона или на другой носитель информации. Телевизионная съемка обычно ведется с борта самолета или спутника, причем захватывается довольно значительная полоса местности – от 1 до 2-х тысяч километров в ширину в зависимости от высоты полета и фокусного расстояния объектива. Высокоорбитальные спутники позволяют получать изображение всей планеты в целом. Телевизионные снимки, которые передаются с метеорологических спутников, отражают крупные атмосферные образования, основные структуры Земли. Они содержат мало подробностей и по своему разрешению сильно уступают фотоснимкам. Геометрические искажения телевизионных снимков довольно значительны, они зависят, прежде всего, от наклона оси съемочной камеры относительно земной поверхности. Телевизионную съемку можно вести в нескольких зонах видимого и ближнего инфракрасного диапазонов с помощью съемочных камер, снабженных несколькими (обычно тремя) видиконами. По сравнению с фотографической, телевизионная съемка более оперативна и поэтому удобна для непрерывного слежения за объектами и процессами. Сканерные изображения – снимки, полосы, «сцены» – уменьшенные наглядные образные копии реальных объектов, получаемые путем поэлементной и построчной регистрации их собственного или отраженного излучения. Само слово «сканирование» означает управляемое перемещение луча или пучка (светового, лазерного и др.) с целью последовательного обзора какого-либо участка.

В ходе сканерной съемки с самолета или спутника сканирующее устройство (плоское качающееся зеркало или зеркальная призма) последовательно, полоса за полосой просматривает местность поперек направления движения носителя. При этом отраженный сигнал поступает на точечный фотоприемник, и в результате получаются снимки с полосчатой или строчной структурой, причем каждая строка состоит из маленьких элементов – пикселов. Каждый такой пиксел отражает суммарную осредненную яркость небольшого участка местности (несколько десятков или сотен квадратных метров), и детали в нем неразличимы. Съемка ведется постоянно в процессе полета, и поэтому местность сканируется в виде широкой непрерывной ленты или полосы. Отдельные участки этой полосы называют «сценами». Геометрические свойства сканерных изображений зависят от высоты съемки, угла обзора сканера и мгновенного (элементарного) угла фиксации. Именно эти параметры и определяют ширину снимаемой полосы, величину разрешения на местности и размер пиксела на снимке. Сканирование – наиболее распространенный в настоящее время вид дистанционного зондирования, чаще всего применяемый при съемках из космоса. Но сканерные изображения получают и при аэросъемке, и при подводной съемке, например, с помощью сканирующих эхолотов, последовательно ощупывающих морское дно. К сканерным близки локационные изображения – радиолокационные, выполняемые со спутников и самолетов, и гидролокационные, которые получают при подводной съемке дна озер, морей и океанов. Радиолокационная съемка ведется в активном режиме, т.е. с помощью искусственного излучения, обычно с помощью локаторов бокового обзора, устанавливаемых на движущемся носителе по правому и левому бортам. Съемка в радиодиапазоне обладает немалыми преимуществами: облачность, туман, ночная темнота для нее не помехи. Эта съемка ведется при любой погоде и в любое время суток, причем благодаря боковому обзору на снимках прекрасно проявляется рельеф территории, отчетливо видны детали его расчленения. При съемке океанов хорошо читаются неровности и волнение водной поверхности. Радиолокация дала возможность проникнуть сквозь мощный облачный слой Венеры и впервые подробно рассмотреть рельеф этой планеты [13, 15]. Существуют и другие виды съемок: с помощью лазерных локаторов – лидаров, фототелевизионные и др. Если в дистанционном мониторинге первая задача получение высококачественных материалов съемки, вторая – это дешифрирование снимки. Дешифрирование это процесс обнаружения, распознавания, интерпретации изображений, интересующих объектов и явлений, т.е. это извлечение необходимой информации из материалов съемки. Каждый объект или явление имеет свои дешифровочные признаки, зная которые дешифровщик может получить интересующую информацию. Дешифровочными признаками могут быть форма, размер, фототон, цвет, структура, тень, которые являются признаками объекта и несут информацию о самом объекте. Такие признаки называются прямыми. Многие объекты или явления не находят прямого отображения на снимках. Дешифрирование таких объектов и явлений проводится косвенно, т.е. через прямые признаки других объектов, которые указывают на наличие или свойства первых, а вторые в этом случае будут называться индикаторами. Например, облачность может указывать на наличие течения в океане, а также холодное или теплое оно. Часто растительность служит индикатором при дешифрировании почвенного покрова, его химического состава, увлажненности. Также в качестве индикатора растительность используют при изучении геолого-геоморфологического строения земли, экологической оценке территорий и др. Дистанционный съемка по типу носителя подразделяется на наземную, подводную, аэро- и космическую. В настоящее время широко используются последние два вида, которые часто объединяют в один – аэрокосмическая съемка. Дистанционный мониторинг является наиболее перспективным и быстро развивающимся видом, так как он позволяет осуществлять непрерывное слежение за объектами, принимать оперативно данные о них, что позволяет быстро принимать меры по предупреждению и предотвращению неблагоприятных ситуаций. Съемочная аппаратура, материалы регистрации изображения, а также носители съемочной аппаратуры постоянно совершенствуются, также совершенствуется и автоматизируется процесс дешифрирования. Это пока единственный вид мониторинга, который позволяет осуществлять мониторинг не только Земли, но и остальных планет солнечной системы, галактик и других космических тел.