Глава 4. Носители съемочной аппаратуры, техника наблюдений и измерений, материалы аэро- и космической съемки

В главе рассмотрены технические возможности дистанционных наблюдений и основные виды получаемых дистанционных материалов.

4.1.Н о с и т е л и съемочной а п п а р а т у р ы

Как известно 4 июня 1783 года в Анноне близ Лиона состоялся первый в мире запуск первого а э р о с т а т а – воздушного шара братьев Монгольфье.

21 ноября П.де Розье и д,Арлан также на аэростате совершили уже 10-илометровый облет Парижа.

1 декабря того же года физик Ж.Шарль на аэростате, наполненном водородом, поднялся на высоту более 3,5км и пролетел более 50 км..

Во время этих полетов велись отрывочные визуальные наблюдения земной поверхности.

Инструментальный этап дистанционных исследований Земли связан с появлением регистрирующей аппаратуры, то есть фотоаппаратов, с помощью которых А.М.Кованько в России, Ф.Надар во Франции с середины Х1Х-го века показали возможность проведения съемок земной поверхности с имеющихся в то время летательных аппаратов – аэростатов.

В конце 90-х годов Х1Х-го века при изысканиях вдоль трассы Восточно-Китайской железной дороги русский инженер Р.Ю. Тилле сконструировал специальный многообъективный фотоаппарат и использовал его для съемки с привязных аэростатов в топографических целях и даже написал трехтомный труд «Фотография в современном развитии» (1908–1909гг.).

Затем в ХХ веке начала активно развиваться авиация и на смену воздушным шарам и аэростатам «пришли» самолёты и вертолёты.

Таким образом, в докосмическую эру основными носителями съемочной аппаратуры при дистанционном изучении Земли были:

– воздушные шары – конец ХУШ – начало Х1Х веков,

– аэростаты – вторая половина Х1Х – начало ХХ веков,

– самолёты – 20-е – 60-е годы;

– вертолёты – середина 40-х годов и позже.

Кроме того, иногда использовались и беспилотные средства, например:

– р а д и о у п р а в л я е м ы й самолет «Skyspay» в Великобритании: диаметр 1,12м, масса 120кг, скорость взлета 4м/с, продолжительность полета 1,5 часа, рабочая полета 500м, вес полезной нагрузки 20кг;

– б а л л и с т и ч е с к и е ракеты «V-2», запущенные с полигона Уайт-Сайдс ( штат Нью-Мексика, США) в 1945 г. на высоту 120км, с которых были сделаны первые сверхвысотные фотоснимки Земли;

– г е о ф и з и ч е с к и е ракеты, примененные в СССР для изучения Русской равнины с высоты 240 – 270км.

С конца 50-х годов ХХ века в дистанционных исследованиях Земля стали широко применяться к о с м и ч е с к и е носители, среди которых, в зависимости от конструктивных особенностей и решаемых задач, выделяются следующие типы:

1.ИСЗ – искусственные спутники Земли.

2.АМС – автоматические межпланетные станции.

3.ПКК – пилотируемые космические корабли.

4.ДОС – долговременные орбитальные станции.

1.ИСЗ – автономные многоцелевые космические летательные аппараты.

Впервые ИСЗ был запущен в СССР 4 октября 1957 года, «проработал» 3 месяца и имел следующие параметры: шар весом 83,6кг, диаметром 58см; высота апогея – 947км, перигея – 228км.

ИСЗ позволяют:

– вести бесперебойные радио- и телепередачи на огромные расстояния;

– уточнять основные параметры Земли;

– изучать состав и свойства атмосферы;

– прогнозировать погоду;

– обеспечивать мониторинг за природной средой и ее изменениями;

– выявлять основные закономерности распределения минеральных ресурсов.

В феврале 1959 года в СССР был запущен п е р в ы й м е т е о р о л о г и ч е с к и й ИСЗ, а с 1960 года метеоспутники стали регулярно поставлять на Землю оперативную информацию о состоянии атмосферы, которая обрабатывается в соответствующих гидрометеорологических организациях и затем передается во все заинтересованные ведомства, в первую очередь, ГО и МЧС.

Основные параметры ИСЗ «Космос», «Электрон», «Протон», «Молния», «Метеор», «Радуга» и др.:

– высота орбит от 150 –500км (»Восток-1») до 500–1000км («Метеор-1-15»);

– разрешение (или разрешающая способность, т.е. количество линий на участке 1мм) изображения в видимой части спектра от 20–300м («Восток-1») до 300–3000м («Метеор-1-15»);

– ширина полосы захвата от 100км («Восток-1») до 1000км («Метеор -1-15»);

– изображения, получаемые с ИСЗ: чёрно-белые, цветные и многозональные;

– одной баллистической ракетой может быть выведено на орбиту сразу несколько ИСЗ: например, 16 июня 1987г. в СССР был произведен запуск сразу 8 ИСЗ «Космос 1852-1859».

2.АМС – автоматические летательные аппараты, выведенные к планетам или иным объектам Солнечной системы с целью их изучения.

С помощью АМС сфотографированы и изучены поверхности различных планет земной группы:

– Л у н ы: 12 сентября 1959года советская АМС «Луна-2» доставила на поверхность Луны вымпел с гербом СССР; 3 февраля 1966года «Луна-9» совершила мягкую посадку на окраине Океана Бурь и передала круговую панораму лунной поверхности, что послужило основой для составления тектонической и других специальных карт обратной стороны Луны;

– М ар с а: первые снимки поверхности этой планеты были переданы на Землю в 1965году с АМС «Маринер-4»; в 1976 году получены панорамные снимки этой планеты и ее спутников - Фобоса и Деймоса;

– В е н е р ы: снимки ее поверхности получены советскими и американскими АМС;

– М е р к у р и я: в течение 1974–1975гг. АМС «Маринер» трижды облетела планету и передала на Землю телеизображение около 30% ее поверхности.

В 1979 году американские специалисты с помощью АМС «Вояджер» получили снимки спутников Юпитера – Ганимеда, Каллиосто, Европы; на одном из спутников – Ио – была зафиксирована современная вулканическая деятельность. С помощью АМС изучены и спутники Сатурна – Титан, Рея, Диана, Таория.

Кроме того советские и зарубежные АМС («Джотто»)позволили весьма детально изучить комету Галлея в момент ее приближения к Земле и особенно момент столкновения кометы Шумейкера-Леви с Юпитером, произошедшего в июле 1994г.

3.ПКК – пилотируемые космические корабли, существующие со времени первого полета Ю.А.Гагарина, т.е. с 1961года: «Восток», «Восход», «Союз» и другие в СССР, «Меркурий», «Джемини», «Аполлон» и другие в США, – позволили не только вести визуальные наблюдения Земли и других планет (в декабре 1968 года американские астронавты на «Аполлон-8» облетели Луну), но и получить пакеты черно-белых и цветных КС их поверхностей.

4.ДОС, приоритет в создании которых принадлежит нашей стране, начали функционировать в космосе с января 1969 года, когда состыковавшиеся ПКК «Союз-4» и «Союз-5» образовали первую в мире долговременную орбитальную станцию.

С 1971 года в СССР начали «работать» специальные ДОС «Салют» (длина 16м, масса 19 тонн), через 20 иллюминаторов которых можно было вести визуальные наблюдения и производить съемку.

Впоследствие перешли к орбитальным комплексам типа известной станции «Мир», состоявшей в свое время из ПКК «Союз ТМ-2», научного модуля «Квант» и грузового корабля «Прогресс».

4.2. Т е х н и к а н а б л ю д е н и й и и з м е р е н и й из космоса (виды космических съёмок).

В настоящее время различают следующие виды космических наблюдений и съемок (табл. ):

– визуальные наблюдения,

– фотосъёмка,

– телесъёмка,

– фототелевизионная съёмка,

– сканерная съёмка,

– радиолокационая (радарная) съёмка,

– инфракрасная (тепловая) съёмка,

– спектрометрическая съёмка,

– магнитная съёмка,

– лазерная (лидарная) съёмка,

– голографическая съёмка.

В и з у а л ь н ы е наблюдения позволяют производить:

– сознательный выбор объекта исследований в наиболее удобный ( по времени, освещенности и т.д.) период или интервал наблюдений;

– выборочную, оперативную и компактную передачу на наземные приемные станции результатов наблюдений;

– оценивать динамику, направленность и скорость наблюдаемых процессов и явлений, например, вулканических;

– наблюдение как не известных, так и уже изученных объектов (данные выводы сформулировал летчик-космонавт Е.В. Хрунов).

