2 курс / 2 семестр / Методы дистанционных исследований / Шалькевич Курс лекций

1.ВВЕДЕНИЕ

1.1.Аэрокосмические методы, их сущность и связь с географическими дисциплинами

Аэрокосмические методы в географии — это изучение закономерностей строения и развития географической оболочки Земли в целом или составляющих ее комплексов либо компонентов визуально с летательных аппаратов или путем дешифрирования снимков.

Аэрокосмические методы делятся на две основные группы: во-первых, визуальные исследования, включающие также глазомерную и полуинструментальную графическую съемки, и, во-вто- рых, различные виды съемок.

Съемка с летательных аппаратов составляет главную часть аэрокосмических методов. Она включает собственно съемку, составляющую преимущественно техническую задачу, и дешифрирование, или интерпретацию результатов съемки, что является географической задачей.

В качестве предмета географических исследований являются пространственно-временные свойства и отношения природных и социально-экономических объектов, проявляющиеся прямо или косвенно в собственном и отраженном излучении, дистанционно регистрируемом в виде снимка.

Метод аэрокосмических исследований основан на использовании снимков, которые, как показывает практика, представляют наибольшие возможности для географического изучения объектов.

Общей физической основой аэрокосмических методов является функциональная зависимость между регистрируемыми снимком параметрами излучения объекта и характеристиками, описывающими вид и пространственно-временное состояние объекта. С этой целью изучаются параметры регистрируемого излучения (интенсивность, спектральный состав и др.) в зависимости от влияния и оптико-метеорологических условий.

4

Развитие аэрокосмических методов базируется на достижениях таких дисциплин, как аэросъемка, космическая съемка, аэрофотография, математика, инженерная психология, фотограмметрия, дешифрирование, и других наук, от успехов которых прямо зависят возможности аэрокосмических методов и надежность получаемых с их помощью результатов.

В настоящее время трудно найти географическую науку, где не использовались бы аэрокосмические методы. Они прочно утвердились в метеорологических, геоморфологических, геологи- ческих, почвенных, геоботанических, гидрографических, океанологических исследованиях. В связи с этим появились такие разделы наук, как спутниковая метеорология, космическая гляциология, космическая картография и др.

Велика роль аэрокосмических снимков при изучении и картографировании ландшафтов. Результаты комплексного картографирования современных ландшафтов показывают высокую достоверность, точность, хорошую сопоставимость ландшафтных и отраслевых карт и их уникальное значение для прикладных ландшафтных исследований.

Особенно широко аэрокосмические методы используются в картографических исследованиях. Здесь выделяются два направления. В первом — аэрокосмические снимки используются для изготовления карт, что составляет основу аэрокосмического картографирования, в частности аэрофототопографии, космического картографирования. Во втором — аэрокосмический метод сочетается с картографическим методом географических исследований. Интеграция аэрокосмического и картографического методов в единый картографо-аэрокосмический метод исследований базируется на формировании знаний как через снимок, и затем карту, так и по параллельной схеме, в которой для познания объекта используются одновременно и снимок и карта, что служит их дальнейшему теоретическому обогащению и повышению практиче- ской значимости.

1.2.Роль и значение аэрокосмических методов

âгеографических исследованиях

Уже на первых этапах использования дистанционных съемок отмечалась их большая роль при изучении природных ресурсов Земли. Еще в 1930-е гг. академик А. Е. Ферсман писал, что аэрофотосъемка не только орудие для работы в труднодоступных областях земной поверхности, но и новый метод познания и пони-

5

мания ряда проблем в различных областях географии. Ферсман говорил, что ни один географ, изучающий какую-либо территорию, не может считать свою работу выполненной, если не проверит свои выводы путем визуальных наблюдений с самолета.

Однако в то время мало кто мог предвидеть, какое значение будут иметь мелкомасштабные космические снимки для изуче- ния Земли. В основном среди специалистов было широко распространено мнение, которое наиболее полно выражено в справочном руководстве по аэрофотографии, изданном в 1939 г., где написано: «Очевидно, нет никакого смысла проводить съемку на 100 км, если величина изображения будет настолько мала, что все детали будут меньше предела разрешения фотоэмульсии. Снимки горных цепей, полученные на больших расстояниях, несомненно, имеют рекламный характер и практически мало что дают». Поэтому появление информативных космических снимков было воспринято как революционное событие.

В настоящее время аэрокосмические методы имеют определяющее значение при разностороннем изучении и картографировании земной поверхности. Характерная особенность аэрокосмических методов состоит в том, что они являются дистанционными, не требующими прямого соприкосновения с объектом исследования и позволяющими свести непосредственные исследования к минимуму. Методы аэрокосмической съемки позволяют большую часть работы перенести в камеральные условия, увеличить скорость производства работ и вместе с тем увеличить достоверность и полноту результатов исследовательских и изыскательских работ.

Удобство работы со снимками заключается также в том, что к изображению можно обращаться неоднократно, изучать долгое время без больших затрат времени и средств, что затруднительно или невозможно при других методах, например традиционном для географии полевом экспедиционном методе исследований.

Однако самое главное заключается в том, что воздушные и космические снимки дают в руки исследователя новые сведения и факты, которые другими способами не могут быть получены.

Аэрокосмические методы, в отличие от традиционных, имеют ряд особенностей, которые и обуславливают их преимущества. Обзорность аэрокосмических снимков дает комплексное изображение ландшафтной структуры и позволяет проследить изменения компонентов биосферы на больших расстояниях и площадях в крупных региональных и глобальных размерах, при одних

6

условиях съемки. При этом удается выявить на снимках ряд неизвестных ранее закономерностей и процессов, происходящих в географической оболочке Земли.

Аэрокосмические методы позволяют изучать районы малодоступные для исследования их традиционными способами и средствами. Малонаселенные районы, горные, заболоченные и пустынные территории, удаленные акватории Мирового океана, территории Арктики и Антарктики одинаково успешно могут подвергаться дистанционным съемкам из космоса.

Повторяемость аэрокосмических съемок позволяет осуществлять периодичность наблюдений заданных регионов с любой регулярностью (годы, месяцы, дни, часы, минуты), что представляет возможность проследить динамику отдельных процессов и явлений во времени. Аэрокосмическая информация может служить также исходным материалом для целей картографического мониторинга природной среды, а карты мониторинга могут использоваться как фактический материал для обновления ранее составленных тематических карт и оперативного принятия решений по предотвращению негативных последствий хозяйственной деятельности в том или ином регионе.

Аэрокосмические съемки могут выполняться в широком диапазоне электромагнитного спектра от видимого до радиоволнового излучения, что дает возможность наблюдения в любое время года и суток, при любых погодных условиях, а также возможность изучения не только земной поверхности, но и объектов, находящихся на определенной глубине.

Одномоментность аэрокосмического изображения открывает особые возможности в тех случаях, когда нужна сопоставимая картина местности. На аэрокосмических снимках отражены значи- тельные территории на едином по времени уровне антропогенной измененности, поэтому они содержат вполне достоверные и сопоставимые данные для картографирования современного состояния природной среды. Непосредственное отражение на космических снимках получают различные виды использования земель, измененности ландшафтной структуры, состояние отдельных компонентов ландшафта (растительности, почв, поверхностных вод), стадии развития природных и антропогенных процессов.

Оперативность, быстрота получения информации, возможность доставки ее потребителю непосредственно в ходе приема с КА, а также использование компьютерных технологий для ее обработки позволяет представить информацию в разнообразных

7

формах с высокой наглядностью результатов. К настоящему времени аэрокосмические методы выросли в одно из мощных средств исследования природы. Эти методы исследования природных и антропогенных объектов и комплексов географического пространства Земли имеют для географии принципиально важное значение. Область применения аэрокосмических методов для решения народнохозяйственных задач непрерывно расширяется.

2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ МЕТОДОВ

С ранних этапов развития цивилизации и культуры человек стремился к созданию простейших технических средств для изу- чения окружающей среды. Примером таких средств могут служить ниломер, при помощи которого измерялся уровень воды в реке Нил, и примитивные дождемеры, известные древнегрече- ским ученым.

Возрастание интереса к углубленному изучению природных факторов и условий относится к XIII и XIX вв. Особенно этот процесс ускорился в XX в., чему способствовало применение для этих целей дистанционных методов. Под дистанционными методами следует понимать наблюдение какого-либо объекта при помощи прибора, отделенного от него на некотором расстоянии.

Исторически развитие дистанционных методов подразделяется на ряд этапов: воздухоплавание, авиация, ракеты и космиче- ские летательные аппараты.

2.1. Воздухоплавание

4 июня 1783 г. в небольшом французском городке Аннонэ братья Шозеф и Этьен Монгольфье впервые запустили воздушный шар, наполненный горячим воздухом, и тем самым практи- чески доказали возможность свободного полета. В этом же году был запущен воздушный шар, заполненный водородом, с клеткой с животными, а 21 ноября 1783 г. впервые на монгольфьере поднялись люди — Пилтар де Розье и маркиз д’Арманд. Первый полет на воздушном шаре в Минске состоялся только через 106 лет, его совершил Станислав Дравницкий.

Впервые воздушный шар в военных целях использовался во Франции в битве при Флерюсе 12 июля 1794 г., где французские

8

войска одержали победу, в значительной степени благодаря аэростату «Предприимчивый».

Âнаучных целях воздушные шары начинают использоваться

ñ1803 г. во Франции, где Робертсон предпринимает первые попытки изучения магнитного поля с аэростата, а 16 сентября 1804 г. Гей-Люссак с аэростатов на высотах более 6000 м занимался изучением атмосферы.

Â1833 г. впервые Ч. Уинстоном был изобретен прибор, названный стереоскопом, с помощью которого можно было полу- чать объемное изображение объектов. Он впервые объяснил механизм зрительного восприятия трехмерного изображения.

Новый этап в развитии дистанционных методов изучения Земли связан с изобретением фотографии, которое относится к 7 января 1839 г. Именно в этом году было обнародовано изобретение дагеротипии — закрепление изображения, получаемого камерой, на посеребренной медной пластинке, покрытой светочувствительным слоем. Авторами изобретения были физик Ньепс и художник Д. Даггер, которые использовали открытие Шульца, установившего в 1727 г. светочувствительность галлоидных солей серебра, а также изобретение Леонардо да Винчи, который еще в 1500 г. дал первое точное описание камеры-обскуры, без которой было бы невозможно получение изображений на светочувствительных слоях. Термин «фотография» появился также в 1839 г., и в этом же году Фредриком Перуа была получена первая фотография, на которой было запечатлено Солнце. С появлением первой фотографии уже в 1840 г. французским ученым Арго были отмечены большие возможности использования ее в топографических целях. В 1841 г. был разработан и изготовлен фотографический объектив, состоящий из нескольких линз (Пецваль). Однако первая фотография с воздушного шара была получена Феликсом Турнашоном только через 20 лет после ее изобретения, известным больше под псевдонимом Надар, который был другом писателя Ж. Верна. В 1855 г. у Надара зародилась идея сфотографировать поверхность Земли для составления планов местности. В 1858 г. ему удалось получить с привязного аэростата единственную фотографию небольшой деревеньки под Парижем.

Последователями Надара стали американцы Кинг и Блок, которые в 1860 г. с привязного шара фотографировали г. Бостон. В 1862 г. во время гражданской войны североамериканские войска успешно использовали фотоаппарат при рекогносцировках с привязных аэростатов г. Ричмонда. Полученные фотографии этого

9

города с высоты 350 м отличались более высоким качеством, на них город был разбит на квадраты, а с рекогносцировочного воздушного шара передавались по телеграфу точные сведения о передвижении войск противника по этим квадратам. Сложность в получении качественных снимков с воздушных шаров заключалась в колебательных движениях шара и отсутствии высокочувствительных материалов.

