Дистанционное зондирование земли. Дистанционные методы исследования почвенного покрова

Методы исследования природных ресурсов

природный ресурсы информация

В условиях интенсивного развития производительных сил и роста природонаселения проблема рационального использования природных ресурсов приобретает первостепенное значение.

Для исследования природных ресурсов все большее применение находят дистанционные методы сбора и регистрации информации с последующей обработкой полученных данных средствами цифровой техники. Этому в значительной степени способствует запуск серии природоресурсных спутников Земли с аппаратурой зондирования подстилающей поверхности в видимом, инфракрасном и радиоволновом диапазонах электромагнитного излучения малого, среднего и высокого разрешения. .

Для приема информации, поступающей с искусственных спутников Земли(ИСЗ), и ее первичной обработки с целью устранения шумов и искажений создана сеть региональных центров, обеспечивающих хранение, тиражирование и распространение полученных изображений. Однако для решения задач тематической обработки требуется использование дополнительных источников информации. Для этих целей создаются средства подспутниковых съемок и наземные комплексы сбора данных.

Дистанционные исследования подразделяются на исследования наземного базирования и высотные. Полевые дистанционные исследования наземного базирования проводятся на стандартных полигонах или в реальных условиях при подсамолетных или подспутниковых экспериментах. Как правило, они проводятся в комплексе с контактными исследованиями, для чего создаются комплексные системы исследований .

Высотные дистанционные исследования выполняются с помощью средств аэро - или космического базирования.

Средства космического базирования передают информацию, которая необходима для решения большинства задач дистанционных исследований природных объектов. Они оснащены аппаратурой видимого, инфракрасного, радиоволнового диапазонов, приборами регистрации и обработки данных.

Данные, полученные комплексами сбора, при решении тематических задач подлежат обработке ручными или автоматизированными методами. К настоящему времени, широкое распространение находят методы цифровой обработки.

Понятие и задачи космического мониторинга окружающей среды

Космический мониторинг - это постоянные наблюдения, контроль за состоянием окружающей природной среды. Он проводится с ряда ИСЗ.

Широкое применение имеют данные таких зарубежных спутниковых систем, как: Landsat, Spot, NOAA,ERS,GEOS, MODIS, Sea WiFS и др., а также российских спутниковых систем серии Ресурс-О.

Специальную задачу космического мониторинга составляют выделение тех изменений, которые вызваны деятельностью человека - антропогенно-техногенными факторами.

Космический мониторинг является комплексным наблюдение за земной поверхностью, атмосферой, гидросферой, растительным и животным миром.

Выделяют три группы комплексных задач космического мониторинга:

Задачи, связанные с наблюдением за состоянием всей географической оболочки в целом(глобальный мониторинг);

Задачи, связанные с конкретными природно-хозяйственными системами в конкретной области, стране. Здесь также комплексно изучаются изменение состава атмосферы, температура и влажность воздуха, наличие озоновых дыр и др. Наблюдаются отдельные лесные массивы, их состояние(зараженность, пожары, вырубки), изучаются бассейны рек, отдельных озер, миграция отдельных видов животных и др.(природно-хозяйственный мониторинг);

Задачи, связанные с конкретным контролем отдельных природных объектов. Наблюдению подлежат отдельные реки, озера, связанные с обеспечением питьевой водой; фиксация выбросов промышленности, слежение за чистотой воздуха над городами(санитарно-гигиенический мониторинг).

Эти три вида космического мониторинга различаются между собой по масштабу, охвату явлений и разным методам наблюдений.

Полноценное ведение глобального мониторинга в области слежения за атмосферой, океанами, морями и озерами возможно только при налаживании международного сотрудничества.

Общей задачей для всех видов мониторинга является слежение за окружающей средой, предупреждение о наступлении нежелательных и опасных явлений, прогноз дальнейшего развития природных явлений в связи с огромным действием антропогенно-техногенных факторов.

Введение

Стремительное развитие космонавтики, успехи в изучение околоземного и межпланетного космического пространства, выявилось весьма высокая эффективность использования околоземного космоса и космических технологий в интересах многих наук о Земле: география, гидрология, геохимия, геология, океанология, геодезия, гидрология, землеведение.

Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного прогнозирования погоды и гидрометеорологической обстановки, для навигации на морских путях и авиационных трассах, для высокоточной геодезии, изучения природных ресурсов Земли и контроля среды обитания становится все более привычным. В ближайшей и в более отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космической техники в различных областях хозяйства значительно возрастет

Дистанционные методы

Дистанционные методы - общее название методов изучения наземных объектов и космических тел неконтактным путём на значительном расстоянии (например, с воздуха или из космоса) различными приборами в разных областях спектра (Рис.1). Дистанционные методы позволяют оценивать региональные особенности изучаемых объектов, выявляемые на больших расстояниях. Термин получил распространение после запуска в 1957 первого в мире искусственного спутника Земли и съёмки обратной стороны Луны советской автоматической станцией "Зонд-3" (1959).

Рис. 1. Основные геометрические параметры сканирующей системы: - угол обзора; Х и У - линейные элементы сканирования; dx и dy - элементы изменения мгновенного угла зрения; W - направление движения

Различают активные дистанционные методы, основанные на использовании отражённого объектами излучения после облучения их искусственными источниками, и пассивные , которые изучают собственное излучение тел и отражённое ими солнечное. В зависимости от расположения приёмников дистанционные методы подразделяют на наземные (в том числе надводные), воздушные (атмосферные, или аэро-) и космические. По типу носителя аппаратуры дистанционные методы различают самолётные, вертолётные, аэростатные, ракетные, спутниковые дистанционные методы (вгеолого-геофизических исследованиях - аэрофотосъёмка, аэрогеофизическая съёмка и космическая съёмка). Отбор, сравнение и анализ спектральных характеристик в разных диапазонах электромагнитного излучения позволяют распознать объекты и получить информацию об их размере, плотности, химическом составе, физических свойствах и состоянии. Для поисков радиоактивных руд и источников используется g-диапазон, для установления химического состава горных пород и почв - ультрафиолетовая часть спектра; световой диапазон наиболее информативен при изучении почв и растительного покрова, инфракрасная (ИК) - даёт оценки температур поверхности тел, радиоволны - информацию о рельефе поверхности, минеральном составе, влажности и глубинных свойствах природных образований и об атмосферных слоях.

По типу приёмника излучения дистанционные методы подразделяют на визуальные, фотографические, фотоэлектрические, радиометрические и радиолокационные. В визуальном методе (описание, оценка и зарисовки) регистрирующим элементом является глаз наблюдателя. Фотографические приёмники (0,3-0,9 мкм) обладают эффектом накопления, однако они имеют различную чувствительность в разных областях спектра (селективны). Фотоэлектрические приёмники (энергия излучения преобразуется непосредственно в электрический сигнал при помощи фотоумножителей, фотоэлементов и других фотоэлектронных приборов) также селективны, но более чувствительны и менее инерционны. Для абсолютных энергетических измерений во всех областях спектра, и особенно в ИК, используют приёмники, преобразующие тепловую энергию в другие виды (чаще всего в электрические), для представления данных в аналоговой или цифровой форме на магнитных и других носителях информации для их анализа при помощи ЭВМ. Видеоинформация, полученная телевизионными, сканерными (рис.), панорамными камерами, тепловизионными, радиолокационными (бокового и кругового обзора) и другими системами, позволяет изучить пространственное положение объектов, их распространённость, привязать их непосредственно к карте.

