Дистанционные методы контроля окружающей среды кратко

Обновлено: 02.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя школа №15 поселка Майский Советско-Гаванского района Хабаровского края

Российский национальный водный юниорский конкурс - 2019

Номинация: "Лучший инновационный проект"

Дистанционный мониторинг как способ прогнозирования

экологического состояния природных объектов

Работу выполнили ученицы 9 класса

МБОУ СШ №15 поселка Майский

Руководитель: Баутина Ольга Васильевна,

учитель географии МБОУ СШ №15.

г. Советская Гавань – 2018 г

исследовательского проекта Колбаевой Александры на тему:

"Дистанционный мониторинг как способ прогнозирования экологического состояния природных объектов ".

Исследовательская работа Колбаевой Александры имеет цель: изучение возможностей дистанционного зондирования для оценки экологического состояния водоема. Задачи исследования: проанализировать изменения береговой линии водоема с 2002 по 2018 годы; оценить преимущества методов дистанционного зондирования; составить прогноз ожидаемых изменений.

Использованы методы дистанционного зондирования. Отмечено, что оно является перспективным методом формирования баз данных, пространственное, спектральное и временное разрешение которых будет достаточным для решения задач рационального использования природных ресурсов. В ходе работы было установлено, что водоем испытывает антропогенную нагрузку и поэтому происходят изменения береговой линии, площади зеркала, глубины.

Автор представляет преимущества и недостатки метода. Делает выводы, которые сводятся к следующему: объект подвергался глобальным изменениям. Главным достоинством дистанционной съёмки является её оперативность, детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность проведения повторных съёмок. Результаты дистанционного зондирования показали, что площадь зеркала водоема после глубокой очистки приобрела состояние 2002 года. По итогам прогноза необходимым условием сохранения природного объекта может служить его повторная глубокая очистка с помощью тяжелой техники, которая уже была инициирована и проведена Администрацией поселка в 2014 году.

Основная идея исследования - спасти природный объект. Автором предлагаются мероприятия по его сохранению, среди которых предлагаются практические природоохранные меры и широкая популяризация экологической проблемы.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6

1.1. Значение мониторинга на основе дистанционного зондирования 6

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 7

2.1. Сущность метода дистанционного мониторинга 7

2.2. Преимущества и недостатки дистанционного зондирования 8

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 9

3.1.Краткая характеристика природного объекта 9

3.2. Анализ результатов дистанционного зондирования 9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 10

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 12

ПРИЛОЖЕНИЯ 13-18

Как известно, антропогенное воздействие на окружающую среду приводит к возникновению масштабных трудноразрешимых противоречий между интересами развития производства и сохранением природы.

Ещё в Стокгольме на Первой Международной конференции ООН по оценке состояния природной среды в 1972 г. было признано, что экологическое состояние природной среды в промышленных странах стало угрожать не только здоровью населения, но и самому существованию человечества [5].

В нашем поселке существуют экологические проблемы, которые ждут своего решения. Ученики школы занимаются исследованиями природных объектов для того, чтобы улучшить экологическое состояние окружающей среды. Решение этих проблем волнует многих и занимает сейчас центральное место при выработке стратегии экологически устойчивого развития не только в отдельных регионах, но и в стране. В последние годы в России используются космические методы контроля состояния экосистем.

В настоящее время особое внимание уделяется экологическим проблемам, связанным с ухудшением состояния водных объектов. Неблагоприятная ситуация предопределяет необходимость получения максимально точной непрерывной и достоверной информации о состоянии водных объектов и источниках их загрязнения, влияющих на качество воды [5].

С помощью космической информации решаются следующие задачи: инвентаризация водохранилищ, прудов и других водных объектов; наблюдение за изменением береговой линии рек и других водоемов; мониторинг экологического состояния водных объектов, в том числе отстойников промышленных вод, а также выявление источников загрязнения; мониторинг состояния водоохранных зон [3].

Для того, чтобы провести мониторинговые исследования водоема, который находится на территории поселка, мы решили использовать метод дистанционного зондирования, о котором узнали на уроках географии.

Цель исследования:

изучение возможностей дистанционного зондирования для оценки экологического состояния природного объекта.

Задачи : проанализировать изменения береговой линии водоема с 2002 по 2018 годы; оценить преимущества методов дистанционного зондирования; составить прогноз ожидаемых изменений.

Гипотеза исследований: методы дистанционного зондирования позволят сделать прогноз на будущее и предотвратить возможные негативные изменения состояния водоема.

Нами использованы книги авторов Абросимова А. В., Востоковой Е. А., Злобиной Т.Г, Колесниковой О.Н. Монография Сутыриной Е.Н. "Дистанционное зондирование Земли" помогла разобраться в вопросах о преимуществах и недостатках данного метода. В книге Фокиной Н.А. "Изменение береговой линии по данным снимков космических систем" мы смогли сравнить наши исследования с накопленными материалами по этому вопросу в других регионах.

Тема исследования актуальна, так как она позволяет изучить экологическую проблему с помощью современных геоинформационных систем.

Работа выполнена на 8 страницах машинописного текста и на 6 страницах приложений. В приложения вынесена информация о природном объекте: фотографии в количестве 5 штук, в том числе спутниковых снимков, с использованием программы GoogleCap , 1 картосхема, 2 статьи, опубликованные в 2018 году в местных СМИ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Значение мониторинга на основе дистанционного зондирования

Появление глобальной компьютерной сети Интернет и разработка передовых информационных технологий открыли новый этап развития космического экологического мониторинга. Особенностью нового этапа является широкое использование телекоммуникационной инфраструктуры, а также гипертекстовых и интерактивных информационных технологий, которые чрезвычайно перспективны в дистанционном мониторинге состояния окружающей среды.

Актуальной является также проблема интегрирования национальных информационных ресурсов по окружающей среде, создание региональных баз данных и расширение электронных коллекций по результатам космического экологического мониторинга. Развитие технологий наблюдения из космоса, создание инфраструктур спутникового экологического мониторинга регионов России наряду с разработкой экологической системы контроля в реальном масштабе времени призваны сыграть ключевую роль в обеспечении безопасности окружающей среды и устойчивого развития экономики России [2].

В связи с этим создаются Центры космического мониторинга (ЦКМ), которые осуществляют оперативный контроль состояния окружающей среды и природных ресурсов, создают многоуровневые информационные системы пространственно-временного мониторинга состояния окружающей среды, включающие технические и программные средства сбора, обработки, анализа и хранения спутниковой информации.

Во всем мире исследования Земли из космоса приобретают всеобъемлющий характер. Целый ряд спутников, оснащенных приборами дистанционного зондирования, выведены на орбиту специально для получения разносторонней геофизической информации [8].

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1. Сущность метода дистанционного мониторинга

Одним из современных методов мониторинга является дистанционное зондирование. Оно представляет собой бесконтактную регистрацию электромагнитного поля и интерпретацию полученного изображения. Основные элементы дистанционного зондирования: банк данных; восполнение банка аэрокосмических материалов; система дешифрирования.

Дистанционные методы делятся на пассивные и активные. Пассивное простейшее исследование Земли оптическим методом. Активное - исследование Земли с помощью посылающих сигналов, регистрирующий их отражение от земной поверхности. к ним относятся радары и лидары, то есть лазерные радары. В настоящее время наиболее отработанным методом обработки спутниковых данных цветности воды является система SeaDAS.

Система позволяет не только получать параметры качества воды, но и оценивает концентрацию хлорофилла и температуру поверхности воды.

Применение космических снимков может осуществляться для решения пяти задач: использование снимка в качестве простейшей карты или, точнее, основы, на которую можно наносить данные из других источников в отсутствие более точных карт, отображающих современную обстановку; определение пространственных границ и структуры объектов для определения их размеров и измерения соответствующих площадей; инвентаризация пространственных объектов на определенной территории; оценка состояния территории; количественная оценка некоторых свойств земной поверхности.

Дистанционное зондирование является перспективным методом формирования баз данных, пространственное, спектральное и временное разрешение которых будет достаточным для решения задач рационального использования природных ресурсов. Дистанционное зондирование является эффективным методом инвентаризации природных ресурсов и мониторинга их состояния. [9].

2.2. Преимущества и недостатки дистанционного зондирования

Регулярная съемка территорий позволяет проводить мониторинг водных ресурсов, агротехнического состояния сельскохозяйственных культур, эродированности почв, развития инфраструктуры городов и других процессов, объектов и явлений, которые изменяются под воздействием природных и антропогенных факторов. С помощью космической съемки достаточно просто получить данные о труднодоступных областях.

Еще одним преимуществом ДЗЗ является возможность получения снимков разного разрешения, что позволяет применять данные дистанционного зондирования для решения различных задач в разных предметных областях. Поскольку анализ материалов ДЗЗ выполняется камерально, требуется меньше полевых исследований, что окупает затраты на приобретение данных.

В современных условиях следующие характеристики определяют востребованность космических снимков (КС): Объективность – каждый КС является документом, объективно отражающим состояние местности на момент съемки. Актуальность – материалы космической съемки можно получить на различные даты, включая съемку на заказ, которая осуществляется, как правило, в течение нескольких недель. Масштабность – современные приборы ДЗЗ позволяют одновременно снять значительные по площади территории с довольно высокой степенью детализации. Экстерриториальность – участки съемки никак не привязаны к государственным и территориальным границам и для проведения съемки не требуется разрешение. Доступность – в настоящее время данные ДЗЗ с пространственным разрешением 2 м и меньше являются открытыми и доступными. Данные ДЗЗ, особенно полученные с космических спутников, зачастую нельзя получить никаким другим способом.

Помимо преимуществ у данных дистанционного зондирования есть и недостатки: для их обработки и анализа требуются очень высокая квалификация и большой практический опыт.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Краткая характеристика природного объекта и описание предыдущих мониторинговых исследований.

Территория, на которой расположен водоем, находится в центре поселка Майский Советско-Гаванского района (Приложение №1). Мониторинговые исследования его экологического состояния проводятся учащимися школы с 2004 года.

Так, было установлено, что водоем испытывает антропогенную нагрузку и поэтому происходят изменения береговой линии, площади зеркала, глубины (Приложение №2, картосхема). Кроме этого, меняется качество воды и экосистемы в целом. Этот факт стал известным после того, как школьниками были использованы методы биоиндикации, методики различных авторов для того, чтобы дать оценку сапробности воды.

В 2011 году водоем по результатам исследований был отнесен к дистрофному типу. Водоем испытывал стадию высокой эвтрофикации, то есть, органические вещества, попадающие в большом количестве с водами ручья Нанте, стали угнетать жизнь обитателей водоема. Уровень сапробности в то время соответствовал 4 классу, т.е. природный объект был отнесен к грязным. Учащимися проводились микробиологические исследования, в ходе которых был изучен состав воды и обнаружена кишечная палочка в ручье, который впадает в водоем. В 2013 году сукцессионные изменения привели к тому, что площадь зеркала водоема сократилась вдвое, зарастание прибрежной растительностью стало максимальным. Таким образом, экологическое состояние водоема стало в 2013 году критическим, и красивое озеро могло превратиться в болото. В 2014 году Администрация поселка инициировала глубокую очистку водоема, после чего его площадь зеркала увеличилась вдвое. Для проведения работ была использована тяжелая техника.

