Применение картографии в образовательной школе

Аэрофотоснимок:(а),дневной (б) и ночной  (в) тепловые аэрофотоснимки.

Наземных вод(5)

Дешифрирование гидрографии и гидроэнергетических сооружений, как правило, не вызывает затруднений, при этом должны быть показаны береговые линии всех водотоков и водоемов, которые подразделяют на: постоянные и определенные берега водотоков и водоемов, имеющих воду в течение всего года, а очертания линии ее уреза достаточно четкие и определенные. Неопределенные- берега водоемов, имеющих воду в течение всего года, но очень не четкую или часто изменяющую свое положение линию уреза. Непостоянные берега пересыхающих водотоков и водоемов, по тем или иным причинам имеющих воду лишь течение нескольких месяцев либо теряющих ее на определенные периоды. Пересыхающие водоемы и водотоки  это те, которые имеют воду хотя бы в течение 2 месяцев в году. При дешифрировании данные элементы гидрографической сети нельзя путать с различными ложбинами, балками и оврагами, по днищам которых весной в период таяния снега, осенью при ливневых дождях стекают кратковременные   ручьи.

                                       2.2 Космоснимки 

В общем виде космические снимки представляют собой данные, зарегистрированные спутником с помощью установленной аппаратуры — сенсоров, чувствительных к излучению в различных спектральных диапазонах электромагнитных волн. Первый космический снимок со спутника был получен 14 августа 1959 году американским Exploper 6. Примером визуализации современных космических снимков могут служить широко известные сервисы: Google Maps и Яндекс Карты. Зачастую пользователь использует их для того, чтобы посмотреть, как выглядит его дом или дача, проложить маршрут или просто насладиться красотой нашей планеты с   космических  высот. 
Рассмотрим процесс получения снимков. Как уже говорилось выше, спутники ДЗЗ оснащены специальной аппаратурой, чувствительной к электромагнитному излучению (ЭМИ). Стоит отметить, что существует два типа  такой аппаратуры, а соответственно и два метода съёмки. Первый метод – пассивная съёмка, которая регистрирует отражённое солнечное излучение от поверхности Земли или же внутреннее (тепловое) излучение объекта. Такая аппаратура представляет собой камеры с набором сенсоров, работающих в видимом, как обычный фотоаппарат, инфракрасном и тепловом диапазоне электромагнитных длин волн. Фотографии, представленные в вышеупомянутых сервисах, получены именно таким методом, в видимом диапазоне. Второй вид — это активная съёмка, которая сама, т.е искусственно, облучает поверхность Земли в радиодиапазоне электромагнитных волн и впоследствии регистрирует отражённый сигнал. Аппаратура такого типа представляет собой в упрощённом виде антенну. Основным преимуществом активного метода при съёмке является всепогодность  и независимость от времени  суток.

Для простоты описания общей картины сфер применения космических снимков, проведём их градацию по характеристике, которая на наш взгляд имеет наибольший вес при выборе данных. Этой характеристикой является пространственное разрешение. В зависимости от неё снимки делятся на:

- космические снимки низкого  разрешения (>100 м);

- космические снимки среднего  разрешения (10-100 м);

- космические снимки высокого  разрешения (1-10 м);

- космические снимки сверхвысокого  разрешения (<1 м);

К космическим снимкам низкого разрешения обычно относятся данные, полученные с метеорологических и обзорных спутников. Хоть у таких данных малое пространственное разрешение, но зато они имеют большой охват территории, порядка 3000 км Примерами спутников ДЗЗ, с которых можно получить подобные данные, являются программы NOAA, Terra/Aqua, Suomi NPP, Метеор-М №1.

Космический снимок со спутника Terra (сша), итц сканэкс

Космические снимки со средним пространственным разрешением получают с помощью спутников ДЗЗ, которые ещё называют ресурсными. К таким спутникам относятся программы типа Landsat, SPOT, UK DMC и другие. Полученные данные используются в природно-ресурсном мониторинге, для целей сельского и лесного хозяйств, для мониторинга чрезвычайных ситуаций, таких как наводнения, лесные и торфяные пожары, для оценки последствий после ЧС, мониторинга геологических процессов, подсчётов вегетационных индексов, для целей нефтегазовой отрасли, природопользования, экологической экспертизы и многое другое.

космический снимок вулкана ключевская сопка, со спутника landsat – 8, nasa

Данные высокого и сверхвысокого разрешения, спутниковые программы типа SPOT – 6, WorldView 2, QuickBird, IKONOS, Канопус-В и БКА, используются для целей картографии, создания ортофотопланов, построения цифровых моделей рельефа, для целей кадастра, проводить мониторинг строительства, динамики изменения различных природных и антропогенных объектов, оценку использования природных ресурсов, контроль за процессами лесопользования, включая контроль нелегальных рубок, оценка последствий лесных пожаров и других сферах деятельности человека.

                    космический снимок со спутника worldview – 2, digital globe inc., итц сканэкс

В заключении хотелось бы сказать, что космические снимки, их качество, количество спутниковых программ серьёзно увеличилось за последнее время, сферы их применения и использования возросли в несколько раз и эта тенденция усиливается.

Рассмотрим применение космических снимков, на примере мониторинг природных геосистем заповедных территорий:

В связи со значительными техногенными воздействиями на природную среду приобретают большую значимость способы и методики экологических исследований. Это предопределяет оперативность и точность получения объективной информации об эколого-функциональном состоянии геосистем и ее оценки. Ключевая задача комплексного аэрокосмического мониторинга заповедных территорий – пространственно-временной анализ биогеоценотической структуры и экологическое прогнозирование динамики геосистем различного уровня, при той или иной степени и характере антропогенного воздействия на них. При этом наибольший интерес для таких исследований представляют заповедные территории, где ведутся долговременные стационарные наблюдения за антропогенными трансформациями и сукцессионными процессами, происходящими в природных геосистемах заповедных территорий.

Аэрокосмический мониторинг заповедных территорий включает последовательную разносезонную и разногодичную космическую съемку в оптическом и радиационном диапазонах с целью изучения и контроля за состоянием природоохранных геосистем и их сравнение с геосистемами, испытывающими антропогенные воздействия, с целью получения оперативной и надежной пространственно-временной информации о форме и масштабах антропогенных воздействий на природную среду. Традиционно многолетняя динамика заповедных территорий изучалась на лесных стационарах и при этом рассматривались процессы возобновления, развития, разрушения и смен насаждений в зависимости как от типа и характера лесорастительных условий, так и от биологических свойств лесообразующих пород в естественных местообитаниях, где поддерживается соответствие между типом лесорастительных условий и типом леса. Однако изучение динамики природно-территориальных комплексов заповедных территориий на геосистемном уровне, включающем определенное сочетание множества элементарных биогеоценозов, требует использования вероятностно-статистического подхода при изучении их динамики как из-за гетерогенности местообитаний, с одной стороны, так и в связи с разнообразием антропогенных модификаций сложных природных экосистем заповедников, с другой. Основным содержанием такого подхода является динамическое моделирование лесных ландшафтов заповедников по сериям разновременных снимков заповедных территорий. При этом динамика последних описывается путем вычисления на определенный период трендов изменений простых и однородных компонентов геосистем, на которые разбивается изучаемая территория и которые затем объединяются в связанные комбинации (комплексы). При этом изучение динамики сложных природных систем описывается математической моделью, составленной системой дифференциальных уравнений, если процесс непрерывный, или теорией случайных процессов, если процесс дискретный. По нашим данным, пространственно-распределенная динамика сложных систем наиболее адекватно описывается марковскими моделями.

Основные направления аэрокосмического мониторинга заповедных территорий: съемка пространственной структуры и разномасштабное тематическое картографирование природных комплексов; определение экоценометрических характеристик природных геосистем и их состояния; слежение за кратковременной (главным образом сезонной) ритмикой геосистем; мониторинг многолетней динамики как заповедных, так и модифицированных геосистем и экологический прогноз их динамики; регистрация геофизических эффектов антропогенных воздействий путем сравнения заповедных и модифицированных геосистем.

В исследованиях использовались разновременные космические снимки, полученные сканирующими системами высокого разрешения природно-ресурсных спутников Земли типа «Ресурс» (Россия) и «Landsat» (США), а также среднемасштабные аэрофотоснимки. Так, последовательные съемки системы ключевых участков Березинского биосферного заповедника дали возможность проследить различные стадии сукцессионных (главным образом восстановительных) изменений лесного покрова на месте старых вырубок и сельскохозяйственных угодий. Анализ матриц по укрупненным геосистемным таксонам (на уровне физико-географических фаций, урочищ, местностей и ландшафтов) выявил экологические тренды восстановления коренных автоморфных бореальных сосняков за счет уменьшения площади производных бородавчатоберезовых лесов, некоторого снижения площади коренных плакорных суборей и зарастания старых пашен и сенокосов (результат послевоенных рубок и последующего заповедного режима) мелколиственными (главным образом сероольховыми и осиновыми) лесами. Показана высокая стабильность лесо-болотных экосистем (сосняков на олиго- и мезотрофных болотах, ельников на эвтрофных болотах, пушисто-березовых и черноольховых лесов), а также комплекса пойменных дубрав с примесью ясеня. По результатам экологического прогнозирования динамики сложных лесо-болотных экосистем Березинского заповедника рассчитана балансовая модель динамики и прогнозная матрица состояний элементарных компонентов геосистем до 2028 года на основе которой сделан вывод о постепенном восстановлении условно-коренной формационно-типологической структуры лесов заповедника.

Таким образом, заповедные и другие охраняемые природные территории могут быть рекомендованы в качестве эталонных подспутниковых ключевых участков для интерпретации разновременных космических изображений, тематического разномасштабного картографирования и экологического прогнозирования динамики охраняемых территорий.

                  2.3 Цифровые и электронные  карты

Цифровые карты — цифровые модели объектов, представленные в виде закодированных в числовой форме плановых координат X и Y и аппликат Г. Цифровые данные (цифровые модели) получают либо путем цифрования содержания исходных топографических и тематических карт, либо путем непосредственных измерений по стереофотограмметрическим моделям. Цифровые карты существуют на машинных носителях и по сути — это лишь логико-математические описания (представления) картографируемых объектов и отношений между ними, сформированные в принятых для обычных карт координатах, проекциях, системах условных знаков с учетом правил генерализации и требований к точности. Подобно обычным картам они различаются по масштабу, тематике, пространственному охвату и т. п. Главное назначение цифровых карт — служить основой для формирования баз данных и автоматического составления, анализа, преобразования карт.           Электронная карта (ЭК) — цифровые карты, визуализированные в компьютерной среде с использованием программных и технических средств в принятых проекциях, системах условных знаков при соблюдении установленной точности и правил оформления. Иногда изображения, выведенные на дисплей, называют экранными картами, а карты, выведенные с экрана с помощью печатающих устройств, — копиями электронных карт (неудачный термин — «твердые копии»).

Достоинства космосъемки. Летящий спутник не испытывает вибраций и резких колебаний, поэтому космические снимки удается получать с более высокой разрешающей способностью и высоким качеством изображения, чем аэроснимки. Снимки могут быть переведены в цифровую форму для последующей компьютерной обработки. 
Недостатки космосъемки: информация не поддается автоматизированной обработке без предварительных преобразований. При космофотосъемке происходит смещение точек (под влиянием кривизны Земли), их величина на краях снимка достигает 1,5 мм. В пределах снимка нарушено постоянство масштаба, различие которого на краях и в центре снимка может составлять выше 3%. 
Недостатком фотосъемки является его неоперативность, т.к. контейнер с пленкой спускается на Землю не чаще, чем один раз в несколько недель. Поэтому фотографические космические снимки редко используются для оперативных целей, а представляют информацию долговременного использования. 
Недостатками космического метода являются также: затруднительность обеспечения высокопериодического наблюдения объектов — с периодичностью лучше 1-2 часов, особенно для низкоширотных регионов, расположенных южнее 30-40° с.ш. наблюдения детального и высокодетального наблюдения, при работе 1-2 КА на орбите обычно не удается достичь периодичности лучше 6-12 часов - для оптико-электронной съемки большой проблемой является облачность. Период повторного посещения того же объекта наблюдения тем же самым КА — от 3 дней и более; 
- затруднительность модернизации систем: запущенные КА, как правило, не обслуживаются, и новые образцы датчиков могут работать только при новых запусках новых аппаратов; 
- в условиях космоса труднореализуемо размещение некоторых типов средств зондирования, работающих в интересных диапазонах электромагнитного спектра (например, РСА с длиной волны не менее 1-2 м для подповерхностного зондирования); 
- часто недостаточная оперативность выполнения заявок, вызванная строгой зависимостью времени выхода КА на район съемки баллистическими параметрами рабочей орбиты. Для большинства народнохозяйственных систем средний срок поставки изображения после заказа составляет 7 дней. Для некоторых облачных/дождливых районов срок может увеличиваться до месяца; 
- съемка маршрута возможна главным образом в направлениях, заданных баллистикой. Из-за распространенности околополярных спутниковых орбит более предпочтительным является направление получения изображений с Севера  на Юг, чем с Востока на Запад; 
- высокие затраты на создание и развертывание КС, связанные со сложностью космической техники и необходимостью проведения запусков дорогостоящих РН для достижения рабочей орбиты КА