Кронберг П.
Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии

Введение и обзор

1. Введение и обзор

Дистанционное зондирование - перевод американского термина «remote sensing», который обозначает в общем, наиболее широком его смысле, изучение объектов на расстоянии, т. е. без непосредственного контакта приемных чувствительных элементов аппаратуры (датчиков или сенсоров) с поверхностью исследуемого объекта.
В обычной повседневной практике «дистанционным зондированием» называют фотографические и нефотографические методы съемок поверхности Земли или других планет и их естественных спутников, которые проводятся с самолетов, космических аппаратов или других носителей, для изучения состояния или тематического картографирования поверхности исследуемого тела.
Фотографическими методами дистанционного зондирования называют как классические традиционные виды аэрофотосъемок, так и съемки, осуществляемые с помощью новой многозональной или мультиспектральной фото- и телеаппаратуры. К нефотографическим методам в первую очередь относят съемки, проводимые с помощью оптико-механических сканеров или радаров бокового обзора.
Новые возможности дистанционного изучения Земли появились в конце 1960-х годов с внедрением в практику гражданских исследований радарных и сканерных методов, разработанных для военной разведки, которые позволили проводить съемки в ранее не использовавшихся диапазонах электромагнитных волн и получать качественно иную информацию, в том числе изображения разных по площади участков поверхности Земли.
В противоположность аэрофотосъемке, которая ограничена волнами видимого и ближнего инфракрасного (ИК) диапазонов солнечного излучения, оптико-механические сканеры могут регистрировать идущее от объектов излучение в более широком диапазоне длин волн – от самых коротких, ультрафиолетовых, до волн так называемого теплового излучения. При этом одни и те же объекты на поверхности Земли могут быть сняты сканерами мультиспектральной (многозональной) модификации сразу в нескольких узких зонах, или каналах, спектра электромагнитного излучения. Другое преимущество сканерных методов по сравнению с аэрофотосъемкой заключается в том, что данные зондирования могут быть получены и тиражированы как в аналоговом, т.е. в виде изображения, так и в числовом виде. Благодаря этой новой возможности съемочной аппаратуры и новым методам обработки и представления данных достигается более высокая контрастность изображений и улучшается возможность обособления объектов. Например, можно добиться более высокой степени дешифрируемость горных пород, почв или растительности, чем на обычных спектрозональных, узкозональных черно-белых, панхроматических и цветных снимках.
Принципиально новые возможности дает применение радарных систем, работающих в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения. Система радара бокового обзора (РБО), установленная на борту самолета, посылает сфокусированной антенной узконаправленный высокочастотный импульсный пучок электромагнитных волн к поверхности Земли. Отразившись от нее, он вновь принимается той же или другой, приемной, антенной и регистрируется на борту носителя приемной аппаратурой в виде изображения, так называемого радарного снимка, или магнитной записи. Радарные системы бокового обзора как бы прожекторным лучом освещают полосу по одну или обе стороны от линии полета самолета. Такие съемки можно проводить в любое время суток, при любых погодных условиях и облачности, так как поток электромагнитного излучения в определенном диапазоне длин волн, направляемый антенной системы, беспрепятственно проходит сквозь облака, дождь и туман. Этой методикой пользуются, как правило, в тех районах, где облачный покров, постоянный или временный, препятствует обычным аэрофотосъемкам или сканерным съемкам. Получаемые таким способом радарные изображения местности создают несколько преувеличенное представление о контрастности рельефа снимаемого участка, что в ряде случаев способствует более четкому восприятию дешифровщиком тектонических структур, морфологических и литологических различий геологического субстрата и других вещественных различий в ландшафте, например влажности или обезвоженности почв.
Разносторонние возможности новых методов проведения съемок, прежде всего возможности многозонального сканирования, очень скоро стали широко известны геологам, географам, землеустроителям, специалистам лесного и сельского хозяйства, которые на базе этих новых материалов внесли существенный вклад в свои области исследований. Кроме того, были достигнуты значительные успехи в океанографии и охране окружающей среды. Все вместе это привело к становлению в конце 1960-х годов нового многодисциплинного направления исследований – «дистанционного зондирования». В то время оно стало актуальным еще и потому, что его становление совпало с полетами первых пилотируемых космических кораблей вокруг Земли, высадкой астронавтов на Луну и необходимостью в дальнейшем планировать космические полеты для решения научных задач.
Первые фотографии Земли, сделанные для синоптиков со спутников типа «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон», показали возможность их использования в разных областях и космического землеведения и доказали полезность спутников в качестве носителей для установки на них съемочной аппаратуры. Но для беспилотных космических аппаратов проблема заключалась не столько в проведении фотографических съемок в автоматическом режиме, сколько в доставке этой информации на Землю. Иначе говоря, требовались такие устройства, которые позволяли бы наземным станциям приема получать информацию в виде электрических импульсов или радиосигналов. Первый многозональный сканер соответствовал этим требованиям. Его установка на американском исследовательском ресурсном спутнике «Лэндсат» дала начало новой отрасли тематического картографирования поверхности Земли. Периодически повторяющиеся съемки одних и тех же участков сделали возможным не только постоянную съемку поверхности Земли, но и слежение (мониторинг) за происходящими на ней процессами.
С некоторых пор мультиспектральные сканеры и радары бокового обзора перешли в коммерческое владение. Полученные этой аппаратурой изображения Земли позволяют исследователям различных направлений землеведения использовать их, с одной стороны, в качестве рабочей основы для рутинных исследований в традиционных направлениях, а с другой – проводить многоцелевое тематическое картирование и повторные съемки для анализа состояний окружающей среды на участках разной площади, т. е. осуществлять мониторинг поверхности Земли. В этом смысле новые методы дистанционных съемок представляют прогресс в сравнении с аэрофотосъемкой. Однако космическими снимками невозможно полностью заменить существующие виды аэрофотоснимков, которые были и остаются стандартными материалами для изготовления топографических карт разных масштабов. В этом качестве желательно сохранить их и в обозримом будущем для составления основ топо- и фотокарт крупного и среднего масштабов. Основанием для этого служат малая стоимость черно-белых панхроматических снимков и простота технологии изготовления. С другой стороны, аэрофотоснимки можно использовать для построения стереомоделей местности и соответственно вести их фотограмметрическую обработку, что не всегда и не для всякой местности можно сделать по снимкам из космоса. Аэрофотоснимки, основное свойство которых высокое пространственное разрешение, и построенные по ним стереомодели местности дают неисчерпаемый материал как для выпуска топографических карт, так и для подготовки фотогеологической основы для картирования литофациального состава и структуры горных пород. Изображения, полученные с помощью установленных на спутниках сканеров, не всегда позволяют построить такие стереомодели, но это в принципе технически реализуемая проблема, в то время как по радарным изображениям уже сейчас возможно построение стереомоделей исследуемого региона.
Возможности применения новых методов в геологии в настоящее время лишь испытываются и изучаются, и в ближайшем будущем эти методы перейдут из экспериментальной стадии к практическому применению. Современное же положение дистанционных методов определяется рядом моментов. В первую очередь, техническим совершенством съемочной и приемной аппаратуры, особенно той, которая устанавливается на борту спутника или самолета. Поэтому постоянно совершенствуются и испытываются новые типы сенсоров (датчиков) съемочной и приемной аппаратуры. Следующее место занимают проблемы собственных спектральных характеристик исследуемых объектов, а из них прежде всего – отражение, поглощение и вторичное тепловое излучение потока энергии поверхностями объектов. Кроме того, слабо изучено влияние переменных внешних факторов на спектральные сигналы объектов и на прием самого сигнала. Количественных данных получено пока недостаточно. Системы дистанционного зондирования только тогда будут результативны при проведении специальных исследовательских работ, когда будут накоплены следующие данные: специфика спектральных характеристик естественных и искусственных объектов на поверхности Земли, количественные различия спектральных яркостей разных объектов и их классификация, на основе которой возможно тестирование получаемых материалов космических съемок. С технической стороны должны быть изготовлены такие приемники, рабочие характеристики которых были бы удовлетворительными как по величине спектральной яркости, так и по пространственному разрешению. Иначе говоря, чтобы получить точную привязку объекта в пространстве по его импульсу, технические возможности аппаратуры должны позволять регистрировать малые значения спектральной яркости объектов и их небольшие размеры. Если чувствительность аппаратуры достаточна, то соответственно при съемке в разных спектральных диапазонах получаются изображения высокого разрешения, которые можно размножать для картографических работ в оптимальном по степени детальности виде. Улучшенное, более контрастное изображение ландшафта исследуемого района можно получить во многих случаях специально разработанными методами обработки данных, аналоговыми или числовыми. Числовая обработка возможна или при числовой первичной регистрации (записи данных на магнитную ленту), или после перевода изображения (аналоговой записи) специальными устройствами в числовую, кодированную запись. Внедрение числовых методов наиболее успешно осуществляется после установки на борту спутников «Лэндсат» многозональной сканирующей системы (МСС или MSS), которая передает числовую
запись изображения ландшафта на Землю. Уже сейчас имеется значительный опыт автоматизированной классификации и распознавания горных пород, почв и растительности, накопленный при составлении тематических карт. Числовые методы получения и обработки данных и разработка для них систем и комплексов стали важнейшей областью перспективных исследований в дистанционном зондировании наряду с разработкой техники ведения съемок, с получением спектральных характеристик природных и искусственных сред на поверхности Земли, а также внедрением отдельных методов в практику специальных, тематических работ в землеведении.
Специалисту, обрабатывающему и использующему данные дистанционного зондирования, необходимо серьезное знание как физических основ всего комплекса методов, так и физических и технических особенностей каждого из них в отдельности. Кроме того, он должен иметь представление об ограничениях применения того или иного метода дистанционного зондирования. Последующие разделы книги должны способствовать получению такой информации и показывают, как можно использовать различные методы дистанционного зондирования на сегодняшнем уровне их возможностей.

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