Metody monitorowania środowiska


W zależności od dokładności wyników, jakie należy uzyskać w monitorowaniu danego składnika, zjawiska, procesu, od środowiska, w którym prowadzone są badania, dostępnych środków finansowych i innych, należy stosować różne metody monitorowania .

Metody zdalne

Jak wiadomo, pierwsze automatyczne systemy do śledzenia parametrów środowiska zewnętrznego powstały w programach wojskowych i kosmicznych. W latach 50. XX wieku. amerykański system obrony powietrznej wykorzystywał już siedem rzędów automatycznych boi pływających na Pacyfiku, ale najbardziej imponujący automatyczny system monitorowania jakości środowiska został niewątpliwie zrealizowany w Lunokhod. Jednym z głównych źródeł danych do monitorowania środowiska są materiały teledetekcyjne (RS). Łączą wszystkie typy danych otrzymanych od przewoźników:

  • przestrzeń kosmiczna (załogowe stacje orbitalne, statki wielokrotnego użytku, autonomiczne satelitarne systemy geodezyjne itp.);
  • powietrza na bazie (samoloty, śmigłowce i urządzenia radiowe mikroaviatsionnye) i znaczna część danych na odległość (zdalnie wykrywane danych) jako antonim kontaktu (pierwszy zarzut) rodzaje badań, systemów pomiarowych sposobów w celu uzyskania danych w fizycznym kontakcie z przedmiotem;
  • niestykającej (remote) metody zapisu obejmują Aerospace, obejmują różnorodne metody morza (zalany) i lądowych, w tym, na przykład, photomapping, sejsmiczne, elektromagnitorazvedku i innych metod geofizycznych podpowierzchniowych sensing badania sonaru dno morskie za pomocą bocznego-scan sonar, inne metody oparte na rejestracji własnej lub odbite przez naturę fali sygnału.

Zdjęcia lotnicze

Aeronautyczne (zdalne) metody monitorowania środowiska obejmują system nadzoru wykorzystujący samoloty, balony, satelity i systemy satelitarne, a także system przetwarzania danych teledetekcyjnych [1] .

Przestrzeń dla monitoringu środowiska jest wskazane, aby skupić się przede wszystkim na okołobiegunowych satelitów meteorologicznych, zarówno w pojazdach krajowych (satelitów „Meteor”, „Ocean” i „zasobów”) serii amerykańskich satelitów i NOAA , w Landsat i SPOT . Rozważmy krótką charakterystykę tych satelitów [2] .

Amerykańskie satelity meteorologiczne serii NOAA są wyposażone w wielostrefowy sprzęt optyczny i podczerwieni, a mianowicie radiometr AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Sonda kosmiczna NOAA jest wystrzeliwana na orbitę polarną o wysokości około 700 km ponad powierzchnią Ziemi o nachyleniu 98,89 stopnia. Radiometr wysokiej rozdzielczości przeprowadza pomiary powierzchni Ziemi w pięciu zakresach spektralnych. Badania przestrzeni prowadzone są z rozdzielczością przestrzenną 1100 mi zapewniają zasięg widzenia 2700 km.

Rosyjskie satelity z serii Resource są własnością Federalnej Służby Federacji Rosyjskiej ds. Hydrometeorologii i Monitoringu Środowiska (Rosgidromet). Zapewniają one informacje o wielostrefowych przestrzeniach o wysokiej rozdzielczości i średniej rozdzielczości przy użyciu dwóch skanerów widzialnych i bliskiej podczerwieni.

Kosmiczny meteorologiczny system meteorologiczny Meteor, należący również do Roshydromet, zapewnia globalny monitoring środowiska na terytorium Rosji. Parametry orbity satelity “Meteor”: orbita okołobiegunowa o wysokości około 1200 km. Kompleks urządzeń naukowych pozwala na otrzymywanie obrazów chmur i powierzchni pod nimi w zakresie widzialnym i podczerwonym, danych o temperaturze i wilgotności powietrza, temperaturze powierzchni morza i chmurach. Prowadzone są także monitoring Ozonosphere i monitoring geofizyczny. Kompleks pokładowy satelity zawiera kilka radiometrów skanujących promieniowanie podczerwone oraz skanujący sprzęt telewizyjny z pokładowym systemem przechowywania danych do globalnej ankiety i transferu danych do APPI. Rosyjski system kosmiczny “Ocean” zapewnia odbiór radaru, mikrofalowe i optyczne obrazy powierzchni Ziemi w interesie nawigacji morskiej, rybołówstwa i rozwoju stref półkowych Oceanu Światowego. Jednym z głównych zadań satelity jest oświetlenie sytuacji lodowej w Arktyce i Antarktyce, aby zapewnić okablowanie statków w trudnych warunkach lodowych. Parametry orbity satelity: orbita okołobiegunowa o wysokości 600-650 km. Przepływ informacji przez chmury i o każdej porze dnia jest dostarczana przez BW Radar i system akwizycji danych autonomicznych stacjach morskich i lodu „Condor”. Kompleks urządzenia pokładowe satelitarnego „Ocean-01” obejmuje radiometrów mikrofalowe F-600 i F-255 skanowania mikrofalowa Radiometer Delta-2 polaryzacyjnej spektroradiometr otwartej ścieżki „znacznik” i zestaw optycznego urządzenia skanującego. rybołówstwo i rozwój stref półkowych Oceanu Światowego. Jednym z głównych problemów jest zasięg satelitarny warunkach lodowych w Arktyce i Antarktyce, zapewniając pilotaż w trudnych warunkach lodowych. Parametry orbity satelity: orbita okołobiegunowa o wysokości 600-650 km. Przepływ informacji przez chmury i o każdej porze dnia jest dostarczana przez BW Radar i system akwizycji danych autonomicznych stacjach morskich i lodu „Condor”. Kompleks urządzenia pokładowe satelitarnego „Ocean-01” obejmuje radiometrów mikrofalowe F-600 i F-255 skanowania mikrofalowa Radiometer Delta-2 polaryzacyjnej spektroradiometr otwartej ścieżki „znacznik” i zestaw optycznego urządzenia skanującego. rybołówstwo i rozwój stref półkowych Oceanu Światowego. Jednym z głównych zadań satelity jest oświetlenie sytuacji lodowej w Arktyce i Antarktyce, aby zapewnić okablowanie statków w trudnych warunkach lodowych. Parametry orbity satelity: orbita okołobiegunowa o wysokości 600-650 km. Przepływ informacji przez chmury i o każdej porze dnia jest dostarczana przez BW Radar i system akwizycji danych autonomicznych stacjach morskich i lodu „Condor”. Kompleks urządzenia pokładowe satelitarnego „Ocean-01” obejmuje radiometrów mikrofalowe F-600 i F-255 skanowania mikrofalowa Radiometer Delta-2 polaryzacyjnej spektroradiometr otwartej ścieżki „znacznik” i zestaw optycznego urządzenia skanującego. zapewnienie delegowania statków w trudnych warunkach lodowych. Parametry orbity satelity: orbita okołobiegunowa o wysokości 600-650 km. Przepływ informacji przez chmury i o każdej porze dnia jest dostarczana przez BW Radar i system akwizycji danych autonomicznych stacjach morskich i lodu „Condor”. Kompleks urządzenia pokładowe satelitarnego „Ocean-01” obejmuje radiometrów mikrofalowe F-600 i F-255 skanowania mikrofalowa Radiometer Delta-2 polaryzacyjnej spektroradiometr otwartej ścieżki „znacznik” i zestaw optycznego urządzenia skanującego. zapewnienie delegowania statków w trudnych warunkach lodowych. Parametry orbity satelity: orbita okołobiegunowa o wysokości 600-650 km. Przepływ informacji przez chmury i o każdej porze dnia jest dostarczana przez BW Radar i system akwizycji danych autonomicznych stacjach morskich i lodu „Condor”. Kompleks urządzenia pokładowe satelitarnego „Ocean-01” obejmuje radiometrów mikrofalowe F-600 i F-255 skanowania mikrofalowa Radiometer Delta-2 polaryzacyjnej spektroradiometr otwartej ścieżki „znacznik” i zestaw optycznego urządzenia skanującego.

Satelitarne dane satelitarne pozwalają rozwiązać następujące zadania związane z monitorowaniem środowiska:

  1. Definicja cech meteorologicznych: pionowe profile temperatury, integralne cechy wilgotności, natura chmur itp.);
  2. Monitorowanie dynamiki frontów atmosferycznych, huraganów, uzyskiwanie map poważnych klęsk żywiołowych;
  3. Określenie temperatury podłoża, kontrola operacyjna i klasyfikacja zanieczyszczenia powierzchni gleby i wody;
  4. Wykrywanie dużych lub stałych emisji w przedsiębiorstwach przemysłowych;
  5. Kontrola wpływu technologii na stan stref parków leśnych;
  6. Wykrywanie dużych pożarów i uwalnianie stref zagrożenia pożarowego w lasach;
  7. Identyfikacja anomalii cieplnych i emisji cieplnych dużych elektrowni i kogeneracji w megamiastach;
  8. Rejestracja dymnych smug z rur;
  9. Monitorowanie i prognozowanie sezonowych powodzi i wycieków rzek;
  10. Wykrywanie i ocena skali dużych stref powodziowych;
  11. Kontrola dynamiki pokrywy śnieżnej i kontaminacji pokrywy śnieżnej w strefach oddziaływania przedsiębiorstw przemysłowych.

Głównym ładowność satelity – panchromatyczne układ elektro-optyczny, który pozwala na uzyskanie obrazów o rozdzielczości przestrzennej 1 metr satelity mogą produkować wysokiej rozdzielczości w tym samym obszarze strefy co trzy dni, aby uzyskać kilka ujęć tej samej sceny w jednej tury .. Dajmy szereg dystrybucji kanałów widmowych i zakres zastosowania tych kanałów:

1 kanał (niebieski):

  • jest najbardziej wrażliwy na gazy atmosferyczne, w związku z czym obraz może mieć niski kontrast;
  • ma najwyższą przepuszczalność (długość fali jest już absorbowany), który jest optymalny do wykrywania emisji pochodnie podwodny roślinności, zmętnienie i opadów wody;
  • przydatne do wykrywania rozbłysków dymu (ponieważ krótkie fale są łatwiejsze do rozproszenia przez małe cząstki);
  • dobrze odróżnia chmury od śniegu i skał, a także odkrytą glebę od roślinności.

2-kanałowy (zielony):

  • wrażliwe na różnice w zmętnieniu wody, opadach osadów i rozbłyskach emisji;
  • obejmuje szczyt współczynnika odbicia powierzchni liści, może być przydatny do rozróżnienia między rozległymi klasami roślinności;
  • Jest również przydatny do wykrywania podwodnej roślinności.

3 kanały (czerwony):

  • wrażliwy w strefie silnego wychwytu chlorofilu, czyli dobrze rozpoznaje glebę i roślinność;
  • wrażliwy w strefie o wysokim współczynniku odbicia dla większości gleb;
  • przydatne do wytyczenia pokrywy śnieżnej.

4 kanały (bliskie podczerwień):

  • rozróżnia różnorodność roślin;
  • może być stosowany do kształtowania obiektów wodnych i separacji gleb suchych i wilgotnych, ponieważ woda silnie pochłania fale bliskiej podczerwieni.

Kanał 5 (średni lub krótkofalowy port podczerwieni):

  • wrażliwe na zmiany zawartości wody w tkankach liści (obrzęk);
  • wrażliwe na zmiany wilgotności w roślinności i glebie (współczynnik odbicia maleje wraz ze wzrostem zawartości wody);
  • Jest to przydatne do określania energii roślin i oddzielania sukulentów od roślinności drzewiastej;
  • jest szczególnie wrażliwy na obecność / brak żelaza trójwartościowego w skałach (współczynnik odbicia wzrasta wraz ze wzrostem ilości żelaza żelazowego);
  • rozróżnia między lodem i śniegiem (jasny ton) od chmur (ciemny ton).

6-kanałowy (podczerwień długofalowy lub termiczny):

  • czujniki są zaprojektowane do pomiaru temperatury powierzchni promieniującej od -100 o C do 150 o C;
  • nadaje się do użytku w ciągu dnia i nocy;
  • zastosowanie obrazowania termicznego: analiza wilgotności gleby, rodzaje skał, identyfikacja zanieczyszczenia wody termalnej, akumulacja ciepła w gospodarstwach domowych, źródła miejskiej produkcji ciepła, inwentaryzacja przyrody, identyfikacja stref geotermalnych.

7-kanałowy (średni lub krótkofalowy port podczerwieni):

  • pokrywa się z pasmem absorpcji promieniowania przez hydrominerale (łupki ilaste, niektóre tlenki i siarczany), aby wyglądały ciemno;
  • przydatne do badań litologicznych;
  • Podobnie jak 5. kanał jest wrażliwy na zmiany wilgotności w roślinności i glebie.

8 kanałów (panchromatyczny – 4,3,2):

  • Najbardziej typowa kombinacja kanałów wykorzystywanych w teledetekcji do analizy roślinności, upraw, użytkowania gruntów i terenów podmokłych.

Komputerowe metody przetwarzania danych satelitarnych

Celem przetwarzania danych teledetekcyjnych (RS) jest uzyskanie obrazów lub obrazów o wymaganej charakterystyce radiometrycznej i geometrycznej. Rozważmy podstawowe etapy przetwarzania danych. Ogólnie rzecz biorąc, przetwarzanie danych teledetekcyjnych obejmuje trzy etapy:

  1. wstępne przetwarzanie – odbieranie danych satelitarnych, zapisywanie ich na nośniku magnetycznym, dekodowanie i korygowanie, przekształcanie danych bezpośrednio na obraz lub obraz przestrzenny lub w formaty dogodne do późniejszego przetwarzania;
  2. przetwarzanie pierwotne – korekta zniekształceń spowodowanych niestabilnym działaniem statku kosmicznego i czujnika, a także georeferencja obrazu z nałożoną siatką współrzędnych, powiększanie i reprezentowanie obrazu w wymaganej projekcji geograficznej (geokodowanie);
  3. przetwarzanie wtórne (tematyczne) – analiza cyfrowa za pomocą metod przetwarzania statystycznego, interpretacja wizualna i interpretacja w trybie interaktywnym lub w pełni zautomatyzowanym.

Pierwszy i drugi etap przetwarzania można teraz wykonać na pokładzie statku kosmicznego.

Badania multizone prowadzone są od wielu lat, a naukowcy zgromadzili dużą ilość danych empirycznych. Już dobrze wiadomo, które wskaźniki jasności w różnych strefach widma odpowiadają roślinności, odsłoniętej glebie, powierzchniom wody, obszarom zurbanizowanym i innym typowym krajobrazom, istnieją biblioteki widm różnych formacji naturalnych. Wyrażając te relacje w postaci liniowych kombinacji różnych stref, można uzyskać tzw. Wskaźniki. Ponieważ wiele nowoczesnych ziemskich systemów teledetekcyjnych wykonuje zdjęcia w widzialnych regionach czerwonych i bliskiej podczerwieni widma, znormalizowany wskaźnik wegetacji (NDVI) jest powszechnie stosowaną metodą. Znormalizowany wskaźnik wegetacji pokazuje obecność i stan wegetacji ze stosunku energii odbitych w 2 kanałach spektralnych. Oblicza się za pomocą następującego wzoru: NDVI = NIR-RED / NIR + RED, gdzie NIR – odbicie w zakresie bliskiej podczerwieni widma; RED jest odbiciem w czerwonym obszarze widma. Zależność ta opiera się na różnych właściwościach spektralnych chlorofilu w zakresie widzialnym i bliskim IR. Wskaźniki wegetacyjne można uznać za etap pośredni przejścia od wskaźników empirycznych do rzeczywistych właściwości fizycznych pokrywy roślinnej. Często obliczają indeksy uniwersalne i geograficznie związane: LAI – wskaźnik powierzchni liścia lub wskaźnik FPAR Zależność ta opiera się na różnych właściwościach spektralnych chlorofilu w zakresie widzialnym i bliskim IR. Wskaźniki wegetacyjne można uznać za etap pośredni przejścia od wskaźników empirycznych do rzeczywistych właściwości fizycznych pokrywy roślinnej. Często obliczają indeksy uniwersalne i geograficznie związane: LAI – wskaźnik powierzchni liścia lub wskaźnik FPAR Zależność ta opiera się na różnych właściwościach spektralnych chlorofilu w zakresie widzialnym i bliskim IR. Wskaźniki wegetacyjne można uznać za etap pośredni przejścia od wskaźników empirycznych do rzeczywistych właściwości fizycznych pokrywy roślinnej. Często obliczają indeksy uniwersalne i geograficznie związane: LAI – wskaźnik powierzchni liścia lub wskaźnik FPARaktywne promieniowanie fotosyntetyczne , pochłaniane przez roślinność itp. Wskaźnik LAI można zmierzyć w warunkach pełnej skali. Obecnie Internet to comiesięcznie publikowane obrazy rastrowe LAI (rozdzielczość przestrzenna 250 m) na cały świat. Dane te, w połączeniu z metodami klasyfikacji obrazów wielospektralnych, mogą znacznie poprawić niezawodność przetwarzania obrazu w systemach ekspertowych, które uwzględniają wiele różnych informacji.

Jak wiadomo, antropogeniczny wpływ na środowisko prowadzi do pojawienia się na dużą skalę trudnych sprzeczności między interesami rozwoju produkcji a ochroną przyrody, w wyniku intensywnego użytkowania zasobów naturalnych, niszczone są systemy naturalne i następuje intensywne zanieczyszczenie środowiska. Po powrocie do Sztokholmu, na pierwszej Międzynarodowej Konferencji ONZ w sprawie Oceny Środowiska w 1972 roku, uznano, że stan ekologiczny środowiska naturalnego w krajach uprzemysłowionych zagraża nie tylko zdrowiu ludności, ale także samemu istnieniu ludzkości. Rozwiązanie tych problemów wynikających z katastrofalnego pogarszania się środowiska naturalnego znajduje się obecnie w centrum opracowania strategii na rzecz zrównoważonego rozwoju społeczno-gospodarczego krajów uprzemysłowionych, w tym Rosja. W ostatnich latach kosmiczne metody monitorowania stanu ekosystemów zostały szeroko włączone w zakres podstawowych badań nad problemami ekologii na terytorium Rosji.

Pojawienie się globalnej sieci komputerowej Internet i rozwój zaawansowanych technologii informacyjnych otworzyły nowy etap w rozwoju monitorowania środowiska kosmicznego. Szczególną cechą nowego etapu jest szerokie wykorzystanie infrastruktury telekomunikacyjnej, a także hipertekstowe i interaktywne technologie informacyjne, które są niezwykle obiecujące w zdalnym monitorowaniu stanu środowiska. Problematykę integracji krajowych zasobów informacyjnych z otoczeniem, tworzenia regionalnych baz danych i rozbudowy zbiorów elektronicznych w oparciu o wyniki monitorowania środowiska kosmicznego są również aktualne. Rozwój technologii nadzoru z kosmosu,

Dlatego utworzone centra monitoringu przestrzeni (MSC), które wykonują kontrolę operacyjną środowiska i zasobów naturalnych (na przykład, Instytut Fizyki Solar-Terrestrial, Irkuck) zapewniają wielopoziomowe systemy informacyjne monitoringu środowiska czasoprzestrzeni, obejmujący sprzęt i oprogramowanie do gromadzenia, przetwarzania, analizowania i przechowywania informacji satelitarnej.

W świecie, w obserwacji Ziemi nabyć niepełna. Metoda najbardziej pouczające dla rozwiązywania problemów zdalnego badania powierzchni Ziemi z kosmosu jest wykorzystanie obrazów i analizy tematycznej otrzymanego kompleksu instrumentalnej różnych pasm częstotliwości, zamontowane na statku kosmicznego. Szereg satelitów wyposażonych w urządzenia zdalnego wykrywania (Radar, skaterometria atmosfery, Przyrządy pomiarowe i optyczne), umieścić na orbicie specjalnie dla zróżnicowanych informacji potrzebnych do oceny geofizycznych badań środowiska i zasobów naturalnych.