Отличительная черта ф о т о г р а ф и ч е с к о й съемки – высокая обзорность, за счет съемки с высоты 150–200км ручными камерами: полу- и автоматами, а также возможность получения плановых и перспективных снимков фотографируемой поверхности.

Данная съемка, использующая хорошо зарекомендовавшие системы КАТЭ-140, МКФ-6, ФМС и другие, одна из самых информативных, так как получаемые изображения отличаются высоким разрешением (200 линий на 1мм) и могут быть увеличены в несколько (от 10 до 60) раз без потери информативности.

Т е л е в и з и о н н а я космическая съемка широко используется в метеорологии и отличается от фотосъемки меньшим разрешением, так как в процессе передачи изображения на Землю с помощью так называемого в и д и к о н а происходит некоторая потеря информации.

Преимущество данного вида съемки заключается в большой быстроте и оперативности, возможности получения – за счёт большого перекрытия – с т е р е о с к о п и ч е с к и х п а р изображений, а за счет установки телекамер с разными светофильтрами - многозональных цветных изображений; основной недостаток связан с наличием так называемых р а с т р о в ы х полос (рис. ), которые «мешают» дешифрированию.

Рис.

Ф о т о т е л е в и з и о н н а я съёмка, сочетающая фотографирование изучаемого объекта и передачу изображение по телеканалу, в настоящее время практически не используется.

С к а н е р н а я космическая съемка основана на получении развертки изображения при помощи так называемого сканирующего элемента (качающегося или вращающегося зеркала) поэлементно просматривающего местность и посылающего лучистый сигнал (поток) в объектив и далее на точечный датчик, преобразующий световой сигнал в электрический. Последний поступает по каналу связи на приемные станции: конечное изображение получается на ленте, составленной из полос-сканов, сложенных отдельными элементами – п и к с е л а м и.

В современных геологических исследованиях широко используются материалы сканерных съемок с ИСЗ «Метеор», «Лэндсат» и других.

Р а и о л о к а ц и о н н а я (радарная) съёмка проводится с помощью радиолокаторов бокового обзора, устанавливаемых на самолетах или ИСЗ в тех случаях, когда прямое наблюдение поверхности планеты затруднено из-за облачности, тумана и тому подобных метеоявлений, или из-за густой растительности, мощного ледяного панциря или толщи рыхлых, например, аллювиальных осадков.

В связи с этим, РЛ-съёмку можно эффективно применять при дешифрировании и изучении гидросети, особенно древней.

В СССР широко и эффективно применялась самолётная РЛ-станция «Торос», с помощью которой в любое время суток можно было получить изображение изучаемой поверхности в масштабе 1:90 000 и 1:180 000; в США с конца 70-х годов РЛ-системами стали снабжать ИСЗ «Сисат», ПКК «Шаттл».

И н ф р а к р а с н а я (или тепловая) съёмка основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения различных объектов, обусловленных эндогенным теплом или солнечным излучением.

ИКС широко используется при изучении мелководного дна шельфа, при поиске подземных вод и тепловых неоднородностей, особенно в водной среде, и при исследовании, в частности при мониторинге, вулканической деятельности и т.д.

С п е к т р о м е т р и ч е с к а я съёмка, базирующаяся на измерении отражательной способности – а л ь б е д о – горных пород, требует предварительного изучения спектральной характеристики горных пород, для чего проводятся специальные спектрометрические измерения на разных расстояниях, в разное время года, на участках с разной степенью обнаженности горных пород и т.д.

Тем не менее, знание значений коэффициентов спектральной яркости горных пород значительно расширяет возможности дешифрирования и придает ему большую достоверность.

М а г н и т н а я съёмка ведется с помощью магнитометров, установленных на космических летательных аппаратах, с 1958 года. В силу того, что источники магнитных аномалий, фиксируемых с ИСЗ, находятся на очень больших глубинах, возможно, на границе я д р о – м а н т и я, результаты данной съемки представляют большой научный интерес, особенно, для исследований глубинной тектоники и для сравнительной планетологии.

Л а з е р н а я – лидарная – съёмка представляет собой геохимическую съемку ( с помощью лазера) приповерхностных слоев атмосферы с целью обнаружения в них микроэлементов или соединений, концентрирующихся над динамически активными зонами или изометричными ( например, кольцевыми) объектами.

Г о л о г р а ф и ч е с к а я космическая съёмка представляет собой достаточно редкий, иногда даже говорят «экзотический», вид современных дистанционных исследований. Она основана на получении голографического объёмного изображения, которое впоследствии (путём фотографирования) преобразуется в плановый или перспективный снимок.

Некоторыми исследователями рекомендуется для изучения строения шельфовых акваторий.

4.3.М а т е р и а л ы космических с ъ ё м о к (по уровням генерализации)

В настоящее время принято выделять5 уровней генерализации, степени обзорности и величины разрешающей способности: глобальный, континентальный, региональный, локальный и детальный (Кац, Тевелев, Полетаев, 1988).

Г л о б а л ь н ы е КС (рис.4.3.1) получают с больших высот (десятки тысяч километров) во время следования АМС к другим планетам: имеют масштаб не более 1:50 000 000, разрешающую способность – несколько километров; предназначены для выяснения и уточнения глобального (планетарного) структурного рисунка.

Рис.4.3.1 Глобальный космический снимок земли

Отличаются значительной «деформацией» изображения и перспективностью за счет сферической поверхности планет.

К о н т и н е н т а л ь н ы е КС (рис. 4.3.2.) получают с высот несколько тысяч километров, имеют разрешение - несколько километров; пригодны для изучения больших территорий и составления обзорных карт самого различного содержания.

Рис.4.3.2. Космический снимок Туркмено – Иранского региона

Р е г и о н а л ь н ы е КС охватывают площади в сотни тысяч квадратных километров, например, полуостров Крым (рис.4.3.3); отличаются достаточно высокой разрешающей способностью (сотни метров), позволяющей уверенно дешифрировать линейные и кольцевые объекты, т.е. изучать элементы глубинной структуры, что очень важно при тектоническом, сейсмотектоническом и геоморфологическом районировании.

Рис.4.3.3. Космический снимок Крымского полуострова

Л о к а л ь н ы е КС – наиболее распространенный вид космических материалов. Они составляют более 90% от объема всех КС, используемых в народном хозяйстве. Их параметры: высота съемки 150 – 300км, площадь охвата – до 100 тыс. кв. км; разрешающая способность – десятки метров. Локальные КС широко применяются при изучении инфраструктуры таких крупных мегаполисов как Москва (рис.4.3.4); они также хорошо «зарекомендовали» себя при геологическом доизучении территорий, на которых расположены экологически и социально опасные объекты типа АЭС.

Рис.4.3.4. Космический снимок Москвы

Сочетание обзорности региональных КС и информативности локальных КС значительно повышает степень достоверности установления кинематики разрывных нарушений и изучения различных современных геологических процессов, например, склоновых, карстовых, вулканических и прочих.

Д е т а л ь н ы е КС (рис.4.3.5.), близкие по информативности к высотным АФС, используются для более детального изучения отдельных структур ( их границ, контуров и формы), выявленных по региональным и локальным КС.

Рис.4 3.5.. Космический снимок Дубны

В о п р о с ы для п о в т о р е н и я

– Какие носители съёмочной аппаратуры использовались до 6 агуста 1961г.?

– Каковы основные типы космических носителей съемочной аппаратуры?

– Что такое разрешающая способность изображения?

– Какие виды космических съёмок вы знаете?

– В чем преимущества и недостатки визуальных наблюдений?

– Что такое пиксел?

– В каком виде космической съёмки решающее значение приобретает так называемое альбедо?

– Чем отличаются уровни генерализаций материалов космических съёмок?

Л и т е р а т у р а

Вельцер В. Аэроснимки в военном деле. – М.: Военное изд-во,1990, 288с.

Виноградов Б.В. Космические методы изучения природной среды.– М.: Мысль,1976.

Кац Я.Г., Рябухин А.Г., Трофимов Д.М. Космические методы в геологии.– М.: МГУ,1976, 248с.

Корчуганова Н.И. Аэрокосмические методы в геологии. – М.: Геокарт, ГЕОС, 2006, 244с.

Кравцова В.И., Козлова Е.К., Фивенский Ю.И. Космические снимки ( методическое руководство).– М.: МГУ,1985.

Садов А.В., Бурлешин М.И., Викторов А.С. Аэрокосмические методы поисков подземных вод.– М.: Недра,1985.

Шарков В.В., Гурьева З.И., Кильдюшевский Е.И. Аэрокосмические методы геологического изучения шельфа.– Л.:Недра,1985.