Дистанционное зондирование Земли

лях. Однако он не оправдал себя по многим причинам, прежде всего, по безопасности полетов. Первый космический корабль «Колумбия» был построен в 1979 году, а первый полет совершил 12 преля 1981 года. Он потерпел катастрофу в своем 28-м полете 1 февраля 2003 года вместе с экипажем при входе в атмосферу Земли. Второй челнок «Челленджер» введен в эксплуатацию в июле 1982 года. Он взорвался вместе с экипажем на своем 10-м взлете. Таким образом, в этой программе в общей сложности погибли 14 человек. Из пяти машин потеряны две (40 % летающего парка). Оставшиеся три корабля – «Дискавери» (37 полетов), «Атлантис» (31 полет), «Индевор» (23 полета) списаны в связи с закрытием программы. Не оправдала себя и экономическая сторона программы. Шаттлы оказались не способны к регулярным полетам, а требовали длительного ремонта и переборки в заводских условиях после каждого полета. Вопреки расчетам, полная себестоимость каждого запуска шаттла составила около миллиарда долларов. При этом вес полезного груза (около 29,5 тонн) составлял всего 1,5 % от стартовой массы корабля. Для сравнения, запуск российского одноразового носителя «Протон» (с такой же грузоподъемностью) обходится примерно в 30 млн долларов. Вместе с тем, в совокупности все корабли системы «Space Shuttle» совершили 127 полетов, выполнили большую работу, доставляя на орбиту различные грузы, сменные экипажи на Международную космическую станцию (МКС). Немаловажное значение для развития космонавтики имеет и полученный опыт использования космических челноков.

В Советском Союзе аналогом шаттлов был «Буран» – орбитальный корабль-космоплан, элемент многоразовой транспортной космической системы. Он был разработан в рамках программы «Энергия – Буран». По основным техническим параметрам «Буран» был похож на шаттлы. Его длина – 36,4 м, размах крыла – 24 м, высота на шасси – 16 м. Стартовая масса – 105 т. Грузоподъемность при взлете – 30 т, а при посадке – 20 т. Объем кабины – около 70 м³, рассчитан на 10 человек экипажа и людей для проведения работ на орбите. Скорость «Бурана» при входе в атмосферу составляла 30 000 км/час, а при посадке – 300 км/час. В отличиеотшаттлов, «Буран» имелвозможностьнеоднократногозаходана посадку. Его важнейшей конструктивной особенностью было наличие системы экстренного спасения экипажа в аварийных ситуациях на любой фазе полета. Свой первый (и, к сожалению, последний) полет «Буран» совершил 15 ноября 1988 г. Полет продолжался 205 минут (2 витка

11

вокруг Земли), завершился успешной посадкой на аэродроме Юбилейный космодрома Байконур. Полет и посадка прошли полностью в автоматическом режиме. Факт посадки в автоматическом режиме вошел в книгу рекордов Гиннеса. В связи с политическими событиями в стране в 1990 г. работы по программе «Энергия – Буран» были приостановлены, а в 1993 г. программа закрыта полностью. Летавший «Буран» в 2002 г. вместе с ракетой «Энергия» был уничтожен вследствие обрушения крыши ангара на Байконуре. Его несколько копий хранятся в неудовлетворительныхусловияхвразличныхместахстраныилипроданы за рубеж.

С2000 г. в нашей стране разрабатывается проект корабля «Клипер»

смногоразовой кабиной для экипажа из 6 человек. Его запуск должен производиться ракетой «Союз-2», посадка – горизонтальная или с парашютом. Стартовая масса 13 т, при посадке – 8,8 т. Ориентировочная реализация проекта – 2015 г.