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) - получение информации о поверхности Земли и объектах на ней, атмосфере, океане, верхнем слое земной коры бесконтактными методами, при которых регистрирующий прибор удален от объекта исследований на значительное расстояние. Общей физической основой дистанционного зондирования является функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта и его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением.

В современном облике дистанционного зондирования выделяются два взаимосвязанных направления - естественно-научное (дистанционные исследования) и инженерно-техническое (дистанционные методы), что нашло отражение в широко распространенных англоязычных терминах remote sensing и remote sensing techniques. Понимание сущности дистанционного зондирования неоднозначно. Аэрокосмическая школа Московского университета им. М.В.Ломоносова в качестве предмета дистанционного зондирования как научной дисциплины рассматривает пространственно-временные свойства и отношения природных и социально-экономических объектов, проявляющиеся прямо или косвенно в собственном или отраженном излучении, дистанционно регистрируемом из космоса или с воздуха в виде двумерного изображения - снимка. Эта существенная часть дистанционного зондирования названа аэрокосмическим зондированием (АКЗ) , что подчеркивает его преемственность с традиционными аэрометодами. Метод аэрокосмического зондирования основан на использовании снимков, которые, как свидетельствует практика, представляют наибольшие возможности для комплексного изучения земной поверхности.

Во всех странах действенным стимулом развития аэрокосмического зондирования служат запросы военных ведомств. С внедрением космических методов и современных цифровых технологий аэрокосмическое зондирование приобретает все более важное экономическое значение и становится обязательным элементом высшего образования в природоведческих вузах, превращается в мощное средство изучения Земли от локальных исследований отдельных компонентов до глобального изучения планеты в целом. Поэтому при изложении различных аспектов аэрокосмического зондирования целесообразно рассматривать его как метод исследований, результативно применяемый во всех науках о Земле, и, прежде всего в географии.

История и современное состояние аэрокосмического зондирования

Дистанционные методы применяются в исследованиях Земли очень давно. Вначале использовались рисованные снимки , которые фиксировали пространственное расположение изучаемых объектов. С изобретением фотографии возникла наземная фототеодолитная съемка, при которой по перспективным фотоснимкам составляли карты горных районов. Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством исследований — аэрометодами.

История развития аэрокосмических методов свидетельствует о том, что новые достижения науки и техники сразу же используются для совершенствования технологий получения снимков. Так произошло в середине XX в., когда такие новшества, как компьютеры, космические аппараты, радиоэлектронные съемочные системы, совершили революционные преобразования в традиционных аэрофотометодах - зародилось аэрокосмическое зондирование. Космические снимки предоставили геоинформацию для решения проблем регионального и глобального уровней.

В настоящее время отчетливо проявляются следующие тенденции поступательного развития аэрокосмического зондирования.

• Космические снимки, оперативно размещаемые в Интернете, становятся наиболее востребованной видеоинформацией о местности как для специалистов-профессионалов, так и для широких слоев населения.
• Разрешение и метрические свойства космических снимков открытого доступа быстро повышаются. Получают распространение орбитальные снимки сверхвысокого разрешения - метрового и даже дециметрового, которые успешно конкурируют с аэроснимками.
• Аналоговые фотографические снимки и традиционные технологии их обработки утрачивают свое прежнее монопольное значение. Основным обрабатывающим прибором стал компьютер, оснащенный специализированным программным обеспечением и периферией.
• Развитие всепогодной радиолокации превращает ее в прогрессивный метод получения метрически точной пространственной геоинформации, который начинает эффективно комплексироваться с оптическими технологиями аэрокосмического зондирования.
• Быстро формируется рынок разнообразной продукции аэрокосмического зондирования Земли. Неуклонно увеличивается число коммерческих космических аппаратов, функционирующих на орбитах, особенно зарубежных. Наибольшее применение находят снимки, получаемые ресурсными спутниковыми системами Landsat (США), SPOT (Франция), IRS (Индия), картографическими спутниками ALOS (Япония), Cartosat (Индия), спутниками сверхвысокого разрешения Ikonos, QiuckBird, GeoEye (США), в том числе радиолокационными TerraSAR-X и TanDEM-X (Германия), выполняющими тандемную интерферометрическую съемку. Успешно эксплуатируется система спутников космического мониторинга RapidEye (Германия).

Принципиальная технологическая схема дистанционных исследований Земли

Рис. 1

На рис.1 в обобщенном виде представлена принципиальная схема выполнения аэрокосмических исследований. Она включает основные технологические этапы: получение снимка объекта исследования и дальнейшую работу со снимками - их дешифрирование и фотограмметрическую обработку, а также конечную цель исследований - составленную по снимкам карту, геоинформационную систему, разработанный прогноз. Поскольку получить необходимые характеристики изучаемого объекта только по снимкам без каких-либо натурных определений, без обращения к «земной правде» в большинстве случаев невозможно, необходимо их эталонирование. Важным элементом исследований по снимкам является также оценка достоверности и точности полученных результатов. Для этого приходится привлекать другую информацию и обрабатывать ее иными методами, что требует дополнительных затрат.

Снимок - основное понятие аэрокосмического зондирования

Аэрокосмические снимки — основной результат аэрокосмических съемок, для выполнения которых используют разнообразные авиационные и космические носители (рис. 2). Аэрокосмические съемки делят на пассивные , которые предусматривают регистрацию отраженного солнечного или собственного излучения Земли, и активные , при которых выполняют регистрацию отраженного искусственного излучения.

Рис. 2

Аэрокосмический снимок — это двумерное изображение реальных объектов, которое получено по определенным геометрическим и радиометрическим (фотометрическим) законам путем дистанционной регистрации яркости объектов и предназначено для исследования видимых и скрытых объектов, явлений и процессов окружающего мира, а также для определения их пространственного положения.

Диапазон масштабов современных аэрокосмических снимков огромен: он может меняться от 1:1000 до 1:100 000 000, т. е. в сто тысяч раз. При этом наиболее распространенные масштабы аэрофотоснимков лежат в пределах 1:10 000—1:50 000, а космических — 1:200 000—1:10 000 000. Все аэрокосмические снимки принято делить на аналоговые (обычно фотографические) и цифровые (электронные). Изображение цифровых снимков образовано из отдельных одинаковых элементов — пикселов (от англ. picture element — рixel ); яркость каждого пиксела характеризуется одним числом.

Аэрокосмические снимки как информационные модели местности характеризуются рядом свойств, среди которых выделяют изобразительные, радиометрические (фотометрические) 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 пространственное разрешение . Обычно для 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 приходится идти на компромиссные решения либо выполнять одновременно съемку несколькими системами с различными параметрами.

Технологии получения и основные типы аэрокосмических снимков

Аэрокосмическую съемку ведут в окнах прозрачности атмосферы (рис.3), используя излучение в разных спектральных диапазонах - световом (видимом, ближнем и среднем инфракрасном), тепловом инфракрасном и радиодиапазоне.

Рис. 3

В каждом из них применяют разные технологии получения изображения и в зависимости от этого выделяются несколько типов снимков (рис.4).

Рис.4

Снимки в световом диапазоне делятся на фотографические и сканерные, которые в свою очередь подразделяются на полученные оптико-механическим сканированием (ОМ-сканерные) и оптико-электронным с использованием линейных приемников излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-сканерные). На таких снимках отображаются оптические характеристики объектов - их яркость, спектральная яркость. Применяя многозональный принцип съемки, получают в этом диапазоне многозональные снимки , а при большом числе съемочных зон - гиперспектральные , использование которых основано на спектральной отражательной способности объектов съемки, их спектральной яркости .

Проводя съемку с использованием приемников теплового излучения - тепловую съемку , - получают тепловые инфракрасные снимки. Съемку в радиодиапазоне ведут, применяя как пассивные, так и активные методы, и в зависимости от этого снимки делятся на микроволновые радиометрические, получаемые при регистрации собственного излучения исследуемых объектов, и радиолокационные снимки, получаемые при регистрации отраженного радиоизлучения, посылаемого с носителя - радиолокационной съемке .

Методы получения информации по снимкам: дешифрирование и фотограмметрические измерения

Необходимая для исследований информация (предметно-содержательная и геометрическая) извлекается из снимков двумя основными методами, это дешифрирование и фотограмметрические измерения

Дешифрирование, которое должно дать ответ на основной вопрос - что изображено на снимке, 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 подготовки исполнителя. Чем лучше знает дешифровщик предмет своего исследования, тем полнее и достовернее информация, извлекаемая из снимка.

Фотограмметрическая обработка (измерения) призвана дать ответ на вопрос - где находится изучаемый объект и каковы его геометрические характеристики : размер, форма. Для этого выполняется трансформирование снимков, их изображение приводится в определенную картографическую проекцию. Это позволяет определять по снимкам положение объектов и их изменение во времени.

Современные компьютерные технологии получения информации по снимкам позволяют решать следующие группы задач:

• визуализация цифровых снимков;
• геометрические и яркостные преобразования снимков, включая их коррекцию;
• конструирование новых производных изображений по первичным снимкам;
• определение количественных характеристик объектов;
• компьютерное дешифрирование снимков (классификация).

Для выполнения компьютерного дешифрирования применяют наиболее распространенный подход, основанный на спектральных признаках, в качестве которых служит набор спектральных яркостей, зарегистрированных многозональным снимком. Формальная задача компьютерного дешифрирования снимков сводится к классификации — последовательной «сортировке» всех пикселов цифрового снимка на несколько групп. Для этого предложены алгоритмы классификации двух видов — с обучением и без обучения, или кластеризации (от англ. cluster — скопление, группа). При классификации с обучением пикселы многозонального снимка группируются на основе сравнения их яркостей в каждой спектральной зоне с эталонными значениями. При кластеризации же все пикселы разделяют на группы-кластеры по какому-либо формальному признаку, не прибегая к обучающим данным. Затем кластеры, полученные в результате автоматической группировки пикселов, дешифровщик относит к тем или иным объектам. Достоверность компьютерного дешифрирования формально характеризуется отношением числа правильно классифицируемых пикселов к их общему числу.

Вычислительные алгоритмы, основанные на спектральных признаках отдельных пикселов, обеспечивают надежное решение только самых простых классификационных задач; они рационально включаются в качестве элементов в сложный процесс визуального дешифрирования, которое пока остается основным методом извлечения природной и социально-экономической информации из аэрокосмических снимков.

Применение аэрокосмического зондирования в картографировании и исследованиях Земли

Аэрокосмические снимки применяются во всех направлениях изучения Земли, но интенсивность их использования и результативность применения в разных областях исследований различны. Они чрезвычайно важны в исследованиях литосферы, показывая раздробленность геологического фундамента линейными разломами и кольцевыми структурами и облегчая поиски месторождений полезных ископаемых; в исследованиях атмосферы, где снимки дали основу метеорологических прогнозов; благодаря снимкам из космоса открыта вихревая структура океана, зафиксировано состояние растительного покрова Земли на рубеже веков и его изменения в последние десятилетия. Пока космические снимки значительно меньше применяются при социально-экономических исследованиях. Различаются и типы задач, решаемых по снимкам в разных предметных областях. Так, решение инвентаризационных задач реализуется при изучении природных ресурсов, например при картографировании почв, растительности, поскольку снимки наиболее полно отображают сложную пространственную структуру почвенно-растительного покрова. Оценочные задачи, оперативная оценка состояния экосистем выполняются в рамках исследований биопродуктивности океанов, ледового покрова морей, контроля за пожароопасной ситуацией в лесах. Прогностические задачи, использование снимков для моделирования и прогнозирования наиболее развито в метеорологии, где их анализ является основой прогнозов погоды, в гидрологии — для прогноза талого стока рек, паводков и наводнений. Начинаются исследования по прогнозированию сейсмической активности, землетрясений на основе анализа состояния литосферы и верхней атмосферы.

При работе со снимками используются все виды их обработки, но наиболее широко развито дешифрирование снимков, прежде всего визуальное, которое теперь подкрепляется возможностями компьютерных улучшающих преобразований и классификации изучаемых объектов по снимкам. Большое развитие получило создание по снимкам различных производных изображений на основе спектральных индексов. С выполнением гиперспектральной съемки стали создаваться десятки видов таких индексных изображений. Разработка методов интерферометрической обработки материалов радиолокационной съемк и открыла возможность высокоточных определений смещений земной поверхности. Переход к цифровым методам съемки, развитие цифровой стереоскопической съемки и создание цифровых фотограмметрических систем расширили возможности фотограмметрической обработки космических снимков, используемой главным образом для создания и обновления топографических карт.

Хотя одно из основных достоинств космических снимков заключается в совместном отображении всех компонентов земной оболочки, обеспечивающем комплексность исследований, тем не менее применение снимков в различных областях изучения Земли шло пока разрозненно, так как везде требовалась углубленная разработка собственных методик. Идея комплексных исследований наиболее полно реализована при выполнении в нашей стране программы комплексной картографической инвентаризации природных ресурсов, когда по снимкам создавались серии взаимоувязанных и взаимосогласованных карт. Осознание на рубеже веков экологических проблем, нависших над человечеством, и парадигма изучения Земли как системы вновь активизировали комплексные межотраслевые исследования.

Анализ применения снимков в разных направлениях исследований четко показывает, что при всем многообразии решаемых задач магистральный путь практического использования аэрокосмических снимков лежит через карту, которая имеет самостоятельное значение и, кроме того, служит базовой основой ГИС.

Рекомендуемая литература

1. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В . Аэрокосмические методы географических исследований - М.:Изд.Центр Академия. 2004. 336 с.

3. Краснопевцев Б.В. Фотограмметрия. - М.:МИИГАиК, 2008. - 160 с.

2. Лабутина И.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков. - М.:Аспект Пресс. 2004. -184 с.

4. Смирнов Л.Е. Аэрокосмические методы географических исследований. - СПб.:Изд-во С-Петербургского ун-та, 2005. - 348 с.

5. Рис. Г.У. Основы дистанционного зондирования. -М.: Техносфера, 2006, 336 с.

6. Jensen J.R. Remote sensing of the environment: an Earth resource perspective. — Prentice Hall, 2000. — 544 p.

Атласы аэрокосмических снимков:

8. Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков. Методика и результаты. — М.: Наука; Берлин: Академи-Ферлаг. — Т. 1. — 1982. — 84 с.;

9. Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков. Система «Фрагмент». Методика и результаты. — М.: Наука; Берлин: Академи-Ферлаг. Т. 2. — 1988. — 124 с.

10. Космические методы геоэкологии. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. — 104 с.

УТВЕРЖДАЮ

Проректор-директор ИПР

«_____» ________ 201 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Дистанционные методы ИССЛЕДОВАНИЙ

НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 022000 ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: Геоэкология

КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): бакалавр

БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2010 г. (с изменениями 2012 г.)

КУРС 3; СЕМЕСТР 5;

КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 3

ПРЕРЕКВИЗИТЫ: Геология; География; Экология;

КОРЕКВИЗИТЫ: Геоинформационные системы в экологии; Ресурсы Земли; Охрана окружающей среды

ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:

ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: ЗАЧЕТ В 5 СЕМЕСТРЕ

Обеспечивающая кафедра: «Геоэкологии и геохимии »

ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: д. г.-м. н., профессор

РУКОВОДИТЕЛЬ ООП: д. г.-м. н., профессор

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: к. г.н., доцент

Предисловие

1. Рабочая программа составлена на основе Федерального государственного образовательного стандарта по направлению 022000 «Экология и природопользование », утвержденного 22 декабря 2009 г. № 000

РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры геоэкологии и геохимии 13.10.2011 г. протокол

2. Разработчики:

доцент кафедры ГЭГХ ____________

3. Зав. обеспечивающей кафедрой ГЭГХ ____________

4.Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с институтом, выпускающими кафедрами направления; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.

Зав. выпускающей кафедрой ___________

1. Цели освоения дисциплины

В результате освоения данной дисциплины студент приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей основной образовательной программы «Экология и природопользование».

Студент, изучивший курс «Дистанционные методы исследования», должен знать:

Основные современные системы, методы и технологии дистанционных методов исследования окружающей среды и спектры решаемых геоэкологических задач;

Цели предмета «Дистанционные методы исследования» достигаются за счёт выполнения комплекса учебно-методических работ:

Овладение общетеоретическими знаниями о современных методах дистанционных исследований окружающей среды;

Умение на лабораторных занятиях применять современные методы дистанционного зондирования для решения широкого спектра геоэкологических задач;

Освоение общих принципов обработки данных ДМИ, возможности получения результатов ДМИ, доступа к информации.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина относится к дисциплинам математического и естественнонаучного цикла (Б.2). Она непосредственно связана с дисциплинами естественнонаучного и математического цикла («Геология», «География», «Экология» и др.) и частично опирается на освоенные при изучении данных дисциплин знания и умения.

Знания и умения, полученные при освоении данной дисциплины, являются основой для изучения ряда дисциплин математического и естественнонаучного (Б.2) и профессионального (Б.3) циклов: «Ресурсы Земли», «Охрана окружающей среды», «Оценка воздействия на окружающую среду», «Геоэкология», «Основы поисков и геолого-экономической оценки природных ресурсов», «Геоинформационные системы в экологии».

3. Результаты освоения дисциплины

Студент, изучивший дисциплину «Дистанционные методы исследования» должен уметь:

Четко формулировать задачи, комплексирование дистанционных методов при геоэкологических исследованиях разного масштаба и ориентации мониторинга окружающей среды;

Уметь на основе анализа литературных источников и комплекта космических снимков давать оценку состояния окружающей среды.

После изучения данной дисциплины студенты приобретают знания, умение и опыт, соответствующие результатам основной образовательной программы. Соответствие результатов освоения дисциплины «Дистанционные методы исследования» формируемым компетенциям ООП представлено в таблице.

*Расшифровка кодов результатов обучения и формируемых компетенций представлена в ФГОС ВПО по направлению подготовки бакалавров по направлению 022000 «Экология и природопользование».

4. Структура и содержание дисциплины

Раздел 1. Введение

Лекции. Определение и содержание понятий «дистанционные методы исследований» (ДМИ) и «дистанционное зондирование земли» (ДЗЗ). Взаимосвязь с основными дисциплинами учебного плана. Актуальность применения ДМИ. Основные группы методов. Исторические сведения об использовании ДМИ. Развитие ДМИ и ДЗЗ в Мире, России, г. Томске, ТПУ. Научная и учебная литература , периодические и информационно-справочные издания.

Раздел 2. Физические основы ДМИ. Электромагнитное излучение (ЭМИ) как основа ДМИ.

2.1. Общие сведения об ЭМИ

Лекции. Определение и основные характеристики (параметры) ЭМИ. Шкала длин волн, основные диапазоны (излучения): космическое, гамма, рентгеновское, оптическое (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное или тепловое), радиодиапазон (СВЧ, ВЧ, УКВ, КВ, средневолновое, длинноволновое), сверхнизкочастотное (пульсации звезд, катаклизмы типа землетрясений, извержений вулканов и т. п.). Спектральная (длина волны, энергия кванта, интенсивность…), временная и поляризационная характеристики ЭМИ. Особенности лазерного излучения. Основные диапазоны, используемые в ДМИ. Основные ДМИ по типу измеряемой энергии и их характеристика (пассивные, активные).

Солнце как основной источник ЭМИ в природе. Характеристика спектра солнечной радиации.

Лабораторная работа 1-2. Занятие с учебно-методическими материалами (Альбомы космоснимков, образцы дешифрирования аэрофотоснимков, Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков).

2.2. Взаимодействие ЭМИ с атмосферой

Лекции Основные физические и химические параметры атмосферы, влияющие на ЭМИ. Взаимодействие ЭМИ с озоном. Зоны прозрачности атмосферы для теплового излучения. Взаимодействие атмосферы с ЭМИ микроволнового диапазона. Причины избирательного поглощения и рассеяния. ЭМИ в атмосфере (рассеяние Рэлея, Ми). Влияние положения участка земной поверхности по отношению к Солнцу на характеристику ЭМИ и особенности применения ДМИ для решения различных задач.

