Дистанционное зондирование Земли

Специальная обработка МДЗ применяется для извлечения максимально полной информации при дешифрировании. Такая обработка выполняется компьютерными средствами не только для цифровых, но и дляаналоговыхснимков. Спомощьюспециальнойобработкивозможно преобразование структуры изображения и спектральных характеристик материалов дистанционного зондирования.

Синтез спектральных каналов заключается в том, что изображениям различных спектральных каналов могут присваиваться любые оттенки из трех основных цветов: синего, зеленого, красного. Их компьютерные комбинации (256 × 256 × 256) весьма значительны. Путем перебора вариантов цветовых изображений различных каналов съемки отыскиваются наиболее информативные комбинации для выделения тех или иных объектов дешифрирования.

Классификации – это использование отношений попиксельных спектральных характеристик изображения путем построения спектрального образа объекта. При неконтролируемой классификации пиксели изображения автоматически разбиваются на указанное количество спектральных классов. При использовании метода контролируемой классификации задаются эталонные области (области обучения), по которым выделяются все элементы территории, имеющие сходные спектральные характеристики. Полученные классы могут векторизоваться в тематические слои: реки, озера, леса и т. п.

Вычленение – это получение отдельных изображений каких-либо элементов снимка (гидросети, линеаментов, горизонталей рельефа и т. п.).

Фильтрация направлена на выделение тех или иных деталей изображения. Низкочастотная фильтрация подчеркивает крупные структурные элементы и может быть использована при уточнении блокового строения территории. Высокочастотная фильтрация позволяет подчеркнуть наиболее мелкие элементы и делает более контрастными линейные геологические элементы. Направленную высокочастотную фильтрацию полезно проводить для целей линеаментного анализа. Кроме того, используются специальные фильтры для подчеркивания контуров объектов. Принцип действия фильтров основан на преобразовании яркости каждой точки изображения на основе информации о яркости ее соседей в ограниченной окрестности. В частности, сглаживающие фильтры (Average, Brawn, Medium, Graham и др.) позволяют снять по-

мехи и выделить однородные участки изображения. Фильтры, подчер-

21

кивающие перепады яркости (Sobel, Sharp, Prewitt и др.), применяются при разграничении различных объектов. Существуют программы, позволяющие проводить локальную фильтрацию, выбирать интервалы фильтрации, исключать случайные помехи («шумы») и пр.

Межканальные (арифметические) преобразования – это стан-

дартные межканальные операции, позволяющие проследить изменение спектральных характеристик изображения и выделить объекты, отличающиеся в выбранных спектральных диапазонах.

Континуализация – перевод дискретных элементов изображения в непрерывное изображение, при котором происходит его трансформация (например, построение в изолиниях карты плотности линеаментов).

Фотограмметрическая обработка снимков направлена на вы-

полнениеизмеренийнаснимках, составляющихстереопару. Вгеологических исследованиях результаты такой обработки используются при определении элементов залегания горных пород, пространственных параметров сместителей разломов, относительных превышений площадок речных террас и т. п. Определение высот точек на местности основано на зависимости между разностью продольных параллаксов двух точек на аэрофотоснимках и разностью высот этих точек на местности. Продольным параллаксом называется разность абсцисс одноименных точек на правом и левом снимках стереопары.

При подготовке к измерениям на левом и правом снимках стереопары находят их главные точки (рис. 1). Для этого с помощью линейки и карандаша соединяют марки на краях снимков. Затем с помощью стереоскопа определяют положение главной точки левого снимка на правом и правого снимка на левом. На каждом из снимков проводят линию, проходящую через главные точки и их проекции. Эта линия отражает направление полета самолета и служит осью координат, относительно которой проводятся измерения. В самом начале определяют расстояние между главными точками стереопары и их проекциями. Это расстояние соответствует базису фотографирования в масштабе снимков. На местности оно соответствует расстоянию, которое пролетает самолет между двумя щелчками затвора фотоаппарата (базис фотографирования на местности). Затем находят разности продольных параллаксов для точек на местности, между которыми необходимо определить превышение.

22

Рис. 1. Стереопара аэрофотоснимков

Результаты измерений подставляют в формулу:

h = H p / (b + p),

где h – превышение данной точки над исходной (в м); H – высота фотографирования над исходной точкой (в м); b – базис фотографирования в масштабе снимка; p – разность продольных параллаксов между данной точкой и исходной.

В полевых условиях измерения проводят с помощью простейших приборов – параллактических линеек или специальных палеток геолога – дешифровщика (ПГД-1 и др.).

23

2.4. Обработка и преобразование цифрового рельефа

Важнейшим параметром при геологическом дешифрировании является рельеф земной поверхности. Благодаря развитию сети Интернет и дистанционному зондированию Земли, в свободном доступе появилось большое количество данных о рельефе земной поверхности. Широко известна глобальная цифровая модель высотных отметок GTOPO30 (DEM) синтерваломсетки30´ (примерно1 кмпомеридиану). В2000 годуNASA и NGA была проведена радарная стереосъемка поверхности Земли и получены данные по 80 % поверхности суши между 56º южной и 60º северной широты с разрешающей способностью около 30 м. На основании базвысотныхотметоксоставленапятисотметроваямодельрельефаDTM (Digital Terrain Model).

Другими материалами для компьютерной обработки рельефа могут служить топокарты, преобразованные из растрового формата в векторный. Компьютерные программы обработки рельефа позволяют выделять линеаменты и линеаментные зоны, выраженные в современном рельефе, поверхности выравнивания и др. Трехмерные модели рельефа дают наглядное представление о соотношениях различных форм.

2.5. Пакеты программ для обработки и анализа материалов дистанционного зондирования Земли

В современном программном обеспечении имеется целый ряд пакетов ГИС для обработки космических и аэроснимков, различной картографической и геофизической информации. Коммерческие пакеты программ обычно имеют универсальное ядро и настраиваемые на конкретные задачи модули. Использование этих пакетов позволяет решать практически любые задачи дистанционного исследования территорий. ВРоссиинаиболееизвестнытрисистемы– ERDAS Imagine, ER Mapper, TNTmips.

Первая система (ERDAS Imagine) разработана фирмой ERDAS Incorporation (США) и является лидирующим программным продуктом, ориентированным на работу с изображением. Ядром системы ERDAS Imagine 8,5 является один из трех вариантов базовых пакетов: IMAGINE Essentials, IMAGINE Advantage, IMAGINE Professional. Каждыйследую-

щийпакетвключаетпредыдущиеирасширяетихвозможности. Базовый пакет включает функции: геометрические преобразования, трансформирование и привязку данных к системам координат и картографическим проекциям; построение бесшовных мозаик из нескольких изображений,

24

объединяющихся в один файл; векторизация растровых данных; гистограммные преобразования, сравнения; цветовые преобразования; фильтрации; анализ методом главных компонент; средства классификации (с обучением и без обучения); модуль обработки данных РЛ-съемки. Достоинством системы являются самый полный набор функциональных возможностей среди аналогичных пакетов, интеграция с ArcInfo, ArcSDE, мощная система классификации на основе экспертных систем, возможности выбора области обработки, многоплатформенность.

Вторая система (ER Mapper) разработана австралийской компанией Earth Resourse Mapping Ltd. Кроме уникальной технологии обработки данных, к достоинствам системы относится интегрированный и перспективный просмотр моделей, просмотр моделей «в полете»; перспективное отображение в одном окне нескольких 2D и 3D поверхностей; возможностьсозданияалгоритмоввдиалоговомрежимесиспользованием трехмерных функций; построение цифровых моделей рельефа; наличие блока обработки космических радиолокационных снимков.

Система TNTmips разработана компанией MicroImages (США) и предназначена для обработки данных дистанционного зондирования, цифровой картографии, ГИС. ГИС-пакет системы обладает всеми стандартными возможностями растровых и векторных ГИС и средствами для работы с моделями рельефа, позволяет объединять растровые, векторные и другие данные в одном окне.

Кроме этих систем, наиболее известных в России, можно отметить другие системы.

Система IDRISI (США) – растровый ГИС-пакет со всеми стандартными возможностями автоматизированной обработки изображений. Достоинствами системы являются мощный аналитический аппарат в сочетании с уникальной системой дешифрирования МДЗ и возможность совместного использования векторной и растровой моделей рельефа.

Одним из лидеров на мировом рынке является канадская компания PCI (EASI/PACE). В состав полнофункционального пакета входят модули, обеспечивающие геометрическую коррекцию, поддержку более 20 картографических проекций, атмосферную коррекцию, обработку стереопар, анализ рельефа. Разработанный специально для геологов и геофизиков модуль GeoAnalist позволяет интегрировать геолого-геофи- зические данные.

Система GeoImage, разработанная французской компанией GEOIMAGE, предназначена для обработки изображений, использующихся в картографии. Система обладает мощными средствами для те-

25

матической обработки данных дистанционного зондирования и создания цифровых моделей рельефа.

Среди российских программных продуктов можно отметить про-

граммуPHOTOMOD (ЗАО«Ракурс»), предназначеннуювосновномдля фотограмметрии; программуLESSA («Ланэко»), котораяпредназначена для выделения линейных объектов и работы с цифровыми моделями рельефа. В ИТЦ «СканЭкс» создана серия программ для обработки различных дистанционных данных, в том числе для обработки снимков Aster и IRS, для тематической обработки растровых изображений на основе алгоритмов нейронных сетей.

Литература к разделу 2: [1, 2, 7, 8, 9, 10, 14].