Основными платформами-носителями оборудования являют-

ся ИСЗ. В зависимости от решаемых задач они делятся на исследовательские и технические. Среди исследовательских спутников – геофизические (предназначенные для изучения верхних слоев атмосферы), астрономические, геодезические, метеорологические, ресурсные (для всестороннего изучения Земли, в том числе – для геологических исследований). Технические спутники – это спутники навигационные и спутники связи. Трассы полетов платформ подразделяются на низкоорбитальные (200–400 км), используемые при полетах пилотируемых кораблей и орбитальных станций; среднеорбитальные (500–2000 км) – для метеорологических и ресурсных спутников; высокоорбитальные (30 000 – 90 000 км), по которым летают телекоммуникационные спутники и станции, предназначенные для исследования космического пространства.

Для ресурсных исследований применяются спутники, работающие на полярных (субполярных) солнечно-синхронных круговых орбитах с высотами в среднем 800–1000 километров от поверхности Земли.

Съемочные сенсоры делятся на фотографические, телевизионные, сканерные, радиотепловые, радиолокационные.

Фотографические сенсоры образованы аналоговыми или цифровымикамерами, обеспечивающимиодномоментноеполучениевсегокадра снимка. Для съемки земной поверхности с пилотируемых космических кораблей используются фотокамеры КАТЭ-200, МК-4, КФА-1000,

12

КФА-3000 и др. Фотокамера МК-4, например, имеет 4 спектральных канала: 0,45–0,51 мкм; 0,52–0,57 мкм; 0,64–0,69 мкм; 0,81–090 мкм.

Фотоизображение отличается высоким разрешением и может быть увеличено в несколько раз без потери информации.

Телевизионные сенсоры работают в спектральном диапазоне 0,4– 0,9 мкм. Используются телевизионные камеры. Применение нескольких телекамер со светофильтрами позволяет получить многозональные изображения. По разрешению эти системы значительно уступают фотографическим, но их преимуществом является возможность получения непрерывноменяющегосявовремениизображения, котороепоканалам радиосвязи непосредственно поступает на пункт приема информации. Наибольшее применение телевизионные системы получили в метеорологических наблюдениях.

Сканерные сенсоры регистрируют изображение в виде отдельных полос – сканов. В отечественной геологии используются сканерные снимки ИСЗ системы «Метеор», где установлены устройства с малым разрешением – МСУ-М, со средним разрешением – МСУ-С, с конической разверткой МСУ-СК, с электронной разверткой – МСУ-Э. Преимуществом оптических камер с механическим сканированием по сравнению с телевизионными сенсорами является более широкий спектральный диапазон съемки (от 0,3 до 14 мкм). Недостаток – наличие механического устройства, снижающего долговечность и надежность аппаратуры.

Радиотепловые сенсоры представлены микроволновыми (СВЧ) радиометрами, регистрирующими тепловое излучение с длинами волн 1–700 мм. Они применяются при радиотепловой съемке, обладают низким разрешением.

Радиолокационные сенсоры используют зону электромагнитного спектра от нескольких миллиметров до метров. Для радарной съемки используют радиолокаторы бокового обзора (РЛБО), установленные на самолетах и на ИСЗ. Их преимуществом является возможность полученияизображениявночноевремяисквозьоблачныйслой. Отгенератора излучение в виде импульсов направляется к Земле. В интервалах между импульсами приемная антенна фиксирует отражение сигнала. Запись ведется с помощью электронно-лучевой трубки с последующим преобразованием в фотоснимок с помощью фотографирующего устройства. Важным преимуществом радарной съемки является возможность использования ее в любых погодных условиях, а также в ночное время.

13

Впоследнее время пространственное разрешение радиолокационных снимков вполне сопоставимо с пространственным разрешением снимков, выполненных в видимом диапазоне.

Средства передачи информации и наземные центры приема, обработки этой информации, доставки ее потребителю напрямую связаны со способами получения информации. При фотографической съемке результаты (фотопленка) поступают на Землю в спускаемых аппаратах. В наземных лабораториях их обрабатывают по технологиям, применяемым и в аэрофотосъемке. Использование цифровой техники позволяет осуществлять передачу информации по каналам радиосвязи.

