Использование аэрокосмических методов в геологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОБЪЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ, ЦЕЛИ  И ЗАДАЧИ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Объект исследований с точки зрения аэрокосмических методов рассматривается как пространственно-временная категория иерархического строения – мелкие объекты включены в более крупные, кратковременные процессы – в долговременные. Важнейшая характеристика объектов съёмки – их отражательно-излучательная способность. То есть объектами изучения является Земля, земная поверхность, ландшафты, горы, реки и другое множество составляющих нашей планеты. Физическое поле Земли является главным предметом исследования.

Цели, которые ставят учёные: достижение новых технологий, усовершенствование уже имеющихся и разработка способов получения подробной информации о местности по снимку.

При дешифровании геологических  объектов на аэрокосмических снимках задачами являются изучение ландшафтной оболочки земной поверхности, геоморфологических особенностей территории и их анализ. Также изучение характера тектоники, морфологии структурных форм. Уточнение, детализация или создание новых карт (геологических, тектонических, геоморфологических, сейсмического районирования, инженерно-геологических, прогнозных и других) и изучение современных геологических процессов составляют основные задачи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  ДИСТАНЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Под аэрокосмическими методами принято понимать совокупность методов  исследований атмосферы, земной поверхности, океанов, верхнего слоя земной коры с воздушных и космических носителей путём дистанционной регистрации и последующего анализа идущего от Земли излучения. Аэрокосмические методы обеспечивают определение точного географического положения изучаемых объектов или явлений и получение их качественных или количественных характеристик. Они не только упрощают изучение труднодоступных территорий, но и обеспечивают географа такой геопространственной информацией, которую другими способами получить не удаётся.

В зависимости от характера  регистрируемого физического поля и типа используемого приёмника  аэрокосмические методы принято  подразделять на четыре группы: аэрофотографические, аэрофотоэлектронные, аэровизуальные и аэрогеофизические. Аэрофотографические методы используют для регистрации электромагнитных колебаний.

С помощью дистанционных  исследований изучают физическое поле Земли на расстоянии с целью получения информации о строении земной коры. Физической основой дистанционных методов исследования является излучение или отражение электромагнитных волн природными объектами. При геологических изысканиях, которые проводятся с самолётов, космических кораблей и спутников, применяются методы дистанционного исследования, использующие видимый и ближний инфракрасный диапазоны электромагнитного спектра и специальные виды съёмок. Последние включают в себя методы, использующие область электромагнитного спектра, невидимую человеческим глазом, и методы, основанные на изучении геофизических параметров Земли. К дистанционным методам исследования относятся:

1. Методы дистанционного  излучения земной поверхности  в видимой и ближней инфракрасной  области электромагнитного спектра:  а) визуальные наблюдения; б) фотосъёмка; в) телевизионная съёмка.

2. Методы дистанционного излучения земной поверхности, регистрирующие невидимую часть электромагнитного спектра излучения Земли: а) инфракрасная съёмка; б) радиолокационная съёмка; в) спектрометрическая съёмка; г) ряд специальных съёмок (лазерная, ультрафиолетовая, магнитная, радиационная),  не нашедших пока сколько-нибудь широкого применения в геологии.

В настоящее время  современная аппаратура, применяемая  при фотографировании телевизионной  съёмке, позволяет проводить исследования в более широком диапазоне  спектра, включая ультрафиолетовый и инфракрасный.

 

 

 

 

Таблица 1. Диапазоны длин волн спектральных цветов (Бузинов  Б.И. и др., 1997)

Длина волны, нм	Спектральный цвет
380-450  450-480  480-510  510-560  560-585  585-620  620-780	фиолетовый  синий  голубой  зелёный  жёлтый  оранжевый  красный

 

 

Таблица 2. Диапазоны спектра, важные для данных дистанционного зондирования (Бузинов Б.И. и др., 1997; Китов А.Д., 2000)

 

Диапазон спектра	Длина волны
дальний ультрафиолетовый  средний ультрафиолетовый  ближний ультрафиолетовый  видимый  ближний инфракрасный (фотографический)  средний инфракрасный  средний инфракрасный (тепловой)  дальний инфракрасный  микроволновой  радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ)	менее 200 нм  200-300 нм  300-380 нм  380-780 нм  780-1100 нм  1500-2500 нм  3500-5000 нм  8000-14000 нм  0,3-10 см  более 10 см

