Лекция 4. Дистанционные методы исследования

Считается, что дистанционные методы применялись в географии еще в дофотографический период. Это связывалось, например, с изучением местности по рисованным перспективным изо­бражениям, издавна известным в картографии. Еще Леонардо да Винчи (1500 г.) поставил вопрос о возможностях определения размеров и положения предметов по их двум рисован­ным изображениям. Позднее ряд ученых, и в их числе М. В. Ломоносов (1764 г.) и Ботан-Бопре (1791 г.), занимались практической реализацией этой идеи. Однако только появле­ние фотографии открыло ранее невиданные перспективы в дистанционном зондировании Земли и ее изучении на основе фотографических изображений.

Со времени изобретения фотографии французами Л. Ж. М. Дагером и Ж. Н. Ньепсом (1839 г.) и англичанином У. Г. Ф. Толботом (1840—1841 гг.), а чуть позднее методики получения цветных изображений французом Л. Дюко дю Ороном (1868—1869 гг.) фотография почти сразу же стала использоваться для получения наземных фотографических снимков мест­ности с целью ее изучения. Методами наземной фототеодолитной съемки созданы карты Альп и Скалистых гор (Р. Гюбль, В. Девиль и др.). В то же время ставились опыты по фотографиро­ванию земной поверхности с воздушных шаров — «с высоты птичьего полета» (Ф. Надар — 1856 г., А. М. Кованько и В. Н. Срезневский — 1886 г.), а также с воздушных змеев и привязанных аэростатов (Р. Ю. Тиле — 1898 г., С. А. Ульянин – 1905 г.).

Опыты использования снимков, полученных с воздушных шаров, дали небольшие резуль­таты, но уже первые самолетные съемки совершили революцию. Регулярно аэросъемки в нашей стране выполняются с 30-х гг., и к настоящему времени накоплен полувековой фонд снимков, полностью покрывающих страну, для многих районов с многократным перекрытием, что особенно важно для изучения динамики географических объектов. Основной заказчик и по­требитель этой информации – Главное управление геодезии и картографии, его аэрогеодези­ческие предприятия, использующие аэрофотосъемку для топографического картографиро­вания страны. Кроме него, следует назвать ведомства, ответственные за исследования ре­сурсов страны, в системе которых созданы специальные подразделения «Аэрогеология», «Леспроект», «Сельхозаэросъемка». Через эти подразделения аэросъемочная информация становится доступной географу-исследователю.

При использовании аэроснимков довольно быстро возникла необходимость в получе­нии все более мелкомасштабных изображений, что, естественно, ограничивалось техниче­скими возможностями. Попытки в конце 50-х — начале 60-х гг. монтировать крупномас­штабные снимки и генерализовать их до мелкомасштабных не принесли желаемых резуль­татов. Поэтому для получения соответствующих снимков было важно увеличение потолка подъема самолетов, и уже к концу 50-х гг. американские самолеты «U-2» стали получать снимки с высоты до 20 км. Это тот же порядок высот, что и при использовании воздушных шаров. А вот появление баллистических ракет и их использование для фотографирования Земли сразу на порядок подняло этот потолок.

Уже в 1945 г. баллистическая ракета «V-2», запущенная с полигона Уайт-Сэндс в штате Нью-Мексико, позволила получить фотографии из космоса с высоты в 120 км. Последовавшая за этим серия запусков ракет типа «Viking» и «Aerobee» позволила фото­графировать Землю с высоты 100—150 км, а, например, в 1954 г. ракета достигла высоты в 250 км. На этой же высоте в начале 70-х гг. производилась съемка территории Австралии и Аргентины с английской баллистической ракеты «Skylark».

Несмотря на несовершенство методики получения снимков при фотографировании с баллистических ракет, они широко применялись в 60—70-е гг. и используются до настоящего времени, главным образом благодаря их относительной дешевизне при изучении незначительных по площади территорий. Известно применение данных снимков для изуче­ния растительности, типов использования земель, в том числе сельскохозяйственного, для нужд гидрометеорологии и геологии и при комплексных исследованиях природной среды.

Новая эра в дистанционном зондировании Земли открылась со времени запуска первых искусственных спутников Земли в 1957 г. в СССР и в следующем году в США, хотя, собст­венно, первые запуски не преследовали цель изучения Земли космическими средствами. Первые полеты на пилотируемых космических кораблях бывшего СССР и США — «Восток-1» (космо­навт — Ю. А. Гагарин, 1961 г.) и «Mercury МА-4» (астронавт Д. Гленн, 1962 г.) также не ставили таких задач. Но уже со времени второго пилотируемого полета Г. С. Титова произво­дилась съемка Земли. С американского корабля «Mercury МА-4» также были получены пер­вые фотографические снимки. В качестве съемочной аппаратуры использовались ручные фотокамеры.

Если в результате первых полетов получались десятки снимков, то уже к середине 60-х гг. с кораблей «Gemini» было получено более 1000 фотографий, причем большая их часть на цветной пленке и с высоким разрешением на местности — до 50 м. Однако район съемки ограни­чивался приэкваториальными поясами Земли.

Существенный прогресс в получении фотографических снимков внесли полеты «Apollo», и прежде всего с точки зрения оптимизации выбора фотографических материалов, отработки ме­тодики ориентации камер по отношению к Земле и др. С космических кораблей данной серии впервые (8—12 марта 1969 г.) произведено фотографирование в разных спектральных ин­тервалах, что положило начало многозональной фотографии. Первое фотографирование син­хронно осуществлялось четырьмя камерами на разных пленках и с разными светофильтрами.

Программа полетов космических кораблей «Союз» вначале мало внимания уделяла фото­графированию Земли, но с конца 1969 г. была сильно расширена. Охват территории не огра­ничивался приэкваториальными районами, но все-таки был не очень широким. Представляет интерес проведение подспутниковых экспериментов по синхронизации космических съемок с самолетными и экспедиционными. Многозональные фотографии были получены в 1973 г. при фотографировании девятиобъективной камерой. С корабля «Союз-7» (1969 г.) проведено спектрографирование земной поверхности, т. е. получение и регистрация спектральных отражатель­ных характеристик объектов.

Подобные подспутниковые эксперименты позволили дать объективную оценку информа­тивности различных видов космической съемки, заложить основы космических методов гео­графических исследований, установить оптимальное соотношение космической, аэро- и наземной съемок при проведении конкретных исследований. Вместе с тем подспутниковые эксперименты приобрели большое научное значение, расширяя наши представления о пере­даточной функции атмосферы, закономерностях генерализации изображений с уменьшени­ем их масштабов, оптических свойствах географических объектов, пространственной структуре ландшафтов и т. д.

Снимки с высоким разрешением на местности (порядка 10—12 м) получены с орби­тальных станций «Салют» и «Skylab», для чего широко использовались спектрозональные съемки и новые съемочные камеры, например МКФ-6, а также приборы для обработки снимков.

Однако при высоком качестве изображения фотографические снимки выполняются не систематически. Лишь в отдельных случаях возможно получение повторных снимков на од­ну и ту же территорию. Из-за эпизодичности съемок и трудностей, связанных с облачно­стью, регулярное покрытие территории таким видом съемки пока не обеспечивается, поэто­му широкое распространение получила телевизионная съемка. К ее преимуществам по срав­нению с обычной фотографией относится также получение сигналов в форме удобной для их автоматизированной фиксации на Земле, хранения и обработки на ЭВМ. В этом слу­чае не требуется возвращать на Землю кассеты с фотопленкой.

Первая телевизионная съемка Земли выполнялась с американских метеорологических спутников «Tiros» с начала 60-х гг. В нашей стране первые телевизионные съемки Земли осуществлены со спутников «Космос». Так, работа двух из них («Космос-144» и «Космос-156») позволила создать метеорологическую систему, впоследствии разросшуюся в специ­альную службу погоды (система «Метеор»).

Глобальную телевизионную съемку Земли осуществили спутники «ESSA». Несмотря на ряд трудностей, связанных с искажениями, возникающими за счет сферичности Земли при охвате больших площадей (до 6 млн. км) и относительно низком разрешении на местно­сти, они нашли широкое применение в географических исследованиях при изучении снеж­ного покрова, влажности почв, атмосферных процессов и др.

Телевизионные снимки стали получать с ресурсных спутников. Сюда относятся снимки советских спутников, работающих по программе «Метеор — Природа», и американских спутников «Landsat». Снимки, полученные с помощью аппаратуры «Фрагмент» («Метеор») и многозональной сканирующей системы MSS («Landsat»), характеризуются разрешением на местности около 100м. Важно, что съемка выполняется в четырех диапазонах видимой и ближней инфракрасной части спектра и возможно получение цветных синтезированных сним­ков.

На сканерных снимках хорошего качества, особенно на цветных синтезированных снимках, выделяются в целом те же объекты, что и на фотографических снимках, но при этом обеспечивается регулярная повторяемость съемки и удобство автоматизированной обра­ботки снимков, которые поступают в цифровом виде. Поэтому, при сохранении всего пере­численного выше широкого круга решаемых по этим снимкам задач, на первое место при ис­пользовании сканерных снимков выступают задачи оперативного контроля состояния природ­ной среды и антропогенных образований, за их изменениями, в том числе сезонными.

Первым спутником, нацеленным на исследование природных ресурсов Земли, стал «ERTS», дававший разрешение на местности в 50—100 м. Съемка со спутника «Landsat-4» с помощью аппаратуры «Thematic catographer» позволила добиться разрешения в 30 м при уве­личении числа спектральных каналов в видимой и ближней инфракрасной области спектра до 6. Еще большее разрешение (до 10 м) у снимков с французского спутника «Spot», здесь обеспе­чивается получение стереопар, а также регулярность повторения съемки. Для изучения при­родных ресурсов используется также многозональная съемка телевизионными сканирующими системами спутников «Метеор».

С 1972 г. с введением в эксплуатацию первого ресурсного искусственного спутника Земли (ИСЗ) «ERTS-1», а затем и последующих, обеспечивающих высококачественную регу­лярную съемку земной поверхности с периодичностью 18 суток с большой обзорностью и высо­ким пространственным разрешением, легко доступную потребителям, начался наиболее плодо­творный период применения материалов космической съемки в научных и практических целях во многих странах мира. Были сделаны новые географические открытия, обнаружены место­рождения различных полезных ископаемых и т. д. Во многие науки о Земле прочно вошел этот метод исследований, позволивший существенно расширить возможности традиционных гео­графических исследований и подняться на более высокую ступень познания закономерностей строения и функционирования географической оболочки Земли.

В нашей стране в народнохозяйственных целях введен в эксплуатацию ИСЗ «Ресурс-Ф», обеспечивающий синхронное многозональное и разномасштабное фотографирование земной поверхности. Черно-белая съемка в трех зонах видимой и ближней ИК областей спектра, а также спектрозональная съемка осуществляются в масштабах 1:1000000 и 1:200000 с про­странственным разрешением снимков соответственно 30 и 10 м. Материалы космической съемки, полученные с этого спутника, нашли широкое применение в научных исследованиях и различных отраслях хозяйства. Особенно велико его значение при комплексном и тематическом картографировании земной поверхности. В настоящее время применение космических снимков стало нормой картографического производства. Они исполь­зуются при составлении оригинальных и обновлении ранее созданных карт, обеспечивая высо­кую точность передачи конфигурации картографируемых объектов, получение сопоставимых сведений об объектах и явлениях, распространенных на обширных площадях, в один временной период, а также гарантируя необходимую периодичность съемки для современного обновления карт. Материалы космической съемки легли в основу составления нового вида картографи­ческой продукции — фотокарт топографических, общегеографических и тематических различных масштабов. В 1978 г. была создана первая космофототектоническая карта Арало-Каспийского региона масштаба 1:2500000. За рубежом опубликованы цветные и черно-белые фотокарты и фотоатласы на отдельные государства и материки.

Следует сказать, что объектом телевизионной съемки служит не только Земля, но и це­лый ряд других планет или космических тел. Можно вспомнить съемки Луны станцией «Луна», «Surveyor», «Ranger», Венеры — «Венера»; Марса, Венеры, Меркурия — с аппаратов «Mariner», «Viking»; съемки кометы Галлея и др.

Упомянем также о фототелевизионных снимках, совмещающих достоинства фотографиче­ского метода, и, прежде всего высокое разрешение на местности, и телевизионных. Первые фототелевизионные снимки получены станциями «Луна-3» и «Зонд-3» для невидимой с Земли стороны Луны, Марса — «Марс-4» и «Марс-5» и др.

В целях популяризации материалов космической съемки в ряде стран выпускают хорошо иллюстрированные альбомы и атласы цветных снимков, полученных с советских и американ­ских космических летательных аппаратов. Среди них опубликованная в СССР монография «Планета Земля из космоса» (1987), совместное советско-американское издание «Наш дом — Земля» (1988), отечественные альбомы по методике дешифрирования многозональных аэрокос­мических снимков (1982, 1988), вышедший в США атлас Северной Америки (1987), издан­ные в ФРГ альбомы снимков земной поверхности (1981), в Венгрии — национальный фото­атлас и многие другие.

В нашей стране организованы два центра получения, первичной обработки и распростра­нения космической информации — Государственный научный и производственный центр «Природа» (Госцентр «Природа») для работы с фотографической информацией долговремен­ного использования и Государственный научно-исследовательский центр исследования при­родных ресурсов (ГосНИЦИПР) для работы с оперативной сканерной информацией.

Помимо составления программ съемки и аккумулирования полученных материалов, цен­тры выполняют их первичную обработку — привязку, аннотирование, облегчая их дальнейшее использование. По заказу потребителей выполняются и более сложные виды обработки, раз­личного рода преобразования снимков. Оперативная информация, предназначенная для авто­матизированной обработки, может быть получена в виде магнитных лент для удобства ис­пользования при работе на ЭВМ.