Файл: Методы ДИ. Шпоры.docx

1. Понятие о дистанционных методах в геоэкологических исследованиях. Методы дистанционного зондирования. Космическое дистанционное зондирование. Применение данных дистанционного зондирования для решения научных и прикладных задач. Методы дистанционного зондирования: активные, пассивные.

Дистанционные зондирование можно представить как процесс, посредством которого собирается информация об объекте, территории или явлении без непосредственного контакта с ней. Методы дистанционного зондирования основаны на регистрации в аналоговой или цифровой форме отраженного или собственного электромагнитного излучения участком поверхности в широком спектральном диапазоне.

С помощью данных ДЗЗ решаются многие важные научные задачи экономического, социального и экологического развития как отдельных регионов, так и страны в целом. В настоящее время данные ДЗЗ широко используются:

- при решении задач в интересах сельского, лесного и рыбного хозяйства;

- поиске, инвентаризации и освоении природных ресурсов;

- обеспечении судоходства и транспортировки грузов, прокладке и контроле состояния различных коммуникаций;

- контроле чрезвычайных ситуаций и оценке экологической обстановки;

- охране природы;

- прогнозировании погоды;

- оценке глобальных изменений и эволюции климата;

- создании и ведении территориальных информационных систем и др.

Методы ДЗЗ:

• пассивные, т.е. использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной радиацией,

• активные - использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия.

Данные ДЗЗ, полученные с датчиков космического базирования, характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на космических аппаратах устанавливаются многоканальные датчики пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в спектральных диапазонах, расположенных в "окнах прозрачности" земной атмосферы.

Оперативное дистанционное зондирование Земли методами аэро- и космической съёмки в кратчайшие сроки даёт людям информацию об изменении поверхности. Информация такого рода на большие территории служит для мониторинга как географических, так и техногенных процессов, анализ которых приносит значительную эффективность при управлении сферами человеческой жизнедеятельности.

2. Дешифрирование аэрофотоматериалов. Виды дешифрирования: общее и специфическое дешифрирование; упрощенное, схематическое, детальное; морфографическое, морфометрическое, инструментальное; полевое, камеральное.

Под дешифрированием аэрофотоматериалов понимается «определение и характеристика по снимкам категорий земной поверхности, явлений и объектов, как слагающих ее, так и находящихся на ней» (Гавеман, 1939). Более развернутое определение понятия дешифрирования дается Г.В. Господиновым (1957). «Под дешифрированием аэрофотоснимков следует понимать процесс распознавания предметов и контуров местности по их фотографическим изображениям, их, качественная и количественная характеристика, установление взаимосвязей между ними, а также выявление особенностей географического размещения и изучение явлений и процессов, происходящих на местности». И.А. Лабутина рассматривает «дешифрирование – как метод изучения и исследования объектов, явлений и процессов на земной поверхности, который заключается в распознавании объектов по их признакам, определении характеристик, установлении взаимосвязей с другими объектами».

---

Дешифрирование аэрофотоснимков для составления топографических карт относится к общему дешифрированию. (Общее (комплексное) дешифрирование является сплошным, параметры снимков должны быть усредненными, опознаются объекты доступные непосредственному наблюдению и измерению. Комплексное дешифрирование в свою очередь делится на Ландшафтное и Топографическое. Первое выполняется для исследования ландшафтов земной поверхности. Второе выявляет и распознает на снимках топографические объекты, являющиеся содержанием топографических карт.)

Дешифрирование аэрофотоснимков с целью исследования почвенных, геоботанических, геологических и т. д. объектов относится к специальному дешифрированию. (Отраслевое дешифрирование избирательное. По снимкам изучается отдельное явление или группа конкретных объектов, их характеристики и взаимосвязи. В зависимости от области применения дешифрирование может быть: Геологическое, сельскохозяйственное, лесное, археологическое, гидрографическое, социально-экономическое и т. д.)

В зависимости от поставленных задач дешифрирование может быть упрощенным, схематическим и детальным.

В зависимости от способов дешифрирования оно подразделяется на:

1) морфографическое дешифрирование, состоящее из визуального рассматривания, определения и характеристики исследуемых по аэрофотоснимкам объектов;

2) морфометрическое дешифрирование, слагающееся из различного вида измерительных исследований содержания аэрофотоснимков (Викторов, 1947);

3) инструментальное дешифрирование, состоящее из фотометрических исследований аэронегативов.

При производственном исследовании почвенного покрова аэрофотрграфическим методом пользуются только двумя первыми способами дешифрирования в связи с недостаточной разработкой метода.

По месту своего проведения дешифрирование подразделяется на полевое и камеральное. При полевом дешифрировании, аэрофотоснимок ориентируется на ме­стности, объекты на аэроснимке сличаются с объектами на местности, опознаются и характеризуются путем изучения их на местности и на снимке. При камеральном дешифрировании опознавание и характеристика наземных объектов произво­дится на основании изучения дешифровочных показателей их на аэрофотоснимках.

3. Аэрокосмические методы, их сущность и разновидности. Принципиальная схема аэрокосмических исследований. Объект исследования в аэрокосмических методах. Многоярусный принцип исследования Земли. Носители съемочной аппаратуры.

Аэрокосмические методы позволяют решать в геоэкологии такие общие задачи, как инвентаризация различного рода территориальных систем, оценка их состояния и возможностей использования, изучение динамики, геоэкологическое прогнозирование. На рис. 1 в обобщенном виде представлена принципиальная схема выполнения аэрокосмических геоэкологических исследований. Необходимым элементом исследований по снимкам является оценка достоверности и точности полученных результатов. Для этого приходится привлекать другую информацию и обрабатывать ее иными методами, что требует дополнительных затрат.

---

Рис. 1 Принципиальная схема аэрокосмических исследований, показывающая основные технологические этапы и конечную цель

Объектом исследования съемки могут выступать — участки территории, местности, так и объекты изучения, исследования — определенные типы поверхности, явления на местности или протекающими на ней процессам. С точки зрения аэрокосмических методов объект изучения целесообразно рассматривать как пространственно-временную категорию иерархического строения: мелкие объекты включены в более крупные, кратковременные процессы – в долговременные. Важнейшая характеристика объектов съемки, освещение которых закономерно меняется в течение дня, – их отражательно-излучательная способность. Аэрокосмические методы позволяют прямо или косвенно получать только ту географическую информацию о местности, которая заложена в особенностях излучения, идущего от объекта съемки.

Аэрокосмические снимки — основной результат аэрокосмических съемок, для выполнения которых используют разнообразные авиационные и космические носители.

Рис. 2. Носители съемочной аппаратуры

Рисунок иллюстрирует также многоярусный принцип исследования Земли, предусматривающий космические, авиационные и наземные (надводные) наблюдения.

При аэрокосмических методах исследования информация об удаленном объекте (местности) передается с помощью электромагнитного излучения, которое характеризуется параметрами:

- интенсивность,

- спектральный состав,

- поляризация,

- направление распространения.

Зарегистрированные физические параметры излучения, функционально зависящие от биогеофизических характеристик, свойств, состояния и пространственного положения объекта исследования, позволяют изучать его косвенно. В этом заключается сущность аэрокосмических методов.

Аэрокосмические съемки выполняются с помощью специальной съемочной аппаратуры, чаще всего — фотографических камер, сканеров и радиолокаторов, которые иногда объединяют общим названием сенсоры (от англ. sensor — чувствительный элемент).

Съемочная аппаратура, позволяющая одновременно получать снимки в нескольких спектральных зонах, называется многозональной, а в десятках и сотнях очень узких спектральных зон — гиперспектральной.

Принцип множественности, или комплексности, аэрокосмических исследований предусматривает использование не одного снимка, а их серий, различающихся по масштабу, обзорности и разрешению, ракурсу и времени съемки, спектральному диапазону и поляризации регистрируемого излучения.

4. Космические системы изучения природных ресурсов и мониторинга окружающей среды. Свойства аэрокосмических снимков как информационных моделей местности (изобразительные, радиометрические, геометрические), их характеристика.

Космические методы базируются на длительной работе регулярно пополняемых группировок спутников — спутниковых систем, которые включают сложную инфраструктуру, обеспечивающую функционирование космических аппаратов на орбите (центры управления полетом и съемкой), прием информации (наземные пункты приема, спутники-ретрансляторы), ее хранение и распространение (центры первичной обработки, архивы снимков).

---

Аэрокосмические снимки как информационные модели местности характеризуются рядом свойств, среди которых выделяют изобразительные, радиометрические и геометрические. Изобразительные свойства характеризуют способность снимков воспроизводить мелкие детали, цвета и тоновые градации объектов, радиометрические свидетельствуют о точности количественной регистрации снимком яркостей объектов, геометрические характеризуют возможность определения по снимкам размеров, длин и площадей объектов и их взаимного положения.

Важными показателями снимка служат охват и разрешение. Обычно для географических исследований требуются снимки большого охвата и высокого разрешения. Однако удовлетворить эти противоречивые требования в одном снимке не удается. Обычно чем больше охват получаемых снимков, тем ниже их разрешение. Поэтому при разработке съемочной аппаратуры приходится идти на компромиссные решения либо выполнять одновременно съемку несколькими системами с различными параметрами.

5. Методы получения информации по снимкам: дешифрирование и фотограмметрическая обработка. Эталонирование снимков. Аэрокосмическое картографирование, моделирование и прогнозирование.

Необходимая для геоэкологических исследований информация (предметно-содержательная и геометрическая) извлекается из снимков двумя основными методами: дешифрированием и фотограмметрической обработкой. Оба метода используют как традиционные технологии, основанные на визуальной обработке аналоговых снимков, так и компьютерные, которые автоматизируют эти процессы при работе с цифровыми снимками.

Дешифрирование позволяет получать предметную, тематическую (в основном качественную) информацию об изучаемом объекте или процессе, его связях с окружающими объектами. В визуальном дешифрировании обычно выделяют чтение снимков и их интерпретацию (толкование). Умение читать снимки базируется на знании дешифровочных признаков объектов и изобразительных свойств снимков. Глубина же интерпретационного дешифрирования существенно зависит от уровня географической подготовки исполнителя. Чем лучше знает дешифровщик предмет своего исследования, тем полнее и достовернее информация, извлекаемая из снимка.

Фотограмметрическая обработка призвана дать ответ на вопрос, где находится изучаемый объект и каковы его геометрические характеристики – размер, форма. Она позволяет определять по снимкам плановое и пространственное положение объектов и их изменение во времени. Для фотограмметрических измерений снимков применяют специальные прецизионные оптико-механические приборы, а также компьютерные комплексы со специализированным программным обеспечением.

Эталонирование. Получить посредством дешифрирования (визуального или компьютерного) или фотограмметрической обработки необходимые характеристики изучаемого объекта только по снимкам без каких-либо натурных определений, без обращения к «земной правде» в большинстве случаев невозможно.

---

Например, для спектрометрических определений по многозональному снимку, на которых основано компьютерное дешифрирование, требуется выполнить радиометрическую калибровку снимков (их эталонирование), а для получения размера объекта по снимку фотограмметрическим способом необходима его геометрическая калибровка. Процедура получения и учета калибровочной информации составляет необходимый элемент технологической схемы аэрокосмических исследований. Эта информация обязательна для любой обработки снимков, хотя объем ее бывает различным; чем выше требуемая точность определений по снимкам, тем он значительнее. Принято различать абсолютную и относительную калибровку. При обработке одиночных снимков ограничиваются относительной калибровкой, а нескольких, например многозональных, желательна их абсолютная калибровка.

Аэрокосмическое картографирование. Итоговым звеном технологической схемы аэрокосмических геоэкологических исследований является изготовление по снимкам карт, от качества которых зависит не только их эстетическое восприятие, но и степень достоверности исследований. Многолетний опыт работ свидетельствует о том, что создание карт и ГИС – главнейшее направление практического и научного использования аэрокосмической информации. Результаты комплексных географических исследований, выполненных с использованием аэрокосмических снимков, представляют в виде серий взаимосогласованных тематических карт, отражающих пространственные закономерности, качественные и количественные характеристики изученной территории. Они составляют базовую основу интегрированных ГИС.

Моделирование и прогнозирование. Дальнейшие этапы включают определение количественных характеристик исследуемого явления, необходимых для математического моделирования с целью прогнозирования развития явления или процесса. Элементы этой схемы сейчас реализуются при прогнозировании талого стока рек, будущего урожая, а иногда и для экологического прогноза-предупреждения. Роль аэрокосмической информации при географическом прогнозировании будет возрастать.

6. Схема дистанционного зондирования Земли. Процесс получения и анализа данных дистанционного зондирования.

Идеальная схема дистанционного зондирования показана на рис.2.

Ее составляющими являются источник электромагнитного излучения, процесс распространения излучения и его взаимодействие с веществом объекта, ответный сигнал, регистрация данных и предоставление их потребителям. В этой модели источник генерирует электромагнитное излучение с высоким уровнем энергии во всем диапазоне длин волн, причем интенсивность излучения является известной величиной, которая не зависит от длины волны. Излучение не взаимодействует с атмосферой и распространяется через нее без потери энергии. Падающее излучение взаимодействует с веществом объекта, в результате чего возникает отраженное либо собственное вторичное излучение, однородное во всем диапазоне длин волн.

---