Блок-схема 1. Структура космической системы изучения природных ресурсов

Структура космической системы ИПРЗ принципиально состоит из системы управления структурой и четырех основных подсистем: получения космической информации, дополнительной дистанционной информации, сбора и хранения информации, обработки информации.

Подсистема получения космической информации включает: космические носители измерительной аппаратуры - искусственные спутники Земли, пилотируемые космические корабли (ПКК) и орбитальные станции (ОС); измерительную аппаратуру, устанавливаемую на космических носителях; аппаратуру, передающую полученную информацию на Землю (на пункты приема информации - ППИ) в подсистему сбора информации. Данные, полученные с помощью космической измерительной подсистемы, содержат для каждого отдельного элемента природного объекта информацию о его состоянии. Эти данные передаются на пункты приема информации и оттуда в банк данных подсистемы сбора информации на хранение.

Подсистема получения дополнительной дистанционной информации объединяет средства и методы получения дистанционной информации о природных и антропогенно измененных объектах, осуществляемых в основном в пределах тропосферы.

В эту подсистему включены: авиационные средства (самолеты-лаборатории и вертолеты); суда-лаборатории, буйковые станции, наземные передвижные лаборатории, установленная на этих носителях измерительная аппаратура, установленная на них аппаратура, передающая получаемую информацию на пункт приема информации.

В структуру космической системы изучения природной среды Земли и Мирового океана в подсистему получения дополнительной информации включены также научно-исследовательские суда-лаборатории, буйковые станции и наземные передвижные лаборатории.

В состав судов-лабораторий входят научно-исследовательские суда, экспедиционные суда, морские, озерные и речные суда, специально построенные или перестроенные из другого типа судов для комплексных исследований и для проведения различных специальных исследований (геофизических, гидробиологических и др.) в толще водных масс, морского дна, атмосферы и космического пространства.

Буйковые станции (автоматические станции) снабжены специальной аппаратурой для получения определенных типов информации через спутники на пункты приема информации, космической системы изучения природных ресурсов.

Наземные передвижные лаборатории позволяют получать достоверные и точные данные о природных объектах, процессах и данные на локальных участках земной поверхности. Наземные измерения выполняют синхронно космическими и авиационными измерениями точно в момент прохождения космических аппаратов и авиасредств над данной точкой.

Наземные измерения служат базой для проведения необходимых методических работ, связанных с проблемой идентификации природных ресурсов и изучения их свойств на основе сопоставления и корреляции различных данных дистанционного зондирования с данными непосредственных наземных измерений.

Все вышесказанное относится к измерениям, выполняемым судами-лабораториями и автоматическими буйковыми станциями.

Основные требования, предъявляемые к измерениям (данным), получаемым в подсистемах космической и дополнительной дистанционной информации: синхронность получения всех видов информации; метрологическое единство всех видов измерений; репрезентативность наземных и измерений с самолета относительно территорий, охватываемых космической съемкой; сопоставимость масштабов и разрешающей способности всех видов измерений; оперативность доставки информации с самолета и наземной в пункты приема и обработки космической информации.

Подсистема сбора и хранения информации формирует банк данных огромного и постоянно меняющегося объема различного вида информации.

Задачи этой подсистемы - формирование, хранение и управление базой данных, нахождение необходимой для определенных конкретных целей информации и оперативная передача ее в блок подсистемы обработки информации.

База данных должна содержать:

Ø разновременные и разномасштабные материалы космических и аэрофотосъемок;

Ø характеристики измерительной аппаратуры;

Ø результаты наземных (натурных) измерений (выполненных синхронно с космическими съемками) параметров состояния природной среды в отдельных пунктах земной поверхности;

Ø разновременные и разномасштабные картографические материалы (топографические и специальные тематические карты);

Ø статистические и другие данные.

Эта структура (сбора, хранения, управления базой данных) подсистемы должна обеспечить оперативный обмен информацией между ее частями и доступ к ней подсистемы обработки информации.

Подсистема обработки информации заключается в оперативной обработке полученной из банка данных информации и выдаче результатов обработки в виде картографических материалов в требуемом масштабе.

Обрабатывают материалы визуально-инструментальным (с использованием оптико-механических приборов) методом и с использованием ЭВМ и переводом данных с компьютера в цифровую карту.

Выходные документы - тематические и специальные карты, схемы, графики, таблицы, методические материалы и т. п. Они должны быть получены в результате картографической, экономико-статистической и другой информации об изучаемых районах с обязательным использованием результатов наземных обследований в наиболее характерных природных, сельскохозяйственных, гидрогеолого-мелиоративных и водохозяйственных зонах изучаемых регионов в соответствии с разрабатываемыми уровнями системы мониторинга.

Таким образом, основная цель работ по внедрению и развитию методов аэрокосмического мониторинга в отрасли - совершенствование установления корреляционных связей между оптическими свойствами экологических комплексов (природных и антропогенно измененных), отраженными на аэрокосмических изображениях, и их свойствами в системе различных природных признаков (физической, биологической, химической и др.), направленными на выявление существующих зависимостей между геологическим строением местности и ее рельефом, гидрографией, почвами, растительностью и другими элементами ландшафта, для разработки и совершенствования методов региональных комплексных исследований, оценки природно-экологических и антропогенных условий территории при проектировании и проведении землеустроительных мероприятий с целью сохранения экологического равновесия.
Глава 2. Сферы применения аэрокосмического мониторинга Аэрокосмический мониторинг месторождений нефти и газа

На современном этапе реализация проектов обустройства и эксплуатации месторождений нефти и газа предполагает наряду с разработкой проектов технологических решений выполнение комплекса мероприятий связанных с охраной окружающей среды. Важным элементом проектных решений является разработка программы производственного экологического мониторинга и ее практическая реализация на стадии эксплуатации месторождений. Это требует оценки состояния (загрязнения) природных компонентов окружающей среды, которые включают: атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почвенный покров, растительность и животный мир. Наряду с оценкой степени загрязнения природных компонентов объектами наблюдения экологического мониторинга являются опасные геологические процессы и явления, воздействие которых на технологические объекты может привести к авариям, и, соответственно, загрязнению природных компонентов.

В настоящее время, в соответствии с нормативными документами, проведение экологического мониторинга осуществляется на трех основных стадиях:

Ø предпроектной (предстроительный или фоновый мониторинг);

Ø проектной (строительный мониторинг);

Ø эксплуатационной (эксплуатационный мониторинг).

Для проведения мониторинга используются аэрокосмические наблюдения, наблюдения с наземных стационарных и передвижных пунктов, а также результаты, полученные в ходе проведения всего спектра инженерных изысканий.

Особое место в данном перечне используемых систем наблюдения отводится аэрокосмическим комплексам. Это, в первую очередь, связано с возможностью использования широкого диапазона наблюдений исследуемой территории, как по детальности и площади ее отображения, так и по возможности анализа физических свойств объектов в различных зонах электромагнитного спектра. Данные свойства аэрокосмических изображений позволяют их с успехом использовать как на начальных стадиях проведения фонового мониторинга, так и в ходе проведения строительного и эксплуатационного мониторинга. Успешная реализация данных решений возможна лишь при оптимальных выборах технологических маршрутов получения исходных изображений и их цифровой обработки. Следует отметить, что требования к проведению аэрокосмического мониторинга определяются стадией проводимых наблюдений и, соответственно, перечнем решаемых при этом задач.

В ходе проведения фонового мониторинга по материалам аэрокосмических съемок решаются следующие задачи:

Ø осуществляется привязка изображений к топооснове разных масштабов и существующим схемам ландшафтного, геоструктурного, инженерно-геологического и других видов районирования;

Ø выявляются участки развития опасных геологических, гидрометеорологических и техно-природных процессов и явлений;

Ø выявляются техногенные элементы ландшафта и инфраструктуры, влияющие на состояние природной среды (промобъекты, транспортные магистрали, трубопроводы, карьеры и др.);

Ø выполняется предварительная оценка негативных последствий прямого антропогенного воздействия (ареалов загрязнения, гарей, вырубок и других нарушений растительного покрова, изъятия земель и т.п.);

Ø осуществляется слежение за динамикой изменения экологической обстановки;

Ø определяется количество и место расположения точек наземной локальной сети мониторинга.

При этом рекомендуется выполнять: предварительное дешифрирование (до проведения полевых работ), полевое дешифрирование (в процессе проведения полевых работ), окончательное дешифрирование (при камеральной обработке материала, выполнении экстраполяционных операций и составлении отчета).

На основании результатов сбора материалов и данных о состоянии природной среды и предварительного дешифрирования составляются схематические экологические карты и схемы хозяйственного использования территории, предварительные легенды, ландшафтно-индикационные таблицы, оценочные шкалы и классификации, а также планируются наземные маршруты с учетом расположения выявленных источников техногенных воздействий.

В настоящее время для решения данного класса задач используются как известные зарубежные программные комплексы ERDAS, ENVI, ArcGIS, так и разработанные в последнее время отечественные комплексы ScanMagic (фирма Scanex) и геоинформационная система АГИР (Агентство Геоинформатики и Риска). Данные системы реализуют комплексную обработку и анализ, как полученной видеоинформации, так и уже существующей картографической информации, обеспечивая на конечном этапе создание многослойных тематических геоинформационных продуктов, лежащих в основе оценки состояния наблюдаемых природных компонентов

Использование специализированных программных продуктов позволяет существенно повысить эффективность и качество обработки аэрокосмических изображений применительно к конкретным задачам мониторинга.

В качестве примера реализации такого подхода на рисунке 2 представлены образцы аэрокосмического мониторинга нефтяного месторождения на стадии эксплуатации.

Рис.2 Комплексный анализ динамики развития месторождения на разновременных космических изображениях и аэроизображении

Представленные материалы иллюстрируют возможности использования материалов аэрокосмических съемок при решении классических задач мониторинга площадных территорий месторождений на стадии эксплуатации.

Следует отметить, что возможный симбиоз последних достижений получения цифровых изображений и геоинформационных технологий, существенно расширяет возможности повышения эффективности решения классических задач экологического мониторинга. Это возможно только при разработке достаточного количества классификаторов объектовой информации и повышения степени автоматизации процессов комплексного анализа и отображения получаемой информации на основе интегрированных геоинформационных технологий.
2.2.
Комплексный космический мониторинг прибрежных акваторий

Одним из наиболее важных направлений изучения Мирового океана является исследование его прибрежных зон. Это обусловлено тем, что в прибрежных зонах проживает более половины населения Земли и они подвергаются интенсивным антропогенным воздействиям. Кроме того, в настоящее время шельф и континентальный склон начинают интенсивно осваивать для добычи природных ресурсов, что существенно усиливает антропогенную нагрузку на эти области.

Основными источниками антропогенных воздействий на моря и океаны, и прежде всего на прибрежные акватории, являются: промышленное производство; добыча полезных ископаемых и углеводородного сырья; сброс промышленных и хозяйственных вод непосредственно в море или с речным стоком; поступление с суши различных веществ, применяемых в сельском и лесном хозяйствах; преднамеренное захоронение в море загрязняющих, в том числе радиоактивных, веществ; утечка различных веществ в процессе судовых операций; аварии на морском транспорте и военных кораблях; аварийные выбросы с подводных трубопроводов; туристическая и рекреационная деятельность; перенос загрязняющих веществ через атмосферу и т.п.

Неуклонное нарастание суммарного воздействия многих источников загрязнений приводит к прогрессирующей эвтрофикации и микробиологическому загрязнению морской воды, что существенно затрудняет её использование для различных нужд человека. Высокая концентрация загрязняющих веществ антропогенного происхождения в приповерхностном слое океана вызывает нарушение баланса экосистем и снижение биопродуктивности акваторий. В связи с этим актуальными становятся организация мониторинга морской среды и создание соответствующих систем, важное место среди которых занимают аэрокосмические средства.