Аэрокосмическое картографирование

Из истории аэрокосмического картографирования [2]

Первые аэрофотоснимки появились  в середине XIX в., и этому способствовали два важных события — изобретение  в 1839 г. фотографии и создание летательных  аппаратов. В 1839 г. француз Г.Ф. Турнашон (известный под псевдонимом Надар) впервые взял в полет на воздушном шаре фотоаппарат, чтобы изготовить план окрестностей своего города. В 1886 г. А.М. Кованько и Л.Н. Зверинцев, выполнив съемку над Петербургом первым специальным аэрофотоаппаратом, писали: «Недалеко то время, когда будет казаться странным, как могли так долго обходиться без воздушных снимков». Уже в годы Первой мировой войны военные летчики выполняли разведывательную фотосъемку. В 30-х годах XX в. Аэрофотосъемка стала основным методом создания крупномасштабных карт — топографических, геологических, лесных, почвенных, сельскохозяйственных.

К середине 1950-х годов с помощью  аэрофотосъемки были составлены топографические карты всей территории нашей страны в масштабе 1:100 000, а через четверть века завершился огромный труд по созданию карты масштаба 1:25 000 из 300 тыс. листов. Аэротопографическое картографирование энергично вели США, Канада, страны Европы и Азии. Но к 1997 году картографическая изученность мира по данным ООН составляла для карт масштаба 1:25 000 и крупнее всего 42%, а для масштаба 1:100 000 — не более 65%.

После запуска в 1957 г. первого искусственного спутника Земли и пилотируемых космических  кораблей появился новый источник для  составления карт — космические  снимки, позволившие вести картографирование быстрей и экономичней. Однако в первом космическом полете Юрия Гагарина фотокамеры на борту корабля не было. Но уже второй космонавт Герман Титов работал с фотоаппаратом. Разные виды аппаратуры были опробованы на пилотируемых кораблях («Восток», «Восход», «Союз», Mercury, Geminy, Apollo) и орбитальных станциях («Салют», Skylab, Spacelab, Мир, МКС)

В первые годы космических исследований начали оборудовать специальные  спутники со съемочной аппаратурой  для съемки Земли, Луны, планет. С 1960 г. начались запуски метеорологических спутников (TIROS, Nimbus, ESSA, «Метеор», NOAA), выполнявших вначале телевизионную, а затем сканерную съемку (SMS, GOES,GMS, Meteosat, Электро, Indsat, Fy).

Сразу же после запуска первого  спутника стали разрабатывать аппаратуру для детальной съемки. Такие работы велись в США с 1958 г. в целях космической разведки. С 1960 г. осуществлялись запуски спутников с фотографической системой Key-Hole («замочная скважина»), а с 1976 г. — с оптико-электронной аппаратурой для передачи снимков по радиоканалам.

Параллельное развитие имели разведывательные съемочные системы в СССР. В 1962 г. запущен первый автоматический спутник  фоторазведки «Зенит». Он стал прообразом системы «Ресурс-Ф», с которых, начиная с середины 1970-х годов, регулярно велась фотосъемка для решения природно-ресурсных задач и тематического картографирования. На этой основе выполнялась программа ККИПР — комплексная картографическая инвентаризация природных ресурсов. Спутники обеспечивали всю страну фотоснимками высокого разрешения. В 1990-х годах накопление материалов продолжила система космической съемки двойного назначения «Комета». Ее снимки с разрешением до 2 м, предназначенные для топографического картографирования, стали затем достоянием гражданских организаций, и материалы фотографической съемки вышли на мировой рынок. Таким образом, до конца XX в. фотографическая съемка поставляла в нашей стране основную информацию высокого разрешения.

Другие страны интенсивно развивали  оперативную съемку с ресурсных спутников. Наиболее значимой в 1970—1980-е годы была программа США Landsat, по которой с 1972 г. работали шесть спутников, многократно покрывшие Землю съемками. В результате был создан используемый во всем мире и постоянно пополняемый фонд сканерных снимков с разрешением 80 и 30 м, достаточным для тематического картографирования. А с середины 1970-х годов и в нашей стране разрабатывалась система ресурсных спутников по программе «Метеор-Природа», ориентированная на получение сканерных снимков малого и среднего разрешения.

До середины 1980-х годов в мире было два основных источника космической  информации: советские фотографические  снимки высокого разрешения системы  «Ресурс- Ф» и американские сканерные снимки с ресурсных спутников Landsat. Они стали основными материалами космической съемки и для остальных стран мира. С 1975 г. к числу космических держав присоединился Китай, однако он запускал только спутники военной разведки и не участвовал в формировании мирового фонда космических снимков.

Положение изменилось в 1986 г. в связи с запуском французских спутников SPOT. Использование оптико-электронной съемочной системы с приемниками излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) повысило разрешение цифровых снимков, передаваемых по радиоканалам, до 10 м и сделало их пригодными для создания не только тематических, но и топографических карт. В течение десятилетия до середины 1990-х годов эти снимки оставались лучшими в мире материалами оперативной съемки. Что же касается сканерной съемки среднего и высокого разрешения для мониторинга природной среды и тематического картографирования, то с конца 1980-х годов эти задачи успешно решала российская система «Ресурс-О».

К концу XX в. начались активная разработка малых космических аппаратов, более  экономичных, быстро создаваемых и  легче запускаемых. Прогресс оптоэлектроники и миниатюризация съемочной аппаратуры, подключение коммерческих фирм привели к тому, что космическая деятельность перестала быть прерогативой двух-трех стран. Круг расширился в первую очередь за счет наиболее нуждающихся в съемках стран Юго-Восточной Азии.

Большого успеха в середине 1990-х  годов достигла Индия, получив в 1996 г. со спутника IRS лучшие в мире на то время оперативные цифровые снимки с разрешением 5,6 м.

К 2000 г. стало более 20 стран, ведущих  космическую съемку или создающих спутники. Главным образом, это запуски малых космических аппаратов для оперативной съемки высокого разрешения и стереосъемки для топографического картографирования. Этот период характеризуется также интенсивным развитием всепогодной радиолокационной съемки — ее выполняли спутники «Алмаз», ERS, JERS, Radarsat, Envisat.

Осознание к концу тысячелетия  серьезности глобальных экологических

проблем побудило начать долговременную программу EOS с запуском спутников Terra, Aqua и др. с комплексом новой аппаратуры, в частности для гиперспектральной съемки MODIS, ASTER, многоугловой съемки MISR и др. Инициированная и финансируемая НАСА, эта программа выходит за национальные рамки благодаря широкому информированию о поступлении материалов и свободному получению их по сети Интернет.

Ближайшие перспективы  развития космической съемки связаны  с освоением космической стереосъемки высокого разрешения, с гиперспектральной  съемкой, сочетанием съемок в разных диапазонах:

• разрабатывается аппаратура Ресурс-ДК для оперативной съемки высокого разрешения в России;
• создается усовершенствованная аппаратура (типа ЕТМ, но более легкая и экономичная) для съемки с ресурсных спутников США;
• выполняется съемка с французского спутника SPOT-5 c повышением разрешения до 5—2,5 м и применением системы для стереосъемки;
• разработаны специализированные картографические спутники — индийский (Cartosat), японский (Alos) и др., выполняющие стереосъемку и сочетающие съемки высокого разрешения в оптическом и радиодиапазоне;
• развиваются гиперспектральная съемка и методы обработки ее материалов.

Параллельно с прогрессом съемок Земли совершенствовалось дистанционное  зондирование планет, прошедшее этапы  фотографической (Зонд) и фототелевизионной съемки (Lunar Orbiter) Луны, телевизионной и сканерной съемки Марса, Меркурия (Mariner). Выполнены съемки дальних планет земной группы —Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и их спутников (Voyadger), радиолокационная съемка Венеры (Венера-16, Magellan), детальная ПЗС-съемка Марса (Mars Global Serveyer).

2. Создание карт с использованием аэрокосмических снимков

2.1 Дешифрирование аэроснимков и космических снимков

Дешифрирование снимков  — метод исследования по ним территорий, акваторий и атмосферных явлений  на основе зависимости между свойствами объектов и характером их воспроизведения на снимках.

Дешифрирование включает обнаружение, распознавание, интерпретацию, а также определение качественных и количественных характеристик  объектов и отображение результатов  в графической (картографической), цифровой или текстовой формах.

Различают дешифрирование снимков общегеографическое (топографическое), ландшафтное и тематическое (отраслевое) геологическое, почвенное, лесное, гляциологическое, сельскохозяйственное и др.

Дешифрирование делят  на визуальное и компьютерное, однако это деление условно, так как визуально дешифрируют и фотоотпечатки, и пиксельные снимки на экране компьютера. Визуальное распознавание объектов базируется на знании их дешифровочных признаков, а глубина интерпретации существенно зависит от географической подготовки дешифровщика. Компьютерное дешифрирование включает также методы автоматизированной классификации исследуемых объектов.

Дешифрирование выполняется  по принципу от общего к частному. Всякий снимок — прежде всего информационная модель местности, воспринимаемая исследователем как единое целое, а объекты анализируются в развитии и неразрывной связи с окружающей их средой.

Тематическое дешифрирование выполняют по двум логическим схемам. Первая предусматривает вначале  распознавание объектов, а затем их графическое выделение, вторая — вначале графическое выделение на снимке однотипных участков, а затем их распознавание. Обе схемы завершаются интерпретацией, научным толкованием результатов дешифрирования. При компьютерном дешифрировании эти схемы реализуются в технологиях кластеризации и классификации с обучением.

Объекты на снимках различают  по дешифровочным признакам, которые  делят на прямые и косвенные. К прямым относят форму, размер, цвет, тон и тень, а также сложный объединяющий признак — рисунок изображения. Косвенными признаками служат местоположение объекта, его географическое соседство, следы взаимодействия с окружением.

При косвенном дешифрировании, основанном на объективно существующих связях и взаимообусловленности  объектов и явлений, дешифровщик выявляет на снимке не сам объект, который может и не изобразиться, а его индикатор. Такое косвенное дешифрирование называют индикационным, географическую основу которого составляет индикационное ландшафтоведение. Его роль особенно велика, когда прямые признаки теряют значение из-за сильной генерализованности изображения. При этом составляют особые индикационные таблицы, где для каждого типа или состояния индикатора указан соответствующий ему вид индицируемого объекта.

Индикационное дешифрирование позволяет от пространственных характеристик переходить к временным. На основе пространственно-временных рядов можно установить относительную давность протекания процесса или стадию его развития. Например, по гигантским речным меандрам, оставленным в долинах многих сибирских рек, по их размерам и форме оценивают расходы воды в прошлом и происходившие изменения.

Индикаторами движения водных масс в океане часто служат битые льды, взвеси и др. Движение вод хорошо визуализируют и температурные  контрасты водной поверхности — именно по тепловым инфракрасным снимкам выявлена вихревая структура Мирового океана.

Дешифрирование многозональных снимков. Работа с серией из четырех-шести зональных снимков сложнее, чем с одиночным снимком, и их дешифрирование требует некоторых особых методических подходов. Различают сопоставительное и последовательное дешифрирование.

Сопоставительное дешифрирование состоит в определении по снимкам спектрального образа, сравнении его с известной спектральной отражательной способностью и опознавании объекта. Вначале на зональных снимках выявляют совокупности объектов, различные в разных зонах, а затем, сопоставляя их (вычитая зональные схемы дешифрирования), выделяют в этих совокупностях индивидуальные объекты. Наиболее эффективно такое дешифрирование для растительных объектов.

Последовательное дешифрирование основано на том, что зональные снимки оптимально отображают разные объекты. Например, на снимках мелководий благодаря неодинаковому проникновению лучей разных спектральных диапазонов в водную среду видны объекты, расположенные на разных глубинах, и серия снимков позволяет выполнить послойный анализ и затем поэтапно суммировать результаты.

Дешифрирование разновременных снимков обеспечивает изучение изменений объектов и их динамики, а также косвенное дешифрирование изменчивых объектов по их динамическим признакам. Например, сельскохозяйственные культуры опознают по смене изображения в течение вегетационного периода с учетом сельскохозяйственного календаря.

Различают полевое и камеральное дешифрирование. При полевом дешифрировании объекты опознают на местности, сличая их с натурой. Это наиболее достоверный вид дешифрирования, но и наиболее дорогой. Его разновидностью можно считать аэровизуальное дешифрирование.

При камеральном дешифрировании объект распознают по прямым и косвенным признакам без непосредственного выхода на местность. На практике обычно комбинируют оба вида дешифрирования, заранее подготавливают дешифровочные эталоны — снимки типичных объектов с нанесенными результатами дешифрирования. Их используют при камеральном дешифрировании, дополняя географической интерполяцией и экстраполяцией.

2.2 Создание фотокарт

картографирование аэрокосмический снимок

Наглядное, выразительное  отображение местности на снимках  вызывает естественное стремление использовать аэрокосмическое изображение в дополнение к карте, а иногда и вместо нее. Это привело к созданию нового вида картографической продукции —фотокарт.

Фотокарты начали создавать  в 1950-х годах, используя материалы  аэросъемки. Тогда их изготовляли только в сравнительно крупных масштабах, до 1: 50 000. Построить высококачественные фотокарты более мелких масштабов не удавалось, так как мозаичное фотоизображение, смонтированное из многих снимков, было неоднородным, пестрым. Появление космических снимков, с большим пространственным охватом и генерализованностью, получаемых в широком диапазоне масштабов и разрешения, вызвало к жизни быстрое развитие этого нового вида картографических произведений, весьма разнообразных по содержанию и форме. Высококачественные фотокарты начали составлять в масштабах 1:100 ООО и мельче. Но производственное изготовление фотокарт стало возможным лишь после накопления фондов снимков на обширные территории.