Környezeti monitoring módszerek

Egy adott komponens, jelenség, folyamat, a kutatás környezetének, a rendelkezésre álló pénzügyi és egyéb eszközök monitorozása során elérendő eredmények pontosságától függően különféle monitoring módszereket alkalmaznak .

Távoli módszerek

Mint ismeretes, katonai és űrprogramokban jöttek létre az első automatikus rendszerek a külső környezet paramétereinek figyelésére. Az 1950-es években Az Egyesült Államok légvédelmi rendszere már hét réteg automatikus bójákat használt a Csendes-óceánban , de a leglenyűgözőbb automatikus környezetminőség-ellenőrző rendszert kétségtelenül Lunokhodban vezették be. A környezeti monitoring egyik fő adatforrása a távérzékelés (RS) adatai. A médiától kapott minden típusú adatot egyesítik:

• emberrel (űrpályaállomások, újrafelhasználható űrhajók, autonóm műholdképalkotó rendszerek stb.);
• repülőgép alapú (repülőgépek, helikopterek és mikrorepülőgépes rádióvezérlésű járművek) és a távérzékelt adatok jelentős részét teszik ki a kontakt (elsősorban földi) típusú felmérések, körülmények között mérőrendszerekkel történő adatszerzési módszerek antonimájaként. fizikai érintkezés a témával;
• Az érintésmentes (távoli) felmérési módszerek az űrkutatáson kívül magukban foglalják a tengeri (vízi) és a szárazföldi különféle módszereket, beleértve például a fototeodolitos felmérést, az elektromágneses feltárást és az altalaj geofizikai szondázásának egyéb módszereit, a hidroakusztikus a tengerfenék domborzatának felmérése oldalsó letapogatású szonárokkal, egyéb módszerekkel, amelyek saját vagy visszavert hullámjellegű jel regisztrálásán alapulnak.

Repülési képek

A légiközlekedési (távoli) környezetmegfigyelési módszerek közé tartozik a repülőgépeket, léggömböket, műholdakat és műholdrendszereket használó megfigyelőrendszer, valamint a távérzékelési adatfeldolgozó rendszer [1] .

Az űrkörnyezet megfigyeléséhez elsősorban a poláris pályán keringő meteorológiai műholdakra célszerű koncentrálni, mind a hazai eszközökre (Meteor, Ocean és Resurs típusú műholdakra), mind a NOAA , Landsat és SPOT sorozatú amerikai műholdakra . Maradjunk röviden ezeknek a műholdaknak a jellemzőinél [2] .

A NOAA sorozatú amerikai meteorológiai műholdak PR többzónás optikai és IR berendezésekkel vannak felszerelve, nevezetesen egy nagy felbontású AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) rádióméterrel. A NOAA űrrepülőgépeket a Föld felszíne felett mintegy 700 km-rel 98,89 fokos hajlásszögű sarki pályára bocsátják. A nagy felbontású radiométer öt spektrális sávban méri fel a Föld felszínét. A térfelmérések 1100 m-es térbeli felbontással és 2700 km-es fogásszélességgel készülnek.

A Resurs sorozatú orosz műholdak az Orosz Szövetségi Hidrometeorológiai és Környezetfigyelő Szolgálathoz (Roshydromet) tartoznak. Nagy és közepes felbontású többzónás térinformációkat biztosítanak két szkenner segítségével a látható és közeli infravörös tartományban.

A szintén a Roshydromet tulajdonában lévő Meteor űrhidrometeorológiai rendszer biztosítja Oroszország területének globális környezeti megfigyelését. Meteor műhold pályaparaméterei: cirkumpoláris körpálya, körülbelül 1200 km magassággal. A tudományos berendezések komplexuma lehetővé teszi, hogy naponta kétszer gyorsan készítsünk képeket a felhőzetről és az alatta lévő felszínről a látható és infravörös tartományban, a levegő hőmérsékletére és páratartalmára, a tengerfelszín hőmérsékletére és a felhőkre vonatkozó adatokra. Az ózonoszféra és a geofizikai megfigyelést is végzik. A műhold fedélzeti komplexuma több pásztázó infravörös sugármérőt és pásztázó TV-berendezést tartalmaz adattároló rendszerrel a fedélzeten a globális felméréshez és adatátvitelhez az APIS-hez. Az orosz "Ocean" űrrendszer radar-, mikrohullámú és optikai képeket biztosít a földfelszínről a tengeri navigáció, a halászat és a világóceán polczónáinak fejlesztése érdekében. A műhold egyik fő feladata az Északi-sarkvidék és az Antarktisz jéghelyzetének megvilágítása, a hajók révkalauzolása nehéz jégviszonyok között. Műholdpálya paraméterei: szubpoláris körpálya 600-650 km magassággal. Az információáramlást felhős körülmények között és a nap bármely szakában a BO radar és a "Kondor" autonóm tengeri és jégállomások információgyűjtési rendszere biztosítja. Az Ocean-01 műhold fedélzeti berendezésegyüttese az R-600 és R-255 mikrohullámú radiométereket, a Delta-2 pásztázó mikrohullámú radiométert, a Trasser útvonal polarizációs spektroradiométert, valamint egy optikai letapogató berendezés komplexumot tartalmaz.

A távérzékelési műholdadatok a következő problémák megoldását teszik lehetővé a környezet állapotának figyelésével kapcsolatban:

1. Meteorológiai jellemzők meghatározása: függőleges hőmérsékleti profilok, a páratartalom integrált jellemzői, a felhőzet jellege stb.);
2. Légköri frontok, hurrikánok dinamikájának figyelemmel kísérése, nagyobb természeti katasztrófák térképeinek beszerzése;
3. Az alatta lévő felszín hőmérsékletének meghatározása, a talaj- és vízfelszíni szennyezettség üzemi ellenőrzése és osztályozása;
4. Ipari vállalkozások nagy vagy tartós kibocsátásának kimutatása;
5. Az erdőparki övezetek állapotára gyakorolt ​​technogén hatás ellenőrzése;
6. Nagy tüzek felderítése és tűzveszélyes zónák azonosítása erdőkben;
7. A nagyvárosokban működő nagyiparok és hőerőművek termikus anomáliáinak és hőkibocsátásának azonosítása;
8. Füstös csóvák regisztrálása a csövekből;
9. Szezonális árvizek és folyami árvizek megfigyelése és előrejelzése;
10. A jelentősebb árvízi övezetek mértékének felderítése és értékelése;
11. A hótakaró és a hótakaró szennyezettségének dinamikájának nyomon követése az ipari vállalkozások hatászónáiban.

A műhold fő hasznos teherbírása egy pankromatikus optoelektronikai rendszer, amely 1 m térbeli felbontású képek készítését teszi lehetővé. egy pályán. Íme a spektrális csatornák elosztásának sorozata és ezeknek a csatornáknak a hatóköre:

1 csatorna (kék):

• a legérzékenyebb a légköri gázokra, ezért a kép kontrasztja alacsony lehet;
• a legnagyobb vízáteresztő képességgel rendelkezik (a hosszú hullámok jobban elnyelődnek), azaz optimális a víz alatti növényzet, csóvák, víz zavarosság és csapadék kimutatására;
• hasznos a füstcsóvák észlelésére (mivel a rövid hullámokat könnyebben szétszórják a kis részecskék);
• jól megkülönbözteti a felhőket a hótól és a szikláktól, valamint a csupasz talajt a növényzettel rendelkező területektől.

2 csatornás (zöld):

• érzékeny a víz zavarossága, az üledék csóváira és csóváira;
• lefedi a levélfelületek csúcsvisszaverő képességét , hasznos lehet a növényzet széles osztályainak megkülönböztetésére;
• víz alatti növényzet azonosítására is használható.

3 csatornás (piros):

• érzékeny a klorofill erős felszívódásának zónájában, azaz jól felismeri a talajt és a növényzetet;
• érzékeny a nagy reflexiós zónában a legtöbb talaj esetében;
• hasznos a hótakaró kontúrozására.

4. csatorna (infravörös közelében):

• megkülönbözteti a növények sokféleségét;
• víztestek lehatárolására, száraz és nedves talajok elkülönítésére használható, mivel a víz erősen elnyeli az infravörös hullámok közelében.

5. csatorna (közepes vagy rövidhullámú infravörös):

• érzékeny a levélszövetek víztartalmának változásaira (duzzanat);
• érzékeny a növényzet és a talaj nedvességváltozásaira (a tükrözőképesség a víztartalom növekedésével csökken);
• hasznos a növények életerejének meghatározására és a pozsgás növények elválasztására a fás szárú növényzettől;
• különösen érzékeny a vas jelenlétére/hiányára a kőzetekben (a reflexiós képesség növekszik a vas mennyiségének növekedésével);
• megkülönbözteti a jeget és a havat (világos tónus) a felhőktől (sötét tónus).

6. csatorna (hosszú hullámú infravörös vagy termikus):

• az érzékelők a sugárzó felület hőmérsékletének mérésére szolgálnak -100 o C és 150 o C között;
• alkalmas nappali és éjszakai használatra;
• hőképalkotás alkalmazása: talajnedvesség elemzése, kőzetfajták, termálvíz szennyeződések azonosítása, hazai hőfelhalmozás, városi hőtermelés forrásai, élővilág számbavétele, geotermikus zónák azonosítása.

7. csatorna (közepes vagy rövidhullámú infravörös):

• egybeesik a hidroásványok (palák, egyes oxidok és szulfátok) sugárzáselnyelési sávjával, ami miatt sötétnek tűnnek;
• hasznos litológiai felmérésekhez;
• az 5. csatornához hasonlóan érzékeny a növényzet és a talaj nedvességváltozásaira.

8. csatorna (pankromatikus – 4,3,2):

• a legjellemzőbb csatornakombináció, amelyet a távérzékelésben alkalmaznak a növényzet, a termés, a földhasználat és a vizes élőhelyek elemzésére.

Számítógépes módszerek műholdadatok feldolgozására

A távérzékelési (RS) adatok feldolgozásának célja a szükséges radiometriai és geometriai jellemzőkkel rendelkező képek vagy képek előállítása. Tekintsük az adatfeldolgozás főbb szakaszait. A távérzékelési adatok feldolgozása általában három szakaszból áll:

1. előfeldolgozás - műholdadatok fogadása, mágneses adathordozóra történő rögzítése, dekódolása és korrekciója, az adatok közvetlenül képpé vagy műholdképpé vagy a későbbi feldolgozási típusok számára megfelelő formátumokba konvertálása;
2. elsődleges feldolgozás - az űrhajó és az érzékelő instabilitása által okozott torzulások korrekciója, valamint a kép georeferálása egy koordináta rács átfedésével, a kép léptékének megváltoztatása és a kép megjelenítése a kívánt földrajzi vetítésben (geokódolás);
3. másodlagos (tematikus) feldolgozás - digitális elemzés statisztikai feldolgozási módszerekkel, vizuális értelmezés és értelmezés interaktív vagy teljesen automatizált módban.

A feldolgozás első és második szakasza jelenleg az űrhajó fedélzetén hajtható végre.

A többzónás felmérések hosszú évek óta folynak, és a kutatók nagy mennyiségű empirikus adatot halmoztak fel. Az már jól ismert, hogy a spektrum különböző zónáiban milyen fényességi arányok felelnek meg a növényzetnek, a csupasz talajnak, a vízfelületeknek, az urbanizált területeknek és más gyakori tájtípusoknak, léteznek különféle természeti képződmények spektrumai. Ezeket az arányokat különböző zónák lineáris kombinációiként kifejezve megkaphatjuk az ún. indexeket. Mivel sok modern földi távérzékelési rendszer a spektrum látható vörös és közeli infravörös részein mér, általános módszer a normalizált vegetációs index (NDVI) kiszámítása. A normalizált vegetációs index a növényzet jelenlétét és állapotát mutatja a visszavert energiák arányával 2 spektrális csatornában. A következő képlettel számítva: NDVI=NIR-VÖRÖS/NIR+VÖRÖS, ahol a NIR a spektrum közeli infravörös tartományában való visszaverődés; PIROS – tükröződés a spektrum vörös tartományában. Ez a függőség a klorofill eltérő spektrális tulajdonságain alapul a látható és a közeli infravörös tartományban. A vegetációs indexek az empirikus mutatókról a növénytakaró valós fizikai tulajdonságaira való átmenet közbenső szakaszának tekinthetők. Gyakran univerzális és területileg kötött indexeket számítanak ki: LAI - levélterületi index vagy FPAR - növényzet által elnyelt fotoszintetikus aktív sugárzás index , stb. A LAI index természetes körülmények között mérhető. A LAI raszterképek (250 m térbeli felbontású) az egész világra vonatkozóan mostantól havonta jelennek meg az interneten. Ezek az adatok a multispektrális képek osztályozási módszereivel kombinálva jelentősen növelhetik a képfeldolgozás megbízhatóságát a különféle információkat figyelembe vevő szakértői rendszerekben.

Az Internet globális számítógépes hálózatának megjelenése és a fejlett információs technológiák fejlődése új szakaszt nyitott az űrkörnyezet-ellenőrzés fejlődésében. Az új szakasz jellemzője a telekommunikációs infrastruktúra, valamint a hipertext és interaktív információs technológiák széleskörű alkalmazása, amelyek rendkívül ígéretesek a környezet állapotának távfelügyeletében. Szintén aktuális a nemzeti környezetvédelmi információforrások integrálása, a regionális adatbázisok létrehozása és az űrkörnyezet-monitoring eredményein alapuló elektronikus gyűjtemények bővítése. Az űrmegfigyelési technológiák fejlesztése, az oroszországi régiók műholdas környezeti megfigyelésére szolgáló infrastruktúrák létrehozása, valamint a valós idejű környezeti ellenőrző rendszer kifejlesztése kulcsszerepet játszik az orosz környezet biztonságának és fenntartható fejlődésének biztosításában. gazdaság.

Ebben a tekintetben űrfigyelő központokat (CMC) hoznak létre, amelyek a környezet és a természeti erőforrások állapotának operatív megfigyelését végzik (például az Orosz Tudományos Akadémia Szibériai Kirendeltségének Nap-Földfizikai Intézete, Irkutszk), többszintű információs rendszereket hoznak létre a környezet állapotának tér-idő monitorozására, beleértve a műholdinformációk gyűjtésére, feldolgozására, elemzésére és tárolására szolgáló hardvert és szoftvert.

Föld

Az ökológiai monitoring földi módszerei.

Fiziko-kémiai módszerek

- Kvalitatív módszerek . Lehetővé teszi annak meghatározását, hogy melyik anyag van a vizsgálati mintában. Például kromatográfia alapján [3] .
- Kvantitatív módszerek .
- Gravimetriás módszer . A módszer lényege, hogy meghatározzuk a vizsgált mintában jelenlévő bármely elem, ion vagy kémiai vegyület tömegét és százalékos arányát.
- Titrimetriás (volumetriás) módszer. Az ilyen típusú analízisben a mérést felváltja az analit és a meghatározáshoz használt reagens térfogatának mérése. A titrimetriás elemzési módszerek 4 csoportra oszthatók: a) sav-bázis titrálási módszerek; b) a lerakódás módjai; c) redox módszerek; d) komplexképzési módszerek.
- Kolorimetriás módszerek. A kolorimetria  az egyik legegyszerűbb abszorpciós elemzési módszer. A vizsgálati oldat színárnyalatainak koncentrációtól függő változásán alapul. A kolorimetriás módszerek vizuális kolorimetriára és fotokolorimetriára oszthatók.
- Expressz módszerek . Az expressz módszerek közé tartoznak a műszeres módszerek, amelyek lehetővé teszik a szennyezés rövid időn belüli meghatározását. Ezeket a módszereket széles körben alkalmazzák a sugárzási háttér meghatározására, a légi és vízi környezet monitoring rendszerében.
- A potenciometrikus módszerek az elektróda potenciáljának változásán alapulnak, az oldatban végbemenő fizikai és kémiai folyamatoktól függően. Ezek a következőkre oszthatók: a) közvetlen potenciometria (ionometria); b) potenciometrikus titrálás.

Biológiai monitoring módszerek

1. A bioindikáció  egy olyan módszer, amely lehetővé teszi a környezet állapotának megítélését az élőlények találkozása, hiánya, fejlődési jellemzői alapján - bioindikátorok [4] . A bioindikátorok olyan organizmusok, amelyek jelenléte, mennyisége vagy fejlődési jellemzői az élőhely természetes folyamatainak, állapotának vagy antropogén változásainak indikátoraiként szolgálnak. A bioindikátorokkal meghatározott feltételeket bioindikációs objektumoknak nevezzük.
2. A biotesztelés  olyan módszer, amely lehetővé teszi a környezeti objektumok minőségének felmérését laboratóriumi körülmények között élő szervezetek segítségével.
3. A biodiverzitás összetevőinek értékelése a biológiai sokféleség összetevőinek összehasonlító elemzésére szolgáló  módszerek összessége [5] .

Statisztikai és matematikai adatfeldolgozás módszerei

A környezeti monitoring adatok feldolgozásához mintafelismerési módszereket, számítási és matematikai biológia (beleértve a matematikai modellezést) módszereit, valamint az információs technológiák széles skáláját alkalmazzák [6] .

A területek környezeti tényezőket figyelembe vevő kezeléséhez szükséges a terület környezeti értékelése. A probléma az, hogy a terület állapotát több tucat, különböző osztályok megfigyelőhálózata figyeli, és sok heterogén mutató írja le, a legkülönbözőbb osztályok földrajzi tipológiáiban. Ez lehetővé teszi a tanszéki megfigyelési hálózatok olyan mutatóinak meghatározását, amelyek jelentős súllyal rendelkeznek egy adott megbízhatósági szinten, és amelyek tájékoztató jellegűek erre a tényezőre vonatkozóan, valamint átfogó becslések készítését, amelyek tükrözik a mutatók és az általános hatástényezők kumulatív válaszát. [7]

Földrajzi Információs Rendszerek

A GIS a környezeti adatok térbeli objektumokhoz való kapcsolásának általános tendenciáját tükrözi. Egyes szakértők szerint a térinformatikai és a környezeti monitoring további integrációja erőteljes EIS (környezeti információs rendszerek) létrehozásához vezet, sűrű térbeli referenciával.

Irodalom

1. ↑ Vinogradov B. V. Az ökoszisztémák légi űrkutatása. — M.: Nauka, 1984. — 320 p.
2. ↑ Szputnyik . Letöltve: 2022. július 15. Az eredetiből archiválva : 2007. szeptember 27. (határozatlan)
3. ↑ Maistrenko V.N., Khamitov R.Z., Budnikov G.K. A szupertoxikus anyagok ökológiai és analitikai monitorozása. — M.: Kémia, 1996. — 319 p.
4. ↑ Shitikov V.K., Rozenberg G.S. , Zinchenko T.D.  Kvantitatív hidroökológia: rendszerazonosítás módszerei. - Togliatti : IEVB RAS , 2003. - 463 p.
5. ↑ Gorshkov M. V. Ökológiai monitoring. Proc. juttatás. - Vlagyivosztok: TGEU Kiadó, 2010. 313 p.
6. ↑ Puzachenko Yu. G. Matematikai módszerek az ökológiai és földrajzi kutatásban. M.: Akadémia, 2004. - 406 p.
7. ↑ Syutkin V. M. A közigazgatási régió környezeti monitorozása (koncepció, módszerek, gyakorlat a Kirov régió példáján) Levéltári példány 2016. március 4-én a Wayback Machine -nél  - Kirov: VSPU, 1999. - 232 p.