Кронберг П.
Дистанційне вивчення Землі: Основи і методи дистанційних досліджень в геології

Введення в основи і методи дистанційних досліджень в геології

1. Вступ і загальний огляд

Дистанційне зондування – переклад американського терміну «remote sensing», який позначає загалом, у найбільш широкому його розумінні, вивчення об'єктів на відстані, тобто без безпосереднього контакту прийомних чутливих елементів апаратури (датчиків або сенсорів) з поверхнею досліджуваного об'єкту.

У звичайній повсякденній практиці «дистанційним зондуванням» називають фотографічні і нефотографічні методи зйомок поверхні Землі або інших планет і їх природних супутників, які проводяться з літаків, космічних апаратів або інших носіїв, для вивчення стану або тематичного картографування поверхні досліджуваного тіла.

Фотографічними методами дистанційного зондування називають як класичні традиційні види аерофотознімань, так і зйомки, здійснювані за допомогою нової багатозональної або мультиспектральної фото- і телеапаратури. До нефотографічних методів у першу чергу відносять зйомки, проведені за допомогою оптико-механічних сканерів або радарів бічного огляду.

Нові можливості дистанційного вивчення Землі з'явилися в кінці 1960-х років з впровадженням в практику цивільних досліджень радарних і сканерних методів, розроблених для військової розвідки, які дозволили проводити зйомки в діапазонах електромагнітних хвиль, що раніше не використовувалися, і отримувати якісно іншу інформацію, в тому числі зображення різних за площею ділянок поверхні Землі.

На противагу аерофотозйомки, яка обмежена хвилями видимого та ближнього інфрачервоного (ІЧ) діапазонів сонячного випромінювання, оптико-механічні сканери можуть реєструвати випромінювання об'єктів у більш широкому діапазоні довжин хвиль – від найкоротших, ультрафіолетових, до хвиль так званого теплового випромінювання. При цьому одні й ті ж об'єкти на поверхні Землі можуть бути зняті сканерами мультиспектральної модифікації відразу в декількох вузьких зонах, або каналах, спектру електромагнітного випромінювання. Інша перевага сканерних методів у порівнянні з аерофотозніманням полягає у тому, що дані зондування можуть бути отримані і тиражовані як в аналоговому вигляді, тобто як зображення, так і в числовому. Завдяки цій новій можливості знімальної апаратури і новим методам обробки і представлення даних досягається більш висока контрастність зображень і поліпшується можливість відокремлення об'єктів. Наприклад, можна досягти вищого ступеня дешифрування гірських порід, грунтів або рослинності, ніж на звичайних спектрозональних, вузькозональних чорно-білих, панхроматичних і кольорових знімках.

Принципово нові можливості дає застосування радарних систем, що працюють в мікрохвильовому діапазоні електромагнітного випромінювання. Система радара бокового огляду (РБО), встановлена ​​на борту літака, посилає сфокусованою антеною вузькоспрямований високочастотний імпульсний пучок електромагнітних хвиль до поверхні Землі. Відбившись від неї, він знову приймається тією ж або іншою, приймальною, антеною і реєструється на борту носія приймальною апаратурою у вигляді зображення, так званого радарного знімка, або магнітного запису. Радарні системи бічного огляду як би прожекторним променем висвітлюють смугу по одну або обидві сторони від лінії польоту літака. Такі зйомки можна проводити в будь-який час доби, за будь-яких погодних умов і хмарності, так як потік електромагнітного випромінювання визначеного діапазону довжин хвиль, що направляється антеною системи, безперешкодно проходить крізь хмари, дощ і туман. Цією методикою користуються, як правило, в тих районах, де хмарний покрив, постійний або тимчасовий, перешкоджає звичайній аерофотозйомці або сканерній зйомці. Отримувані таким способом радарні зображення місцевості мають дещо перебільшену контрастністність рельєфу ділянки, що в ряді випадків сприяє більш чіткому виокремленню шифрувальниками тектонічних структур, морфологічних і літологічних відмінностей геологічного субстрату та інших речових відмінностей у ландшафті, наприклад вологості або зневоднення грунтів.

Різнобічні можливості нових методів проведення зйомок, перш за все можливості багатозонального сканування, дуже скоро стали широко відомі геологам, географам, землевпорядникам, фахівцям лісового та сільського господарства, які на базі цих нових матеріалів внесли істотний внесок у свої області досліджень. Крім того, були досягнуті значні успіхи в океанографії та охороні навколишнього середовища. Всі разом це призвело до формування у кінці 1960-х років нового міжгалузевого напрямку досліджень – «дистанційного зондування». У той час воно стало актуальним ще й тому, що його становлення збіглося з польотами перших пілотованих космічних кораблів навколо Землі, висадкою астронавтів на Місяць і необхідністю в подальшому планувати космічні польоти для вирішення наукових завдань.

Перші фотографії Землі, зроблені для синоптиків із супутників типу «Меркурій», «Джеміні» і «Аполлон», показали можливість їх використання в різних галузях і космічного землезнавства, та довели корисність супутників в якості носіїв для установки на них знімальної апаратури. Але для безпілотних космічних апаратів проблема полягала не стільки в проведенні фотографічних зйомок в автоматичному режимі, скільки у доставці цієї інформації на Землю. Інакше кажучи, були потрібні такі пристрої, які дозволяли б наземним станціям прийому отримувати інформацію у вигляді електричних імпульсів або радіосигналів. Перший багатозональний сканер відповідав цим вимогам. Його установка на американському дослідному ресурсному супутнику «Landsat» дала початок новій галузі тематичного картографування поверхні Землі. Періодично повторювані зйомки одних і тих же ділянок зробили можливим не тільки постійну зйомку поверхні Землі, але і стеження (моніторинг) за що відбуваються на ній процесами.