Вэтом случае прием этой информации осуществляется специальными наземнымицентрамиприемаиобработкиинформации. Дляповышения экономическойэффективностиприприемеинформациидополнительно используются спутники связи, расположенные на геоцентрических орбитах. Угловая скорость вращения таких спутников равна угловой скоростивращенияЗемливокругсвоейоси. Благодаряэтомуспутники«зависают» над определенной точкой на земной поверхности и работают в режиме ретранслятора радиосигналов. Использование таких спутников позволяет отказаться от большого числа наземных пунктов приема, расположенных в разных местах.

1.3. Краткая характеристика космических съемочных систем некоторых стран

В настоящее время многие страны мира обладают своими системами дистанционного зондирования Земли, направленными на изучение природных ресурсов.

Система LANDSAT TM и ETM+ (Тематический картограф Лэндсат высокого пространственного разрешения, США) впервые начала действовать в 1972 г. Спутники работают на полярных солнеч- но-синхронных круговых орбитах высотой около 900 км с частотой повторной съемки 16–18 дней. Это первая программа коммерческого использования данных дистанционного зондирования Земли. Запущены спутники LANDSAT-1, 2, 3, 4, 5, 7. Спутник LANDSAT-6 потерпел ава-

рию при запуске. Спутник LANDSAT-5 исправно работает уже 25 лет. LANDSAT-7 запущен в 1999 г. и поставляет снимки высокого качества с размером кадра 185 на 185 км в 8 спектральных диапазонах с разрешением на местности до 15 м. На сегодняшний день глобальный архив LANDSAT-7 содержит покрытие почти всей поверхности земно-

14

го шара. Для целей геологического картирования снимки со спутника LANDSAT-7 предпочтительнее снимков всех других систем.

Французская система SPOT (Systeme Pour l´Observation de la Terre) начала работать в 1986 г. Космические снимки, полученные со спутников SPOT-1, 2, 4, 5 высокого и сверхвысокого разрешения (от 10 до 2,5 м) на местности. SPOT-5 дает возможность получения на одном витке стереоизображения поверхности Земли с разрешением 10 м.

Индийская система IRS (Indian Remout Sensing) создавалась как одна из самых высокотехнологичных с запуска в 1988 г. космического аппарата IRS 1А. В 1995 г. был выведен на орбиту IRS-1С, в 1997 г. аналогичный спутник. Их аппаратура обеспечивает многозональную съемкусразрешением5,8 мисполосойобзора70 км. В2005 г. запущен IRS-Р5 (Cartosat-1), предназначенный для получения стереоизображений высокой точности.

Японская система ADEOS (Advanced Earth Observation Satellite)

эксплуатируется с 1996 г. Высота полярной солнечно-синхронной орбиты – 797 км. Период повторного пролета – 41 день.

ЕвропейскаясистемаERS (European Remote Sensing Satellite) на-

чала работать с 1991 г. на полярной солнечно-синхронной орбите высотой 782 км.

Российскаякосмическаякартографическаясистема«Комета» с

топографической камерой ТК-350, панорамной камерой КВР-1000 позволяет выполнять стереосъемкус продольным перекрытием 60–80 % и поперечным – 10–30 %, с полосой захвата 200 км при длине маршрутов до 2000 км. Кроме того, в состав системы входит камера высокого разрешения КВР-1000 (с разрешением 2 м и с полосой захвата 160 км).

Российская система «Ресурс» (спутники Ресурс-О и Ресурс-Ф)

со сканирующими радиометрами МСУ-СК среднего разрешения (150– 250 м) иполосой600–710 кмобеспечиваетснимкивпятиспектральных диапазонах. СканирующийрадиометрМСУ-Эвысокогоразрешенияпо- зволяет получить полосу обзора 45–60 км с разрешением на местности 30–45 м в трех спектральных диапазонах. Спутники серии Ресурс-Ф, работавшие до 1994 г., были оснащены фотографическими камерами КФА-1000, КФА-3000, МК-4, КАТЭ-200. Они проводили съемку в оптическом диапазоне с разрешением от 2 до 30 м. В 2006 г. получены первые изображения метрового разрешения со спутника Ресурс-ДК.

Начиная с 1999 г., пять стран вывели на орбиты спутники с аппаратурой метрового и субметрового (0,6–0,7 м) разрешения, которую ра-

15

нее применяли только в оборонных целях. Это Ikonos-2, Quick-Bird-2, Orb View-3 (США); EROS-B (Израиль), KOMPSAT-2 (Корея); Cartosat-2 (Индия).

Литература к разделу 1: [1, 2, 3, 4, 5, 9].

2. МАТЕРИАЛЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Особенности дистанционного изображения поверхности Земли зависят от многих факторов: влияния атмосферы, растительного покрова, состава и строения горных пород, рельефа местности, а также используемых спектральных диапазонов электромагнитного спектра.

2.1. Физические основы дистанционного зондирования Земли

По длине волны электромагнитный спектр делится на несколько диапазонов. Самое коротковолновое излучение с длиной волны меньше двух тысячных долей микрометра (0,002 мкм) объединяет косми-

ческие лучи и гамма-излучение. От 0,002 мкм до 1000 мкм выделяется

оптический диапазон, в пределах которого действуют законы оптики. Диапазон длин волн от 1 мм до 1 м называют микроволновым, или СВЧ-диапазоном. При дистанционном зондировании Земли используется оптический диапазон электромагнитных волн и микроволновый участок радиодиапазона. Оптический диапазон включает рентгенов-

ское (0,002 мкм) и ультрафиолетовое (0,01–0,4 мкм) излучения, видимый диапазон (0,4–0,7 мкм), инфракрасный диапазон. В пределах инфракрасного диапазона выделяются ближний (до 1 мкм), средний (до 10 мкм) и тепловой инфракрасные диапазоны.

Видимый диапазон, который еще называют световым, состоит из синей (0,4–0,5 мкм), зеленой (0,5–0,6 мкм) и красной (0,6–0,7 мкм) частей.

Основным источником электромагнитного излучения является Солнце. Энергия излучения в солнечном спектре распределяется по закону Планка. Распределение носит логарифмически нормальный характер. При этом максимум интенсивности – примерно 0,9 Вт/(см²·мкм) – смещен в сторону коротких волн и соответствует зеленой части видимого диапазона. За пределами земной атмосферы распределение имеет вид плавной кривой, близкой к кривой излучения абсолютно черного тела при температуре 6000 К. У поверхности Земли форма этой кривой

16

существенно усложняется из-за взаимодействия излучения с атмосферой. Выделяют три основных типа такого взаимодействия: поглощение, рассеивание и рефракция. Излучение, прошедшее через атмосферу, частично отражается, а частично поглощается земной поверхностью. К отраженному излучению может добавляться собственное излучение Земли.

Поглощение излучения в атмосфере осуществляется различными газами. Наибольшей способностью к этому обладают озон (трехатомарный кислород), пары воды и углекислый газ. Львиная доля ультрафиолетового излучения поглощается в верхних слоях атмосферы озоновымислоями. Почтивсеизлучениевдиапазонахволн6–8 мкм, 19–20 мкм,

атакже в интервале от 33 мкм до 1 мм поглощается молекулами воды. Интенсивное поглощение углекислым газом происходит в широком диапазоне от 13 до 17 мкм, а также на длинах волн около 4,5 мкм. Излучение с длиной волны 10 мкм почти полностью поглощается молекулами кислорода. Таким образом, примерно половина интервала длин волн от 0 до 22 мкм оказывается совершенно бесполезной с позиций дистанционного зондирования земной поверхности, поскольку соответствующее излучение не может пройти через атмосферу. Для дистанционного зондирования используют только те диапазоны длин волн, которые расположены вне основных интервалов поглощения. Такие диапазоны называются окнами прозрачности атмосферы. К ним относятся окно прозрачности в видимом и инфракрасном диапазонах от 0,4 до 2,0 мкм,

атакже три окна в тепловом инфракрасном диапазоне – два вблизи 3 и 5 мкм и одно в интервале от 8 до 14 мкм. Еще одним относительно прозрачным диапазоном является микроволновый диапазон с длинами волн более 1 мм.

Рассеиваниеизлучениясвязаносизменениемнаправленияраспространения электромагнитных волн из-за их взаимодействия с молекулами газов ичастицамиразличногосостава, содержащимисяв атмосфере. При условии, что электромагнитное излучение взаимодействует с частицами, размер которых меньше длины падающего света, выделяется

Релеевскоерассеивание(рассеиваниеРелея). Величинаэтогорассеива-

ния обратно пропорциональна длине волны. Оно в основном связано с молекулами азота и кислорода и является причиной того, что в дневное время при отсутствии облачности небо имеет синий цвет.

Ми-рассеивание возникает, если длина волны соизмерима с размерами частиц, в качестве которых выступают аэрозоли – смесь газов, па-

17

ров воды и пыли. Оно преобладает в нижних слоях атмосферы в условиях сплошной облачности и проявляется в нескольких спектральных диапазонах: от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного.

Неселективное рассеивание возникает при условии, что размер частицсущественнобольшедлиныволныизлучения. Ктакимчастицам относятся капли воды и крупная пыль. Это рассеивание является причиной того, что облака выглядят белыми.

Взаимодействие излучения с поверхностью Земли делится на три типа: отражение, поглощение и пропускание. Отражение бывает зеркальным и диффузным. Его величина определяется альбедо – отражательной способностью земной поверхности. Альбедо измеряется в процентах отраженного излучения. Максимальным значением альбедо (до98 %) обладаетповерхность, покрытаяснегом. Поглощениеэлектромагнитного излучения горными породами приводит к их нагреванию, с которым связано последующее излучение.

2.2. Материалы дистанционного зондирования Земли

Для геологического дешифрирования используются различные виды аэрофотоснимков, а также космические снимки.

После выполнения аэрофотосъемки ее результаты (кассеты) с

заснятой пленкой передаются в фотолабораторию. Здесь пленка проявляется, сушится. На негативах для каждого снимка тонкими линиями ограничивается рабочая площадь. За пределами рабочей площади в северной части снимка указывается его порядковый номер, рядом с которым записывается дата проведения съемки (число, месяц, год). Методом контактной печати изготавливаются несколько комплектов аэрофотоснимков размером 18 × 18 см или 30 × 30 см. Первый комплект используется для получения репродукции накидного монтажа. Для этого на специальном столе все снимки выкладываются в виде накидного монтажа таким образом, чтобы видны были их номера, а перекрывающиеся части совмещались. Затем накидной монтаж фотографируют с помощью фотоаппарата, расположенного над монтажным столом. Полученную фотографию (репродукцию накидного монтажа) уменьшают до удобных размеров. Она служит для того, чтобы можно было быстро найти номер необходимого снимка. Затем снимки вновь выкладываются на монтажном столе. Их номера и все зарамочное оформление удаляются. Оставшиеся части снимков склеивают и получают фотосхему. Ее фотографируют также как накидной монтаж, трансформируют в один

18

из стандартных масштабов (1 : 10 000; 1 : 25 000; 1 : 50 000; 1 : 100 000),

совмещая с рамками соответствующего топографического планшета. По заявке заказчика может быть проведена фотограмметрическая обработка материалов, и на фотосхему тонкими темными или светлыми изолиниями (горизонталями) может быть нанесен рельеф территории. Фотосхема в этом случае преобразуется в фотоплан. Второй комплект контактных отпечатков изготавливают на глянцевой фотобумаге, а последующие (их количество определяет заказчик) – на матовой. Таким образом, в перечень материалов аэрофотосъемки, передаваемых за-

казчику, входят: репродукция накидного монтажа, фотосхема (и фотоплан – по отдельной заявке), комплект фотоснимков на глянцевой фотобумаге и комплекты на матовой. Важной составляющей перечня является «Паспорт аэрофотосъемки», в котором приводятся основные технические данные по используемым фотоаппаратам, параметрам полета и т. п. Негативы аэрофотосъемки передаются для хранения и последующего использования в специальные фонды.

По масштабу аэрофотоснимки (АФС) делятся на крупномасштабные (крупнее 1 : 10 000), среднемасштабные (в интервале от 1 : 10 000 до 1 : 50 000) и мелкомасштабные (более 1 : 50 000). Масштаб АФС определяется как отношение высоты фотографирования к фокусному расстоянию объектива аэрофотоаппарата.

В настоящее время вместо аналоговых АФС все большее применение находят снимки, полученные на основе цифровых технологий.

Особенности космических снимков (КС) зависят от технических параметров съемки (характеристика орбиты, тип сенсора, способ обработки материалов) и природных факторов (состояние атмосферы, сезон, ландшафтные особенности).

Масштабы КС, получаемых фотокамерами, зависят от высоты фотографирования, фокусного расстояния объектива, коэффициента увеличения, углов наклона и кривизны земной поверхности. В целом при высоте полета 200–500 км получают снимки масштабов от 1 : 50 000 до

1 : 250 000.

КС характеризуются четырьмя типами разрешения: спектральным, пространственным, радиометрическим и временным. Спектральное разрешение определяется величиной интервалов длин волн электромагнитного излучения. Чем уже интервалы (зоны) и чем их больше, тем больше информации можно получить для выделения исследуемых объектов. Пространственное разрешение характеризуется линейными размерами областей на земной поверхности, пред-

19

ставляемой одним пикселем. Различают снимки низкого (километры), среднего (сотни метров), высокого (десятки метров) и сверхвысокого (доли метра) разрешения. Радиометрическое (яркостное) разрешение характеризует число бит в цифровой записи каждой зоны снимка. Временное разрешение определяется частотой получения снимков для одной и той же территории на поверхности Земли.

УровнигенерализацииКСопределяютихобзорностьиранггеологических объектов, одновременно находящихся в поле зрения исследователя. КС глобального уровня генерализации получают с дальних расстояний (20–30 тысяч километров и более) при помощи межпланетных космических аппаратов. Такие снимки охватывают полушарие Земли илибольшуюегочасть. КСконтинентальногоуровнягенерализациисо средним пространственным разрешением охватывают площади в сотни тысяч и миллионы квадратных километров. КС регионального уровня генерализации обладают высоким пространственным разрешением. Площади их охвата – десятки тысяч квадратных километров. КС локального уровня генерализации обеспечивают высокое пространственное разрешение. Эти снимки представляют основной источник информации в космогеологическом картировании территорий в масштабах 1 : 1 000 000 и 1:500 000. КС детального уровня генерализации обладают высоким уровнем пространственного разрешения. Их используют наравне с аэрофотоснимками при проведении геологического картирования. Выделяют также подробный уровень генерализации со сверхвысоким разрешением на местности. Их применяют при составлении крупномасштабных геологических карт.

2.3.Обработка и преобразование материалов дистанционного зондирования Земли

Обработка материалов дистанционного зондирования бывает предварительной и специальной. Ранее обработка МДЗ выполнялась преимущественно фотографическими и оптико-электронными методами, а в настоящее время используются компьютерные технологии.

Предварительная обработка МДЗ включает геометрическую и радиометрическуюкоррекцииисходныхснимков, ихмасштабирование, координатную привязку и монтаж отдельных снимков в единое изображение. Предварительную обработку снимков осуществляют специализированные предприятия, у которых можно заказывать необходимые материалы.

20