Первое фотографирование со свободного аэростата фотоаппаратом, снабженным затвором, работающим с выдержкой 1/20 с, и заряженными сухими пластинами, было выполнено в 1880 г. Павлом Демарэ под Руаном с высоты 1100 м. В России первые фотографии с воздушного шара были получены поручиком А. М. Кованько 18 мая 1886 г. с высот 800, 1000, 1200 м. На первой из них была запечатлена река Нева, на второй — Васильевский остров, на третьей — Петропавловская крепость.

Первые фотографии с воздушного шара получили высокую картографическую оценку. Так, Л. Н. Звагинцев, который выполнял воздушные съемки первым специальным аэрофотоаппаратом В. И. Серезневского, в 1887 г.: писал «...снимки с шара ...

далеко превосходят все, что до сих пор было сделано в области геодезических съемок. В особенности в местностях плоских и лесистых им без сомнения принадлежит будущность. Недалеко то время, когда будет казаться странным, как могли так долго обходиться без воздушных снимков».

Роль фотографий, получаемых с воздушных шаров, значи- тельно возросла с открытием новой технической дисциплины под названием фотограмметрия. Изобретателем фотограмметрии счи- тается французский инженер Э. Лосседа. В его честь Французская академия наук учредила премию имени Э. Лосседа, которой был награжден русский создатель нескольких поколений отечественных объективов для фотоаппаратов М. М. Русинов.

Еще до появления фотографии в 1791 г. французским гидрографом Ботаном-Бопрэ был реализован способ развертывания перспективного рисунка местности в ее план. Этот способ был описан автором в 1835 г. и основывался на труде И. Г. Ламберта по свободной измерительной перспективе, опубликованном еще в 1759 г. С именем Ламберта связаны два важных направления дистанционных методов — фотограмметрия и оптика ландшафта, он также подготовил решение задачи по построению планов с помощью фотоизображений.

10

В 1898 г. русским инженером Р. Ю. Тилле был сконструирован и создан для воздушных съемок новый аппарат — панорамограф. Аппарат состоял из семи объективов: один в центре, а остальные шесть — по окружности вокруг него. С помощью этого аппарата можно было получить фотографию земной поверхности от горизонта до горизонта. С помощью панорамографа Тилле впервые осуществил маршрутное фотографирование для создания плана местности.

Конец XIX в. ознаменовался открытием К. Пульрихом новой дисциплины — стереофотограмметрии, а в начале 1900 г. им же был создан стереокомпаратор для стереоизмерений пары снимков, полученных с помощью фототеодолита, в котором был применен способ двух марок.

Конец ХIХ — начало XX в. ознаменовались широким использованием аэростатов в различных областях науки и практики. Решаются новые научные задачи, связанные с изучением атмосферы и для метеорологических целей. В 1904—1905 гг. воздушные рекогностировки и фотографирование с аэростатов широко использовались в русско-японской войне.

Большую роль для развития дистанционных методов в России сыграло Русское техническое общество, в котором было организовано два отдела: V отдел — фотографический (1878 г.) и VII отдел — воздухоплавания (1880 г.). Значительное участие в проведении научных исследований с воздушных шаров принимает Русское географическое общество.

Дальнейшее развитие воздухоплавания шло по двум направлениям. Первое направление заключалось в разработке управляемых воздушных шаров. Второе направление было связано с конструированием аэростатов для полетов на большие высоты.

2.2. Авиация

Первый аэроплан изобрели и подняли в воздух в декабре 1903 г. американцы, братья Вильбур и Орвил Райт, который смог продержаться в воздухе 39 с. Авиаконструированием занимались также французы, которые стремились первыми взлететь в воздух. Впервые это удается осуществить в 1906 г. Сантосу-Дюмону, который поднимается в воздух на самолете своей конструкции и пролетает 70 м. Однако первое фотографирование с самолета все же было выполнено Вильбуром Райтом в 1909 г.

В 1910 г. в России С. А. Ульянин создал фотоаппарат для съемки с аэроплана. В 1913 г. офицер русской армии В. Ф. Потте

11