Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Казанский Государственный Университет
им. В.И. Ульянова-Ленина
Факультет географии и экологии
Кафедра физической географии и геоэкологии
Р Е Ф Е Р А Т
Использование аэрофото и космической информации в гидрологических исследованиях.
Выполнил: студент 236 группы
Кузнецов М.В.
Казань 2006
Оглавление:
Введение.
В настоящее время, в век сплошной информатизации и компьютеризации, науке представлены огромные возможности. Прежде всего, это касается перевода информации в цифровую форму, что намного облегчает ее обработку, хранение и дальнейшее использование. Для географии, как науки использующей различного рода информацию о географической оболочке, достижения в цифровых технологиях играют огромную роль. Велика их роль и в отдельных географических дисциплинах. Так, относительно недавно появившиеся в географической науке дистанционные исследования, в настоящее время практически немыслимы без информационных технологий. Дистанционные наблюдения за процессами и явлениями, происходящими на земной поверхности, позволили установить их действительную сущность. С помощью же цифровых технологий стали возможными сбор и хранение огромного количества информации, полученные с помощью аэрофото и космических исследований.
Для того чтобы установить роль дистанционных исследований в гидрологи, необходимо решить несколько задач:
Решив эти задачи, можно будет судить о роли дистанционных методов в гидрологии и географии в целом.
Глава 1. Физическая сущность аэрофото и космических исследований.
Чтобы уметь хорошо работать с аэрофото и космической информацией, необходимо иметь представление о физических свойствах излучения земной поверхности и других небесных тел, регистрирующей аппаратуре и способах съемки.
При аэрокосмическом зондировании информации об излучаемом объекте исследования извлекается из результатов регистрации излучения. Данное излучение представляет собой электромагнитные волны различной длины (гамма-волны, ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные, радиоволны), но которые распространяются прямолинейно с одинаковой скоростью - скоростью света.
Последовательность электромагнитных волн, классифицированная по их длинам, называется спектром электромагнитных волн. Большинство современных аэрокосмических методов основано на использовании оптических (видимых) и ультракоротких радиоволн с длиной от 0,3 мкм до 3 м.
Каждый из диапазонов разбивают на более мелкие участки спектра. Каждый из диапазонов в свою очередь делится на ряд поддиапазонов также по принципу длин волн. Видимый диапазон делят на семь цветовых зон ( именно столько цветов человеческий глаз способен воспринимать в оптическом диапазоне), УК спектр на ближний, средний и дальний. Ультракороткие радиоволны разбивают на миллиметровый, сантиметровый, дециметровый и метровый поддиапазоны. Каждый из поддиапазонов предназначен для определенных видов съемок, имея индивидуальные отличительные особенности. Необходимо сказать и о том, что классификация электромагнитных волн весьма условна и у различных авторов
может отличаться.
Солнечное излучение и его отражение объектами земной
поверхности. Основным естественным источником освещения земной поверхности является Солнце, которое излучает электромагнитные волны широкого спектра - от УФ до радиоволн. Основная энергия солнечного излучения приходится на диапазон от 0,3 до 3 мкм, а максимум на 0,5 мкм. Для количественных характеристик взаимодействия излучения с объектами используют как абсолютные, так и относительные величины. Для абсолютных измерений оперируют световой, фотометрической, энергетической и радиометрической системами. При относительных измерениях используют коэффициентами отражения, поглощения, рассеивания и пропускания, значения которых в сумме всегда составляют единицу (закон сохранения вещества и энергии). Отраженное излучение земли представляет наибольший интерес, т.к. оно определяет оптические характеристики объектов земной поверхности.
Наиболее важными для дистанционного изучения являются следующие оптические характеристики объектов:
К0=В2/В1- относительный яркостный контраст
Кв= (В2-В1)/В2=1-(1/К0)- визуальный яркостный контраст
Интервал яркостей между наиболее светлыми Bmax и наиболее темными Bmin определяет интервал яркостей местности U= Вmax/Вmin.
Любой природный объект обладает свойством отражать падающее на него излучение. Но для каждого диапазона отражательная способность будет иметь свое значение, поэтому спектральная отражательная способность объекта характеризует его для всего электромагнитного спектра. Таким образом, для каждой группы природных объектов характеререн свой график спектральной отражательной способности. По последнему определяются диапазоны, в которых целесообразно проводить съемку того или иного объекта.
Собственное излучение Земли. Наряду с тем, что земная поверхность отражает падающее на нее излучение, она сама также способна излучать энергию в определенных диапазонах спектра. Все тепловое излучение Земли можно условно разделить на инфратепловое и радиотепловое излучение
Инфратепловое излучение выражается в способности тел излучать тепловую энергию в зависимости от их абсолютной температуры. В формульном выражении это выглядит следующим образом Р=Е*сигма*Т4, где Р- интенсивность теплового излучения, Е- коэффициент излучения конкретного объекта, сигма- постоянная Стефана-Больцмана, Т- абсолютная температура тела. На основе данного свойства основана тепловая съемка земной поверхности.
Радиотепловое излучение, как и инфратепловое, формируется поверхностным излучательным слоем (скин-слоем). Интенсивность радиотеплового излучения характеризуется радиояркостной температурой Тя – произведение абсолютной температуры и коэффициента излучения. Радиояркостная температура зависит в основном от излучательной способности объектов, а не от температуры.
Влияние атмосферы на регистрируемое излучение. Земная атмосфера для аэрокосмических методов играет двоякую роль: с одной стороны представляет предмет отдельных исследований, а с другой – является источником помех и искажений при изучении земной поверхности.
Облачность, покрывая в каждый момент времени более половины площади земной поверхности, является очень мощным препятствием для космического в оптическом диапазоне. Только лишь радиоволны с длиной волны более 2 сантиметров беспрепятственно проходят через облака. Поэтому данный вид съемок необходимо проводить с учетом метеорологических условий изучаемой территории. Но даже безоблачная атмосфера является источником помех, т.к. электромагнитное излучение испытывает рефракцию и ослабление.
Атмосферная рефракция (искривление лучей) происходит в связи с изменением коэффициента преломления в разных слоях атмосферы и составляет несколько угловых секунд. Ее стоит принимать во внимание при точных фотограмметрических измерениях снимков.
При прохождении через различные слои атмосферы излучение ослабевает за счет частичного поглощения и рассеяния. Поглощение электромагнитного излучения атмосферными компонентами (водяной пар, озон, метан, углекислый газ и др.) приводит к нагреванию определенных слоев атмосферы, в которых концентрация перечисленных газов максимальна.
Атмосферное рассеяние различают двух видов: молекулярное (Релея) и аэрозольное. Рассеяние молекулами газов (релейное) быстро возрастает при уменьшении длины волны. С этим связан голубой фон небосвода. Аэрозольное же рассеяние (рассеяние Ми) неизбирательное и его воздействию подвержен весь спектр электромагнитных волн. Вследствие этого происходит свечение слоев атмосферы (воздушная дымка).
В результате селективной пропускной способности атмосферы, выделяются, так называемые, окна прозрачности, где коэффициент прозрачности атмосферы достаточно велик для ведения съемки. Таким образом, зондирование земной поверхности возможно далеко не во всех зонах электромагнитного спектра, а лишь в отдельных его ламбда – отрезках.
Находящийся на некотором расстоянии от земной поверхности фиксирующий прибор, регистрирует суммарное излучение. Оно складывается из излучения исследуемого объекта, преобразованного нижележащим слоем атмосферы, и излучения этого слоя. Таким образом, чем меньше будет слой атмосферы, через который проходит электромагнитное излучение, тем меньше искажений. Поэтому наблюдения целесообразно проводить так, чтобы изображение исследуемого объекта было перспективным. Иными словами лучи должны проходить возможное наименьшее расстояние от изучаемого объекта, до регистрирующего прибора.
Регистрация излучения. Научно-технический прогресс никогда не стоял на месте и касался практически всех сторон хозяйственной деятельности человека. Так, благодаря НТП, взамен простому наблюдению за земными объектами представилась возможность регистрировать электромагнитное излучение для дальнейшего хранения и использования.
Сначала регистрация излучения происходила с помощью черно-белых фотографических материалов (фотопленок). С открытием цветной фотографии стала возможной цветная фотосъемка объектов земной поверхности. От качества фотографических материалов зависит качество отображения изучаемого объекта на снимках.
Наряду с фотографической регистрацией, в настоящее время широко применяется электрическая регистрация электромагнитного излучения, что во многом облегчает процесс получения конечных продуктов съемки. Электрическая регистрация основана на способности отдельных веществ (полупроводников) изменять свое сопротивление под действием электромагнитного излучения.
Также широко распространена термоэлектрическая регистрация излучения, основанная на нагревании чувствительного элемента от электромагнитных волн. На данном виде регистрации основана тепловая (ИК) съемка земной поверхности.
С помощью антенны, которая одновременно является источником и приемником электромагнитного излучения, можно получать информацию об изучаемом объекте без помощи излучения Солнца и теплового излучения Земли. Технические решения делают антенны узконаправленными и высокочувствительными.
Съемочная аппаратура и ее носители. Применяемые в настоящее время виды съемочной аппаратуры (аэрофотоаппараты, космические фотоаппараты, сканеры, радиолокаторы) позволяют решать очень широкий спектр задач по изучению земной поверхности.
Аэрофотоаппараты по определению применяются на летательных аппаратах с достаточно низкой высотой полета, для обеспечения необходимого качества снимков. В качестве носителей могут выступать такие самолеты, как Ту-134, Ил-18, АН-2, а также АН-30. Кроме перечисленных моделей самолетов возможно применение и других аппаратов, удовлетворяющих техническим требованиям аэрофотосъемки.
Космические фотоаппараты являются модификациями аэрофотоаппаратов и применяются для фотографирования из космического пространства. Носителями данной аппаратуры служат искусственные спутники Земли (ИСЗ), пилотируемые космические корабли и орбитальные станции.
Панорамные фотоаппараты и сканерные устройства (сканеры) имеют общие черты. И те, и другие, как правило, устанавливаются на космические носители для широкого охвата территории. Панорамные фотоаппараты и сканеры имеют определенную полосу для фотографирования. Но при панорамной съемке происходит последовательная регистрация продольных полос, а сканерная съемка основана на последовательной регистрации отдельных фрагментов изучаемой поверхности.
Радиолокаторы бокового обзора применяются, прежде всего, на воздушных летательных аппаратах. Их действие основано на эхолокации параллельных полету полос местности, находящихся по обе стороны от самолета. Наряду с самолетами, в качестве носителей могут применяться и космические носители, что приводит к увеличению ширины локационных полос.
Виды съемок. В зависимости от применяемой аппаратуры и ее носителей, а также основных принципов съемки, принято различать несколько видов съемки. Фотосъемка применяется для регистрации электромагнитного излучения в видимом и ближнем ИК диапазонах с различных высот. Следует отметить, что фотосъемка на данный момент времени является самым информативным видом съемки из космического пространства.
Сканерная съемка, в отличие от фотосъемки, может проводиться во всех спектральных зонах, но особенно эффективна она также в видимом и ИК диапазонах. Наряду с широким охватом территории, сканерная съемка обеспечивает высокую четкость и контрастность конечного изображения.
Радиолокационная (РЛ) или радарная съемка применяется в тех случаях, когда непосредственное наблюдение за поверхностью изучаемого объекта затруднено или вовсе невозможно. Сущность съемки заключается в посылке радиосигнала, отражающегося по нормали от изучаемого объекта и фиксируемого на приемнике, установленном на борту носителя. По структуре радиолокационного снимка проводится его дешифрирование.
Инфракрасная (ИК), или тепловая съемка основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным теплом или солнечным излучением. На основе ИК съемки выделяют температурные аномалии на поверхности Земли.
Спектрометрическая съемка ставит своей целью измерение отражательной способности горных пород. А, зная коэффициент спектральной яркости горных пород, становится возможным их автоматическое распознавание на снимках. Это дает возможность решать не только геологические проблемы, но и прикладные геоэкологические задачи.
Лидарная съемка является активной и основана на непрерывном получении отклика от отражающей поверхности, подсвечиваемой лазерным монохромным излучением с определенной длиной волны. В местах заметных концентраций изучаемого вещества отклик излучения будет повышенным. В целом, лидарная съемка-это геохимическая съемка приповерхностных слоев атмосферы. Кроме перечисленных видов съемки существуют и другие, применяемые при узкотематических исследованиях.
Дешифрирование снимков. После получения снимков с ними начинается работа по дешифрированию, т.е. по извлечению из них необходимой информации. В настоящее время дешифрирование снимков производится с помощью компьютерных программ-дешифровщиков при ограниченном участии человека. Иными словами, по ряду дешифровочных признаков, которые хранятся в базах данных, компьютерная программа производит очень быстрое дешифрирование, а непонятные ей фрагменты “разбирает” специалист-дешифровщик.
Глава 2. Применение аэрофото и космических методов в изучении гидрологических процессов
Как было отмечено ранее, каждая группа природных объектов характеризуется определенными физическими характеристиками. В связи с этим, для каждого типа объектов применяются определенные виды съемок в заданных диапазонах и с необходимым разрешением. Не являются исключением и гидрологические объекты Земли, которым присущи индивидуальные (отличительные) особенности.
Для регистрации излучений водных объектов применяются несколько видов съемки, среди которых необходимо назвать фотосъемку, ИК-съемку, сканерную и радарную. Иные виды съемок применяются значительно реже вследствие низкого качества получаемых снимков.
В гидрологической группе объектов выделяется несколько подгрупп, которые отличаются между собой. Стоит вспомнить лишь о том, что вода на земной поверхности может находиться в трех агрегатных состояниях и каждая фаза характеризуется определенными физическими свойствами. Кроме того, всю гидросферу можно разделить на две большие части: океаны с морями и внутренние воды. Таким образом, изучение гидрологических объектов удобнее проводить согласно вышеизложенному делению.
Океаны и моря.
Регистрация температур поверхности океана. С помощью ИК съемки определяются температуры поверхностных слоев воды в океанах и морях. Благодаря современным технологиям стало возможным наблюдение за температурным полем поверхности океана в режиме реального времени (On-line) и помимо изучения собственно температур воды, ИК съемка дает материалы для исследований динамических процессов в океане (течений, океанических вихрей, фронтов, апвеллингов и др.).
Измерения уровня океана стали возможными при спутниковой радиоальтиметрии с точностью до 5 см. Глобальная топографическая картина водной поверхности позволяет определить отклонения уровня водной поверхности от геоида в зависимости от различных природных факторов. Изучение морских волнений производится с целью предупреждения морских судов о районах разрушительных штормов.
Исследование мутности океана, распределения фитопланктона и (биопродуктивности) определение биопродуктивности океана производят в видимом диапазоне спектра. Так четко выделяются мутные прибрежные полосы волнового перемешивания, «конусы выноса» твердого стока в устьях рек. Так, как спектральная отражательная способность воды зависит от содержания в ней взвесей для изучения глубинного распределения и концентрации взвешенных частиц используют снимки различных спектральных зон. Помимо снимков, производят наблюдения за мутностью водных масс в режиме реального времени, что наиболее информативно.
Тепловая и фотосъемка позволяют определить состояние ледового покрова морей и его изменение. Материалы данных наблюдений исключительно важны для судов северной навигации. Капитан корабля по снимкам определяет дальнейшие действия. Кроме этого по многолетним наблюдениям за ледовым состоянием можно выявить закономерности и ее причины.
С целью батиметрического и тематического картографирования мелководного шельфа (до 40 м) применяется многозональная съемка в оптическом диапазоне. В этом случае получают разноглубинные срезы, что очень удобно для дальнейшего использования информации.
Снега и льды.
Гляциологические объекты характеризуются большой сезонной изменчивостью, распространением в труднодоступных и сложных для наземных наблюдений условиях, что обуславливает необходимость привлечения аэрофото - и космической информации для их изучения. Изучение распределения снежного покрова и его динамики необходимы, прежде всего, для гидрологических прогнозов. Поэтому данные о площади распространения снежного покрова, о динамике его границы должны поступать в обрабатывающий центр оперативно.
Достаточно эффективной методикой определения толщины снежного покрова является гамма-съемка территории его распространения. Снежному покрову свойственно ослабление гамма-излучения радиоактивных элементов почвогрунтов. Погрешности метода достаточно малы, что делает его приемлемым для определения толщины снежного покрова.
Для изучения лавин в горной местности необходимы снимки высокого разрешения, которые позволяют определить потенциально лавиноопасные участки. При удачных (раннелетних) снимках можно рассчитать густоту сети лавиносборов.
Крупномасштабные фотоснимки высокого разрешения позволяют выделить такие формы, как ледники и снежники. В этом случае видны не только границы и площади ледников, но и различимы элементы ледника: фирновая гранича, моренные гряды, зоны крупных ледопадов и др.. По динамике снеговой границы делаются попытки прогнозов половодья на реках ледникового питания.
Воды суши.
В исследованиях вод суши аэрофото - и космические снимки используются, прежде всего, для гидрологического моделирования (формирование половодья, прогноз стока, снежная гидрология, катастрофические наводнения и борьба с ними, и глобальный водообмен). Гидрологическое моделирование (как и любое другое) представляет собой достаточно сложный процесс обработки большого количества данных, установления связей между отдельными процессами. В итоге на основе вышеизложенных работ выявляются определенные закономерности, которые и применяются для моделирования гидрологических процессов в будущем.
Для расчета примерных сроков половодья и половодного гидрографа необходимо иметь точные данные о влагозапасах территории (в снеге, в ледниках, в водоносных горизонтах). Через определенные функциональные зависимости от гидрогеологических и гидрометеорологических параметров переходят к абсолютным значениям стока воды. Параллельное дистанционное топографирование речной долины позволяет определить степень общественной опасности прогнозируемого половодья.
Изучение ледового режима рек и озер также является достаточно важным мероприятием, т.к. весенние ледоставы на крупных реках представляют собой серьезную опасность. Сроки замерзания водной поверхности озер, а также мощность льда оказывают влияние на жизнедеятельность водных обитателей. Методика определения толщины льда на крупных реках, озерах и водохранилищах основана на импульсной радиолокации ледового покрова. По времени запаздывания импульса, отраженного от нижней поверхности льда к импульсу, отраженному от верхней его поверхности определяется мощность льда. Погрешность метода может возникать из-за наличия снежного покрова на льду. Радиолокационная съемка проводится как наземными носителями, так и дистанционно.
Мониторинг за всеми составными частями гидросферы позволяет выяснить реальную картину глобального водообмена со всеми расходными и приходными частями. Это позволяет понять сущность некоторых природных явлений и процессов, недостаточно изученных до настоящего времени.
Заключение.
Рассмотрев применение аэрофото - и космической информации в различных разделах гидрологии следует отметить, что данные методы являются неотъемлемой частью гидрологических исследований, а если точнее составляют основу данных исследований. Широкие возможности современной аппаратуры дистанционных исследований в сочетании с мощными компьютерными технологиями, позволяют решать ряд прикладных задач народного хозяйства.
Литература.