2.3. Взаимодействие ЭМИ с различными веществами и средами на поверхности Земли

Лекции. Характеристика главных процессов взаимодействия ЭМИ с веществами на поверхности Земли (отражение, рассеивание, абсорбция , трансмиссия, эмиссия) и их важнейшие константы (альбедо, коэффициент поглощения, экстинкция, чистое пропускание, эмиссия). Основные факторы взаимодействия, влияющие на эффективность применения ДМИ при решении геоэкологических задач.

Раздел 3. Основные характеристики природных сред и материалов для ДМИ

3.1. Характеристики горных пород

Лекции. Отражательная и поглощательная способности горных пород, их зависимость от минералогических и геохимических характеристик, генетической породы. Диагностика горных пород при ДМИ. Влияние вторичных процессов (гидротермальные изменения, выветривание) на первичные характеристики пород. Части спектра ЭМИ, в которых горные породы обладают высокими контрастными характеристиками.

Вторичное тепловое излучение (эмиссия) горных пород. Взаимосвязь вещественного состава, генетических особенностей горных пород с их физическими свойствами и эмиссией. Условия благоприятные для проведения инфракрасных съёмок.

Использование спектральных характеристик горных пород при ДМИ в целях геокартирования, решения геоэкологических задач, прогнозирования и поисков месторождений полезных ископаемых .

Лабораторная работа 3. Поиск данных по темам дистанционного зондирования в сети Internet

3.2. Характеристика почв

Лекции. Отражательная и поглотительная способности почв, их отличие от горных пород. Причины отличия. Различие основных типов почв по их спектральной яркости. Связь спектральной характеристики почв с их основными параметрами (минеральный и химический состав, содержание органики, влажность , структура и др.). Спектральные каналы для изучения основных характеристик почв.

Тепловое излучение почв. Основные свойства почв, определяющие её температурные характеристики.

Использование характеристик почв при ДМИ для их картирования и решения геоэкологических задач.

3.3. Характеристика растительности

Лекции. Отражательная и пропускная способность. Спектральные характеристики отраженного и прошедшего излучения при его взаимодействии с различными растительными сообществами, с больной и здоровой листвой. Влияние внешних факторов на характеристики растений (климат, тип почв, характер питательных и загрязняющих веществ и др.).

Характеристика теплового (температурного) излучения растений и его связь с внутренними и внешними факторами.

Смещение спектральных характеристик растительных сообществ как чуткий индикатор изменения различных факторов окружающей среды.

3.4. Характеристика вод озёр, рек, морей

Лекции. Процессы рассеяния и поглощения света, происходящие в толще воды. Зависимость спектральных характеристик воды от различных факторов (мутность, взвеси, планктон, солёность, температура и т. д.) и их проявленность в различных частях спектра ЭМИ. Актуальность исследования и мониторинга акваторий дистанционными методами.

Раздел 4. Техника и методика дистанционных исследований, характер решаемых задач. Основные группы ДМИ (космические, аэро-, наземные), уровень их развития и возможности прогресса, решаемые задачи, доступность потребителю.

4.1. Системы и приборы ДЗ из космоса

Лекции. Основные типы космических носителей, их характеристика и возможности решения задач ДЗЗ. Главные типы космических орбит (по форме, по наклонению, по отношению к Солнцу или Земле, по высоте) и их использование для ДЗЗ.

Методы измерений и наблюдений из космоса (фотографические, телевизионные, сканерные, радиолокационные и др.), решаемые задачи, преимущества и недостатки.

Отечественные и зарубежные современные космические системы и программы ДЗЗ, сравнительный анализ, решаемые задачи.

Доступ к информации ДЗ из космоса потребителей за рубежом, в России, в Западной Сибири, в Томске. Центры, лаборатории, пункты, станции приёма, хранения и тематической интерпретации данных. Возможность доступа к архивным данным, оперативность исполнения текущих заказов, стоимость основных услуг.

Региональные центры: - Западно-Сибирский региональный центр приёма и обработки спутниковых данных (ЗапСиб РЦ ПОД), Центр космического мониторинга природных ресурсов и процессов Сибири (ЦКПС); решаемые задачи, возможности создания и использования региональной ГИС.

Персональные станции приёма (ППС) информации ДЗЗ, основные характеристики, возможности. Требования к ППС.

Использование данных ДЗЗ из космоса при геоэкологических исследованиях и мониторинге окружающей среды.

Лабораторная работа 4-5. Определение последствий природных катастроф. Дешифрирование снимков.

Лабораторная работа 6-7. Дешифрирование космического снимка и оценка экологического состояния на заданной территории.

4.2. Аэрометоды дистанционных исследований

Лекции. История развития аэрометодов. Преимущества и недостатки. Характеристика различных методов (фотосъёмка, съёмка в ИК-диапазоне, радиолокация, магнитометрия, гравиметрия, гамма-спектрометрическая и радиометрическая съёмки, аэрозольные и газовые съёмки и др.). Основные решаемые задачи, методика, масштабы работ.

Лабораторная работа 8-9 . Определение границ водных поверхностей на космических снимках.

4.3. Наземные системы дистанционных исследований

Лекции. Основные виды наземных ДМИ и их характеристика (фотографические, геофизические, телевизионные, лидарные и др.). Решаемые задачи, методика, преимущества и недостатки. Нетрадиционные методы ДИ. Возможности различных фирм и научных центров г. Томска и ТПУ в организации и проведении наземных дистанционных исследований и мониторинга.

Лабораторная работа 10-11. Оценка антропогенного влияния на окружающую среду по данным дистанционного зондирования земли.

Раздел 5. Комплексирование ДМИ

Лекции. Рациональное комплексирование ДМИ на различных стадиях геоэкологических и геологичесих работ, при организации различных видов экологического мониторинга. Возможности и высокие перспективы использования ГИС-технологий при ДМИ. Примеры.

Лабораторная работа 12. Дешифрирование и сравнение космоснимков с районов экологических катастроф

Лабораторная работа 13. Защита рефератов

Закрепление теоретического материала при проведении практических работ с использованием картографического материала, атласов, специальной литературы, выполнение проблемно-ориентированных индивидуальных заданий.

6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (CРC)

6.1 Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний, а также на развитие практических умений.

Текущая СРС включает следующие виды работ:

Работа студентов с лекционным материалом, поиск и анализ литературы и электронных источников информации по заданной проблеме;

Изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;

Изучение теоретического материала к лабораторным занятиям;

Подготовке к зачету.

6.2 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР) направлена на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала бакалавров и заключается в поиске, анализе и презентации материалов по заданным темам рефератов.

6.2.1. Перечень тем для самостоятельной работы (рефераты, КР):

1. Современные активные методы ДИ, их преимущества и недостатки.

2. Использование ДМИ при оценке состояния и мониторинге ОС урбанизированных территорий.

3. Электромагнитное излучение Солнца и его использование при ДМИ.

4. Современные ДМИ атмосферы (решаемые экологические задачи, технические характеристики, методика).

5. Характеристики космических носителей и орбит с позиции их использования для ДМИ ОС.

6. Комплексирование ДМИ в решении задач горно-геологического мониторинга.

7. Современные аэрометоды дистанционных исследований.

8. Важнейшие характеристики растительности, используемые при ДМИ.

9. Наземные системы дистанционных исследований ОС.

10. Методы гамма-спектрометрии в геоэкологии.

11. Доступ потребителей к космической информации ДЗ Земли.

12. Важнейшие характеристики почв, используемые при ДМИ.

13. История развития и современное состояние ДМИ.

14. Развитие и состояние ДМИ в Западно-Сибирском регионе и в г. Томске.

15. Взаимодействие ЭМИ с атмосферой.

16. Основные характеристики горных пород, изучаемые ДМИ.

17. Основные характеристики почв, изучаемые ДМИ.

18. Основные характеристики растительности, изучаемые ДМИ.

19. Основные характеристики вод озёр, рек, морских побережий, изучаемые ДМИ.

20. Методы съёмки при ДМИ.

21. Фотографические методы и их использование при геологических и экологических исследованиях.

22. Телевизионные методы ДЗ и их использование при геологических и экологических исследованиях.

23. Сканерные методы ДЗ и их использование при геологических и экологических исследованиях.

24. Гамма-спектрометрические методы ДЗ и их использование при геологических и экологических исследованиях.

25. Радиолокационные методы ДЗ и их использование при геологических и экологических исследованиях.

26. Лидарные методы ДЗ и их использование при геологических и экологических исследованиях.

27. Методы ИК-съёмки и их использование при геологических и экологических исследованиях.

28. Голографические методы ДЗЗ.

29. Современные космические системы ДЗЗ.

30. Аэрометоды ДЗЗ.

31. Наземные методы дистанционных исследований.

32. Нетрадиционные виды ДЗ.

33. ДМИ в решении геологических задач (картирование, прогнозирование и поиски МПИ по видам).

34. Обработка результатов ДЗЗ с применением современных технологий.

35. Получение данных ДЗЗ (в том, числе характеристика наземных станций приема).

36. ДМИ в нефтегазовой отрасли.

37. ДМИ в решении конкретных геоэкологических задач.

38. ДМИ в мониторинге ОС.

Кроме того, допускаются свободные темы по конкретным регионам и районам.

· Определение последствий природных катастроф (по данным ДЗ): последствия цунами, шторма, наводнения и т. д.

· Мониторинг изменения береговой линии Аральского моря по данным ДЗ.

· Использование данных ДЗ при проведении геоэкологических исследований в районе месторождения Самотлор.

· Дистанционное зондирование при мониторинге урбанизированных территорий (город…).

· Использование данных ДЗ при проведении мониторинга территории…., загрязненной в результате ….

По итогам работы представляется письменный отчёт в форме курсовой работы и презентация в электронном виде, делается устное сообщение перед студентами группы.

Основные разделы: введение, основная часть (с главами по теме работы), заключение, список литературы, включающий не менее трёх источников (20010 – 2012 года).

6.3 Контроль самостоятельной работы

Оценка результатов самостоятельной работы осуществляется в виде двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателя.

7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины (фонд оценочных средств)

Контроль знаний студентов по дисциплине осуществляется по 2 видам: текущий и итоговый.

Текущий контроль приучает студентов к систематической работе по изучаемой дисциплине и позволяет определить уровень усвоения студентами теоретического материала. Он осуществляется в виде контрольных и проверочных работ, тестовых опросов. Оценка знаний при текущем контроле осуществляется в соответствии с рейтинг - планом по дисциплине.

Итоговый контроль – в соответствии с учебным планом:

5 семестр – зачет

1. Дайте определение понятия «Дистанционное зондирование»?

2. Что понимается под спектром ЭМИ?

3. Основные спектральные диапазоны ЭМИ, используемые в ДМИ.

4. Относятся ли геофизические методы к ДМИ?

5. Какие научные открытия и достижения лежат в основе ДМИ?

6. Главные этапы в развитии ДМИ.

7. В чём заключается роль в развитии ДМИ?

8. Когда и в каких целях в России началось использование аэросъёмки?

9. Когда и в каких целях в России началось широкое использование аэрогаммасъёмки?

10. В каких организациях г. Томска разрабатывают и применяют ДМИ?

11. Возможно ли, на обычной фотографии увидеть объект или явление не видимое «невооружённым» глазом?

12. Почему человеческий глаз видит в диапазоне 0,4 – 0,78 мкм?

13. Почему летучая мышь «видит» в другом диапазоне, нежели человек?

14. Что такое пассивные методы и какие ДМИ к ним относятся?

15. Что такое активные методы и какие ДМИ к ним относятся?

16. Какова роль Солнца в ДМИ?

17. Какие человеческие органы используются при ДМИ?

18. Чем обусловлено появление полос поглощения в спектре ЭМИ Солнца, поступающего на поверхность Земли?

19. Влияние атмосферного озона на ЭМИ Солнца?

20. Насколько атмосфера прозрачна для теплового излучения?

21. Что такое эмиттерная энергия и её значение для ДМИ?

22. Факторы, определяющие возникновение «теплового парника» в атмосфере?

23. В каких диапазонах спектра ЭМИ атмосфера Земли «прозрачна»?

24. Предпочтительная высота Солнца при аэрокосмических съёмках?

25. В каких случаях при ДМИ используется низкое стояние Солнца?

26. Почему использование светофильтров позволяет получить более качественный снимок?

27. Что такое эмиссия и её роль для ДМИ?

28. Что понимается под «независимыми» параметрами ДЗ?

29. Что понимается под «зависимыми» параметрами ДЗ?

30. Какие характеристики горных пород изучаются ДМИ?

31. Какие характеристики почв изучаются ДМИ?

32. Какие характеристики растительности изучаются ДМИ?

33. Какие характеристики вод озёр, рек, морей изучаются ДМИ?

34. При какой съёмке чётко видны границы воды и суши?

35. Основные типы космических носителей аппаратуры ДЗЗ?

36. Типы космических орбит и их использование для ДМИ?

37. Решаемые задачи ДМИ в зависимости от высоты космических орбит.

38. Виды измерений и наблюдений из космоса, решаемые задачи.

39. Техника и методика космофотосъёмки, решаемые задачи.

40. Техника и методика сканерной космосъёмки, решаемые задачи.

41. Техника и методика радиолокационной съёмки, решаемые задачи.

42. Техника и методика ИК-съёмки, решаемые задачи.

43. Техника и методика лидарной съёмки, решаемые задачи.

44. Современные виды космических систем исследования ОС.

45. Система изучения природных ресурсов на базе «Ресурс-О».

46. Как оперативно получить и (или) заказать данные ДЗЗ?

47. Опыт и перспективы использования ППС.

48. Требования, предъявляемые к ППС.

49. Основные виды аэрометодов и решаемые экологические задачи.

50. Основные положения методики аэрогаммасъёмки и решаемые задачи.

51. Виды наземных систем исследования ОС, решаемые задачи.

52. Современные ДМИ в прогнозно-поисковых геологических работах.

53. Современные ДМИ в изучении природных ресурсов.

54. Современные ДМИ в оценке состояния и мониторинге ОС.

55. Современные ДМИ в геоэкологическом картировании.

7.3. Примеры вопросов для экзамена

1. Развитие и состояние ДМИ в России. Основные факторы взаимодействия ЭМИ с веществами и средами на поверхности Земли.

2. Развитие и состояние ДМИ в Западно-Сибирском регионе и в г. Томске. Основные современные методы наблюдений и измерений при ДЗЗ из космоса.

3. Современные космические системы исследования ОС. Излучение солнца и его использование при ДМИ.

4. Современные фотографические методы исследования ОС и их использование для решения экологических задач.

Важнейшие характеристики вод, используемые при ДМИ.

5. Современные наземные мобильные методы и средства дистанционных исследований и мониторинга ОС. Активные и пассивные ДМИ, преимущества и недостатки.

8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

Основная литература

1. Антыпко дистанционного теплового мониторинга геологической среды городских агломераций . – М.: Недра, 1992. – 15 с.

2. , Шевченко картирование на основе космической информации. – М.: Недра, 1988. – 221 с.

3. , Гершензон системы дистанционного зондирования Земли. – М.: Изд-во А и Б, 1997. – 269 с.

4. Гонин съёмки Земли. – Л.: Недра, 1989. – 255 с.

5. Кабанов мониторинг атмосферы. Ч.1. Научно-методические основы: Монография / Под общей ред. . – Томск: Изд-во «Спектр» Института оптики и атмосферы СО РАН, 1997. – 211 с.

6. Киенко в космическое природоведение и картографирование: Учебник для Вузов. - М.: Картгеоцентр – Геоиздат, 1994. –212 с.

7. , Фридман гамма-спектрометрии природных сред. – 3 изд., перераб. и дол. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 232 с.

8. // Исследование Земли из космоса. 2004. №2. С.61-96.

9. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: основы и методы дистанционных исследований в геологии (перевод с немецкого). – М.: Мир, 1988. – 343 с.

10. , Корчуганова методы в геологии. – М.: Недра, 1993. – 224 с.

11. , Архангельский методы исследования окружающей среды: Учебное пособие для Вузов. – Томск: Изд-во STT, 200. – 184 с.

12. Поцелуев методы геологических исследований: история, современное состояние / , // Т. 1: Полезные ископаемые. - , 2008. - С. 513-518.

13. Протасевич методы обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу: Конспект лекций / ; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во ТПУ, 1997. - 36 с.

14. Региональный мониторинг атмосферы. Ч. II. Новые приборы и методики измерений: Коллективная монография / Под общей ред. . – Томск: Изд-во «Спектр» Института оптики и атмосферы СО РАН, 1997. – 295с.

15. Рис дистанционного зондирования: пер. с англ. / ; пер. , . - М.: Техносфера, 2006.

17. Региональный мониторинг атмосферы. Ч. III. Уникальные измерительные комплексы: Коллективная монография / Под общей ред. . – Томск: Изд-во «Спектр» Института оптики и атмосферы СО РАН, 1998. – 238с.

18. Чандра зондирование и географические информационные системы : пер. с англ. / , . - М.: Техносфера, 2008. - 312 с.

19. , Молодчинин состояния окружающей среды тепловой аэросъёмкой. – М.: Недра, 1992. – 64 с.

Дополнительная литература

1. Альбом - СССР из космоса. – М.: ГУК и К при СМ СССР, 1982.

2. Альбом – Дешифрирования многозональных аэрокосмических снимков (методики и результаты). – ГДР. – М.: Наука, 1982.

3. Аэрогеофизические методы прогнозирования месторождений урана/ Под. ред. . – М.: Атомиздат, 1980. – 129 с.

4. Виноградов мониторинг экосистем. – М.: Наука, 1984. – 152 с.

5. Гарбук системы дистанционного зондирования Земли: Монография / , . - М.: Изд-во А и Б, 1997. - 296 с.

6. , Дмитриевский -аэрокосмическое изучение нефтегазоносных территорий. – М.: Наука, 1994. – 288 с.

7. Дистанционные исследования при поисках полезных ископаемых. – Новосибирск: Наука, 1986. – 175 с.

8. Дистанционные исследования при нефтегазопоисковых работах. – М.: Наука, 1988. – 224 с.

9. , Красильникова природных условий и ресурсов. – М.: Недра, 1988. – 299 с.

10. , Полетаев космической геологии. – М.: Недра, 1988. – 235 с.

11. Космическая информация в геологии / Под ред. и др. – М.: Наука, 1983. – 536 с.

12. Мелух исследования с использованием космических средств / Под ред. . Серия: Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов. – М.: ВИНИТИ, 1988. – Т. 21. – 184 с.

13. Михайлов аппаратура дистанционного зондирования Земли / , . - М.: Вузовская книга, 2008. - 340 с.

14. и др. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды. – Л.: Гидрометеоиздат, 19с.

15. , Архангельский методы исследования окружающей среды: Учебное пособие / Томский политехнический университет.-Томск: STT, 2001.-184 c.:

16. Природа Земли из космоса: изучение природных ресурсов Земли с помощью данных, передаваемых со спутников по радиолокации / Под ред. . – Л.: Гидрометеоиздат, 1984. – 152 с.

Интернет-ресурсы

http://www. *****/ru/index. html

http://www. *****/distzond. html

http://www. *****/

http://www. /photos/digitalglobe-imagery/

http://*****/index. php? r=18&id=6793

http://www. pryroda. /index. php? newsid=1000384

9. Материально-техническое обеспечение дисциплины

При изучении основных разделов дисциплины, выполнении практических работ студенты используют разнообразный картографический материал, включающий атласы России, Мира, комплект космо - и аэрофотоснимков, как в печатном издании, так и в электронном виде.

Программа составлена на основе ФГОС ВПО по направлению подготовки 022000 «Экология и природопользование».

Программа одобрена на заседании кафедры ГЭГХ ИПР

(протокол № ____ от «___» _______ 2011 г.).

Учебное издание

дистанционные методы исследований

Рабочая программа для студентов, обучающихся по направлению 022000 Экология и природопользование по профилю «геоэкология»

Разработчики

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) -- получение информации о земной поверхности (включая расположенные на ней объекты) без непосредственного контакта с ней, путем регистрации приходящего от нее электромагнитного излучения. Методы дистанционного зондирования основаны на том, что любой объект излучает и отражает электромагнитную энергию в соответствии с особенностями его природы. Различия в длинах волн и интенсивности излучения могут быть использованы для познания свойств удаленного объекта без непосредственного контакта с ним.

Дистанционное зондирование сегодня -- это огромное разнообразие методов получения изображений практически во всех диапазонах длин волн электромагнитного спектра от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного и радиодиапазона, самая разная обзорность изображений -- от снимков с метеорологических геостационарных спутников, охватывающих практически целое полушарие, до детальных съемок участка в несколько сотен квадратных метров. Дистанционные методы исследования окружающей среды ведут свою историю с древнейших времен. Например, еще в Древнем Риме существовали изображения различных географических объектов в виде планов на стенах зданий. В XVIII в. размеры и пространственное положение предметов определяли по их рисованным изображениям в центральной проекции, которые получали с помощью камеры-обскуры с возвышенных мест и судов. Исследователи создавали снимки-рисунки, графически фиксируя оптическое изображение. При этом уже при съемке производился отбор и обобщение деталей объекта.

Следующими этапами в развитии дистанционных методов стали открытие фотографии, изготовление фотообъектива и изобретение стереоскопа. Фотографическая регистрация оптического изображения позволила получать практически моментальные снимки, которые отличались объективностью, детальностью и точностью. Фотографии местности, сделанные с высоты птичьего полета с воздушных шаров и воздушных змеев, сразу же получили высокую картографическую оценку. Для различных военных и гражданских целей использовались снимки с привязных аэростатов и аэропланов. Первые самолетные съемки совершили революцию в дистанционном зондировании, но они не позволяли получать необходимые мелкомасштабные изображения. Однако в 1920--1930-е гг. фотосъемка местности с самолетов широко применялась для создания лесных, топографических, геологических карт, для изыскательских работ. Следующим этапом (с 1945 г. до конца 1950-х гг.) стало использование баллистических ракет для изучения растительности, типов использования земель, для нужд гидрометеорологии и геологии и при исследованиях природной среды.

Началом систематического обзора поверхности Земли из космоса можно считать запуск 1 апреля 1960 г. американского метеорологического спутника Tiros-1 (Television and Infrared Observation Satellite). Первый отечественный спутник аналогичного назначения, «Космос-122», был выведен на орбиту 25 июня 1966 г. Работа спутников серии «Космос» («Космос-144» и «Космос-156») позволила создать метеорологическую систему, впоследствии разросшуюся в специальную службу погоды (система «Метеор»). Со второй половины 1970-х гг. космические съемки стали проводиться в массовом порядке с автоматических спутников. Первым спутником, нацеленным на исследование природных ресурсов Земли, стал американский космический аппарат (КА) ERTS (Earth Resources Technological Satellite), впоследствии переименованный в Landsat, дававший снимки с пространственным разрешением 50--100 м.

По настоящему широкие перспективы открылись перед дистанционным зондированием с развитием компьютерных технологий, переносом всех основных операций по обработке и использованию данных съемок на компьютеры, особенно в связи с появлением и широким распространением географических информационных систем (ГИС). Сейчас задачи оперативного спутникового контроля природных ресурсов, исследования динамики протекания природных процессов и явлений, анализа причин, прогнозирования возможных последствий и выбора способов предупреждения чрезвычайных ситуаций считаются неотъемлемым атрибутом методологии сбора информации о состоянии интересующей территории (страны, края, города), необходимой для принятия правильных и своевременных управленческих решений. Особая роль отводится спутниковой информации в ГИС, где результаты дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса служат регулярно обновляемым источником данных, необходимых для формирования природоресурсных кадастров и других приложений, охватывая весьма широкий спектр масштабов -- от 1:10 000 до 1:10 000 000. Основной продукт космического мониторинга -- снимок, то есть двумерное изображение, полученное в результате дистанционной регистрации техническими средствами собственного или отраженного излучения и предназначаемое для обнаружения, качественного и количественного изучения объектов, явлений и процессов путем дешифрирования, измерения и картографирования. Космические снимки имеют большую познавательную ценность, усиленную их особыми свойствами, такими как большая обзорность, генерализованность изображения, комплексное отображение всех компонентов геосферы, регулярная повторяемость через определенные интервалы времени, оперативность поступления информации, возможность ее получения для объектов, недоступных изучению другими средствами.

Генерализация изображения на космических снимках включает геометрическое и тоновое обобщение рисунка изображения и зависит от ряда факторов -- технических (масштаб и разрешение снимков, метод и спектральный диапазон съемки) и природных (влияние атмосферы, особенности территории). В результате такой генерализации изображение многих черт земной поверхности на снимках освобождается от частностей, в то же время разрозненные детали объединяются в единое целое, поэтому более четко выступают объекты высших таксономических уровней, крупные региональные и глобальные структуры, зональные и планетарные закономерности. Влияние генерализации изображения на дешифрируемость космических снимков двойственное. Сильно обобщенное изображение уменьшает возможность детального изучения снимка, в частности, влечет ошибки дешифрирования. Однако в других ситуациях обобщенность изображения космических снимков становится их достоинством. Это свойство позволяет использовать их для составления тематических карт в средних и мелких масштабах без трудоемкого детального многоступенчатого перехода от крупных масштабов карт к мелкомасштабным картам, что обеспечивает экономию времени и средств. Кроме того, оно дает преимущества смыслового, содержательного плана -- на космических снимках выявляются важные объекты, скрытые на снимках более крупных масштабов.

Космические снимки можно классифицировать по разным признакам: в зависимости от выбора регистрируемых излучательных и отражательных характеристик, что определяется спектральным диапазоном съемки; от технологии получения изображений и передачи их на Землю, во многом обусловливающей качество снимков; от параметров орбиты космического носителя и съемочной аппаратуры, определяющих масштаб съемки, обзорность, разрешение снимков и т. п.

По спектральному диапазону космические снимки делятся на три основные группы:

снимки в видимом и ближнем инфракрасном70световом) диапазоне;

снимки в тепловом инфракрасном диапазоне;

снимки в радиодиапазоне.

По технологии получения изображения, способам получения и передачи на Землю снимки в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне подразделяют на:

• -фотографические;
• -телевизионные и сканерные;
• -многоэлементные снимки на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-снимки);
• -фототелевизионные снимки.

Снимки в радиодиапазоне делятся на микроволновые радиометрические, получаемые при пассивной регистрации излучения, и радиолокационные, получаемые при активной локации. По масштабу космические снимки делятся на мелкомасштабные, среднемасштабные и крупномасштабные. По обзорности (площадному охвату территории одним снимком) снимки подразделяют на: глобальные (охватывающие освещенную часть планеты), региональные (изображающие части материков или крупные регионы), локальные (изображающие части регионов). По пространственному разрешению (минимальной линейной величине регистрируемых объектов) снимки разделяют на группы от очень низкого до сверхвысокого разрешения. По детальности изображения, определяемой размерами элементов изображения и их количеством на единицу площади, выделяют снимки малой, средней, большой и очень большой детальности.

По повторяемости съемки снимки подразделяются на снятые через несколько минут, часов, суток, лет. Бывают и разовые съемки.