Космический мониторинг состояния окружающей среды.

Мониторинг антропогенных изменений. Принципы ведения мониторинга. Пример мониторинга: территория прилегающая к г.Ухта.

Мониторинг антропогенных изменений является частным случаем покомпонентного мониторинга. При его проведении нас в первую очередь интересуют изменения происшедшие на местности за некоторый период, которые могли возникнуть как следствие антропогенного воздействия на окружающую среду. Подготовка и проведение такого мониторинга складывается из нескольких этапов. Первым этапом является выполнение исследований с целью определить: перечень изменений и их характерных размеров и других характеристик, которые могут быть зафиксированы из космоса. На основе этих исследований разрабатывается структура картографического банка данных (цифровой карты), а так же легенды печатных карт, посредством которых будут представлены результаты мониторинга. Далее должна быть выполнена разработка технологии мониторинга, включающей детальное описание технологии проведения мониторинга. И, наконец осуществляется разработка организационной схемы его проведения, обучение специалистов и т.п.

Проведение мониторинга с использованием панхроматической съемки может помочь в определении изменений связанных с преобразованием объектов, которые ведут к изменению их интегрального альбедо. Это в первую очередь такие изменения как: нарушение растительного покрова (в т.ч. на болотах); заболачивание земель; осушение земель; изменение береговой линии водных объектов и т.п. Мониторинг с использованием спектрозональной съемки позволяет не только выявить факт изменений, на так же определить характеристики этих изменений. Так например может быть определена степень нарушенности растительного покрова. Мониторинг с использованием панхроматических снимков, в силу их большей разрешающей способности является более чувствительным к величине пространственных изменений. Так, с использованием снимков со спутника SPOT точность может достигать 10 м. В то же время не все изменения на местности связаны с изменением интегрального альбедо, или его изменения является незначительным и не может быть значимо зарегистрировано по панхроматическим снимкам. Так например, усыхание растительности связано со значительным изменением отражательной способности листа в ближнем инфракрасном диапазоне (0.9-1.1 мкм). Большинство изменений на территории РК связано с освоением новых территорий и эксплуатацией природных ресурсов (вырубкой леса, добычей полезных ископаемых и т.п.). При этом происходят хорошо различимые изменения растительного покрова: либо его полное уничтожение, либо существенное изменение сомкнутости. Мониторинг растительного покрова является важной составляющей мониторинга компонентов окружающей среды.

Рассмотрим, в качестве примера, иллюстрирующего приведенные выше положения, проведение мониторинга территории, прилегающей к г. Ухта.

Для выполнения мониторинга использовались два сканерных космических снимка, полученных со спутника SPOT в 1995 г. (18 мая) и 1997 г. (12 августа). Таким образом, период мониторинга составил 2 года. Для решения задачи поиска изменений как визуальным, так и автоматическим способом необходимо определенным образом «совместить» изображения как по пространственной составляющей, так и по радиометрической. Т.е. таким образом, чтобы два снимка как можно более совпадали друг с другом. Различия могут появиться как следствие нескольких причин, основными из которых являются:

§       Сезонные и квазирегулярные природные процессы (смена времен года; засуха и т.п).

§       Катастрофические природные процессы (пожары, наводнения и т.п.)

§       Антропогенные причины (освоение новых территорий и природных ресурсов)

Для того, чтобы в максимальной степени устранить влияние данных причин (особенно первой из них, вносящей наибольший вклад) необходимо для сравнения брать снимки примерно одного времени года (лучше всего максимума вегетации, т.е. июля-августа), а кроме того, еще и одинаковой динамики погодных условий (например при стационарном антициклоне). Ландшафтный мониторинг, как уже отмечалось, в некоторой степени свободен от данного недостатка, т.к. в нем исследуются геосистемы, которые могут находится в различных состояниях не изменяя своих внутренних и внешних связей.

При соответствующем опыте, можно научиться отличать сезонные изменения растительности, от вызванных техногенными причинами (см Рис. I‑18 ).

Подготовка изображения для визуального поиска изменений может проводится несколькими способами. Для построения изображений, приведенных ниже использовалась следующая последовательность действий.

1.     Привязка космического снимка 1995 г. к цифровой топографической карте по контрольным точкам, с точностью 20-60 м.

2.     Привязка снимка 1997 г. к снимку 1995 г, по контрольным точкам с использованием полиномиальных преобразований 4-ой степени, с точностью до пикселя (10-15 м).

3.     Построение 2-х цветной модели (RGB) где снимок 1995 г. помещен в R и B-канал, а снимок 1997 г – в G канал. Таким образом, все изменения которые есть на снимке 1995 г и отсутствуют на снимке 1997 г. окрашены в зеленый цвет, а те изменения которые появились на снимке 1997 г, но отсутствуют на снимке 1995 г, окрашены в фиолетовый цвет. Таким образом изменения регистрируются по изменению интегрального альбедо, и чем больше величина изменения тем более глубокий оттенок соответствующего цвета имеют изменившиеся участки. Участки, не подвергнувшиеся изменению будут иметь серый цвет (пример, см рис 200).

Рассмотрим как данная схема реализуется применительно к растительному покрову (лесам) и приведем описания наиболее типичных изменений растительного покрова, происходящих вблизи крупного города, на примере г. Ухта.

Рис. I ‑ 18 . Результат совмещения снимков полученных в различные периоды. На рисунке фиолетовым цветом отображены объекты (участки территории), которые в 1997 году увеличили альбедо т.е. стали светлее. Цифрой (1 ), например помечена вновь проложенная просека под инженерные коммуникации. Зеленым цветом выделены объекты, которые наоборот, к 1997 г. уменьшили свое альбедо (например вследствие более сильной вегетации, заболачивания, затопления и т.п.). Такие участки помечены цифрой (2). Общий слабо-розовый фон возникает вследствие недостаточной точности радиометрической калибровки снимков SPOT и показывает, что в данном случае для установления более точного соответствия необходимо проводить более тщательную обработку снимков.

Все обнаруженные изменения можно свести к нескольким основным типам:

§         Изменения растительного покрова на сельхозугодьях. Исследуя закономерности изменения можно проследить характер использования данного земельного участка (пример на Рис. I‑19 ).

§         Сезонные изменения растительности. Исследование характера сезонных изменений растительности позволяет выявить характер лесовосстановления на вырубках и, в частности, оценить количество елового подроста под пологом лиственного леса (пример на Рис. I‑20 ).

§         Антропогенные изменения растительного покрова. Данные изменения служат основным источником информации о техногенных изменениях, связанных со строительством, разработкой общераспространенных полезных ископаемых и т.п. (пример на Рис. I‑21 ).

§         Изменения береговой линии водных объектов и цвета водной поверхности. Береговая линия может изменяться вследствие многих причин: наводнений, высыхания водоемов, подъем уровня водохранилищ и т.п., которые могут быть вызваны причинами как природного так и антропогенного характера (пример на Рис. I‑22 ). Изменение цвета водной поверхности может служить индикатором загрязнения (в т.ч. эфтрофикации).

Рис. I‑21 (продолжение).

Рис. I ‑ 22 . Изменения контуров водных объектов.

Оформление результатов мониторинга – карта антропогенных изменений.

Данные мониторинга антропогенных изменений могут быть оформлены в виде специальных карт техногенных изменений территории, на которых при помощи специальных условных знаков может быть отображены изменения, произошедшие на местности за период осуществления мониторинга, а так же некоторая специальная информация, которую можно получить исследовав сезонную динамику растительности. Исходя из вышеперечисленных, практически выявленных, сфер применения космических снимков для целей мониторинга можно разработать легенду такой карты (см. Табл. I‑3 ).

Табл. I ‑ 3 . Элементы содержания цифровой карты мониторинга антропогенных изменений.