3.2. Анализ результатов дистанционного зондирования

При гидрогеологическом картографировании космические снимки обеспечивают выделение контуров, различающихся по рисунку изображения, интерпретация которых возможна при применении ландшафтно-индикационных закономерностей. Для этого целесообразно использование тех зональных снимков, на которых эти индикаторы наиболее четко отображаются [2].

Из литературных источников (Сутырина Е.Н., 2013) мы узнали, что по сравнению с растительными покровами и почвами отражательная способность водных поверхностей относительно низка.

Если растительный покров может отражать до 50 % падающего излучения, а почвы – до 30–40 %, то доля излучения, отраженного водной поверхностью, не превышает 10 %. Вода отражает электромагнитное излучение в видимом и близком инфракрасном диапазонах.

При длинах волн больше 1200 мкм все падающее излучение поглощается. Наибольшей отражательной способностью обладает мутная водная поверхность, а пик отражения водоемов с большим количеством растительности, содержащей хлорофилл, приходится на зеленую часть спектра. Именно поэтому, при анализе снимков мы смогли выяснить, что изображения 2009-2013 годов нечеткие из-за мутной воды, которая была эвтрофицирована и водоем в тот период был максимально загрязнен.
Нами проведено дешифрирование разновременных снимков, что позволило оценить изменение зеркала водоема и дальнейшие перспективы развития событий.

На рис. 2,3,4,5,6 приложений №2-№6 приведена серия разновременных снимков, полученных различными съемочными системами за период времени с 2002 по 2018 г. На рис.4 приложения №5 площадь зеркала водоема минимальна, что подтверждает тот факт, что природный объект находился в данный период на грани исчезновения.

Дистанционное зондирование обладает огромными возможностями для оценки экологического состояния природных объектов. Оно представляет собой процесс, посредством которого собирается информация об объекте, территории или явлении без непосредственного контакта с ним. Благодаря своим свойствам космические снимки находят широкое применение как в практической, так и в научной сферах. Дистанционное зондирование является наиболее удобным путем для изучения природных объектов, так как: 1.Дешифрирование разновременных снимков позволяет оценить изменение зеркала водоема и дальнейшие перспективы развития событий. 2.Получение информации о поверхности Земли без прямого контакта. 3.Информация получается в результате измерения и регистрации отраженной или излученной энергии, и дальнейшей обработки и анализа полученных данных. 4.Дистанционные методы исследования природных объектов обеспечивают большую обзорность, возможность повторного получения данных через определенные промежутки времени, высокую скорость получения и передачи изображений, а также возможность применения комплексного анализа и оценки динамики развития явления на основе оперативного картографирования. Прогнозируя состояние водоема в ближайшие 15 лет, можно утверждать, что зарастание береговой линии возобновится и повторится проблема формирования вторичной сукцессии.

1 . Проанализировав изменения береговой линии водоема с 2002 по 2018 годы мы выяснили, что, объект подвергался глобальным изменениям. Сейчас он находится в хорошем состоянии, о чем свидетельствуют современные исследования школьников, которые относятся к 2017-2018 годам.

2. Оценив преимущества методов дистанционного зондирования, стало ясно, что главным достоинством дистанционной съёмки является её оперативность, детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность проведения повторных съёмок.

3. За последние 3 года водоём находится в стабильном состоянии. Учитывая наблюдения, которые мы проводили с помощью ДЗЗ, изменений, в худшую сторону, не наблюдается.

4. Результаты дистанционного зондирования показали, что площадь зеркала водоема после глубокой очистки приобрела состояние 2002 года. По итогам нашего прогноза необходимым условием сохранения природного объекта может служить его глубокая очистка с помощью тяжелой техники, которая была инициирована и проведена Администрацией поселка в 2014 году.

Гипотеза исследований подтвердилась, так как удалось с помощью методов дистанционного зондирования сделать прогноз на будущее и попытаться предотвратить возможные негативные изменения состояния водоема.

Неконтактные или дистанционные методы мониторинга среды обитания основаны на использовании зондирующих полей для изучения объекта мониторинга. В качестве таких полей могут выступать радиоволны различных диапазонов, электромагнитное излучение, акустическое или гравитационное поле. Основное преимущество зондирующих полей перед контактными методами исследования заключается в том, что эти поля позволяют изучать наблюдаемый объект независимо от расстояния, на которое он удален. Поэтому применение зондирующих полей сделало возможным ведение мониторинга за такими труднодоступными для непосредственного контакта объектами, как озоновый слой, ионосфера, Солнце и т.п. Дистанционный мониторинг осуществляется на относительно больших расстояниях от объекта наблюдения с помощью съемочной аппаратуры, которая может быть установлена на искусственных спутниках земли, самолётах, вертолётах, автомобилях, судах и других носителях. Неконтактный контроль исследуемого объекта может выполняться двумя способами: пассивным и активным. При пассивном контроле осуществляется прием зондирующего поля, исходящего от самого объекта (например, при мониторинге Солнца испускаемое им излучение фиксируется на специальные фотопленки). В случае активного контроля зондирующее поле создается неким посторонним источником и направляется на мониторируемый объект. Далее производится прием поля, отраженного или переизлученного объектом. Разновидностью активного контроля является рефлексный контроль, когда одновременно выполняется и передача, и прием зондирующего поля. Физической основой дистанционного метода служит электромагнитное излучение. Выделяют диапазоны рентгеновских излучений, ультрафиолетовых, видимых, инфракрасных и радиоволн (рис. 1).

