Хорошилов, Журавков

1. Дистанционное зондирование земли (ДЗЗ) в экологическом картографировании

2. Введение

Экологическое картографирование сегодня невозможно
представить без данных дистанционного зондирования
Земли (ДЗЗ). Эти данные позволяют получать
объективную пространственную информацию о
состоянии экосистем в масштабах от локального до
глобального, обеспечивая непрерывный мониторинг и
выявление динамических изменений. В моем докладе
рассматриваются физические принципы ДЗЗ, типы
съёмочных систем, методы дешифрирования снимков,
конкретные направления использования данных ДЗЗ в
экологическом картографировании и перспективы
развития этого направления.

3. 1. Физические основы дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование Земли основано на регистрации электромагнитного излучения, отражённого
или испущенного объектами земной поверхности, без физического контакта с ними. Электромагнитная
энергия выступает «передатчиком» информации между объектами на поверхности Земли и сенсором,
установленным на носителе.
Физическая сущность метода состоит в том, что различные природные объекты — здоровая
растительность, вода, сухая почва, антропогенные поверхности — по-разному отражают и поглощают
электромагнитное излучение в разных участках спектра. Анализ этих спектральных «подписей» позволяет
классифицировать объекты и картографировать их пространственное распределение.
Важную роль играет взаимодействие излучения с атмосферой: облачность, аэрозоли и водяной пар вносят
искажения в регистрируемый сигнал. Пассивные сенсоры, работающие в оптическом диапазоне, зависят от
солнечного освещения и подвержены влиянию облачности. Активные системы (радиолокационные и
лидарные) имеют собственный источник излучения, что позволяет получать изображения независимо от
времени суток и погодных условий.

4. 2. Типы съёмочных систем: спутниковые, авиационные, БПЛА

Съёмочные системы классифицируются прежде всего по типу платформы, на которой размещается
сенсор. Выделяются четыре основных уровня: геостационарные спутники (высота ~36 000 км),
спутники наблюдения Земли (~700 км), авиационные системы (~5 км) и беспилотные летательные
аппараты (от 150 м и ниже).
Спутниковые системы обеспечивают регулярную съёмку обширных территорий с фиксированной
периодичностью. Спутники движутся по околополярным солнечно-синхронным орбитам, что
обеспечивает стабильные условия освещения. Однако сенсоры на спутниках не могут быть
заменены, поэтому пользователь выбирает систему исходя из её спектральных и пространственных
характеристик.
Авиационные системы (самолёты, вертолёты) обеспечивают гибкость: они позволяют получать
данные по запросу, адаптировать высоту полёта под требуемый масштаб и оснащаться различными
сенсорами. Аэрофотосъёмка часто выполняется со стереоперекрытием, что даёт возможность
трёхмерной интерпретации.

5. 2. Типы съёмочных систем: спутниковые, авиационные, БПЛА

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) — наиболее динамично
развивающийся сегмент. БПЛА обеспечивают получение данных
сверхвысокого разрешения, что особенно важно для мониторинга
динамичных экологических процессов и детального картографирования
почвенного покрова. В сочетании с ГИС-обработкой данные БПЛА
позволяют создавать детальные тематические карты, недоступные при
использовании только спутниковых снимков.
Все платформы несут либо пассивные сенсоры (мультиспектральные,
гиперспектральные, тепловые), регистрирующие отражённое солнечное
излучение, либо активные (LiDAR, радиолокационные), работающие с
собственным источником излучения.

6. 3. Дешифрирование снимков для экологических целей

Дешифрирование — ключевой этап превращения снимка в тематическую карту. Современные подходы
сочетают визуальное и автоматизированное дешифрирование.
Автоматизированное дешифрирование многозональных космических снимков позволяет выделять классы
землепользования и типы растительного покрова. Исследования 2024 г. на территории Республики
Мордовия с использованием нейросетевых алгоритмов в программном комплексе ScanEx Image Processor
показали точность классификации до 97 % для природных геосистем и до 94,8 % для интенсивно
используемых территорий.
Ландшафтный метод индикации предполагает дешифрирование растительного покрова на основе
классификационного структурирования и ранжирования растительности по космическим снимкам. Для
болотных комплексов применяется сочетание визуального дешифрирования с мультиспектральным
анализом и автоматизированной обработкой.
Геоинформационное картографирование на основе дешифрирования многозональных снимков (например,
Landsat) позволяет выполнять геоэкологическое зонирование культурных ландшафтов с выделением зон
экологического баланса и экономического каркаса территории.

7. 4. Использование данных ДЗЗ для картографирования растительности, водных объектов и антропогенных изменений

Картографирование растительности:
Регулярное картографирование наземных экосистем России выполняется на основе разносезонных
данных радиометров MODIS (спутники TERRA и AQUA) и VIIRS (Suomi NPP, NOAA-20). Спектральные
каналы этих приборов в красном и ближнем инфракрасном диапазонах позволяют рассчитывать
вегетационные индексы (NDVI, EVI) и классифицировать растительный покров. В ИКИ РАН созданы
временные ряды карт растительности с 2001 г. и методы их ежегодной актуализации.
Картографирование водных объектов:
Данные ДЗЗ позволяют оценивать состояние водных объектов через расчёт спектральных индексов, таких
как NDWI, а также отслеживать динамику береговой линии, зон затопления и состояния водоёмов.
Аэрокосмические снимки применяются для картографирования нефтяных загрязнений, а
картографическое моделирование — для минимизации экологического ущерба.

8. 4. Использование данных ДЗЗ для картографирования растительности, водных объектов и антропогенных изменений

Картографирование антропогенных изменений:
Спутниковые данные используются для отслеживания динамики антропогенных изменений:
деградации земель, вырубки лесов, изменения площадей сельскохозяйственных угодий,
урбанизации и добычи полезных ископаемых. Это позволяет оценивать степень воздействия на
окружающую среду и контролировать соблюдение природоохранного законодательства.
Картографирование почвенного покрова:
Использование БПЛА в сочетании с ГИС демонстрирует высокую эффективность при
картографировании почвенного покрова. Так, в исследованиях 2024 г. на основе
аэрофотосъёмки с БПЛА и данных SRTM в среде QGIS была создана цифровая
геоботаническая и почвенная карта с выделением 30 растительных ассоциаций и детальной
характеристикой почвенных свойств.

9. 5. Перспективы развития ДЗЗ в экологии

Современное развитие ДЗЗ в экологии движется по нескольким ключевым
направлениям.
Интеграция с искусственным интеллектом. Машинное обучение и
нейросетевые алгоритмы всё активнее применяются для автоматизированной
обработки спутниковых данных, повышая точность классификации и
прогнозирования экологических процессов. Отмечается переход от
статического картографирования к непрерывному мониторингу на основе
временных рядов.
Мультисенсорная интеграция. Объединение данных оптических,
радиолокационных, лидарных и тепловых сенсоров позволяет получать более
полную и устойчивую картину состояния экосистем. Комбинирование
спутниковых, авиационных и БПЛА-данных обеспечивает многоуровневый
мониторинг.

10. 5. Перспективы развития ДЗЗ в экологии

Развитие спутниковых группировок. Появление новых космических аппаратов,
включая российские «Ресурс-ПМ», расширяет возможности контроля
состояния природных объектов: картографирования, обнаружения очагов
лесных пожаров, выбросов загрязняющих веществ, мониторинга водных
ресурсов.
Облачные технологии и открытые данные. Развитие облачных вычислений и
открытых архивов данных (например, Copernicus, Landsat) делает
спутниковую информацию доступной для широкого круга исследователей и
обеспечивает возможность анализа временных рядов на региональном и
глобальном уровнях.
Основные вызовы. Сохраняются проблемы облачности, больших объёмов
данных, ограниченности наземной верификации, а также недостаточной
представленности данных для регионов с высоким биоразнообразием.
Преодоление этих ограничений требует развития методов автоматической
обработки и создания стандартизированных сетей наземных наблюдений.

11. Заключение

Дистанционное зондирование Земли является незаменимым инструментом
современного экологического картографирования. Физические принципы
регистрации электромагнитного излучения обеспечивают объективную основу для
идентификации природных и антропогенных объектов. Спутниковые, авиационные и
БПЛА-системы предоставляют данные разного пространственного и временного
разрешения, позволяя решать широкий спектр экологических задач — от
картографирования растительности и водных объектов до мониторинга
антропогенных изменений и оценки экологических рисков. Развитие методов
искусственного интеллекта, мультисенсорной интеграции и облачных технологий
открывает новые горизонты для повышения точности, оперативности и доступности
экологической картографической информации.