Дистанционное зондирование Земли
В качестве одного из важных источников информации для практической гидрологии дистанционное зондирование Земли (ДЭЗ) стало широко применяться лет 15-20 тому назад. По крайней мере, о таком сроке свидетельствуют обзорные работы, посвященные приложению этих методов в гидрологических и водно-ресурсных исследованиях, которые появились на рубеже 1980-1990-х годов [Schultz and Barrett, 1989; Engman and Gurney, 1991; Engman, 1992].
Как правило, под дистанционным зондированием понимаются методы, использующие космические аппараты для определения свойств атмосферы и земной поверхности с помощью измерений отраженных или поглощенных электромагнитных волн. В настоящее время программы исследования Земли из космоса осуществляются уже целым рядом стран. Кроме традиционных «космических держав» и Европейского космического агентства работы по ДЗЗ проводятся сейчас космическими агентствами Индии, Испании, Китая, Японии, которые имеют свои искусственные спутники Земли, оснащенные комплексами аппаратуры дистанционного зондирования.
Современные системы ДЗЗ способны снабжать исследователей данными измерений практически в любом диапазоне электромагнитного спектра (смотрите, например, [Гарбук, 1998]). Обработка таких данных позволяет получать информацию о различных характеристиках ландшафтов, делать заключения о свойствах земной поверхности, а в некоторых случаях даже прямо измерять гидрологические параметры территорий [Engman, 1992]. В частности, измерение отраженной солнечной радиации характеризует альбедо исследуемой поверхности [Brest and Goward, 1987]. Ее температуру восстанавливают по данным, получаемым с помощью датчиков, которые работают в инфракрасном диапазоне. Измерения в СВЧ-диапазоне дают информацию о диэлектрических свойствах земной поверхности, по которой можно делать заключения о влажности почв или о наличии снежного покрова и содержании жидкой воды в нем [Engman, 1992; Комаров и Миронов. 2000].
Спутники, выведенные на геостационарные орбиты, позволяют вести непрерывное наблюдение за состоянием определенной части поверхности планеты и атмосферы. Однако, поскольку орбиты эти являются относительно высокими, зондирующая аппаратура геостационарных спутников может давать лишь грубое пространственное разрешение территории (не лучше 1 км в надире)
Вообще говоря, к дистанционным методам следует отнести и обычную аэрофотосъемку (в видимом диапазоне длин волн), которая давно применяется при изучении земной поверхности, в том числе и гидрологами. Дистанционным является и метод авиационной гамма-съемки снежного покрова [Дмитриев и Фридман, 1979], который активно используется для определения снегозапасов на крупных речных бассейнах с устойчивым снежным покровом. Но в настоящее время «данными дистанционного зондирования» обычно называют данные, которые извлекаются при обработке информации, получаемой с искусственных спутников Земли.
Искусственные спутники
Искусственные спутники, размещенные на более низких полярных и приполярных орбитах, позволяют получать изображения лучшего качества (до нескольких метров), но покрытие всей поверхности планеты с высоким разрешением осуществляется, как правило, за несколько суток. Это может ограничивать использование таких спутников в определенных целях, например, если полоса обзора недостаточно широка, чтобы охватить всю изучаемую территорию, а за время до прохождения спутника над соседним участком исследуемой поверхности наблюдаемая картина способна измениться существенно. Возможности для получения изображений масштабных скоротечных явлений (например, крупных наводнений, лесных пожаров) обеспечивают французские спутники SPOT, зондирующие устройства которых оснащены системой смещения точки сканирования относительно надира (до 27°), что, кроме того, является средством получения стереоизображений территорий.
В зависимости от того, какие свойства территории интересуют исследователей, производится выбор и зондирующей аппаратуры, и канала регистрации изображения (диапазона длин волн). Так, для целей картографии современные спутниковые системы оборудуются также оптико-электронными камерами, обеспечивающими получение панхроматических изображений с хорошим пространственным разрешением (до метров). Применительно к задачам гидрологических исследований и обсуждаемой проблеме диффузного загрязнения могут быть полезны снимки, получаемые в отдельных спектральных диапазонах.
Например, обрабатывая данные, полученные в диапазоне Я » 0,45-0,5 мкм (область голубого света), можно извлечь информацию о прозрачности воды в водоемах и о концентрации взвесей в ней, о характеристиках почв и растительного покрова, о хозяйственном использовании территории. Область зеленого света (Я» 0,5-0,6 мкм) позволяет выделять участки здорового растительного покрова, в то время как оранжево-красный диапазон (Л я 0,6-0.7 мкм) хорошо отображает площади увядшей или выгоревшей растительности. Близкий спектральный участок инфракрасного света (Я « 1,5 — 1,75 мкм) может быть полезен для исследования развития растительного покрова и засушливых территорий, а также для разграничения участков поверхности, покрытых снегом, и участков Земли, закрытых для видимого света облаками. Зондирование в области теплового инфракрасного излучения (Я» 10-12,5 мкм) позволяет находить источники теплового загрязнения окружающей среды, исследовать влажность почвенного покрова, даже определенным образом классифицировать растительность.
Одним из очевидных приложений методов ДЗЗ в области гидрологических исследований издавна было извлечение информации об осадках на больших территориях. Получить данные о количестве и распределении выпавших осадков на определенном участке иногда не представляется возможным просто по той причине, что размещение наземных постов метеорологических наблюдений не всегда совпадает с нуждами конкретного исследования. В этом случае дистанционные методы могут оказаться весьма полезными. Однако облачный покров препятствует наблюдениям и в спектральной области видимого света, и в инфракрасном диапазоне, что обычно делает прямое измерение осадков неосуществимым. Поэтому для целей определения их количества и территориального распределения по данным ДЭЗ разрабатываются специальные методики. Некоторые из этих методик, основанные на данных спутниковых наблюдений за облачным покровом в диапазонах видимого, инфракрасного и микроволнового излучения, обсуждаются в работах [Barrett and Kidd, 1981; Spencer et al., 1988], а также в уже упоминавшейся обзорной работе [Engman, 1992].
Важным фактором водного баланса территорий является эвапотранспирация. Как и в случае с осадками, предложить метод ее непосредственного измерения с помощью спутниковых систем весьма затруднительно. Тем не менее некоторые процедуры оценки звапотранспирации были предложены еще в 1980-х годах [Price, 1982; Jackson, 1985; Gash, 1987]. Эти методики используют наборы данных, которые могут быть получены с помощью систем ДЭЗ: уровень солнечной радиации, альбедо поверхности в видимой и инфракрасной областях спектра, состояние растительного покрова, температура поверхности (оцениваемая по излучению в «тепловом» диапазоне 10,5 — 12,5 мкм).
Для исследования стока, как количества воды, так и ее качества, данные ДЗЗ в настоящее время применяются также довольно широко.
Разумеется, прямое измерение водного стока с территории спутниковые системы обеспечить не могут, зато они чрезвычайно полезны при уточнении границ водосборных бассейнов, поскольку даже в наши дни для значительных территорий Планеты единственным источником качественной картографической информации являются данные, полученные со спутников Площади водосборов, рассчитанные по данным дистанционного зондирования, используются в эмпирических формулах для оперативного прогноза паводковых явлений на отдельных территориях, когда нет информации для проведения более точных оценок по гидрологическим моделям.
Интересный опыт непосредственного применения данных ДЗЗ в моделях формирования стока с относительно небольших участков имеется в США. В свое время Службой охраны почв (Soil Conservation Service, SCS) Департамента сельского хозяйства США был разработан весьма популярный и ныне метод расчета слоя водного стока по данным о количестве выпавших осадков.
Единственным параметром, по которому в SCS-методе рассчитывается объем водного стока, является номер эмпирической кривой, который выбирается в зависимости от типа почв и вида землепользования, характерного для изучаемого водосбора. Пространственные данные об использовании земель на определенной территории могут быть получены на основе анализа изображений ДЗЗ в разных спектральных диапазонах. Совмещенные с картой почв они дают необходимый параметр - номер кривой SCS-метода.
Конечно, пространственное разрешение, которое обычно используется при дистанционном зондировании (около 30 м, что соответствует площади порядка 0,1 га) требует некоторой «коррекции», огрубления таблиц, разработанных Службой охраны почв для своего метода, но для получения оперативных прогнозов для значительных территорий, по-видимому, применение ДЗЗ можно считать вполне приемлемым. Один из примеров использования такого подхода в прогнозной модели рассредоточенных источников приведен в работе [Adamus and Bergman, 1993].
Кроме объемов водного стока методы ДЗЗ позволяют оценивать и некоторые показатели качества поверхностных вод.
Зондирование водных объектов в «тепловом» диапазоне дает возможность локализовать, в частности, места сосредоточенных сбросов. Микроволновое зондирование применяется для обнаружения нефтяных пятен на поверхности внутренних водоемов, заливов морей и океанов. Показатели интенсивности и спектральный состав отраженного, от водной поверхности солнечного света может быть индикатором качества воды водоема, поскольку характеристики отраженного света изменяются вместе с изменениями концентраций растворенных и взвешенных веществ, планктона, водорослей. Цвет и температура водоема могут свидетельствовать также о определенном трофическом статусе водного объекта.
Пространственные данные о характеристиках водосборов, полученные с помощью спутников в разных спектральных диапазонах, предоставляют богатый материал для анализа экологического и хозяйственного состояния территорий и потенциальных источников диффузного загрязнения водных объектов. Конечно, ДЗЗ не может полностью заменить обычных, наземных, методов исследований, и в большинстве случаев его следует рассматривать лишь в качестве дополнительного инструмента при проведении исследований на мезо- и крупномасштабных водосборах. Кроме того, данные космического мониторинга пока еще достаточно дороги (по российским меркам), что в определенной степени замедляет процесс их широкого применения в прикладных и исследовательских работах. Вместе с тем, учитывая расширение в нашей стране сети малых приемных станций, основную часть пользователей которых составляют органы охраны окружающей среды, можно полагать, что роль дистанционных методов в экологических исследованиях в ближайшие годы будет возрастать.
С развитием космических технологий, с совершенствованием аппаратуры ДЭЗ и компьютерных средств обработки изображений можно ожидать появления новых приложений дистанционных методов для гидрологических, водно-ресурсных и экологических исследований. Эти приложения непременно найдут свое место и в задачах моделирования диффузного загрязнения водных экосистем.
К середине 1998 г. на территории России было развернуто уже 10 малых приемных станций типа «СканЭР», которые позволяют получать информацию с российских спутников серии «Ресурс-01». На спутниках этой серии устанавливается аппаратура для экологического контроля, изучения природных ресурсов, исследования радиационного баланса Земли и др. [Гарбук, 1998].
1 Для получения количественных показателей качества воды необходимо провести калибровку на выбранном объекте, так как и состав «чистых» природных вод, и глубина водоема влияют на отражающие свойства поверхности
2 Некоторые цифры о сложившихся ценах на рынке космических снимков можно найти в работе С. В. Гарбука [1998].
1 Systeme Probatoire d'Observation de la Terre (франц.).