Рисунок 1. Диапазоны длин электромагнитных волн

Рис. 2. Способы дистанционного получения геоизображений:

1 – наземная фототеодолитная съемка; 2 – аэрофотосъемка; 3 – радиолокационная аэросъемка бокового обзора; 4 – съемка с ракеты; 5 – видиконовая космическая съемка; 6 – сканерная космическая съемка; 7 – подводная фотосъемка; 8 – подводная радиолокация бокового обзора

Экологический мониторинг (слежение) – процесс наблюдения за состоянием различных компонентов окружающей среды и оценка ее текущего состояния. Для более полноценной и комплексной оценки требуется правильная организация экомониторинга, назначение единых критериев и параметров качества окружающей среды. Экологический мониторинг может преследовать как региональные, так и глобальные цели. Примеры экологического мониторинга можно встретить буквально повсюду.

Что такое экологический мониторинг?

Экологический мониторинг – это довольно сложная в техническом и организационном плане экологическая деятельность, в которой задействованы различные органы и должностные лица. Получаемая при этом информация очень разнообразна по характеру, содержанию, формам, порядку получения, правовому статусу и способам распространения. В России она может использоваться органами государственной власти, субъектами РФ, местными ведомствами. Такая информация имеет научное и прикладное значение. На ней строятся многие прогнозы, оценивается отклик различных природных и антропогенных систем на те или иные воздействия. Ее используют для федеральных и целевых программ по охране окружающей среды.

Экологический мониторинг проводится на стационарных или мобильных пунктах: специально оборудованных автомобилях, постах, станциях, лабораториях, исследовательских центрах. Полученная информация затем обрабатывается. Методы экологического мониторинга различны и зависят от поставленных задач.

Проблема загрязнения окружающей среды

Постоянный рост численности населения планеты в сочетании с увеличением материального благосостояния людей резко повышает нагрузку на окружающую среду, вызывая различные негативные последствия. Сокращение природных площадей и рост загрязнения стали главными последствиями деятельности человека. Основными факторами загрязнения окружающей среды являются:

Промышленные выбросы и стоки, влияющие на качество воздуха, воды и почв, негативно сказывающиеся на здоровье человека.
Выбросы парниковых газов (углекислого газа, метана, закиси азота и других), которые оказывают влияние на температуру нижнего слоя атмосферы, толщи океанов и верхнего слоя земной коры.
Эрозия почв вследствие нерационального землепользования. Ведет к загрязнению речных и прочих вод взвешенными частицами и вредными веществами.
Бытовой и промышленный мусор, который вреден как сам по себе, так и в виде продуктов его распада. Может приводить к отравлению экосистем и ухудшению здоровья человека.
Инвазивные виды растений и животных, которые нередко вызывают большой экологический урон.
Радиационное загрязнение вследствие аварий на АЭС, работы радиохимических предприятий, медицины и добычи урана.
Пестициды и гербициды, ведущие к загрязнению воды и почвы, главным образом, в сельскохозяйственных районах.
Добыча полезных ископаемых, которая часто становится источником вредной пыли и загрязнения вод.
Пожары: техногенные, бытовые и лесные. Являются значительным источником загрязнения атмосферы и причиной гибели или повреждения экосистем. и поверхностно-активных веществ вследствие утечек и аварий. Наиболее сильно отражаются на состоянии морей и океанов, снижают испарение, а значит и количество осадков.
В США существует проблема загрязнения внутренних вод лекарственными препаратами. Так же они могут стать причиной ухудшения качества мяса или молока.
Массовая вырубка лесов является причиной загрязнения речных и грунтовых вод, а также может повысить загрязнение воздуха пылевыми частицами. Ведет к снижению испарения и количества осадков, негативно сказывается на климате, усиливая континентальность.

Экологическая экспертиза

Целью экспертизы является проверка соответствия хозяйственной деятельности экологическому законодательству. Чаще всего применяется в отношении новых проектов, реализация которых может повлиять на окружающую среду. Экологическая экспертиза может быть государственной и общественной. По ее результатам делается вывод о допустимости или недопустимости реализации проекта. Однако даже если этот проект прошел экологическую экспертизу, на построенном объекте может быть организован экологический мониторинг.

История экологического мониторинга

Впервые об экологическом мониторинге заговорили в 1971 г. на научном комитете по проблемам окружающей среды, а затем в 1972 г. – на проходившей в Стокгольме экологической конференции ООН. Актуальность такого мониторинга обсуждалась в эти годы и в СССР. Для этого было предложено создать систему биосферных заповедников.

В 70-е годы в развитие представлений о принципах экологического мониторинга большой вклад внесли советские ученые. В этом процессе принимал активное участие руководитель Гидрометцентра Ю. А. Израэль. Обобщающая работа по этой теме вышла в 1975 г. под авторством академика И. П. Герасимова, который выделил 3 ступени мониторинга:

На первом уровне мониторинга основное внимание, по его мнению, должно быть уделено наблюдениям за состоянием окружающей среды и воздействиям на здоровье человека. Главными для этой ступени должны стать показатели реакции человека: уровень заболеваемости, средняя длина жизни, рождаемость и смертность и т. д.
Второй уровень предполагает наблюдения за более общими показателями: биологическая продуктивность, масса и энергетический обмен и так далее. Такие наблюдения должны осуществляться на специальных стационарах, полигонах и т. д.
Цель третьей ступени – наблюдение за крупномасштабными процессами и величинами: запылением атмосферы, загрязнением океана, глобальным содержанием водяного пара и т. д.

Задачи и объекты экомониторинга

Проведение экологического мониторинга призвано решить следующие задачи:

Осуществление регулярных наблюдений за состоянием окружающей среды и ее загрязнением.
Прогнозирование и оценка экологической ситуации, особенно по части изменения климата.

Объектами слежения могут быть:

Окружающая среда и ее компоненты (атмосфера, гидросфера, биосфера, литосфера, урбосфера).
Качество окружающей среды, изменение которого может иметь негативные последствия.
Определенные виды антропогенной деятельности, способные нанести вред окружающему.
Предприятия, мусорные полигоны, технологии, АЭС и т. д.
Техногенные катастрофы: разливы нефти, пожары, аварии, инциденты и другие опасные явления природного или техногенного характера.
Охраняемые природные объекты.

Проводить экологический мониторинг могут различные природоохранные организации, НИИ, органы власти (как федеральной, так и местной), общественные объединения, предприятия и другие экономические лица, международные организации научной направленности (например, НАСА) и др.

Виды мониторинга

По размеру охвата мониторинг делится на локальный, региональный, национальный и глобальный.

При локальном следят за небольшими участками какой-либо местности.
При региональном наблюдения ведут на региональном масштабе.
При национальном слежение проводят в пределах территории конкретного государства.
Глобальный экологический мониторинг подразумевает слежение за крупномасштабными процессами, которые имеют международное значение.

По объекту наблюдений он может быть базовым, биосферным, атмосферным, гидрологическим, почвенным, радиационным, гигиеническим, геоботаническим, зоологическим и т. д.

Основные методы экологического мониторинга

В настоящее время методы слежения за состоянием окружающей среды делятся на 2 основные категории:

Наземные наблюдения (физико-химические, биоиндикационные, метеорологические, фотографические, медицинские и т. д.).
Дистанционные методы экологического мониторинга (спутниковое зондирование, слежение с беспилотников и т. д.).

Естественно, что в первом случае чаще оцениваются местные и региональные процессы, а во втором – крупномасштабные и глобальные.

Спутниковый мониторинг

При дистанционном зондировании Земли используют спутниковые данные, данные с самолетов, беспилотников, судов. Спутниковые данные дают максимально широкий охват исследуемого объекта, а потому часто применяются для получения информации о глобальных изменениях среды. На аэрокосмических снимках хорошо виден масштаб обезлесения, урбанизации, пылевого загрязнения атмосферы, таяния льдов и т. д. Данные с инфракрасных детекторов позволяют получить информацию о температуре различных участков земной поверхности, оценить ее альбедо. Отражение радиоволн и ультрафиолетового излучения от поверхности воды дает информацию о нефтяном загрязнении океанов.

Дистанционное зондирование Земли становится все более популярным видом исследований в экологии.

Но спутниковый мониторинг можно использовать и для отслеживания ситуации на локальном уровне. Например, аэрокосмические снимки позволяют получать информацию о состоянии лесов, о ситуации с лесными пожарами, очагами гроз и так далее, которая может оказаться достаточной для принятия тех или иных практических решений. Для получения качественных и точных снимков могут быть задействованы беспилотники.

Биологические методы

Методы биологического мониторинга окружающей среды относятся к наземным методам слежения. Их еще называют биоиндикационными. Основным объектом такого мониторинга являются биологические объекты: виды, сообщества, экосистемы, пищевые цепи и т. д. Для анализа используют такие факты, как распространение того или иного вида, изменение его численности или полное исчезновение, либо появление в новом районе. При геоботанических исследованиях отслеживают изменение ареала тех или иных видов, динамику биомассы, биопродуктивности, высотное и широтное распределение видов и сообществ и пр.

Биоиндикаторами могут быть: ширина годичных колец, пожелтение листьев, усыхание древостоя, высота деревьев, наличие сорняков (пионерных видов) и прочие признаки.

Биологический мониторинг охватывает все уровни – от молекулярного и клеточного до глобального. Для проведения исследований, в зависимости от задач, организуются лаборатории, экспедиционные исследования.

Прежде чем проводить биологический мониторинг требуется разработка методики его проведения и получение необходимых данных, потому что разные биологические системы по-разному реагируют на разные типы воздействия. Выбираются наиболее чувствительные к антропогенному воздействию организмы или экосистемы. Такие организмы называются индикаторами. Благодаря использованию биотестирования выбираются критерии диагностики, позволяющие оценить уровень воздействия того или иного фактора на исследуемую территорию.

Таким образом, при биологическом мониторинге применяется метод биоиндикации. Естественно, что точность таких исследований будет ниже, чем при использовании физических методик. Но, в то же время, они позволят оценить общий ущерб, причиненный антропогенной деятельностью природным экосистемам, чего нельзя добиться при использовании других методик. В результате, из комплекса воздействий можно будет выделить наиболее существенные для состояния окружающей среды и принять адекватные меры для снижения антропогенной нагрузки. Для оценки возможного ущерба для здоровья населения более предпочтительным является анализ токсикологических проб, что относится к физико-химическим методам мониторинга.

В целях биоиндикации чаще всего используют рыб, микроорганизмы, водоросли. Известно также, что раки предпочитают чистую воду, и потому являются хорошим индикатором загрязнения. Это же относится и к некоторым видам лишайника, который тоже является объектом биоиндикации.

Возможности биологического мониторинга

Биоиндикация окружающей среды подходит для решения следующих задач:

Составление комплексной оценки антропогенного воздействия на природу исследуемого региона.
Позволяют выявить аварийные или скрытые выбросы, включая умышленное искажение руководством предприятий информации по собственным выбросам.
Позволяют дать оценку чувствительности организмов к выделяющимся загрязнителям или иным вредным воздействиям.
Показывают скорость реагирования биосистем и его масштабность.
Дают возможность картировать очаги загрязнения и концентрации вредных примесей.
Позволяют оценить степень опасности конкретных загрязнителей для природной среды, а с высокой вероятностью и для человека.
Помогают в нормировании предельно допустимых нагрузок на окружающую среду и при необходимости принимать меры для ее снижения.

Лабораторные методы, взятие проб

Физико-химические методы экологического мониторинга, чаще всего, являются лабораторными. Анализ начинается с отбора проб воздуха, почвы или воды, а затем на специальном оборудовании проводят аназиз на содержание загрязнителей. Его еще называют инструментальным анализом.

Физико-химические методы бывают следующими:

хроматографическая индикация;
инфракрасная спектрометрия;
флуориметрические методы;
электрохимические методы;
масс-спектрометрические методы;
люминесцентный анализ;
радиотехнические методы.

Хроматографические методы

Эти методы часто применяют для выявления загрязнений, особенно при анализе жидкостей. Наиболее популярны газожидкостная, тонкослойная, жидкостная и ионная хроматография. Тонкослойная отличается легкостью выполнения и используется для обнаружения пестицидов и органических загрязнителей. Газожидкостная более эффективна при анализе летучих органических соединений. Жидкостную хроматографию используют для выявления нелетучих химических соединений.

Детекторы высокой чувствительности, основанные на различных физико-химических методах, позволяют обнаруживать даже незначительные количества примесей, что важно при выявлении высокотоксичных соединений. В сочетании с методами хроматографии масс-спектрометрия и инфракрасная спектрометрия могут давать хороший результат для выявления сложных комбинаций загрязняющих веществ. Такого рода анализаторы подключаются к мощным компьютерам. С их помощью можно обнаружить такие опасные вещества, как диоксины, полихлорированные бифенилы, нитрозамины и токсичные пестициды.

Ионная хроматография используется для анализа соотношения катионов и анионов.

Спектрофотометрия

В этом методе используется инфракрасное излучение. Анализ спектров поглощения, отражения и рассеяния позволяет довольно точно определить наличие и концентрацию примесей. Имея каталог спектров различных веществ можно без труда определить тип загрязнителя или полезного вещества, присутствующего в пробе или продукте. Инфракрасный спектр позволяет определить даже такие свойства, как плотность, гранулометрический состав, калорийность пищевых продуктов и всхожесть семян.

Люминесцентный метод

Это один из самых высокочувствительных способов идентификации загрязнителей. При помощи него определяются следовые количества как органических, так и неорганических примесей в пробах воздуха. Его можно использовать для мониторинга гидросферы и биосферы, а также для определения содержания микроэлементов, органических соединений и суммы содержания вредных веществ.

Люминесцентным методом можно воспользоваться, если требуется выявить наличие полиароматических углеводородов или их производных. Для подсчета концентрации вещества используют такое явление, как тушение люминесценции.

При этом не все соединения определяются посредством этого способа. Иногда проводят химическую реакцию, с помощью которой меняют исходное соединение так, что бы люминесценция смогла бы его обнаружить.

Электрохимические методы

Для их осуществления используют электроды: анод и катод. Катодом часто является ртутный капающий электрод с постоянно обновляемой поверхностью, что дает возможность получать полярограммы и проводить эффективный анализ. Этот способ подходит только для выявления ионов металлов, органических веществ, карбонильных соединений, пероксидов, эпоксидов и других. По этой причине его нельзя считать универсальным, но зато он достаточно селективен.

Заключение

Таким образом, экологический мониторинг - это необходимая в современном мире процедура, позволяющая выявить различные нарушения принятых норм или отследить долгосрочные тенденции. Мониторинг экологической обстановки может преследовать разные цели и решать разные задачи. Чаще всего это усилия, направленные на выявление загрязнения окружающей среды, а также тенденций к смене растительного покрова.

При биологических методах изучается отклик растений и животных на изменение экологической ситуации и часто рассматривается как индикатор этих изменений. Дистанционные методы используются для решения крупномасштабных задач, но могут быть полезны и при выявлении локальных нарушений. Для получения подобной информации чаще других используют спутниковые снимки и другую информацию со спутников. Физико-химические методы выявляют наличие загрязнений и чаще всего проводятся в лаборатории. Наиболее важным при этом виде мониторинга является выявление наиболее опасных для человека веществ.

Мониторинг состояния окружающей среды осуществляется не только контактными методами с помощью наземных средств измерений (автоматизированные системы контроля качества воздуха, стационарные посты пассивного мониторинга, лидары, телеметрия), но и дистанционными (аэрокосмическими).

Методы дистанционного зондирования являются единственным средством получения экологической информации на больших площадях с высоким пространственным разрешением в реальном масштабе времени. Удовлетворение требований оперативности, обзорности и объективности может быть оптимизировано путем сочетания многоспектральной космической съемки и сети фиксированных станций наземного базирования.

За рубежом созданы региональные мониторинговые геоинформационные системы, особенно в мониторинге загрязнения атмосферы. Геоинформационная мониторинговая система (ГМС) выполняет комплекс функций по сбору информации о текущих значениях параметров геосистем, обработке этой информации в рамках имитационных моделей экологических и климатических процессов и принятию оптимальных решений. Различают ГМС локального (стационарные средства регистрации, опробования, анализа), регионального (авиационно-космические средства) и глобального (космические средства) масштаба.

Аппаратура, установленная на искусственных спутниках Земли (ИСЗ), обеспечивает регистрацию цифровой информации в видимом, ближнем инфракрасном и тепловом диапазонах электромагнитного спектра. Решают задачи природопользования и экологического контроля: классифицируют земные покровы, фенологические фазы и болезни растений, вызываемые антропогенными воздействиями, оценивают газовый состав атмосферы, выполняют слежение за водной и ветровой эрозией почв, определяют границы снежного покрова, затопления и разливов рек, хорошо идентифицируют многие антропогенные изменения в окружающей среде, например лесные пожары (по шлейфам дыма, лесным гарям), обнаруживают крупные выбросы вредных веществ в атмосфере и Мировом океане, контролируют состояние озонового слоя и т.

Наблюдения за дымовыми выбросами позволяют установить по степени прозрачности плотность частиц в факелах. Примеси, составляющие такой факел, можно определить по поглощению радиации в соответствующих зонах поглощения различными газами.

Использование данных спутникового дистанционного зондирования открывает возможность обнаружения фактов нарушения природоохранного законодательства, локализации и установления источников загрязнения. Не исключено поэтому, что спутниковая информация станет доминирующей при контроле за аварийными и нелегальными разливами нефтепродуктов в условиях транспортных операций.

В качестве индикаторов состояния окружающей среды, последствий воздействия на нее природных и антропогенных факторов, местоположения экологических инцидентов и событий могут быть использованы характеристики ледяного покрова внутриконтинентальных водоемов и соответствующие ему радиолокационные сигнатуры по данным радиолокаторов с синтезированной апертурой — SAR.

Проблемы общего загрязнения водоемов и водотоков как главных частей бассейна, а также прослеживание этого загрязнения в сезонном аспекте и в ретроспективном плане весьма актуальны в связи с заметным увеличением антропогенной нагрузки в последнее десятилетие. Современные космические многоспектральные системы (NOAA, CZCS, МСУ-СК, МСУ-Э, Landsat ТМ и др.) позволяют использовать в качестве параметров, характеризующих состояние водных масс, температуру поверхности (с ней напрямую связаны сбросы промышленных предприятий и населенных пунктов, имеющие повышенную температуру), мутность, содержание фитопланктона, наличие прибрежной растительности. Дистанционные данные позволяют фиксировать указанные параметры в реальном масштабе времени на всей акватории, что позволяет судить о пространственно-временных вариациях загрязненности водоемов.

Анализ архивов цифровых многоспектральных данных ИСЗ NOAA показывает, что на таких изображениях отчетливо можно проследить термальные структуры водоемов и основные потоки, в том числе потоки мутности, формирующие сток загрязняющих веществ.

Поскольку появление потока мутности (взвешенных частиц) в истоках рек является важнейшим индикатором для принятия управленческих решений в нижележащей зоне, дополнительно к космическим данным следует использовать информацию датчика мутности (фотодиод с оптимальным спектральным интервалом, возможно с лазерной подсветкой ночью, термодатчик), установленного на буйковом наблюдательном посту.

В настоящее время разработаны методики и программное обеспечение расчета температуры (теплового потока с поверхности), содержания взвеси, фитопланктона и прибрежной растительности по многоспектральным цифровым космическим данным. Поэтому основными задачами дистанционного мониторинга водоемов являются: прослеживание потоков загрязненных вод, попадающих в сток рек при различной метеообстановке и в различные сезоны; выявление условий минимального и максимального расхода вод; разработка рекомендаций по квотированию нагрузок на элементы водного бассейна; контроль выполнения международных обязательств и бассейнового соглашения; прослеживание тенденций изменения экологической ситуации в последние 8—10 лет.

ВВЕДЕНИЕ
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ
1 Контактные методы контроля окружающей среды
2 Дистанционные методы контроля окружающей среды
3 Назначение, цель и задачи международная аэрокосмическая система глобального мониторинга
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Для получения объективной информации о состоянии и об уровне загрязнения различных объектов окружающей среды необходимо располагать надёжными средствами и методами экологического контроля. Повышение эффективности контроля за состоянием природной среды может быть достигнуто повышением производительности, оперативности и регулярности измерений, увеличением масштабности охвата одновременным контролем; автоматизацией и оптимизацией технических средств контроля и самого процесса.
Средства экологического наблюдения и контроля подразделяются на контактные, неконтактные (дистанционные), биологические, а контролируемые показатели– на функциональные (продуктивность, оценка круговорота веществ и др.) и структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических или биологических параметров– концентрация загрязняющего вещества, коэффициент суммарного загрязнения и др.).

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. аль-Фараби
Факультет география и природопользования
Кафедра картографии и геоинформатики

СРСП
Дистанционные и контактные методы. Средства реализации мониторинга: стационарные станции, передвижные посты, аэрокосмические системы, автоматизированные системы.

Проверил: Оспанов Б.С.
Подготовила: Ходжаева Р.А.

Алматы, 2015
СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ

1
Контактные методы контроля окружающей среды
4
2
Дистанционные методы контроля окружающей среды
7
3
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
Назначение, цель и задачи международная аэрокосмическая система глобального мониторинга
10

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
13

ВВЕДЕНИЕ
Для получения объективной информации о состоянии и об уровне загрязнения различных объектов окружающей среды необходимо располагать надёжными средствами и методами экологического контроля. Повышение эффективности контроля за состоянием природной среды может быть достигнуто повышением производительности, оперативности и регулярности измерений, увеличением масштабности охвата одновременным контролем; автоматизацией и оптимизацией технических средств контроля и самого процесса.
Средства экологического наблюдения и контроля подразделяются на контактные, неконтактные (дистанционные), биологические, а контролируемые показатели - на функциональные (продуктивность, оценка круговорота веществ и др.) и структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических или биологических параметров - концентрация загрязняющего вещества, коэффициент суммарного загрязнения и др.).

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ
1. Контактные методы контроля окружающей среды
Контактные методы контроля состояния окружающей среды представлены как классическими методами химического анализа, так и современными методами инструментального анализа. Классификация контактных методов контроля приведена на рис. 1.8.
Наиболее применяемые спектральные, электрохимические и хроматографические методы анализа объектов окружающей среды(представлены на рис. 1.9 - 1.11).

Общая схема контроля включает этапы: 1) отбор пробы; 2) обработка пробы с целью консервации измеряемого параметра и её транспортировка; 3) хранение и подготовка пробы к анализу; 4) измерение контролируемого параметра; 5) обработка и хранение результатов. Пробоотбор зачастую предопределяет результаты анализа, так как возможно загрязнение пробы в процессе её отбора, особенно когда речь идёт об измерении ничтожно малых количеств загрязняющего вещества. Здесь важен и выбор места и средства отбора, и чистота пробоотборников и тары для хранения пробы. В изолированной от природной среды пробе, начиная с момента её взятия, осуществляются процессы релаксации по параметрам экосистемы, значения которых определяются кинетическими факторами. Одни из параметров меняются быстро, другие сохраняются достаточно долго. Поэтому необходимо иметь представление о кинетике изменения измеряемого параметра в данной пробе. Очевидно, чем меньше время от момента взятия пробы до её консервации(или анализа), тем лучше. И все же лучше в параллельно отобранные пробы добавить эталон контролируемого загрязняющего вещества и консервировать эти контрольные пробы через разные временные интервалы. При измеренииэталонных образцов одновременно можно получить и градировочные графики. Такой методвнутреннего стандарта желательно использовать и для оценки других факторов, которые могут влиять на результаты анализа(хранение, транспортировка, методика подготовки пробы к анализу и т.д.).
Подготовка пробы к анализу может включать в себя либо концентрирование измеряемого ингредиента, либо его химическую модификацию с целью проявления аналитически наиболее выгодных свойств. Концентрирование достигается двумя путями: методом сорбции анализируемого компонента (на твёрдом сорбенте или при экстракции растворителем), методами уменьшения объёма пробы, содержащей компонент, например путём вымораживания, соосаждения или выпаривания. Конечно, любая такая процедура может влиять на результат анализа, поэтому внутренний стандарт необходим.
Эффективность любого метода наблюдений и контроля за состоянием объектов окружающей среды оценивается следующей совокупностью показателей:
:: селективностью и точностью определения;
:: воспроизводимостью получаемых результатов;
:: чувствительностью определения;
:: пределами обнаружения элемента(вещества);
:: экспрессностью анализа.
Основным требованием к выбранному методу является его применимость в широком интервале концентраций элементов(веществ), включающих как следовые количества, в незагрязнённых объектах фоновых районов, так и высокие значения концентраций в районах технического воздействия [[1]].

2. Дистанционные методы контроля окружающей среды
Контактные методы наблюдений и контроля за состоянием природной среды дополняются неконтактными (дистанционными), основанными на использовании двух свойств зондирующих полей(электромагнитных, аку-стических, гравитационных): осуществлять взаимодействия с контролируемым объектом и переносить полученную информацию к датчику. Зондирующие поля обладают широким набором информативных признаков и разнообразием эффектов взаимодействия с веществом объекта контроля. Принципы функционирования средств неконтактного контроля условно подразделяют на пассивные и активные. В первом случае осуществляется приём зондирующего поля, исходящего от самого объекта контроля, во втором производится приём отражённых, прошедших или переизлученных зондирующих полей, созданных источником.
Неконтактные методы наблюдения и контроля представлены двумя основными группами методов: аэрокосмическими и геофизическими. Основными видами аэрокосмических методов исследования являются оптическая фотосъёмка, телевизионная, инфракрасная, радиотепловая, радиолокационная, радарная и многозональная съёмка.
Неконтактный контроль атмосферы осуществляется с помощью радиоакустических и лидарных методов. Вначале радиоволны были использованы для анализа состояния ионосферы(по отражению и преломлению волн), затем сантиметровые волны применили для исследования осадков, облаков, турбулентности атмосферы.
Область использования радиоакустических методов ограничена сравнительно локальными объёмами воздушной среды(около1 - 2 км в радиусе) и допускает их функционирование в наземных условиях и на борту воздушных судов. Одной из причин появления отражённого акустического сигнала являются мелкомасштабные температурные неоднородности, что позволяет контролировать температурные изменения, профили скорости ветра, верхнюю границу тумана.
Принцип лидарного (лазерного) зондирования заключается в том, что лазерный луч рассеивается молекулами, частицами, неоднородностями воздуха; поглощается, изменяет свою частоту, форму импульса, в результате чего возникает флюоресценция, которая позволяет качественно или количественно судить о таких параметрах воздушной среды, как давление, плотность, температура, влажность, концентрация газов, аэрозолей, параметры ветра. Преимущество лидарного зондирования заключается в монохроматичности, когерентности и возможности изменять спектр, что позволяет избирательно контролировать отдельные параметры воздушной
среды. Главный недостаток - ограниченность потолка зондирования атмосферы с Земли влиянием облаков.
Основными методами неконтактного контроля природных вод являются радиояркостной, радиолокационный, флюоресцентный. Радиояркостной метод использует диапазон зондирующих волн от видимого до метрового для одновременного контроля волнения, температуры и солёности. Радиолокационный (активный) метод заключается в приёме и обработке(амплитудной, энергетической, частотной, фазовой, поляризационной, пространственно-временной) сигнала, отражённого от взволнованной поверхности.
Для дистанционного контроля параметров нефтяного загрязнения водной среды(площадь покрытия, толщина, примерный химический состав) используется лазерный отражательный, лазерный флюоресцентный методы и фотографирование в поляризованном свете.
Флюоресцентный метод основан на поглощении оптических волн нефтью и различии спектров свечения легких и тяжёлых фракций нефти. Оптимальный выбор длины возбуждающей волны позволяет по амплитуде и
форме спектров флюоресценции идентифицировать типы нефтепродуктов.
Геофизические методы исследований применяются для изучения состава, строения и состояния массивов горных пород, в пределах которых могут развиваться . продолжение

Читайте также: