Использование данных лазерного дистанционного зондирования

Использование данных лазерного зондирования атмосферы позволяет определять в стратосфере содержание ряда компонентов (ОН, О3, Li, Na, К, NO2 и др.). Так, было показано, что флуоресценция ОН, создаваемая лазером, позволяет обнаруживать очень малые его концентрации. Использование метода дифференциального поглощения и рассеяния дает возможность изучать распределение озона в стратосфере [46].

В основе измерения содержания водяного пара в атмосфере лежит метод дифференциального поглощения и рассеяния, для чего используется тепературно-стабилизированный рубиновый лазер. Выявлено хорошее соответствие результатов лидарных и радиозондовых измерений вертикальных профилей содержания водяного пара в атмосфере.

Проводятся лидарные эксперименты и наблюдения за пылевыми и аэрозольными слоями в атмосфере, в ходе которых используется упругое рассеяние лазерного излучения в обратном направлении. Наибольший интерес представляют концентрация, состав, форма и распределение по размерам. Информацию о размерах частиц можно получить, исследуя рассеяние на них излучения, длина волны которого может изменяться в широких пределах.

Содержание NO2 в атмосфере может служить индикатором загрязнения воздуха, недостатка озона и даже изменения климата. Для решения этих проблем применяются различные методы контроля, в том числе и лазерная флуоресценция.

Изучена возможность применения газовых лазеров для обнаружения загрязнения атмосферы вдоль протяженной траектории луча. С помощью СО2- или 12-лазера и отражателя на трассе длиной около 1 км, применив метод дифференциального поглощения, можно обнаружить такие загрязняющие вещества как СО, NO, SO2, и О3. Данный метод позволяет проводить и более широкие исследования. В частности, лидар, работающий в инфракрасном спектральном диапазоне по методу дифференциального поглощения, применяется для картирования рассеяния молекул загрязняющих веществ в дневное и ночное время, а также для изучения проблемы кислотных дождей.

Одним из наиболее перспективных методов измерения концентрации различных компонентов атмосферы является индуцируемая лазерная флуоресценция. Но использование этого метода ограничивается эффектами ударного тушения и широкополосным характером флуоресценции в сочетании с большой концентрацией загрязняющих веществ вблизи источника.

В настоящее время создаются лазерные системы, позволяющие измерять толщину снежного покрова, определять баланс между накоплением льда и его таянием с высокой точностью.

Исследование растительности и почв направлены на раннее прогнозирование стрессовых состояний растительности, определение биомассы и фазы развития растений, идентификацию типов растительности [26, 32, 36].

Клетки растений обладают способностью люминес-цировать в ультрафиолетовой и видимой части спектра. При воздействии на клетки излучения с длиной волны 280 нм наблюдается люминесценция с максимумом в области 330 — 350 нм, которую обеспечивают белки.

Восстановленные пиридиннуклеотиды (НАДФ Н и НАД Н) и окисленные флавопротеины ответственны за флуоресценцию в сине-зеленой области, которая характеризуется наличием двух полос излучения: 440 — 480 нм и 510 — 540 нм соответственно. Соотношение окисленных и восстановленных форм позволяет охарактеризовать функциональное состояние растительной клетки. Изменение условий произрастания влияет на флуоресценцию в сине-зеленой области спектра.

Эффективность фотосинтеза возможно изучать по флуоресценции в красной области спектра (максимумы 670 — 690 нм и 720 — 740 нм), ответственным за которую является хлорофилл. Изменение параметров внешней среды может сказаться на эффективности миграции световой энергии между молекулами различных форм хлорофилла. Диссипация энергии в виде флуоресценции мала, если эффективность миграции световой энергии по цепям хлорофилла высока; при понижении эффективности фотосинтеза диссипация возрастает. Изменения флуоресценции могут наблюдаться при неизменной концентрации хлорофилла и других пигментов.

Дистанционные исследования на основе флуоресценции позволяют диагностировать недостаточное минеральное питание растений. Например, недостаток калия увеличивает более чем втрое интенсивность флуоресценции на длинах 690 и 740 нм по сравнению с небольшим ее ослаблением на 440 нм. Недостаток кальция, серы, магния не приводит к существенным изменениям в спектре флуоресценции. Дефицит азота и железа ведет к слабому уменьшению интенсивности флуоресценции на 440 нм и существенному ее ослаблению на длинах 690 и 740 нм. Недостаток фосфора ослабляет интенсивность флуоресценции на длинах 690 и 740 нм.

Лазерное дистанционное зондирование позволяет идентифицировать состояние почв и растительности [36, 46, 59, 40, 62].

Так, исследование почвенно-растительного покрова в центральной части вулканического нагорья Армении и в бассейне оз. Севан с помощью лазерного спек-трофлуориметра, установленного на борту вертолета позволило установить спектры флуоресценции S (X) для следующих объектов:

  • 1) открытые (вспаханные и невспаханные) почвы;
  • 2) почвы, занятые естественной (увядающей или вегетирующей) растительностью;
  • 3) почвы под сельскохозяйственными угодьями;
  • 4) лесные массивы [1].

Особенности спектров люминесценции для этих объектов заключаются, с одной стороны, в том, что в почвах с малым содержанием органического вещества основная роль принадлежит минералогическому составу. Но даже в этом случае незначительное наличие в почве гумуса обусловливает характер спектральной кривой. С другой стороны, для почв, покрытых зеленой вегетирующей растительностью, спектральные параметры определяются не только общим количеством зеленой биомассы, биохимическим и физиологическим состоянием растительности, степенью увядания и т. п., но и характером подстилающего почвенного покрова.

Одна из типичных серий полученных спектров флуоресценции приведена на рис. 5.5. Она представляет картину почвы под сельскохозяйственной растительностью: а — поле со всходами озимой пшеницы (покрытие 60 — 70%) на черноземных почвах; б: сплошная кривая — поле под капустой (покрытие 80%) также на черноземах, штриховая кривая — поле под люцерной на бурых староорошаемых почвах; в — поле с остатками стерни и слабыми всходами озимых (покрытие 30%) на каштановых почвах; г— виноградник на горных бурых полупустынных почвах.

Все типы спектров характеризуются наличием пиков (возбуждения) в голубой части, в области длины волны 450 нм. Эта специфическая полоса флуоресценции (440 — 480 нм) наблюдалась во многих ранних исследованиях. Основными веществами, приводящими к флуоресценции в этой области спектра, являются восстановленные пиридиннуклеотиды и окисленные флавопротеины (рис. 5.5).

Универсальной характеристикой для исследованных спектров является максимум в желтой области (552 нм). Анализ показывает, что этот максимум связан исключительно со свойствами почв и характеризует их миГЛАВА 5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО 30НДИР0ЕДНИЯ| нералогический состав. Действительно, эти спектры свойственны открытым почвам, бедным органическими веществами: горным бурым полупустынным, каштановым. Почвы же с повышенным содержанием органического вещества (например, черноземы) или под вегетирующей растительностью не имеют пиков флуоресценции на этой длине волны.

Спектр для почв под сельскохозяйственной растительностью

Рис. 5.5. Спектр для почв под сельскохозяйственной растительностью

Максимум в красной области спектра на 691 и 717 нм легко идентифицируется практически на всех спектральных кривых. Эти пики показывают на флуоресценцию хлорофилла в растительных клетках. Показано специфическое различие между пиками 691 и 717 нм. Практически одновременное их появление более характерно для зеленой вегетирующей растительности, чем для почв с незначительными травянистыми всходами, которые имеют только второй пик.

Конечно, детальная интерпретация спектров флуоресценции представляется весьма сложной проблемой, и пока можно говорить лишь о специфических тенденциях в довольно обобщенном виде, однако перспективность метода в экологических исследованиях не вызывает сомнения.

Вопросы к главе 5

  • 1. Какие дистанционные методы используются при изучении и картографировании почвенного покрова.
  • 2. Какие свойства почв можно изучать по космическим снимкам?
  • 3. Какие аэро- и космические снимки можно использовать для оценки состояния лесов.
  • 4. Охарактеризуйте спектральную отражательную способность различных природных и антропогенных объектов.
  • 5. Охарактеризуйте использование космических снимков при изучении землепользования и для разработки земельного кадастра.
  • 6. Как на космических снимках фиксируется загрязнение атмосферы и гидрологических объектов.
  • 7. Как используются данные дистанционного зондирования при чрезвычайных ситуациях?
  • 8. Какие методы лазерного дистанционного зондирования позволяют идентифицировать состояние почв и растительности.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >