Дослідження динаміки зростання обсягів природно-заповідного фонду Київської області засобами геоінформаційних систем

1. збирання вихідного матеріалу;
2. вибір чи створення електронної карти (основи ГІС). Якщо така карта відсутня, тоді знаходиться, хоча б у паперовому варіанті чи в Internet, придатне растрове зображення потрібної місцевості та проводиться його цифрування і векторизація. При цьому використовуються також сучасні дані ДЗЗ;
3. наповнення електронної карти картографічною та атрибутивною інформацією – адміністративні одиниці (границі областей, районів, міст, шляхів тощо), адреси туристичних об’єктів, опис маршрутів, стану довкілля та ін. Інформація заноситься як в атрибути об’єктів карти, так і в базу даних ГІС;
4. ГІС-аналіз – розв’язання задач обробки та аналізу даних з використанням ГІС-забезпечення, часовий та просторовий аналізи, що дозволяє оцінити час, кошти, ресурси тощо;
5. візуалізація вхідних даних та результатів розв’язання задачі – використання можливостей ГІС у візуалізації як вхідних даних, так і результатів досліджень: побудова карт та діаграм, побудова тривимірних статичних та рухомих зображень [6].

Сьогодні в Україні створені і використовуються тисячі різних геоінформаційних систем. Значну їх частину складають екологічні ГІС, розробці яких надається велике значення в ДНВЦ «Природа» та в Інституті телекомунікації та глобального інформаційного простору НАН України [2].

4.2. Дистанційні методи зондування Землі

На сьогоднішній день в Київській області склалася складна екологічна ситуація, тому актуальним є створення екологічної інформаційно-аналітичної системи, яка повинна забезпечити збір та систематизацію інформації, прогнозування та виявлення можливих екологічних проблем, а також забезпечити планування раціонального використання природних ресурсів. Система повинна забезпечити управління екологічною безпекою, природокористуванням і охороною довкілля на регіональному рівні [11].

Існуючі методи спостереження за елементами навколишнього середовища можна розбити на дві великі групи:

1) контактні методи вимірів;

2) дистанційні методи зондування  Землі.

До першої групи відносяться як безпосередні виміри параметрів стану навколишнього середовища, так і лабораторні виміри на основі попереднього відбору проб.

До другої групи відносяться різні неконтактні методи вимірів, в яких використовують прилади, просторово віддалені від досліджуваних об'єктів.

Головними перевагами контактних методів спостереження за об’єктами навколишнього середовища є більш висока точність виміру досліджуваних показників у порівнянні з дистанційними методами [6].

Оскільки площа області складає 28,1 тис. км2 (4,6% від загальної території України) і в адміністративно-територіальному відношенні поділена на 25 адміністративних районів, 26 міст, в тому числі 12 міст обласного підпорядкування, 30 селищ міського типу [7], то щоденний моніторинг такої території за допомогою контактних наземних вимірів не є доцільним, до того ж для цього необхідна велика кількість людських ресурсів і фінансів. Таким чином, доцільне розглянути альтернативні методи моніторингу цієї території, тобто дистанційні.

Методи ДЗЗ мають наступні переваги:

• високу оглядовість, можливість одержання одночасної інформації про великі території;
• можливість переходу від дискретної картини значень показників стану навколишнього середовища в окремих пунктах території до безперервної картини просторового розподілу показників;
• можливість одержання інформації у важкодоступних районах;
• високий ступінь генералізації інформації.

Потенційні переваги методів ДЗЗ найбільш відчутні у сфері глобального моніторингу, де оглядовість матеріалів і генералізація інформації грають істотну роль, а також у сфері національного моніторингу держав, що займають великі території. Однак і в сфері регіонального моніторингу, при рішенні конкретних задач, методи ДЗЗ можуть успішно доповнювати контактні методи вимірів, а в деяких випадках навіть перевершувати їх за інформативністю [6].

Дистанційне зондування - це отримання інформації про властивості об'єктів чи явищ за допомогою реєструючого пристрою, який не має з ними контакту.

Як правило, прилади дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) ставлять на авіа- чи космічних носіях, хоча, у принципі, можливо використовувати інші види носіїв, на яких ці прилади знаходяться на незначних відстанях від досліджуваних об'єктів. Однак при цьому не в повній мірі вдається розкрити переваги ДЗЗ в порівнянні з контактними методами. Тому більш перспективне використання для базування приладів ДЗЗ аерокосмічних, особливо космічних носіїв. Надалі розглядатимуться аерокосмічні методи спостереження за навколишнім середовищем, у першу чергу методи ДЗЗ із космосу.

На платформах дистанційного зондування - супутниках, літаках або гелікоптерах розміщуються датчики і знімаючі системи; знімки містять дані, отримані з них, і відповідно до цього розрізняють космічні знімки і аерознімки. Аналіз різноманітних доступних способів дистанційного зондування показав, що найбільшою кількістю переваг має супутникове:

• на навколоземній орбіті знаходяться одночасно багато супутників, так що одна і та ж територія може оглядатися регулярно з метою виявлення змін;
• переважна більшість сучасних супутникових систем передає дані в цифровій формі, які можливо передавати по радіо чи короткохвильовим лініям зв'язку, зберігати на магнітних носіях, легко виконувати їх комп’ютерну обробку і аналіз;

- супутники мають стійку геометрію  польоту, а це означає меншу  ймовірність випадкового викривлення  отриманого зображення;

- супутник запускається на довгий  час, тому вартість отримання  даних нижча в порівнянні з  літаючими системами.

Знімки, отримані з космосу, дозволяють охоплювати на поверхні Землі великі території, що дає можливість, застосовуючи спеціальні технології комп’ютерної обробки, аналізувати процеси, що досліджуються в один і той же момент часу на великих площах.

Космічні  знімки за просторовим  розрізненням класифікуються:

- знімки дуже низького розрізнення - 10 000 - 100 000 м.;

• знімки низького розрізнення - 300 - 1 000 м.;
• знімки середнього розрізнення - 50 - 200 м.;

- знімки високого розрізнення: відносно високого - 20 - 40 м.

високого - 10 - 20 м.

дуже високого - 1-10 м.;

- знімки надвисокого розрізнення - менше 0,3 - 0,9 м.

Залежно від розрізнюючої здатності, космічні знімки (КЗ) використовують для вирішення різних екологічних задач:

• КЗ дуже низького розрізнення - аналіз і прогноз погоди, моніторинг клімату;
• КЗ низького розрізнення - аналіз температур та виявлення аномалій на суші та водних поверхнях (виявлення пожеж, визначення температури земної і водної поверхонь);

- КЗ  середнього розрізнення - аналіз  і прогноз стану акваторій  морів і океанів, стану водойм, рік, стану с/г територій (моніторинг  повеневої ситуації, прогнозування врожайності);

• КЗ високого розрізнення - контроль над джерелами викидів в атмосферу (димових, теплових, газових), контроль над викидами у водне середовище (теплових, нафтопродуктів), визначення стану лісонасаджень, моніторинг карстових процесів;
• КЗ надвисокого розрізнення - створення і оновлення топографічних карт, планів.

Залежно від просторового розміщення дані дистанційного зондування (ДДЗ) застосовуються для аналізу ступеня забруднення земельних і водних ресурсів, в роботах з оцінки антропогенної і техногенної дії на навколишнє середовище, а також втрат, нанесених в результаті стихійних явищ (землетрусів, лісових пожеж, паводків і ураганів). ДДЗ є основою для створення екологічних баз даних, а також для забезпечення періодичного моніторингу змін в навколишньому середовищі. Космознімки, отримані з більш, ніж 184 супутників ДЗЗ є мультиспектральними, що створює умови для аналізу факторів, під впливом яких проходять зміни в навколишньому середовищі, на основі спектрального аналізу зображень [11].

При опроміненні земної поверхні дистанційними методами, носієм інформації про об'єкти є їх випромінювання, як власне, так і відбите. Реєструється дійсне випромінювання, яке визначається дійсним освітленням земної поверхні Сонцем, теплове - власне випромінювання Землі, або штучне, яке створюється при опроміненні місцевості джерелом, яке розміщене на носії реєструючого пристрою. Зафіксовані характеристики випромінювання залежать від просторового положення, властивостей і стану об'єкту, що і сприяє його дистанційній ідентифікації. Випромінювання являє собою електромагнітні хвилі різної довжини, спектр яких змінюється в діапазоні від рентгенівського до радіовипромінювання. В дослідженнях навколишнього середовища використовують більш вузьку частину спектру від оптичних хвиль до радіохвиль в діапазоні довжин 0,3 мкм - 3 м. Для  об'єктів  суходолу   найбільш   інформативно   виражене випромінювання, яке реєструється одночасно  в різних довжинах хвиль.

В даний час у дистанційних методах використовують відносно невелику частину спектра – від 300 нм до 3 м. Ще більш вузький спектр електромагнітного випромінювання застосовують у практиці ДЗЗ із космосу. Тут на припустиму зону спектра сигналу, що використовується, накладаються суттєві обмеження, пов'язані з прозорістю атмосфери. Існує кілька спектральних інтервалів, в яких електромагнітне випромінювання майже цілком пропускається атмосферою ( це, так звані, вікна прозорості атмосфери). Найбільш широке застосування в методах ДЗЗ із космосу знаходить вікно прозорості, що відповідає оптичному діапазону (він також називається світловим), що поєднує видиму (380...720 нм), ближню інфрачервону (720...1300 нм) і середню інфрачервону (1300...3000 нм) зони. Використання короткохвильової ділянки видимої зони спектра ускладнено внаслідок  значних варіацій пропускання атмосфери на цьому спектральному інтервалі залежно від параметрів її стану. Тому практично при ДЗЗ із космосу в оптичному діапазоні застосовують спектральний інтервал довжин хвиль, що перевищують 500 нм. У далекому інфрачервоному (ІЧ) діапазоні (3...1000 мкм) маються тільки три вузьких вікна прозорості: 3...5 мкм, 8...14 мкм і 30...80 мкм, з яких в методах ДЗЗ із космосу поки використовують тільки перші два. В ультракороткохвильовому діапазоні радіохвиль (1мм...10м) мається відносно широке вікно прозорості від 2 см до 10 м. У методах ДЗЗ із космосу застосовують його короткохвильову частину (до 1м), названу надвисокочастотним (НВЧ) діапазоном (в американській літературі для найбільш   короткохвильової частини цього діапазону вживається термін "мікрохвильовий діапазон"). Крім того, в ультракороткохвильовому діапазоні радіохвиль існує кілька вузьких вікон прозорості в міліметровій і субміліметровій зонах.

Для вивчення явищ, які пов'язані з екологічною дією техногенних факторів на живу природу, космічна зйомка проводиться зазвичай в декількох спектрах, частіше за все в зеленому, червоному і ближньому інфрачервоному. Властивість зеленої рослинності відбивати падаюче на неї сонячне світло в кожному з цих спектрів по різному визначається станом її фотосинтезуючого апарату, структурою клітин, насиченістю рослин вологою і впливом інших факторів. Знаючи ці закономірності, можливо оцінити стан наземної рослинності, прогнозувати врожайність сільськогосподарських культур, а також деякі інші процеси.

4.2.1. Оптичний діапазон

При використанні пасивних методів ДЗЗ в оптичному діапазоні для моніторингу поверхні суші висхідний від підстиляючої поверхні світловий потік являє собою випромінювання, відбите на границі розподілу атмосфера-підстиляюча поверхня. Підповерхнісне проникнення світла в даному випадку практично відсутнє, коефіцієнт відбивання світла визначається коефіцієнтом переломлення і коефіцієнтом поглинання підстиляючої поверхні. Крім того, він може залежати від її мікрорельєфу.

Поверхня суші відрізняється великою різноманітністю типів поверхні, які характеризуються різними інтегральними коефіцієнтами яскравості, і, у ще більшому ступені, різними спектральними залежностями коефіцієнтів спектральної яскравості (КСЯ), обумовленими, у першу чергу, специфічними спектрами поглинання різними об'єктами. Серед головних типів поверхні суші, характерних для географічних умов України, умовно виділяють кілька основних класів: орні землі, ліси, луки, урбанізовані території й інші види забудованих територій, болота, плавні, піски, шляхи і трубопроводи. У межах кожного класу можливе виділення підкласів, що також розрізняються за характерними коефіцієнтами яскравості та спектральними залежностями. Наприклад, у межах класу "ліси" можна виділити підкласи: "хвойні ліси" і "листяні ліси"; у межах класу "орна земля" виділяють підкласи: "відкрите рілля" і різні види культур; у межах класу "дороги і трубопроводи" виділяють підкласи: "шосе", "ґрунтові дороги", "залізниці" і т.д. Розглянута класифікація є умовною, можливі і інші підходи до виділення класів, наприклад: "рослинність", "відкритий ґрунт", "сніжний покрив" тощо.

Як правило, при використанні методів ДЗЗ для моніторингу поверхні суші задача досліджень зводиться до ідентифікації на дистанційних зображеннях різних об'єктів за їх коефіцієнтами інтегральної чи спектральної яскравості. У випадку, коли застосовують тільки один спектральний канал зйомки (наприклад, чорно-білу фотозйомку), дані ДЗЗ дозволяють ідентифікувати тільки такі об'єкти, що розрізняються за значеннями інтегральних КЯ. У таблиці 4.2.1.1 наведені значення інтегральних КЯ для різних типів підстиляючої поверхні суші.