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕШИФРИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

3.1. Общие принципы дешифрирования материалов дистанционного зондирования

Поддешифрированиемснимковпонимаютобнаружение, распознавание и истолкование (интерпретацию) объекта или явления. При геологическом дешифрировании выявляется геологическая природа объектов, не только выходящих на земную поверхность, но и скрытых растительным покровом, рыхлыми отложениями. Различают визуальное, автоматизированное и автоматическое дешифрирование.

Визуальное дешифрирование проводится по одиночным снимкам и стереопарам с использованием оптических, анаглифических и поляроидныхспособовполученияобъемногоизображения. Вгеологической практике наиболее широко распространен оптический способ, подразумевающий применение зеркальных, зеркально-линзовых, портативных линзовых стереоскопов. В последнее время визуальное дешифрирование осуществляется преимущественно с применением компьютерных технологий на экране монитора. Визуальное дешифрирование в значительной степени зависит от зрительного восприятия, знакомства геолога с особенностями геологического строения и ландшафта территории, его профессионального уровня и опыта работы. Этим объясняются различия в результатах дешифрирования, полученные разными авторами.

Автоматизированное дешифрирование – это процесс компью-

тернойобработкиматериаловдистанционногозондирования, представ-

26

ленных в цифровом виде. Оно включает ввод изображений в компьютер, тематическое дешифрирование и интерпретацию результатов. Формировать базу данных, обрабатывать МДЗ и цифровой рельеф, проводить дешифрирование позволяют геоинформационные системы. Базы данных включают аэрокосмическую информацию, цифровой рельеф, геологические, геоморфологические, геофизические и другие данные, приведенные к единой топографической проекции. В процессе дешифрирования выбирается определенная последовательность операций, направленная на повышение информативности изображения.

Автоматическое дешифрирование – это совокупность методов формализованного компьютерного анализа изображений. Один из таких методов, применяемый в геологии, – классификация, т. е. автоматическое выделение объектов или классов объектов по их яркости, геометрическим свойствам и их последующая обработка и интерпретация. Разные объекты имеют разные спектральные характеристики. Дешифрирующая (распознающая) система производит серию измерений образа, подлежащего классификации, и сравнивает их с набором эталонных данных. Используются и более сложные пространственные и временные измерения. В автоматическом режиме проводится также выделение линеаментов.

3.2. Дешифровочные признаки

Дешифровочные признаки – это признаки, позволяющие выделить изучаемые объекты (геоморфологические, литологические, структурныеидр.). Выделяютсяпрямыеикосвенныедешифровочныепризнаки.

Прямые признаки – это признаки, из которых складывается зрительный образ объекта. Среди них: цвет, фототон и его структура (оптические характеристики), размер и форма (геометрические характеристики), т. е. собственное изображение объекта непосредственно на снимке. Прямыепризнакипригеологическомдешифрированиииспользуются в открытых районах, где горные породы непосредственно выходят на дневную поверхность.

Косвенные признаки характеризуют объект дешифрирования опосредованно, через какой-то другой природный компонент. В соответствии с этим признаки делятся на геоморфологические, гидрогеологические, геоботанические и др. В совокупности они образуют природные комплексы и определяются как ландшафтные признаки. Ко второй группе относятся техногенные (антропогенные) косвенные признаки,

которые еще называют социально-географическими. Они обычно дополняют первую группу.

27

Наиболееважной составляющейкосвенных признаков являетсярельеф. Его формы тесно связаны с рельефообразующими процессами, сопряженными с ними континентальными отложениями, с тектоническими структурами (структурно-денудационный рельеф) и неотектоническими движениями. Элементы ландшафта могут проявлять геологические объекты, которые непосредственно на материалах дистанционного зондирования не наблюдаются. Особое значение ландшафтные индикаторы имеют в закрытых, заболоченных, покрытых лесом территориях. Ландшафтные признаки в основном имеют локальное распространение, но среди всего их разнообразия можно выделить типичные, многократно повторяющиеся сочетания – рисунки изображения. Выделяют также контекстуальные (топологические) признаки, которые характеризуют свойства земной поверхности, выявляющиеся для конкретного объекта при анализе признаков его окружения.

3.3. Методы дешифрирования

Различают прямой, контрастно-аналоговый и ландшафтно-индика- ционный методы дешифрирования, применение которых определяется, прежде всего, геологическим строением изучаемой территории.

Прямой метод используется только в открытых в геологическом отношении территориях, где коренные породы выведены непосредственно на дневную поверхность. Этот же метод может быть использован при дешифрировании четвертичных отложений, а также при геоморфологическом картировании, выполняющемся в составе работ по геологической съемке территории. Различия в окраске пород на цветных снимках, градации фототона на черно-белых фотоснимках, структурафототонаобусловленынепосредственносвойствамигорныхпород, их выраженность в рельефе связана с устойчивостью против агентов денудации, наличие бронирующих горизонтов позволяют определить характер залегания пород, а также элементы залегания. Прямой метод дешифрирования при возможности его применения – это наиболее эффективный метод картирования геологических границ. Он позволяет непосредственно выделять разрывные нарушения, определять их кинематические типы и амплитуды смещений, исследуя смещения геологических границ. Особенно велика его роль в труднодоступных горных районах. Опытным путем установлено, что в процессе полевых работ подтверждается 90–100 % выявленных при дешифрировании объектов.

Контрастно-аналоговый метод дешифрирования используется каквоткрытых, такивзакрытыхрайонах. Методоснованнавыявлении

28

связей составляющих ландшафта с геологическим строением и сравнении выявленных связей с эталонными объектами в геологическом отношении однотипных площадей. Обычно геологические структуры одного генезиса и истории развития имеют сходные изображения на МДЗ, и это позволяет дешифрировать по аналогии родственные геологические образования. Однако при дешифрировании необходимо учитывать явление конвергенции, когда одинаковые геологические образования изображаются по-разному, а разные по происхождению – одинаково.

Ландшафтно-индикационный метод дешифрирования приме-

няют в геологически закрытых районах при работе с аэроснимками и космическими снимками среднего и высокого разрешения. Ландшафт – это однородная по происхождению и развитию территория, обладающая единым геологическим строением, единым рельефом, общими характеристиками подземных и поверхностных вод, почв, общим климатом, общими растительными и животными сообществами. Индикатор – это наблюдаемый на снимке признак, который позволяет установить трудно наблюдаемый или скрытый геологический объект. Индикационные связи– этосвязиявныхэлементовландшафтасоскрытымигеологическими объектами. В природе не существует универсальных ландшафтных индикаторовгеологическихобразований. Поэтомудлякаждогорайонапри дешифрировании необходимо проводить исследование индикационных свойств ландшафтов не только на основе результатов дешифрирования, но и с использованием данных наземных (полевых) наблюдений.

Литература к разделу 3: [1, 2, 3].

4. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕШИФРИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

В геологических исследованиях материалы дистанционного зондирования Земли находят широкое применение. Это, прежде всего, различные виды геологического картирования, поисковых и геолого-съе- мочных работ; гидрогеологические, инженерно-геологические и эко- лого-геологические исследования. Во всех этих направлениях, кроме соответствующей специфики, проводится дешифрирование коренных (дочетвертичных) пород, четвертичных отложений, разрывных нарушений, а также рельефа земной поверхности. При этом основным видом дешифрирования остается визуальное дешифрирование, что связано со сложностью и разнообразием изучаемых объектов, в большинстве сво-

29

ем не поддающихся формальным характеристикам, необходимым для использования компьютерных программ. Главное значение приобретают опыт и квалификация геолога-дешифровщика.

4.1. Дешифрирование коренных пород

При дешифрировании коренных (дочетвертичных) образований выявляются их вещественный состав и генезис, характер залегания. В генетическом отношении выделяются осадочные, магматические и метаморфические породы. Для целей дешифрирования состава и генезиса горных пород наиболее пригодны аэрофотоснимки крупного масштаба (1 : 25 000 и крупнее) и космические снимки высокого пространственного разрешения.

Осадочные породы дешифрируются по характерному полосчатому рисунку изображения, обусловленному слоистостью. Определение вещественного состава осадочных пород – задача сложная и во многих случаях невыполнимая. В целом их достаточно легко можно разделить на рыхлые (пески, алевриты, глины и др.) и литифицированные (конгломераты, песчаники, алевролиты, известняки, доломиты, мергели и др.). Литифицированные осадочные породы характеризуются резкими очертаниями образующегося по ним рельефа, крутыми и вертикальными склонами, отчетливо проявленной трещиноватостью.

Карбонатные породы обычно обладают светлой окраской (до белой – для выходов писчего мела и мергелей), отчетливо выраженной трещиноватостью, развитием различных поверхностных и провальных карстовых форм рельефа.

Длярыхлыхотложений, наоборот, свойственныплавныеочертания рельефа, пологие склоны. Трещины в них, как правило, не проявлены. Песчаные отложения часто обладают светлой окраской, которая особенно характерна для конусов выноса в устьях и днищах небольших овражных долин и склоновых оврагов. Светлый фототон характерен и для грунтовых дорог на песчаных грунтах. На приводораздельных поверхностях песчаные отложения обладают неровным рельефом, образующимся за счет суффозионно-просадочных или эоловых процессов. Глинистые отложения чаще всего дешифрируются по темной окраске. К их выходам на склонах обычно приурочены места повышенного увлажнения, слабая заболоченность, родники, оползни различных размеров. На водоразделах близповерхностное залегание глин диагностируется по солонцам, верховым болотам с высокой и густой болотной

30