2. Содержание лекций
2.1. Дистанционные методы в географических исследованиях
Очень часто в географических исследованиях изучение объекта осуществляется на расстоянии, без непосредственного с ним контакта. Методы исследований в таких случаях называют дистанционными. К ним относятся геофизические съемки (рисунок 1), подводная фотосъемка (рисунок 2), подводная гидролокация (рисунок 3), фототеодолитная съемка (рисунок 4), рисованные снимки (рисунок 5), визуальные наблюдения.
Рисунок 1 – Геофизические съемки
Рисунок 2 – Подводная фотосъемка
Рисунок 3 – Подводная гидролокация
Рисунок 4 – Фототеодолитная съемка
Рисунок 5 – Рисованные снимки
К дистанционным относятся и методы аэрокосмических исследований. Аэрокосмические методы – это совокупность методов исследования атмосферы, гидросферы, земной поверхности, верхнего слоя земной коры, космических тел с воздушных и космических носителей путем дистанционной регистрации и последующего анализа электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение характеризуется интенсивностью, спектральным составом, поляризацией и направлением распространения. Эти параметры зависят от состояния, свойств, пространственного положения объекта исследования.
Электромагнитное излучение измеряется датчиками, входящими в состав высотного комплекса, который кроме измерений служит для первичной обработки и передачи данных на Землю. Данные, закодированные в электромагнитном сигнале или записанные на твердотельные носители, доставляются в наземный комплекс, в котором происходит их прием, обработка, регистрация и хранение. После обработки данные обычно переписываются в кадровую форму и выдаются в качестве аэроснимков или космических снимков.
Пользователь, опираясь на базу знаний, собственный опыт, интуицию, проводит анализ и интерпретацию материалов дистанционного зондирования и создает модель объекта. Достоверность модели проверяется сопоставлением, или идентификацией модели и объекта. В этом заключается сущность аэрокосмических методов.
Ведущее место в аэрокосмических методах занимает изучение объекта по снимкам, поэтому главная их задача заключается в целенаправленном получении и обработке снимков. Но в то же время получить необходимые характеристики объекта только по снимкам без каких-либо натурных определений, без обращения к «земной правде» в большинстве случаев невозможно. Поэтому одной из важных задач аэрокосмических методов является получение «спектрального образа» объекта, т.е. создание эталона.
Понятие «объект» относится как к объекту съемки – участку территории, местности, так и к объекту изучения, исследования – определенным типам поверхности, явлениям на местности или протекающим на ней процессам.
Снимки используются в комплексе с информацией других видов.
Итоговым звеном аэрокосмических географических исследований является изготовление по снимкам карт.
Началом истории аэрокосмических исследований можно считать изобретение фотографии. Первые воздушные снимки получены французами в 1858 году. Это были фотографии окрестностей Парижа, сделанные с воздушного шара (рисунок 6).
Рисунок 6 – Съемка Парижа с воздушного шара
Самый первый сохранившийся снимок сделан Джеймсом Велас Блэком в Бостоне в 1860 году (рисунок 7).
Рисунок 7 – Снимок Парижа с воздушного шара
В 1886 году впервые в России поручиком А.М. Кованько сделаны три снимка Петербурга с воздушного шара с высот 800, 1200 и 1350 метров. В конце 19 века в армии, кроме шаров, для съемки использовались и воздушные змеи.
Несмотря на успешные опыты воздушных фотосъемок с привязных и свободно летающих шаров, а также воздушных змеев, в течение полувека широкого производственного применения такие фотосъемки не нашли. Это объяснялось тем, что шар и змей не обеспечивали быстрое перемещение фотокамеры над земной поверхностью в требуемом направлении (рисунок 8).
Рисунок 8 – Французская карикатура: лучший способ добиться для аэростатов собственной тяги
Только после того, как в 1903 году братья Райт первыми поднялись на самолете, началось стремительное развитие воздушной съемки и методов обработки снимков. Появились термины «аэрофотосъемка», «аэрофотоаппаратура», «аэрофотоснимок» и др.
Первая мировая война ускорила развитие аэрофотосъемки, например, французская армия делала 10 000 снимков в сутки, немецкая – 4 000 снимков в сутки. Но в это время съемка велась пока только в военных целях.
В 20–30 -е годы в разных странах, кроме самолетов, использовались дирижабли (рисунок 9), велись исследования поверхности Земли и низких слоев атмосферы.
Рисунок 9 – Дирижабль "Альбатрос". Санкт-Петербург
Именно в 30-е годы под руководством Королева начались разработки ракет для изучения высоких слоев атмосферы (рисунок 10).
Рисунок 10 – С.П. Королев со своей ракетой
1923 год считают началом гражданской аэросъемки. В 1924 году в СССР ставится задача использовать аэрофотоснимки при создании топографических карт неисследованных районов; тогда же проведены первые аэрофотосъемки для нужд лесоустройства и дорожного строительства.
Вторая мировая война дала новый импульс развитию методов получения и интерпретации снимков с воздуха.
В 1949 году в СССР запущена первая в мире геофизическая ракета для изучения космических лучей на больших высотах. С этого времени начали использоваться мощные геофизические ракеты, поднимающиеся на высоты 100–150 км.
Подлинное начало космической эры ознаменовалось запуском первого искусственного спутника ПС-1, осуществленным в СССР 4 октября 1957 года (рисунок 11).
Рисунок 11 – Первый искусственный спутник Земли ПС – 1
В 1959 году в СССР запущен космический аппарат «Луна-1» (рисунок 12), который впервые в мире стал спутником Солнца.
Космические методы базируются на длительной работе регулярно пополняемых группировок спутников – спутниковых систем.
В 60-х годах ХХ века в числе первых, наряду с обзорными метеорологическими системами, были созданы космические съемочные системы детальной фоторазведки военных ведомств США (спутники- съемщики с аппаратурой Key Hole – «замочная скважина») и СССР (спутники-съемщики Зенит). Затем начали функционировать космические съемочные системы, поставляющие пространственную геоинформацию широкому кругу гражданских потребителей, изучающих недра и морские акватории, оценивающих земельные, лесные и водные ресурсы, составляющих карты. Естественно, разные специалисты предъявляли неодинаковые требования к космической информации по обзорности, оперативности, периодичности получения и главное – по пространственному разрешению. Эти требования учитывались при создании национальных космических систем природно-ресурсного направления, среди которых наиболее известны системы первого поколения – Ресурс (СССР), Landsat (США) и французская система SPOT. Регулярно запускаемые спутники каждой из этих систем многократно покрыли съемками всю нашу планету, дав миллионы снимков, образовавших их глобальный фонд (рисунок 12).
Рисунок 12 – Схемы покрытия мира снимками с космического аппарата «Ресурс-Ф»
В результате функционирования в течение четверти века космических систем первого поколения оказалось, что фотографические снимки не выдерживают конкуренции с новыми типами космической информации, со снимками, получаемыми цифровыми многозональными сканерами, всепогодными радиолокаторами.
Космические системы нового поколения можно разделить на системы, выполняющие глобальные съемки для исследования и мониторинга Земли в целом, локальные – для удовлетворения практических запросов, а также космические системы изучения и картографирования планет Солнечной системы и других небесных тел.
Примером системы первого типа служит космическая система EOS (система наблюдений Земли).
Локальные съемки выполняются спутниками с помощью цифровых сканеров, которые дают снимки, по детальности сопоставимые с аэроснимками.
С космических аппаратов Mars Global Surveyor сканерная съемка обеспечивает получение детальных снимков марсианской поверхности с разрешением до 20 м.
Но пока затраты на создание спутников и их эксплуатацию велики. Удешевление будущих космических систем – важнейшая проблема, во многом определяющая направление их развития. Ее решению способствует переход к малым спутникам (рисунок 13), а также создание спутников двойного назначения – военного и гражданского.
Рисунок 13 – Миниатюрные спутники-чипы
В настоящее время в мировой практике используются и аэроснимки, и космические снимки, но доля космических снимков имеет устойчивую тенденцию к увеличению. Достоинствами космических снимков являются:
высокая производительность,
обзорность,
одномоментность,
объективность, достоверность,
оперативность,
повторяемость и регулярность,
доступность,
цифровая запись.
Во взаимодействии аэрокосмического зондирования с науками о Земле наблюдается определенная двойственность. С одной стороны, аэрокосмические методы можно отнести к какой-либо конкретной науке, использующей их для исследования своего предмета. Поэтому вполне правомерно появление таких разделов наук, как спутниковая метеорология, аэрофототопография, космическая океанология и др. С другой стороны, происходит становление аэрокосмического зондирования как самостоятельной дисциплины, которая имеет практическое приложение в сфере других наук.
В современном содержании дисциплины выделяются два взаимосвязанных раздела – естественно-научный (аэрокосмические исследования), акцентирующий внимание на объекте исследования, его познании, и инженерно-технический (аэрокосмические методы), который охватывает технические средства и технологию исследований.