Мониторинг -- это комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений ее состояния под воздействием природных и антропогенных факторов. Мониторинг предполагает процесс систематического или непрерывного сбора информации о параметрах окружающей среды для определения тенденций их изменения. Мониторинг можно проводить с помощью сети стационарных пунктов, однако наблюдения на отдельных точках или профилях не всегда отражают пространственные изменения. Поэтому использование аэро- и космических снимков является необходимым условием проведения регулярных наблюдений за современным состоянием систем. Сравнение их с результатами съемок, выполненных в прошлые десятилетия, позволяет точно зафиксировать произошедшие изменения.

Давно и неоднократно было доказано, что использование оперативной глобальной космической информации позволяет успешно осуществлять мониторинг как быстро протекающих (пожары, наводнения), так и протекающих достаточно медленно процессов (зарастание вырубок и гарей, пересыхание водоемов), охватывающих большие территории [25].

Авиационный мониторинг осуществляют с самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов (включая парящие воздушные шары и т.п.), не поднимающихся на космические высоты (в основном из пределов тропосферы).

Космический мониторинг - мониторинг с помощью космических средств наблюдения [26]

Применение космических материалов при проведении мониторинга сводится к сопоставлению разновременных данных для выявления как короткопериодических, так и многолетних изменений. Основные методические приемы совместного анализа включают, во-первых, сопоставление разновременных снимков и результатов их обработки, во-вторых, карт, составленных по разновременным съемочным данным, и в-третьих, архивных карт и снимков [25].

Общий КПТ

Рисунок 6 - Общий КПТ

Мониторинг развития инфраструктуры и землепользования в населенных пунктах необходим для оценки численности населения, планирования направлений развития и расширения города, выявления существующих и потенциальных зон экологических нарушений.

В области слежения за развитием инфраструктуры города и региона можно выделить следующие задачи, решаемые при помощи методов дистанционного зондирования:

- изменение территорий, занятых городами, населенными пунктами, промышленными зонами, их состояние;

- экологический мониторинг, выявление зон экологических нарушений (загрязнение почвы, атмосферы, водоемов);

- слежение за восстановлением нарушенных природных ландшафтов в результате их промышленного использования;

- мониторинг отдельных объектов городской инфраструктуры (дороги, мосты, промышленные объекты);

- выявление объектов размещения отходов производства и потребления (рис.2);

- определение состояния объектов недропользования;

- городское планирование, строительство, транспорт, жилищно-коммунальное хозяйство;

- кадастровые работы;

- региональная картография [27].

Несанкционированные свалки мусора

Рисунок 7 - Несанкционированные свалки мусора

При осуществлении муниципального земельного контроля органом местного самоуправления ответственные структурные подразделения обязаны проверить каждый земельный участок, в частности, для подтверждения:

* соблюдения порядка, исключающего самовольное занятие земельных участков или их использование без оформленных в установленном порядке документов, удостоверяющих право на землю, за исключением индивидуальных жилых домов;

* своевременного освоения земельных участков, если соответствующие сроки установлены договорами землепользования либо актами о предоставлении земельных участков;

* использования земель по целевому назначению, выполнения установленных требований и обязательных мероприятий по улучшению земель и охране почв от ветровой, водной эрозии и предотвращению иных процессов, ухудшающих качественное состояние земель.

Очевидно, что в крупном городе, учитывая тенденцию к увеличению темпов строительства, осуществление плановых проверок в полном объёме должно проводиться с использованием современных технологий.

Например, при анализе изменений города Иркутска были использованы снимки EROS В с пространственным разрешением 0,7 м. В ходе изучения выявились изменения территории, которые включали участки не только нового строительства (Приложение Г), но также изменения городских и прилегающих территорий, изменение береговой линии водных объектов (Приложение Д).

На всей площади исследования (более 360 кв. км.) было выявлено 1262 объекта, претерпевших те или иные изменения в течении лета 2008 г. Из них в частности: появление нового строения - 515; новый строительный участок - 218; изменения состояния строящихся объектов - 145; снос здания - 34; изменение состояния местности - 37; изменение береговой линии - 2 [28].

Данные дистанционного зондирования предоставляют объективную, оперативную и многоцелевую информацию о состоянии окружающей среды.

Космический экологический мониторинг перспективен для выявления изменений в состоянии окружающей среды урбанизированных территорий. Спутниковый мониторинг геофизических полей в видимом и инфракрасном диапазонах спектра позволяет контролировать состояние атмосферы над городом, обнаруживать техногенные выбросы промышленных предприятий и устанавливать зоны негативного влияния мегаполиса на прилегающие лесопарковые зоны.

Возникающие вблизи городов пожары могут сильно влиять на экологическую обстановку в городе за счет насыщения воздуха углекислым газом и продуктами горения, в отдельных случаях вызывать острый дефицит кислорода. Программное обеспечение, разработанное для нужд МЧС России, позволяет выявлять очаги пожаров (для торфяных пожаров до возникновения дымовых шлейфов), осуществлять географическую привязку и использовать возможности современных геоинформационных систем для принятия решений. При возникновении крупных техногенных пожаров в черте города, наблюдения со спутника позволяют визуализировать район загрязнения опасными химическими веществами [29].

Компания Google и российское подразделение Greenpeace в 2008 году разработали электронную экологическую карту Москвы. При составлении карты использовались данные Росгидромета и Мосэкомониторинга. Теперь любой желающий житель столицы может проверить, насколько опасен для здоровья район, в котором он проживает. На карте наглядно демонстрируются наиболее загрязняющие атмосферу предприятия столицы, а также санитарно-защитные зоны вокруг них, в которых нельзя строить жилые дома, детские сады и площадки для отдыха.

В зону риска попадают проживающие рядом со всеми столичными ТЭЦ, Московским нефтеперерабатывающим заводом, заводом «ЗИЛ», действующими мусоросжигательными заводами. Радиусы санитарных зон вокруг предприятий, выбрасывающих в воздух окислы серы, азота, бензопирен и прочие опасные химические вещества, варьируются от 300 м до 1 км.

Фрагмент экологической электронной карты

Рисунок 8 - Фрагмент экологической электронной карты

В случае с мусоросжигательными заводами радиус достигает 1,5 и даже 24 км, поскольку выбросы от сжигания мусора содержат диоксины и еще около тысячи опасных соединений, многие из которых до конца не изучены [30].

Сущность и назначение мониторинга и прогнозирования - в наблюдении, контроле и предвидении опасных процессов и явлений природы, техносферы, внешних дестабилизирующих факторов, являющихся источниками чрезвычайных ситуаций, а также динамики развития чрезвычайных ситуаций, определения их масштабов в целях решения задач предупреждения и организации ликвидации бедствий.

Прогноз возникновения и развития стихийных природных и техногенных явлений на Земле приобретает в настоящее время все большую актуальность. Наиболее распространенными и опасными стихийными природными явлениями являются землетрясения, цунами, извержения вулканов, оползни, наводнения, штормы

Съёмка Земли из космоса для решения задач мониторинга, контроля и предотвращения чрезвычайных ситуаций обладает неоспоримыми преимуществами перед альтернативными способами получения геопространственной информации.

Масштабные природные катастрофы наряду с массовой гибелью людей вызывают разрушение транспортной и телекоммуникационной инфраструктуры, парализуют деятельность органов управления и силовых структур, что в большинстве случаев не позволяет на местах адекватно оценивать обстановку и принимать своевременные и обоснованные решения. Технологии спутниковой съёмки, напротив, обеспечивают получение в сжатые сроки объективной информации о масштабах и последствиях чрезвычайных ситуаций, необходимой для дальнейшего планирования спасательных и гуманитарных операций (рис. 3). В то же время нарастает необходимость применения космосъемки не только при мониторинге и контроле чрезвычайных ситуаций, но и для прогнозирования опасных природных и техногенных катастроф.

На рисунке 4 изображены детальные спутниковые снимки IKONOS территории Японии, в северо-восточных частях которой 11 марта 2011 произошла серия подземных толчков.

Современные космические и геоинформационные технологии позволяют существенно повышать качество и оперативность решения как повседневных, так и стратегических задач [31].

Район катастрофы в Японии

Рисунок 9 - Район катастрофы в Японии

На аэрокосмических снимках хорошо дешифрируется загрязнение вокруг крупных инженерных сооружений и коммуникаций. В интерактивном режиме удается выделить участки поверхностного водосбора в зоне водохранилищ, используемых для питьевого водоснабжения. Это позволяет установить границы и площади водосборов и давать рекомендации об установлении санитарного моратория.

При дешифрировании состояния атмосферы по цветовым контрастам на экране монитора хорошо устанавливается запыленность и задымленность в близи крупных промышленных объектов и в целом загрязнение воздуха на территории города [26]. Например, по данным космического мониторинга можно определить степень загрязнения атмосферы и окружающей среды в районе города Череповца от промышленного производства, в первую очередь, от сталепрокатного (Приложение Е).

Для выявления участков загрязнения водных объектов промышленными и бытовыми сбросами эффективно проводить дешифрирование тепловых снимков (Приложение Ж). Метод тепловой космической съемки основан на бесконтактном определении температуры объекта земной поверхности или среды по плотности потока излучения в инфракрасном диапазоне длин волн [32].

Спутниковый мониторинг позволяет оценивать состояние и пропускную способность дорог. Особую роль играет космический мониторинг транспортных зон в целях их изучения и диагностики. Выбор трасс для проектирования новых дорог и наблюдение за ходом строительства -- не менее важная задача, решаемая с помощью данных дистанционного зондирования земель.

Использование материалов космической съемки высокого разрешения для задач дорожного хозяйства в России до недавнего времени было ограничено. За последние годы космическая информация стала важным компонентом информационного обеспечения автодорожной отрасли, играя порой незаменимую роль в оперативной оценке дорожной обстановки в труднодоступных районах страны.

Основными перспективными направлениями применения материалов космической съемки в дорожном хозяйстве являются контроль объемов, сроков и видов выполнения работ по строительству и ремонту дорожных объектов.

Спутниковая информация широко применяется для территориального планирования и градостроительного зонирования. Определение функциональных зон и их градация, выявление несанкционированных застроек, изменения планировки населённых пунктов, оценка густоты застройки и озеленённости городов (рис. 10) и многие другие задачи также входят в этот перечень [33].

зондирование космический съемка мониторинг

Изображение растительности на фоне городской застройки

Рисунок 10 - Изображение растительности на фоне городской застройки

Одной из проблем, стоящих в настоящее время перед жилищно-коммунальным комплексом, является сильная изношенность подземных сетей теплоснабжения.

Проведение оперативной общей диагностики с помощью тепловой аэросъёмки даст возможность целенаправленно использовать имеющиеся ограниченные финансовые ресурсы на ремонт и замену теплосетей.

Основной задачей выполнения работ является температурный мониторинг тепловых сетей с целью оценки состояния сетей, уточнения их топологии, обнаружения тепловых аномалий в местах неудовлетворительной изоляции и утечек теплоносителя.

С использованием тепловой аэросъемки эту информацию можно получить в сжатые сроки, при этом она может служить целеуказанием для выполнения дополнительного наземного обследования.

Тепловая съемка сканирующим тепловизором с авиационного носителя дает большую полосу захвата и позволяет выполнить площадную съемку на всю территорию распределения коммуникаций.

Одновременно с тепловой съемкой ведется регистрация изображения линейной цифровой системы в видимом диапазоне.

Совместное дешифрирование изображений в тепловом и видимом диапазонах повышает достоверность получаемых данных. Информация может представляется заказчику в следующем виде:

- тепловая растровая карта в заданной системе координат;

- векторные карты теплосетей;

- векторные карты аномалий;

- каталог аномалий в виде базы данных MS Access c формой поиска.

Выходные форматы растровых и векторных данных поддерживаются ГИС (Zulu, ArcGIS, MapInfo).

Тепловая карта позволяет работать с материалом как с обычной картой в бумажном или электронном виде: легко ориентироваться, делать промеры, использовать в качестве растровой подложки ГИС для обновления информации по протяженным и точечным объектам в единой системе координат (рис.11).

Пример тепловой карты

Рисунок 11 - Пример тепловой карты

На существующем уровне развития тепловой аэросъёмки дешифрирование ИК изображения для оценки состояния теплотрасс проводится в основном на принципе сравнения их элементов, имеющих «нормальное» и «аномальное» состояние, а также использовании некоторых признаков, свидетельствующих об аномальных теплопотерях.

При соблюдении всех технологических условий строительства и одинаковом типе поверхностного покрытия подземная теплотрасса выделяется на ИК изображении в виде слабой однородной по направлению прокладки и несколько размытой по периферии аномалии с расположенными на ней несколько более интенсивными изометрическими или прямоугольными аномалиями от тепловых камер. Чёткие границы характерны для открытых участков теплотрасс. Очень редко хорошо изолированные теплотрассы не видны на ИК изображении. В подавляющем большинстве случаев из-за различных нарушений при строительстве нормальный трубопровод в пределах одной улицы может изобразиться аномалией разной интенсивности (рис 12).

Участки трубы с разной теплоизоляцией

Рисунок 12 - Участки трубы с разной теплоизоляцией

Участки аномальных теплопотерь из-за нарушений теплоизоляции и с её намоканием, но без заметных утечек теплоносителя, носят локальный характер. При больших утечках теплоносителя наблюдаются различной формы интенсивные аномалии из-за его растекания: протяжённые линейные вдоль трассы при канальной прокладке, овальные при равномерном растекании, различных форм растекания при наличии ослабленных зон вблизи аварии.

Протечка теплоносителя (фрагменты теплового и видеоснимка)

Рисунок 13 - Протечка теплоносителя (фрагменты теплового и видеоснимка)

На рисунке 8 изображены примеры обнаружения тепловых аномалий на участках теплосетей [34].

Аэрокосмические средства и методы имеют главнейшее значение для реализации программы создания службы мониторинга окружающей среды, так как именно картографический метод является одним из путей создания глобальной системы мониторинга

Картографирование динамики изменений природной среды, предусматривающее обновление инвентаризационных карт, создание специальных карт динамики и прогноза, т. е. систематическое картографическое слежение за состоянием природной среды и ее изменениями, обуслов­ленными хозяйственной деятельностью людей. Картографический метод создания глобальной системы мониторинга предполагает развертывание работ при обследовании и изучении любой территории в двух основных направлениях:

1. создание базовой инвентаризационной картографической документации, отражающей современное состояние и оценку природных ресурсов;

2. картографирование динамики изменений природной среды, предусматривающее обновление инвентаризационных карт, создание специальных карт динамики и прогноза, то есть систематическое картографическое слежение за состоянием природной среды и изменениями, обусловленными хозяйственной деятельностью людей.

Масштабы картографического представления и периодичность составления оперативных тематических карт мониторинга во многом зависят от характера использования земель и степени развития природно-территориального комплекса.

Масштабы картографического представления и периодичность составления карт мониторинга природной среды в различных регионах по материалам аэрокосмической съемки приведены в таблице 1.

Таким образом, основная цель работ по внедрению и развитию методов аэрокосмического мониторинга - совершенствование установления корреляционных связей между оптическими свойствами экологических комплексов (природных и антропогенно измененных), отраженными на аэрокосмических изображениях, и их свойствами в системе различных природных признаков (физической, биологической, химической).

Аэрокосмический мониторинг позволяет одновременно получать объективную информацию и оперативно выполнять картографирование территории практически на любом уровне территориального деления: страна - область - район - группа хозяйств (землепользование) - конкретное сельскохозяйственное угодье - культура [35].

Аэро- и космические материалы, а также результаты их обработки имеют ряд преимуществ, благодаря которым их применяют для решения многочисленных задач:

- оперативность получения метрической и смысловой информации об изучаемой территории;

- объективность и документальность этой информации, так как при съемке регистрируется фактическое состояние объектов на земной поверхности;

- экономическая эффективность получения информации по материалам аэро- и космических съемок;

- возможность регулярных наблюдений (особенно по материалам космических съемок) за изменениями, происходящими на изучаемой территории.

Базовые карты и планы составляются на территории сельских и городских населенных пунктах, районов, а также на регионы. Масштаб их зависит от требуемой точности метрических данных и информационной нагрузки, необходимой при решении поставленной задачи. Базовый планово-картографический материал отражает специфику природных особенностей и хозяйственного развития изучаемых территорий. Тематические карты создаются для более детального отображения специальной информации. Базовые карты и планы составляются в сжатые сроки и на них показывается современное состояние компонентов природно-ресурсного и социально-экономического комплексов. Такие карты называются оперативными или дежурными.

Базовые и тематические карты и планы служат:

- для межевания, инвентаризации и кадастровой оценки земель различного назначения;

- оценки эффективности использования земель городских территорий и других направлений;

- обеспечения получения оперативной земельно-кадастровой информации;

- проектирования перспективного развития территорий населенных пунктов, городов, промышленных зон, добычи природных ресурсов и т.п.;

- выполнения проектно-изыскательских работ при проектировании инженерных коммуникаций. Для подобных целей также используют первичные модели. На аэро- и космические снимки, фотосхемы и ортофотопланы могут быть нанесены проектные направления трубопроводов, линий электропередачи и других линейных объектов;

- реконструкции и развития дорожной сети;

- выявления и оценки состояния подземных коммуникаций, трубопроводов, линий электропередач, зон подтопления и т. п. При этом информацию получают по материалам нефотографических съемок (тепловых, радиолокационных, лазерных);

- информационной поддержки рынка земли и недвижимости и др. [36].

Мониторингу подлежат все земли независимо от категории земель, форм собственности на землю, её целевого назначения и характера использования. В зависимости от территориального охвата различается федеральный, региональный и локальный мониторинги земель.

Прямой КПТ

Рисунок 14 - Прямой КПТ

По материалам аэро- и космических съемок осуществляется мониторинг правового положения земель.(Рис.15) В результате камеральных работ и полевых обследований выявляются изменения границ и площадей административно-территориальных образований, определяется динамика границ кадастрового деления, границ правого режима и площадей территориальных зон, границ участков различных форм собственности, целевого назначения.

Кривой КПТ

Рисунок 15 - Кривой КПТ

В результате полевого дешифрирования материалов съемок осуществляется мониторинг использования земель. На момент дешифрирования устанавливается фактическое использование земель по их производственному назначению. В результате сравнения вновь полученных сведений и старых данных делается заключение об изменениях в целевом использовании, градостроительных объектов, объектов промышленности.

Отображение на материалах аэро- и космических съемок различий в качественных и количественных показателях земель позволяет успешно применять их для мониторинга кадастровой оценки земель (рис.16). Получаемая при этом информация используется при определении рыночной и залоговой стоимости земельных участков, ставок арендной платы, налогообложения и других экономических показателей.

План местности с нанесёнными кадастровыми границами земельных участков

Рисунок 16 - План местности с нанесёнными кадастровыми границами земельных участков

Использование фотографических и нефотографических съемочных систем позволяет получить информацию о границах и площадях нарушенных земель (оврагов, оползней, карьеров, эродированных земель), подтопленных и переувлажненных земель, загрязненных промышленными и бытовыми отходами, тяжелыми металлами, радионуклидами, химикатами. Своевременно представленные сведения используются для характеристики и динамики изучаемых негативных явлений, а также для разработки мероприятий по их ликвидации.

Совершенствование съемочных систем, технологий обработки получаемых изображений на основе развития компьютерной техники и программного обеспечения позволяет значительно расширить круг решаемых задач для целей рационального использования земельных ресурсов. Существуют специализированные пространственные информационные системы для работы с информацией об объектах, явлениях и процессах, имеющих определенное место в координатном пространстве. Такие системы принадлежат к классу географических информационных систем, обозначаемых сокращенно ГИС.

При организации территорий, ведении кадастра и мониторинга земель применяют ГИС, которые представляют собой модель пространственного размещения объектов местности с соответствующей смысловой (атрибутивной) информацией о каждом из них. ГИС представляют собой инструмент для принятия практических решений определенной тематической направленности на основе всеобъемлющей информации, хранящейся в ее среде.

ГИС имеют различную организацию, поэтому круг и сложность решаемых задач также широки и разнообразны.

Получаемые в результате ортофототрансформирования изображения являются основой для создания базовых топографических карт и планов, которые, в свою очередь, представляют в ГИС базу для пространственного размещения информации. Преобразование цифровых изображений можно выполнять не только в прямоугольную систему координат, но и практически в любую из применяемых в картографии. В процессе создания ортофотоизображений программными средствами улучшается качество изображений: проводится выравнивание по оптической плотности, повышается проработка деталей в тенях, изменяются контрастность изображений, цвет изучаемого класса объектов и т.п. Улучшение качества изображения способствует повышению точности фотограмметрической обработки и интерпретации изображений.

ГИС могут быть специального назначения или многофункциональные, применяемые для сбора, анализа информации и составления оптимальных проектов широкого спектра человеческой деятельности [37].

Общая схема использования данных дистанционного зондирования в системах мониторинга и контроля выглядит примерно следующим образом.

1) Принимается решение о:

- координатной привязке основных объектов учёта;

- производится массовый ввод первичных базовых данных;

- создаётся и внедряется распределённая ГИС учётного уровня;

- разрабатываются положения и административные регламенты, обеспечивающие предоставление и обновление данных в системе.

2) Внедряется комплексная система мониторинга объектов и явлений:

- на основе космических снимков;

- на основе GPS/ГЛОНАСС слежения за подвижными объектами, фотографирования местности и других технологий наземного сбора данных;

- приём данных от населения и организаций через геопортал.

3) Анализируются мониторинговые данные в ситуационных центрах, запускаются функции «прицельного» выезда на место и составления актов проверок и инспектирования с использованием GPS/ГЛОНАСС навигаторов.

4) Производится информирование населения о проведённых мероприятиях через геопортал [32].

Столь широкое применение аэрокосмических съемок и результатов их обработки дает им возможность решать довольно широкий круг задач и позволяет успешно развиваться на современном этапе [37].Материалы аэрокосмических съемок территории города и результаты их обработки востребованы многими городскими организациями, интегрированы в их производственные процессы и широко используются для:

- оценки состояния природного комплекса и экологической обстановки в городе, создания и ведения Экологической карты города;

- мониторинга динамики изменений состояния окружающей среды территории города;

- мониторинга фактического использования земель города и др.

Эти основные целевые задачи дополняет ряд других задач, стоящих перед различными службами и организациями города: мониторинг фактического использования земель, мониторинг улично-дорожной сети и др.