Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методология и практика самолетного многоспектрального зондирования арктических морей для промышленного рыболовства

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Содержание диссертации, доктора географических наук, Черноок, Владимир Ильич

Введение.

Глава 1. Комплексный авиамониторинг морских акваторий для промышленного рыболовства и экологии: цели и задачи, основные направления исследований.

1.1. Океанологические явления и процессы в приповерхностном слое океана.

1.2. Авиамониторинг морских биологических объектов.

1.3. Экологические проблемы и загрязнение морских акваторий

1.4. Авиамониторинг прибрежных акваторий.

Глава 2. Технические средства авиаконтроля акваторий и биоресурсов: основные разработки и модификации.

2.1. Комплексы многоспектрального зондирования морской поверхности

2.1.1. Фото-, видео- и спектрометрическая аппаратура.

2.1.2. Тепловая инфракрасная радиометрия.

2.1.3. Многочастотная поляризационная радиолокация.

2.1.4. Комплексы лидарного зондирования.

2.2. Самолет-разведчик рыбы: опыт создания последовательной серии летающих лабораторий ПИНРО.

2.2.1. Самолет-лаборатория дальний океанический разведчик рыбы Ил-18 ДОРР.

2.2.2. Летающая лаборатория Ил-18 «Помор».

2.2.3. Малый самолет-лаборатория Ан-28 «Икар».

2.2.4. Летающая лаборатория Ан-26 «Арктика».

Глава 3. Методология и основные этапы комплексных авиасъемок

3.1. Планирование работ.

3.2. Калибровка аппаратуры.

3.3. Методология крупномасштабной фоновой и полигонной авиасъемок.

3.4. Обработка данных комплексной авиасъемки.

Глава 4. Практика авиаразведки и картирования пелагических рыб арктических морей.

4.1. Биологические предпосылки авиапоиска рыбных скоплений.

4.2. Результаты инструментального многоспектрального авиазондирования.

4.2.1. Применение радиолокационной съемки для поиска скумбрии.

4.2.2. Опыт многоцелевого использования лидаров.

4.2.3. Результаты использования пассивных методов оптического зондирования.

4.3. Авиасъемка как основа управления и регулирования промысла скумбрии в Норвежском море.

Глава 5. Авиасъемка морских птиц как инструмент поиска скоплений рыбы и оценки состояния экосистемы.

5.1. Результаты авиаучета морских птиц в Баренцевом море.

5.2. Морские птицы как индикатор состояния морских экосистем

Глава 6. Методология и практика авиамониторинга численности гренландских тюленей беломорской популяции.

6.1. Экология гренландского тюленя и биологические предпосылки авиаучета.

6.2. Технология авиасъемки щенных залежек гренландского тюленя в Белом море.

6.2.1. Результаты авиасъемки щенных залежек гренландского тюленя в Белом море в 1998 г.

6.2.2. Результаты оценки численности щенков гренландского тюленя в 2000 г.

6.3. Комплексная автоматизированная обработка данных.

6.4. Метрологическое обеспечение авиаучетных съемок.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методология и практика самолетного многоспектрального зондирования арктических морей для промышленного рыболовства"

Актуальность исследований. Начавшееся с 70-х годов интенсивное освоение различных районов Мирового океана для промысла рыбы, морского зверя и добычи гидробионтов потребовало не только строительства мощного рыбопромыслового флота, но и разработки методологии и аппаратуры глобального контроля параметров состояния морской среды, создания систем оперативного слежения за состоянием и изменчивостью биоресурсов. Необходимым условием эффективного управления рыболовством является создание научно обоснованной методологии измерений, сбора, анализа и интерпретации гидрометеорологической, океанографической и рыбопромысловой информации, оперативной ее передачи конечным пользователям.

Практическая реализация системы наблюдений, контроля и управления крупномасштабной рыбохозяйственной деятельностью на море, освоения сырьевых ресурсов океана и экологического мониторинга состояния водной среды возможна в настоящее время лишь на основе комплексного многоспектрального дистанционного зондирования.

Настоящее исследование направлено на дальнейшее совершенствование и развитие методов и средств промысловой океанологии и имеет целью научное обоснование методологии использования специализированной летающей лаборатории в рыбохозяйственных промысловых и прикладных океанографических работах. В работе обосновывается состав измерительных комплексов, разрабатываются методики многоуровневых спектрально-поляризационных измерений и тематического дешифрирования данных авиазондирования океанической поверхности в интересах рыбного хозяйства и геоэкологии.

В рамках работы создана серия самолетов-лабораторий, использовавшихся в отечественной рыбохозяйственной практике в разные годы (в их числе и ныне действующий самолет ПИНРО АН-26 «Арктика»).

Начало современного этапа развития и совершенствования методов и средств изучения морских и океанических акваторий в интересах фундаментальной науки и прикладных исследований относится ко времени запусков первых искусственных спутников Земли (ИСЗ). В начале 60-х годов в России и за рубежом начали создаваться первые специализированные самолеты-лаборатории для отработки методов спутниковых измерений и их интерпретации в рамках многоуровневых подспутниковых экспериментов. В этот период были заложены основные идеи дистанционной диагностики системы «океан-атмосфера», начали свою активную деятельность оборудованные по последнему слову техники того времени самолеты-лаборатории Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГГО), Института радиоэлектроники АН СССР, Института физики атмосферы АН СССР, Центральной аэрологической обсерватории и др.

В конце 70-х годов ПИНРО совместно с организациями, располагающими самолетами дистанционного зондирования (ГГО, ЛГУ и др.), были начаты инструментальные самолетные рыбохозяйственные исследования в Баренцевом море (научное руководство на начальном этапе осуществлялось СБ. Стениным). Однако опыт таких работ оказался не столь успешным, как ожидалось: авиационные измерительные комплексы были достаточно узко специализированными, нацеленными в основном на решение собственных ведомственных задач, мало приспособленными или просто непригодными для ведения рыбопоисковых и прикладных океанологических исследований. Эти работы выявили необходимость разработки научной методологии и специальной аппаратуры авиазондирования для решения рыбохозяйственных задач. По этой причине по инициативе и при непосредственном участии автора была начата программа исследований, направленных на выработку стратегии самолетного зондирования в интересах рыбной отрасли и смежных областей знаний.

Настоящая диссертация содержит обобщение результатов многолетних исследований и разработок автора в области научного обоснования и практического применения методов самолетного зондирования.

Созданная на основании научно-методических и технических разработок автора региональная наблюдательная система комплексного оперативного контроля состояния разнотипных акваторий Северо-Европейского региона на базе данных дистанционного зондирования может стать частью системы рационального рыболовства России и экологического мониторинга морских промысловых районов.

Состояние вопроса. Как показано теоретическими и экспериментальными исследованиями многих авторов, в том числе и нашими самолетными экспериментами, многоспектральная дистанционная информация позволяет исследовать многие океанологические явления и процессы.

Однако особенностью методов дистанционного зондирования системы «морская поверхность-атмосфера» является косвенный характер получаемой информации и ее зависимость от большого числа факторов. В связи с этим повышение точности восстановления океанологических параметров, оптимизация условий зондирования, учет взаимодействия излучения (отражения) и среды стали важнейшими задачами нашей работы.

Недостаточная изученность пространственно-временной изменчивости состояния арктических акваторий, усугубляющаяся сокращением судовых научных экспедиций и ограниченностью возможностей контактных методов исследований, препятствует дальнейшему совершенствованию промысловой океанологии. В этих условиях требуется проведение работ по развитию и модернизации системы прикладных рыбопромысловых исследований с использованием самолетов-лабораторий, оснащение их современными информационно-измерительными комплексами. Увеличение количества авиасъемочных средств и их модернизация проводились нами в связи с постоянным повышением требований рыбной отрасли. Внимательно учитывались при этом новые технические и эксплуатационные возможности как измерительных датчиков, так и регистрирующей компьютерной аппаратуры.

Целями работы являются научное обоснование методологии рыбопромысловых исследований с использованием специализированной летающей лаборатории, построение региональной наблюдательной системы контроля состояния разнотипных акваторий, совершенствование методов и средств промысловой авиационной океанологии.

Для достижения этих целей предусматривалось решение следующих задач:

- создание самолетов-лабораторий, оснащение их специализированными комплексами дистанционного зондирования, бортовыми системами сбора, экспресс-обработки, визуализации и тематического дешифрирования;

- разработка методик самолетных спектрально-поляризационных измерений и картирования океанологических параметров;

- разработка основных принципов комплексного экологического авиамониторинга морской среды;

- разработка технологий использования самолета-лаборатории для поиска и картирования промысловых скоплений рыбы, изучения пространственного распределения гренландских тюленей и оценки их численности, авиаучета морских птиц;

- внедрение разработанных технологий в практику с передачей данных авиасъемок рыбодобывающим флотам, специалистам по прогнозированию сырьевой базы промысла и другим реальным потребителям.

Главные направления дальнейших исследований приведены на рис, 1,

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ АВИАСЪЕМКИ

Разработка авиасъемочных средств

Модернизация самолета-лаборатории

Испытания и отладка оборудования

РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ АВИАСЪЕМКИ

Пелагические рыбы, тюлени, киты, птицы

Водоросли, загрязнения, океанология

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ АВИАСЪЕМКИ

Тематическое дешифрирование

ГИС-анализ

Автоматизация обработки

ЭКСПЕРТИЗА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТОВ ОЦЕНКИ ЗАПАСОВ и ЧИСЛЕННОСТИ

Рис. 1 Главные направления исследований

Научная новизна. В настоящем исследовании впервые выполнено научное и методическое обоснование принципов построения специализированных самолетов-лабораторий как средства рыбохозяйственных и прикладных океанологических исследований. В результате проведения научно-методических и технических работ, научно-организационных мероприятий, а также в ходе модельных и натурных экспериментов получены следующие научные и практические результаты:

1. Создана серия самолетов-лабораторий Минрыбхоза СССР и Госкомрыболовства РФ для исследований океанических, морских и внутренних водоемов (Ил-18 ДОРР, Ан-28 «Икар», Ил-18 «Помор», Ан-26 «Арктика»).

2. Выполнен комплекс научно-технических и опытно-конструкторских работ по созданию и совершенствованию аппаратуры для дистанционного измерения параметров состояния системы «океан-атмосфера», автоматизированной обработки и оперативного картирования, послеполетной обработки, архивации и конечного тематического дешифрирования материалов авиасъемки, в том числе с использованием геоинформационных систем (ГИС).

3. Проведено обоснование комплексности использования различных приборов активно-пассивного спектрально-поляризационного зондирования (тепловизор, радиолокатор бокового обзора - РЛС БО, радиолокатор с синтезированной апертурой - РСА, лидар, спектрометр, фото- и видеоаппаратура) для авианаблюдений за океаническими явлениями и морскими биоресурсами.

4. Проведено обоснование комплексности многоуровневых морских исследований с использованием самолета, научно-исследовательских судов (НИС) и ИСЗ.

5. Выявлены региональные особенности комплексирования авиасъемок Баренцева и ряда сопредельных морей в целях поиска и изучения миграций промысловых скоплений пелагических рыб, дистанционной диагностики состояния беломорской популяции гренландского тюленя и оценки ее численности, авиаучета морских птиц.

6. Собраны и систематизированы архивы (базы данных) многолетних авиасъемок Баренцева, Белого, Норвежского, Гренландского, Карского, морей. Ладожского и Онежского озер.

Практическая значимость работы заключается в создании основ промысловой авиационной океанологии и их внедрении в практику отечественного промышленного рыболовства. Результаты многоцелевых авиасъемок самолета-лаборатории ПИНРО используются в качестве оперативных материалов при планировании рыбохозяйственной деятельности российских промысловых флотов в Баренцевом море и Северной Атлантике. Данные многоспектральных авиасъемок являются основой для оценки состояния сырьевых запасов скумбрии в Норвежском море, численности гренландского тюленя беломорской популяции, выявления запасов гидробионтов и др. Разработана и реализована на практике методика экологического авиамониторинга Баренцева моря. Результаты исследований защип];ены 6 авторскими свидетельствами на изобретения, 5 из которых внедрены.

Личный вклад заключается в том, что под непосредственным руководством и при участии автора была создана региональная система контроля состояния акваторий, используюш;ая самолеты-лаборатории различных модификаций, оснаш;енные приборными и информационно-измерительными комплексами, выбор и обоснование которых были также выполнены автором. Автор является инициатором и активным участником создания самолета-лаборатории Ил-18 ДОРР, был руководителем и ответственным исполнителем научно-исследовательских и опытноконструкторских работ по созданию летающих лабораторий Ан-28 «Икар», Ил-18 «Помор», Ан-26 «Арктика».

В течение 20 лет автор осуществлял научное руководство разработкой и усовершенствованием методов авиасъемки морской поверхности и поиска промысловых скоплений рыб, исследованиями по тематическому дешифрированию данных, работами по внедрению результатов авиасъемок для оценки состояния биоресурсов Северной Атлантики. Лично автором разработан и внедрен в практику метод мультиспектральных авиасъемок для оценки численности гренландского тюленя. Автор был научным руководителем отраслевых, межведомственных и междисциплинарных научных и исследовательских программ, основным разработчиком и руководителем 28 комплексных программ летных экспедиций ПИНРО по планам Госкомрыболовства РФ (ранее Минрыбхоз СССР).

Самолетные исследования предполагают привлечение к ним большого количества специалистов разного профиля - от инженеров-разработчиков аппаратуры до специалистов в области морских биологических и гидроэкологических исследований. Наша инициатива по постановке таких комплексных исследований, приглашение для работы ведущих зАеных из смежных областей науки и техники, в том числе и зарубежных исследователей, позволили получить уникальный по комплексности материал, обеспечить высокий потенциал работ ПИНРО, что во многом способствовало поддержанию престижа российской науки за рубежом.

В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад автора заключался в постановке задач, разработке методов экспериментальных исследований, теоретическом и практическом обобщении и анализе полученных данных.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и российских симпозиумах, конференциях и съездах. Наиболее значительные из них (с 1981 по 2000 г.):

16

Совещание представителей МРХ СССР по совершенствованию методов и форм перспективной и оперативной разведки в открытых районах мирового океана (Керчь, 1981), II Всесоюзный съезд океанологов (Севастополь, 1982), IV Всесоюзная конференция по географии и картографии океана (Калининград, 1989), заседания ИКЕС (Копенгаген, 1992, 1997 и 2000), Международный научный семинар по аэрокосмическому мониторингу земных: покровов и атмосферы (Киев, 1993), Third Thematic Conference Remote Sensing for Marine and Coastal Environments (Сиэтл, 1995), Международные конференции по промысловой океанологии (Ленинград, 1995; Москва, 1997), VI и VII Всероссийские конференции по проблемам промыслового прогнозирования (Мурманск, 1995, 1998), Международная конференция по экологическому мониторингу морей Западной Арктики (Мурманск, 1997), Third International Airborne Conference and Exhibition (Копенгаген, 1997), Fourth International Conference Remote Sensing for Marine and Coastal Environments (Орландо, 1997), Международная конференция по морским млекопитающим (Архангельск, 2000).

Публикации. Общее количество опубликованных по теме диссертации работ (самостоятельно и в соавторстве) - 150, в том числе 2 монографии, 6 авторских свидетельств на изобретение, 12 препринтов. Список литературы состоит из 307 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Черноок, Владимир Ильич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты эксплуатации самолетов-лабораторий на Северном бассейне страны в 1980-2000 гг. показали принципиальную возможность и практическую осуществимость инструментального поиска и обнаружения рыбных скоплений в открытых районах мирового океана и позволили промышленности приступить к обеспечению бесперебойной работы добывающего флота устойчивой сырьевой базой на качественно новом техническом уровне проведения поисковых работ.

Внедрение самолета-лаборатории на Северном бассейне позволило резко сократить потенциальные акватории поиска скопления и время перехода поисковых и промысловых судов на облавливаемые скопления, следить за направлением его миграции, осуществлять оперативную расстановку судов, увеличить вылов добывающего флота.