Ziemia

Metody naziemne monitoringu ekologicznego.

Metody fizyko-chemiczne

– Metody jakościowe . Pozwól określić, jaka substancja znajduje się w badanej próbce. Na przykład na podstawie chromatografii [3] .
– Metody ilościowe .
– Metoda grawimetryczna . Istota metody polega na określeniu masy i zawartości procentowej dowolnego pierwiastka, jonu lub związku chemicznego obecnego w badanej próbce.
– Miarkowy(trójwymiarowa) metoda. W tego rodzaju analizach ważenie zastępuje się pomiarem objętości zarówno oznaczanej substancji, jak i odczynnika stosowanego do danego oznaczenia. Metody analizy miometrycznej dzieli się na 4 grupy: a) metody miareczkowania kwasowo-zasadowego; b) metody osadzania; c) metody utleniania i redukcji; d) metody tworzenia kompleksu.
– Metody kolorymetryczne . Kolorymetria jest jedną z najprostszych metod analizy absorpcji. Opiera się na zmianie odcieni kolorów roztworu testowego w funkcji stężenia. Metody kolorymetryczne można podzielić na wizualną kolorymetrię i fotokolorymetrię.
– Metody ekspresowe, Metody ekspresowe obejmują metody instrumentalne, które mogą określić zanieczyszczenie w krótkim okresie czasu. Te metody są szeroko stosowane do określania promieniowania tła w systemie monitorowania powietrza i wody.
– Metody potencjometryczne opierają się na zmianie potencjału elektrody, w zależności od procesów fizykochemicznych zachodzących w roztworze. Są one podzielone na: a) bezpośrednią potencjometrię (jonometrię); b) miareczkowanie potencjometryczne.

Metody monitorowania biologicznego

  1. Bioindykacja to metoda, która pozwala ocenić stan środowiska po spotkaniu, nieobecności i osobliwościach rozwoju organizmów bioindykatorów [4] . Bioindykatory to organizmy, których obecność, ilość lub cechy rozwojowe służą jako wskaźniki naturalnych procesów, warunków lub antropogenicznych zmian w środowisku. Warunki określane za pomocą bioindykatorów nazywane są przedmiotami bioindykacji.
  2. Biotesting – metoda pozwalająca w laboratorium na ocenę jakości obiektów środowiskowych za pomocą żywych organizmów.
  3. Ocena składników bioróżnorodności – to zestaw metod do analizy porównawczej składników różnorodności biologicznej [5] .

Metody przetwarzania danych statystycznych i matematycznych

Do przetwarzania danych z monitoringu wykorzystuje się metody biologii obliczeniowej i matematycznej (w tym modelowanie matematyczne), a także szeroki zakres technologii informatycznych [6] .

Systemy informacji geograficznej

GIS jest odzwierciedleniem ogólnego trendu łączenia danych środowiskowych z obiektami przestrzennymi. Według niektórych ekspertów dalsza integracja GIS i monitorowanie środowiska doprowadzi do stworzenia potężnego EIS (systemów informacji ekologicznej) o ścisłym powiązaniu przestrzennym.

Literatura

  1.  Vinogradov B. V. Monitorowanie ekosystemów w lotnictwie. – Moskwa: Nauka, 1984. – 320 str.
  2. ↑ Sputnik
  3.  Maystrenko VN, Khamitov RZ, Budnikov GK Ekologiczny i analityczny monitoring super toksantów. – Moskwa: Chemistry, 1996. – 319 str.
  4.  Shitikov VK, Rosenberg GS , Zinchenko TD Hydroekologia ilościowa: metody identyfikacji systemu. – Togliatti : IEEB RAS , 2003. – 463 s.
  5.  Gorshkov MV Monitoring środowiska. Podręcznik. zasiłek. – Władywostok: Wydawnictwo TSEU, 2010. 313 s.
  6.  Puzaczenko Yu G. Metody matematyczne w badaniach ekologicznych i geograficznych. Moskwa: Academy, 2004. – 406 s.

Start a Conversation

Your email address will not be published. Required fields are marked *