 

Особое значение при  работе с данными дистанционного зондирования Земли имеет пространственное разрешение съёмки. Дело в том, что  космические снимки, полученные с  помощью сканерных систем некоторых  спутников (например, Ресурс-О, Метеор, Landsat, SPOT, IRS, Ikonos, QuickBird и др.), передаются на Землю уже в цифровом виде. Такие снимки представляют собой сложные, зачастую многослойные, растровые изображения. Каждой ячейке (пикселю) таких растров соответствует определенный квадрат земной поверхности. Поэтому, как правило, пространственное (геометрическое) разрешение ДДЗ измеряется в метрах на пиксель или просто в метрах. Например, когда говорят о цифровом космическом снимке 10-метрового разрешения - это значит, что каждый пиксель этого снимка отображает квадрат земной поверхности размером 10х10 м. Считается, что чем меньше размер пикселя (в метрах) на снимке, тем крупнее масштаб изображения и выше разрешение снимка. Чем выше разрешение снимка, тем более мелкие объекты можно дешифрировать. Самое высокое разрешение имеют цифровые космические снимки с размером пикселя 1 м и даже менее. На снимках с таким разрешением можно различить объекты размером в один метр (автомобили, отдельно стоящие деревья, группы людей и т.п.). Примеры космических снимков с различным разрешением приведены на рисунках 1 и 2.

Спектральное разрешение съёмки - характерные интервалы длин волн электромагнитного спектра, к  которым чувствителен датчик съёмочной  платформы.

Радиометрическое (яркостное) разрешение съёмки - число возможных кодированных значений (уровней квантования) спектральной яркости в файле данных дистанционного зондирования для каждой зоны спектра, указываемое числом бит.

Временное разрешение съёмки - частота получения снимков конкретной области

Помимо пространственного разрешения для данных дистанционного зондирования важны ещё три типа разрешения съёмки (Лурье И.К., Косиков А.Г., 2003): спектральное, радиометрическое (яркостное) и временное.

 

Рис. 1. Лугинецкое нефтегазовое месторождение в Томской обл. (фрагмент космического снимка Ресурс-О1 с пространственным разрешением 40 м) (www.spaceimaging.com)

Рис. 2. Центральная часть  г. Вашингтон (фрагмент космического снимка Ikonos с пространственным разрешением  около 1 м) (www.spaceimaging.com)

 

Виды данных дистанционного зондирования

Данные дистанционного зондирования Земли являются очень  важным источником пространственных данных в ГИС.

Все ДДЗ делятся на три категории:

1. наземная съёмка
2. аэрофотосъёмка
3. космическая съёмка

Съёмки могут быть пассивными, когда фиксируется собственное или отраженное солнечное излучение, и активными, когда снимаемые объекты облучаются, например, радиоволнами. В зависимости от фиксируемого диапазона электромагнитного излучения различают следующие виды дистанционного зондирования:

1. ультрафиолетовая съёмка
2. съёмка в видимом диапазоне
3. съёмка в ближнем диапазоне
4. съёмка в среднем диапазоне
5. съёмка в дальнем (тепловом) инфракрасном
6. съёмка в микроволновом радиодиапазоне

При одновременном использовании  нескольких диапазонов говорят о  многозональной съёмке, а при большом числе используемых диапазонов (20 и более) - о гиперспектральной.

По виду применяемой  съёмочной аппаратуры различают  следующие виды съёмок:

1. фотографические
2. телевизионные
3. фототелевизионные
4. сканерные
5. радиолокационные
6. гидролокационные
7. лазерные
8. лидарные

Отдельно выделяют аэроспектрометрирование, представляющее собой регистрацию  с помощью спектрографов спектральной яркости какой-либо поверхности вдоль направления движения летательного аппарата.

     Исторически сложилось так, что первым видом дистанционных съёмок явилась наземная стереофотограмметрическая съёмка, которая начала применяться для составления крупномасштабных карт (топографических, геологических, ландшафтных и др.) высокогорных сильно расчленённых территорий. Повторные съёмки с определённых заранее закреплённых мест, называемых базисом фотографирования, проводятся через определённые промежутки времени и используются как метод изучения динамики природных явлений и процессов, в том числе и связанных с рельефообразованием. Съёмка выполняется фототеодолитом (наибольшее распространение в нашей стране получил прибор немецкой фирмы «Carl Zeiss»).

Самолётные съёмки ведутся  на разные виды плёнки, чувствительные к разным участкам спектра: в видимой  области спектра - это аэрофотография; в более длинных волнах - это  инфракрасная и тепловая, а также  активная радиолокационная. Наиболее важной из них является аэрофотосъёмка, которая в зависимости от направления оптической оси съёмочной камеры разделяется на плановую и перспективную. В зависимости от характера покрытия местности снимками, аэросъёмку подразделяют на выборочную, маршрутную и многомаршрутную.

На практике наибольшее распространение получила плановая площадная многомаршрутная аэрофотосъёмка. При этом прокладывается ряд параллельных маршрутов, расположенных с таким  расчётом, чтобы аэрофотосъёмки, получаемые по смежным маршрутам, перекрывали друг друга. Такое перекрытие является поперечным и составляет, как правило, 20-30 % площади снимка. Продольное перекрытие, т.е. перекрытие снимков вдоль маршрута - много больше и составляет обычно 60-80 %. Как правило, для составления карт территорий с сильно расчленённым рельефом требуется большее перекрытие.

4.СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА  ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Российская космическая  система ДЗЗ    

Быстрое развитие технических средств  ДЗЗ с авиа-, а затем и с  космических носителей в конце  ХХ в. – с вовлечением в сферу  практического использования всё  новых участков спектра электромагнитного излучения, повышением разрешающей способности аппаратуры и материалов, переходом на цифровые системы приёма и передачи информации приводят к коренному обновлению технологий космоаэрогеологических исследований.

Эксперт CNews, анализировавший подготовленную Роскосмосом Концепцию развития российской космической системы ДЗЗ на период до 2025 года, остался не вполне удовлетворен увиденным. Вопросы фундаментальной для отрасли и страны значимости остались в стороне. Авторы концепции, текст которой был обнародован ГИС-Ассоциацией, резонно отмечают, что на сегодняшний день орбитальная группировка спутников ДЗЗ России практически разрушена: правда, на орбите находятся спутники "Монитор-Э" и "Ресурс-ДК", однако их полноценная эксплуатация еще не началась, а реальные характеристики и возможности по-разному оцениваются специалистами.    

Недостаточно проработанным  видится состав будущей системы  ДЗЗ. Предусматривается, что при  полном развертывании в 2020-2025 гг. российская орбитальная группировка должна будет включать не менее 9 космических систем и комплексов ДЗЗ. Такого обилия систем и комплексов сегодня нет ни у кого в мире - это слишком дорого и никому не нужно. Вопросы вызывает и идея совместного размещения оптической аппаратуры сверхвысокого разрешения (0,5-1 м) и среднего разрешения на спутниках оперативного наблюдения. Дело в том, что принцип работы спутников сверхвысокого разрешения требует наведения телескопа на цель и быстрого перенацеливания аппарата, что практически исключает возможность одновременной работы других датчиков среднего разрешения. По крайней мере, на всех спутниках с разрешением 1 м и менее (Ikonos, QuickBird, OrbView-3, Ресурс-ДК) дополнительные системы среднего разрешения отсутствуют.

В то же время Россия остро  нуждается в спутниках оперативной съемки с набором датчиков среднего и низкого разрешения одновременно - типа IRS-P6, SPOT-5. Комбинация таких датчиков позволяет оперативно обнаруживать изменения сканерами низкого и среднего разрешения (10-250 м), а затем детализировать их с помощью систем разрешением 2-6 м. Кроме того, России крайне нужна система класса Landsat с многоспектральным широкозахватным сканером, который бы позволял ежегодно покрывать съемками всю территорию России с разрешением 15-30 м с 7-8 спектральными каналами для контроля природопользования, геологической разведки и экологического мониторинга. Россия уже много лет нуждается в космических радарах для съемки полярных областей и ледовой разведки из-за малого числа ясных дней, благоприятных для оптических наблюдений. Канада, создавшая успешную коммерческую программу RADARSAT-1, планирует создать систему из 4 малых радарных спутников для оперативного мониторинга Арктики, где сегодня многие страны активизировали хозяйственную деятельность (это предмет особого беспокойства Канады). Но в России, которая имеет обширные территории в Арктике, Роскосмос не планирует создание многоспутниковой системы космических радаров.