З деяких пір мультиспектральні сканери і радари бокового огляду перейшли у комерційне володіння. Отримані цією апаратурою зображення Землі дозволяють дослідникам різних напрямків землезнавства використовувати їх, з одного боку, в якості робочої основи для рутинних досліджень в традиційних напрямах, а з іншого – проводити багатоцільове тематичне картування і повторні зйомки для аналізу станів навколишнього середовища на ділянках різної площі, тобто здійснювати моніторинг поверхні Землі. У цьому сенсі нові методи дистанційних зйомок представляють прогрес у порівнянні з аерофотозніманням. Однак космічними знімками неможливо повністю замінити існуючі види аерофотознімків, які були і залишаються стандартними матеріалами для виготовлення топографічних карт різних масштабів. Тому в найближчому майбутньому їх варто зберегти для складання основ топо- і фотокарт великого і середнього масштабів. Підставою для цього служать низька ціна чорно-білих панхроматичних знімків і простота технології виготовлення. З іншого боку, аерофотознімки можна використовувати для побудови стереомоделей місцевості і відповідно вести їх фотограмметричну обробку, що не завжди і не для будь-якої місцевості можна зробити зі знімків з космосу. Аерофотознімки, основна властивість яких висока просторова роздільна здатність, і побудовані за ними стереомоделі місцевості дають невичерпний матеріал як для випуску топографічних карт, так і для підготовки фотогеологічної основи для картування літофаціального складу і структури гірських порід. Зображення, отримані за допомогою встановлених на супутниках сканерів, не завжди дозволяють побудувати такі стереомоделі, в той час як по радарних зображень вже зараз можлива побудова стереомодель досліджуваного регіону.

Можливості застосування нових методів у геології в даний час лише випробовуються і вивчаються, і в найближчому майбутньому ці методи перейдуть з експериментальної стадії до практичного застосування. Сучасне ж становище дистанційних методів визначається рядом моментів. В першу чергу, технічною досконалістю знімальної та приймальної апаратури, особливо тієї, яка встановлюється на борту супутника або літака. Тому постійно удосконалюються і випробовуються нові типи сенсорів (датчиків) знімальної та приймальної апаратури. Наступне місце займають проблеми власних спектральних характеристик досліджуваних об'єктів, а з них перш за все – відображення, поглинання і вторинне теплове випромінювання потоку енергії поверхнями об'єктів. Крім того, слабо вивчено вплив змінних зовнішніх факторів на спектральні сигнали об'єктів і на прийом самого сигналу. Кількісних даних отримано поки недостатньо. Системи дистанційного зондування тільки тоді будуть результативні при проведенні спеціальних досліджень, коли будуть накопичені такі дані: специфіка спектральних характеристик природних і штучних об'єктів на поверхні Землі, кількісні відмінності спектральних яскравостей різних об'єктів і їх класифікація, на основі якої можливо тестування одержуваних матеріалів космічних зйомок. З технічного боку повинні бути виготовлені такі приймачі, робочі характеристики яких були б задовільними як за величиною спектральної яскравості, так і за просторовим розширенням. Інакше кажучи, щоб отримати точну прив'язку об'єкту в просторі за його імпульсом, технічні можливості апаратури повинні дозволяти реєструвати малі значення спектральної яскравості об'єктів та їх невеликі розміри. Якщо чутливість апаратури достатня, то відповідно при зйомці в різних спектральних діапазонах виходять зображення з високою роздільною здатністю, які можна розмножувати для картографічних робіт в оптимальному за ступенем детальності вигляді. Покращене, більш контрастне зображення ландшафту досліджуваного району можна отримати в багатьох випадках спеціально розробленими методами обробки даних, аналоговими або цифровими. Цифрова обробка можлива або при первинній реєстрації (запису даних на магнітну стрічку), або після переведення зображення (аналогового запису) спеціальними пристроями в цифровий, кодований, запис. Впровадження числових методів найбільш успішно здійснюється після установки на борту супутників «Landsat» багатозональної скануючої системи (МСС або MSS), яка передає цифровий запис зображення ландшафту на Землю. Уже зараз є значний досвід автоматизованої класифікації і розпізнавання гірських порід, грунтів і рослинності, накопичений при складанні тематичних карт. Цифрові методи отримання і обробки даних і розробка для них систем і комплексів стали найважливішою областю перспективних досліджень в дистанційному зондуванні поряд із розробкою техніки ведення зйомок, із отриманням спектральних характеристик природних і штучних середовищ на поверхні Землі, а також впровадженням окремих методів в практику спеціальних, тематичних робіт у землезнавство.

Фахівцю, що обробляє і використовує дані дистанційного зондування, необхідне серйозне знання як фізичних основ всього комплексу методів, так і фізичних і технічних особливостей кожного з них окремо. Крім того, він повинен мати уявлення про обмеження застосування того чи іншого методу дистанційного зондування. Наступні розділи книги повинні сприяти отриманню такої інформації і показують, як можна використовувати різні методи дистанційного зондування на сьогоднішньому рівні їх можливостей.

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом