Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы авиационного мониторинга окружающей среды ... 10
1.1. Анализ создания и применения летающих лабораторий за рубежом 10
1.2. Применение зарубежных авиационных контрольных средств 16
1.3. Обобщение опыта разработки и использования самолетов-лабораторий в России 18
1.4. Опыт использования авиационных комплексов дистанционного зондирования в России 26
Глава 2. Исследование физических полей и параметров окружающей среды и оценка возможности авиационных измерительных средств при их определении 29
2.1. Загрязнение окружающей среды неорганическими веществами 29
2.1.1. Радиоактивное загрязнение природной среды 29
2.1.2. Испытания ядерного оружия 30
2.1.3. Деятельность атомных электростанций 33
2.1.4. Аварии на энергетических и промышленных реакторах 34
2.1.5. Аварии космических летательных аппаратов с ядерными энергетическими установками на борту 34
2.1.6. Возможные аварии с ядерными боеприпасами 35
2.1.7. Токсичные химические элементы в объектах окружающей среды 2.2. Загрязнение окружающей среды органическими веществами 37
2.3. Воздействие на окружающую среду, оказываемые военными ведомствами 39
2.4. Методы дистанционного зондирования и авиационная аппаратура экологического мониторинга
2.4.1. Аппаратура зондирования атмосферы 42
2.4.2. Средства зондирования подстилающей поверхности 43
2.4.3. Аппаратура радиационного контроля и средств пробоотбора
Глава 3. Разработка технических требований к авиационным комплексам дистанционного зондирования в системе экологического мониторинга окружающей среды 53
3.1. Определение задач экологического мониторинга, решаемых с использованием авиационной измерительной аппаратуры... 53
3.2. Функциональные задачи авиационного экологического мониторинга, решаемые авиационными комплексами дистанционного зондирования 53
3.3. Оценка информативности характеристик авиационных систем дистанционного зондирования 64
3.4. Методология построения авиационного комплекса дистанционного зондирования 68
3.5. Критерий эффективности системы авиационного экологического мониторинга 70
3.6. Формирование рациональной структуры авиационного комплекса бортовой аппаратурой дистанционного зондирования 82
3.7. Анализ объёма работ по оснащению летательного аппарата датчиками экологического контроля 98
Глава 4. Обработка результатов исследования природной среды авиационными комплексами дистанционного зондирования 100
4.1. Определение физико-химических параметров подстилающей поверхности методами дистанционного зондирования 100
4.2. Разработка методологии сравнительного анализа результатов дистанционного зондирования и данных наземных наблюдений 102
4.3. Методы интерпретации яркостных характеристик при анализе результатов авиационного дистанционного зондирования 106
4.4. Дешифрирование и представление данных авиационного экологического мониторинга ПО
4.5. Предложения по структуре наземной подсистемы сбора, обработки, хранения и передачи данных авиационного экологического мониторинга 113
Глава 5. Исследование возможностей аэрокосмических систем для изучения вулканов Камчатки 117
5.1, Дистанционные исследования в оптическом диапазоне 123
5.2. Радиолокационные методы исследования вулканов Камчатки 128
5.3. Изучение аэрозолей и летучих веществ в продуктах извержений 143
Заключение и выводы 150
Литература
- Применение зарубежных авиационных контрольных средств
- Аварии на энергетических и промышленных реакторах
- Функциональные задачи авиационного экологического мониторинга, решаемые авиационными комплексами дистанционного зондирования
- Разработка методологии сравнительного анализа результатов дистанционного зондирования и данных наземных наблюдений
Введение к работе
Актуальность темы. Современные социально-экономические и научно-технические проблемы, связанные с экологией и экологической безопасностью, являются приоритетными и требуют принятия эффективных мер по снижению техногенной нагрузки, прежде всего на региональном и локальном уровнях. Особая роль в реализации природоохранных мероприятий на этих территориях должна отводиться комплексному мониторингу с учетом как особенностей природных экосистем, так и характера и масштабов антропогенной деятельности. В связи с этим весьма актуальными являются исследования и разработки по совершенствованию аппаратурно-методической базы систем экологического мониторинга, основанных на использовании экспрессных методов и мобильных средств контроля.
Цель исследования. Создание авиационных комплексов дистанционного зондирования модульного типа для обеспечения мониторинга природных и природно-антропогенных объектов.
Основные задачи исследования. Оценить возможности авиационных средств контроля при определении экологических параметров природной среды, оценить информативность авиационных систем дистанционного зондирования.
Разработать технические требования к авиационному комплексу дистанционного зондирования модульного типа, определить критерии, необходимые для проектирования авиационного комплекса мониторинга природной среды.
Разработать методы обработки материалов съёмок в рахличных диапазонах спектра электромагнитного излучения, разработать структуру наземной системы сбора и обработки данных авиационного комплекса экологического мониторинга.
Научная новизна исследования. Проведён анализ научно-методических и аппаратурных средств дистанционного зондирования для обеспечения экологического мониторинга окружающей среды.
На основе расчетных критериев эффективности определён состав наиболее перспективного оборудования, позволяющего использовать метод дистанционного зондирования при экологическом мониторинге природной среды.
Впервые предложен модульный принцип формирования авиационного комплекса дистанционного зондирования, что позволяет использовать такой комплекс для широкого круга задач экологического мониторинга окружающей среды.
Впервые были получены исходные данные, необходимые для организации мониторинга за действующими вулканами, включая прямой отбор аэрозолей вулканического происхождения.
Предложена методика и оценена мощность аэрозольных выбросов на момент отбора проб при извержении вулканов - одна из важнейших задач экологического мониторинга.
Практическая значимость работы. Разработаны технические требования к авиационному комплексу, оснащенному средствами экологического контроля на основе модульно-
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ і
БИБЛИОТЕКА |
СПетщвїрг., }
го принципа.
Разработана структура наземного информационного комплекса обработки данных, полученных с помощью авиационного комплекса дистанционного зондирования.
На основе тактико-технических характеристик (ТТХ). полученных автором в диссертации были созданы летающие лаборатории на базе самолётов АН-30, ИЛ-103 и вертолёта МИ-8.
Апробация работы и публикации.
Материалы диссертации обсуждались на научно-методическом совете НПА «ЭСКОС», результаты диссертации докладывались на: Международной конференции EUROANALYSIS I X, (Bologna, Italy, 1996 г.), Международном симпозиуме Cairo University, (Gisa, Egypt, 1997), Международной научной конференции «Airborne Remote» (Copenhagen, Denmark. 1997), Международной конференции «Development and Environmental Impact», (Riaydh, Kingdom of Saudi Arabia, 1997), XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 1998), Международном симпозиуме по Аналитической химии (Valencia, Spain, 1998), Международном симпозиуме «Инженерная экология 2003» (Москва, 2003).
По теме диссертации опубликовано 7 работ. Кроме того, большая часть материалов служебного характера, выполненная по теме диссертации, изложена в отчетах о НИР, выполненных в НПА «ЭСКОС» по заказам различных ведомств.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Основной текст изложен на 163 страницах, включая 23 рисунка и 33 таблицы. Список литературы содержит 85 наименований.
Личный вклад автора. Автором разработаны: 1) критерии построения авиационного комплекса и формирования состава бортовой аппаратуры дистанционного зондирования; 2) методика обработки результатов исследования природной среды авиационными средствами дистанционного зондирования.
Автор принимал участие в организации, проведении и обработке результатов лётных исследованиий вулканов Камчатки, которые проводились в 1993-96 гг. в рамках Совместной Рабочей группы «Науки о Земле» между Россией и США в соответствии с межправительственным соглашением между РАН и НАСА, заложившим основу для дальнейшего изучения областей современного вулканизма методами дистанционного зондирования.
При участии автора были созданы летающие лаборатории на базе самолета АН-30, вертолета МИ-8 для МО РФ и самолета ИЛ-103 для Минприроды.
Автор выражает глубокую благодарность за постоянную помощь в работе научному руководителю д.т.н. Д.А. Шаповалову.
Автор особо благодарен и признателен за ценные советы и постоянную поддержку в.н.с. ИГЕМ РАН д.г.-м.н. Хренову А.П.
Большое влияние на результаты работы оказали дискуссии с д.т.н. профессором А.З. Разяповым, сотрудниками ГУП Аэрогеофизики Р.С. Контаровичем, д.т.н. Э.Я. Островским, СА. Скловским.
Автор также выражает признательность за помощь в проведении исследований вулканов Камчатки летчику-космонавту В.А. Джанибекову и генерал-майору авиации В.Б. Захарьину.
Автор искренне признателен своим коллегам, которые постоянно поддерживали и давали ценные советы в работе д.г.н. Маркелову А.В., д.г.н. Минеевой Н.Я., к.г.н. Даниленко Е.А., к.т.н. Петрову А.С, к.г.н. Прокуронову И.Б., к.б.н. Равкину Е.С.
Применение зарубежных авиационных контрольных средств
Ряд сведений о режимах контроля воздушных масс зарубежными авиационными средствами приведен в таблице 1.5. /34/.
В последнее время наблюдается тенденция к расширению области контрольных полетов до глобального масштаба. Так, в настоящее время специально оборудованные самолеты АРТАС (США) совершают систематические наблюдательные полеты над морскими акваториями вдоль побережья Африки, восточного побережья Южной Америки, Индии, Китая, Кореи, Японии. География и частота этих полетов увеличивается. Их целью, по-видимому, является наблюдение за ядерной деятельностью государств, достигших высокого уровня ядерных технологий, в интересах контроля требований Договора о нераспространения ядерного оружия.
Следует отметить, что авиационные средства активно используются в зарубежных странах и для наблюдения за ядерной деятельностью и контроля радиаци-онно-экологической обстановки и на национальной территории. В частности, при выполнении таких систематических полетов самолетами упомянутой выше специальной службы Министерства энергетики измерения ведутся при скорости полета 289 км/час на высоте 150 м, а затем пересчитываются для высоты 1 м над землей. Точность привязки к местности составляет не более 0,1 от величины полосы наблюдения, а точность измерения высоты приближается кім.
Районы ведения контроля воздушных масс зарубежными авиационными средствами Самолёт-разведчик Район контроля Пункты базирования Р-ЗС «Орион» (США) Баренцево, Охотское, Японское моря (постоянное дежурство) Кефлавик (Исландия) Кадема (о. Окинава, Япония) SR-71 (США) Японское море (высоты 20-24 км) о. Окинава (Япония) RC-135 (США) Восточное побережье Чукотки и Камчатки (60 вылетов в год) Карачинский залив (80 вылетов в год) Баренцево море и острова Новая Земля (60 вылетов в год) Японское и Охотское моря Айельсон (шт. Аляска,США) Мильденхолл (Великобритания) Осан (Ю.Корея) Р-ЗС «Орион» (Норвегия) Баренцево море (автономность 4 часа, 360 вылетов в год) Норвегия Аппаратура обработки и регистрации данных позволяет оператору в полете выбирать и предварительно анализировать спектры гамма-излучения. Полный анализ и обобщение результатов контроля производится с помощью наземной аппаратуры обработки, которая установлена в двух автолабораториях и фургоне, рассчитанных на переброску по воздуху. Аппаратура включает ЭВМ с запоминающим устройством на магнитном носителе емкостью 1,2 х 10 шестнадцатиразрядных слов, устройства АЦП, два графопостроителя и дисплей. ЭВМ обеспечивает спектральный анализ гамма-излучения в диапазоне энергий от 0,05 до 3 МэВ с учетом данных от метеодатчиков по высоте и маршруту полета, с возможностью проведения детальной обработки выделяемых участков спектра.
Полученные с помощью ЭВМ изолинии уровней радиации или радиоактивного загрязнения местности на территории объекта, накладываются на цветной аэрофотоснимок, который является итоговым документом радиационного контроля. За несколько дней до радиационных измерений с использованием аэрофотоаппаратов RC-100 с самолета-лаборатории выполняется аэрофотосъемка района.
В целом, сведения по режимам применения зарубежных летающих лабораторий свидетельствует о том, что география и частота контрольных полетов как на национальной территории, так и в международном воздушном пространстве, в настоящее время имеет устойчивую тенденцию к увеличению.
В России имеется большой опыт создания самолетов-лабораторий различного назначения. В настоящее время в России имеются самолеты (вертолеты) - лаборатории различного класса, находящиеся в распоряжении (или в аренде) у различных ведомств и организаций. Для проведения съемки подстилающей поверхности в различных диапазонах спектра, а также исследований атмосферы, использовались и используются летательные аппараты типа Ил-14, Ил-18, Ил-20, Ил-24, Ил-103, Ил-114, Ан-2, Ан-12, Ан-24, Ан-26, Ан-30, Ан-72, Ту-134, Ту-154, Як-40, Ми-6, Ми-8, Ка-26.
Эти серийные летательные аппараты адаптировались для дистанционного зондирования земной поверхности в целях решения специальных и прикладных задач военного ведомства, сельского и лесного хозяйства, картографии, геологии, гидрометеорологии, океанологии, вулканологии и рыболовства. Они оснащены различной бортовой аппаратурой, которая специально разрабатывалась для дистанционного зондирования природных и промышленных объектов. Такие авиалаборатории решают довольно узкие специфические задачи, как, например, обследование и контроль пожарной опасности лесных массивов, оценка влагосодержания верхних горизонтов почвенного покрова под с/х угодьями, аэрофотосъемка, ледовая разведка и др.
По техническим характеристикам устанавливаемого авиационного измерительного оборудования эти самолеты можно разделить на два больших класса: летающие лаборатории дистанционного зондирования атмосферы, земной и водной поверхности и самолеты-лаборатории радиационных и пробоотборных измерений. Безусловно, эта типизация достаточно условна, и существуют лаборатории, имеющие на борту аппаратуру и того, и другого класса.
Тем не менее, рассмотрим существующие авиационно-измерительные комплексы именно в данной последовательности.
В таблице 1.6. представлены летающие лаборатории с перечнем образцов аппаратуры дистанционного зондирования, систематизированных по используемым длинам волн электромагнитного излучения. В качестве примера выбраны летающие лаборатории, созданные в НПО «ВЗЛЕТ» - компетентной и специализированной организации по разработке самолетов-лабораторий данного класса. Кроме того, в России на базе новых серийно выпускаемых самолетов разрабатывались следующие перспективные летающие лаборатории /34; 51-53; 60/: - Ан-74 в варианте геофизической лаборатории; - Ил-114 для океанической разведки рыбных запасов; - С-80 в варианте ледового разведчика и разведчика рыбных запасов; - С-80 в варианте геофизической лаборатории и для выполнения аэрофотосъемок в крупных масштабах; - Ан-28 в вариантах для выполнения аэрогеофизических съемок и аэрофотосъемок в крупных масштабах; - Ан-28 в варианте разведчика рыбных запасов; - Ан-28 в патрульном варианте для охраны лесов. Данные разработки в связи с тяжелой экономической ситуацией были приостановлены; большинство же используемых авиалабораторий имеют почти выработанный технический ресурс.
Аварии на энергетических и промышленных реакторах
К объектам контроля состояния окружающей среды относят воздух, биоту и экосистемы в целом, бытовые выбросы, загрязнения от транспортных средств, отстой сточных вод, воду (отработанная и потребляемая), осадки,
Выбирая контролируемые химические элементы, следует отметить, что наибольший практический интерес представляет мониторинг таких токсичных и вредных металлов, как медь, свинец, цинк, кадмий, ртуть, никель, хром, серебро, бериллий, мышьяк, уран, плутоний, поступающих в атмосферу в результате деятельности предприятий горнодобывающей и металлургической промышленности. Высокая токсичность вышеперечисленных металлов определяется родством этих металлов к амино- и сульфогидратным группам, способным выводить различные ферменты из реакций, а также их высокой стабильностью и способностью к накоплению в живых организмах. Выводя различные ферменты, металлы обусловливают поражение определенных органов.
Известны и генетические последствия накопления металлов в живых организмах. Большинство тяжелых металлов — мутагены. Нарушая генетический аппарат клетки, металлы, особенно ртуть, свинец, бериллий, кадмий, хром, оказывают воздействие на развитие и функционирование экосистем. Приведенный список может быть уточнен и расширен, поскольку важное значение для оценки состояния здоровья населения могут иметь химические элементы, не обладающие токсическим воздействием, но вызывающие опасные заболевания при их недостатке или избытке в организме, например, кобальт /73/.
В результате обобщения и анализа имеющихся публикаций по данным о содержании загрязняющих компонентов в различных материалах окружающей среды установлены типичные диапазоны концентраций металлов, приведенные в таблице 2.7./2; 16; 24; 73/.
Как следует из таблицы, методом атомно-эмиссионной спектрометрии можно осуществить непосредственный контроль за содержанием токсичных металлов в объектах окружающей среды. С точки зрения использования авиационных средств контроля, в первую очередь представляет интерес содержание химических элементов в атмосферном воздухе и возможность отбора представительных проб.
Среди органических компонент принципиально важными представляются суперэкотоксиканты ряда диоксинов. Диоксины — это мощная группа ядов техногенного происхождения, следствие работы коммунальных служб (хлорирование питьевой воды, использование для утилизации отходов мусоросжигателей), ряда предприятий электротехнической, металлургической, нефтеперерабатывающей промышленности и т. д. В микроконцентрациях эти яды ослабляют иммунитет большого числа населения, в том числе иммунитет к вирусным инфекциям. Диоксины являются кумулятивными ядами и поэтому понятие ПДК к ним малоприменимо. Вредное воздействие на людей диоксинов на уровнях ниже ПДК может резко усиливаться некоторыми фоновыми веществами, например пестицидами.
К опасным загрязнителям окружающей среды относятся нефть и продукты ее переработки. Их острая токсичность связана с тем, что углеводороды, проникая внутрь организмов, растворяют липидные фракции клеточных оболочек и мембран, меняют проницаемость клеток, а также воздействуют на ДНК и РНК, нарушая генетический аппарат (низшие ракообразные начинают гибігуть уже при концентрации нефти и нефтепродуктов на уровне 1 нг/л).
Серьезную опасность представляют органические вещества, используемые на предприятиях ядерного топливного цикла. Причем они связаны не собственно с радиоактивным загрязнением среды, а с загрязнением ее органическими соединениями, в основном с утечкой жидких отходов, содержащих толуол, ацетон, тетра-гидрофуран, метанол и этанол /52/.
С целью выявления стрессовых факторов экологической обстановки, имеет смысл обследование уровней содержания канцерогенных полициклических ароматических углеводородов и их гетероциклических аналогов, а также измерение уровней содержания летучих органических загрязнителей воздушной среды (бензол, толуол, дихлорэтан, винилхлорид и т.д.).
Среди биологических факторов окружающей среды особое место принадлежит веществам с антигенными свойствами, поскольку они оказывают прямое влияние на состояние иммунной системы организма человека. С точки зрения здоровья населения, большую опасность для человека представляют экзоантигены, которые попадают в организм из внешней среды. Среди них выделяется большая группа аэроантигенов, т.е. антигенов, содержащихся в воздушной атмосфере и проникающих в организм с вдыхаемым воздухом. Источником антигенного загрязнения атмосферы могут быть производства биологически активных веществ, производство молока, мукомольное производство, свинофермы, коровники, птицефабрики, поля орошения, свалки мусора, средства вывоза и утилизации бытовых отходов, дикие грызуны, насекомые, воздушные выбросы из систем вентиляции и кондиционирования воздуха и т.п.
С точки зрения экологического мониторинга, задача заключается в идентификации в составе органического компонента аэрозоля веществ с антигенными свойствами. Проблемы идентификации обусловливаются несколькими обстоятельствами: широким спектром антигенов, способных одновременно находиться в воздушном приземном слое, модификацией аэроантигенов под влиянием активных (вредных) химических и физических факторов внешней среды, постоянным изменением их концентраций в связи с перемещением воздушных потоков и изменениями атмосферного аэрозоля - адсорбента и носителя аэроантигенов 121.
Таким образом, контроль содержания вредных органических веществ в окружающей среде авиационными средствами наблюдения может применяться применяться для: дистанционного определения загрязнения нефтью, продуктами ее переработки, рядом других вредных органических загрязнителей; отбора проб атмосферного воздух с последующим определением концентраций вредных органических веществ.
В последние годы общественностью и средствами массовой информации особенно остро ставится вопрос о влиянии на окружающую среду военной деятельности. Особые претензии предъявляются к радиоэкологическим последствиям испытаний ядерного оружия на полигонах Министерства обороны, захоронениям радиоактивных материалов в акваториях морей и океанов и т.п.
Функциональные задачи авиационного экологического мониторинга, решаемые авиационными комплексами дистанционного зондирования
Перечень космических дистанционных средств анализа околоземного пространства сравнительно узок вследствие значительных удалений орбит космических аппаратов от земли и отсутствия непосредственного контакта с воздушной и почвенной средой земли. При этом датчиками, независимыми от метеоусловий, являются только радиолокационные системы бокового обзора (РЛС БО) и СВЧ-радиометры. Использование оптических и ИК- космических датчиков над некоторыми районами лимитировано маскирующими факторами (облачность, туманы и др.), иногда проявляющихся в течение 70-80 % времени года.
Авиационные средства дистанционного исследования земной поверхности по принципу работы и спектру измеряемых данных аналогичны космическим средствам, но работают на значительно меньших высотах. Использование авиационных измерений позволяет выявить влияние атмосферы на результаты измерений, а также экстраполировать результаты локальных наземных измерений на значительные участки земной поверхности, облегчая идентификацию результатов подспутниковых и космических измерений. Авиационные средства обладают достаточной мобильностью и дают возможность оперативно обследовать различные природные явления, выявленные на основе космических измерений, оперативно обследовать участки территории, пропущенные по каким-либо причинам при съемках из космоса. В ряде случаев методы оперативного дистанционного зондирования Земли с авиационных носителей могут полностью заменить космические измерения. К таким случаям, в первую очередь, следует отнести изучение небольших территорий, для которых приём или доставка оперативной космической информации оказывается нерентабельной.
Авиационная система наблюдения позволяет в довольно короткое время обеспечить непрерывный контроль любого района земного шара, может быть оборудована большим числом датчиков, чем космические аппараты, а имея операторов на борту - осуществлять экспресс-анализ информации, корректируя маршрут полета самолёта и режим работы датчиков.
Современные летающие лаборатории различных организаций и ведомств на базах средних и тяжёлых самолетов и вертолётов оснащены радиолокационной, лазерной, ИК- и другой научной аппаратурой для оценки характеристик подстилающей поверхности, атмосферы, солнечной радиации, гравитационных полей и др, Использование РЛС-систем позволяет в любое время суток, независимо от погодных условий в районах наблюдений, определять состав почвенного и растительного покрова, рельефа местности, волнение водной поверхности, состояние ледовой поверхности и другие параметры. Методы аэрофото- и спектрозональной съёмки используются для оперативного слежения за динамикой экосистем на больших площадях для целей охраны окружающей природной среды. Тепловая аэросъёмка находит применение при контроле загрязнении водной среды, оценке состояния оросительных систем, теплотрасс и магистральных трубопроводов, контроле процессов самовозгорания (полезных ископаемых, лесов, свалок), в борьбе с пожарами, прогнозировании сейсмической активности.
К недостаткам существующих авиационных комплексов ДЗ следует отнести ограничения их функциональных возможностей по большому спектру стоящих задач, большие денежные и временные затраты (от одного месяца до полугода, в зависимости от сложности исследовательских комплексов) при переоборудовании летающих лабораторий (ЛЛ), в итоге приводящих к высокой стоимости лётного часа.
Для устранения этих недостатков, необходимо создавать авиакомплексы, оборудованные исследовательской аппаратурой по модульному принципу и на базе лёгких и средних типов летательных аппаратов, что сокращает время переоборудования ЛЛ (от одного часа до 2-3 дней), повышает удельный вес полезной информации, глубину и достоверность выводов, и снижает стоимость часа полета. Высокие технические возможности авиационных систем наблюдения мо-дульного типа, оперативность получения информации дают важные преимущества в области исследования Земли, экологического мониторинга и проведения рекогносцировочных полётов при природно-техногенных катастрофах. Оперативность, документальная достоверность и доступность информации ДЗ будет способствовать заинтересованности различных ведомств и организаций РФ и иностранных государств в использовании таких авиационных комплексов.
Нарастающее обострение проблем охраны окружающей среды свидетельствует о долгосрочности и глобальном характере этих программ, что ведёт к повышению заинтересованности государственных структур и международных организаций в использовании уникальных возможностей авиационных комплексов ДЗ модульного типа и увеличения парка самолётов ДЗ.
В основе предложений по созданию унифицированного авиационного комплекса ДЗ лежат следующие посылки.
Расширение круга задач экологического мониторинга (в том числе и специфических, обусловленных деятельностью ВС и промышленных предприятий) И одновременное возрастание требований к полноте данных (по составу и количеству каналов зондирования, спектральному, пространственному, радиометрическому разрешению, пространственным и временным масштабам наблюдаемых процессов и т.д.):. стимулирует развитие современных методов решения обратных задач ДЗ в рамках используемых космических и наземных средств. Разработка, тестирование, калибровка, натурные испытания соответствующих технических систем и отработка моделей процессов и явлений не могут быть эффективно реализованы без экспериментов с использованием авиационных средств.
Наличие районов, недоступных для наблюдения с помощью имеющихся космических средств в требуемый период времени из-за наличия мешающих факторов на определённых высотах (например, облачности при наблюдении в видимом и инфракрасном диапазонах). Авиационный комплекс ДЗ допускает гибкое планирование наблюдений в зависимости от метеоусловий.
Для решения широкого круга задач требуются данные непосредственных измерений параметров атмосферы и земной поверхности на высотах 100-10000 м.
В соответствии с этими положениями, авиационный комплекс ДЗ должен использоваться как подсистема, осуществляющая съёмку на относительно малых территориях и в течение коротких периодов по заданиям, сформулированным по результатам приближенного решения обратных задач экологического мониторинга на основе космических данных. С другой стороны, очевиден приоритет авиационных комплексов для съёмки территорий, где космические системы неприменимы или не обеспечивают требуемую полноту дистанционной информации.
Еще одно направление использования авиационных комплексов связано с отработкой перспективных космических средств и требований потребителя к достаточной полноте информации, отработкой и тестированием методов решения обратных задач ДЗ для экологического мониторинга и оперативного крупномасштабного картографирования территорий.
Разработка методологии сравнительного анализа результатов дистанционного зондирования и данных наземных наблюдений
Определение физико-химических параметров подстилающей поверхности (суши и воды) методами ДЗ с самолёта-лаборатории реализуется с помощью комплекса аппаратуры, включающей пассивные радиометры (оптического и СВЧ диапазонов), лазерные локаторы (лидары), а также аэрогаммаспектрометры для оценки радиоактивного загрязнения.
Актуальным является определение значений показателей, характеризующих крупные экологические загрязнения окружающей природной среды (на уровне ПДК). При этом может осуществляться и оперативный мониторинг с целью выявления резких и значительных изменений окружающей среды, представляющих опасность в международном масштабе.
Отличительной особенностью авиационного экологического контроля является возможность получения оперативной информации в режиме реального времени. При этом особенности функционирования системы ДЗ в значительной степени определяют характеристики применяемых технических средств.
При осуществлении контроля атмосферы по основным загрязняющим компонентам, определении физико-химических параметров загрязнений выбор аппаратуры для экологического мониторинга сочетается с её поверки ой и рядом ограничений. В качестве аппаратуры для решения выше перечисленных задач могут быть предложены средства из следующих категорий: - сенсорные датчики основных загрязняющих компонентов; - дистанционный оптический газоанализатор (N02; S02; 03); - дистанционная аппаратура контроля аэрозолей; - трассовый спектрофотометр. Для решения задач экологического контроля с применением авиационного комплекса ДЗ вторичная обработка получаемой информации осуществляется на наземных пунктах. Проанализируем предложенные средства с точки зрения указанных ограничений.
Сенсорные датчики позволяют определять химический состав атмосферы. Имеющийся в настоящее время задел по сенсорным датчикам на основе микропленочной технологии не вызывает принципиальных сложностей при установке их на ЛА; энергопотребление их минимально. Датчики могут быть сопряжены с бортовыми регистраторами на магнитных носителях, работа в автоматическом режиме с управлением от бортовой ЭВМ не требует операторов. Выдача результатов происходит после вторичной обработки информации с привязкой к маршруту полёта.
Дистанционные оптические газоанализаторы работают по строго выбранному перечню газов (NO2; S02; О3) и дают информацию о среднем содержании токсичных газов в контролируемом объёме пространства с ограничением по дальности действия от ЛА. Энергопотребление и массогабариты (2-3 кг) незначительны.
В качестве датчика для контроля содержания озона в атмосфере предлагается прибор, используемый в настоящее время в национальной программе исследования озонового слоя. Он приемлем для установки на борт по всем названным ограничениям.
Исходя из того, что устанавливаемая на борт аппаратура, работающая в оптическом диапазоне, позволяет получать иконическую информацию об экологических аномалиях на поверхности суши и воды, для получения дополнительной информации о физико-химических параметрах экологических аномалий предлагается трассовый спектрометр, который даёт интегральную оценку в зоне обзора по линии пути, позволяющую оценить параметры загрязнения. Особенностью получения информации от данного типа аппаратуры является то, что получаемая первичная информация о спектральных характеристиках поверхности требует наличия методики ее интерпретации. Данные о результатах экологических аномалий целесообразно выдавать после вторичной обработки по согласованным методикам /17; 57/.
Обобщённые сведения по аппаратуре экологического контроля и их основные характеристики для установки на борт авиационного комплекса дистанционного зондирования в варианте контроля физико-химического состава атмосферы представлены в таблице 4.1. Предлагаемый комплекс аппаратуры позволяет определять содержание озо Таблица. 4.1 - Аппаратура экологического контроля атмосферы по основным загрязняющим компонентам N п/п Тип аппаратуры Назначение Основные параметры Ограничения по техническимхарактеристикам Примечания
1 Газовые сенсоры (малогабаритные) Химический анализ основных загрязняющих компонентов S02NOxОзNH3СОуглеводороды и др. По количествуизмеряемыхкомпонентов;по точности измерения;по диапазонуизмеряемыхпараметров Разработаны на основе плёночной технологии
2 Дистанционный оптический газоанализатор (ДОГ-1) Химический состав загрязняющих компонентов на удалении до 15 км от ЛА Среднее значение назаданном удаленииNOSOО По дальности измерения;динамический диапазон измерения Малая серия наМосковскоминститутеприборостроения
3 Многоканальные нефелометры Определение микрофизических и структурных характеристик аэрозолей; оптическая плотность аэрозольных образований МДВ 20 м-20 км; показатель преломления 1,3-1,8; модальный раз-мер частиц 0,2-10 мкм Имеется ряд разработок, в т.ч. и космических
4 Спектрофотометр трассового типа"Кальмар" "Кречет" Исследование оптических свойств поверхностных и морских вод и подстилающей поверхности Спектральный диапазон 360-1200 нм; спектральное разрешение 5-10 нм; угол зрения 9 градусов Спектральный диапазон; спектральное разрешение; угол поля зрения Эксплуатация более 15 лет
5 Озонометр Измерение содержания Оз в верхней полусфере Диапазон общего содержания Оз 150-600 ед. Добсона Погрешность измерения Имеются космические образцы БУФС-3(4) и авиационные на и исследовать процессы его уничтожения, контролировать параметры основных компонентов азотного и галогенного циклов. Подобные комплексы разрабатывались на основе приборов БУФС-3 и БУФС-4. При их разработке использовались современные технически проверенные решения и методики обработки информации. В самолётном варианте масса приборов не превышает 35 кг /58/,
Разработка методологии сравнительного анализа результатов дистанционного зондирования и данных наземных наблюдений
При решении задач контроля окружающей природной среды с помощью авиационного дистанционного зондирования, как правило, требуется проведение наземных измерений. Следует иметь ввиду, что сама постановка вопроса о проведении наземных измерений корректна лишь в том случае, когда наземная информация совместима с авиационной и может быть эффективно использована при анализе и интерпретации последней. Для того, чтобы обеспечить такую совместимость необходимо выполнение следующих условий:
