Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оперативная дистанционная диагностика и управление состоянием природно-антропогенных объектов с использованием данных аэрокосмического зондирования в оптическом и радио диапазонах

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Оперативная дистанционная диагностика и управление состоянием природно-антропогенных объектов с использованием данных аэрокосмического зондирования в оптическом и радио диапазонах"

На правах рукописи

Ведешин Леонид Александрович

ОПЕРАТИВНАЯ ДИСТАНЦИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ

ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В ОПТИЧЕСКОМ И РАДИО ДИАПАЗОНАХ

Специальность 2S.00.36 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2004

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН

Научный руководитель: доктор технических наук

Шаповалов Дмитрий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Разяпов Анвар Закирович доктор географических наук Мазиков Владимир Матвеевич

Ведущая организация - ОАО «Корпорация«Фазотрон-НИИР»

Защита состоится Шт 2004г. в заседании Диссертационного совета

Д220.025.01 при Государственном университете по землеустройству.

Адрес: 103064 Москва, ул. Казакова, 15, Государственный университет по землеустройству.

Телефон: (095) 261-7113. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного университета по землеустройству.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью высылать по указанному адресу ученому секретарю совета.

Автореферат разослан • /Л 2004г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

кандидаттехническихнаук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность решения научных и хозяйственных зада» геоэкологии, связанных с глобальным изменением климата, рациональным природопользованием, управлением городскими службами, поисковой и инженерной геологией и ряда других во многом зависит от полноты и достоверности используемой для этих целей информации о локализации, состоянии и динамике объектов природной среды и техносферы. Оперативное получение такой информации — прерогатива процедур диагностики, успешная реализация которой возможна, прежде всего, методами и средствами дистанционного зондирования (ДЗ) Земли с аэрокосмических платформ. Результаты тематической обработки данных ДЗ составляют основное содержание процедуры дистанционной диагностики и используются в задачах геоэкологического, природноресурсного и хозяйственного мониторинга для осуществления в дальнейшем мероприятий по управлению состоянием природных и антропогенных объектов. Анализ современной отечественной и зарубежной литературы показывает, что на пути практического внедрения методов, средств и данных дистанционной диагностики (ДЦ) имеется большое число нерешенных проблем теоретического и прикладного плана. В частности, это касается разработки эффективных методов и средств геоэкологической диагностики, определения их роли в структуре системы мониторинга и управления состоянием объектов и практического использования в хозяйственных отраслях. Решение этих проблем, определивших тематику настоящей диссертационной работы, представляется весьма актуальным для дальнейшего развития методов и средств дистанционной диагностики состояния природно-антропогенных объектов.

Цель в задачи исследования. Целью диссертационной работы является решение актуальной научной задачи геоэкологии, направленное на повышение достоверности и надежности результатов дистанционной диагностики, используемых в системах мониторинга и управления состоянием природно-антропогенных объектов.

Достижение поставленной цели предполагает выполнение следующего комплекса исследований:

- разработка методики дистанционной диагностики и ее основных компонент, включая определение инвариантных функций связи параметров восходящего от объектов зондирования излучения с параметрами их состояния;

- разработку методики оценки качества управления состоянием природно-антропогенных объектов и определения места и роли процедуры дистанционной диагностики;

- разработку методики имитационного моделирования процедур дистанционной диагностики и управления состоянием природно-антропогенных объектов;

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

«

- оценку возможностей сенсоров различных спектральных диапазонов, используемых при решении задач дистанционной диагностики;

- апробацию эффективности разработанных методов дистанционной диагностики на примере решения ряда модельных и практических задач геоэкологии.

Таким образом, в диссертации содержится решение важной прикладной задачи оперативной диагностики состояния объектов природной среды и техносферы, результаты которой найдут применение в глобальной и региональной экологии, инженерной и поисковой геологии, в ' области сельского, лесного и водного хозяйств, рационального природопользования, а также в обеспечении работы объектов нефтегазового комплекса и городских коммунальных служб.

Методы исследований. Они базируются на технологии дистанционного зондирования статистически неоднородных слоистых сред, теории статистических решений, имитационном моделировании и планировании эксперимента.

Научная новизна. Новизна результатов диссертационной работы заключается в разработке оригинальной методики дистанционной диагностики состояния природной среды и объектов техносферы, определении места и роли средств ДД в системе мониторинга и управления состоянием природно-антропогенных объектов, методики оценки качества управления их состоянием, методики имитационного моделирования процедур ДД и управления, а также в оценке диагностических возможностях сенсоров различных спектральных диапазонов, используемых при дистанционном зондировании (ДЗ) Земли с аэрокосмических платформ и решении ряда конкретных задач геоэкологии.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы имеют практическую ценность, связанную с разработкой инженерных методик и рекомендаций по созданию систем дистанционной диагностики состояния природно-антропогенных объектов, оценки точности как самих процедур диагностики, так и результатов мониторинга и управления состоянием этих объектов в замкнутом контуре автоматического регулирования с обратной связью.

Реализация и внедрение результатов исследований. Научные результаты, полученные в диссертации, внедрены в практику научно-методических и экспериментальных исследований, проводимых в ОАО «Корпорация «Фазотрон-НИИР» в форме предложений и рекомендаций по разработке перспективных сенсоров для дистанционной диагностики лесных экосистем, объектов нефтегазовой отрасли и территорий крупных городов на базе использования самолетных радаров метрового диапазона; по оптимизации режимов аэрокосмической съемки земной поверхности, а также в ОАО "ДИАТЕХ' в части комплексного использования аэрокосмических и наземных методов диагностики. Результаты диссертации нашли применение в международных проектах, выполненных в рамках программы «Интеркосмос» и совместной

российско-американской рабочей группы «Науки о Земле», таких как «Курск-85», «Курск-91» «Спектр-Мон-94», «Карибе», FIFE, «Саяны-91», Maine-91, NEESPI и другие. Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международном семинаре «Техника и технология дистанционного зондирования» (г.Таллин 1986г.); Международном симпозиуме «Экологические технологии для оздоровления мира» (г Лас-Вегас, 1997); Международной конференция и выставке «Экологические технологии Ближнего Востока» (г. Эр-Риад, 1997); 1-ой Всероссийской научно-технической конференции по проблемам создания перспективной авионики (г. Москва, 2002г.); 3-ей Всероссийской конференции «Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении в лесном хозяйстве» (г. Москва, 2002г.); 3-ем Московском международном форуме «Энергетикг и общество» (Г. Москва, 2002г.); 3-ей Международной конференции-выставке «Малые спутники. Новые технологии, миниатюризация, области эффективного применения в 21-ом веке» (г. Королев, 2002г.); Международной конференции «Земля из космоса. Наиболее эффективные решения» (п. Ватутинки, Моск. обл., 2003).

Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 85 печатных работах, среди которых 65 статей, 15 тезисов докладов, 5 монографий и 5 изобретений.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 130 страницах машинописного текста, включает 36 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 76 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методология дистанционной диагностики состояния природной среды и объектов техносферы, включающая в себя методики: оценки диагностических возможностей различных спектральных диапазонов, используемых в сенсорах ДЗ; теоретического модельного и экспериментального определения инвариантных функций связи параметров восходящего от объектов зондирования излучения с параметрами юс состояния; корректного выполнения дистанционных измерений, географической привязки и обработки получаемых данных;

- методика расчета точности дистанционной диагностики природно-антропогенных объектов и оценки ее влияния на эффективность управления их состоянием;

- методы имитационного моделирования процессов, описывающих пространственно-временную динамику природных и антропогенных объектов, процедуры ДЗ и управления в замкнутом контуре с обратной связью;

- результаты модельных расчетов и практического использования разработанных методов дистанционной диагностики в задачах проектирования и контроля состояния

нефтегазопроводов, определения удельных объемов древесины леса и слежения за

динамикой уровня Аральского моря.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, содержащая обоснование темы диссертации и ее актуальности, приводится краткое изложение глав, оценка новизны, достоверности и практической ценности полученных результатов, сформулированы защищаемые положения.

Первая глава диссертации посвящена анализу современного состояния проблем дистанционной диагностики природных и антропогенных объектов, стоящих сегодня перед разработчиками систем аэрокосмического зондирования, исследователями в области глобальной и региональной экологии и других отраслей наук о Земле, а также потенциальными пользователями.

Процедура диагностики состоит в оперативном определении параметров их состояния. Приводится краткое описание активного, полуактивного и пассивного способов дистанционного зондирования (ДЗ). Рассматриваются современные методы ДЗ, основанные на использовании разнообразных физических принципов взаимодействия электромагнитного излучения с материалом зондируемых объектов и адекватных алгоритмов обработки данных дистанционных измерений, таких как многоспектральный, многополяризационный, структурозональный, спектрально-временной, угловой и метод измерения задержки эхо-сигнала относительно зондирующего

Большое внимание в дистанционной диагностике уделяется методам и средствам наземных измерений, используемым при традиционном контроле состояния природных и антропогенных объектов. Роль наземных измерений двояка, хотя и не так значительна как у аэрокосмических. Это, во-первых, комплекс измерений, проводимых в обеспечение методической поддержки дистанционного зондирования и, во-вторых, так называемый отраслевой мониторинг, при котором наземные измерения проводятся в интересах конкретных отраслей и служб.

Важную роль в реализации процедур дистанционной диагностики играют методы географической привязки получаемых в ходе зондирования данных. В настоящее время приемники системы GPS/ГЛОНАСС, устанавливаемые на воздушных платформах, способны обеспечить такую привязку с точностью до 10см и с периодичностью чуть более 0,01с.

Подробно проанализированы технические характеристики современных аэрокосмических и наземных средств ДЗ, таких как бортовые радары с реальной и синтезированной апертурой, лидары, радиовысотомеры, георадары, фотоаппараты, сканеры, спектрометры и радиометры, научные и хозяйственные отрасли, использующие получаемые с их помощью данные. В таблице 1 в качестве примера приведены характеристики наиболее совершенных из них.

Таблица 1. Технические характеристики современных сенсоров ДЗ

№ Наименование прибора Длина Пространственное

пп (страна разработчик) волны, частота Полоса обзора, разрешение

1. Космический лидар- 355,532, 180 м 180 м

флуориметр ALF (США) 1064 нм 250 м (с высоты 296км) 250 м (с высоты 296км)

2. Скаттерометр NSCAT (Япония) 13,995 Ггц 2 х 600 км 50 км

3. РБО SLAR (Нидерланды) 3.2 см 12км 7,5м х7,5м

4. РСА Radarsat (Канада) 5,3 см 100-170 км 25-100 м

5. РСА CARABAS (Швеция) 500 см 30 км 2,5 м

6. Георадар «Зонд-12» 15 - 790см 1,22-8,8м 1,22 - 8,8м

(Латвия) (8 каналов) (на глубине 10м)

7. Фотокамера КФА - 3000 - 500-800 нм 40 км 1-2 м

8. Сканер ИСЗIKONOS Панхром. 40 км 1м

9. Видеоспектрометр 410-240 нм 500м с высоты 1 с высоты 1000м

AVIRIS (США) (224 канала) 1000м

10. Многоспектральный сканер 23,8-31,4 Ггц (15 каналов) 2200 км 40 км

AMSU-A (MTS) (США) 50,3-89,0 (12 каналов) 2200 км 15,4 км

10. Сканирующий ИК-радиометр 8,2 -12,6 нм 1,6 км с 2,5 м

TIMS (США) 6 каналов высоты 1000м

11. Тепловизор «Agema-1000» (Швеция) 8,0-12,0 120 мс высоты 1000м 0,15 м

Анализ характеристик сенсоров и областей использования получаемой с их помощью информации позволяет сделать вывод о том, что наиболее эффективными средствами ДЗ можно считать: многоспектральные сканеры, радары бокового обзора с синтезированной апертурой, видеоспектрометры, тепловизоры и георадары.

Заключительный раздел главы посвящен анализу наиболее актуальных проблем, стоящих перед исследователями и разработчиками в области дистанционной диагностики (ДД). В результате анализа выявлепо: отсутствие научной методологии ДД, необходимость определения ее роли и места в процедурах мониторинга и управления состоянием геосистем и т.п. Эти вопросы предполагается решить в настоящей диссертации.

Вторая глава посвящена изложению концепции системы мониторинга и управления состоянием природных и антропогенных объектов, роли и места в ней процедур дистанционной диагностики.

Основу концепции составляет описание замкнутого цикла мониторинга и управления состоянием природных и антропогенных объектов, а также их комплексов - геосистем, структура и функционирование которого базируются на принципе подобия двух типов взаимодействующих циклов: природных (вещества/энергии) и техногенных (мониторинга/управления). Звено управления здесь специально добавлено к звену мониторинга для замыкания цепи обратной связи в техногенном цикле. Это добавление не является искусственным, поскольку управление геосистемами биосферы, а следовательно, и параметрами связанных с ней природных циклов реально имеет место. Вопрос состоит в том, чтобы это управление осуществлялось оптимально.

Описание природных и техногенных циклов, может быть представлено имитационной моделью, задаваемой системой нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных (см. также рис. 1)

Рис. 1. Структурная схема замкнутого цикла мониторинга и управления состоянием природных и антропогенных объектов.

Здесь X - вектор-параметр, описывающий состояние зондируемого объекта или среды; А -система нелинейных дифференциальных операторов, Z — функция источника, описывающая внешнее воздействие на объект; - оценка вектора-параметра состояния; - вектор-параметр желаемого состояния; Е(ХЛ, Хо) - функция управляющего воздействия. В простейшем случае она пропорциональна разности значений и ; К - коэффициент передачи фильтра Калмана; Q - параметр модели динамики зондируемого объекта; t — время.

Подробно анализируется каждый из блоков, входящих в состав замкнутого цикла мониторинга-управления

Так, например, дается описание блока дистанционных измерений, как одного из наиболее важных элементов диагностики. Его функция - реализация процедуры измерения вектор-состояния,т.е.

+ п,

где Y - вектор измерений, h — измерительная функция, описывающая процессы взаимодействия электромагнитных волн с зондируемым объектом, прохождение через атмосферу и через приемный тракт бортового сенсора восходящего излучения, п - аддитивная помеха (белый шум), обычно задаваемая гауссовым случайным процессом (атмосферная дымка, шумы приемника и другие мешающие воздействия).

Следующим этапом, также являющимся частью мониторинга, служит процедура оптимальной оценки состояния X, для чего можно использовать хорошо известный формализм нелинейной фильтрации Калмана. Данный этап, завершающий процедуру мониторинга, интегрирует информацию о поле параметров состояния геосистемы, обычно представляемую в виде серии тематических (геологических, географических, экологических и др.) карт изучаемой территории. В качестве завершающего элемента замкнутого цикла выступает подсистема управления. Она осуществляет операции сравнения текущего (оцененного подсистемой мониторинга) состояния геосистемы (X) с желаемым (Хо) и формирования управляющего сигнала на основе их разности.

В качестве критерия оптимизации процедур мониторинга (см. рис. 2.1.) рассмотрим, как это принято в теории фильтрации, значение дисперсии ошибки при определении состояния природных и антропогенных объектов, а также их комплексов (геосистем) относительно их истинных значений. Минимум дисперсии оценки характеризуется теоремой Крамера-Рао: для

оценки одного параметра в при числе наблюдений N этот предел равен о2 ■ (^ЛТ) ^, где

- информационная матрица Фишера, Y - наблюдения, Р(У/в)

функция правдоподобия, а символ означает усреднение по ансамблю В случае нескольких параметров информационная матрица размерности равна

1у-{сР^ррмуав^в^

Для проверки правильности концепции замкнутого информационного цикла и проведения необходимых компьютерных экспериментов была разработана его имитационная модель В основу разработки положено развитие программных средств имитации систем аэрокосмического мониторинга, проходящей в тесном взаимодействии с имитацией целенаправленного воздействия на зондируемые экосистемы на основе получаемой информации Программный комплекс имитации работы системы мониторинга и управления состоянием природных и антропогенпых объектов, получивший название «Геодиалог», реализует последовательность процедур, задаваемых описанной выше схемой (см рис 1)

I14-1-JJ.I1.-'.Ц .иИЛ^■, ■ . ЦЫЦ* ... МЫТЫМИ

Рис 2 Главный экран программы "Геодиалог"

Будучи реализован в виде пакета программ для персонального компьютера, указанный комплекс даст возможность разработчикам аэрокосмических систем варьировать параметры орбит и трасс полета, оптимизировать состав аппаратуры и параметры бортовых сенсоров ДЗ, исходя из прогноза ценности получаемой с их помощью информации для управления состоянием экосистем В частности, геоэкологи могут разыгрывать с его помощью различные сценарии динамики экосистем с учетом того, что на практике они будет реализовываться с

помощью процедур управления на основе данных ДЗ. Алгоритм имитации сводится, таким образом, к «наблюдению - воздействию на экосистему - новому наблюдению и т.д.» с визуализацией результатов в виде набора тематических карт состояния экосистем.

Примером практической реализации концепции описанного выше цикла, может считаться система аэрокосмических и наземных наблюдений (далее для краткости просто Система), состоящая из подсистемы мониторинга и подсистемы управления. Первая включает в себя блоки сенсора и решения обратной задачи, а вторая - блок управления. Структура и функционирование Системы строятся исходя из следующих принципов.

1. Обратная связь и цикличность. Принцип функционирования Системы требует обеспечения непрерывной циркуляции информации в замкнутом цикле мониторинга и управления.

2. Иерархичность. Система носит выраженный иерархический характер, связанный с аналогичной иерархией объектов, т.е. должна иметь глобальной, федеральный (континентальный), региональный и локальный уровни организации.

3. Постоянный режим работы. Данный принцип является одним из наиболее важных. В отличие от режима "пожарной команды", постоянно функционирующая система мониторинга-управления позволяет полностью использовать весь накопленный ранее опыт по решению различных природно-ресурсных, геоэкологических, экономических и других региональных отраслевых задач.

Указывается, что только полная реализация этих принципов в Системе может обеспечить выполнение ее целевой функции.

Рассмотрены варианты работы Системы в линейном и нелинейном режимах. Первый из них характерен для случая относительно стационарного состояния объектов мониторинга и управления, когда отклонения от гомеостаза невелики. Второй имеет место, когда состояние объекта кризисное или даже катастрофическое, сопровождающееся резким и значительным изменением. Дальнейшее рассмотрение проблем диагностики проходит в рамках первого из указанных выше режимов. Это связано с целевым назначением процедуры диагностики -определять текущее состояние природных и антропогенных объектов и на основе полученных результатов строить прогнозы возможного их кризисного и катастрофического поведения. Действительно, гораздо легче и выгоднее предотвращать кризисные и катастрофические явления в природной и техногенной сферах чем бороться с ними.

Как уже было сказано выше качество работы Системы и, следовательно, и требования, налагаемые на точностные характеристики процедуры диагностики, задаются исходя из критерия Крамера-Рао, т.е. с помощью информации Фишера. Дисперсия отклонения управляемого параметра от желаемого определяется как

сг2~25я(0)ДФэ,

где

1 К20с»)К30-а>)К4и«»

2я"_оо 1+К1иа))К2иа)Кзисо)К4и<о)

1

\2<1а>

КЩ<й) - амплитудно-частотные характеристики звеньев (см. рис.1), соответствующих блокам измерения (сенсора), управления и управляемого объекта (геосистемы). Блок управления представлен двумя амплитудно-частотными характеристиками и , т.е. звена

формирования управляющего сигнала управления и звена исполнительного механизма соответственно; 8ц(0) — значение спектральной плотности эквивалентной помехи на нулевой частоте, пересчитанной на вход Системы; К^со) - амплитудно-частотная характеристика всей замкнутой Системы; - эквивалентная полоса замкнутой Системы.

В случае линейного режима работы Системы, при справедливости леммы «разделения», становится справедливым анализ точностных характеристик отдельно подсистемы мониторинга (измерения) и отдельно подсистемы управления. Показано, что качество дистанционной диагностики, а, в конечном итоге, и качество управления состоянием природно-антропогенных объектов во многом определяется чувствительностью измеряемых сенсором ДЗ параметров к вариациям параметров состояния этих объектов.

Подсистема мониторинга предназначена для сбора, предварительной (межотраслевой) и тематической обработки материалов дистанционных и наземных исследований природных ресурсов, состояния окружающей среды и антропогенных объектов и передачи этих данных потребителям и, в частности, лицам, принимающим решения. При этом сама эта подсистема, согласно принципам ее построения, имеет иерархическую структуру., соответственно уровню иерархии, т.е. масштабу и характеру решаемой научно-методической или хозяйственной задачи. Таким же образом должны подбираться и средства измерения — бортовые и наземные.

Подсистема управления предназначена для аккумуляции, усвоения, многокритериального анализа и использования всей доступной для руководителей различного уровня информации, относящейся к решению проблемы по управлению природными ресурсами, рациональному природопользованию, охране окружающей среды и здоровья населения конкретной территории. В качестве лиц, принимающих решения по управлению, например, на региональном уровне, могут выступать руководители администрации региона, начальники региональных управлений и служб отраслевых министерств и ведомств, директора и топ-менеджеры крупных промышленных предприятий добывающих и перерабатывающих отраслей.

Как можно определить роль и место дистанционной диагностики (ДЦ) в системе мониторинга и управления? Основная роль дистанционной диагностики - оперативное определение текущего состояния природных и антропогенных объектов и их комплексов — геосистем различного иерархического уровня - от глобального до локального. Ее результаты позволяют определить экологический статус объекта или геосистемы, степень их отклонения от гомеостаза, запас устойчивости, своевременно обнаружить возникновение предкризисных, кризисных и катастрофических ситуаций, а также оценить последствия последних. Таким образом, ДЦ является основным источником смысловой информации процедуры экологического мониторинга. Данные мониторинга должны использоваться для принятия управленческих решений по поддержанию объекта (геосистемы) в желаемом состоянии. Это означает замыкание петли обратной связи в системе экологического мониторинга и управления, поскольку за этим шагом снова следует процедура диагностики (см. рис. 1. и 2.).

В третьей главе рассматриваются методические аспекты дистанционной диагностики состояния природных и антропогенных объектов. Это, прежде всего, вопросы оценки диагностических возможностей сенсоров ДЗ, использующих различные спектральные диапазоны, определения инвариантных функций связи параметров излучения, восходящего от объектов зондирования, с параметрами их состояния, называемыми также предметно-специфическими характеристиками (ПСХ), а также методической роли аэрокосмических полигонов в решении задач диагностики.

Дается экспертный анализ потенциальных возможностей спектральных диапазонов используемых в ДЗ: ультрафиолетовый (УФ), видимый и ближний инфракрасный (ВБИК), средний и дальний инфракрасный (СДИК), радиодиапазон (РД). Рассматриваются области применения методов дистанционной диагностики, которые сулят наибольший экономический и социальный эффект, а именно: инженерная и поисковая геология, мониторинг состояния объектов нефтегазовой отрасли (НТО), контроль состояния лесов и последствий лесных пожаров, оценка состояния земельных ресурсов, охрана окружающей среды и управление ее состоянием. Результаты анализа приведены в таблице 2.

Балльные оценки, приведенные в этой таблице, соответствуют следующим качественным показателям:

этот символ означает практическое отсутствие информации для данной области (задачи),

+ низкая информативность, ++ средняя информативность, +++ высокая информативность.

Таблица 2. Балльная оценка информативности спектральных диапазонов в задачах ДЗ.

№ пп Область использования данных ДЗ УФ ВБИК сдик рд

1. Инженерная и поисковая геология ++ ++ ++

2. Мониторинг состояния объектов НТО - -н- +-Н- +++

3. Экологический мониторинг объектов НТО + + ++ +++ +++

4. Мониторинг лесов и лесных пожаров - ++ ++ +++

5. Оценка состояния земельных ресурсов - +++ ++ ++

6. Охрана и управление состоянием окружающей среды + +++ ++ ++

Анализ таблицы 2 показывает, что видимый, ближний-, средний-, дальний- ИК и радиодиапазоны имеют примерно одинаковую информативность в отношении решения различных геоэкологических и природноресурсных задач. Им существенно уступает по своим свойствам ультрафиолетовый диапазон, что и естественно, поскольку волны этого диапазона сильно затухают в приземном слое воздуха.

Приведенные оценки могут использоваться в процедурах комплексирования бортовых сенсоров ДЗ с целью обеспечения заданной надежности решения той или иной конкретной прикладной задачи. Для этого следует задаться необходимым числом баллов (^ и в соответствующей строке набрать нужное или большее число баллов из разных столбцов, соответствующим разным спектральным диапазонам.

Лежащие в основе дистанционной диагностики методы аэрокосмического зондирования являются по существу косвенными, поскольку искомые параметры состояния извлекаются из измеряемых бортовыми сенсорами ДЗ параметров излучения, восходящего от объектов. Это обстоятельство накладывает ряд жестких условий на процедуры решения так называемых «обратных» задач. В частности, необходимо знать функции связи параметров излучения с

предметно-специфическими характеристиками зондируемых объектов. В литературе их часто называют кратко «функции состояние-яркость» или ФСЯ.

Показано, что ФСЯ могут быть найдены либо в результате решения строгих электродинамических задач, использования методов имитационного моделирования и проведения специальных экспериментов на тестовых участках с обеспечением синхронных измерений ПСХ и параметров регистрируемого излучения при фиксации всех значимых условий.

Приводятся примеры таких функций для зависимости удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) леса от удельного объема древесины (УОД), зависимости эффективной площади рассеяния (ЭПР) цилиндрической трубы от ее геометрических параметров, функции связи коэффициента спектральной яркости (КСЯ) почв с содержанием гумуса в них, функции связи КСЯ пастбища с фитомассой травы. Некоторые из этих функций используются затем в главе 4 настоящей диссертации для демонстрации решения задач дистанционной диагностики.

Роль тестовых полигонов в общей концепции мониторинга и управления состоянием природных и антропогенных объектов и в, частности, в процедурах ДЗ чрезвычайно велика. Действительно, проведение работ на тестовых полигонах позволяет осуществить: во-первых, -сбор необходимой априорной информации об объектах зондируемой территории и их динамических свойствах и во-вторых, - выполнить валидацию результатов тематической обработки данных дистанционных измерений и оценить корректность используемых моделей зондируемых объектов. Особенно велика роль тестовых полигонов в проведении работ по синхронным измерениям КСЯ объектов и их ПСХ для определения инвариантных ФСЯ.

Приводится список ведомственных полигонов, размещенных в различных регионах России, которые охватывают практически все наиболее важные объекты зондирования.

Определение ФСЯ па основе эксперимента, проводимого на тестовых полигонах, является весьма сложной и тонкой процедурой, требующей строгого соблюдения многочисленных методических рекомендаций.

Процедура сбора данных КСЯ и ПСХ условно разбивается на два этапа: рекогносцировочный (подготовительный) и основной, или рабочий. При этом особое внимание обращается на тщательность выполнения именно первого этапа измерения, поскольку второй из них значительно проще как в методическом, так и в организационном исполнении.

Этап рекогносцировочных работ. На этом этапе проводятся: измерения ПСХ и соответствующих им коэффициентов спектральной яркости (КСЯ) с последующим восстановлением однофакторных регрессий, расчетом статистических характеристик и величин коррелированности ПСХ для выбора минимального набора из числа ПСХ, реальная изменчивость элементов которого влияет на величину КСЯ, и исключением из

списка измеряемых параметров ряда ПСХ, что позволяет сократить объем последующих (рабочих) измерений;

- однофакторные эксперименты по изучению степени влияния на ПСХ и КСЯ условий измерения (время суток, метеоусловия и т.д.);

- исследования реальной изменчивости условий съемки позволяют исключить из дальнейшего рассмотрения те факторы, вариации которых в найденных пределах не сказываются на величинах КСЯ и ПСХ;

- измерения статистических характеристик мелкомасштабных пространственно-временных флуктуаций состояния объекта и условий съемки в пределах мгновенного поля зрения спектрометра и интервала времени отдельного спектрометрирования с определением оптимального размера площадки для измерений, интервала времени, необходимого для получения одного вектор-измерения с точностью 10%;

оценки пространственной изменчивости статистических характеристик ПСХ и КСЯ и типа их пространственных корреляций с целью выбора участков объектов и точек (площадок) для этапа рабочих измерений.

Этап рабочих измерений. Методика рабочих измерений, заключающаяся в синхронном измерении КСЯ и ПСХ на выбранных тестовых участках, уточняется на рекогносцировочном этапе и должна выдерживаться от начала до конца эксперимента. В ходе проведения эксперимента и поступления все новых данных группой управления и разработки производится текущая оценка ФСЯ, оценивается скорость сходимости ФСЯ к ожидаемой зависимости, а также ее устойчивость к различным возмущающим факторам. При неудовлетворительных результатах такой оценки требуется оперативное изменение методики измерений и/или расположения рабочих точек. Точность измерения значений КСЯ и ПСХ должна быть не хуже 15%.

Формулируется основные положения методики дистанционной диагностики состояния природно-антропогенных объектов, которые включают в себя вопросы выбора спектральных диапазонов зондирования, наиболее чувствительных к вариациям параметров состояния объектов, построение гистограммы значений измеряемых параметров излучения, использования метода максимального правдоподобия для оценки искомых параметров-состояния и построения карты этих параметров с использованием данных географической -привязки.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена прикладным аспектам дистанционной диагностики. Приводится перечень актуальных научных и прикладных задач, решаемых с использованием методов ДЦ и соответствующих ожидаемых результатов. Рассматриваются примеры использования методов ДД в решении таких конкретных задач как диагностика

состояния магистральных трубопроводов по данным космических, самолетных и наземных наблюдений, оценка удельных объемов древесины леса по данным самолетного радарного зондирования в метровом диапазоне волн и диагностика состояния и динамики Аральского моря.

Актуальность применения методов и средств дистанционной диагностики для решения многих научных и прикладных задач вызвана наметившимися в последние годы последствиями глобальных изменений климата и участившимися в связи с этим природными катастрофами, а также сильным износом инженерных сооружений и объектов техносферы в РФ.

Приведенный в диссертации перечень задач охватывает такие важные с экономической и социальной точек зрения отрасли научной и производственной деятельности, как контроль состояния магистральных газо- и нефтепроводов; мониторинг территорий и инфраструктуры месторождений; экологическое состояние месторождений и трасс магистральных трубопроводов, выбор трасс новых магистральных трубопроводов; поисковая и инженерная геология; контроль состояния шоссейных и железнодорожных магистралей, аэродромов, мостов; контроль инфраструктуры городов, наземные и подземные сети; транспорт; картография; сельское, лесное и рыбное хозяйство, мониторинг лесных пожаров; мониторинг предвестников чрезвычайных ситуаций и катастроф; мониторинг вулканической деятельности и другие. Проанализировать возможности ДД применительно к решению всех перечисленных выше задач в рамках одной работы не представляется возможным, поэтому в диссертации рассматриваются их выборочные и наиболее характерные примеры.

Космическая и ГИС диагностика магистральных трубопроводов (МТ), проложенных в северной части о Сахалин (рис. 3)

Рис. 3. Характерные участки взаимного расположения объектов инфраструктуры и нефтепровода (МТ)

Целью космической диагностики являлась обзорная трассодиагностика нефтепровода по космическим снимкам, оценка общего состояния, рельефа, обнаружение следов землетрясения

(Нефтегорск, 1995 г), выявление по космоснимкам элементов и узлов трассы и коммуникаций в техническом коридоре трассы, учет результатов космической диагностики при оценке технического состояния, остаточного срока службы нефтепровода, разработка прогнозов его работоспособности, осуществление мероприятий и рекомендаций по содержанию и ремонту нефтепровода. В этих работах, проводившихся при участии автора, использовались разработанные им методики дистанционной диагностики.

Дистанционная диагностика и современные информационные ГИС-технологии являются составной и обязательной частью комплекса экспертно-диагностических работ на трассах МТ. В качестве базовых пакетов программного обеспечения использовались Adobe Photoshop, Erdas Imagine и ArcGis.

Данные космической диагностики, выполняемой по фотографическим и сканерным изображениям высокого разрешения, полученным с отечественных и зарубежных спутников, -важное и существенное дополнение к результатам проводимых самолетных и наземных диагностических работ. Обработанные данные дистанционного зондирования (космического и самолетного) служат источником предварительной информации о состоянии как диагностируемых объектов (МТ), так и околотрубного пространства до начала проведения наземной диагностики, так как часто имеющихся топографических данных явно недостаточно либо они требуют детального уточнения и актуализации. Во время проведения наземного комплекса диагностических работ результаты космической и самолетной диагностики сравниваются и уточняются с данными наземных обследований, в частности, с результатами наземной топогеодезической диагностики и георадарной диагностики. В конечном итоге по космическим снимкам формируется картографическая основа территории, по которой проложена трасса МТ, с выявлением изменений их состояния.

Оценка удельных объемов древесины (УОД) леса по данным самолетного радиолокационного зондирования в метровом диапазоне волн. Известно, что основная часть атмосферного углерода, содержащегося в углекислом газе , депонируется в стволы

деревьев. В связи с этим, оперативная диагностика состояния леса на больших площадях и оценка запасов древесины или ее удельных значений, измеряемых в м3/га, представляется весьма актуальной. На сегодня наиболее эффективным инструментом, предназначенным для оперативного измерения УОД на больших площадях, является самолетная радиолокационная съемка в метровом диапазоне волн, поскольку именно на этих длинах волн происходит резонансное рассеяние от стволов деревьев. Волны других диапазонов взаимодействуют лишь с верхним ярусом крон деревьев и не позволяют выявить внутреннюю структуру древостоя. Так, например, если на фотографическом снимке участок леса выглядит совершенно однородным,

то радарное изображение 5-ти метрового диапазона (РСА CARABAS) того же участка леса содержит явные неоднородности.

Для определения возможностей радарного зондирования в определении УОД автором был разработан и использован метод моделирования сигнала, рассеянного на вертикальных цилиндрах конечной проводимости (стволах деревьев). Для этих целей использовалась взятая

функция связи УЭПР с УОД леса вида: = » i= 1.2......N,

Здесь S - площадь элемента разрешения радара - 10м2, x¡- объем древесины i -го дерева |Rh| - модуль коэффициента отражения Френеля стволов деревьев для случая горизонтальной поляризации; к = 2яЛ, - волновое число, X - длина волны радара, Ег - величина комплексной диэлектрической проницаемости древесины хвойных пород; L2 - квадрат коэффициента затухания волн при их прохождении через крону деревьев. Величина L2 была принята равной 1,2. Значение константы А принималось равным 2,1.

Затем проводился расчет значений Г д ля множества генерируемых значений X¡ и N С использованием датчика случайных чисел, подчиняющихся нормальному и пуассоновскому законам распределения соответственно, и осуществлялась подгонка «облака» расчетных данных к данным радиолокационных измерений.

Сгенерированные значения Г подвергались статистической обработке с использованием метода максимального правдоподобия. В качестве нижней грани погрешности оценки УОД использовались значения среднеквадратичного отклонения (СКО), полученные из неравенства Крамера-Рао. Результаты модельных расчетов показали, что точность оценки УОД участка леса , площадью 0,1 га, составляет Эм^га или выше 2-10% соответственно для типичных значений УОД 450 — 90 м3/га. Это значительно выше точности, получаемой по наземным экспертным оценкам. Нетрудно также заметить, что величина СКО зависит от числа отсчетов как , что соответствует теории для случая их независимости.

Диагностика состояния и динамики Аральского моря

Диагностика состояния Аральского моря может осуществляться по данным спутниковых съемок, проведенных в различные годы. По этим снимкам легко прослеживается сокращение площади «зеркала» Арала и, соответственно, увеличение территории его бывшего дна с песчано-солевыми барханами. Автором диссертационной работы было выполнено исследование по изучению динамики уровня Аральского моря с помощью метода

имитационного моделирования и сравнению его результатов с материалами космической съемки изучаемого региона. Известно, что гидрометеопостами трех стран Туркмении, Узбекистана и Казахстана постоянно проводится мониторинг уровня «зеркала» Арала. Связь между значениями площади «зеркала» и уровнем осуществляется с помощью цифровой модели батиметрии Аральского моря Итак, процедура диагностики состояния Арала может проводиться двумя способами

- по известной последовательности значений площади «зеркала», оцениваемой, например, по ежегодным космическим снимкам, и известной батиметрии дна Арала можно определять текущие значения его уровня,

- используя ряд данных об уровне Арала, полученный за прошлые годы в качестве обучающего массива, можно на их основе подобрать коэффициенты дифференциального уравнения для модели динамики уровня, как было указано в главе 2, рассчитать значения последнего на несколько лет вперед и затем, при известной батиметрии, определить форму и площадь «зеркала» Аральского моря

В диссертации использовался второй из них.

Сравнение результатов расчета «зеркала» Арала и его фотоизображений, полученных из космоса, соответственно, за 1981, 1987, 1994 и 2002гг. показали достаточно хорошее их совпадение, что говорит о справедливости использованного метода моделирования и возможности его использования для решения задач прогнозирования, по крайней мере на несколько лет вперед Расчет площади «зеркала» и прогнозного изображения Арала на 2010г показывает, при сохранении нынешних условий его существования от него может остаться лишь узкая западная часть, соответствующая наиболее глубоководной акватории На рис. 4 приведены модельные изображения «зеркала» Аральского моря за 1925 и 2010гг.

а б

Рис. 4. Результатов модельных расчетов «зеркала» Аральского моря за 1925 (а) и 2010гг(б)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненных в диссертации исследований позволяют констатировать следующее.

1 Разработана методология дистанционной диагностики природно-антропогенных объектов, которая включает в себя комплекс методик: оценки диагностических возможностей различных спектральных диапазонов, используемых в современных бортовых сенсорах ДЗ; определения функций связи радиационных (спектральных, яркостных, поляризационных) и предметно-специфических характеристик зондируемых объектов, выбора тестовых полигонов для проведения экспериментальных измерений указанных характеристик.

2. Разработана методика расчета точности дистанционной диагностики природно-антропогенных объектов и оценки ее влияния на эффективность управления их состоянием. С помощью этой методики могут оцениваться реальные возможности ДД по определению параметров состояния указанных объектов, что представляет интерес для потенциальных потребителей подобной информационной продукции и позволяет выдвигать обоснованные требования к точностным характеристикам бортовых сенсоров ДЗ.

3. Созданы методы и программные средства (комплекс «Геодиалог») имитационного моделирования процессов, описывающих пространственно-временную динамику природных и антропогенных объектов, процедуры ДЗ и управления в замкнутом контуре с обратной связью. Имитационный комплекс «Геодиалог» даст возможность разработчикам сенсоров ДЗ осуществлять оптимальный выбор их технических параметров, а также правильно планировать режимы дистанционной съемки природно-антропогенных объектов.

4. Выполнен комплекс модельных и натурных экспериментов, подтверждающих правильность и эффективность разработанных в диссертации методов дистанционной диагностики и управления состоянием природно-антропогенных объектов. Продемонстрированы возможности космических, наземных и ГИС технологий в решении задач проектирования магистральных трубопроводов (МТ) и оценке их состояния применительно к трассам МТ на о.Сахалин и в Зап. Сибири. Дистанционная диагностика состояния лесов методами радарного зондирования в метровом диапазоне волн позволяет оценивать удельные запасы древесины леса с точностью от 2 до 10 м3/га. Моделирование динамики уровня Аральского моря позволило получить данные по сокращению его «зеркала», совпадающие с космическими изображениями моря за те же годы. Получена и прогнозная оценка на 2010г.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. ЛАВедешин. Подготовка и проведение комплексных экспериментальных исследований природной среды с участием космонавтов социалистических стран.//Исслед Земли из космоса, 1982, № 2, с. 11-19 (соавтор А.Д.Коваль).

2. ЛАВедешин. Эксперименты в области ДЗЗ с помощью аэрокосмических средств по программе «Интеркосмос». Труды VI-VII чтений по космонавтике. ИИЕТ АН СССР, М., 1984, с. 109-129.

3. ЛАВедешин. «Курск-85» - международный аэрокосмический эксперимент.//Исслед. Земли из космоса, 1985, № 4, с. 119-120.

4. ЛАВедешин. Управление состоянием природных объектов с использованием Д3//Исслед. Земли из космоса, 1986, № 6, с. 113-116. (соавтор В£.Егоров).

5. Л.А.Ведешин. Международный комплексный многоуровневый эксперимент «Внутренние водоемы - 87»У/ Исслед. Земли из космоса, 1988, № 3, с. 119-122 (соавторы К.Я.Кондратьев, Л.Н.Васильев и др.).

6. ЛАВедешин. Многоцелевая система радиолокационного зондирования природной среды из космоса. М., ВИНИТИ, 1988,99с. (соавтор АИ.Калмыков).

7. ЛА.Ведепшн. Система мониторинга атмосферных загрязнений г.Москвы.//Материалы И-ой национальной конференции «Экологические технологии Ближнего Востока (г.Эр-Риад, 21-25 сентября 1997г., с. 91-98 (соавтор ДАШаповалов).

8. ЛАВедешин. Дистанционное зондирование для экоменеджмента нефтегазопромышленного комплекса России. Материалы III Конференции ООН по исследованию и использованию космического пространства в мирных целях. Вена, 19-30 июля 1999,10с. (соавторы И.И.Мазур, В.И.Семенов).

9. L,AVedeshin. Software package for modeling aerospace monitoring and environment control ("GEODIALOG"). Proc. 20th Annual ESRI Conf., San Diego, 2000, pp. 1135-1144. (соавторы Б.М.Балтер, В.В.Егоров, АИ.Канащенков).

10. ЛАВсдепшн. Российско-американское сотрудничество по исслед. Земли из космосаУ/ Исслед. Земли из космоса, 2002, № 1, с. 81-89,2003, № 2, с. 85-92 (соавтор Н.П.Лаверов).

11. ЛЛ.Ведешин. Международное совещание в рамках инициативы партнерства в области наук о Земле в северной ЕвразииУ/ Исслед. Земли из космоса. 2003. №5. с. 94-96 (соавторы А.С.Исаев, А.Г Георгиади).

12. ЛА-Ведешин. Моделирование процедур мониторинга и управления экологическими процессами: программный комплекс «Геодиалог»// Экологические приборы и системы. 2004. № 5, с.6-9.(соавторы В.В.Егоров, Д.А.Шаповалов).

Подписано в печать 7.05.2004 Формат 60x90 Зак. б/н Усл. пет. л. —1,2 Тираж 100 экз.

Издательско-полиграфический комплекс НИА—Природа 119017, Москва, Старомонетный пер., 31. Тел./факс: 951-28 - 12

»10840

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Ведешин, Леонид Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы дистанционной диагностики природных и антропогенных объектов.

1.1. Способы и методы дистанционных диагностических исследований.

1.2. Методы географической привязки результатов дистанционных измерений.:.

1.3. Аэрокосмические и наземные средства дистанционного зондирования.

1.4. Анализ проблем диагностики природных и антропогенных объектов: постановка задачи исследования.

Выводы.

-ГЛАВА- 2. Концепция, системы мониторинга и управления состоянием- природно-антропогенных объектов: роль процедур диагностики.

2.1. Замкнутый цикл мониторинга и управления состоянием объектов земной поверхности.

2.2. Структура и функционирование системы мониторинга и управления.

2.3. Подсистема мониторинга.

2.4. Подсистема управления.

2.5. Роль и место дистанционной диагностики в цикле мониторинга и управления.

Выводы.

ГЛАВА 3. Методические аспекты дистанционной диагностики состояния; природных и антропогенных объектов.

3.1. Диагностические возможности различных спектральных диапазонов электромагнитных волн, используемых в дистанционном зондировании Земли.

3;2. Функции связи предметно-специфических характеристик зондируемых объектов с параметрами регистрируемого сенсорами ДЗ излучения.

3.3. Аэрокосмические полигоны и методика определения функций связи предметно-специфических характеристик зондируемых объектов с параметрами регистрируемого сенсорами ДЗ излучения.

3.4. Методика дистанционной диагностики.

Выводы.'.

ГЛАВА^Применение методов дистанционной диагностики для решения задач геоэкологии.'.

4.1. Актуальные задачи диагностики состояния природных и антропогенных объектов.94.

4.2. Диагностика состояния магистральных трубопроводов по данным космических, самолетных и наземных наблюдений.

4.3. Оценка удельных объемов древесины по данным самолетного радарного зондирования в метровом диапазоне волн.

4.4. Диагностика состояния и динамики Аральского моря.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оперативная дистанционная диагностика и управление состоянием природно-антропогенных объектов с использованием данных аэрокосмического зондирования в оптическом и радио диапазонах"

Актуальность ш обоснование темы; диссертации. Эффективность решения; задач геоэкологии, связанных с глобальным: изменением климата, рациональным природопользованием,- управлением: городскими, службами, поисковой и инженерной геологии и ряда других во многом зависит от полноты и достоверности используемой для этих целей информации о локализации, состоянии и динамике объектов природной среды и техносферы. Оперативное получение: такой: информации: - прерогатива процедур диагностики, успешная? реализация-: которой? возможна, прежде всего, методами и средствами дистанционного зондирования; (ДЗ) Земли с аэрокосмических платформ. Результаты тематической обработки; данных: ДЗ составляют основное содержание процедуры, дистанционной; диагностики: и используются? в задачах экологического, природноресурсного и хозяйственного мониторинга для осуществления в дальнейшем мероприятий: по управлению состоянием природных и антропогенных объектов. Анализ современной отечественной и зарубежной практики: показывает, что на. пути практического внедрения методов,. средств и данных дистанционной диагностики (ДД) имеется. большое число нерешенных проблем г теоретического и прикладного плана. В частности, это касается разработки эффективных методов и средств диагностики, определения их: роли в структуре системы мониторинга и управления состоянием объектов, демонстрации их реальных возможностей. Их решение, определившее тематику настоящей диссертационной работы, представляется весьма важным для дальнейшего развития методов и средств дистанционной диагностики: состояния, природн-антропогенных объектов и указывает на ее актуальность.

Общее состояние и; оценка >выполненных исследований. Исследования в области дистанционной диагностики состояния зондируемых объектов и процессов, определяемых их динамикой, проводились с начала. прошлого века (аэрофотосъемка), однако наиболее быстрое развитие они получили после Второй Мировой войны в связи с появление новых; задач и соответствующих им" методов г и средств: и, в частности, космических. Это стало особенно заметно в 80-е - 90-е годы, когда запуски спутников, предназначенных для оперативного землеобзора стали регулярными. На основе большого экспериментального материала, полученного с помощью средств аэрокосмического наблюдения ■ Земли, были= сделаны выводы о потенциальных возможностях методов дистанционного зондирования* (ДЗ) в решении задач классификации зондируемых природных объектов по типам; и категориям, а также в решении отдельных задач дистанционной диагностики, в частности, по оценке состояния морских акваторий и почвенного покрова. Были разработаны методы дистанционного определения волнения морской поверхности, степени ее загрязнения пленками нефти, содержания гумуса в пахотном горизонте почв. Вместе с тем эти работы носили! фрагментарный характер, поскольку не охватывали многих других природно-антропогенных объектов земной поверхности и зондируемых сред; не было разработано корректной методики дистанционной диагностики, не определены ее место и роль в процедурах мониторинга и управления состоянием указанных объектов и сред, отсутствовали доказательства эффективности диагностических методов; в решении конкретных научных и прикладных задач экологии, природопользования, хозяйственных приложений. Это и определило направление исследований, выполненных в диссертации.

Цель исследования и средства1 ее достижения. Целью диссертационной, работы является решение актуальной научной задачи по повышению достоверности и надежности результатов, дистанционной диагностики: природно-антропогенных объектов, посредством разработки методики ДЦ, оптимизации средств дистанционных измерений, с демонстрацией возможностей систем дистанционной диагностики в решении некоторых наиболее важных с экономической и экологической точек зрения научных и прикладных задач геоэкологии.

Достижение поставленной цели предполагает выполнение следующего комплекса: исследований:

- разработку методики оценки качества управления состоянием природно-антропогенных объектов и определение места и роли в нем процедуры дистанционной диагностики;

- разработка методики дистанционной диагностики и ее основных компонент, включая определение инвариантных функций связи параметров восходящего от объекта зондирования излучения с параметрами их состояния, и алгоритмов обработки данных ДЗ;

- разработку методики имитационного моделирования процедур дистанционной диагностики и управления состоянием природно-антропогенных объектов;

- оценку возможностей сенсоров; различных спектральных диапазонов дистанционного зондирования в решении задач диагностики; апробацию эффективности разработанных методов дистанционной диагностики на; примере решения ряда модельных и практических задач;

Таким образом, в диссертации содержится решение важной прикладной задачи оперативной диагностики состояния объектов природной среды и техносферы, результаты которого найдут применение в глобальной и региональной экологии, инженерной и поисковой геологии, в области сельского, лесного и водного хозяйств, - рационального природопользования, а также в обеспечении работы объектов нефтегазового комплекса и городских коммунальных служб.

Основная^ научная задача; и методы; ее решения. В соответствии; с целью диссертации, основной научной задачей работы является создание методологических: основ дистанционной: диагностики состояния природных и природно-антропогенных объектов по данным аэрокосмических и наземных дистанционных измерений.

Методы решения задачи: базируются^ на принципах, дистанционного зондирования статистически неоднородных слоистых сред, теории, статистических: решений и методах:. имитационного моделирования :

Основные научные результаты, их новизна, достоверность, и? практическая*; ценность.

Полученные в диссертационной; работе научные результаты; касаются- создания, методологии дистанционной диагностики состояния природных и антропогенных объектов, методов имитационного моделирования динамических свойств этих объектов и функционирования замкнутого контура мониторинга и управлениям их состоянием, определения инвариантных функций связи параметров состояния зондируемых объектов с их радиационными характеристиками, а также демонстрации эффективности предложенных методов дистанционной диагностики на примере решения ряда модельных и практических задач.

Новизна результатов диссертационной работы заключается в разработке оригинальной методики дистанционной диагностики состояния; природной среды и объектов техносферы, определении места и роли средств ДЦ в структуре - замкнутого контура мониторинга и управления состоянием- природно-антропогенных объектов, методики оценки качества управления; их состоянием, методики имитационного моделирования: процедур ДЦ и управления, а: также в оценке диагностических возможностей: сенсоров различных; спектральных; диапазонов, используемых при дистанционном зондировании (ДЗ) Земли с аэрокосмических платформ и решении ряда конкретных диагностических задач.

Результаты диссертационной работы имеют практическую ценность, связанную с разработкой инженерных методик и рекомендаций по созданию систем дистанционной: диагностики состояния природно-антропогенных объектов,. оценки; точности; как самих процедур диагностики, так и результатов мониторинга и управления состоянием этих объектов в замкнутом контуре автоматического регулирования с обратной связью.

Научные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

- методологая дистанционной диагностики состояния природной среды и объектов техносферы, включающая в себя методики: оценки диагностических возможностей различных спектральных диапазонов, используемых в сенсорах ДЗ; теоретического модального и экспериментального определения инвариантных функций: связи параметров восходящего от объектов : зондирования; излучения; с параметрами их состояния; корректного вьшолнения дистанционных измерений, географической привязки i и обработки получаемых данных;.

- методика расчета точности дистанционной диагностики природно-антропогенных объектов и оценки ее влияния на эффективность управления их состоянием;

- методы имитационного моделирования процессов, описывающих пространственно-временную динамику природных и антропогенных: объектов, процедуры ДЗ и управления в замкнутом контуре с обратной связью;

- результаты модельных расчетов и практического использования, разработанных методов дистанционной диагностики В: задачах проектирования и контроля состояния < нефтегазопроводов,. определения удельных объемов древесины. леса и слежения за динамикой уровня Аральского моря.

Апробация научных положений., Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международном симпозиуме «Экологические технологии для оздоровления мира» (г. Лас-Вегас, 1997); Международной конференции и выставке «Экологические технологии; Ближнего Востока» (г. Эр-Риад, 1997); 3-ей Всероссийской конференции «Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве» (г. Москва, 2002г.); Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, 2003); Международной конференции «Земля: из космоса. Наиболее эффективные решения» (п. Ватутинки Моск. обл., 2003).

Публикации по теме диссертации. Основной материал диссертации опубликован в 85 работах, среди которых 65 статей, 15 тезисов; докладов; 4 монографии: и 2 авторских свидетельства на изобретения.

Реализация научных результатов, виды/ реализации. Научные результаты, полученные в диссертации, внедрены в: практику научно-методических и экспериментальных исследований, проводимых в ОАО «Корпорация «Фазотрон-НИИР» в форме предложений и рекомендаций, по проектированию перспективных систем дистанционной диагностики лесных экосистем, объектов нефтегазовой отрасли и территорий крупных городов на базе использования самолетных радаров метрового диапазона; по оптимизации режимов аэрокосмической съемки земной поверхности, а также в ОАО «ДИАТЕХ» по практическому применению аэрокосмических и наземных методов ДЦ. Результаты диссертации нашли применение в международных проектах, выполненных при участии автора в рамках программы «Интеркосмос» и российско-американской рабочей группы «Науки о Земле», таких как «Курск-85», «Курск-91», FIFE, «Саяны-91», Maine-91, «MeTeop-3M/TOMS», «Метеор-ЗМ/SAGE III», NEESPI и др.

Структура диссертации и краткая; аннотация ее: разделов. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 76 названий.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Ведешин, Леонид Александрович

121 Выводы»

1. Задачи геоэкологии, наук о Земле и хозяйственных отраслей, в которых могут быть востребованы методы: и средства дистанционной! диагностики — весьма многочисленны и разнообразны. Это требует придания; им: различного приоритета: по степени актуальности и экономической эффективности; ожидаемой от их решения; Среди: таких наиболее актуальных задач- следует выделить: проблемы глобальной и; региональной экологии, потребности: нефтегазовой; отрасли, сельского и лесного хозяйства, инженерной и поисковой геологии.

2. Внедрение методов и средств- дистанционной; диагностики? в нефтегазовой: отрасли; наиболее эффективно» при проектировании; и прокладке новых; трасс магистральных; трубопроводов, мониторинге состояния последних в условиях длительной эксплуатации под воздействием динамики многолетнемерзлых грунтов, русел и дна рек, которые пересекают трубопроводы, а также изменений температурных и гидрологических режимов; на: трассах. Кроме: того, весьма: актуальными: представляются: задачи: обнаружения зон нарушения герметичности - трубопроводов и связанных с ними утечек нефти и газа. Аналогичные геоэкологические: задачи возникают при обустройстве месторождений нефти и газа и прокладке транспортных магистралей.

31 Методы диагностики состояния лесных экосистем используемые, в частности, в задачах определения запасов» древесины в стволах деревьев: по данным радиолокационного зондирования? метрового диапазона, представляются весьма перспективными; как с точки зрения решения глобальных задач глобальной и региональной экологии («парниковый эффект», оценка последствий лесных пожаров • и т.п.), так и с точки зрения потребностей лесного хозяйства в части организации облесения территории и восстановления; лесных ресурсов; Точность оценки удельных объемов древесины; леса составляют 2-10 м /га, что в несколько раз выше точности наземных экспертных оценок.

4. Пример рассмотрения Аральского моря позволяет утверждать, что космическая. диагностика состояния кризисных территорий,- каковой является; регион Арала,, в совокупности с, методами имитационного экологического моделирования: является; достаточно надежным, средством мониторинга. В* частности; по предложенной в диссертации: модели динамики: уровня Аральского моря t и данным: космических съемок можно достаточно точно (до 5%) прогнозировать изменение уровня и площади «зеркала» Аральского моря, что позволило бы при наличии финансовых, и материальны средств; а также политической воли руководителей; стран региона выработать стратегию его спасения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, выполненные в настоящей диссертации,, были направлены, на создание методологии дистанционной диагностики природных и антропогенных объектов и принципов^ построения: системы мониторинга и: управления1 их состоянием. В! ходе проведения;этих исследований;были: разработаны методы: диагностических измерений; базирующиеся на комплексном использовании > принципов дистанционного зондирования; Земли с аэрокосмических и: наземных платформ, методы имитационного моделирования процедур дистанционной диагностики и управления состоянием природно-антропогенных объектов, проведена- экспертная» оценка диагностических возможностей различных спектральных диапазонов, определен перечень научных и практических задач; решаемых с использованием диагностических: данных и: продемонстрирована; эффективность разработанных методов на примере ряда конкретных приложений.

Выполнен анализ технических характеристик бортовых сенсоров ■ дистанционного зондирования Земли на основании чего был сделан: вывод о приоритетности; использования: таких приборов; как многоспектральные сканеры высокого пространственного разрешения, , радиолокаторы бокового обзора с синтезированной апертурой, видеоспектрометры, георадары и тепловизоры.

Результаты; выполненных в диссертации исследований позволяют констатировать следующее.

1 Разработана методология: дистанционной диагностики природно-антропогенных объектов, которая? включает в; себя комплекс методик:: оценки диагностических возможностей различных спектральных диапазонов,, используемых в; современных бортовых сенсорах ДЗ; определения функций связи: радиационных и предметно-специфических; характеристик зондируемых объектов, выбора тестовых полигонов,, экспериментальных измерений указанных характеристик.

2. Разработана методика расчета точности дистанционной; диагностики: природно-антропогенных объектовг и оценки: ее влияния; на эффективность управления* их состоянием. С помощью этой методики могут оцениваться реальные возможности ДД по определению параметров; состояния ? указанных объектов, что представляет; интерес для потенциальных потребителей: подобной; информационной' продукции- и позволяет выдвигать обоснованные требования к точностным:характеристикам; бортовых сенсоров;

ДЗ.

31 Созданы методы; и программные средства (комплекс «Геодиалог») имитационного моделирования процессов; описывающих пространственно-временную динамику природных и антропогенных объектов, процедуры ДЗ и управления в замкнутом контуре с обратной связью. Имитационный комплекс «Геодиалог» даст возможность разработчикам сенсоров ДЗ осуществлять оптимальный выбор - их технических параметров, а также правильно планировать режимы дистанционной». съемки природно-антропогенных объектов.

4. Выполнен комплекс модельных и натурных экспериментов, подтверждающих: правильность и эффективность разработанных в диссертации методов дистанционной: диагностики и управления состоянием природно-антропогенных объектов. Продемонстрированы возможности космических , наземных и ГИС технологий в решении задач проектирования; магистральных трубопроводов (МТ) и; оценке их состояния применительно к трассам МТ на о.Сахалин и в Зап. Сибири. Дистанционная диагностика; состояния лесов методами радарного зондирования в метровом диапазоне волн позволяет оценивать удельные запасы древесины леса с точностью от 2 до 10 м3/га. Моделирование динамики уровня Аральского моря позволило получить данные по • сокращению > его «зеркала», совпадающие с космическими изображениями моря за те же годы. Получена и прогнозная оценка на 2010г.

Сопутствующим результатом исследований, выполненных в диссертации;, можно считать возможность использования разработанной; методологии дистанционной диагностики для контроля состояния; объектов техносферы, спектрального и поляризационного; анализа образцов материалов, цитологических проб, а также различных документов на предмет их подлинности.

Направлениями дальнейших исследований в1 области дистанционной диагностики состояния природных И' антропогенных объектов следует считать создание базы априорных сведений об объектах зондирования, их статических и динамических моделях, с привлечением ГИС-технологий и средств искусственного; интеллекта для проведения оперативной обработки больших массивов измерительных данных.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ведешин, Леонид Александрович, Москва

1. А'.Исимару. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. В 2-х :томах, М., Мир, т. 2, 1981, 317с.

2. Б.М.Балтер, В.В.Егоров. Методы и возможности дистанционного зондирования. Итоги; науки и техники; Сер. Исследование космического; пространства. М.: ВИНИТИ, 1981, т. 16,191с.

3. Физические основы, методы и средства исследований Земли из космоса (под. редакцией докт. техн. наук Я.Л.Зимана). //Итоги науки и техники. Сер. Исследование Земли из космоса. М.: ВИНИТИ, 1987, т. 1,196с.

4. H.JiKramer. Observation of the Earth and its Environment Survey of Missions and Sensors. DLR. 1993,476pp.

5. В.В.Егоров,, В.И.Тарнопольский. Физические основы дистанционного зондирования; Земли из космоса.//Материалы международного учебного семинара ООН по применению: дистанционного зондирования, Баку, Изд-во "Элм", 1977, с. 21-37.

6. М.Борн, Э.Вольф: Основы оптики. М.: Наука, 1973, 719с.

7. Б.С.Жуков. Поляризационная съемка нефтяных загрязнений; водной поверхности. В; сборнике "Многозональные аэрокосмические съемки Земли'', АН СССР, Наука, М., 1981, с. 175-188:

8. В.В.Егоров, Б.С.Жуков. Анализ информативности поляриметрического метода дистанционного зондирования. В сборнике "Многозональные аэрокосмические съемки Земли", АН СССР, Наука, М:, 1981, с. 203-210.

9. Я.Л.Зиман. О дальнейшем развитии методов исследования Земли из космоса.//Исслед. Земли из космоса, 1980;№ 1, с. 125-133.

10. М.Л.Владов, А.В.Старовойтов: Георадиолокационные исследования г верхней части разреза. М:, МГУ, 1999, 91 с.

11. Постановление Совета Министров Правительства Российской Федерации? от 24 ноября: 1993г. 1229 «О создании; Единой государственной системы » экологического мониторинга». М., 19941

12. А.З.Разяпов, И.В.Кудрин, Д.А.Шаповалов, А.М.Степанов. Мониторинг атмосферных загрязнений урбанизированных территорий (курс лекций), М., МИСиС, 2001, 54с.

13. PP.18. В.С.Авдуевский, Г.Р.Успенский. Народно-хозяйственные и научные космический комплексы. М:, машиностроение, 1985,221с.

14. В.С.Авдуевский, В.К.Саульский, Г.Р.Успенский. Закономерности выбора проектных параметров* системы; космических съемочных комплексов изучения; Земли. //Исслед. Земли из космоса, 1980, № 5, с. 104-108.

15. В.П.Савиных, В.А.Соломатин. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования Земли. М.: Недра, 1995,240с.

16. Н.П.Лаверов, А.И.Канащенков. Современное состояние и перспективы развития; средств; аэрокосмического радиолокационного мониторинга Земли.//Концепция. 2003, № 1(11), с. 34-42.

17. Н.А.Арманд, А.М.Волков, А.И.Захаров, И.С.Нейман; Г.М.Чернявский, А.В.Шишанов, А.С.Шмаленок. Перспективные; отечественные; спутниковые радары с синтезированной апертурой: // Радиотехника и электроника. 1999, т. 44, № 4, с. 442-447.

18. А.И.Канащенков, Л.А.Ведешин. Аэрокосмические радары; метрового диапазона: возможности, и перспективы использованиям в дистанционном зондированииЗемли; (аналитический обзор). //Исслед. Земли из космоса, 2004 (в печати).

19. А.И.Калмыков, В.Н.Цымбал, А.Н.Блинков; и др. Многоцелевой радиолокационный; самолетный комплекс исследования Земли.//АНСССР, Харьков, 1990; 34с.

20. А.И.Калмьпсов, Л.А.Ведешин и др. Многоцелевая система- радиолокационногол зондирования природной среды из космоса. М;, ВИНИТИ, 1988^ 99с.

21. T.I.Chekalina, I.V.Popova, B.M.Balter, V.V.Egorov. Correlation portraits and neural networks for spaceborne high-resolution spectrometry. Proc. Of the Int. Symp. on Spectral Sens. Research, v. II; 1992, pp. 1137-1149.

22. В.Ю.Райзер, И.В.Черный. Микроволновая диагностика поверхностного слоя океана. СПб, Гидрометеоиздат, 1994,231с.

23. В.В.Егоров, В.М.Мазиков. Оценка содержания гумуса в; пахотных почвах Курской модельной области поs данным; спектральной съемки. //Исследование Земли из космоса, 1999, №4, с. 87-94.

24. Б.М.Балтер, В.В.Егоров, И.Э.Каурова, М.Б.Козин. Изоморфизм; природных: циклов и цикла мониторинга/управления: применение в компьютерном моделировании //Исслед. Земли из космоса, №1; 1994, с. 29-35;

25. Л.А.Ведешин, В.В.Егоров. Управление состоянием природных объектов с; использованием дистанционного зондирования //Исслед. Земли из космоса, № 6, 1986, с. 113-116.

26. Л.А.Ведешин: Международный аэрокосмический! эксперимент "Курск-85".//Исслед. Земли из космоса, 1986, № 4, с. 119-120.

27. Т.А.Нильсон. Линейные комбинации коэффициентов спектральной яркости при анализе сельскохозяйственной растительности. //Исслед. Земли из космоса, Л989, № 6, с. 101-111.

28. А.Э.Кууск. Рассеяние прямой солнечной радиации ; в кроне отдельно стоящего дерева.//Исслед. Земли из космоса, 1987, № 2, с. 95-103.

29. М.Балтер, М.Ганзориг. Регрессия в прямой задаче дистанционного зондирования ( на примере травяного покрова).//Исслед.Земли из космоса, 1984, № 2, с. 76-86.

30. Дистанционное зондирование сельскохозяйственных ресурсов с использованием авиационной и космической техники. Сборник научных трудов.// Всесоюзный научно-исследовательский центр " АИУС-Агроресурсы", М., Г988,205с.

31. Т.К.Исмаилов. Развитие методов и средств подспутниковых наблюдений. //Исслед. Земли из космоса, 1980, №1, с. 35-39.

32. Полигоны и полигонные измерения. Научно-методическая записка ИКИ АН СССР и НЦ "Каспий" АН Азерб. ССР. Препринт ИКИ АН СССР. М., 1975.

33. И.С.Горелик, А.М.Грин, Д.Г.Цветков. Аэрокосмические полигоны, задачи: исследований и состав наземных наблюдений. — В кн.: Космические исследования земных ресурсов. М., "Наука", 1976, с. 333-346.

34. Т.К.Исмаилов, А.Ш.Мехтиев, Р.А.Тагиев. Мобильный измерительный комплекс для полигонных подспутниковых исследований. Материалы международного семинара ООН по применению дистанционного зондирования. Баку, Издательство "Элм", 1977, с. 225-234.

35. Л.А.Ведешин. Эксперименты в области ДЗЗ с помощью аэрокосмических средств по программе «Интеркосмос». Труды VI VII чтений по космонавтике. - Международное сотрудничество и правовые вопросы освоения космоса. ИИЕТ АН СССР, М., 1984, с. 109129.

36. А.Д.Коваль, Л.А.Ведешин. Подготовка и проведение комплексных экспериментальных исследований природной среды с участием космонавтов социалистических стран.// Исслед. Земли из космоса, 1982, № 2, с. 11-19.

37. Л.А.Ведешин, В.Г.Трифонов, В.И.Макаров. Аэрокосмический эксперимент «Тянь-Шань Интеркосмос 88»// Исслед. Земли из космоса, 1989, №4, с. 120-122.

38. Л.А.Ведешин. Международный эксперимент «Карибэ-Интеркосмос-88».//Исслед. Земли из космоса, 1989, № 6, с. 112-114.

39. Л.А.Ведешин, К.А.Мокиевский. Международный аэрокосмический эксперимент на Рыбинском водохранилище.//Исслед. Земли из космоса, 1987, № 4, с. 121-122.

40. КЛ.Кондратьев, Л.Н.Васильев, Л.А.Ведешин. и др. Международный комплексный многоуровневый эксперимент «Внутренние • водоемы-87». //Исслед. Земли из космоса, 1988; №3, с. 119-122.

41. Ю.К.Росс, А.Л.Маршак. Рассчет методом Монте-Карло зависимости коэффициента спектральной ; яркости растительного покрова от условий * освещения.//Исслед. Земли из космоса, 1987,'№ 2, с. 96-105.

42. Т.И.Чекалина. Обработка, и;• использование ■ аэрокосмической информации ; о Земле. //Итоги науки и техники. Сер. Исследование Земли из космоса. М.: ВИНИТИ, 1987, т. 2, 172с.

43. Н.Н.Хренов, С.А.Егурцов. Применение аэрокосмических методов для диагностики трубопроводных геотехнических систем и мониторинга окружающей среды. РАО «Газпром», М., 1996, 181с.

44. Б.М.Балтер, В.В.Егоров. Термодинамика в дистанционном зондировании. //Природа, 1986, №8, с. 33-45.

45. А.П.Жуковский, Е.И.Оноприенко, В.И.Чижов. Теоретические основы радиовысотометрии. М., «Сов. Радио», 1979, 320с.

46. С.Г.Зубкович. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М., "Советское радио", 1968,224с.

47. Я.Д.Ширман, С.А.Горшков, С.П.Лещенко и др. Методы радиолокационного распознавания и их моделирование: Научно-техническая! серия «Радиолокация и радиометрия», № 2, ИПРЖР; вып.Ш; 2000, с. 5-64.

48. G.Smith: Ground-based measurements of area-fill from i Tousula, Finland, in ERS Coherence for Remote Sensing of Boreal Forests, Chalmers University of Technology: Gothenberg, Sweden? Technical Report №3001, 1998; pp. 59-62.

49. Г.П.Арумов, Ю.А.Батищев, Б.И.Беляев и др. Региональная система управления-природопользованием, состоянием окружающей среды и: здоровья населения: принципы построения и планирование эксперимента. Препринт ИКИ РАН Пр-2012, 1999, 38с.

50. Р.Д. Мухамедяров. Аэрокосмические: технологии мониторинга; состояния нефтегазопроводов, хранилищ: и экологии; окружающей среды: 8-ая Международная; деловая встреча «Диагностика 98». СМИ," М., апрель 1998- т.2., с. 85-97, с. 107-116.

51. B.F. Бондур. Предложения1 по сотрудничеству с предприятиями: нефтегазового комплекса в области аэрокосмического мониторинга. МЦЭМ и ИТ, М:, 2000, 30 с:

52. Л.И.Калмыков, И.М.Фукс, В.Н.Цимбал и др. Радиолокационные наблюдения сильных: отражателей; расположенных под слоем; почвы. Модель подповерхностных отражений; ИРЭ НАНУ, Препринт № 93-6. Харьков; 1993; 29с.

53. В.К.Шухостанов, Л.А.Ведешин, А.Г.Цыбанов. Космическая и ГИС-диагностика технического состояния магистрального нефтепровода на о. Сахалин, М. Arc View, 2004, №1,сЛ2-13.

54. Л.В.Десинов, Л.А.Ведешин. Программа «Ураган». М. ArcView, 2003, № 3; с.13-14

55. А.Ю.Левинтанус. Уроки озера Чад//Природа, 1991. № 10, с. 23-28.

56. Н.Г.Минашина. И вновь об Арале/ЯТрирода, 1991. № 10, с 19-22.