168746 (Дистанційний екологічний моніторинг)

ДЕРЖАВНИЙ АГРОЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЕКОЛОГІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра моніторингу

навколишнього природного

середовища

М.В. Зосімович

ДИСТАНЦІЙНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ

(для студентів, які навчаються за спеціальністю ,,Екологія та охорона навколишнього середовища”)

Методичний посібник

Житомир – 2006

ББК

УДК 629.735; 656.7.07.6.015

Методичний посібник підготував:

к.т.н., доцент М.В. Зосімович.

Рецензенти:

доктор технічних наук, професор В.Ф. Манойлов (ЖДТУ);

доктор технічних наук, професор Л.В. Лось (ДАУ).

Методичний посібник розглянуто та рекомендовано до видання:

Кафедрою моніторингу навколишнього природного середовища, протокол № ____ від ____ ____ 2006 р.

Навчально-методичною комісією екологічного факультету, протокол № ____ від ____ ____ 2006 р.

ЗМІСТ

Вступ

І. ТИПИ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗЕМЛІ І ПЛАНЕТ

1.1 Науково-дослідні космічні апарати

1.2 Супутники зв’язку

1.3 Метеорологічні ШСЗ

1.4 Навігаційні ШСЗ

1.5 Геодезичні ШСЗ

1.6 Супутники для вивчення земних ресурсів

1.7 Космічні апарати для міжпланетних польотів

ІІ. АЕРОКОСМІЧНИЙ МОНІТОРИНГ ЕКОЛОГО-ГЕОЛОГІЧНОГО СЕРЕДОВИЩА

2.1 Космічна зйомка поверхні Землі

2.1.1 Основні типи зйомки

2.1.2 Космічна фотозйомка

2.1.3 Космічна сканерна зйомка

2.2 Космічні системи моніторингу

2.2.1 Багатоспектральна зйомка високого розрізнення

2.2.2 Система “Спот” та проект “Терс”

2.2.3 Формування системи моніторингу на базі сонячно-синхронних орбіт

2.2.4 Формування системи високого розрізнення для зйомки з інтервалом у декілька годин

2.3 Вплив хмарності. Єдина багатоцільова система

2.3.1 Специфіка космічної зйомки високого розрізнення

2.3.2. Ймовірна оцінка впливу хмарності

2.3.3 Результати розрахунків ймовірності зйомки

2.4 Досвід використання українсько-російського КА “Океан-О” для вирішення задач землекористування, природо охорони та раціонального використання природних ресурсів .

2.4.1. Космічний апарат “Океан-О”

2.4.2. Призначення КА “Океан-О”

2.4.3. Вимірювальна апаратура КА “Океан-О”

2.4.4. Характерні особливості роботи КА “Океан-О”

2.4.5. Інформаційні системи КА “Океан-О”

2.4.6. Схема організації наземного сегменту

2.5 Землекористування, природоохоронні та природоресурсні задачі

2.5.1 Роль космічної інформації у вирішенні задач землекористування та природоохорони

2.5.2 Дослідження урбанізованих та техногенно змінених територій з небезпечними геологічними процесами

2.5.3. Вивчення геодинамічних зон

2.5.4 Вивчення техногенних змін сучасних ландшафтів

2.5.5 Визначення фітосанітарного стану та пожежонебезпечності лісів на прикладі Зони відчуження ЧАЕС

2.5.6 Картування ділянок підвищеної природної пожежобезпечності

2.5.7 Вивчення рослинності

ІІІ. ЕКОЛОГІЯ КОСМОСУ

3.1 Ракетно-космічні комплекси

3.2 Фактори техногенного впливу космічного польоту на довкілля

3.3 Вплив ракетно-космічної техніки на озоновий шар Землі

3.4 Вплив пусків ракетоносіїв на іоносферу

3.5 Космічне сміття

3.6 Дистанційний агромоніторинг

3.6.1 Мета сучасної системи агромоніторингу

3.6.2 Недоліки існуючої системи збору інформації

3.6.3 Принципові можливості дистанційних методів агромоніторингу

3.6.4 Функціональне призначення галузевої системи комплексної обробки аерокосмічної та наземної інформації (ГІСКОАНІ)

3.6.5 Основні завдання системи дистанційного агромоніторингу

3.6.6 Призначення отриманої інформації

3.6.7 Вимоги до функціонування системи моніторингу

3.6.8 Спільні риси розроблених систем дистанційного агромоніторингу

3.6.9 Структура системи дистанційного агромоніторингу

3.6.10 Схема розташування і функціонування АКП і ТД

3.6.11 АКП і ТД на території України

3.6.12 Паспорт АКП та його структура

3.7 Вплив атмосфери на електромагнітне випромінювання

3.8 Системи дистанційного зондування Землі

3.8.1. Реєстрація - випромінювання

3.8.2. Фотографічні системи

3.8.3 Відеографічні системи

3.8.4 Багатоспектральні сканери

3.8.5 Теплові сенсори

3.8.6 Надвисокочастотні локатори

3.9 Лазерні системи

3.9.1 Лідар на основі зворотного розсіювання

3.9.2 Лідар на основі реєстрації диференційного поглинання

3.9.3 Допплерівський лідар

3.9.4 Лідар на основі реєстрації флуоресценції

3.9.5 Лідар на основі реєстрації комбінаційного розсіювання

3.9.6. Застосування дистанційного зондування в екології

ІV. ПИТАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ

4.1 Питання з розділу І

4.2 Питання з розділу

4.3 Питання з розділу ІІІ

Скорочення

Література

Зміст

ВСТУП

Успішний розвиток та поширене використання космічних методів дослідження в геології та екології дозволяють говорити про новий науковий напрямок – космоекогеологія. Космічні знімки разом з матеріалами традиційних методів вивчення Землі дають космогеології надійні дані для будови еколого-геологічних моделей територій, що досліджуються.

Довгострокова стратегія охорони та збереження природи, що розроблена за ініціативою вчених всього світу та підтримана в ООН, потребує рішучого переходу від пасивної реєстрації нищівних наслідків численних екологічних порушень та частих катастроф до їхнього своєчасного попередження і запобігання.

Прийнята міжнародна програма (на рівні Міністерства з Надзвичайних Ситуацій України) спільних дій, яка передбачає створення системи надійного та широкомасштабного моніторингу навколишнього природного середовища. Моніторинг має забезпечувати систематичне та оперативне (слідкування) спостереження за станом природного середовища з метою її контролю та управлінням правильним використанням усіма її складовими.

Оцінка стану та прогноз зміни геологічного середовища мають досить важливе значення для виявлення погрози порушення екологічної рівноваги в природі, а також велике народногосподарське значення.

Припускається, що моніторинг має здійснюватись на трьох ієрархічних рівнях:

регіональному;

детальному;

локальному.

Регіональний моніторинг повинен охоплювати цілі економічні райони та надавати загальне уявлення про характер, масштаби, інтенсивності різних геологічних процесів, збитки які вони наносять народногосподарським об’єктам та природному середовищу, ефективності захисних заходів, що використовуються тощо. В залежності від ступеню освоєння території та інших факторів він може здійснюватись в широкому діапазоні масштабів від 1:100 000 до 1:500000.

Детальний та локальний моніторинг повинен давати вже більш повне уявлення про розвиток екологічних процесів в межах окремих інженерних комплексів та споруд або їхніх комплексів. Обрання методів, що використовуються під час моніторингу, визначається його рівнем. Під час регіонального моніторингу за базові доцільно використовувати аерокосмічні методи, доповнюючи їх невеликим об’ємом наземних досліджень. Під час детального та локального моніторингу основні дані будуть одержані наземними дослідженнями, а аерокосмічні методи стануть їхнім істотним доповненням.

Провідна роль в реалізації аерокосмічного моніторингу має належати знімкам, що виконуються в оптичному діапазоні спектру через їхній максимум корисної інформації.

I. ТИПИ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗЕМЛІ І ПЛАНЕТ

1.1 Науково-дослідні космічні апарати

Науково-дослідні космічні апарата (КА) призначені для досліджень навколоземного та міжпланетного космічного простору, Місяця і планет Сонячної системи, з метою проведення різноманітних експериментів і досліджень в космічному просторі наукового та прикладного значення, а також для опрацювання конструкції окремих систем, вузлів та апаратури нових КА (наприклад, нових систем орієнтації, керування, стиковки, посадки тощо). Науково-дослідні КА за призначенням можуть бути пілотованими та автоматичними.

До пілотованих науково-дослідних КА відносять:

а) орбітальні кораблі (ОК), орбітальні лабораторії (ОЛ), орбітальні пілотовані станції (ОПС) та орбітальні бази-станції (ОБС), що призначені для вивчення навколоземного космічного простору;

б) міжпланетні космічні кораблі (КК) і станції, що призначені для вивчення космічного простору, Місяця і планет Сонячної системи.

До автоматичних науково-дослідних КА відносять:

а) штучні супутники Землі (ШСЗ), автоматичні орбітальні лабораторії, орбітальні станції (ОС), які призначені для вивчення верхніх шарів атмосфери та навколоземного космічного простору;

б) автоматичні міжпланетні станції (АМС), штучні супутники Місяця, Сонця (ШСС) та планет, посадочні модулі і планетоходи станцій, що призначені для вивчення космічного простору та планет Сонячної системи (рис.1.1).

1.2 Супутники зв'язку

Супутники зв'язку класифікують за принципом роботи (активні, пасивні), типом орбіти, видом ліній зв'язку та їх кількості.

Активні ШСЗ використовують ретранслятори, які включають бортові приймачі та передавачі (із власними антенними системами), що працюють на різних частотах. Вони приймають сигнали наземної станції, підсилюють їх, здійснюють перетворення частоти і ретрансляцію на іншу наземну станцію. Відомі дві різновидності передачі прийнятої інформації з борту активних ШСЗ: безпосередня передача інформації без запам’ятовування та передача з затримкою інформації, що запам’ятовується на борту.

Рис. 1.1. Вигляд Землі з космосу

Пасивні ШСЗ представляють собою прості відбивачі сигналів, що випромінюють наземні станції (без підсилювання та перетворення). Відомі три види пасивних ШСЗ зв’язку:

сферичні відбивачі;

відбивачі у вигляді хмар або глобальних поясів із металевих диполів, розсіяних на певних висотах;

пласкі або лінзоподібні відбивачі.

Визначено два основні напрямки створення орбітальних супутникових систем зв’язку:

системи ШСЗ, що обертаються за еліптичними орбітами з великим ексцентриситетом;

системи ШСЗ, що обертаються за стаціонарними та синхронними орбітами.

Системи ШСЗ, що обертаються за еліптичними орбітами з великим ексцентриситетом, дозволяють забезпечити протягом тривалого часу за допомогою одного ШСЗ-ретранслятора безперервний зв’язок поміж віддаленими пунктами.

Враховуючи ймовірність виходу з ладу супутників, слід передбачити необхідність періодичного виведення на орбіту нових ШСЗ на заміну тих, що вже не функціональні. Середній час поміж запусками становить

(1.1)

де - середній термін безвідмовної роботи КА (враховуються лише випадкові відмови); - кількість ШСЗ, що запускаються однією ракетою-носієм (РН); - середня кількість ШСЗ, що функціонує; - ймовірність успішного запуску; - ймовірність успішного виведення на орбіту та увімкнення апаратури; - термін експлуатації сонячних батарей.

До складу системи зв’язку окрім орбітальної системи супутників (будь-якого з типів, перелічених вище) входять приймально-передаючі станції з антенними системами і телеметрична система контролю параметрів бортової апаратури. До складу системи зв’язку з орбітами, що коректуються, входить також командна радіолінія.

У системах на базі активних ШСЗ зв’язку можуть використовуватися нестабілізовані супутники (із повною ізотропною діаграмою направлення антени), стабілізовані обертанням (зазвичай мають механічний пристрій проти обертання антенного блоку), повністю стабілізовані ШСЗ із незмінною орієнтацією діаграми направлення антени (по відношенню до Землі) та сонячних батарей (відносно Сонця), наприклад ШСЗ зв’язку «Молния» (Росія).

Розрахунковий термін активного існування супутників зв’язку 5-7 років.

1.3 Метеорологічні ШСЗ

Метеорологічні ШСЗ (метеосупутники) призначені для регулярного передавання телевізійних зображень хмарового та льодового покривів Землі на наземні станції.

На ШСЗ також встановлюють датчики радіаційних випромінювань Землі та хмарового покриву, які працюють у різних діапазонах частот, а інші прилади – для аналізу метеорологічних умов. Одержана від метеосупутників інформація використовується для аналізу атмосферних процесів та прогнозів погоди.

За телевізійними та інфрачервоними (ІЧ) знімками освітленої та тіньової сторін Землі здійснюють нефаналіз хмарності (визначення її форм, структури та кількості, див. рис.1.2). Ця та інша інформація, що одержана з метеосупутників, дозволяє складати оперативні екологічні карти хмарового, льодового та снігового покривів, виявляти зародження ураганів і визначати напрямок й швидкість їх розповсюдження, розрізняти тип й етапи розвитку погодних умов, виявляти струйні потоки в атмосфері, місцеві метеорологічні явища (шквали, грозову активність тощо), досліджувати тепловий баланс Землі, визначати температуру хмарового покриву, поверхні суходолу й океану.