4.3. Дистанционные методы

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ), косми­ческие снимки, метод аналогий, тематические полигоны, дешифрирование, персональная станция приема космической информации «Космэк», радиометрическое разрешение космической информации, геометрическое разрешение снимка, пиксел, генерализация.

Для решения широкого круга задач по оценке состояния окружающей среды используют материалы регулярных съемок Земли из космоса, так как настоящий экологический мониторинг без космических съемок Земли невозможен. Работа, связанная с получением и обработкой космических снимков земной поверхности, называется дистанционным зондированием Земли (ДЗЗ). Съемки выполняются со специальных искусственных спутников Земли (ИСЗ). Установленная на них аппаратура позволяет выполнять съемки поверхности Земли в любое время суток, в любую погоду и с любой степенью детальности — от коробка спичек до Земного шара в целом.

Съемки Земли из космоса дают такую информацию, которую невозможно получить с помощью наземных информационных систем: они предоставляют возможность получать единовременную пространственную информацию с необходимым пространственно-временным разрешением и отображением поверхности Земли в спектральных диапазонах разных излучений. Это позволяет создавать различные образы земной поверхности, иногда самые неожиданные для человека.

Космические снимки имеют большую обзорность, генерализованность изображения, комплексное отображение компонентов геосферы, регулярную повторяемость, оперативность поступления информации, возможность получения информации для объектов, недоступных для изучения другими средствами. По сравнению с аэрофотосъемкой, выполняемой с высоты 5 км, при космосъемке с высоты 250 км в 50 раз увеличивается захват территории по одной стороне кадра и в 2 500 раз по площади. Один космический снимок в данном случае перекрывает площадь 10 000 аэроснимков, что важно учитывать при выборе способа дистанционного зондирования и стоимости съемочных работ.

Для правильного понимания изображений Земли, отснятых из космоса, нужно знание физики, объясняющей взаимодействие электромагнитных излучений с земными объектами наблюдений и раскрывающей механизм получения изображения поверхности нашей планеты, а также географии, биологии, информатики.

На снимке из космоса земные объекты часто совершенно непохожи на свои реальные образы. Зная механизм изучаемых явлений, местоположение и природно-хозяйственные условия опорных наземных объектов, дешифровщики космических снимков часто пользуются методом аналогий, при котором основную роль играют такие характеристики снимков, как цвет, яркость, геометрия, размер, текстура.

На земле, на опорных объектах работники специальных служб (агрометеорологи, гидрологи, гидрогеологи, лесомелиораторы) измеряют наземные параметры, характеризующие состояние наблюдаемых объектов: урожайность сельскохозяйственных культур, засоленность, влажность, гумусность почвы, площадь листовой поверхности сельскохозяйственных растений, толщину снегового и ледового покрытия, загрязненность водных поверхностей нефтепродуктами или поверхностно-активными веществами (ПАВ) и другие, имеющие тесную связь с яркостными характеристиками космических снимков. Такие опорные объекты называются тематическими полигонами. Они бывают геологическими, сельскохозяйственными, гидрологическими, лесными.

Для учебного тематического дешифрирования и анализа космических снимков кроме полигонной используется опорная информация, состоящая из географических карт и атласов, сообщений об экологических событиях в средствах массовой информации, а также по системе интернета, являющегося одним из самых доступных информационных каналов для получения космических снимков. Самым оптимальным способом получения необходимой информации является соединение возможностей сети интернета с прямым способом получения «живых» космических снимков, например, при помощи самой простой и доступной малогабаритной персональной станции приема космической информации «Космэк» (рис. 4.7).

Снимки могут быть цветными и черно-белыми. Цветные снимки информативнее, чем черно-белые, но в большинстве случаев они состоят из «псевдоцветов». Это не означает, что такие цвета всегда «не настоящие». Просто глаз человека и съемочная аппаратура имеют различные возможности для регистрации электромагнитных излучений, и у них по-разному может происходить восприятие цвета. Желательно, чтобы цвет, допустим, растительного покрова на снимке был зеленым, а цвет моря — синим. Но возможно опознание на снимке, например, активно вегетирующей сельскохозяйственной растительности, даже отображенной красным цветом. Это позволяет все красные объекты снимка по аналогии отнести к категории активно вегетирующей сельскохозяйственной растительности. Соответствен­но яркость тона (темно-красный или светло-красный) подсказывает, где биомасса больше, а где меньше. Геометрия и размер объекта указывают на характер этого покрова (естественный или искусственный).

Все снимки из космоса выполняются в трех основных диапазонах электромагнитных излучений: видимом (то, что видит человеческий глаз), тепловом и микроволновом. Снимки в тепловом и микроволновом диапазонах дают человеку возможность увидеть, например, заморозки на поверхности почвы с помощью прямого измерения температуры поверхности интересующих объектов на тепловых снимках. При анализе пространственного распределения температур на тепловых снимках часто выявляются температурные аномалии. Это могут быть пожары, металлургические комбинаты, теплообменники атомных электростанций, утечка воды из оросительных каналов и водохранилищ, загрязнение водных поверхностей нефтепродуктами.

Каждый из диапазонов разбивается на спектральные каналы. Чем больше каналов имеет бортовая аппаратура, тем выше информативность космических снимков, тем выше радиометрическое разрешение космической информации, что бывает очень важным при решении - экологических задач, особенно связанных с определением загрязнения атмосферы. В основном спутниковая бортовая аппаратура имеет от одного до восьми спектральных каналов (американский спутник «Тегга» имеет 36). Основные объекты на космических снимках (облака, дым, снег, лед, вода, почвенная влага, растительный и почвенный покров, песок, скальные породы и др.) изображаются по-разному в зависимости от используемого спектрального канала и состояния основного объекта. Например, облака бывают высокими или низкими, «сухими» или влагонасыщенными; снег свежевыпавшим, рыхлым или слежавшимся, «сухим» или мокрым, талым; лед молодым или старым, тонким или толстым; вода глубокой или мелкой, пресной или соленой; растительность вегетирующей или увядшей, влагообеспеченной или подверженной засухе. Эти объекты являются основными, потому что очень часто играют роль индикаторов в задачах по определению состояния окружающей среды (рис. 4.8).

Облака подсказывают направление ветра, наличие тектонических разломов, места выпадения атмосферных осадков. Пространственное распределение снега характеризует мелиоративную эффективность лесополос, чистота снежного покрова определяет степень загрязненности территории, прилегающей к промышленным зонам и крупным индустриальным городам. Пространственно-временное состояние расти­тельного покрова и почвы на отдельном сельскохозяйственном поле характеризует почвенное плодородие.

В настоящее время на снимки, полученные в видимом диапазоне, приходится около 80 % всей информации, поступающей с борта космических аппаратов. Снимки в двух других, не менее информативных диапазонах (тепловом и радиодиапазоне) лишь относительно недавно начали получать с высокой детальностью и хорошим качеством изображения.

Космические снимки Земли получают с высоты более ста километров. По высоте выделяют три группы наиболее часто используемых орбит: 100—500 км (это орбиты пилотируемых кораблей, орбитальных станций и разведспутников, имеющих наиболее характерные высоты 200—400 км), 500—2 000 км (орбиты спутников ресурсных на высоте 600—900 км и метеорологических на высоте 900—1 400 км), 36 000—40 000 км (орбиты геостационарных спутников). Низкие околоземные орбиты предназначены для детальной съемки, орбиты средней высоты —для менее детальной, но более оперативной и территориально более захватной съемки, а удаленные орбиты — для постоянного наблюдения за определенным районом. Интервал повторяемости съемок, временное разрешение могут быть любыми: годы, месяцы, дни, часы, минуты.

Одна из главных характеристик космического снимка — его детальность, или так называемое геометрическое разрешение. Геометрическим разрешением снимка называется физическая площадь прямоугольного (чаще квадратного) участка местности, который на снимке отображается самой мелкой точкой — пикселом. Величина геометрического разрешения выражается в длине сторон этого прямоугольника. Все космические снимки делятся на три группы по геометрическому разрешению: малое (километры — десятки километров), среднее (сотни метров) и высокое (метры — десятки метров). Геометрическое разрешение снимков, как правило, определяет их стоимость. Снимки малого разрешения могут быть бесплатными, цена снимка высокого разрешения доходит до пяти тысяч американских долларов.

В противоположность детализации снимки имеют такое свойство, как генерализация. Генерализация — это степень обобщения изображения, то есть освобождение изображения на снимках от мелких деталей и объединение их в одно целое. Более четко выступают объекты крупных региональных и глобальных структур, выделяются зональные и планетарные закономерности. Примером положительного влияния генерализации на дешифрируемость космических снимков может служить выявление на космоснимках более мелких масштабов важных объектов, скрытых на снимках более крупных масштабов, например, обнаружение геологических структур, указывающих на наличие полезных ископаемых (газа, нефти).

Если раньше основная масса космоснимков представляла собой фотографии, которые обрабатывались специалистами визуально, то сейчас все снимки получаются в оцифрованном виде и обрабатываются на персональных компьютерах.

В Крыму много экологических проблем (степные пожары, загрязнение прибрежных Азово-Черноморских акваторий и др.), мониторинговые наблюдения по которым необходимо выполнять на основе использования космических снимков Земли (рис. 4.8, 4.9).