lekcii

Аэрокосмические методы, их сущность и связь с географическими дисциплинами
Аэрокосмические методы в географии – есть методы изучения закономерностей строения и развития географической оболочки Земли в целом или составляющих ее комплексов или 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-вторых, 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.
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, геологических, 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 широко 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 практической значимости.
1.2. Роль и значение аэрокосмических методов в географических исследованиях
Уже на первых этапах использования дистанционных съемок, отмечалась их большая роль при изучении природных ресурсов Земли. Еще в 30-е годы академик А.Е. Ферсман писал, что аэрофотосъемка не только орудие для работы в труднодоступных областях земной поверхности, но и новый метод познания и понимания 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 изучения Земли. В основном среди специалистов было широко распространено мнение, которое наиболее полно выражено в справочном руководстве по аэрофотографии, изданном в 1939г., 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 неопределенно 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 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 значительные 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 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 изучения окружающей среды. Примером таких средств может служить ниломер, при помощи которого измерялся уровень воды в реке Нил, и примитивные дождемеры, известные древнегреческим ученым.
Возрастание интереса к углубленному изучению природных факторов и условий относится к XI11 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 космические летательные аппараты.
2.1. Воздухоплавание
4 июня 1783г. в небольшом французском городке Анноне братья Жозеф и Этьен Монгольфье впервые запустили воздушный шар, наполненный горячим воздухом и тем самым практически доказали возможность свободного полета. В этом же году был запущен воздушный шар заполненный водородом и 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 войска одержали победу, в значительной степени благодаря аэростату «Предприимчивый».
В научных целях воздушные шары начинают использоваться с 1803 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.
В 1833 г. впервые Ч.Уинстоном был изобретен прибор, названный стереоскопом, с помощью которого можно было получать 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 дагерротипии - закрепление изображения, получаемое 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 1841г. был разработан и изготовлен фотографический объектив, состоящий из нескольких линз (Пецваль). Однако первая фотография с воздушного шара была получена Феликсом Турнашоном только почти через 20 лет после ее изобретения, известным больше под псевдонимом Надар, который был другом писателя Жюля 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 1860г. 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 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 отсутствием высокочувствительных материалов.
Первое фотографирование со свободного аэростата фотоаппаратом, снабженным затвором, работающим с выдержкой 1/20 с и заряженными сухими пластинами, было выполнено в 1880г. Павлом Демарэ под Руаном с высоты 1100 м. В России первые фотографии с воздушного шара были получены поручиком А. М. Кованько 18 мая 1886г. с высот 800, 1000, 1200 м. На первой из них была запечатлена река Нева, на второй – Васильевский остров, на третьей – Петропавловская крепость.
Полученные первые фотографии с воздушного шара получили высокую картографическую оценку. Так Л.Н. Звагинцев, который выполнял воздушные съемки первым специальным аэрофотоаппаратом В.И.Серезневского в своей книге (1887г.) 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 значительно возросла с открытием новой технической дисциплины под названием фотограмметрия. Изобретателем фотограмметрии считается 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 1791г. 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 Ламберта по свободной измерительной перспективе, опубликованной еще в 1759г. С именем Ламберта связаны два важных направления дистанционных методов – фотограмметрия и оптика ландшафта, он также подготовил решение задачи по построению планов с помощью фотоизображений.
В 1898г. 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 столетия ознаменовался открытием К.Пульрихом новой дисциплины стереофотограмметрии, а в начале 1900г. им же был создан стереокомпаратор, для стереоизмерений пары снимков полученных с помощью фототеодолита, в котором был применен способ двух марок.
Конец ХIХв. начало XXв. ознаменовалось широким использованием аэростатов в различных областях науки и практики. Решаются различные научные задачи, связанные с изучением атмосферы и для метеорологических целей. В 1904-1905гг. 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 (1878г.) и VII отдел - воздухоплавания (1880г.). 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 1903г. американцы братья Вильбур и Орвил Райт, который смог продержаться в воздухе 39с. Авиаконструированием занимались и другие французы, которые стремились первыми взлететь в воздух. Первому это удается осуществить в 1906г. 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 1909г.
В 1910г. в России С.А.Ульянин создал фотоаппарат для съемки с аэроплана. В 1913г. офицер русской армии В.Ф.Потте впервые изобрел и создал пленочный полуавтоматический аэрофотоаппарат для маршрутной и площадной съемки. Фотопленка из гибкого материала была создана в России в 1879г. И.В.Болдыревым.
Авиация начинает широко использоваться не только как транспортное средство, но и для проведения фотографирования и визуальных наблюдений. Быстрому развитию аэрофотосъемки способствует уже имеющаяся техническая база, которая была создана в период воздухоплавания. Широко начинают использоваться, многообъективные аэрофотоаппараты конструкции Ф.В.Дробышева, немецкой фирмы К.Цейс, которые отличались от панорамографов тем, что у них использовалась одна камера с несколькими объективами. Другим направлением в развитии аэрофотоаппаратостроения явилось и конструирование и создание широкоугольных и сверхширокоугольных камер, снабженных ортоскопическими объективами, позволяющими вести фототопографические работы. В СССР это направление возглавлял известный конструктор М.М. Русинов. Определенный вклад в конструирование фотоаппаратов внес белорусский фотограф Сизигмунд Сикорский, который в   30-е годы изобрел затворку для фотоаппарата.
Авиация начинает широко использоваться в научно-практических целях. В 1914г. русским летчиком И.И. Нагурским были выполнены аэровизуальные наблюдения в Арктике при поисках экспедиции Седова. В 1915г. уже по аэрофотоснимкам была составлена карта Мазурских болот. В 1919-1920гг. аэрофотосъемка использовалась во Франции при гидрографических работах, а в США и Канаде в лесном деле.
Становление гражданской аэрофотосъемки в России, которое происходило в 20-е годы, связано с именем М.Д. Бонч-Бруевича, которого по праву называют, дедушкой русской аэрофотосъемки. Автоматические аэрофотоаппараты, приобретенный опыт аэрофотосъемочного самолетовождения позволили сплошь покрывать аэрофотоснимками значительные территории. Одной из первых таких крупных работ была аэрофотосъемка марийских лесов с изготовлением по аэрофотоснимкам уточненных фотосхем.
Топографо-геодезическая служба приняла на вооружение аэрофотосъемку, для производства которой нужна ясная солнечная погода, не сразу, а лишь в 30-е годы. Сначала внедряется в картографическое производство комбинированная съемка (Н.М. Алексапольский, Г.Ф. Гапочко, 1930), при которой по аэрофотоснимкам составлялась только контурная часть, а затем и стереотопографическая съемка, предусматривающая и рисовку рельефа по стереопарам аэрофотоснимков путем трассирования горизонталей на оригинальном приборе-стереометре (Ф.В.Дробышев, 1934). Рассчитан и изготовлен широкоугольный ортоскопический с достаточной светосилой аэрофотосъемочной объектив (М.М.Русинов, 1935) упростивший задачу получения топографических аэрофотоснимков обширных территорий. Интенсивно развиваются теоретические вопросы аэрофототопографии (Л.М.Гольдман, Н.Г.Кель, М.Д.Кокшин, В.Я.Михайлов и др.).
Получают развитие спектрофотометрические исследования (Е.Л.Кринов, 1947). Химическая промышленность освоила выпуск цветофотографических материалов обеспечив производственное применение цветных и спектрозональных аэрофотоснимков.
Для сгущения опорной геодезической сети по аэрофотоснимкам разработан метод пространственного фототриангулирования, аналитический вариант которого предусматривал выполнение громоздких вычислений на ЭВМ еще первого поколения (А.Н.Лобанов, 1952).
Интенсивное применение аэрофотосъемки в различных отраслях науки и народного хозяйства потребовало создания целого рядя институтов и специализированных предприятий. В 1929г. в Ленинграде был организован научно-исследовательский институт аэросъемки, первым директором которого был А. Е.Ферсман. Позже на базе слияния институтов аэросъемки (Ленинград) и геодезии и картографии (Москва) был создан Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии. В 1939г. для координации аэрометодических работ при Отделении геолого-географических наук АН СССР была создана комиссия по применению аэрометодов, которую возглавил А.Е.Ферсман. В 1944г. комиссия была преобразована в Лабораторию аэрометодов АН СССР (ЛАЭМ), которую с 1947г. возглавил Н.Г.Келль. В ЛАЭМ проведены большие работы по развитию аэрофотографии, фотограмметрии и применению авиации в различных направлениях, связанных с геолого-географическим изучением Земли. В связи с широким применением аэрофотосъемки в различных областях народного хозяйства назревает необходимость создания специализированных предприятий, для координации работ по ее внедрению и использованию: «Сельхозаэросъемка» (1931г.), «Аэрогеология» (1946г.), «Леспроект» (1947г.)
В послевоенные годы аэрометоды начали широко внедряться в различных науках о Земле. Становилась все более очевидным их высокая эффективность. Кроме того, аэрометоды расширяют диапазон электромагнитного спектра для съемок, на 60-е годы приходится применение тепловой и радиолокационной съемок.
2.3. Ракеты
История ракетостроения измеряется веками и до недавнего времени, вопрос авторства идеи создания первой ракеты с несколькими ступенями был открытым. Ясность в данный вопрос внесли в своей работе 1992г. белорусские историки А.М. Бельский и М.А. Ткачев.
В те времена, когда только в фантастической литературе появились первые описания воображаемых полетов человека с помощью последовательно срабатывающих пороховых ракет (Сирано де Бержерак «Путешествие на Луну» 1649г.). В столице Нидерландов Амстердаме (1650г.) в типографии Яна Янсона вышла книга «Вялікае мастацтва артылерыі» на латинском языке, автором которой был выходец из Беларуси Казимир Семянович. Объем этой книги составил 300 страниц с 206 иллюстрациями и 260 ссылками на литературные источники. Впоследствии она была переведена на французский, голландский и немецкий языки. Она состояла из трех разделов. Третий раздел книги полностью посвящен конструкции, производству и боевым характеристикам ракет, и в этом же разделе впервые было дано описание многоступенчатой ракеты. Кроме того в данном разделе К.Семянович дает описание батарейной ракеты с двигателями установленными по кругу, а также ракетного стабилизатора типа «Дельта». Это было единственное фундаментальное пособие по артиллерии и ракетостроению до конца 18 столетия. Английский переводчик Джорж Шелван (1929г.) писал: «Авторитет автора этой книги был и до сегодняшнего дня остается для ракетчиков и феерверкеристов священным».
В России первые упоминания об использовании ракет относятся к 1725г. Впервые съемка с ракеты была выполнена саксонским инженером Маулем. Его аппарат для съемки был размещен на пороховой ракете и имел ряд приспособлений, включая парашют для его спуска после экспозиции, а также гироскоп для стабилизации фотоаппарата. Фотографирование проводилось с высоты 500-600м. Однако в довоенные годы фотографирование с ракет широкого применения не нашли.
Первый запуск ракеты с жидким топливом был осуществлен американцем Робертом Годдартом в 1926г. В январе 1945г. была запущена немецкая двухступенчатая ракета А-4 (Фау-2), конструкции фон Брауна, которая впервые достигла космической высоты в 450 км. С 1945г. в России начато фотографирование с ракет. Осенью 1951г. впервые была запущена советская метеорологическая ракета МР-1 для измерения температуры, давления, плотности атмосферы и скорости ветра на высотах 80-90 км, а также впервые было выполнено фотографирование облачности.
С конца 1933г. в Москве начал работу Реактивный научно-исследовательский институт. В этом же году были осуществлены первые запуски отечественных ракет ГИРД-09 и ГИРД-Х. С 1947г. на исследовательских ракетах начали устанавливать научные приборы и фотографическую аппаратуру. Большой вклад в развитие ракетной техники внесли ученые и конструкторы В.П. Глушко (Ленинград) и С.П. Королев (Москва).
В США для фотографирования в исследовательских целях использовались ракеты У-2, Аэроби, Викинг и Атлас. В Англии, Австралии и Аргентине для изучения природных ресурсов Земли, запускались специальные ракеты «Скатлан» с аэрофотосъемочными камерами и «Хассельблад».
Однако вследствие ограниченности по времени и территории фотографических съемок Земли с исследовательских ракет это позволяло решать только задачи на локальном уровне и они не могли конкурировать с космическими летательными аппаратами. Поэтому ракеты как средство съемок Земли сыграли свою роль только на этапе подготовки фотографирования с ИСЗ.
2.4. Космические летательные аппараты
Важную роль в развитии космических исследований сыграла рукопись «Проект воздухоплавательного прибора» Н.И.Кибальчича, который написал ее в 1881г. во время заключения в Петропавловскую крепость и приговоренного к казни за покушение на царя Александра. В этой рукописи он впервые дает описание «предварительной конструкции ракетного самолета».
Другой проект космического корабля с реактивным двигателем предложил в 1893г. немецкий изобретатель Герман Гансвинд. В области ракетостроения и межпланетных полетов с 1907г. работал американский инженер Роберт Годдарт. С 1912г. активно занимался проблемами космических полетов крупный французский ученый и авиаконструктор Робер Эно-Пельтри. Он впервые ввел в употребление термин астронавтика.
Большой вклад в развитие космонавтики внес русский ученый и философ К.Э. Циалковский. Он является основоположником теоретической космонавтики. Особенно важную роль в развитии ракетодинамики и космонавтики сыграл его классический труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами» опубликованный в 1903г. В своих трудах К.Э. Циалковский отмечал о больших возможностях, которые могут открыться с освоением космоса, в использовании солнечной энергии для обеспечения жизни как на Земле, так и других планетах Солнечной системы.
Первый проект использования солнечной энергии на Земле с помощью отражающих зеркал, вынесенных в космос, был изложен в 1917г. в рукописи Ю.В.Кондратюка. Однако первая попытка воплотить этот проект в жизнь была сделана только 4 февраля 1993г. в России, когда на орбиту было выведено небольшое по размеру полотнище в виде зонтика, изготовленное из блестящей, тонкой и очень прочной пленки. Испытания механизма поддерживающего парус в развернутом состоянии и пленки прошло успешно и исследования по создания «космического зеркала» были продолжены.
Результатом этих исследований явилось создание российской ракетно-космической корпорацией «Энергия» космического отражателя света блестящего полотнища площадью в 500 квадратных метров, которое 4 февраля 1999г. с помощью грузового корабля «Прогресс М - 40» было доставлено на околоземную орбиту и должно было быть развернуто вращающим устройством корабля над земной поверхностью между 48-м и 51-м градусами северной широты. Это полотнище в виде зонтика должно было посылать луч из космоса, равный свету 10 лун, который на земной поверхности высвечивал бы пятно диаметром 5-7 километров, каждый раз через 8-10 минут после захода Солнца. При безоблачной погоде этот космический свет мог быть виден на расстоянии до 300км. Однако при развертывании полотнища оно запуталось и осуществить эксперимент не удалось.
Большой вклад в развитие советской космической техники внесли академики – ленинградец Глушко и москвич Королев. В этот период в Лос-Анжелесе в американской фирме ракетных и космических исследований над созданием межконтинентальных систем работал выходец из Беларуси Борис Владимирович Кит. Он опубликовал первый в мире учебник по ракетной технике и ракетному топливу, издал книгу «История и современное состояние советской астронавтики». Б.В.Кит работал в качестве эксперта по ракетостроению и конструктором по развитию астронавтики, а так же экспертом на переговорах по сотрудничеству в области космонавтики между США и СССР. Б.В.Кит является академиком астронавтики Парижской АН. За большой вклад в развитие космической науки награжден золотой медалью Германа Оберта.
Впервые в мире первый запуск ИСЗ был осуществлен в Советском Союзе 4 октября 1957 г. и положил начало полетам различных космических летательных аппаратов. Хронология важнейших запусков космических аппаратов и проведение космических экспериментов проходили в следующей последовательности: 15 мая 1960г. был запущен в беспилотном режиме КК «Восток», а 19 августа 1960г. второй КК с двумя собаками на борту.
12 апреля 1961г. на КК «Восток» (вес 4725 кг) выведенного на орбиту с перигеем 181 км, апогеем 327 км и наклонением 65° был осуществлен первый в мире пилотируемый 108-минутный полет летчика-космонавта Ю.А. Гагарина.
6 августа 1961 г. был выведен на орбиту КК «Восток-2», на котором летчик-космонавт Г.С.Титов впервые выполнил суточный орбитальный полет и провел фотографирование земной поверхности.
В августе 1962 г. состоялся первый групповой полет двух КК «Восток-3» (летчик-космонавт А.Г. Николаев) и «Восток-4» (П.Р.Попович).
Первый многоместный КК «Восход» (космонавты В.М.Комаров, К.П.Феоктистов, Б.Б.Егоров) был выведен 12 октября 1964 г. на орбиту с перигеем 177,5 км, апогеем 408 км и наклонением 65°.
18 марта 1965г. был запущен КК «Восход-2» (космонавты П.П.Беляев, А.А.Леонов), на котором космонавт А.А.Леонов используя надувной шлюзовый отсек и специальное оборудование впервые в мире вышел в открытое космическое пространство и пробыл там 12 минут.
23 апреля 1967г. состоялся первый испытательный полет (космонавт В.М.Комаров) многоцелевого орбитального КК второго поколения «Союз» (масса 6,5-6,8 т.).
16 января 1969г. впервые была выполнена стыковка на орбите двух пилотируемых КК «Союз-4» (В. А.Шаталов) и КК «Союз-5» (Б.В. Волков, А.С. Елисеев, Е.Н. Хрюнов) и организована первая экспериментальная станция массой 12924 кг, а также осуществлен переход через открытое космическое пространство двух членов экипажа из одного КК в другой.
18-26 декабря 1973г. совершил первый космический полет космонавт-белорус Климук П.И. (всего три полета), а 9-11 октября 1977г. на КК «Союз-25» космонавт-белорус Коваленок В.В. (всего три полета).
15-20 июля 1975г. была осуществлена стыковка КК «Союз-19» (А.А. Леонов, В.Н. Кубасов) и американского КК «Апполон» (астронавты Т.Стаффорд, Д.Слейтон, В.Бранд).
На корабле «Союз-22», запущенном 15 сентября 1976г. (В.Ф.Быковский, В.В.Аксенов) была осуществлена программа фотографирования земной поверхности с помощью многозонального космического фотоаппарата МКФ-6. На базе КК «Союз» был создан усовершенствованный трехместный транспортный орбитальный КК «Союз Т» для доставки экипажа и грузов на орбитальную станцию «Салют» и в этом качестве использовался по 1981г.
Первая орбитальная станция «Салют» в Советском Союзе была выведена на орбиту в 1971г., а с 20 февраля 1986г. по апрель 2000г. эксплуатировалась орбитальная станция «Мир».
Первая американская орбитальная станция Skylab была выведена на околоземную орбиту 14 мая 1973г., а завершила программу исследований 9 февраля 1974г.
Первые испытания в США корабля многоразового использования были начаты в 1981г., а первый орбитальный полет в беспилотном режиме корабля многоразового использования серии «Буран» в СССР состоялся 15 мая 1987г.
15 октября 2003г. в Китае запущен первый КК «Шеньжоу-5» с космонавтом на борту (Ян Ливэй), который совершил 14 оборотов вокруг Земли за 21 час.
В настоящее время правительственные организации, национальные - Главкосмос (Россия), NASA (США) и международные ЕSA (Европейское космическое агентство) – финансируют дорогостоящие космические проекты. В системе картографо-геодезической и гидрометеорологической служб России созданы крупные научно-производственные центры – «Природа» (1973) и «Планета» (1974). Планомерно запускаются, сменяя друг друга, специальные спутники-съемщики, образуя постоянно действующие космические системы, обеспечивающие различных потребителей сканерными и фотографическими снимками (NОАА, 1970; Landsat, 1972; Метеор-Природа, 1974; Ресурс Ф, 1975; SРОТ, 1986; Ресурс О, 1989 и др.). К 1995г. полностью развернута международная система геостационарных спутников, осуществляющих космическое патрулирование планеты. Космонавты на пилотируемых кораблях и орбитальных станциях регулярно осуществляют экспериментальные съемки. Электронные и фотографические снимки удачно дополняют друг друга. Для получения снимков освоен радиодиапазон электромагнитного спектра. Всепогодные радиолокаторы бокового обзора стали устанавливать не только на самолетах, но и на тяжелых космических аппаратах (Seasat, 1978; Алмаз, 1990; ЕРS, 1991). Широко используются многозональные снимки. Для их обработки разрабатываются автоматизированные методы на базе ЭВМ. Формируется устойчивый мировой рынок космических снимков, который пополняется конверсионными снимками, накопленными в военных ведомствах США и России. Для координатной привязки снимков начинают применяться портативные приемники спутниковых систем позиционирова ния (местоопределения) - GРS (1993), ГЛОНАСС.
Современные научно-технические достижения – многоэлементные приемники излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), мощные рабочие станции с большой оперативной и дисковой памятью, оптические диски для хранения видеоинформации и, наконец, интегрированные ГИС предопределяют наступление очередного этапа в развитии аэрокосмического зондирования, который основывается на цифровых снимках. Они наиболее адекватно соответствуют информационным технологиям, базирующимся на цифровых ЭВМ и телекоммуникациях. Переход от фотографических к цифровым снимкам в аэрокосмическом зондировании диктуется требованиями современной информационной инфраструктуры.
3. НОСИТЕЛИ СЪЕМОЧНОЙ АППАРАТУРЫ
Для выполнения съемки съемочная аппаратура устанавливается на носитель, который поднимает ее на нужную высоту, перемещает относительно местности и обеспечивает определенное ориентирование в пространстве. Носители съемочной аппаратуры можно разделить на две основные группы – носители для воздушной и космической съемки.
3.1. Летательные аппараты для воздушной съемки
Воздушную съемку производят, как правило, с самолетов, хотя возможно применение других летательных аппаратов: воздушных «змеев» большой грузоподъемности, воздушных шаров, дирижаблей, привязных аэростатов (рис.1).
Для крупномасштабной съемки используются двухмоторные самолеты – ИЛ-14, АН-24; самолет АН-2 – одномоторный самолет, отличающийся большой маневренностью. Однако в последнее время для этих целей широко начала использоваться, так называемая малая авиация. Например, во Франции выпускаются авиамотоциклы одноместные (114 кг) и двухместные (175 кг). Для разбега авиамотоцикла требуется дорожка длиной 45 м и для посадки – 30 м. Максимальная скорость 100 км/ч, запас горючего на 2 часа, радиус разворота 20 м, высота полета – 450.
Производительность составляет 3000 га/час. В собранном виде составляет 5 м в длину и 1,2 м в ширину, можно перевозить на крыше автомобиля. В России для этих целей НПП «Альфа-М» выпускается специально оборудованный легкий самолет СЛ-А (Ф). Выполненные аэрофотосъемочные работы в масштабе 1:3 000 и 1:5 000 данным самолетом показали, что стоимость этих работ в 2 раза ниже, чем при использовании самолета АН-2.
В США ведутся испытания беспилотных летательных аппаратов, которые на порядок дешевле пилотируемых самолетов, т.к. их не нужно оснащать системами жизнеобеспечения и защиты.
Для визуальных наблюдений, а так же выборочных съемок в крупных масштабах небольших участков широкое применение находят вертолеты МИ-4, Ка-18 и др. Для средней и мелкомасштабной съемок используются самолеты: ИЛ-18, АН-30, ТУ-134, обладающие большой грузоподъемностью и высотой полета. Например, на самолете ТУ-134 установлена камера МКФ-6, топографический аэрофотоаппарат ТАФА-10, радиолокатор бокового обзора «Нить» и сканер «Матра». Скорость полета при съемке 360-800 км/час, высота полета – 200-10800 м, производительность съемки с высоты 10 км, за один полет 8000-8500км2.
3.2. Космические летательные аппараты (КЛА)
Под космическим летательным аппаратом следует понимать аппарат, предназначенный для полета в космосе или для работы на других небесных тел.
Космические аппараты подразделяются на два существенно отличающихся друг от друга класса: автоматические и пилотируемые.


3.2.1. Автоматические космические аппараты
Автоматические космические аппараты в зависимости от траектории полета подразделяются на следующие типы:
искусственные спутники Земли,
КА для полетов к планетам Солнечной системы,
КА для полетов с выходом за пределы Солнечной системы.
1.Искусственные спутники Земли (ИСЗ) характеризуют относительно небольшое удалении от Земли, периодичность изменения внешних условий и прохождения над определенными географическими районами Земли, кратное периоду обращения. ИСЗ в зависимости от их назначения подразделяются на исследовательские и технические.
К исследовательским ИСЗ относятся: ресурсные, метеорологические, геодезические, астрономические и геофизические. К техническим относятся спутники связи и навигации.
Ресурсные ИСЗ предназначены для изучения природных ресурсов Земли. Ресурсные спутники, используемые для изучения природных ресурсов, в зависимости от оснащенности аппаратурой для съемок подразделяются на ИСЗ оснащенные оптической аппаратурой дистанционного зондирования (американский Landsat, французский Spot, индийский IRS, японский Adeos, бразильский Mecb, китайский Cbers и российский «Ресурс-0) и ИСЗ оснащенные радиолокационными системами (европейские космические системы Ers и Envisat, японский спутник Jers-1, канадский Radarsat, российский спутник “Алмаз” и российский модуль “Природа”.
Различают три основных типа оптических датчиков дистанционного зондирования Земли: телевизионные камеры, оптические камеры с механическим сканированием, оптико-электронные камеры на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Телевизионные камеры работают в том же диапазоне (0,4-0,9 мкм), что и фотографические и используются для получения изображений со средним разрешением. Съемочные оптические камеры с механическим сканированием по сравнению с телевизионными имеют более широкий спектральный диапазон съемки: от ультрафиолетового до теплового инфракрасного (0,3-14 мкм). В оптико-электронных камерах на приборах с зарядовой связью элементы с механическим сканированием не используются. Строка изображения в одном спектральном диапазоне формируется при помощи линейной матрицы (линейки) детекторов на ПЗС, ориентированной перпендикулярно направлению полета спутника. Срочная развертка изображения проводится путем последовательного электронного включения детекторов.
Ресурсные спутники, оснащенные радиолокационной аппаратурой имеют ряд преимуществ над спутниками оснащенных оптической аппаратурой, которые заключаются в возможности проведения съемки при любой освещенности и погодных условиях. Кроме того, с использованием радиолокационных станций бокового обзора (РЛС БО) можно получить изображения не только земной поверхности, но и объектов, находящихся на определенной глубине.
Ресурсные ИСЗ, предназначенные для изучения глобальных изменений окружающей среды, созданы по программе США EOS. В рамках программы EOS до 2014г. будет осуществлен запуск 21 ИСЗ, с помощью которого будут осуществляться всесторонние исследования атмосферы, океанов, криосферы, биосферы и поверхности суши, а также будет выполнен ряд экспериментов, связанных с изучением особенностей энергетического баланса планеты, глобального водооборота и биогеохимического цикла. При этом в ходе программы будут фиксироваться происходящие глобальные изменения, выявляться ключевые процессы, регулирующие состояние окружающей природной среды, а также совершенствоваться модели, позволяющие изучать и прогнозировать эти изменения.
Работы по программе ЕОS осуществляются по трем основным направлениям: развитие научных отраслей, связанных с изучением протекающих на планете глобальных, естественных и антропогенных процессов; создание глобальной информационной системы; а также последовательный вывод на орбиту космических аппаратов серии ЕОS. Обработку и архивирование поступающей информации, поступающей со спутников серии ЕОS, будут проводить 8 научно-исследовательских центров.
Метеорологические спутники в зависимости от вида их орбит можно разделить на две группы: ИСЗ выведенные на низкие приполярные орбиты и ИСЗ работающие на геостационарных орбитах. Метеорологические системы с космическими аппаратами на низших приполярных орбитах обеспечивают решение следующих задач:
- мониторинг облачного покрова Земли и других погодных явлений в видимом и инфракрасном диапазонах спектра;
- измерение вертикального профиля температуры атмосферы,характеристики приповерхностного ветра и температуры поверхности моря;
- заблаговременное предупреждение об опасных явлениях природы;
- получение информации о состоянии околоземного космическогопространства;
- сбор информации с платформ геофизического мониторинга окружающей среды;
- прием и ретрансляция сигналов бедствия в рамках системы поиска и спасения, а также определение местоположения источников этих сигналов.
Метеоинформация поступает из трех ярусов. Первый – долговременные орбитальные станции – визуальное наблюдение за приливами, обвалами, пыльными и песчаными бурями, цунами, ураганами. Второй – автоматические спутники типа «Метеор», NOAA – поставляют информацию для прогнозирования погоды в глобальном и локальном масштабах, а также ведутся наблюдения за средне масштабными и локальными процессами в атмосфере. Третий – спутники с геостационарной орбитой для непрерывного наблюдения за глобальными динамическими процессами в атмосфере Земли.
К первой группе относятся спутники метеорологической системы NОАА (США), российской метеорологической спутниковой системы «МЕТЕОР» и китайский спутник серии FY-1.
Ко второй группе относятся спутники выведенные на высокие геостационарные орбиты. Геостационарными метеорологическими спутниками обладают США (система Geos), Европейское космическое агентство (система Meteostat), Россия (ИСЗ «Электро»), Индия (система Insat) и Япония (система GMS).
Геостационарная система Geos базируется на двух геостационарных космических аппаратах типа Geos и обеспечивает получение оперативной информации о состоянии погоды, заблаговременное выявление опасных природных явлений, типа ураганов и сильных штормов, сбор и ретрансляцию в наземный центр, обработки данных с наземных, морских и воздушных платформ мониторинга окружающей среды, а также получение информации о состоянии околоземного космического пространства.
Геодезические ИСЗ предназначены для построения геодезических сетей – пространственной триангуляции, для определения фигуры Земли и изучения ее строения. Для этих целей используются американские ИСЗ серии «Geos».
Астрономические ИСЗ позволяют изучать другие планеты и избежать при этом влияния атмосферы, т.е. исследования можно проводить в более широком диапазоне спектра чем с Земли.
В США разработан ряд астрономических спутников. Это в первую очередь орбитальная астрономическая лаборатория» (ОАО) при помощи которой проводились исследования в ультрафиолетовом диапазоне Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна и Урана. Спутник SAS предназначен для исследования космического пространства в рентгеновском и гамма- диапазонах спектра. Кроме того, 2 декабря 1995г. Европейским космическим агентством (ЕКА) и американским Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) была запущена орбитальная солнечная лаборатория «Сохо», предназначенная для изучения солнечно-земных связей и процессов, происходящих в гелиосфере.
Геофизические спутники применяются для изучения верхних слоев атмосферы и ближайшего к Земле космического пространства. К ним относятся ИСЗ серии «Космос».
Спутники связи относят к техническим и обеспечивают ретрансляцию радиосигналов между наземными станциями, расположенными на большом расстоянии друг от друга. В России для этих целей используются спутники серии «Орбита», «Экран», «Горизонт». В США для обеспечения комуникационной связи используются спутники серии Intelsat, которые обеспечивают связь с 73 наземными станциями в 55 странах и позволяют обслуживать до 30 000 каналов телефонной связи. Для телевизионного вещания НАСА был разработан специальный спутник ATS, в число задач которого входит ретрансляция телепрограмм, а так же решения метео- и навигационных задач.
Навигационные спутники предназначены для определения положения кораблей и самолетов, относительно навигационного ИСЗ в нескольких точках орбиты. Для этих целей используются американские спутники серии «Транзит» и «Секор».
.Космические аппараты для полетов к Луне. Для изучения поверхности Луны использовались советские автоматические межпланетные станции (АМС) «Зонд» и автоматические лунные станции серии «Луна».
АМС «Зонд» использовались для отработки техники полета к Луне и возвращения на Землю, а так же фотографирования лунной поверхности. Впервые фотографирование обратной стороны Луны было выполнено АМС «Зонд-5», а при возвращении на Землю 21 сентября 1968г было проведено фотографирование Земли с расстояния 90 000 км. АМС «Зонд-6-8» выполняли фотосъемку поверхности Луны с окололунных орбит с расстояния около 3 000 км, с целью картографирования в первую очередь невидимой стороны Луны.
Автоматическая лунная станция «Луна» предназначалась для взятия проб лунного грунта и его доставки на Землю, а так же доставки на лунную поверхность подвижной лаборатории «Луноход».
Американцами для исследования Луны использовались МАС Surveyor и пилотируемые космические корабли серии Apollo. 20 июля 1969г. завершилась 10-летняя американская программа подготовки высадки человека на Луну. 19 июля 1969г. к Луне был запущен пилотируемый космический корабль Apollo-11 с астронавтами на борту. После четырехсуточного полета космический корабль с командиром экспедиции Нилом Армстронгом, пилотом командного отсека Майклом Коллинзом и пилотом лунного отсека Эдвином Олдрином произвел посадку на лунную поверхность. Спустя 6 часов после посадки первым на лунную поверхность ступил Нил Армстронг и произнес следующие слова: «Этот маленький шаг одного человека, огромный прыжок для всего человечества». Основная задача первой экспедиции заключалась в доставке и установке на лунной поверхности различных приборов и отбор лунного грунта (22 кг).
Всего в период с 19 июля 1969г. по 7 декабря 1972г. на Луну было осуществлено 7 экспедиций, шесть из которых завершились успешно. В результате было выполнено фотографирование лунной поверхности, проведено изучение геологического строения лунной поверхности и установлено высокое содержание в лунном грунте изотопа Гелия-3, который может использоваться в качестве топлива для экологически чистых термоядерных электростанций.
В 1998г. в США запущена МАС «Лунар-проспектор» для съемки и изучения лунной поверхности.
2.Космические аппараты для полетов к планетам Солнечной системы. Космические аппараты данного типа классифицируют по планетам, особенности которых существенно влияют на построение КА, особенно на КА, совершающие посадку на планету. Эти аппараты имеют существенно большие по сравнению с лунными удаления от Земли и продолжительность полета.
Для исследования планет земной группы (Меркурий, Венера, Марс) использовались советские межпланетные автоматические станции «Вега», «Венера», и «Марс» и американские «Mariner», «Викинг» и «Марс – Патфайндер».
Наибольший интерес у ученых вызывает изучение планеты Марс, с точки зрения наличия на ней жизни. Всего к Марсу было осуществлено 18 экспедиций в СССР 10 из которых были неудачными, 7 выполнили задачу лишь частично и 1 был очень успешным. В США было осуществлено 11 экспедиций, три из которых были неудачными. Самым продуктивным оказался последний запуск МАС «Марс – Патфайндер», который стартовал в декабре 1996г. и примарсился в день независимости США 4 июля 1997г. На марсианскую поверхность был доставлен марсоход весом 20 кг с помощью которого проводилась съемка поверхности и химический анализ грунта.
В соответствии с американской программой НАСА планируется в 2005г. доставить на Землю марсианский грунт, а в 2012г. осуществить первый пилотируемый полет на Марс.
Для исследования планет юпитерской группы использовались американские МАС «Пионер» и «Кассини».
В 1996г. специалистами НАСА впервые был запущен зонд «Shoemaker» для изучения астероидов, который успешно вывели на орбиту, а затем и осуществили посадку на поверхность астероида Эрос.
3Космические аппараты для полетов с выходом за пределы Солнечной системы. В настоящее время только один аппарат преодолел пространство Солнечной системы, покинул ее пределы. Таким аппаратом является американская МАС Pioner 10, которая была запущена 2 марта 1972г. для исследования межпланетной среды, астероидного пояса и свойств атмосферы Юпитера.
Выполнив программу исследований МАС Pioner 10 в 1999г. покинула пределы солнечной системы. На случай попадания МАС на планетную систему другой звезды и ее обнаружения внеземной цивилизации, создатели МАС Pioner 10 поместили на ней пластинку из алюминия, анодированного золотом, размером 15Ч23 см с символическим рисунком, который сообщает о цивилизации на Земле.
3.2.2. Пилотируемые космические аппараты
1.Пилотируемые космические корабли. Пилотируемый космический корабль – это космический аппарат, предназначенный для полета людей и имеющий все необходимые средства для работы при выведении на орбиту и выполнения задач полета в космосе и возвращения экипажа на Землю.
Полеты пилотируемых космических кораблей в зависимости от назначения полета подразделяются на следующие виды:
-Полеты одиночных кораблей (автономные полеты) по орбитам ИСЗ начинали освоение космического пространства. Для таких полетов были специально разработаны космические корабли советский «Восток» и американский «Меркурий». Для автономных полетов иногда использовались КК сзданные в других целях. Например, при полете КК «Союз-22» (1976г.) проводилось фотографирование территории Советского Союза в народнохозяйственных целях.
-Экспериментальные орбитальные полеты имеют целью проведение технических экспериментов. Например, на КК «Восход» и «Джемини» отрабатывались средства выхода человека в космическое пространство (1965г.), а при полете КК «Союз-4» и «Союз-5» (1969г.) была выполнена их стыковка и переход двух космонавтов из корабля в корабль через открытый космос.
-Полеты кораблей многоразового использования. Предназначены для многократных космических полетов экипажей и доставки аппаратуры на орбитальные станции в исследовательских целях. Орбитальный корабль (ОК) многоразового использования представляющий собой гиперзвуковой летательный аппарат с дельтовидным крылом, является носителем полезного груза со средствами его развертывания и обслуживания на орбите и обеспечивает необходимые условия для жизнедеятельности и работы экипажа до 10 человек. По своей массе и габаритным характеристикам ОК сравним с современными транспортными самолетами.
Первые испытания американского КК многоразового использования начались ровно через 20 лет после полета в космос Гагарина. В серию КК «Спейс Шаттл» (космический челнок) вошли четыре однотипных корабля с именами в честь знаменитых исследовательских судов: «Колумбия», «Челленджер», «Дискавери» и «Атлантис». Общая длина КК 40 м, грузоподъемность 30 т.
В Советском Союзе единственный испытательный полет в беспилотном режиме КК многоразового использования серии «Буран» состоялся 15 мая 1987г. Длина КК 36,4 м, размах крыльев 24 м, грузоподъемность до 30 т.
-Транспортные полеты пилотируемых КК к долговременным орбитальным станциям предназначены для доставки на борт станций экипажа и его возвращения на Землю, а также транспортирования груза. К таким полетам относятся полеты КК «Союз» и «Прогресс» к орбитальным станциям «Салют» и «Мир», транспортного корабля КК «Аполлон» к станции «Скайлэб» и КК «Прогресс» и кораблей многоразового использования к орбитальной станции «Альфа».
-Дальние полеты КК проводились по американской программе «Аполлон», в ходе которой была осуществлена первая посадка на Луну пилотируемого КА. В Советском Союзе в качестве пилотируемого КА для полетов на Луну планировалось использовать МАС «Зонд», однако эта программа не была осуществлена.
-Космические корабли – спасатели предназначены для спасения экипажей, терпящих бедствие, пилотируемых КК и орбитальных станций. Например, в задачи совместной программы «Союз» - «Аполлон» входила разработка и проверка в полете экспериментальных совместных средств сближения и стыковки, необходимых не только для совместных полетов, но и для операции по спасению.
-Полеты пилотируемых кораблей для ремонта и сборки на орбите больших конструкций. Примером может служить доставка на орбиту отдельных модулей и их сборка для строительства международной орбитальной станции «Альфа», а также осуществления будущих программ по строительству на орбите электростанций, обсерваторий, антенн и др.
2. Пилотируемые орбитальные станции. Они служат для проведения исследований и экспериментов, освоения длительных полетов человека в условиях невесомости, обработки технических средств космической техники для ее совершенствования на околоземных орбитах. Станция состоит из пяти отсеков (рабочего, переходного, промежуточной камеры, отсека научной аппаратуры и негерметичного агрегатного отсека).
По времени нахождения на орбите экипажа станции подразделяются на обитаемые и посещаемые. Экипаж на станции необходим для выполнения наблюдений, проведения научных исследований, управления работой аппаратуры, для прикладных и экономических задач, технических экспериментов, монтажно-демонтажных работ, освоения длительных полетов в условиях невесомости и т.д.
По способу создания конструкции на орбите станции могут быть моноблочными, многоблочными (модульными) и сборными. К моноблочным станциям относятся советская станция «Салют», советско-российская «Мир» и американская «Скайлэб» с численностью экипажа до 4 человек. К многоблочным станциям относятся Международная орбитальная станция «Альфа», создание которой начато в июне 1998г. и должно завершиться в 2003г. Она будет состоять из служебного и трех научных модулей, а так же трех кораблей эвакуаторов. Одним из модулей будет американский модуль под названием «Сад на орбите» объемом 1200м3. основное его предназначение – обеспечение космонавтов овощами. Одновременно на станции смогут находиться до 13 членов экипажа.
По профилю решаемых задач станции могут быть универсальными и специализированными.
В зависимости от задач, решаемых орбитальной станцией и способов их решения могут использоваться различные средства, в том числе отдельные КА.
- Для доставки экипажа на станцию и возвращения его на землю используются пилотируемые КК.
- Для материально-технического снабжения используются грузовые корабли «Прогресс» или транспортные, способные доставлять груз с экипажем – «Союз Т» и корабли многоразового использования.
- Результаты работ и небольшие грузы доставляются на Землю вместе с экипажем на КК.
- Для перемещения грузов с орбиты на орбиту применяются специально созданные буксиры.
3.2.3. Перспективные космические аппараты
В настоящее время в различных странах продолжаются работы по созданию новых перспективных летательных аппаратов. Рассматриваются возможности развертывания системы малых спутников, совмещающих функции обеспечения радиосвязи и зондирования.
В России подходит к завершению разработка космического комплекса «Ресурс-ДК». Он предназначен для многозонального дистанционного зондирования земной поверхности с целью получения в масштабе времени близкому к реальному, высокоинформативных изображений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра с обеспечением оперативной доставки информации по радиоканалу и последующим представлением ее широкому кругу потребителей. Срок существования КА не менее трех лет. Полоса обзора Каот 780 до 1040км, полоса захвата съемкой от 48,5 до 78 км. Разрешение на местности от 1,8 до 3 метров. Существенной особенностью данного КА является то, что при съемке в полосе обзора можно осуществлять перенацеливание съемочной аппаратуры. Съемка одного и того же участка местности со смежных орбит позволяет получать стереоскопическую модель местности.
К перспективным средствам доставки полезных грузов, а также средств дистанционного зондирования на околоземную орбиту следует отнести российский проект многоцелевой авиационно-космической системы (МАКС). Идея создания этой системы зародилась в связи со сложностью строительства и эксплуатации стационарных стартовых комплексов. С помощью данной системы появилась возможность доставки космического аппарата для запуска в любой заданный удаленный регион, например, на акваторию океана, пустыню и т.д.
МАКС состоит из самолета-носителя АН-225 (Мрия) и установленном на нем орбитальном самолете (в пилотируемом или беспилотном варианте) или грузовом контейнере с внешним топливным баком. Бак заправляется криогенными компонентами топлива. МАКС базируется на обычных аэродромах первого класса. Основные элементы данной системы выполняются в многоразовом исполнении, кроме внешнего топливного бака и блока выведения.
МАКС предназначен для решения следующих задач:
- выведения на околоземную орбиту и возврат с орбиты полезных грузов;
- транспортно-техническое обеспечения космических объектов различного назначения;
- проведения на орбите аварийно-спасательных работ;
- решения на орбите научно-технических и технологических задач;
- осуществления экологического контроля;
- дистанционного зондирования с целью изучение природных ресурсов Земли.
В Европейском космическом агентстве подходит к завершению проектирование космического корабля многоразового использования под названием «Гермес». В Германии разрабатывается орбитальный самолет «Зенгер». В Великобритании разрабатывается техническая идея самолета «Хотол», который не нуждается в ракете-носителе, а разгоняется с помощью собственного двигателя, использующего кислород воздуха, для этого на борту будет установка по снижению воздуха с последующим отделением жидкого кислорода.
3.3. Орбиты космических летательных аппаратов
Космические летательные аппараты движутся вокруг Земли по определенным орбитам. В отличие от самолета они имеют ограниченные возможности маневрирования. Для математического описания движения КЛА служат определенные элементы орбит. При характеристике эллиптических орбит используют шесть основных элементов:
- долгота восходящего узла,
н - наклонение орбиты,

· - элемент перигея,
а - большая полуось орбиты,
l - эксцентриситет орбиты
t - момент прохождения КЛА через восходящий узел орбиты (точка перехода КЛА из Южного полушария в Северное).
Иногда вместо элементов а и l используют высоты орбиты в точках перигея Hn наименьшее, и апогея На наибольшее удаление над поверхностью Земли.
Для описания круговой орбиты достаточно всего четырех элементов орбиты: , н, H, t.
- долгота восходящего узла – угол расположенный в плоскости земного экватора и отсчитываемый от направления на точку весеннего равноденствия и линией пересечения плоскости орбиты с плоскостью экватора;
н - наклонение орбиты – двугранный угол между плоскостью орбиты и плоскостью земного экватора, отсчитываемый от последней против хода часовой стрелки для наблюдателя в точке восходящего узла или угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора;
Н - высота круговой орбиты над поверхностью Земли;
t - время прохождения КЛА через восходящий узел орбиты.
В зависимости от целей, для которых проводится космическая съемка, при выборе орбит к ним предъявляется ряд условий:
- получение космических снимков определенного масштаба;
- наибольшее изображение территории земной поверхности на одном космическом снимке;
- возможность постоянного наблюдения за глобальными процессами одной и той же территории;
- обеспечение наименьших изменений в освещенности Солнцем земной поверхности по трассе полета космического аппарата;
- возможность покрытия съемкой практически всей земной поверхности.
Для того чтобы выполнить данные условия, орбиты должны иметь определенные параметры: высоту, форму, наклонение, период обращения, положение по отношению к Солнцу.
С высотой полета КА изменяется воздействие атмосферы на его движение. На более низких орбитах сопротивление атмосферы существенно больше, а при высоте менее 100 км торможение настолько велико, что КА не может совершить и одного оборота и сгорает падая вниз. С увеличением высоты орбиты увеличивается продолжительность существования КА, охват съемкой, но уменьшается пространственное разрешение снимков.
По высоте орбит КА подразделяются на три группы: низкоорбитальные 100-500 км, среднеорбитальные 500-2000 км и высокоорбитальные 30000-40000 км.
Первая включает орбиты пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций с высотами орбит 200-400 км.
Вторая включает ресурсные ИСЗ с высотой 600-900 км и метеорологические - 900-14000 км.
К третьей группе с высотой орбит 30000-40000 км относятся метеорологические ИСЗ и спутники связи.
Форма орбит в зависимости от скорости КЛА может быть круговой, эллиптической, гиперболической или параболической.
Круговые орбиты широко используется для проведения космических съемок как с пилотируемых, так и автоматических космических аппаратов. Для того чтобы вывести космический аппарат на круговую орбиту он должен развить скорость равной 7905 м/с. Эта скорость называется первой космической. Скорость движения КЛА по круговой орбите зависит от удаления его от поверхности Земли или ее центра, и чем больше высота полета Н, тем меньшая потребуется скорость, чтобы удержать его на круговой орбите. Высота полета КА аппарата существенно влияет на масштаб получаемых космических снимков. Так как у круговых орбит, высоты перигея и апогея одинаковы или близки друг к другу, а значит и высота съемки всегда одинакова, то такие орбиты наиболее предпочтительны для получения космических снимков земной поверхности близких по масштабу, охвату территории и пространственному разрешению изображений.
Эллиптические орбиты в отличие от круговых имеют различные расстояния от поверхности Земли в апогее и перигее. Кроме того, в апогее КА бывает более продолжительное время над определенной территорией земной поверхности, чем в перигее. Следовательно, эти орбиты можно использовать для наблюдений за глобальными процессами, например за динамикой атмосферных явлений, когда в поле зрения аппарата в течение продолжительного времени необходимо иметь диск Земли в целом. Съемку, в данном случае, производят на участке наибольшего удаления в состоянии «зависания» спутника над Землей.
Гиперболическая и параболическая орбиты используются для полетов КЛА к другим планетам. Для вывода КА на незамкнутую гиперболическую или параболическую орбиту, он должен развить скорость способную преодолеть земное притяжение. Такой скоростью является вторая космическая, которая равна 11186 м/с.
По углу наклонения плоскости орбиты к плоскости земного экватора, орбиты разделяют на: экваториальные (1=0°), полярные (1=90°) и наклонные. К наклонным орбитам относятся прямые (0°<1< 90°) и обратные (90°< 1 < 180°). Это разделение зависит от направления запуска космического аппарата относительно вращения Земли. Наклонение орбиты определяет тот широтный пояс, в пределах которого пролетает спутник. Орбиты первых американских пилотируемых кораблей имели наклонение 30°; российские пилотируемые корабли и орбитальные станции работают на орбитах с наклонением 52°, метеорологические и ресурсные спутники запускаются на субполярные орбиты с наклонением 90°. Спутник, находясь на орбите проецируясь на земную поверхность, образует подспутниковую точку. При движении по орбите спутника, подспутниковая точка на земной поверхности, благодаря вращению Земли, описывает линию называемую трассой. Очевидно, что трасса, вдоль которой производится съемка, не может пройти через районы земного шара, географическая широта которых больше, чем наклонение орбиты. Чем ближе наклон орбиты к 90°, тем больше площадь покрытия съемкой земной поверхности.
Период обращения Т - время оборота спутника вокруг Земли - также представляет интерес с точки зрения съемки, поскольку от него зависит число витков в сутки и соответственно межвитковое расстояние, определяющее возможность перекрытия снимков соседних трасс. Для круговой орбиты скорость спутника постоянна и зависит от ее высоты Н. Для околоземных орбит период обращения спутника (в минутах) можно вычислить по формуле: 13 EMBED Equation.3 1415.
В среднем период обращения составляет 1,5 часа или 16 витков в сутки.
В зависимости от периода обращения орбиты подразделяются на геосинхронно периодические или суточные, геосинхронно периодические не суточные и геостационарные.
Геосинхронно периодическими или суточными называются орбиты, для которых период обращения спутника выведенного на наклонную орбиту вокруг Земли, составляет 24 часа. Такой спутник через каждые 24 часа будет пролетать над одной и той же точкой местности.
Момент прохождения над данной точкой будет зависеть от времени вывода его на круговую орбиту. Это значит, что такой спутник будет постоянно вести съемку одной и той же трассы полета.
Геосинхронными периодическими, но не суточными называют спутники, период обращения вокруг Земли, которых будет кратен 24 часам, но не равен суткам. Это значит, что такой спутник, благодаря вращению Земли, в одно и тоже время, в течение каждых последующих суток будет пролетать над разными точками земной поверхности, т.е. будет происходить сдвиг трассы спутника. Например, на орбитах со скоростью спутника 11 км/с они имеют период обращения примерно 1,5 часа, делая за сутки около 16 витков вокруг Земли. В данном случае сдвиг трассы составит 22,5°, что на экваторе будет соответствовать 2500 км. Учитывая, что при фотографической съемке охват территории большинства видов аппаратуры значительно меньше, то разрывы между соседними трассами неизбежны. Для проведения космической съемки с некоторым поперечным перекрытием орбиты рассчитывают таким образом, чтобы каждая последующая трасса съемки обеспечивала бы определенное перекрытие предыдущей трассы. Это возможно на так называемых квазипериодических орбитах т.е. околоземных круговых орбитах с периодом обращения, не кратным данным суткам. В данном случае со сменой суток на местности будет наблюдаться положительное или отрицательное смещение трасс, называемое суточным сдвигом.
Если спутник вывести на экваториальную круговую орбиту с высотой 36 000 км, то его период обращения будет равен 24 часам, т.е. одним суткам, угловая скорость его вращения по орбите будет равна угловой скорости вращения Земли. Трасса такого спутника будет представлять собой точку, так как он будет все время находится над одной и той же точкой экватора. Такой спутник и орбиту называют геостационарными. С геостационарной орбиты, на которой спутник как бы зависает над одной и той же территорией можно вести постоянное наблюдение за определенным районом Земли. Для того чтобы держать в поле зрения всю Землю, кроме полярных шапок, требуется четыре-пять геостационарных спутников. Геостационарные орбиты используются для вывода на них метеорологических спутников и спутников связи. Структура и принципы построения подсистемы метеорологических спутников на геостационарных орбитах, выбирается с учетом следующих основных требований:
- число спутников на геостационарной орбите должно быть достаточным, чтобы обеспечить наблюдение и доведение метеоинформации в пределах широтного пояса 50° ю.ш.;
- сбор метеорологической информации должен осуществляться непрерывно;
- периодичность выдачи потребителям обновленных метеоданных не должен превышать 0,5 часа.
К 1995г. полностью развернута международная система геостационарных спутников и эти требования реализуются подсистемой из пяти спутников: двух американских, европейского, российского и японского космического аппарата.
Передача информации может осуществляться как в пределах целого полушария, так и по отдельным частям. Для этого земной шар разбивается на отдельные форматы, в пределах которого производится съемка, передача и ретрансляция информации. Например, при передаче информации метеорологической системой Мeteostat используется восемь форматов, имеющих условные буквенные обозначения "А", "В", "X", "С" и т.д. (рис.2).
Продолжительность передачи информации зависит от размеров наблюдаемого участка и используемых спектральных каналов. Так, минимальная продолжительность передачи данных (в формате "В") составляет 1,4 мин, максимальная продолжительность передачи информации (в формате "А") составляет 30 мин. Для того, чтобы исключить наложения передаваемых данных в системе используются ежечасные защитные интервалы длительностью 4 минуты.
Солнечно-синхронный тип орбит выбирается в тех случаях, когда съемку необходимо выполнять многократно и при некоторых заданных условиях освещенности поверхности Земли вдоль трассы полета КА. При невозмущенном кеплеровском движении спутника плоскость его орбиты, двигаясь вместе с Землей вокруг Солнца, сохраняет неизменное положение в мировом пространстве. Следовательно, угол между плоскостью такой орбиты и солнечными лучами в течение года меняется на 360°, т.е. приблизительно на один градус в сутки. Однако известно, что сплюснутость Земли, или экваториальное вздутие, поворачивает орбиту. Величина этого поворота существенно зависит от наклонения и в меньшей степени от высоты орбиты спутника. Можно точно рассчитать и подобрать наклонение и высоту орбиты так, чтобы угловая скорость поворота орбиты соответствовала скорости вращения Земли вокруг Солнца. В таком случае угол между плоскостью орбиты и солнечными лучами остается почти неизменным. Поэтому высота Солнца в момент прохождения спутника над определенной точкой Земли всегда одна и та же, вследствие этого освещенность трассы во время съемки изменяется только в зависимости от времени года. Расчеты показали, что солнечно-синхронная орбита по наклонению должна быть обратной, т.е. в пределах от 90° до 180°, а высота не превышать 1000 км. В зависимости от времени пролета ИСЗ над районом съемки различают утренние, полуденные и сумеречные орбиты. Солнечно-синхронные обратные орбиты используются для ресурсных и метеорологических спутников.
4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ
При дистанционных методах исследования информация об объекте переносится к регистрирующему прибору с помощью электромагнитных волн. Электромагнитное излучение относится к наиболее важным посредникам при дистанционных наблюдениях окружающей среды. Представляя единственную форму переноса энергии в открытом космосе, электромагнитное излучение отличается большим разнообразием свойств и проявлений. Чтобы разобраться в различных методах дистанционных наблюдений, нужно иметь представление об электромагнитном спектре. Под электромагнитным спектром следует понимать классификацию электромагнитных волн по их длинам.
Электромагнитные волны различных излучений занимают вполне определенные участки в спектре. Чаще используемые в аэрокосмических методах электромагнитные колебания относятся к участкам оптических и ультракоротких радиоволн. Для удобства изучения электромагнитный спектр разбивают на ряд участков.
Участок оптических волн (0,001-1000 мкм) включает ультрафиолетовый (( 0,4 мкм), видимый (0,4-0,8 мкм) и инфракрасный (0,8-1000 мкм) диапазоны. В ультрафиолетовом диапазоне выделяют ближнюю (400-300 нм), среднюю (300-200 нм) и дальнюю (( 200 нм) области. Видимый диапазон, в котором глаз способен различать цветовые различия, делят на цветовые зоны со следующими названиями цветов и границами в нанометрах: фиолетовый 390-450, синий 450-480, голубой 480-510, зеленый 510-550, желто-зеленый 550-575, желтый 575-585, оранжевый 585-620 и красный 620-800. Диапазон инфракрасного (ИК) излучения подразделяется на поддиапазоны ближнего (( 1,5 мкм), среднего (1,5-3 мкм) и дальнего (( 3 мкм) инфракрасного излучения. В ближнем и среднем ИК-поддиапазонах преобладает отраженное (солнечное) излучение, а в дальнем, называемым тепловым, собственное излучение Земли. Волны длиной 0,1-1 мм иногда называют субмиллиметровыми.
Участок спектра, охватывающий ультракороткие радиоволны, принято разбивать на диапазон миллиметровых, сантиметровых, дециметровых и метровых радиоволн. Сантиметровые и дециметровые волны часто объединяют в диапазон радиоволн сверхвысоких частот (СВЧ). В переводной литературе миллиметровые и сантиметровые волны относят к одному диапазону, называемому микроволновым.

Солнечное излучение и его отражение объектами земной поверхности
Земля, удаленная от Солнца на 150 млн. км, получает менее одной пятидесятимиллионной части всей излучаемой Солнцем энергии, эта энергия имеет значение не только для большинства методов дистанционных наблюдений, но и поддерживает жизнь на Земле.
Солнце посылает на Землю очень широкий спектр электромагнитных волн, но земная атмосфера пропускает только некоторые из них в спектральном интервале от 0,3 мкм до 20 м. Основная энергия приходится на излучение с длинами волн 0,3-3 мкм, причем максимум энергии – на волны длиной 0,5 мкм.
Излучение, падающее на какой-либо объект, определенным образом взаимодействует с ним: некоторая часть излучения отражается, другая – поглощается и рассеивается внутри объекта, третья – пропускается. Доли отраженного, поглощенного, рассеянного и пропущенного лучистых потоков оцениваются соответствующими коэффициентами, которые по закону сохранения энергии в сумме всегда составляют единицу.
Для объектов суши наиболее важным является отраженное излучение. Из оптических характеристик объектов земной поверхности для получения снимков наибольший интерес представляют коэффициент интегральной яркости, яркостный контраст, индикатриса отражения и особенно коэффициент спектральной яркости.
Коэффициент интегральной яркости
·я, характеризующий величину отраженного потока излучения в заданном направлении по сравнению с упавшим потоком, определяется как отношение яркости объекта Вя к яркости идеального рассеивателя (эталона) Вяо:
·я =13 EMBED Equation.3 1415.
Яркость объектов является функцией их освещенности, которая складывается из освещенности прямым солнечным светом, рассеянным светом небосвода и светом, отраженным от соседних объектов. Каждому объекту соответствует определенный коэффициент интегральной яркости. Например, для снега свежевыпавшего он составляет 1,0, для чернозема – 0,03, песка кварцевого – 0,20, луг суходольный – 0,07 и т.д. в пределах одного ландшафта и даже фации наблюдается существенное варьирование коэффициентов яркости. Но по мере продвижения с севера (от зоны тундры) на юг (до зоны пустынь) коэффициент яркости изменяется от 0,05 до 0,25. Среднее значение коэффициента интегральной яркости в целом принимают равным 0,15 (летом) и 0,50 (зимой).
Яркостный контраст является распространенной характеристикой различия двух яркостей объектов ВЯ1 и ВЯ2 (ВЯ1 < ВЯ2). Применяют несколько взаимосвязанных выражений для контраста. Среди них наиболее употребительны относительный контраст К0: 13 EMBED Equation.3 1415.
Контраст между наиболее светлыми ВЯ max и темными ВЯ min объектами характеризует интервал яркостей аэрокосмического ландшафта U: 13 EMBED Equation.3 1415
Индикатриса отражения (рассеяния) характеризует величину яркости объекта в зависимости от направления наблюдения. Ее изображают графически в виде полярной диаграммы, показывающей коэффициенты яркости объекта по разным направлениям. Различают три основных формы индикатрис отражения (рис.3).
Наибольшую яркость при наблюдении против Солнца имеют объекты с гладкой (зеркальной) поверхностью. Характерным представителем этой группы является спокойная водная поверхность, ледяной покров, такыры. Матовые (слабо шероховатые) поверхности отражают свет равномерно во все стороны. Такую, так называемую ламбертовскую, индикатрису должен иметь рассеиватель, принимаемый в качестве эталона.
В природе к нему приближаются плоские песчаные поверхности. Объекты с расчлененной (сильно шероховатой) поверхностью имеют индикатрису отражения, вытянутую к источнику света, т.е. противоположную зеркальной поверхности. Максимальная яркость таких объектов (вспаханные почвы, растительный покров) наблюдается со стороны падающих лучей. Асимметрия их индикатрис возрастает с увеличением расчлененности (иссеченности) поверхности.
Коэффициент спектральной яркости характеризует величину отраженного потока излучения в заданном направлении по сравнению с упавшим потоком для определенного узкого диапазона спектра. Так как объекты земной поверхности имеют определенную окраску, их яркость в разных спектральных зонах неодинакова, то и характеризуются они различными коэффициентами спектральной яркости. Графически коэффициенты спектральной яркости представляют в виде так называемой кривой спектральной яркости
·
·. Значения коэффициентов спектральной яркости хроматических объектов обнаруживают определенный спектральный ход.
Спектральная яркость объектов определяется в основном экспериментальным путем. Коэффициенты спектральной яркости измеряют главным образом с помощью фотоэлектрических приборов (спектрометров) путем сравнения двух отраженных лучистых потоков - от исследуемого объекта и от эталона. Точность определения коэффициентов спектральной яркости характеризуется относительной погрешностью в 5-10 % при спектральном разрешении 10-20 нм. Спектральную отражательную способность изучают лабораторно, в поле, с самолетов и космических аппаратов. В лабораторных условиях на отдельных образцах определяют зависимость коэффициентов яркости от некоторых свойств объектов, например почв - от их влажности, содержания гумуса, минералогического состава и т.д. При наземном спектрометрировании в полевых условиях изучается суточный ход коэффициентов спектральной яркости, их зависимость от фенологической фазы развития растительности. При аэрокосмическом спектрометрировании, которое является основным видом определения коэффициентов спектральной яркости, охватываются значительные площади, а получаемые оптические параметры характеризуют крупные разнородные объекты. Синхронные спектрометрические измерения на земле, с самолета и космического аппарата проводятся для оценки влияния атмосферы на оптические характеристики объектов. Надо учитывать, что отражательная способность, например, отдельного древесного листа (лабораторные измерения) отличается от отражательной способности дерева (наземные измерения), а она, в свою очередь, от отражательной способности участка леса (самолетные измерения) или лесного массива (космические измерения).
К настоящему времени наиболее изучена спектральная отражательная способность геологических объектов, растительности, почв. Классическими исследованиями в этой области являются работы Е.Л. Кринова. По отражательной способности в видимом диапазоне спектра все многообразие объектов в ландшафте можно разделить на четыре класса, каждый из которых отличается своеобразной кривой спектральной яркости (рис.4).
I класс (горные породы и почвы) характеризуется увеличением спектральных коэффициентов яркости по мере приближения к красной зоне спектра.
II класс (растительный покров) отличается характерным максимумом отражательной способности в зеленой (550 нм), минимумом - в красной (660 нм) и резким увеличением отражения в ближней инфракрасной зоне. Низкая отражательная способность земных растений в красной зоне связана с поглощением, а ее увеличение в зеленой зоне - с отражением этих лучей хлорофиллом. Большие коэффициенты яркости в инфракрасной зоне объясняются пропусканием этих лучей хлорофиллом и отражением их от внутренних тканей листа.
III класс (водные поверхности) характеризуется монотонным уменьшением отражательной способности от сине-фиолетовой к красной зоне спектра, поскольку длинноволновое излучение сильнее поглощается водой.
IV класс (снежные поверхности) обладает наиболее высокими значениями коэффициентов отражения с небольшим их понижением в ближней инфракрасной зоне спектра. Это понижение резко увеличивается при насыщении снега водой. Близки к этому классу по характеру отражения облачные образования, которые имеют несколько узких полос поглощения в длинноволновой части спектра.
Спектральная отражательная способность, неодинаковая для разных классов, различается также у объектов внутри класса. Например, коэффициент спектральной яркости варьирует для разных типов почв: если для дерново-подзолистых (автоморфных) он составляет 16,3, то дерново-подзолистых-заболачиваемых – 7,2, дерново-глеевых – 5,2. Он так же различен и для почв одного типа и зависит от их увлажнения, содержания гумуса и гранулометрического состава. Например, для дерново-подзолистых слабоглееватых (временно избыточно увлажняемых) он составляет 9,0, глееватых – 7,1 и глеевых – 6,7 (рис. 5).
Растительность изменяет свою отражательную способность в зависимости от фитопатологических изменений и экологических условий; воздействуют также величина проективного покрытия, наличие пыли или росы (рис.6).
Отражательная способность водных объектов зависит от содержания в воде планктона и ее загрязнения - наличия пленки нефти и взвешенных частиц. Загрязнение снега и содержание в нем воды также приводит к изменениям отражательной способности. Таким образом, спектральная отражательная способность реагирует на некоторые свойства объектов и отражает их состояние.
В настоящее время, съемки ведутся в оптическом, инфракрасном-тепловом и СВЧ – диапазонах.

4.2. Собственное излучение Земли
Все объекты, имеющие температуру выше -273°К излучают электромагнитные волны. Земля в целом, поглощая солнечную энергию, сама является источником радиации. В соответствии с температурой Земли максимум энергии земного излучения приходится на инфракрасные лучи с длиной волны около 10 мкм. У аномально нагретых тел максимум излучения смещается на длине волн 5-7 мкм. Земное инфракрасное излучение, простираясь в сторону коротких воли, при длине волны 3-4 мкм имеет интенсивность, примерно одинаковую с инфракрасным солнечным излучением. В сторону длинных волн оно распространяется до метровых радиоволн. Основная энергия уходящего излучения Земли приходится на волны длиной 3-30 мкм.
Для регистрации инфракрасного теплового излучения в настоящее время используются две области спектра: 3-5 мкм и 8-12 мкм. Регистрируемая тепловая энергия излучения, сильно зависящая от температуры (она в соответствии с законом Стефана-Больцмана быстро растет с увеличением температуры), позволяет дистанционно измерить температуру объектов. Но даже в случае регистрации не абсолютных температур, а только температурных контрастов, возможно эффективное выделение объектов и характеристика их свойств по температурным аномалиям. По температурному режиму объекты на земной поверхности можно разделить на объекты с температурой, обусловленной внутренним теплом (вулканы, термальные воды, промышленные объекты и т.д.), и объекты, нагреваемые Солнцем. Максимальные температурные контрасты объектов второй группы наблюдаются около полудня: они меньше вечером и значительно сглаживаются ночью, достигая минимума в предутренние часы. Температуры этих объектов существенно зависит от их отражательной способности, экспозиции и крутизны склонов, силы ветра, а также от их теплофизических характеристик. Например, температура лиственных и хвойных лесов различается на 1-2°С; больные растения имеют более высокую температуру. Очень важно, что объекты имеют закономерный суточный ход температуры. Если глубинные источники вод имеют стабильную температуру в течение суток, то поверхностные воды ночью теплее, а днем холоднее окружающей суши. Большое влияние на температурные контрасты оказывает увлажненность поверхности в связи с ее охлаждением при испарении. Так в утренние часы на полях хорошо выделяются, по своей температуре холодные увлажненные участки.
Нагретые объекты излучают энергию не только в инфракрасном, но и в радиодиапазоне, хотя радиотепловое излучение по интенсивности значительно уступает инфракрасному. Радиотепловое излучение формируется определённым излучательным слоем, так называемым скин-слоем. Мощность этого слоя тем больше, чем длиннее волна излучения. Основным показателем радиотеплового излучения является радиояркостная температура Тя, измеряемая в К
· - произведение абсолютной температуры Тt и коэффициента излучения ж (закон Релея-Джинса). Тя= ж Тt.
Радиояркостная температура реального объекта равна абсолютной температуре абсолютно черного тела, создающего излучение такой же мощности как и данный объект. Коэффициент излучения, входящий в формулу радиояркостной температуры для абсолютно черного тела равен единице, а для остальных реальных объектов он меньше. Этот коэффициент или, как говорят, степень черноты объекта, значительно варьирует, он зависит от электрических свойств объекта, характера его поверхности, длины волны. Наименьшую радиояркостную температуру имеет вода (~100°К), наибольшую – растительность (~300°К). На радиояркостную температуру водной поверхности оказывает существенное влияние волнение. Волны на водной поверхности увеличивают ее яркостную температуру, так как пористые пенистые гребни имеют более высокий коэффициент излучения, чем вода. Радиояркостная температура льда обычно на несколько десятков градусов выше чем воды. Это объясняется более высоким коэффициентом излучения льда, причем излучательная способность пресноводных льдов выше, чем морских.
Радиационные характеристики почвенного покрова в СВЧ-диапазоне помимо температуры зависят от механического состава, рассеченности поверхности, но наибольшее влияние оказывает влажность почв. Перепад уровней радиоизлучения сухой почвы и почвы в состоянии полной влагоемкости составляет 50-100°К. Излучение разных длин волн несет информацию о влажности почвы на разных глубинах. По радиотепловому излучению удается определить влагосодержание поверхностного слоя почвы толщиной 1-2 дм.
Растительный покров обладает наиболее высокими излучателъными свойствами, которые приближаются к свойствам идеального излучателя – абсолютно черного тела. Коэффициент излучения растительного покрова близок к единице. Его радиояркостная температура увеличивается пропорционально высоте и густоте растений. Радиотепловое излучение почвенно-растителъного покрова различных зон (тайга, тундра, степь, пустыня) заметно различается. Оно имеет выраженный годовой ход с максимумом в летний период.
Опыт показывает, что радиотепловое излучение, регистрируемое в разных зонах, целесообразно использовать для характеристики вполне определенных объектов и явлений. Так, миллиметровые волны наиболее пригодны для изучения атмосферы, сантиметровые – льдов, дециметровые – засоленности водоемов и т.д.

4.3. Искусственное излучение
В аэрокосмических методах помимо естественного излучения используется и искусственное. Принципиально для искусственного излучения можно использовать электромагнитные волны всех диапазонов. В настоящее время наибольшее значение имеет использование радиоизлучения СВЧ-диапазона, беспрепятственно достигающего земной поверхности независимо от метеорологических условий. Например, при радиолокационной съемке снимаемая местность облучается импульсами радиоволн, вырабатываемых генератором, установленным на носителе. Отраженные радиоволны, несущие информацию о изучаемых объектах, регистрируются приемником, находящимся на том же носителе. Важнейшими характеристиками отражения радиоволн, так же как и световых являются коэффициент и индикатриса отражения. Коэффициент отражения зависит от таких параметров объекта, как диэлектрическая проницаемость и плотность, а индикатриса отражения - от его шероховатости. Отражательная способность объектов в радиодиапазоне изучена значительно хуже, чем в световом. Но уже сейчас установлено, что интенсивность отраженного радиолуча зависит от влажности почв, минералнзации водоемов, вида сельскохозяйственных культур и т.п.
Интенсивность отражения в радиодиапазоне зависит от направленности зондирующих волн. Если плоскость поляризации параллельна ориентировке линейных элементов местности, то отражение будет интенсивнее, нежели при перпендикулярной поляризации сигнала. Это свойство наиболее ярко проявляется при отражении от взволнованной водной поверхности. Чем больше волнение, тем больше различие в интенсивности отраженных сигналов разной поляризации. Регистрация этих сигналов позволяет более надежно характеризовать объект или явление.
Весьма ценное свойство радиоизлучения – его проникающая способность. Глубина проникновения увеличивается пропорционально длине волны излучения и зависит от физико-химических свойств поверхности, главным образом диэлектрической постоянной. В качестве примера отметим, что короткие радиоволны рассеиваются растительностью, а длинные проникают сквозь нее. Проникновение радиоволн в воду, особенно морскую, значительно слабее, чем в грунт. В пресную воду радиоизлучение проникает лучше. При коротких длинах волн и глинистой влажной почве глубина проникновения составляет миллиметры, при длинных волнах и сухой песчаной почве – десятки метров.
Отражение радиоволн меняется при наличии неоднородностей в строении отражающего слоя, например водоносных слоев, интенсивно отражающих радиоволны, что используется для поиска линз грунтовых вод и для определения глубины их залегания. При этом удается достигать глубин в десятки метров, а для сухих верхних грунтов - до сотен метров.
4.4. Влияние атмосферы на излучение
В практике аэрокосмических съемок возникают значительные осложнения, т.к. между съемочной аппаратурой и земной поверхностью находится атмосфера, которая может изменять следующие характеристики электромагнитного излучения: а) направление излучения; б) интенсивность излучения; в) длину и частоту волн, достигающих объекта на поверхности Земли; г) спектральный состав лучистой энергии. Характер этих изменений зависит, в первую очередь, от массы воздушного слоя, через который проходит излучение, от содержания в нем аэрозольных частиц водяного пара, углекислого газа, озона, а также от электронной концентрации слоев ионосферы (рис. 7).
Чтобы правильно выбрать необходимую съемочную аппаратуру и избежать или уменьшить искажение изображений вследствие влияния атмосферных примесей, необходимо знать, как происходит рассеяние, поглощение и рефракция излучения.
Рассеяние. Ослабление излучения, которое происходит за счет его рассеяния частицами, взвешенными в атмосфере, зависит как от длины волн излучения, так и от концентрации и диаметра частиц. К видам рассеяния относятся:
-- Рассеяние по закону Релея. Обуславливается молекулами и другими мельчайшими частичками с диаметрами, значительно меньшими длины волн рассматриваемого излучения. Интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны излучения. Поэтому, например, ультрафиолетовое излучение. Длина волны которого составляет примерно одну четверть от длины волны красного света, рассеивается в шестнадцать раз сильнее. Это позволяет понять, почему на заходе солнца при низком его положении на небе преобладают оранжевые и красные цвета: более короткие волны видимого света отсекаются в результате поглощения в атмосфере и мощного рассеяния.
--Рассеяние по закону Ми (на сферических частицах). Происходит в тех случаях, когда атмосфера содержит частички, по форме близкие к сфере, с диаметрами, примерно равными длинам волн рассматриваемого излучения. К ним относятся водяной пар и пылинки, которые и рассеивают видимый свет.
--Неселективное рассеяние. Здесь действие оказывают частички с диаметрами порядка нескольких длин волн излучения. Например, водяные капли с диаметрами 5-100 мкм одинаково эффективно рассеивают все волны видимого света (0,4-0,7 мкм). В результате облака и туман кажутся белесыми, так как смесь всех цветов примерно в равных количествах дает белый цвет.
Поглощение. В атмосфере электромагнитное излучение избирательно поглощается водяным паром, двуокисью углерода, поэтому существует ряд различных по ширине полос поглощения. Например, атмосферный озон сильно поглощает ультрафиолетовое излучение, образуя широкую и глубокую полосу поглощения 220-290 нм. Узких полос поглощения чрезвычайно много. Так, на участке спектра 7-14 мкм их обнаружено около 400. Главную роль в поглощении играют пары воды, полосы поглощения которых (например, 1,2-1,5; 1,8-2,0; 2,5-3 мкм и т.д.) в приземном слое воздуха перекрывают полосы поглощения других газообразных веществ.
Поэтому приходящая солнечная радиация при ее прохождении через атмосферу сильно ослабляется. Совместный эффект поглощения и рассеяния характеризуется с помощью коэффициента ослабления (равного сумме коэффициентов поглощения и рассеяния). Он позволяет вычислить энергию, которая достигает поверхности Земли.
Ha рис.8 показано пропускание атмосферой излучений различных длин волн. Для ультрафиолетового излучения атмосфера непрозрачна. По мере перехода в длинноволновую часть встречаются, как отмечалось ранее, участки спектра – окна прозрачности, где коэффициент прозрачности относительно велик, хотя и не всегда равен единице. Наибольшее практическое значение в оптическом участке спектра имеют окна прозрачности, охватывающие весь видимый диапазон, и отдельные участки в инфракрасном диапазоне (3-5 мкм и 8-12 мкм). Миллиметровые радиоволны, как и более короткие волны, продолжают испытывать молекулярное поглощение в газах, входящих в атмосферу - кислороде и водяном паре. В миллиметровом диапазоне имеется несколько окон прозрачности. Наибольшее значение имеет окно прозрачности на длине волны 8,6 мм. Молекулярное поглощение перестает быть заметным при длинах волн свыше 1-2 см. Миллиметровые радиоволны, так же как и световые, поглощаются туманом, дождем, градом, снегом. Лишь сантиметровые волны длиной свыше 3-5 см начинают свободно проходить сквозь них. Волны дециметрового диапазона уже беспрепятственно проходят всю толщу атмосферы независимо от облачности. С увеличением длины радиоволн усиливается их отражение от ионизированных слоев атмосферы и декаметровые волны с длиной волны свыше 10 м уже не могут пройти сквозь, ионосферу. Для волн этих длин атмосфера непрозрачна. Приведенная на рис.8 кривая спектрального пропускания атмосферы может меняться по величине пропускания и ширине окон прозрачности в зависимости от состояния атмосферы (вариаций содержания водяного пара, аэрозолей и т.п.).
Рефракция (искривление лучей) связана с изменением коэффициента преломления в различных слоях атмосферы, что обусловлено различной их температурой, давлением, влажностью. Влияние рефракции невелико – искажение углов визирования составляет несколько угловых секунд.
5. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Электромагнитное излучение регистрируется различными приемниками излучения. Для оптического излучения – это глаз человека, фотографические слои, фото- и термоэлектрические элементы, а для радиоизлучения – антенны.
Зрительная система человека является наиболее совершенным биологическим приемником излучения и воспринимает лишь узкую часть спектра 0,4 – 0,8 мкм. Она построена на единстве глаза и зрительной коры мозга. Лучистый поток, проникающий в глаз фокусируется хрусталиком на сетчатке, светорецепторы которой, поглощая излучение, генерируют электрические импульсы, распространяющиеся по нервным волокнам в зрительные области мозга. Сетчатка глаза состоит из светочувствительных элементов – колбочек и палочек, каждая размером 0,004 мм. Палочки воспринимают синий цвет лучше, чем колбачки; зато колбачки видят темно-красный цвет, тогда как палочки на него не реагируют. При дневном (колбачковом) зрении глаз обладает наибольшей чувствительностью к излучению с длиной волны 0,556 мкм.
В области цветного зрения основной является идея, высказаная еще М.В. Ломоносовым и Т. Юнгом о том, что сетчатка глаза имеет три вида рецепторов, чувствительных к синим, зеленым и красным лучам. В зависимости от интенсивности поступления на сетчатку глаза синего, зеленого и красного излучения, рецепторы синтезируют его и получается определенный результирующий цвет. Известно, что каждое монохроматическое излучение воспринимается глазом как определенный цвет. Однако, различные цвета, кроме насыщенных можно получить, искусственно смешивая в разных пропорциях три основных цвета – синий (С), зеленый (З) и красный (К). Из них можно синтезировать дополнительные цвета – голубой (Г), желтый (Ж), пурпурный (П) и ахроматический белый (серый) цвет (Б): С + З = Г; З + К = Ж; С + К = П; С + З + К = Б. Цветовые контрасты могут изменяться в зависимости от сочетаний изображаемых объектов.
Оптическая система глаза имеет некоторые недостатки: ограниченность остроты зрения, т.е. неспособность различать малые объекты, отдаленные на большие расстояния; глаз воспринимает ограниченную область электромагнитного спектра; зрение инерционно, что приводит к необходимости адаптирования, т.е. привыкания, приспособления глаза к условиям наблюдения. Встречающиеся дальнозоркость и близорукость, если они корректируются очками, не мешают работе со снимками.
Величина различимых глазом деталей зависит от размера воспринимаемых элементов. Острота зрения характеризуется минимальным промежутком между объектами, которые глаз в состоянии видеть. Разрешающая способность нормального глаза при оптимальных условиях рассматривания в угловых единицах составляет 1
·, а в линейных единицах – 0,05-0,08 мм. В практике для дешифровочных работ предельная ошибка определения положения точек и контуров принимается равной 0,1-0,2 мм.
Стереоскопическое зрение. Зрительное восприятие одним глазом называется монокулярным, а двумя глазами – бинокулярным. Бинокулярное зрение, позволяющее непосредственно воспринимать глубинность пространства и пространственные формы наблюдаемых объектов, называется стереоскопическим. Если рассматривать какой-либо объект одновременно правым и левым глазом, то глаза поворачиваются так, что их визирные оси пересекаются под так называемым углом конвергенции, а изображения на сетчатке попадают в зону особо четкого видения. Наблюдатель как бы засекает наблюдаемые объекты зрительными лучами с двух центров, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, называемом базисом. Глазной базис (расстояние между зрачками) колеблется в пределах от 52 до 74 мм. В среднем он составляет 65 мм. Угол конвергенции изменяется в зависимости от расстояния объекта, если объект очень далеко, то визирные оси глаз параллельны, а угол равен 0, чем ближе объект тем больше угол.
По величине конвергенции человек судит об абсолютном удалении объектов и дает весьма приближенные оценки расстояний и пространственного положения объектов по глубине. Более точную оценку взаимного пространственного положения объектов обеспечивает другой механизм стереоскопического зрения, основанный на различиях двух глазных изображений. Если немного ближе или дальше от уже наблюдаемой точки выбрать другую точку (объект), то ее изображение на левой и правой сетчатках попадает на их разные участки. Величина этого смещения называется физиологическим параллаксом и зависит она от относительного удаления точек фиксации и наблюдения. Чем ближе к наблюдателю расположен объект и больше физиологический параллакс, тем сильнее воспринимается объемность (рельефность, пластичность, стереоскопичность) пространственного образа. Если величина физиологического параллакса больше критической величины, равной 0,4 мм, то объект воспринимается двоящимся и его пространственный образ разрушается.
Зрительные пороги. Эффективность зрительного процесса зависит от порогов чувствительности зрительного анализатора. Под порогом чувствительности подразумевается минимальное световое воздействие, которое может быть зарегистрировано приемником излучения. Различают три порога чувствительности: различительный, разрешающий и стереоскопический.
Различительный порог чувствительности определяется контрастом изображения, т.е. разностью оптических плотностей изображения соседних объектов. Человек в состоянии воспринимать лишь такие яркостные различия объектов, которые выше пороговых. Порог контрастной чувствительности для любых размеров изображаемых объектов, установленный опытным путем, равен 0,06. На контрастную чувствительность глаза оказывает влияние ряд факторов – условия освещения, время наблюдения и т.д. Считается, что человек в состоянии различать до 100ахроматических тоновых градаций, от белого до черного, хотя в практической работе со снимками эту величину уменьшают до 20.
Цветовые контрасты могут изменяться в зависимости от сочетаний изображаемых объектов. Например, серое поле на белом кажется темнее, а на черном светлее.
Разрешающий порог (острота зрения) – минимальный размер воспринимаемого глазом объекта. Опытным путем установлено, что невооруженным глазом может быть воспринят кружок диаметром 0,12 мм, имеющий резкие очертания и контраст по отношению к фону. Чем больше контраст изображения, тем меньше воспринимаемый размер кружка.
Стереоскопический порог зрения (глубина зрения), т.е. способность воспринимать глубину пространства и оценивать относительное положение объектов в пространстве. Различимость объектов по глубине зависит от остроты стереоскопического зрения – наименьшего значения физиологического параллакса, равного среднему расстоянию между рецепторами 0,002 мм. Величину остроты стереоскопического зрения можно выразить и в угловой форме. Для различного вида расчетов среднее значение остроты стереоскопического зрения принимают равной 30
·
·.
Фотографическая регистрация. Наиболее распространенным и универсальным способом регистрации излучения является фотографическая регистрация, которая осуществляется с помощью двухмерного слоя. Фотографические слои являются непревзойденными хранителями информации, простыми и удобными в практическом использовании.
Строение черно-белых фотографических материалов. Фотографическая пленка состоит из подложки 4, подслоя 3, защитного слоя 1, противоореольного слоя 5 и эмульсии или светочувствительного слоя 2 (рис.9). Два слоя являются основными: подложка и светочувствительный слой.
Подложка – гибкая пленка, изготовленная из триацетатцеллюлозы, она должна быть прозрачной, эластичной, термо- и гидроустойчивой, прочной и однородной по составу. Подложку всегда стремятся сделать тонкой (0,1 - 0,05 мм) для уменьшения веса и малодеформируемой.
Светочувствительный слой состоит из желатинового раствора, в котором взвешены кристаллы галогенов серебра. Важным показателем является размер кристаллов: чем крупнее зерна, тем выше светочувствительность пленки. Подслой служит лучшему скреплению эмульсии с основанием пленки – подложкой.
Защитный слой предохраняет верхнюю часть эмульсии от случайных повреждений. Противоореольный слой предохраняет фотопленку от образования ореолов, возникающих при съемке ярко освещенных объектов, а так же ее электризации.
При воздействии света на светочувствительный слой в кристаллах бромистого серебра восстанавливается некоторое количество металлического серебра, которое и формирует на пленке, невидимое для человеческого глаза, изображение. Для выявления этого скрытого изображения, пленку помещают в раствор фотографического проявителя, под воздействием которого кристаллы бромистого серебра, которые подверглись воздействию света, целиком превращаются в металлические, образуя серебряное изображение. В процессе проявления достигается колоссальное усиление действие света (в десятки миллионов раз), которое тем больше, чем крупнее светочувствительные кристаллы. Для удаления из эмульсионного слоя не восстановленных в процессе проявления кристаллов бромистого серебра производится фиксирование.
Количество восстановленного металлического серебра соответствует количеству освещения падающего на данный участок светочувствительного слоя. Практически удобнее измерять не количество восстановленного серебра, а обусловленное им почернение фотографического материала, которое выражается в единицах оптической плотности.
Различные фотографические материалы обладают не одинаковой чувствительностью к излучению разной длины волн. Если светочувствительный слой состоит только из желатина и галогенидов серебра, он имеет естественную чувствительность к фиолетовым и синим лучам с длинами волн не более 500 нм. Для расширения чувствительности к длинноволновому излучению в светочувствительный слой вводят органические красители. Добавление красителей, поглощающих определенные лучи, приводит к повышению чувствительности слоя именно к этим лучам. Это явление называется оптической сенсибилизацией (очувствлением). Таким образом были получены ортохроматические, изохроматические, панхроматические и инфрахроматические фотографические пленки.
Наиболее широко при аэрокосмической съемке используется пленка типа панхром (максимум чувствительности в зоне 650 нм) или изопанхром (680 нм). Она наиболее универсальна, имеет большую область применения и дает снимки высокой дешифрируемости. Эффективно ее использовать при осенней и весенней съемках для изучения лесных почв. Ортохроматическая пленка 550 нм) и приближающаяся к ней по характеристикам пленка изохром (600нм) применяется для решения частных задач, например, для съемки морских мелководий.
Для фотографирования в ближней инфракрасной зоне спектра (700-900 нм) применяются пленки типа инфрахром, дополнительно очувствленные к инфракрасной зоне спектра до 800-900 нм. Эту пленку эффективно использовать при изучении растительности и степени увлажнения почв. На инфракрасных снимках хвойная растительность изображается темным, а лиственная светлым тоном изображения.
Цветное фотографирование. Цветные пленки в отличие от черно-белых имеют три светочувствительных слоя. Верхний слой представляет собой несенсибилизированную эмульсию, чувствительную к синим лучам спектра. Средний эмульсионный слой чувствителен к лучам зеленой части спектра (ортохром), а нижний слой имеет чувствительность к красным лучам (панхром). После экспонирования и цветного проявления трехслойной цветной фотопленки в верхнем синечувствительном слое из несенсибилизированной эмульсии образуется желтое изображение, во втором светочувствительном слое из изоортохроматической эмульсии – пурпурное и в нижнем панхроматическом слое, чувствительном к красным лучам – голубое изображение (рис.10).
Между первым и вторым слоями находится желтый фильтровой слой, который задерживает синие лучи, предохраняя изохроматический слой от их действия. Трехслойное строение фотоматериала позволяет получить три совмещенных цветоделенных изображения, окрашенных в желтый, пурпурный и голубой цвета, являющиеся дополнительными к цветам оригинала. Изготовление позитива на трехслойном фотоматериале аналогичного строения позволяет воспроизвести оригинал объекта и его крупных деталей в цветах, близких к натуральным. Цветные пленки наиболее эффективно использовать для съемки лесной растительности в осенний период, когда изменяется окраска листвы.
Цветное спектрозональное фотографирование проводится на специальных двух и трехслойных пленках, в которых отсутствует синечувствительный слой, но имеется слой, чувствительный к инфракрасным лучам. Спектрозональные снимки в отличие от цветных, дают изображение в искаженных (ложных) цветах, но обеспечивают наилучшее цветовое деление изучаемых объектов.
Спектрозональные пленки широко используются для съемки растительности в летний период.
Электрическая регистрация излучения. С помощью электрических приемников удается регистрировать значительно более длинноволновое излучение, чем глазом или фотографическими слоями.
Электрическая регистрация оптического излучения основана на его поглощении чувствительным элементом приемника. При этом электрический сигнал возникает вследствие непосредственного воздействия излучения на чувствительный элемент (фотоэлектрический эффект) или его нагревания (термоэлектрический эффект). В соответствии с этим приемники излучения в оптическом диапазоне делят на фото- и термоэлектрические.
Электрическая регистрация излучения в радиодиапазоне основана на электромагнитной индукции, на превращении энергии радиоизлучения в энергию переменного электрического тока. Это осуществляется с помощью антенны.
Фотоэлектрические приемники или фотоэлементы это большая группа электронных приборов, действие которых основано на так называемом внешнем (электровакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители) и внутреннем фотоэлектрическом эффекте (полупроводниковые фотосопро-тивления, фотодиоды и др.).
В электровакуумном фотоэлементе чувствительный элемент (фотокатод) делают из металла, который под действием поглощенного излучения, испуская электроны, вырабатывает фототок (внешний фотоэффект). Например, спектральная чувствительность одного из эффективных фотокатодов – сурьмяно-цезиевого – лежит в пределах 0,2-0,6 мкм. Общая чувствительность вакуумных фотоэлементов невелика. Их достоинство высокие фотометрические свойства, заключающиеся в стабильной пропорциональности силы фототока падающему световому потоку.
В полупроводниковых фотоэлементах фотосопротивлениях (фоторезисторах) чувствительный элемент делается из полупроводника, который под действием излучения резко изменяет электрическое сопротивление (внутренний фотоэффект). При освещении полупроводникового фотоэлемента величина тока в электрической цепи будет меняться пропорционально освещенности. Типичным полупроводником является селен, спектральная чувствительность которого охватывает видимый и ближний инфракрасный диапазон. Сернисто-свинцовые фотосопротивления чувствительны к среднему инфракрасному излучению. При охлаждении полупроводниковых фотосопротивлений их чувствительность повышается и смещается в более длинноволновую область электромагнитных волн. По сравнению с вакуумными полупроводниковые фотоэлементы отличаются малыми габаритами, они более чувствительны, а главное могут регистрировать длинноволновое оптическое излучение. Например, фотоэлементы из германия, теллура, антимонида индия используются для приема инфракрасного излучения в зоне 3-5 и 8-12 мкм. Но по своим измерительным свойствам (непостоянству чувствительности, не строго линейной зависимости электрического сигнала от освещения) полупроводниковые фотоэлементы уступают электровакуумным. Фотоэлектрический эффект лежит также в основе телевидения он используется в передающих трубках телевизионных камер для преобразования оптического изображения в электрические сигналы.
В последние годы получают распространение многоэлементные фотоэлектрические приемники излучения, которые состоят из самосканирующихся твердотельных детекторов в виде одномерных линеек и двумерных матриц, называемых приборами с зарядовой связью (ПЗС). Размер отдельного чувствительного элемента приемника очень мал (десятки микрометров). Лучшие образцы современных приемников-линеек могут состоять из нескольких тысяч, а матрицы сотен тысяч чувствительных элементов. Применение многоэлементных фотоэлектрических приемников для регистрации излучения открывает новые перспективы в создании съемочных систем, в частности систем, способных быстро адаптироваться к изменяющимся внешним условиям съемки.
Термоэлектрические приемники. Для регистрации инфракрасного теплового излучения применяются приемники, основанные на термоэлектронной эмиссии, которые реагируют на поглощенное излучение через нагревание своего чувствительного элемента. Чувствительный элемент, который делают черным, одинаково хорошо поглощает излучение всех длин волн. Таким образом, термоэлектрические приемники, в отличие от фотоэлектрических, которые обладают избирательной чувствительностью по спектру, регистрируют излучение в широком спектральном диапазоне. Однако температура термочувствительного элемента зависит также от температуры окружающих предметов. Поэтому для надежной работы термоэлектрический приемник необходимо защитить от постороннего теплового воздействия. При регистрации теплового инфракрасного излучения (812 мкм) необходимо глубокое (200°С) охлаждение приемника, что достигается с помощью жидкого азота и даже гелия и является сложной самостоятельной задачей. Термоэлектрические приемники по сравнению с фотоэлектрическими медленнее реагируют на изменение интенсивности регистрируемого излучения, т.е. их быстродействие ниже. К классу термоэлектрических приемников относятся болометры, радиационные термоэлементы (термопары) и др. Работа болометра основана на изменении сопротивления чувствительного элемента, нагреваемого падающим излучением. В металлических болометрах чувствительный элемент для увеличения их быстродействия изготавливают из тончайшей зачерненной металлической фольги, в полупроводниковых, называемых терморезисторами (термисторами), из полупроводников. Некоторые полупроводники (селен, кремний, гелий, германий, теллур) чувствительны не только к облучению, но и нагреванию.
К электрическим следует отнести и двумерные рельефографические приемники излучения, принцип действия которых основан на изменении формы их поверхности под действием излучения. Для регистрации оптического изображения наиболее перспективна фототермо-пластическая пленка, состоящая из нескольких очень тонких слоев, важнейшим из которых является термопластический слой, легко размягчаемый при нагревании. Очувствление фототермопластической пленки производят путем нанесения та нее равномерного электрического заряда. При проектировании на пленку оптического изображения на ее поверхности возникает электрическое изображение. В процессе теплового проявления (нагревание ИК-лучами в течение долей секунды) размягченный термопластический слой под действием электрических сил деформируется, образуя микрорельеф, количество элементов которого пропорционально интенсивности подействовавшего излучения. Таким образом, если фотографическая пленка регистрирует излучение в виде почернений, то фототермопластическая пленка в виде неровностей (микрорельефа) ее поверхности. Ценным свойством термопластической пленки является ее высокая разрешающая способность и возможность многократного пользования ею. Путем повторного нагревания можно быстро стереть изображение и использовать фототермопластическую пленку для регистрации изображения еще раз. Для воспроизведения невидимого глазом фототермопластического изображения его необходимо спроектировать на экран, последовательно просвечивая пленку узким световым лучом, яркость которого на экране будет пропорциональна неровностям на термопластике.
Антенны. В качестве антенны, которая является приемником и излучителем электромагнитных волн радиодиапазона, можно использовать любой проводник. Простейшей антенной может служить металлический стержень, так называемый полуволновой резонансный вибратор. Если такой вибратор соединить с генератором электрических колебаний, он станет излучать в окружающее пространство электромагнитные волны и наоборот – приходящие электромагнитные волны будут индуцировать в нем электрический ток. Наиболее эффективно работает вибратор, длина которого равна половине длины волны электромагнитных волн. Таким образом, антенны принимают электромагнитное излучение только определенной волны, величина которой зависит от размера и конструкции антенны. Антенны обладают направленным действием, которое характеризуется диаграммой направленности – зависимостью напряженности принимаемой или излучаемой энергии от направления. Вид диаграммы направленности существенно зависит от конструкции антенны.
6. ВИДЫ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СЪЁМОК
6.1. Фотографическая съёмка
Под фотографической съемкой следует понимать сложный технологический процесс, включающий работы от проведения фотографирования с летательных аппаратов до получения фотографических снимков.
Фотографическая съемка выполняется в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн (0,4-0,9 мкм). При ее проведении обязательным условием является наличие на борту носителя аппаратуры фотографической системы (объектив + фотопленка). Фотоаппараты используемые при фотографической съемке подразделяются на картографические, предназначенные для получения снимков с высокими измерительными геометрическими свойствами и некартографические – для рекогностировочных съемок. Общий вид аэрофотоаппарата и его схема приведены на рис. 11, 12.
По формату получаемых снимков фотоаппараты подразделяются на малоформатные (размер снимка 6Ч8 см; 11,5Ч11,5 см; 13Ч18 см), нормальные (18Ч18 см) и крупноформатные (23Ч23 см; 24Ч24 см; 30Ч30 см).
В фотоаппаратах используются объективы, наиболее широкое применение получили объективы конструкции М.М.Русинова типа «Руссар». В зависимости от фокусного расстояния объективов фотоаппарата подразделяются на короткофокусные (f=36-150мм), среднефокусные (f =150-300мм) длиннофокусные (f =300-500мм) и сверхдлиннофокусные (f =1000-3000мм). По величине угла поля зрения объективов фотоаппараты различают узкоугольные (угол зрения <50°), нормальные (50-70°), широкоугольные (>70°) и сверхширокоугольные (133, 137, 140 и 148°).
Нормальные объективы применяются для проведения крупно- и среднемасштабной фотосъемки, широкоугольные - для мелкомасштабной. По количеству объективов существуют однообъективные и многообъективные фотокамеры. Примером многообъективных фотокамер может служить автоматизированные многозональные фотокамеры МК-4 и МКФ-6, последняя имеет шесть идентичных объективов с фокусным расстоянием 125мм и синхронно работающими затворами. Формат кадра 55Ч80мм. Каждый объектив снабжен светофильтром, который в сочетании с пленкой разной спектральной чувствительности обеспечивает съемку в сравнительно узких спектральных зонах.
Фотографирование земной поверхности с летательных аппаратов может проводиться при различных положениях оптической оси фотоаппарата относительно отвесной линии в момент фотографирования. В зависимости от этого различают плановую и перспективную съемки.
При аэрофотосъемке, плановой считается съемка, если отклонение оптической оси фотоаппарата от отвесной линии не превышает 3°, а космической 5°, если более данных величин, то она называется перспективной. Фотоснимки, полученные при данных видах съемки называются плановыми и наклонными или перспективными.
В зависимости от характера покрытия местности снимками фотографическую съемку подразделяют на выборочную, маршрутную и площадную.
Выборочная фотосъемка заключается в фотографировании отдельных объектов или участков местности одиночными кадрами.
Маршрутная фотосъемка представляет собой фотографирование полосы местности в виде отдельного маршрута. При воздушной съемке эти маршруты могут быть прямые, криволинейные и ломаные, при космической в виде прямых полос. Маршрутная съемка используется для съемки линейных объектов (дорожная сеть, поймы рек, береговая линия морей и т.д.), а также отдельных трасс земной поверхности.
Площадная фотосъемка применяется для съемки земной поверхности путем покрытия определенной площади параллельными и прямолинейными маршрутами. Степень перекрытия снимков в маршрутах и между ними рассчитывается в зависимости от целей, для которых проводится съемка.
Фотографическая съемка проводится с самолетов, пилотируемых кораблей и орбитальных станций, картографических спутников и т.д., кадровыми, панорамными и щелевыми фотокамерами работающими в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режиме.
Основной задачей фотографической съемки является повышение информативности изображений, что в свою очередь связано с увеличением разрешающей способности фотографий, выбором определенных спектральных зон, обеспечением высоких фотографических, фотометрических и фотограмметрических качеств. Решение данных вопросов требует комплексирования на борту летательных аппаратов различных типов фотоаппаратов.
Материалы фотографической съемки обладают высокими геометрическими, изобразительными и информационными свойствами. Их отличает высокая разрешающая способность, надежность и освоенность аппаратуры для получения и обработки снимков. Легкость зрительного восприятия изображения позволяет их использовать для визуального дешифрирования различных объектов. С целью улучшения дешифровочных свойств фотографическое изображение может быть подвергнуто различным видам преобразования (квантование, фильтрация, синтезирование). Для количественного и качественного анализа фотоснимков может быть применены фотометрические и фотограмметрические приборы, а также компьютерная техника.
Ограничение в использовании фотографической съемки связано с невысокой оперативностью обуславливаемое необходимостью возвращения пленки на Землю для фотохимической обработки и получения снимков, а также ограниченностью ее запасов на борту летательного аппарата.
Материалы фотографической съемки широко используются для изучения природных явлений, составления тематических и топографических карт.
6.1.2. Многозональная фотографическая съёмка
Фотографическое изображение объекта на аэрокосмическом снимке формируется в зависимости от его способности поглощать или отражать электромагнитные волны определенной длины. В этом можно убедиться, наблюдая местность через разные цветные стекла – светофильтры. Например, если наблюдать ель и березу через синий светофильтр, их яркость будет одинаковой, а через красный – кроны ели будут темнее, чем у березы. Еще больше различия между лиственными и хвойными породами в инфракрасных лучах. При наблюдении через красный светофильтр мутная и чистая вода будут иметь одинаковую спектральную яркость, а через сине-голубой – мутная вода выглядит значительно светлее. Таким образом, если получить черно-белые снимки в различных зонах спектра, то на них можно распознать объекты и их свойства по различиям их спектральной яркости. Такой вид съемки получил название многозональной.
Сущность многозональной фотографической съемки заключается в том, что одна и та же территория или участок местности одновременно фотографируются в нескольких узких зонах электромагнитного спектра, при одних и тех же технических и погодных условиях съемки.
Впервые одновременное фотографирование в двух зонах видимого спектра было выполнено русским астрономом Г.А. Тиховым в 1911г. При помощи 30-дюймового Пулковского рефрактора была произведена съемка Марса и Сатурна с различными светофильтрами. В результате были получены цветные изображения.
В конце 20-х Г.А. Тихов предложил, а в 1930г. В.А. Фаас реализовал двухцветный метод фотографирования. С помощью двух аэрофотоаппаратов путем одновременного фотографирования проводилась аэрофотосъемка через различные светофильтры на две различные пленки.
В 1955-1956гг. А.Н. Иорданским был предложен метод двухзонального цветного фотографирования, получивший название спектрозональной фотографии.
В 60-х гг. многозональная съемка начала производится из космоса. На первых этапах разработки многозональных съемочных систем, велся поиск оптимального количества спектральных каналов и шел он в ряде стран разными путями. Иногда для эксперимента использовались блоки из 48 и 24 отдельных камер. Однако столкнулись со сложностью и трудоемкостью обработки большого количества изображений. В итоге широкое практическое применение нашли фотосистемы, обеспечивающие фотографирование от 3 до 6 спектральных каналов.
На космическом корабле «Союз-22», подготовленном совместно специалистами СССР и ГДР по программе «Интеркосмос» для многозональной съемки использовались многообъективные камеры. Наиболее широкое применение получили многозональные камеры МКФ-6 и МК-4.
Для съемки на корабле «Союз-22» использовалась шестизональная камера МКФ-6. Многозональный космический фотоаппарат МКФ-6 и его модификация МКФ-6м имеет шесть фотокамер, объединенных в едином литом корпусе, снабженных высококачественными объективами с фокусным расстоянием 125 мм и имеющими формат кадра 81Ч56 мм. Каждая камера обеспечена отдельной кассетой. Перед объективами устанавливаются светофильтры, обеспечивающие фотографирование в шести узких зонах спектра, охватывающий спектральный интервал от 475 до 840 нм.
Российский космический аппарат типа «Ресурс-Ф» (серии «Космос») оснащен многозональной четырехканальной съемочной камерой МК-4 производства белорусского предприятия АО «Пеленг».
Аппаратура МК-4 обеспечивает фотографирование земной поверхности в четырех зонах спектра электромагнитного излучения, выбираемые для данного комплекта аппаратуры из шести заданных зон в диапазоне длин волн от 400 до 900 нм.
Многозональная съемка является одним из перспективнейших направлений в вопросах изучения различных природных явлений. Отличительной особенностью данного вида съемки от обычной является то, что одновременное фотографирование одного и того же объекта в нескольких узких зонах спектра дает дополнительный дешифровочный признак, т.е. различие в спектральной яркости одного и того же объекта в разных зонах спектра, обусловленное определенными его свойствами. Например, если на снимках, полученных в красной зоне спектра, контрастно светлым тоном выделяются горные хребты, покрытые снегом и льдом, то на снимках, полученных в инфракрасной зоне спектра очень четко темным тоном изображаются гидрографические объекты (реки, озера), а так же переувлажненные участки.
Синтезирование многозональных снимков. Преобразование исходных снимков носит характер специализированной обработки, направленной по повышению информационных свойств изображений применительно к решению определенных задач. Варианты преобразования многообразны. Эти операции выполняются как при помощи аналоговых средств, так и на базе цифровых комплексов. Проводимые преобразования предназначены для выделения на снимке необходимой информации, отвечающей задачам картографирования. К ним относится прежде всего синтез многозональных изображений. Для изготовления цветных синтезированных изображений используются многозональные синтезирующие проекторы.
Чтобы получить цветное синтезированное изображение с помощью проектора, для этого три зональных черно-белых изображения проектируются соответственно через зеленый, синий и красный светофильтры на экран многоканального проектора. В результате на экране проектора формируется цветное изображение. Кроме того, цветное изображение можно зафиксировать на цветную фотобумагу или пленку. Подбор цветной гаммы синтезированных снимков производится так, чтобы обеспечить наилучшую дешифрируемость снимков. Хотя цветное изображение на синтезированных снимках формируется в ложных цветах, однако это повышает выразительность изображения и дешифрируемость объектов. В отличие от черно-белых зональных снимков, синтезированные изображения обеспечивают большую наглядность фотоинформации, что облегчает процесс визуального дешифрирования.
Исходя из вышеизложенного, можно отметить следующие основные достоинства многозональной съемки:
1. Снимки получаются в один момент времени, что позволяет проводить сравнительный анализ объектов.
2. Снимки обладают высокой геометрической точностью и высокой разрешающей способностью.
3. По снимкам можно проводить стереоскопические наблюдения.
4. Снимки обладают высокими изобразительными и информационными свойствами.
5. Можно проводить синтезирование многозональных снимков с целью преобразования аэрокрсмического изображения.
К недостаткам следует отнести:
1. Зависимость съемки от состояния атмосферы и высоты Солнца над горизонтом.
2. Необходимость доставлять на орбиту и возвращать на Землю значительное количество фотоматериалов.
3. Большой вес аппаратуры, необходимой для проведения съёмки.


6.2. Телевизионная съемка
Телевизионная съемка ведется телевизионными камерами в оптическом диапазоне электромагнитного спектра (0,4-1,1 мкм). Сущность телевизионной съемки заключается в том, что оптическое изображение местности преобразуется в электрический видеосигнал. Телевизионные приемники относятся к оптико-электронным системам дистанционного зондирования. Телевизионные камеры состоят из объектива, фокусирующего изображение на светочувствительную поверхность, электронно-лучевой трубки, блоков считывания информации и формирования сигналов для трансляции на наземные приемные пункты. Основной составной частью телевизионной камеры является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), которая и является приемником электромагнитного излучения.
Принципиальное отличие телевизионной камеры от фотоаппарата заключается в том, что оптическое изображение местности через объектив проектируется не на фотопленку, а на светочувствительный экран, на котором формируется электронное изображение, которое преобразуется в электрический видеосигнал. Кроме того, ресурс элементов оптико-электронной регистрации на много больше, чем возможный запас фотопленки на борту носителя, а значит, спутник с телевизионной системой может годами функционировать на орбите и оперативно постоянно передавать информацию на наземные приемные станции.
К достоинствам оптико-электронных приемников следует отнести то, что они обладают гораздо большей чувствительностью, чем фотоматериалы, что важно при съемке в условиях малой освещенности невысокой отражательной способностью объектов местности. Однако они имеют значительно меньшую разрешающую способность, чем фотопленка, а также имеют значительные геометрические искажения.
В телевизионных камерах используются два вида передающих телевизионных трубок – диссекторные и видиконовые. Первые телевизионные камеры оснащены широкоугольным объективом, что позволяет фиксировать в пределах кадра значительные территории. В качестве светочувствительного элемента в этих трубках используется фотокатод, работа которого основана на внешнем фотоэффекте (рис.13). Фотокатод диссектора, на который проектируется оптическое изображение, испускает электроны с плотностью, пропорциональной освещенности.
Так создается электронное изображение, элементарные участки (элементы) которого с помощью отклоняющей системы последовательно подводятся к входному отверстию-фотоэлектронного умножителя, вырабатывающего электрический видеооигаал. В результате развертки двумерное изображение, пре образованное в одномерную функцию изменения напряжения во времени, можно передать по одному каналу связи.
Эти телевизионные камеры используются для глобальных съемок с геостационарных спутников. Впервые такая камера была установлена на спутнике «Молния-1». Недостатком таких телевизионных камер является невысокая разрешающая способность при широком угле зрения и громоздкость аппаратуры. Более широкое применение при дистанционном зондировании получили телевизионные камеры с видиконовыми передающими трубками, где в качестве светочувствительного экрана используется полупроводниковый фотоэлемент, работа которого основана на внутреннем фотоэффекте.
На плоскую поверхность прозрачного в требуемом спектральном интервале баллона трубки напыляется тончайшая пленка металла сигнальный электрод, на которую наносится слой полупроводника (фотосопротивление). Если спроектировать изображение на светочувствительную мишень, то отдельные ее участки вследствие внутреннего фотоэффекта изменят электрическое сопротивление обратно пропорционально их освещенности. В результате оптическое изображение создает на светочувствительной мишени электрическое изображение (потенциальный рельеф) из положительных зарядов. Видеосигнал формируется на сигнальном электроде в процессе разряда мишени электронным лучом, быстро обегающим всю мишень. Движение луча по мишени обеспечивает отклоняющая система трубки, а образование узкого луча фокусирующая. Чем меньше диаметр луча и, следовательно, больше строк сканирования, тем более мелкие детали различаются в телевизионном изображении. Современные трубки космических телевизионных систем обеспечивают 5001000 строк развертки при размерах мишени 0,55 см. Высокая чувствительность мишеней с внутренним фотоэффектом, применяемых в видиконе, позволила упростить трубку и уменьшить ее размеры, что очень важно для орбитальной съемки. В видиконе, в отличие от диссектора, электрическое изображение в виде зарядов образуется (накапливается) в течение (всего времени между очередными циклами считывания потенциального рельефа электронным лучом. Этот принцип повышает эффективность работы трубки и позволяет формировать телевизионное изображение в виде отдельных кадров.
В этих камерах наряду с высококачественными ЭЛТ используются узкоугольные длиннофокусные объективы, что позволило значительно повысить разрешающую способность снимков в 5-6 раз по сравнению с первыми снимками с ИСЗ типа «Метеор-Природа». Кроме того, в видиконе в отличие от диссектора, электрическое изображение в виде зарядов образуется в течение всего времени между очередными циклами считывания потенциального рельефа на светочувствительном экране электронным лучом, что позволяет формировать телевизионное изображение в виде отдельных кадров.
Телевизионная съемка для метеорологических целей проводилась с советских ИСЗ «Метеор», российского «Ресурс-0», американских «Тайрос» и «Нимбус». Разрешение телевизионных снимков - несколько километров (по краям от 6 до 8 км). Эти снимки используются для дешифрирования облачного покрова, составления карт облачности, которые используются для прогноза погоды. Также они используются для изучения снежного покрова в целях гидрологических прогнозов и анализа ледовой обстановки на морях.
Кроме метеорологических целей и исследования земной поверхности телевизионная съемка используется при изучении планет Солнечной системы и их спутников.
Основные достоинства телевизионных съемок - оперативность (получение изображений в реальном или близком к реальному масштабу времени), технологичность в обработке, обеспечение быстрой и многократной повторности съемок одних и тех же территории.


6.3. Сканерная съемка
Сканерная съемка в отличие от фотографической и телевизионной может выполняться от видимого диапазона до инфракрасного теплового с длиной волны в единицы и десятки микрометров. Для съемки используются оптико-механическое сканирующее устройство, которое состоит из вращающегося зеркала, устанавливаемого под углом 45° к направлению вращения, перпендикулярному к плоскости орбиты и детекторов, чувствительных к излучению определенных длин волн (рис. 15).
Принцип работы оптико-механического сканирующего устройства заключается в следующем: сканирующий элемент (вращающееся зеркало), поэлементно просматривая местность поперек движения носителя (рис. 14), посылает лучистый поток в объектив и далее на точечный фотоприемник (детектор), который преобразует его в электрический сигнал, передаваемый с носителя по каналам связи на наземные приемные станции (рис.15).
Детекторы сканирующего приемника выбираются в зависимости от требуемого диапазона зондирования. При съемке в диапазоне 0,4 - 1,1 мкм. используются кремневые, в окне прозрачности атмосферы 7-14 мкм. применяют детекторы из ртуть-кадмий-теллурида или германия с включениями ртути.
Отличительная особенность сканерных снимков состоит в том, что их изображение состоит из полос (сканов), которые в свою очередь состоят из отдельных элементов (пикселов). Спектральная яркость объектов в пределах элемента изображения усредняется и детали не различаются.
Разрешающая способность изображений, получаемых сканирующими системами и ширина охвата съемкой полосы, зависят от угла сканирования (обзора) и мгновенного (элементарного) угла зрения. Угол сканирования и мгновенный угол зрения, а следовательно, охват съемкой и разрешение на местности - взаимосвязанные величины. Чем выше разрешение сканера, тем меньше охват съемкой местности. Например, при разрешении 1-2 км, из космоса снимают полосу шириной в несколько тысяч километров; при разрешении в 200-300м до 1000км, а при разрешении в 50-80м ширина полосы съемки не превосходит первые сотни метров.
По своим геометрическим свойствам сканерный снимок, состоящий из отдельных элементов, уступает фотографическому. Однако, сканерная съемка, в отличие от фотографической, имеет большие возможности по использованию узких съемочных зон для получения изображения во всех спектральных диапазонах. Кроме того, она обеспечивает быструю передачу информации на наземные приемные станции и возможность представления снимка в цифровом виде, что позволяет использовать компьютерные технологии для его тематической обработки.
Оптико-механические сканеры с вращающимся зеркалом достаточно сложны в изготовлении и эксплуатации. В последнее время широко начали использоваться для сканирования многоэлемептные приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые отличаются простотой и надежностью сканирования. В качестве светочувствительного элемента в этих системах используются линейки, которые смонтированы из нескольких тысяч кристаллических детекторов. На линейку проецируется изображение местности и с каждого детектора снимается электрический сигнал, характеризующий спектральную яркость снимаемого объекта (рис. 16). Для сканирования в различных зонах спектра применяют несколько линеек, регистрирующих каждая свой спектральный интервал. Такое сканирование проводится в оптическом диапазоне.
Впервые сканерная съемка начала проводиться с советских метеорологических спутников серии «Метеор» и американских серии «Нимбус», получаемые снимки имели разрешение 1-3 км в центре и 5-8км по краям.
К 70-м годам техника сканерной съемки существенно усовершенствовалась, что позволило получать снимки более высокого разрешения и использовать ее для изучения природных ресурсов.
Впервые сканерный метод съемки для изучения земной поверхности был выполнен с американского ресурсного спутника ERTS, впоследствии переименованный в «Ландсат». Для съемки использовалась многоспектральная сканирующая система МSS, дающая изображение полосы шириной 185 км в зеленом, красном и ближнем инфракрасном диапазонах спектра в интервалах 0,5-0,6; 0,6-0,7; 0,7-0,8; 0,8-1,1мкм. Элемент разрешения на местности 59Ч79м.
С 1974 по 1980гг. в СССР проводились запуски спутников серии «Метеор» и «Космос» с экспериментальной аппаратурой для сканерной съемки в целях изучения природных ресурсов. Основная съемочная аппаратура, общая для всех этих спутников – многозональное сканирующее устройство малого разрешения (МСУ-М), работающее в тех же спектральных диапазонах, что и многозональная сканирующая система МSS на спутнике «Ландсат».
Многоэлементные ПЗС-снимки с разрешением 45м в полосе обзора 45км, в трех спектральных диапазонах: 0,5-0,6; 0,6-0,7; 0,8-0,9 мкм получают с российских спутников серии «Ресурс 0-1». На французском спутнике SPOT установлены две идентичные съемочные камеры с многоэлементными линейными светоприемниками. Ряд (линейка) светоприемнико-детекторов включает 6000 элементов, дающих строку ширины полосы охвата 60км. Ведется многозональная съемка в трех спектральных диапазонах 0,50-0,59; 0,61-0,68; 0,70-0,89мкм с разрешением 20м или монохроматическая в интегральной зоне 0,51-0,75мкм с разрешением 10м. Снимки со спутника SPOT используются для решения задач топографического и крупномасштабного тематического картографирования.
Снимки получаемые аппаратурой МСУ-М, используются в геологических, гидрологических, гляциологических и лесохозяйственных исследованиях. Снимки получаемые с помощью системы «Фрагмент» обладают высоким разрешением и используются для среднемасштабного тематического картографирования.
6.4. Инфракрасная и инфракрасная тепловая съемки
Данные виды съемок выполняются с использованием инфракрасных сканирующих радиометров, однако различаются диапазоном спектра, в которых они проводятся.
Инфракрасная съемка ведется в длинноволновой зоне оптической части спектра с длинной волн в пределах от 0,76 до 1,75мкм. В этих сканирующих системах в качестве приемников применяются фотонные детекторы, чаще кремневые (0,4-1,1мкм) и германиевые (1,1-1,75мкм).
Источником инфракрасного излучения является земная поверхность, нагретая Солнцем, внутренним теплом Земли или искусственными источниками тепла.
Сканерная съемка в инфракрасном диапазоне ведется со спутников «Ландсат», «Метеор», «Космос», «Ресурс», SPOT и др.
Сканерные инфракрасные снимки используются при изучении влажности почвогрунтов и видового состава растительности.
Инфракрасная тепловая съемка может выполняться в диапазоне от 3 до 30мкм. Однако успешное проведение дистанционных наблюдений земной поверхности со спутников и самолетов, в данном диапазоне, во многом зависит от правильного выбора окон прозрачности атмосферы, т.е. участков электромагнитного спектра, на которых влияние паров воды, атмосферных газов и аэрозолей на излучение Земли минимально. В инфракрасном тепловом диапазоне выделяются два окна прозрачности 3.0-4,5мкм и 8,5-14,0мкм. На второе окно прозрачности приходится максимум теплового излучения, абсолютный максимум приходится на 10мкм. Однако в окрестностях полосы 9,6мкм находится участок сильного поглощения атмосферой, которое связано со стратосферным слоем озона. Поэтому с этим необходимо считаться при съемке из КЛА.
Практически в основном используются окна прозрачности 3-5 мкм, 8-12 или 10-14 мкм.
В диапазоне 3-5 мкм тепловую съемку целесообразно проводить в ночное время, так как в дневное время существенные помехи вносит солнечная радиация. Кроме того, учитывая, что рассеяние в инфракрасном диапазоне меньше, чем в видимом, тепловую съемку можно проводить в условиях сильной дымки (обусловленной пожарами или промышленными выбросами) или слабого тумана, в данном случае она имеет существенное преимущество перед телевизионной и фотографической съемкой и позволяет получать снимки с изображением хорошего качества.
С 1978г. для проведения тепловой съемки с самолета используется серийный тепловизор «Вулкан», имеющий два спектральных диапазона 3-5 и 8-13 мкм.
Для существующих типов летательных аппаратов такая система записи строк обеспечивает получение тепловых аэроснимков масштабов от 1:3 000 до 150 000, причем оптико-технические показатели позволяют использовать вертолеты Ми-8 и КА-26 для съемок масштаба 1:3 000 - 1:25 000, самолеты АН-2, Л-410 – для съемки масштаба 1:20 000 - 1:100 000 и АН-30 – для съемок масштаба 1:50 000- 1:100 000.
Для тепловой космической съемки используются специальные сканирующие радиометры или же оптико-механические сканеры, которые в отдельных каналах ведут тепловую съемку. В качестве приемников |инфракрасного теплового излучения используются фотонные детекторы. Принцип работы которых основан на фотографическом эффекте (фотодиоды) и явлении фотопроводимости (фоторезисторы) в твердых телах. Следует отметить, что максимально достигаемая разрешающая способность по спектру зависит от степени охлаждения детектора. Для получения высокой разрешающей способности в диапазоне 8-13мкм требуется охлаждение до -77°С и ниже. Для охлаждения приемников излучения применяют жидкий и газообразный азот. Наиболее перспективный метод охлаждения до -195°С на основе термоэлектрического эффекта при трехкаскадных термоэлектрических охладителях.
В основном ИК радиометры поперечного сканирования имеют разрешающую способность по температуре порядка 0,25°С и позволяют различать до 10-12 градаций температур их контрастов поверхности с точностью менее 1°С при аэросъемке и 2-3° с ИСЗ.
Впервые космическая съемка в тепловом инфракрасном диапазоне начала выполняться с метеорологических спутников. Первые снимки с космических спутников «Метеор» были получены в масштабе 1:15 000 000 с разрешением 17км. Несколько с более высоким пространственным расширением в 6км и температурном разрешении 1°С были получены снимки со спутника МОАА. Совершенствование аппаратуры для съемок, позволило даже с геостационарных спутников получить инфракрасные тепловые снимки с пространственным разрешением 5км, а у спутников «Метеостат» нового поколения – 2,5 км. Так, на тепловом снимке Африки хорошо различаются экваториальная и тропическая природные зоны, что обуславливается температурным режимом, наличием облачности и влажностью.
В 1982г. в США для изучения природных ресурсов Земли создан сканирующий радиометр (ТIМЗ) , который имеет шесть спектральных каналов: 8,2-8,6; 8,6-9,0; 9,0-9,4; 9,4-10,2; 10,2-12,2 мкм.
В последнее время отмечена тенденция по разработке систем, где совмещены функции радиометра, спектрорадиометра и тепловизора. Это так называемые видиоспектрорадиометры, позволяющие получать тепловые изображения земной поверхности в нескольких спектральных каналах и одновременно измерять спектральное распределение энергии излучения.
Однако на возможность измерения в инфракрасном диапазоне сильно влияют метеорологические условия (облака, дождь), и поэтому обзор всей поверхности часто оказывается невозможным. Таким образом, при наличии облаков приборы, предназначенные для работы в окнах прозрачности атмосферы ИК диапазона, регистрируют верхнюю поверхность облаков как источник излучения. Поэтому есть специальные радиометры для установления распределения водяного пара работающих на волне 6,7мкм и облаков на волне 10-12мкм.
Установлено, что в среднем любой район Земли полностью свободен от облаков только лишь 10-14% времени. В Европе процент дней с облачностью менее 2 баллов колеблется от 20% на северо-западе до 50% на юго-востоке.
В связи с этим проявляется все больший интерес к использованию микроволновой радиометрии. Особенно большое внимание уделяется этому вопросу в Канаде.
Основные направления использования ИК тепловой съемки:
- поиски и изучение термальных вод;
- использование энергетической службой для обнаружения «горячих    точек» в силовых линиях электросетей;
- для изучения состояния теплосетей;
- поиски скопления грунтовых вод;
- изучение уровенного режима грунтовых вод;
- оценка влажности почв на массивах орошения и осушения;
- выявление очагов заболевания лесной и культурной      растительности;
- учет животных;
- тепловые инфракрасные снимки используются для компьютерного     составления карт температуры водной поверхности океанов;
- оценка степени загрязнения рек и водоемов сточными водами и      т.д.
6.5. Радиотепловая съемка
Микроволновые радиометры имеют направленную антенну, приемник и детектор. При микроволновом зондировании очень важно достигнуть возможно большей разрешающей способности на местности. Этот показатель связан с мгновенным углом зрения зондирующей системы. Диаметр зондирующего луча зависит от длины волны и размера приемной антенны. Антенна микроволновой зондирующей системы включает параболический рефлектор, в центре которого работает сканирующая антенна значительно меньших габаритов, аккумулирующая принимаемую энергию и направляющая ее через волновод в усилитель. Повышение пространственного разрешения снимков связано с увеличением скорости сканирования, однако это связано с возрастанием габаритов и массы антенных систем, что усложняет решение данного вопроса при съемке из космоса.
Отдельные природные образования имеют естественное микроволновое излучение в диапазоне длин волн от единиц до десятков миллиметров и частот от десятых гегагерц (ГГц) и более. Технология регистрации микроволнового излучения относится к области радиотехники и связана с использованием антенных систем.
Радиотепловая съемка или микроволновая радиометрия основана на пассивном измерении излучения в диапазоне длин волн 1-100 мм.
Интенсивность излучения любого объекта земной поверхности зависит от диэлектрической постоянной, температуры, размера и ее шероховатости. Например, диэлектрическая постоянная большинства природных объектов составляет от 2 до 10, а для воды при +20°С – около 80 при частоте 1 ГГц. Это указывает на то, что особенно эффективно применение микроволновой радиометрии для зондирования природных объектов и явлений, содержащих влагу.
К основным характеристикам микроволновых радиометров следует отнести следующие:
низкая пространственная разрешающая способность (более 1 км);
широкий диапазон волн фиксируемого излучения;
возможность проникновения высокочастотных электромагнитных волн соответствующей длины через непрозрачную для оптического диапазона атмосферу, т.е. через туман, дымку и облака.
Это позволяет считать, что микроволновое пассивное зондирование является одним из важных средств изучения природных явлений.
К основным направлениям использования радиотепловой съемки относятся изучение влажности и засоления почв, разведка залегания пресных вод, определение оптимальных сроков начала посевных работ, состояние ледовой обстановки в полярных морях для судовождения.
Метод пассивной микроволновой съемки находится в стадии обработки и используется в основном для зондирования с самолета. В космосе работали микроволновые радиометры, регистрирующие излучение только вдоль линии полета, на орбитальной станции «Скайлаб». Со спутников «Нибус -5,6» получены снимки с разрешением 25 км, а с «Нибус-7» – 12 км. С этих спутников были получены ареалы распространения многолетних и однолетних льдов в пределах полушария, что представляет интерес для судовождения. Микроволновые радиометры для съемок использовались на спутнике «Сисат» для исследования океана. С 1991г. они используются на первом европейском ресурсно-океанологическом спутнике ЕRS-1.
6.6. Радиолокационная съемка
Радиолокационная съемка проводится в зоне электромагнитного спектра с длинами волн от нескольких миллиметров до метров. Она относится к активным методам дистанционного зондирования.
Впервые РЛС в США и Советском Союзе была использована в 60-е годы для военных и метеорологических целей и для проводки судов в высоких широтах. С 1968 года в СССР для нужд геологии Лабораторией аэрометодов Министерства геологии СССР были начаты исследования по разработке методики площадной радиолокационной аэросъемки. Для этих целей применялись отечественные радиолокационные системы бокового обзора (РЛСБО) "Торос" и "Нить". Впервые радиолокационная съемка из космоса выполнена в 1978г. со спутника «Сиасат» с разрешением 25м, а в 1981г. с корабля многоразового использования «Шаттл» с разрешением 40м.
Круговой или секторный обзор применяют как в стационарных, так и в подвижных РЛС, если скорость носителя относительно невелика (рис.18). Боковой обзор используют только в бортовых РЛС на быстро перемещающихся платформах – самолетах, вертолетах, космических аппаратах. Неподвижный антенный луч ориентируется в сторону от направления полета и перемещается поступательно за счет собственного движения РЛС.
Зона бокового обзора имеет вид полосы. В двумерных РЛС (при обзоре земной поверхности) обычно используется веерообразный луч, так как разным дальностям соответствуют разные углы места. Оконечными устройствами РЛС бокового обзора обычно являются специальные фоторегистраторы, которые фиксируют на фотопленке изображение полосы обзора. В настоящее время для этой цели все чаще используются бортовые компьютеры. На рис. 19 приведена структура РЛС.
РЛС, предназначенная для активной радиолокации содержит передающую и приемную антенны (чаще используется одна приемо-передающая антенна (1), радиопередатчик (2) и радиоприемник (8), работающие в импульсном или непрерывном режиме, синтезатор частот и синхронизатор(3), устройство цифровой обработки сигналов (7),бортовой компьютер (4) и устройство отображения радиолокационной информации (5) – световой индикатор на электронно-лучевой трубке или монитор компьютера, вторичный источник питания (6).
Формирование РЛ-изображения. РЛ-изображение местности является результатом взаимодействия электромагнитных колебаний, генерируемых РЛС, с земной поверхностью.
При достижении сигналом земной поверхности происходит отражение и рассеяние волн, а также проникновение вглубь земной поверхности. Интенсивность отраженного сигнала определяется свойствами поверхности (шероховатость, влажность, ориентация в пространстве, крутизна склонов, диэлектрическая проницаемость и др.) и длиной волны излучения. Суть механизма взаимодействия электромагнитных колебаний с подстилающей поверхностью, обуславливающего тон радиолокационного изображения, состоит в следующем:
- радиолокационный сигнал при падении на зеркальную поверхность, например воды, отражается в сторону от радиолокатора и в приемник не попадает. Следовательно, при фиксации его на пленке, почернение определяется только уровнем собственных шумов РЛС, поэтому водные объекты изображаются темным тоном;
- при падении луча на поверхность под углом 900 отражение будет происходить в обратном направлении и величина отраженного сигнала будет максимальной, т.е. чем больше крутизна склонов, тем более светлым тоном они изображаются на снимках;
- при взаимодействии сигнала РЛС с шероховатой поверхностью происходит явление диффузного рассеяния электромагнитных колебаний во всех направлениях, и поэтому только часть отраженных волн попадает в приемник РЛС. Интенсивность принятого отраженного сигнала в этом случае имеет очень широкий диапазон.
Исследование влияния физических свойств поверхности на формирование радиолокационного изображения выявили зависимость тона радиолокационного изображения от увлажненности поверхности горных пород, их плотности и других свойств, вызывающих поглощение радиоволн, что приводит к уменьшению интенсивности сигнала, пришедшего в приемник станции.
Благодаря особенностям формирования радиолокационного изображения, на радиолокационных снимках можно получать дополнительную информацию о разрывных тектонических нарушениях, изучении закрытых структур, состоянии сельскохозяйственных культур, увлажненности почвогрунтов и т.д.
Радиолокационная съемка (активная радиолокация) по отношению к фотографической и телевизионной съемке обладает рядом преимуществ, а именно:
- возможностью проведения съемки в любое время суток и при любых погодных условиях (кроме грозовой облачности);
- независимостью разрешающей способности станции от дальности   объекта;
- возможностью съемки без непосредственного полета над объектом;
- большой полоса захвата на местности при малой высоте полета;
- возможностью обнаружения объектов по их радиолокационным, а не оптическим контрастам;
- возможностью передачи полученной информации с борта  носителя на наземные пункты по радиоканалу на значительные  расстояния.
Отличительной особенностью электромагнитных волн радиодиапазона является способность их проникать вглубь объекта, а глубина их проникновения зависит от свойств подстилающей поверхности и длины волны. Чем больше длина волны, тем больше глубина ее проникновения, которая приблизительно равна половине ее длины. В песчаные отложения и пресную воду радиоволны проникают глубже, чем в глинистые породы и соленую воду.
Исходя из особенностей радиолокационной съемки, вытекают возможности практического использования информации в следующих случаях:
- получение изображения поверхности Земли в труднодоступных районах в т.ч. там, где фотосъемка затруднена из-за постоянного облачного покрова.
- оперативное получение в любое время суток и в любых, кроме грозовой облачности, погодных условиях достоверной информации при определении масштабов стихийных бедствий: наводнений, тайфунов, извержения вулканов и др.
- контроль загрязнения морской поверхности при работе бурильных установок (платформ), нефтяных терминалов и других мест возможных выбросов, определение границ загрязнений при авариях танкеров и др.
- оценка состояния ледового покрова и проводка судов в тяжелой ледовой обстановке и др.
Масштабы радиолокационных аэроснимков являются жесткими значениями и определяются конструкцией радиолокационной станции. РЛСБО "Торос", "Нить" позволяют получать изображение очень трудно добиться постоянства масштаба как по азимуту (по оси х), так и по дальности (по оси у).
Развертка и направление полета (по азимуту) осуществляется за счет движения самолета по маршруту.
Принцип работы РЛСБО "Торос" предполагает получение изображения местности не под самолетом, что присуще плановой аэрофотосъемке, а слева и справа от линии полета, а под носителем образуется так называемая "мертвая зона", т.е. не охватываемая съемкой (рис.18).
Масштаб по азимуту зависит от постоянства отношения скорости развертки по оси х (скорость лентопротяжки перед ЭЛТ) к скорости самолета. При отсутствии автоматического согласования этих элементов возникает искажение масштаба.
Масштаб изображения по дальности также может быть неравномерным и изменяться в зависимости от угла облучения. Это связано с тем, что, например, в системе "Торос" применяется линейная развертка наклонной дальности, т.е. скорость развертки по оси и на экране ЭЛТ постоянна по всей длине строки.
В системах с компьютерным управлением эти недостатки легко устраняются.
Пространственное разрешение изображений, полученных РЛСБО, зависит от размеров импульса, сформированных в направлениях полета и зондирования. Чем меньше эти величины, тем выше разрешающая способность радиолокационной съемки.
6.7. Спектрометрическая съемка
Этот вид съемки позволяет получать данные о спектральных отражательных свойствах природных объектов. Спектрометрирование может выполняться в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра электромагнитного излучения. Для спектрометрической съемки используются специальные приборы, которые называются спектрометрами. В Институте физики НАН Беларуси создана микропроцессорная спектрометрическая система «Скиф», а в НИИ ПФП им. Севченко под руководством доктора физико-математических наук Беляева Б.И. создана бортовая модульная микропроцессорная спектрометрическая система «Гемма», аэрокосмическая интерактивная видеоспектрополяриметрическая система «Гемма-2», а также авиационный аппаратно-программный комплекс ВСК-2, которые и в настоящее время используются для проведения аэрокосмических съемок.
При спектрометрировании местности одновременно ведется ее фотографическая или телевизионная съемка для привязки результатов спектрометрирования. Результаты спектрометрической съемки получаются в виде кривых хода яркости по спектру – регистрограммы, либо сразу на экране электронно-лучевой трубки. Обработка результатов спектрометрических съемок довольно трудоемкий процесс, поэтому ведутся исследования по их автоматизации.
При спектрометрической съемке из космоса существенным препятствием является атмосфера, которая селективно (выборочно) рассеивает солнечную радиацию и ослабляет отраженное земной поверхностью излучение, искажая тем самым полученные данные. Для выявления степени влияния атмосферы одновременно проводятся наземные наблюдения, а также с самолета и с космических летательных аппаратов.
Кроме того, знание отражательных и излучательных свойств различных объектов, позволяет наиболее эффективно подбирать фотоматериалы как для съемок, так и для дешифрирования определенных объектов.
С использование спектрометрической съемки можно решать следующие задачи:
- определение концентрации озона и углекислого газа в атмосфере,наличие нефтяной пленки на водной поверхности;
- изучение снежного покрова и льда;
- определение содержания паров в атмосфере;
- изучение влажности почвогрунтов.
6.8. Лазерная съемка
Создание лазера положило начало разработки различных лазерных систем дистанционного зондирования, которые получили различные названия. Наиболее широкое применение получило название лидар, который состоит из передатчика и приемника.
Лазерное зондирование относится к активным видам съемок, которое может вестись от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона. Ввиду поглощения атмосферой коротких волн, используемых в лидаре, он эффективно работает только при ясном небе.
В настоящее время созданы лидары трех типов: высотомер, который позволяет строить профили; сканирующий лидар, который можно использовать как инструмент для картографирования и третий тип лидара – для спектроскопических исследований и создания карты распределения загрязняющих атмосферу веществ.
Основные области применения лазерной съемки следующие:
- измерение концентрации веществ, содержащихся в атмосфере, связанных с ее загрязнением;
- определение термических, структурных и динамических характеристик атмосферы, океана и подстилающей поверхности;
- обнаружение порогового (критического) содержания различных  веществ в атмосфере (углекислого газа, окиси азота и двуокиси серы);
- наблюдение за динамикой шлейфов промышленных выбросов;
- распознавание и выделение в океане зон распространения  фитопланктона с целью обнаружения косяков рыб, а так же  обнаружение нефтяных пятен.
6.9. Разрешающая способность материалов дистанционных съемок
Материалы дистанционных съемок, используемых в различных научно-практических целях, обладают различной детальностью. На одних снимках деревья можно распознать по видовому составу, на других с трудом различаются кустарниковая от лесной растительности. Это связано с тем, что размер объектов земной поверхности на снимках уменьшается в тысячи и миллионы раз. Величина уменьшения их зависит от разрешающей способности съемочной системы, т.е. ее способности воспроизводить мельчайшие детали, размеры которых на снимке измеряются десятыми и сотыми долями миллиметра.
Разрешающая способность съемочных систем (объектив, фотопленка) определяется с использованием специальных приборов - резельвометров и тест-объектов (мир). Прямоугольная штриховая мира состоит из элементов, каждый из которых содержит различное количество штрихов различной ширины, приходящихся на единицу длины (миллиметр).
Известно, что съемочная система воспроизводит детали одинаковой яркости, но разного размера с различным контрастом. С уменьшением размера объектов падает контраст их изображения и при достижении пороговой величины объект уже не воспроизводится на снимке.
Если проанализировать последовательно отдельные элементы миры, состоящих из черных штрихов и белых промежутков, ширина которых постоянно уменьшается, то мы увидим, что с увеличением количества штрихов и промежутков между ними контраст между темными и светлыми штрихами постепенно снижается. Если же эти отдельные элементы миры поочередно фотографировать с помощью съемочной системы (объектив, фотопленка), то при определенном сочетании черных и светлых штрихов они сольются, т.е. контраст будет равен нулю, а количество штрихов будет равно пороговой величине, которая будет соответствовать разрешающей способности фотопленки, измеряемой числом линий раздельно передаваемых на одном миллиметре изображения.
Разрешающая способность обычных пленок составляет 35-40 лин/мм, панхроматической 90 лин/мм, пленок используемых для многозональной съемки 150-180 лин/мм. Чем выше разрешающая способность объектива камеры и фотопленки, тем выше разрешающая способность снимков.
При практической работе важно знать размер того минимального объекта (или его детали), которые изображаются на снимке, т.е. знать разрешение снимка. Следовательно, если мы знаем, что разрешение снимка составляет 10м, это значит, что на этом снимке можно распознать объекты размером в 10м и крупнее. Следует отметить, что величина разрешаемого объекта так же зависит от его контраста и формы.
В настоящее время разработаны съемочные системы, в которых сочетание длиннофокусных объективов (3000мм) и высокочувствительных фотопленок позволяет получать снимки с разрешением в несколько десятков сантиметров. Снимки высокого разрешения можно подвергнуть многократному увеличению без потери изобразительных и информационных свойств.
Анализ гистограммы (рис.20) показывает, что для решения значительной части задач используются материалы космической съемки с пространственным разрешением 5м.
Снимки высокого разрешения (5-10 м) получают с картографических спутников «Ресурс Ф-1», «Ресурс Ф-2», ресурсного спутника SРОТ и др.
Снимки низкого разрешения (2-8 км) получают с метеорологических спутников.
7. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СНИМКОВ
Изучением геометрических свойств снимков с использованием их в целях измерений занимается фотограмметрия. Фотограмметрические способы обработки снимков позволяют определять пространственное положение объектов, получать их геометрические характеристики и прослеживать изменения.
В процессе работы с плановыми снимками географ использует их не только для выявления и прослеживания линейных границ объектов но изучает и их объемные формы и пространственное положение. Для этого приходится прибегать к ряду измерений и дальнейших построений, как это делается при составлении тематических карт на топографической основе. Однако между снимком и топографической картой имеются существенные и принципиальные различия. Поэтому знание основных геометрических и фотограмметрических свойств аэрокосмических снимков необходимо каждому географу, для того, чтобы избежать грубых ошибок при работе с ними. Так как фотографические снимки обладают наиболее высокими геометрическими и изобразительными свойствами, в этой главе будут рассмотрены их геометрические и стереоскопические свойства.
7.1. Центральная проекция снимка
Изображение земной поверхности на аэроснимке строится с помощью прямолинейных лучей, идущих от разных точек земной поверхности через общий центр проектирования S (рис.21), которым является узловая точка объектива аэрофотоаппарата.
Такая проекция называется центральной в отличие от ортогональной, при которой все точки местности проектируются на плоскость непосредственно прямыми линиями, перпендикулярными к этой плоскости (рис.21). По принципу ортогональной проекции строятся топографические карты. Из рисунка видно, что при перемещении плоскости проекции параллельно самой себе (например из Р в Р1) положение точек местности в ортогональной проекции не изменится. В условиях же центральной проекции положение одних и тех же точек местности будет меняться в зависимости от изменения высоты центра проекции над поверхностью Земли и от положения плоскости проекции Р.
Рассмотрим элементы центральной проекции, и введем обозначения характерных линий и точек (рис.22). Центром проекции является центр объектива – S, а плоскость Р является картинной плоскостью, которой принадлежит плоскость снимка. Главный луч, или оптическая ось объектива, SO располагается перпендикулярно плоскости снимка, а So=f, т. е. главному расстоянию камеры, или фокусному расстоянию объектива АФА. Точка о – главная точка снимка, его геометрический центр. Плоскость Е есть некоторая уровненная поверхность Земли, или предметная плоскость. Предметная и картинная плоскости пересекаются по линии ТТ, которая называется осью перспективы. Проведем перпендикуляр SN к плоскости Е – это расстояние называется высотой съемки и обозначается H. Плоскость V проходит через главный луч SO и называется плоскостью главного вертикала. Линия пересечения плоскости V с плоскостью снимка Р называется главной вертикалью vv.
Линия h0h0, проходящая через главную точку снимка перпендикулярно к главной вертикали, называется главной горизонталью. Параллельная ей линия hihi, которая получается в пересечении плоскости снимка Р с горизонтальной плоскостью, проведенной через центр проекции, называется линией горизонта. Она несколько не совпадает с изображением на снимке видимого горизонта из-за кривизны Земли и влияния рефракции, а также неровностей поверхности Земли.
На главной вертикали, кроме главной точки снимка о, отмечаются еще ряд характерных точек. На пересечении главной вертикали с линией горизонта размещается точка i – главная точка схода. Она является точкой схода на снимке всех прямых линий местности, параллельных линии направления фотографирования ОСN. От главной точки снимка о главная точка схода находится на расстоянии oi=fctga, где а – угол наклона снимка, или угол наклона оптической оси.
Точка надира n отмечается на пересечении плоскости снимка с отвесной линией SN. Точка надира является на снимке точкой схода всех вертикальных линий местности. Точка надира п отстоит от главной точки снимка на расстоянии оп = f tgа.
На пересечении биссектрисы угла наклона оптической оси с главной вертикалью находится точка нулевых искажений с. Все углы на местности, имеющие вершину в точке нулевых искажений, равны соответствующим углам на снимке. Расстояние точки нулевых искажений от главной точки снимка 13 EMBED Equation.3 1415. Горизонталь hсhс, проходящая через точку нулевых линией с, называется линией нулевых искажений или линией неискаженного масштаба.
В общем случае съемки координатные оси снимка развернутыпо отношению к линии главного вертикала на угол х, называемый углом поворота снимка. При малых углах наклона снимка линия горизонта уходит далеко за пределы снимка, а точка нулевых искажений и точка надира располагаются вблизи от главной точки снимка. На горизонтальных снимках все точки совпадают в главной точке снимка.
Использование аэроснимков для картографических целей, а так же для различного рода специальных точных измерительных работ с помощью стереоприборов требует определения элементов их внутреннего и внешнего ориентирования.
Элементы внутреннего ориентирования аэроснимка определяются тремя величинами: фокусным расстоянием АФА (fк) и фотограмметрическими координатами
·х
·у главной точки снимка, которые определяют положение центра проекции в относительно аэронегатива в аэрофотоапарате.
Элементы внешнего ориентирования аэроснимка позволяют восстановить положение, которое занимал аэрофотоснимок в пространстве в момент фотографирования. Таких элементов шесть, три из них линейные и три угловые. В качестве линейных элементов служат три пространственные координаты, определяющие положение S – XS, YS и ZS в системе координат X, Y, Z (рис.23).
Угловыми элементами являются следующие:
а - угол отклонения главного луча SO от отвесной прямой SN, который определяет наклон аэроснимка;
А - угол, составленный линией пересечения вертикальной плоскости SNO и координатной плоскости ХУ с направлением оси X, который определяет азимут линии направления аэросъемки;
К - угол, определяющий поворот аэроснимка в своей плоскости вокруг главного луча SO.
Измерения, выполненные по отдельным снимкам, такие как измерение линейных величин, могут производится с помощью простых измерительных средств: масштабной линейки, измерителя, транспортира, планиметра и т.д. Измерения по стереопаре аэроснимков выполняется при помощи специальных стереофотограмметрических приборов позволяющих получать по данной паре снимков пространственную модель местности.
7.2. Масштаб снимка
Масштаб снимка является одним из важнейших показателей снимка. Размер объектов на снимке изменяется в зависимости от его масштаба. По масштабам аэрокосмические снимки можно разделить на следующие группы:
Название масштаба
Численный масштаб


аэроснимков
космических снимков

Крупный
Средний
Мелкий
1:1000-1:10 000
1:10 000-1:50 000
1:50 000-1:100 000
1:100 000-1:1000 000
1:1000 000-1:10000000
более 1:10 000 000

Следует отметить, что данное деление несколько условное. В настоящее время существует большое разнообразие снимков, которые могут составить непрерывный ряд масштабов в ту и другую сторону. Наибольшее применение в научно-практических целях получили среднемасштабные аэроснимки (1:10 000) и среднемасштабные космические снимки (1: 1000 000).
Существует понятие «идеальный снимок» - снимок, который может быть получен а том случае, если местность представляет собой плоскость, а оптическая ось аэрофотоаппарата в момент съемки находилась в отвесном положении. Такой снимок отличается от плана за переход от ортогональной проекции к центральной.
На обычных топографических картах, представляющих ортогональную проекцию местности, масштаб определяется отношением линии на карте к соответствующей горизонтальной линии, проложенной на местности. Определение масштаба аэроснимка, представляющего центральную проекцию изображений местности сложнее и зависит от фокусного камеры, высоты фотографирования Н, наклона оптической оси аэрофотокамеры в момент съемки и от рельефа местности.
Однако для «идеального снимка» масштаб можно определить из отношения фокусного расстояния фотокамеры к высоте фотографирования Н по формуле: 13 EMBED Equation.3 1415, где m – знаменатель масштаба аэроснимка. Эта зависимость видна из рис. 24, где треугольник aSb подобен треугольнику АSB. Отсюда: 13 EMBED Equation.3 1415. Это соотношение есть ничто иное, как масштаб аэроснимка, т.е. 13 EMBED Equation.3 1415. Следовательно 13 EMBED Equation.3 1415.
При проведении плановой съемки не удается получить точно и постоянно значение масштаба, приведенного в таблице. Это обуславливается колебанием высоты полета самолета, поэтому масштаб отдельных снимков может отличаться от среднего масштаба всей съемки, указанного в паспорте залета. Следовательно, в случае необходимости определение более точного масштаба снимков или отсутствием паспортных данных залета, их масштаб можно определить с использованием топографической карты путем сравнения длины идентичных отрезков, измеренных на снимке lCH и топографической карте LK по формуле: 13 EMBED Equation.3 1415.
При составлении тематических карт в качестве картографической основы, как правило, используются плановые снимки, у которых искажения масштаба увеличиваются радиально от центра снимка к периферийным частям.
Поэтому при дешифрировании следует использовать центральные части аэрофотоснимков, так называемую рабочую или полезную их площадь. Для этого по середине продольного перекрытия каждых двух соседних снимков маршрута и по середине поперечного перекрытия соседних снимков смежных маршрутов опознаются и отмечаются идентичные точки. Ими могут быть пересечения дорог, углы угодий, отдельно стоящие предметы, поляны в лесу и т.д. Таким образом, на каждом аэрофотоснимке в четырех угловых его частях отмечаются четыре точки. Каждая из этих точек познается и отмечается на четырех снимках (на двух смежных снимках одного маршрута и двух смежных снимках соседнего маршрута). Выделенные четыре точки на одном снимке последовательно соединяют линиями, получается контур – рабочая площадь аэроснимка, имеющий общие границы с рабочими площадями смежных снимков (рис.25).
7.3. Геометрические искажения снимка, вызванные рельефом местности, его наклоном, кривизной Земли
Рельеф местности. Если сфотографированная местность не плоская, а расчлененная, то на такой местности положительные формы рельефа (расположены ближе к АФА) изображены в более крупном масштабе, чем отрицательные. Эту разномасштабность принято выражать смещением точек на снимке относительно их ортогонального положения.
За величину искажений, вызванных рельефом, принимаются отрезки на снимке 1-10 и 2-20. Эти отрезки радиально направлены в одну точку снимка «n» - точку надиры, которая находится в пересечении плоскости снимка и отвесной линией, проходящей через центр проектирования «S» (рис. 26).
В идеальных снимках она совпадает с главной точкой снимка, у плановых снимков их расхождение может достигать нескольких миллиметров. Точка надира находится на расстоянии о главной точки on=ftg13 EMBED Equation.3 1415.
Если точка расположена выше по рельефу, то искажения за рельеф будут направлены от точки надира, при отрицательном (-h) – к точке надира.
Углы с вершиной в точке надира не искажаются за рельеф местности.
Величину искажения за рельеф Sh можно вычислить по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415,
где h – превышение между точками; r – расстояние от центра; H – высота полета.
Мы рассмотрели отдельно влияние угла наклона и рельефа местности на положение точки на снимке. В действительности они действуют совместно, компенсируя или усиливая влияние друг друга. Оба эти искажения (за рельеф и перспективу «наклон») минимальны в центре снимка и увеличивают его к краям. Кроме того, углы с вершиной в центральной части снимка также практически не искажены. Поэтому для измерений наиболее пригодна центральная часть снимка, т.е. «рабочая площадь».
Наклон снимка. В отличие от строго горизонтального снимка в перспективном (наклонном) снимке масштаб не одинаков в разных его частях и направлениях, он зависит не только от Н и f, но и от угла наклона снимка a и положения точки на снимке.
На рис.27 изображены плановый (горизонтальный) и перспективный (наклонный) снимки, полученные из одной точки S, при угле наклона оптической оси a; hс-hс – линия пересечения плоскостей наклонного и горизонтального снимков. Эта линия делит наклонный снимок на две части, в одной верхней части масштаб мельче, в другой (нижней) крупнее, и только по линии hс-hс масштаб наклонного снимка постоянен и равен масштабу планового снимка. Это «линия неискаженных масштабов». Углы измерения по перспективному снимку не будут соответствовать углам на местности, за исключением углов, построенных из точки С, т.е. точки нулевых искажений, она находится от главной точки О на расстоянии 13 EMBED Equation.3 1415. Например, для планового снимка при а не более 3
·, при f=100 мм – 13 EMBED Equation.3 1415.
Чем больше угол наклона 13 EMBED Equation.3 1415 и удаление от центра снимка, тем больше расхождение (ошибка за наклон 13 EMBED Equation.3 1415). Максимальное значение 13 EMBED Equation.3 1415можно предвычислить по формуле: 13 EMBED Equation.3 1415, f=100.
При стабилизированной съемке 13 EMBED Equation.3 1415 в 3-5 раз меньше. Знак величины искажения зависит от того выше или ниже линии неискаженных масштабов находится главная точка, отсюда важный вывод: длина отрезка проходящего через центр снимка и симметричного относительно его, не искажается за наклон снимка.
Влияние кривизны Земли на положение точки на снимке схоже с влиянием рельефа – оно вызвано тем, что точки снимаемой местности вследствие сферичности Земли не лежат в одной плоскости. Смещение точки на снимке из-за кривизны Земли равно 13 EMBED Equation.3 1415, где r – расстояние от центра снимка до точки, Н – высота съемки, f – фокусное расстояние камеры, R3 – радиус Земли. Сравнение искажений за кривизну Земли и рельеф показывает, что они изменяются с увеличением высоты съемки по разному. Для крупномасштабных снимков большое значение имеет искажение за рельеф, для мелкомасштабных – за кривизну Земли.
Выше влияние угла наклона снимка, рельефа местности и кривизны земли на положение точки на снимке учитывалось порознь. На самом деле они действуют одновременно, компенсируя или усиливая совместное влияние. Эти искажения минимальны в центральной части снимка (в центре планового снимка они равны нулю) и увеличиваются в его краям. Поэтому наиболее пригодна для измерений центральная часть аэрокосмического снимка, так называемая рабочая площадь (зона), которая характеризуется также и лучшим фотографическим качеством изображения.
Трансформирование снимков. Задачей трансформирования является приведение снимка к заданному масштабу и проекции, устранение искажений за угол наклона, рельеф и кривизну Земли, но часто трансформирование ограничивается преобразованием наклонного снимка в горизонтальный снимок с заданного, обычно более крупного, чем оригинальный, масштаба. В общем случае трансформирование выполняется на аппроксимирующую плоскость, касающуюся земной поверхности в заданной точке, в частности в точке надира. При фотомеханическом способе трансформирования используется полуавтоматический увеличитель – фототрансформатор.
В последнее время для трансформирования снимков широко используются компьютерные технологии. При трансформировании снимков без учета искажений за рельеф местности, выполняется с использованием топографических карт. Привязка снимка к карте проводится по заранее определенных на ней точкам с известными координатами. для этих целей используются специализированные ГИС-пакеты (ERDAS IMAGIN, ER-MAPPER и др.), выполняющими обработку растрово-векторных данных.
При ортотрансформировании представляется возможность решения трехмерной задачи, т.е. устранение искажений снимка не только за угол наклона, на и за рельеф. Этот метод позволяет получать ортоисправленное изображение местности по всем параметрам геометрически подобное карте и идеально с ней совмещающееся. Для ортоисправления используются системы зарубежных фирм: LH-systems LLC, ISM, ERDAS и др., российские фотограмметрические системы: ЦФС ЦНИИГАиК, «Талка», «PHOTOMOD» и др. и разработанная в Беларуси «Realistic-M».
7.4. Стереоскопическая модель местности
При дешифрировании аэрокосмических снимков они подвергаются как монокулярному рассматриванию с использованием луп, так и бинокулярному или стереоскопическому. Для стереоскопического рассматривания, обязательным условием, является наличие стереопары снимков, т.е. снимков полученных фотографированием одной и той же территории с двух разных точек при маршрутной или площадной съемке.
Если сфотографировать местность из двух точек съемки S1 и S2, расположенных друг от друга та определенном расстоянии, называемом базисом съемки В, то точки местности А, С, D изобразятся на левом и правом снимках р1 и р2 в точках а, с, d и а1, с1, d1
При стереоскопическом рассматривании снимков в точках S1 и S2 располагаются глаза, а съемочный базис уменьшается до размера глазного базиса. Тогда зрительные лучи займут такое же положение, как и при рассматривании объектов в естественных условиях, только уменьшенной до масштаба снимков. Рассматривая, таким образом, стереопару снимков мы можем получить стереоскопическое или объемное изображение местности, которое называется стереоскопической моделью.
Стереоскопическое изображение местности на площади перекрытия двух снимков (стереопары) мажет быть достигнуто различными способами: оптическим, анаглифическим и поляроидным.
Оптический способ получения стереомодели местности является наиболее широко распространенным. Он основан на принципе разделения лучей зрения левого и правого глаза, направленных на соответствующие снимки стереопары с помощью специальных оптических приборов – стереоскопов.
По своей конструкции стереоскопы делятся на
- линзовые,
- зеркальные
- зеркально-линзовые.
Наиболее широкое применение получили зеркально-линзовые стереоскопы ЗЛС (рис. 30). Он представляет собой складной стереоскоп, состоящий из двух пар параллельно расположенных зеркал, наклоненных под углом 45°, и укрепленных на общей планке, снабженной четырьмя раздвижными ножками. Между каждой парой зеркал помещена съемная увеличительная линза, позволяющая рассматривать полученную стереомодель с увеличением в 1,3-1,4 раза.
При работе со стереоскопом для получения стереоэффекта снимки (формат 18Ч18) кладутся на расстоянии примерно 4-5 см друг от друга, так как благодаря системе зеркал глазной базис раздвинут до 21-22 см. Наблюдая левый снимок левым глазом, а правый снимок правым глазом и передвигая снимки добиваются получения объемного или стереоскопического изображения местности.
Если аэроснимки рассматриваются в таком положении, какое они занимали при съемке, причем левым глазом рассматривается левый снимок, а правым глазом - правый снимок стереопары, то возникает так называемый прямой стереоэффект, при котором формы объектов соответствуют их действительному виду. Например, холм воспринимается как возвышенность, а впадина как низина. Повернув каждый снимок на 180°, или поменяв их местами, можно получить обратный стереоэффект. В данном случае, горы воспринимаются как впадины, а реки будут казаться протекают по горным хребтам (рис.31).
Работая со стереоскопической парой снимков, следует учитывать важное обстоятельство – различие вертикального и горизонтального масштабов наблюдаемой модели местности.
При стереоскопическом рассматривании аэроснимков масштаба 13 EMBED Equation.3 1415 горизонтальный масштаб пространственной модели также будет равен 13 EMBED Equation.3 1415. Вертикальный масштаб наблюдаемой модели 13 EMBED Equation.3 1415 не одинаков с горизонтальным и для аэроснимков размером 18Ч18 см с 65 % перекрытием приблизительно равен 13 EMBED Equation.3 1415, где Дз – расстояние наилучшего зрения, равное в среднем 250 мм. Если 13 EMBED Equation.3 1415, то наблюдаемая модель будет деформирована. Степень деформации можно определить по формуле 13 EMBED Equation.3 1415.
Следовательно, при стереоскопическом рассматривании снимков, полученных широкоугольной камерой, рельеф местности воспринимается утрированным, что облегчает изучение различных его микроформ. Однако следует учитывать, что при наблюдении таких снимков склоны кажутся круче, чем они есть на самом деле.
Анаглифический способ получения стереоскопической модели основан на разделении лучей зрения левого и правого глаза при помощи окраски изображения левого и правого снимков стереопары в дополнительные цвета. Такое же разделение цвета предусматривается при их рассматривании. При изготовлении анаглифических снимков изображения, предназначенные для правого и левого глаза, печатаются двумя красками: одно – красной, другое – бирюзовой, наложенными друг на друга. Для получения стереоскопического изображения полученный анаглифический снимок рассматривается через очки с красными и бирюзовыми (сине-зелеными) стеклами. При пользовании такими очками красное стекло будет пропускать красные лучи, но не пропускает сине-зеленые, а сине-зеленое стекло, пропуская сине-зеленые лучи, не пропустят красные. В результате полученного разделения лучей мы получим стереоскопическое изображение рассматриваемого анаглифического снимка. Недостатком анаглифического метода является большая потеря света при прохождении его через светофильтры, в результате чего стереоскопическое изображение сохраняет всего около 30% первоначальной освещенности.
По принципу анаглифии построен мультиплекс – сложный универсальный прибор, позволяющий получать пространственную модель местности по целому ряду аэрофотоснимков.
Способ поляроидов основан на способности света поляризоваться во взаимно перпендикулярных направлениях. По принципу поляризации света устроена призма николя, широко применяемая в поляризационных петрографических микроскопах.
В качестве поляроидов в настоящее время применяется поляроидная пленка. Лучи света, проходящие через поляроидную пленку, ориентируются в одной определенной плоскости. Это свойство поляроидов и используется для разделения лучей левого и правого глаза при наблюдении стереоскопического изображения.
Подобно тому, как это делается при анаглифическом способе, диапозитивы с пары аэроснимков помещаются в проекторе, но на пути лучей, выходящих из обоих проекторов, помещаются не цветные светофильтры, а два поляроида, поляризующих свет в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Спроектированное, таким образом, на экран изображение рассматривается через очки, снабженные двумя такими же взаимно перпендикулярно поляризующими поляроидами. При этом поляроид очков одного глаза, плоскость поляризации которого совпадает с проектором, снабженным поляроидом того же знака (+ или -), пропустит идущие от него световые лучи, но не пропустит лучи, идущие от другого проектора. Тоже самое произойдет с поляроидом очков другого глаза. В результате каждый глаз воспримет изображение, падающее на экран только от одного аэроснимка, и на экране будет получена стереоскопическая модель местности, подобно той, которую можно получить при анаглифическом способе, но более интенсивно освещенная (поляроиды пропускают 40% попадающего на них света).
8. ИЗОБРАЗИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СНИМКОВ
Любое аэрокосмическое изображение, независимо от того с использованием каких технических средств и в каком спектральном диапазоне оно получено, представляет собой сочетание точек, линий и участков различных размеров и фототонов. При съемке местности эти элементы на фотопленке отобразят яркостные различия объектов местности, т.е. на черно-белых снимках отдельные точки (кусты, камни, стога), линии (дороги, канавы, просеки) и участки (контуры растительности, сельскохозяйственных угодий) в зависимости от их спектральной отражательной способности будут иметь различное тональное изображение.
Снимок представляет собой двухмерное изображение реальных объектов местности, которое получено по известным геометрическим и фотометрическим законам путем дистанционной регистрации спектральной яркости объектов с определенным рисунком изображения. Рисунок изображения передает морфологию ландшафтов или целых природно-территориальных комплексов, сущность которого состоит в закономерной повторяемости отдельных элементов и объектов на территории ландшафта. Для каждого ландшафта свойствен свой набор и сочетание элементов. Однако, помимо индивидуальных черт каждый ландшафт сохраняет и общие признаки позволяющие производить отождествление, сравнение, типизацию и эталонирование.
Структурные; особенности каждого ландшафта основаны на столь тесных внутренних связях, что при правильном анализе этих связей можно по одному звену сложного комплекса установить и остальные взаимосвязи. Структура изображения географического комплекса тесно связана с генезисом данной системы. Анализ показывает, что рисунок изображения соответствует структуре морфологических частей ландшафта или более крупной географической единице, в зависимости от масштаба изображения. Например, на глобальных космических снимках макроструктура изображения соответствует климатическим поясам или же природным зонам. На крупномасштабных снимках для пойменных ландшафтов структура будет соответствовать изображению отдельных типов пойм.
Каждый аэрокосмический снимок, каждый рисунок на снимке несет в себе определенное содержание, и вместе с тем, рисунки различаются по форме. Каждому природно-территориальному комплексу соответствует определенный рисунок, передающий его морфологию. Например, для ландшафтов, сформированных лессовидными отложениями (Оршано-Могилевское плато) характерен пятнистый рисунок изображения, который формируют различного размера округлой формы суффозионные западины (блюдца), а для нижнего течения р. Припяти, где преобладает гривистый тип поймы, характерен дугообразный рисунок изображения.
Таким образом, любому природному комплексу свойственны как бы две разные сложности. Сложность системы по набору компонентов подчеркивается структурой, а сложность из-за раздробленности компонентов передается текстурой рисунка изображения. Структура выделяется тональная или цветовая и геометрическая (контурная). Сочетание тонов или цветов собственно и образует изображение. Смена одних тонов и цветов другими происходит вместе с чередованием объектов с различной яркостью.
Контурность всегда сопутствует тональной структуре, но тональная структура может быть практически бесконтурной, если одни тона или цветовые оттенки плавно переходят в другие не образуя четких границ. Например, изображение на космических снимках пустынных территорий с однородным почвенно-растительным покровом.
В рисунке фотоизображения отражаются ввнутренние связи между компонентами ландшафта и процессы, происходящие в данном природном комплексе, а также пространственное размещение их элементов. Другими словами, рисунок передаст структуру ландшафтных единиц.
При дешифрировании объектов на аэрокосмических снимках приходится сталкиваться с различными их границами. Природные границы различаются:
а) резкие или линейные (урезы воды, бровки оврагов,
б) размытые или диффузные (плавные переходы болот к суходолу);
в) мозаичные или дисперсные (некоторые опушки лесов, верхняя граница лесного пояса в горах). Контуры, образуемые на снимках этими границами, обобщаются различным образом.
Линейные контуры (овраги), выпрямляются и упрощаются за счет исчезновения мелких извилин. Обобщение линейных контуров имеет много общего с картографической генерализацией, чем объясняется сходство в очертаниях побережий, речной сети на картах и снимках, вплоть до глобальных космических. Линейные резкие контуры при переходе к снимкам более мелкого масштаба изменяют длину крайне незначительно.
Размытые контуры с уменьшением масштаба становятся контрастными, более узкими и приближаются к линейным. Границы в виде полос, представляющие собой переходные комплексы между различными ландшафтными единицами, становятся контрастными, хорошо заметными и также приближаются к линейным контурам.
Мозаичные границы, в зависимости от степени дисперсности, строения либо укрупняются, сохраняя мозаичность, либо превращаются сначала в диффузные, а затем в линейные границы.
На увеличенных снимках контрастные линейные контуры с укрупнением масштаба предаются с большими подробностями. Изображение получается более детальным, выделение контура не представляет труда. Контуры мозаичные и размытые, например сложные опушки леса, границы болот и т.д. на увеличенных снимках выделяются с меньшей уверенностью и меньшим однообразием, чем на контактных отпечатках. Известно, например, что линейные и контрастные объекты выдерживают большее уменьшение, чем точечные и малоконтрастные.
8.1. Генерализация аэрокосмического изображения
С изменением масштаба снимка происходит обобщение изображения, следовательно, изменяется и его дешифрируемость. Решение задач генерализации при переходе от снимков к карте, а так же разработка проблем автоматизации дешифрирования требует знания тех закономерностей, которым подчиняется обобщение изображения при переходе от масштаба к масштабу.
Генерализация изображения на аэрокосмических снимках включает геометрическое и тоновое обобщение рисунка изображения и зависит от ряда факторов – технических (масштаб и разрешение снимков, метод и спектральный диапазон съемки) и природных (влияние атмосферы, особенности территории). В результате такой генерализации изображение многих черт земной поверхности на снимках освобождается от частностей, в то же время разрозненные детали объединяются в единое целое, поэтому более четко изображаются объекты высших таксонометрических уровней, крупные региональные и глобальные структуры, глобальные и планетарные закономерности.
В отличие от картографической генерализации, носящей творческий характер, генерализация изображения космических снимков жестко подчиняется физико-техническим законам и управляющее воздействие на нее более ограничено. Оно может быть реализовано путем продуманного выбора средств и параметров съемки (съемочных систем, масштаба, зоны спектра) или преобразования снимков (увеличения уровней квантования, параметров фильтрации).
Экспериментально выявлены некоторые закономерности генерализации изображения космических снимков. Размер воспроизводимых объектов зависит от их формы и от контраста с окружающим фоном; происходит упрощение формы, обобщение тонов и цветов; черные и белые тона исчезают и заменяются менее контрастными; характерно более быстрое исчезновение темных контуров на светлом фоне, чем светлых на темном фоне. По-разному обобщаются линейные, размытые (диффузные), мозаичные границы и контуры.
Влияние генерализации изображения на дешифрируемость космических снимков двойственное; оно может быть и положительным и отрицательным. С одной стороны, сильно обобщенное изображение уменьшает возможность высокоточного и детального картографирования по космическим снимкам, в частности, влечет ошибки дешифрирования. Недаром стремятся к использованию снимков высокого разрешения, а для оценки полноты и достоверности дешифрирования космических снимков прибегают к проверке по аэроснимкам. С другой стороны, обобщенность изображения космического снимка относится к его достоинствам. Во-первых, это свойство позволяет использовать космические снимки для непосредственного составления тематических карт в средних и мелких масштабах без трудоемкого детального многоступенчатого перехода от крупных масштабов карт к мелким, что обеспечивает экономию времени и средств. Во-вторых, оно дает преимущества смыслового, содержательного плана. Оказалось, что на космических снимках выявляются важные объекты, скрытые на снимках более крупных масштабов.
Один из практических выходов исследований по генерализации изображения, космических снимков состоит в определении оптимального соотношения масштабов космических снимков и составляемых по ним карт. Детальность изображения на снимках обычно значительно выше детальности карт соответствующих масштабов; поэтому для картографических работ целесообразно использовать снимки с увеличением, коэффициент которого колеблется для снимков разного типа от 2 до 40. По наиболее реалистичным оценкам это соотношение составляет в случае сканерных снимков около 2; для фотографических снимков разрыв в масштабах снимков и карт может увеличиваться до 520.
Сравнивание дешифрируемости снимков различных масштабов позволило получить общие закономерности географического обобщения воздушных и космических снимков Земли. Изменение масштаба съемки влечет за собой и изменение рисунка. Одни объекты в силу обобщения отходят на второй план или вовсе не изображаются на снимках, другие становятся основными. Анализ аэрокосмических снимков показал, что оптимальными масштабами для дешифрирования являются следующие:
- детальные 1:1000 - 1:2000

- фации;

-крупномасштабные 1:2000 - 1:10 000


- среднемасштабные 1: 15 000-1:25 000 – урочища;
- мелкомасштабные 1:З00 000-1:200 000 – группы урочищ;
- сверхмелкомасштабные 1:1 000 000-1:10 000 000 – ландшафты;
- глобальные 1:50 000 000 и мельче географические зоны.
Для количественной оценки степени обобщения контуров существует несколько критериев. Поскольку изображение контура представляет собой извилистую линию с тем большим количеством извилин, чем меньше она обобщена, можно объективно оценивать степень обобщения контура, сравнивая извилистость на разных изображениях.
Коэффициент общей извилистности (по Н.М. Волкову) подсчитывается по формуле: 13 EMBED Equation.3 1415, где D – длина прямой линии между точками А и В; L - длина извилистой линии между этими точками.
Коэффициент извилистности (по С.А. Николаеву) определяется следующим образом: 13 EMBED Equation.3 1415, где l – средняя длина дуг извилин; d – средняя длина хорд.
Коэффициент изменения площадей при переходе от масштаба к масштабу равен: 13 EMBED Equation.3 1415.
Линейные резкие контуры при переходе к снимкам более мелкого масштаба изменяют длину крайне незначительно. Существенно укорачиваются длины контуров, проведенные по мозаичным границам (от 30 до 50% длины). В соответствии с этим уменьшается коэффициент общей извилистности, чем меньше, тем извилистее сам контур.

8.2. Методы преобразования аэрокосмического изображения
Высококачественные аэрокосмические снимки обладают чрезвычайно большой информационной емкостью. При визуальном дешифрировании вследствие ограниченной чувствительности зрительного анализатора не удается извлечь всю информацию, содержащуюся на снимке. Задачей преобразования изображения является представление данной информации в более выразительном виде, чтобы облегчить ее наиболее полное извлечение. В настоящее время для преобразования используют фотографические, электронные и цифровые методы, иногда комплексируя их. Преобразование снимка сводится к получению нового изображения с заданными свойствами. Однако, следует отметить, что преобразование изображения не добавляет новой информации, а только приводит ее к виду, удобному для дальнейшего использования. Рассмотрим наиболее распространенные виды преобразования аэрокосмического изображения: контратипирование, увеличение, синтезирование, квантование и фильтрацию.
Контратипирование. Обычно для дешифрирования используют не оригинальные снимки – негативы, а их контратипы. Всякий процесс контратипирования связан с потерей информации, тем большей, чем выше разрешающая способность сигнала. Как правило, качество снимков при контратипировании ухудшается – раза. Это относится, прежде всего к изготовлению отпечатков на фотобумаге, изобразительные возможности которой ниже, чем фотоматериала на прозрачной подложке. Но в процессе изготовления контратипов возможно некоторое преднамеренное преобразование изображений и изготовление снимков, наиболее подходящих для дешифрирования тех или иных объектов. Например, при печати возможно уменьшение или усиление контраста изображения. Это осуществляется на электронно-копировальном приборе, в котором источником света является электронно-лучевая трубка с изменяющейся яркостью светового пятна, сканирующего негатив. Световой поток, пройдя сквозь негатив и позитив, попадает в фотоэлектронный умножитель, который вырабатывает ток, используемый по принципу обратной связи для регулирования яркости печатающего светового пятна.
Увеличение. Наиболее распространенный вид преобразования снимков – их увеличение. В связи с тем, что разрешающая способность фотоматериалов гораздо выше, чем глаза, необходимо их увеличение. Например, если разрешающая способность снимка составляет 10-40 мм –1, его необходимо увеличить в 2-8 раз. Только в этом случае можно извлечь всю информацию содержащуюся в снимке. Увеличение до нескольких десятков раз приведет к появлению зернистости фотоизображения, которая усложняет дешифрирование.
Синтезирование. Цветное изображение можно получить не только путем печати с цветных пленок, но и путем синтезирования цветных изображений по зональным черно-белым снимкам. Более подробно данный процесс изложен в разделе «Многозональная съемка».
Квантование. При изучении объектов, которые на снимках изображаются плавными тональными переходами, может быть полезным квантование изображения по плотности, т.е. представление непрерывного полутонового изображения в виде дискретных ступеней плотности. Для более четкого разделения используют цветное окрашивание ступеней плотности, т.е. придают каждой ступени плотности определенный цвет. Такой квантовый цветной снимок может внешне напоминать карту с ярко раскрашенными контурами. Квантование изображения наиболее просто выполнить электронным методом. Например, исследованиями установлено, что содержание гумуса в почвах тесно коррелирует с распределением на снимке плотности изображения. Таким образом, путем квантования можно составить картограмму содержания гумуса.
Фильтрация позволяет выделить объекты изучения из среды прочих объектов на снимке и тем самым облегчает распознавание этих объектов. В процессе фильтрации избыточная для решения определенной задачи информация отсеивается, а необходимая приводится к виду, упрощающему ее использование. Увеличивая дешифрируемость снимков, фильтрация повышает надежность и скорость дешифрирования, открывает путь к автоматизации дешифрирования. С использованием фильтрации можно решать следующие задачи:
-преобразование гаммы тонов или цветов;
-разделение изображения по составным элементам, например, выделение линейных объектов;
-переход от полей с непрерывно и плавно изменяющимися тонами (плоскостью изображения) к ступенчатому изображению, т.е. выделение нескольких градаций.
Для решения данных задач используются следующие виды фильтрации:
-оптическая,
-фотохимическая,
-фотографическая,
-метод контурной и двухзональной печати и т.д.
С использованием фотографической фильтрации можно достигнуть подчеркивания границ контуров, выявления изменений изображения на серии снимков и выявления линейных элементов определенной ориентации. Приемы оптической фильтрации позволяют выделить линейные объекты определенной ориентировки, например, песчаные гряды, овражно-балочную и мелиоративную сеть и др.
9. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА СНИМКОВ
Каждый снимок, используемый в научно-практических целях, содержит определенные сведения об изучаемом объекте. Для оценки его пригодности как носителя информации он может быть подвергнут как формальному, так и смысловому анализу. В основу формальной оценки объема информации, содержащейся в снимке, может быть положена ее связь с разрешающей способностью. Чем выше разрешающая способность снимков, тем больший объем информации в них содержится. На основе смысловой информации можно определить ценность ее для исследователя. Например, четкое изображение на инфракрасных аэроснимках породного состава лесной растительности, указывает на эффективность использования данных снимков для дешифрирования ее видового состава.
Путем дешифрирования аэрокосмических снимков можно получить самые разнообразные сведения, факты. Однако к информации относятся только те из них, которые отвечают поставленной задаче, цели. Содержание и количество извлекаемой из снимков информации обуславливается уровнем наших знаний или заранее сформулированными требованиями, например в виде легенды или перечня условных знаков, которые в конечном счете также отражают наши знания.
Для определения максимального количества информации, введено понятие «полная информация», под которой следует понимать ту информацию, которую в каждом конкретном случае можно извлечь из снимков, полученных при оптимальных технических и погодных условиях съемки, а так же масштабе. Однако, часто используются снимки, обладающие свойствами отличными от оптимальных. Содержащееся в них количество информации в общем случае меньше полной информации и составляет оперативную информацию. В оперативную информацию входят те из необходимых сведений, которые можно рассчитывать: получить путем дешифрирования данных снимков. Однако извлеченная информация почти всегда меньше оперативной из-за ошибок дешифрирования.
Ошибки при дешифрировании объектов могут возникать по следующим причинам:
при дешифрировании слабоконтрастных объектов;
ложное опознавание объектов из-за совпадения дешифровочных признаков (например, известняки и снежники).
Однако часто дешифровщик сталкивается с помехами и шумом, которые не представляют ценности для исследователя. К помехам можно отнести наличие бликов, а так же изображение на снимках тощи атмосферы, которая виде дымки накладывается на изображение, или таких атмосферных явлений, как туман, пыльные бури и др.
Хотя деление получаемых сведений на информацию и шум условно, они имеют одну природу и могут взаимно переходить друг в друга. Так если при фотографической съемке шумом является изображение облаков, закрывающих местность, то при синоптическом дешифрировании космических снимков Земли помехой служат изображение поверхности земли и воды, которое накладывается на изображение облачности.
Качественное разнообразие и количество извлеченной информации в значительной степени определяются свойствами информационного поля снимков. Простота сопоставления снимков с натурой, внешнее совпадение изображения объектов с тем, как мы их видим, определяют наглядность снимков. Объекты узнаются на снимках, если их изображение соответствует непосредственному зрительному образу и если оно хорошо известно из практики, например, облачность.
Наглядность снимков всегда особенно ценилось. Предполагалось, что именно возможность прямого визуального распознавания является главным достоинством снимков с летательных аппаратов. Но по мере развития метода большое значение стали придавать выразительности изображения. Изображение тем выразительнее, чем интенсивнее и контрастнее выделены на нем объекты и явления, являющиеся предметом дешифрирования. Таким образом, выразительность изображения характеризуется простотой дешифрирования объектов и явлений, наиболее существенных для решения поставленной задачи.
Наглядность и выразительность в известном смысле противоположные, взаимоисключающие свойства аэрокосмического изображения. Так наибольшей наглядностью обладают цветные в натуральных цветах снимки. Меньшая наглядность у цветных спектрозональных снимков, но зато при дешифрировании, например, лесной растительности они имеют большую выразительность.
Наглядность и выразительность изображения связаны с его масштабом, но оптимальные по выразительности и наглядности масштабы снимков не совпадают друг с другом. Наглядность возрастает с укрупнением масштаба.
Выразительность же связана с уровнем обобщенности фотоизображения и поэтому оно оптимально для различных объектов и комплексов в разных масштабах.
Говоря о ценности снимков, обычно говорят об их дешифрируемости. Дешифрируемость снимков определяется как их свойствами, так и с учетом целей дешифрирования. Известно, что одни и те же снимки обладают разной дешифрируемостью по отношению к разным объектам и задачам.
Дешифрируемость аэрокосмических снимков – это сумма их свойств, определяющих количество информации, которую можно получить путем дешифрирования снимков для решения данной задачи. Количественно ее можно выразить через отношение оперативной информации (I0), содержащуюся в данных снимках, и полной: 13 EMBED Equation.3 1415.
Однако часто для определения дешифрируемости снимков используется относительная дешифрируемость, которая характеризуется через отношение полезной информации (I) которую несет аэроснимок, к полной информации, которая может быть получена по аэроснимку: 13 EMBED Equation.3 1415. Это отношение назовем коэффициентом дешифрируемости. Понятие "полная информация" может быть истолкована по-разному и, в соответствии с этим, относительная дешифрируемость может характеризовать различные свойства аэроснимков. Если за полную информацию принять максимальную информационную емкость аэроснимков, то коэффициент дешифрируемости будет показывать загруженность аэроснимков бесполезными сведениями или, иными словами "уровень шума". По этой же формуле (13 EMBED Equation.3 1415) может быть вычислена и относительная дешифрируемость отдельных объектов. При соответствующем подходе она позволяет сравнивать аэроснимки, снятые на различной пленке, отпечатанные на различной бумаге и т.д. Таким образом, через коэффициент дешифрируемости выражается ценность аэроснимка, как источника информации .
Полнота дешифрирования может быть охарактеризована через отношение использованной (распознанной) полезной информации (I1) ко всей полезной информации, содержащейся в данных аэроснимках: 13 EMBED Equation.3 1415.
Полнота дешифрирования в большой мере зависит от подготовки дешифровщиков, их опыта и специальных знаний.
Под достоверностью дешифрирования следует понимать вероятность правильного опознавания или истолкования объектов. Она может оцениваться через отношение количества правильно распознанных объектов (n) к сумме всех распознанных (N): 13 EMBED Equation.3 1415.

10. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕШИФРИРОВАНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ
Под дешифрированием аэрокосмических снимков следует понимать получение информации об объектах местности и явлениях географической среды по их фотографическому изображению, основанное на знаниях закономерностей фотографического воспроизведения их оптических и геометрических свойств, а также на знаниях закономерных взаимосвязей пространственного размещения объектов.
Термин "дешифрирование" имеет русское происхождение. В зарубежной литературе применяется термин "интерпретация", что означает толкование, хотя он употребляется как синоним "дешифрирование". Выделяют следующие виды дешифрирования.
Морфографическое дешифрирование заключается в получении необходимой информации об объектах в результате визуального рассматривания аэрофотоснимков или путём использования увеличительных и стереоскопических приборов (лупы, стереоскопы).
Морфометрическое дешифрирование основано на получении количественных характеристик об изучаемых объектах с помощью стереоизмерительных приборов. Основой для морфометрического анализа могут служить: формы контуров и их изрезанность, размеры и соотношение размеров отдельных элементов структуры, их площади и соотношение их между собой, определение формы контуров, протяжённости и изрезанности границ, изучение ориентирования и встречаемости контуров. Для определения превышения одних точек над другими измеряются разности продольных параллаксов данных точек.
Инструментальное дешифрирование состоит из фотометрического изучения негативов или позитивов, т.е. получение необходимых сведений об объектах и их свойствах путём изучения оптических плотностей фотоизображения с использованием денситометров и микрофотометров. Например, изучение изменения плотности изображения в зависимости от содержания в почве влаги или органического вещества.
Автоматизированное дешифрирование основано на использовании для обработки аэрокосмического изображения современных компьютерных технологий.
10.1. Дешифровочные признаки
Природные объекты, изображающиеся на аэрофотоснимках, могут опознаваться и интерпретироваться дешифровщиком по их свойствам, которые находят отражение в дешифровочных признаках этих объектов. Все дешифровочные признаки можно подразделить на две группы: прямые и косвенные.
10.1.1. Прямые признаки дешифрирования
К прямым дешифровочным признакам относятся те свойства и характеристики объектов, которые непосредственно изображаются на аэрофотоснимках и могут восприниматься дешифровщиком визуально или с использованием технических средств. К ним относятся тон (черно-белые) или цвет (цветные, спектрозональные) фотоизображения аэрофотоснимков, размер, форма и расчленённость границ, рисунок фотоизображения и падающая тень.
Тон фотоизображения на аэроснимках или оптическая плотность изображения негативов зависит от многих причин и может изменяться в значительных пределах. Непостоянство данного признака связано со следующими факторами: условиями освещённости, цвета, структуры поверхности и физического состояния объекта, типа фотографического материала и условий его обработки, зоны электромагнитного спектра, в котором проводилась аэрокосмическая фотосъёмка и ряда других причин. Однако когда речь идет конкретно о дешифрировании почв, то в первую очередь необходимо установить, под какими угодьями находится данная почва – пахотными, луговыми или лесными. Одна и та же почва распаханных участков и участков под культурой или естественной растительностью будет иметь совершенно различный тон фотоизображения. Далее, о постоянстве тона фотоизображения, как дешифровочного признака, можно вести разговор только в том случае, когда речь идёт о территории, заснятой в одно и тоже время при одних и тех же погодных условиях съёмки и в определённой зоне электромагнитного спектра.
Опытным путём установлено, что человеческий глаз может различать до 25 градаций серого тона, в практических целях чаще используется серая шкала тонов от семи до десяти ступеней (табл.2).
С помощью компьютеров возможно различать до 225 уровней серого тона по снимкам и плёнкам. Кроме этого, эти уровни, в зависимости от поставленной задачи, можно группировать по определённым ступеням с их количественными характеристиками.
Существенное влияние на тон фотоизображения оказывают фактурные свойства объектов, от которых зависит распределение отражённого от поверхности объекта света в пространство.



Количественные характеристики плотности изображени
Тон
Плотность

Белый
0,1 и менее

Почти белый
0.2 - 0,3

Светло-серый
0,4 - 0,6

Серый
0,7 - 1,1

Тёмно-серый
1,2 - 1,6

Почти черный
1,7 - 2,1

Чёрный
2,2 и больше

Выделяются три группы объектов поверхностей:
Ортотропные поверхности отражают падающий на них свет равномерно во всех направлениях. Сюда относятся пески, рыхлый снег и др.
Зеркалящие поверхности отражают свет преимущественно в одном направлении (в плоскости падения солнечных лучей). К ним относятся: вода, чистый лёд, сухие каменистые поверхности. Иногда на воде появляется блик, чему способствует высокое стояние Солнца, широкий угол поля зрения объектива аэрофотоаппаратуры (АФА). Благодаря блику в различных частях аэроснимка возникают самые различные сочетания тонов, поэтому приходится иногда пользоваться одной частью снимка или просматривать смежные аэроснимки.
Изрытые (иссеченные) поверхности максимально отражают к источнику света. Сюда относится растительный покров.
Обнаружение на снимке одних объектов среди других зависит от наличия оптического контраста между ними или между изображением объекта и фоном. Минимальная разность яркости, различаемая глазами, называется порогом контрастности.
Пороги контрастности глаза и фотоэмульсии одинаковы и примерно равны 2%. Однако глаз воспринимает яркостной контраст только в видимой зоне спектра, когда фотоэмульсия может отражать контраст и за её пределами.
Цвет объектов местности является спектральной характеристикой и определяет энергию светового потока. Воздействуя на фотослой, световой поток определяет значение оптических плотностей на воздушных и космических снимках. В данном случае дешифрирование сводится к определению значений оптических плотностей на чёрно-белых снимках и созданию спектрального образа сфотографированной местности, что в конечном итоге позволяет классифицировать объекты местности.
Цветовая гамма изображений является существенным признаком дешифрирования. Этот признак следует рассматривать в двух аспектах. В первом случае, когда изображение на воздушных и космических снимках формируется в цветах, близких к естественным цветам (цветные снимки), распознавание и классификация объектов местности не вызывает особых затруднений. В данном случае учитываются такие характеристики цвета, как его светлота и насыщенность, а также различные оттенки одного и того же цвета. В другом случае цветное изображение формируется в произвольных цветах (псевдоцветах), как это имеет место при спектрозональной съёмке. Смысл этого сознательного искажения цветовой гаммы натуры на изображении состоит в том, что на снимках наблюдатель легче воспринимает цветовые контрасты деталей изображения, поэтому цветные воздушные и космические снимки обладают более высокой дешифрируемостью, чем черно-белые.
Цвета спектрозонального аэроснимка менее стабильны, чем цветного снимка в естественных цветах. При необходимости они могут быть значительно изменены с помощью светофильтров. Известно, например, что лиственные породы на плёнке СН-2 (негатив) получаются сине-зелёными, а хвойные – пурпурными. При печати на бумаге Ф-1, Ф-2 лиственные леса передаются красным или оранжевым, а хвойные - сине-зелёным или зелёным цветом. При печати на бумаге СБ-2 хвойный лес изображается буровато-коричневым цветом, а лиственный - светло-зелёным или голубым.
Существует особый приём при дешифрировании, когда цвет на изображениях используется для кодирования деталей изображения, имеющих одинаковую оптическую плотность. Этот метод широко используется при дешифрировании зональных снимков, полученных в результате многозональных съёмок. Он весьма эффективен при проведении ландшафтного дешифрирования. В этом случае отдельные элементарные ландшафтные единицы можно закодировать каким-либо цветом, исходя из их родственных признаков и свойств.
Форма объектов или их конфигурация позволяет установить наличие объекта и его свойства. Зрительная система наблюдателя в первую очередь выделяет именно очертания предметов, их форму. Однако форма на аэрокосмических снимках воспринимается несколько непривычно, так как мы привыкли видеть в обычных условиях объект сбоку, а на снимках в ракурсе "вид сверху".
Различают геометрическую определённую и неопределённую форму. Первая присуща, как правило, всякого рода сооружениям (постройкам, мостам и др.) и может служить надёжным дешифровочным признаком. Вторая характерна для границ многих природных объектов (луга, леса и др.) и часто может служить определённым дешифровочным признаком.
Далее различают компактную, вытянутую (линейную) и объёмную форму. По сравнению с компактной формой, вытянутую форму можно распознать на аэроснимках более мелкого масштаба. Особенность рисунка вытянутой формы часто является важным дешифровочным признаком для линейных объектов (например, по характеру извилистой формы можно отличить реку от каналов осушительной сети). По форме объектов в большинстве случаев удаётся различать природные объекты от антропогенных. Для антропогенных (техногенных) объектов характерна правильная геометрическая конфигурация - изображения массивов распаханных земель, вырубки, железные дороги (прямолинейные), шоссейные (с плавными закруглениями).
Использование формы как признака дешифрирования зависит от масштаба изображения. С уменьшением масштаба снижается роль формы как дешифровочного признака. Для мелких объектов этот признак теряет свое значение.
Форма как дешифровочный признак широко используется при дешифрировании видового свойства лесной и кустарниковой растительности. Разработана классификация крон лесной растительности по их форме.
Роль формы объектов как признака дешифрирования возрастает, если использовать стереоскопические приборы. В этом случаи на стереомодели воспринимается объёмная форма, что значительно облегчает дешифрирование не только тех объектов, которые имеют высоту, но и плоских, поскольку их расположение, приуроченное к определённым формам рельефа, позволяет с большей достоверностью их классифицировать.
Размер объектов учитывается при распознавании объектов и установлении их свойств. Размер является важным дешифровочным признаком, особенно в том случае, когда фототон и форма объектов близки между собой. Точное определение объектов входит в задачу дешифрирования. Так, например, возможно определение высоты деревьев и размера крон, ширины реки и дороги, глубины оврагов и т.д. Знание размеров отдельных объектов необходимо не только для характеристики этих объектов, но и для правильного представления об изучаемой местности.
Масштаб аэроснимка, который известен, не даёт наглядного представления о натуральных размерах объектов, если не имеется аэрофотоэталонов. В таком случае необходимо обнаружить такие объекты, размеры которых приблизительно известны (дома, деревья и т.д.).
Размеры объёмных объектов более правильно воспринимаются и оцениваются только при стереоскопическом рассматривании. Размер изображения объекта зависит от масштаба аэроснимка. Предельные возможности каждого масштаба определяются в основном разрешающей способностью аэроплёнки, объектива АФА, фотобумаги и человеческого глаза.
Разрешающая способность аэроснимков в среднем составляет 10 - 12 лин/мм. Это определяет размеры разрешающей детали на аэроснимках - 0,5 мм. Отсюда же следует, что минимальные размеры объектов, которые могут изображаться на аэроснимках, равны для масштаба 1:50 000 - около 5 м; масштаба - 1 :10 000 - 1 м.
Разрешающая способность глаза равна примерно 5 лин/мм, что в два раза ниже разрешающей способности аэроснимков. Поэтому при дешифрировании аэрофотоснимков прибегают к увеличительным приборам или же к увеличению аэроснимков до четырёх раз не теряя информативности.
Минимальные размеры объектов могут колебаться в зависимости от оптического контраста и формы объектов. Различают три порога восприятия:
а) порог нераздельного видения: ему соответствуют масштабы аэроснимков, в которых структурные объекты воспринимаются нераздельно и не могут быть расчленены на элементы;
б) порог раздельного видения: ему соответствуют масштабы аэроснимков, в которых элементы сложных объектов уже различаются, но ещё не могут быть опознаны.
в) порог восприятия формы: ему соответствуют оптимальные масштабы аэроснимков, в которых объекты опознаются по форме.
Рисунок фотоизображения является одним из важнейших прямых дешифровочных признаков для распознавания различных ландшафтов, который на аэрофотоснимках формируется в результате сочетания ряда прямых признаков - тона или цвета фотоизображения, формы и размера объектов. Д.М. Кудрицкий (1956) впервые ввёл понятие комплексного дешифровочного признака, которое включает сочетание прямых и косвенных дешифровочных признаков. Однако, к комплексным признакам следует отнести сочетания и прямых признаков, среди них:
соотношение площадей, занятых различными объектами,
-число и соотношение объектов различных размеров,
- пространственное распределение объектов,
- сочетание и видоизменение форм отдельных объектов,
-сочетание и изменение тонов изображения,
-характер границ между объектами и комплексами.
Характер рисунка фотоизображения тесно связан с физико-географическими условиями изучаемой территории. В нём отражаются внутренние связи между компонентами ландшафта (рельеф, почва, растительность), а также их генезис и морфология.
Для характеристики рисунка изображения используются такие понятия как структура и текстура изображения. Различные авторы в них вкладывают различный смысл. Мы остановимся на определении Л.Е.Смирнова (1975), где под структурой следует понимать набор форм, размеров, тонов или цветов и цветовых оттенков, участвующих в построении рисунка. А текстура даёт представление о пространственном расположении элементов структуры и их взаимном сочетании.
Структура выделяется тональная или цветовая и геометрическая (контурная). Контурность всегда сопутствует тональной структуре, хотя структура может быть практически бесконтурной.
Следует различать рисунок фотоизображения какой-то территории и её ландшафтный рисунок, так как между ними имеются различия. Ландшафтный рисунок фотоизображения на аэроснимках формируется из фотоизображения отдельных элементов ландшафта, в то же время на рисунок фотоизображения аэрокосмического снимка оказывают влияние и такие факторы, как погодные и технические условия съёмки, время суток и сезон съёмки, процесс обработки, светотеневая мозаика крон растительности, а также хозяйственная деятельность человека.
По определению А.С. Викторова (1986), ландшафтным рисунком территории называется пространственная мозаика, которую образуют на земной поверхности участки, соответствующие развитым на этой территории природным территориальным комплексам (ПТК) или микрообразованиям комплексного характера. Непосредственная связь характера рисунка изображения с ландшафтами позволяет называть комплексные признаки прямыми ландшафтными признаками.
Рисунок фотоизображения ландшафтов отличается своей сложностью и закономерным повторением мозаики. Объекты, расположение которых на первый взгляд кажется беспорядочным, в реальности образуют на аэрокосмических снимках правильные, закономерно построенные и разнообразные узоры. Каждому природно-территориальному комплексу соответствует определённый рисунок, передающий его морфологические особенности. Наличие большого разнообразия рисунков фотоизображения привело к необходимости проведения их систематизации. Первые попытки в данном вопросе были сделаны Н.С. Подобедовым (1962) и Л.А. Богомоловым (1963). Более детальная классификация рисунков аэрокосмических изображений для географических целей была выполнена Л.Е. Смирновым (1975), в основу которой были положены такие исходные элементы изображения, как точка (пятно) и линия (полоса). Всего было выделено пять групп рисунков фотоизображения (цепочная, регулярная, мозаичная, линейная, слошная-полосчатая), каждая из которых подразделяется на отдельные виды рисунков.
Рисунок фотоизображения может быть однородным, бесструктурным. Такой рисунок характерен для изображения водной поверхности, травянистой луговой и культурной растительности, а также отдельных почв (торфяно-болотные). Чаще всего дешифровщик встречается со структурными рисунками фотоизображения – пятнистые, прямолинейные, древовидные, зернистые, дугообразные и др.
Пятнистый рисунок фотоизображения состоит из пятен различного тона и формы, размер которых зависит от масштаба съёмки. Характер изображения пятнистого рисунка зависит от ландшафта, который он отражает, между рисунками имеется и много общего. Например, для территорий, сформированных лессовидными и флювиогляциальными отложениями, характерен пятнистый рисунок изображения (пятна округлой формы). В первом случае его формируют блюдцеобразные западины с дерново-подзолистыми глееватыми и глеевыми почвами, изображающиеся тёмно-серым тоном на общем сером фоне (рис. 32д), в другом случае – холмообразные повышения, изображающиеся светло- серым тоном с автоморфными и оглеенными внизу почвами, на общем сером и тёмно-сером фоне. Для северных территорий Витебской области с холмисто-моренным рельефом пятнистый рисунок (пятна вытянутой формы) создают почвы различной степени смытости. Пятнистый рисунок изображения характерен и для полесских мелиорированных ландшафтов, который создаёт чередование минеральных и различной мощности торфяно-болотных почв.
Регулярный рисунок фотоизображения (рис.32е) формируется из отдельных точек, расположенных на определенном расстоянии. Так изображаются сады и ягодники.
Прямолинейным рисунком на аэрокосмических снимках изображается дорожная и мелиоративная сеть (рис.32з).
Древовидный рисунок фотоизображения характерен для территорий с развитой овражно-балочной сетью и даёт представление о характере расчленённости, а также почвообразующих породах территории (рис.32а).
Зернистый или крапчатый рисунок фотоизображения формируется из сочетания отдельных, различного размера зёрен или крапа, которым изображаются отдельно стоящие деревья и кусты ивы. Чаще такой рисунок фотоизображения характерен для пойменных территорий (рис.32б).
Прямоугольный рисунок фотоизображения характерен для территорий, занятых под пахотными угодьями. Поля, занятые под различными сельскохозяйственными культурами, изображаются в виде прямоугольников, различных по размеру и фототону (рис.32в).
Полосчатый рисунок фотоизображения формируется чередованием отдельных параллельных полос, которые могут соответствовать барханам, геологическим пластам, пахотным землям и др. (рис.32г).
Дугообразный рисунок фотоизображения, который формируется в результате чередования дугообразных, различной ширины тёмных и светлых полос, образует так называемые веера блуждания. Такой рисунок фотоизображения наиболее типичен для пойменных ландшафтов (гривистые поймы) (рис.32ж).
Тень как дешифровочный признак играет важную роль при дешифрировании объектов и их свойств. Падающая тень, отбрасываемая объектом на земную поверхность, расположенную со стороны, противоположной Солнцу, подчёркивает объёмность объекта и его форму. Её очертание и размер зависят от высоты Солнца, рельефа местности (участка), на которую падает тень, и направления освещения.
По форме падающей тени можно распознавать как искусственные объекты (постройки, столбы, пункты триангуляции), так и естественные объекты. Падающие тени в качестве признаков дешифрирования широко используются при изучении растительности. Для каждой породы характерна своя специфическая форма кроны, что находит отражение в её тени и позволяет определить её видовой состав. Например, форма падающей тени ели напоминает остроугольный треугольник, тогда как у сосны она овальная. Однако следует помнить, что тень - весьма динамичный дешифровочный признак (изменяется в течение суток). Она может превышать размер объекта при низком положении Солнца над горизонтом.
10.1.2. Косвенные дешифровочные признаки
Косвенными называются признаки, которые непосредственно, через одни объекты и их свойства, указывают на наличие других объектов или на их особенности и свойства, не получившие изображения на аэроснимках. К косвенным признакам относятся природные закономерности и взаимосвязи, существующие между отдельными компонентами и элементами ландшафтов, ландшафтными единицами и целыми ландшафтами, а также взаимосвязи и закономерности, существующие между природными условиями и человеческой деятельностью.
Косвенные признаки делятся на две группы. К первой группе относятся природные закономерности и взаимосвязи, существующие между компонентами и элементами ландшафтов, например, связь растительности с рельефом, рельеф с гидрографией, почв с растительностью и рельефом и т.д. В связи с этим косвенные признаки делятся на геоботанические, геоморфологические, гидрографические и т.д. В целом все эти признаки называются ландшафтными. Большинство известных в географии природных связей носят качественный характер. Однако ландшафтные связи могут быть установлены также в количественной форме, в виде корреляций.
Ко второй группе косвенных признаков относятся взаимосвязи и закономерности, существующие между хозяйственной деятельностью человека, природными объектами и явлениями. Иногда эти признаки дешифрирования называют социально-географическими. Примером таких взаимосвязей может служить характер распределения пахотных земель в зависимости от рельефа местности, состояния полевых и лесных дорог в зависимости от гранулометрического состава грунтов и их увлажнённости и т.д.
При косвенном дешифрировании различных природных явлений используются различные индикаторы. Понятия об индикаторах ввел в теорию дешифрирования В.А.Фаас в соответствии с положениями современного индикационного ландшафтоведения географические объекты разделяются на труднонаблюдаемые (индицируемые, индикаты) и на физиономичные (индикаторы). Распространенные на суше индикаторы – это поверхностные объекты (эктоярус) геосистем; рельеф, растительность, водные и антропогенные объекты, а также морфологическая структура геосистем, с помощью которых индицируются как естественные и антропогенные процессы, так и свойства грунтов, подземные воды, т.е. геологические, гидрогеологические, почвенно-грунтовые условия и их изменения. Это позволяет сделать вывод, сто по внешнему облику ландшафта можно выявить процессы, происходящие в нем. Важнейшими индикаторами внутреннего строения ландшафта являются растительность, рельеф и гидрография.
Растительность является хорошим индикатором почв, четвертичных отложений, увлажнённости почвогрунтов и т.д. При дешифрировании могут использоваться следующие индикационные признаки растительности:
--Морфологические признаки позволяют различать на аэрокосмических снимках древесную, кустарниковую и луговую растительность.
--Флористические (видовые) признаки позволяют дешифрировать видовой состав, например, сосновые насаждения приурочены к песчаным автоморфным почвам, черноольховые – к дерново-глеевым почвам.
--Физиологические признаки основаны на связи гидрогеологических и геохимических условий места произрастания с химическими свойствами пород. Например, на известняках лишайники имеют оранжевый цвет, а на гранитах - жёлтый.
--Фенологические признаки базируются на различиях в ритмах развития растительности. Особенно это хорошо проявляется осенью у лиственных пород растительности в изменении окраски листьев. На цветных аэрокосмических снимках хорошо различается видовой состав растительности, который подчёркивает условия произрастания.
--Фитоценотические признаки позволяют дешифрировать типы лесной и ассоциации луговой растительности, которые приурочены к определённым условиям произрастания. Например, сосняки-лишайники произрастают на повышенных элементах рельефа с автоморфными рыхло-песчаными почвами, сосняки долгомошники приурочены к пониженным элементам рельефа и дерново-подзолисто-заболоченными почвами.
Этот признак характеризуется встречаемостью, проективным покрытием, а также структурой, внешне выражаемой рисунком фотоизображения.
Рельеф является одним из важнейших индикаторов. Связь рельефа с другими компонентами природных комплексов, его большая роль в формировании внешнего облика ландшафтов и возможность непосредственного дешифрирования позволяет использовать рельеф как индикатор самых разнообразных природных объектов и их свойств. Такими индикаторами могут быть следующие морфометрические и морфологические особенности рельефа: а) абсолютные высоты и амплитуды колебаний высот на данном участке; б) общая расчленённость рельефа и углы наклона склонов; в) ориентировка отдельных форм рельефа и экспозиция склонов (солярная, ветровая), которые вместе с абсолютными высотами определяют климатические условия и водный режим на данной территории; г) связь рельефа с геологией; д) генезис рельефа, его возраст и современная динамика и др.
Гидрография является важным индикатором физико-географических и геологических условий. Тесная связь структуры и густоты гидрографической сети (озёр, рек и болот) с геологией и рельефом позволяет использовать аэрофоторисунок, особенно речной сети, как прямой ландшафтный признак при анализе местности в геоморфологическом, геологическом и палеографическом отношениях. При установлении с помощью снимков общей физико-географической характеристики местности значение индикаторов приобретают сведения о внутригодовом ходе водности рек и озёр и увлажнённости территории, о ледовом режиме, а также о химизме вод.
10.2. Логическая структура процесса дешифрирования
Дешифрирование представляет собой многоэтапный процесс со сложной структурой. Структура процесса дешифрирования может быть рассмотрена на различных уровнях: познавательном – логическая, производственном – технологическая и организационная структура. В каждом случае количество этапов дешифрирования, их последовательность я содержание будут различными.
Структура познавательной деятельности дешифрирования или логическая структура процесса дешифрирования включает в себя ступени, ведущие исследователя от незнания к знанию, этапы формирования новых знаний. При анализе логической структуры необходимо исходить из ступеней познания. Поэтому, анализируя дешифрирование как познавательный процесс, выделяется в нем три ступени:
обнаружение объектов, т.е. акт ощущения и восприятия;
индикация или распознавание объектов и формирование понятий и суждений;
интерпретация или объяснение, ври котором совершается переход от незнания к знанию или от неполного знания к более полному знанию.
Все три этапа составляют единый цикл познания. Некоторые элементарные виды дешифрирования могут быть завершены в пределах одного цикла, но в подавляющем большинстве случаев наблюдается многократное повторение циклов. Логическая структура процесса дешифрирования не зависит от назначения и объема дешифровочных работ так же, как и от места их производства. Она в ровной степени сохраняется и при полевом и при камеральном дешифрировании.
Обнаружение. В процессе обнаружения выделяются и локализуются самые различные объекты, хорошо отделяющиеся от окружения по признакам изображения без их идентификации. Рассматривая снимки, дешифровщик обнаруживает и дифференцирует объекты, которые отличаются тоном (цветом) размером, формой и рисунком. Такими объектами могут быть сельскохозяйственные угодья, участки леса и т.д.
Количество обнаруженных объектов на снимках, детальность видения контуров, точность их положения зависит от ряда факторов: общей тональности, цветности и контурности фотоизображения, условий наблюдения и т.д. Дешифрирование надежнее проводится на цветных, чем на черно-белых снимках. Контрастность изображения и детальность дешифрирования на глянцевых снимках выше, чем на матовых, однако точность вычерчивания контуров на последних выше.
Обнаружение может быть результатом целенаправленного поиска определенных объектов, но может быть случайным. Для обнаружения дешифровщик должен освоить навыки наблюдения снимков с помощью различных технических средств, быстрого сканирования снимков, сопоставляя изображения различных объектов.
С производственной точки зрения этап обнаружения имеет огромное значение, так как от него в значительной степени зависит скорость дешифрирования. Чем проще и быстрее обнаруживаются объекты дешифрирования на снимках, тем надежнее результаты дешифрирования.
Опознавание (идентификация) так же производится по признакам изображения и только видимых на снимках объектов. Этот этап в свою очередь подразделяется на три стадии: угадывание, выделение признаков (систематизация) и синтез (группирование) признаков, определяющих объект. У опытных дешифровщиков эти стадии сливаются в трудноразличимый процесс, однако у начинающих они очень заметны.
Процесс опознавания может сопровождаться различными замерами. Специалист должен научиться применять современные измерительные приборы, палетки, эталоны и т.д. Все это помогает ему правильно, без искажений определять и оценивать признаки изображения объектов на снимках и проводить те или иные их количественные оценки. Обычно безошибочно опознаются на снимках те объекты, которые достаточно хорошо внешне выражены на изображении. Трудности в опознавании, как правило, возникают по следующим причинам: природные искусственные объекты привычно выглядят сбоку, но непривычно сверху; кривые спектральной яркости пленок выше, чем человеческого глаза, поэтому на снимках изображаются такие объекты, которые глазом в естественных условиях не воспринимаются: съемка выполнена не в оптимальные сроки; в результате обобщения контуров на снимках исчезают отдельные детали у объектов.
В процессе дешифрирования снимков формальный анализ рисунка тесно переплетается о содержательным анализом изображения. Сначала происходит формальная оценка системы в целом описываются или фиксируются текстура и структура изображения. Затем изображение разделяется по типам структур и текстур. Описывается и оценивается тоновая или цветовая структура. Анализируется и описывается контурная структура рисунка. Подразделяются выделенные структуры на частные (лес, река) опознанные и произвольные – случайные, бессодержательные.
Таким образом, формальный анализ изображения решает задачи разделения и выделения изображения отдельных объектов и явлений, которые различаются и опознаются по набору выделенных формальных признаков. Опознанные объекты и явления позволяет судить о других объектах и явлениях и о местности в целом. Это и есть содержательный уровень анализа, который дает основание для формальных поисков новых частных содержательных структур. Этот процесс может повторяться неоднократно, пока не будут исчерпаны изображения на снимке, возможности дешифровщика или ЭВМ.
Интерпретация – процесс мышления, нахождение связей, закономерностей в размещении элементов, компонентов и ПТК, которые хорошо опознаются по признакам изображения с тем, чтобы раскрыть содержание слабовыраженных объектов.
Если на этапе опознавания важнейшими качествами дешифровщика являются зрительные способности, быстрота восприятия, быстрота сканирования снимка, умение пользоваться приборами, то на третьем этапе наибольшее значение приобретают знания природы изучаемого объекта и природных закономерностей, опыт, способность правильно делать заключения, сопоставлять, анализировать и синтезировать явления, способность находить множественные связи и исключить неправильные толкования.
Используя имеющиеся знания и опыт или же установленные в процессе дешифрирования природные закономерности и взаимосвязи, которые в данном случае выступают в качестве косвенных признаков, в результате порой довольно сложных умозаключений он определяет наличие и свойства объектов и явлений, не изобразившихся непосредственно на аэрофотоснимках, а также получает представление о скрытых сторонах характера объектов и явлений, которые, может быть, и легко опознаются. Если при опознавании объектов основная роль принадлежит прямым демоскирующим признакам: размеру, форме, цвету и тону фотоизображения, то на последнем этапе дешифрирования наибольшую роль играют косвенные признаки.
Все рассмотренные этапы дешифрирования переплетаются между собой, образуя единый сложный процесс дешифрирования. Цели, преследуемые при дешифрировании, могут быть разнообразными: научными и практическими, очень широкими и узкими, но процесс познания не меняет своей сущности в зависимости от объема исследования или назначения результатов дешифрирования. Поэтому во всех случаях будут иметь место и созерцание и распознавание и осмысливание распознанного.
На успешность дешифрирования влияют три группы факторов: свойства снимков, особенности человеческого восприятия и условия работы.
11. ТЕХНОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ДЕШИФРИРОВАНИЯ СНИМКОВ
При составлении тематических карт используются различные материалы аэрокосмической съёмки: негативы, контактные и увеличенные фотоснимки, накидные монтажи, фотосхемы и фотопланы.
11.1. Материалы аэрокосмической съемки
Аэрокосмические негативы являются первичным материалом и обладают наиболее высокими изобразительными и информационными свойствами. Данные материалы используются при морфометрическом и инструментальном дешифрировании с применением специальных технических средств. Наиболее информативными являются негативы, полученные с панхроматических и инфрахроматических плёнок.
Для визуального дешифрирования широко используются контактные аэрофотоснимки, которые получают путем контактной печати негатива с фотобумагой. Масштаб их соответствует масштабу воздушного фотографирования. Основным достоинством этих материалов являются их высокие изобразительные свойства, а также возможность получения стереоскопического изображения местности. В зависимости от разрешающей способности плёнки масштаб аэрофотоснимков может уменьшаться или увеличиваться.
С цветных негативов могут быть отпечатаны как цветные, так и чёрно-белые аэрофотоснимки. Для более успешного дешифрирования целесообразно одновременно использовать различные аэрокосмические фотоснимки по масштабу и времени съёмки.
Репродукции накидного монтажа получаются путём фотографирования накидного монтажа из последовательно смонтированных на жёсткой основе по маршрутам залёта аэрофотоснимков. Аэрофотоснимки накладываются друг на друга в пределах маршрута так, чтобы совпали их продольные перекрытия и были видны в правом углу номера снимков. Таким же путём совмещаются между собой и маршруты залёта по поперечным перекрытиям. Масштаб накидного монтажа в 3-5 раз мельче масштаба аэрофотоснимков. Он также имеет свою номенклатуру. При дешифрировании используется для определения границ исследуемой территории и её ландшафтного анализа и районирования, для подбора аэрофотоснимков, определения места закладки ключевых участков и маршрутов исследования.
Фотосхемой называют непрерывное фотографическое изображение местности, составленное из нескольких аэро- или космических фотоснимков без использования опорных точек. Фотосхемы изготавливаются на жесткой основе (картон, фанера) путём склеивания встык аэрофотоснимков по контурам или другим способом. Как правило, они монтируются на территорию исследования в пределах определённой топографической трапеции. В зарамочном оформлении фотосхемы указывается номенклатура, масштаб, время изготовления и организация, проводившая работу по составлению.
Основным достоинством фотосхемы, с точки зрения тематического дешифрирования, является их обзорность, что позволяет в камеральных условиях проводить ландшафтный анализ изучаемой территории, районирование, определять место и количество ключевых участков, маршрутов и почвенных разрезов.
Фотосхемы подразделяются на простые, мозаичные, уточнённые и стереоскопические. Наиболее широко распространенны простые фото-схемы, которые изготавливаются из контактных аэрофотоснимков одного и того же залёта. Мозаичные фотосхемы могут монтироваться из аэрофотоснимков различных как по сезонам, так и срокам съёмки. Уточнённые фотосхемы составляются из аэрофотоснимков, приведённых к единому масштабу и смонтированных на геодезической основе в условной системе координат. Стереоскопические фотосхемы составляют в тех случаях, когда необходимо получить представление о рельефе территории, не охватываемой форматом одного аэрофотоснимка. Они монтируются в виде двух полос шириной 10-12 см из левых и правых снимков. Для рассматривания их используются специальные стереоскопы.
Фотоплан – географическое изображение местности в заданном масштабе, которое получается в результате монтажа трансформированных и редуцированных аэрофотоснимков на геодезически подготовленную основу. Путём трансформирования аэрофотоснимков устраняют искажения за перспективу (из-за наклонного положения оптической оси АФА), а редуцированием аэрофотоснимки приводятся к единому масштабу. Фотопланы изготавливаются в рамках трапеций в соответствии с международной разграфкой. В углах рамок трапеций указывают их прямоугольные и географические координаты, вдоль рамок вычерчивают и подписывают выходы километровой сетки. Зарамочное оформление состоит из номенклатуры, численного масштаба, дата составления и подписей составителей. Для равнинных территорий точность фотопланов соответствует точности топографических карт.
Фотопланы при составлении тематических карт могут использоваться в качестве топографической основы для нанесения результатов дешифрирования. К недостаткам следует отнести невысокие изобразительные свойства фотопланов, которые теряются в результате редуцирования и трансформирования аэроснимков.
Фотокарты получаются путем совмещения фотокартографического и картографического изображений с точностью и в рамках карты. Возможны два варианта фотокарт. В первом случае на фоне тематической карты размещаются фотоизображение ключевых участков. Второй способ заключается в размещении картографического изображения ключевых участков на фоне снимков.
Фотоглобусы – это глобусы, изображение на которых смонтировано из космических снимков с нанесенной на них сеткой географических параллелей и меридианов. 11.2. Аэрофотоэталонирование и экстраполяция
В практике тематического дешифрирования большое значение играют аэрофотоэталоны. Особенно велика их роль в повышении эффективности дешифрирования различных объектов местности начинающими дешифровщиками, а также при районировании территорий, классификации и систематизации объектов.
Аэрофотоэталоны служат для того, чтобы путём их сопоставления с аэрофотоснимками с определённой величиной ошибки можно было проводить дешифрирование однотипных объектов на аналогичных территориях.
Наиболее полное представление об аэрофотоэталоне даёт определение Б.В.Виноградова (1966) - типичное фотоизображение того или иного объекта, которое характеризует основные дешифровочные признаки объектов данной территории на аэрофотоснимках, полученных при оптимальных технических и природных условиях съёмки.
Работы по аэрофотографическому эталонированию различных объектов были начаты с первыми опытами аэрофотосъёмки в конце 20-х - начале 30-х годов. В.Я. Леонтьев (1931) впервые привёл ряд элементарных эталонов при характеристике дешифровочных признаков типов леса. Первые эталоны нескольких типов почв опубликованы И.С.Сметаниным (1940). Е.С.Остонин (1937) вместе с геоботаником М.П.Петровым, почвоведом П.А.Корзумом и геоморфологом П.А.Ренгертеном создали первый аэрофотографический эталон топоэкологического профиля в юго-восточных Каракумах.
При создании аэрофотоэталонов чаще используют полевое аэрофотоэталонирование, которое заключается в изучении параметров объекта путём непосредственных наблюдений в полевых условиях с последующими камеральными исследованиями с использованием различных источников (литературных, картографических, цифровых и т.д.).
Камеральное эталонирование может проводиться путём сопоставления снимков с картографическим материалом на данную территорию. Размеры эталонов определяются типом объекта эталонирования и масштабом снимка.
Каждый аэрофотоэталон должен иметь аннотацию, т.е. краткую характеристику. Аннотация должна содержать дешифровочные характеристики в виде пробного описания самой местности и отдельных природных объектов, отражающего их состояние на конкретный момент съёмки с указанием технических и погодных условий съёмки.
Аннотация аэрофотоэталонов может быть полевой и камеральной, однако более достоверной является полевая.
В настоящее время для проведения систематических исследований природной среды, а также хранения информации разрабатываются географические информационные системы – ГИС. Однако, так как данное направление находится в стадии разработки, для хранения информации, полученной на основе материалов дистанционного зондирования, используются традиционные методы.
Для хранения и удобства работ с первичными фотоматериалами (негативы) в организациях, использующих аэрофотоснимки при составлении тематических карт, создаются специальные фильмотеки-хранилища. Фототеки - это такие же хранилища, только там хранятся аннотированные аэрофотоэталоны, которые сопровождаются полной характеристикой об изображенном объекте и дешифровочными признаками, а также сведениями о погодных и технических условиях съёмки.
Материалы фототеки могут использоваться в учебном процессе для обучения дешифрированию аэрофотоматериалов, а также в научных и практических целях при изучении характера фотоизображений различных объектов, для решения вопросов районирования, при изучении динамики природных образований, для установления индикационных связей между природными объектами и других целей.
Для создания фильмотек и фототек используют перфокарты различного вида. Перфокарты облегчают поиск любого эталона по одному или нескольким признакам. Наиболее широкое применение при создании эталонных информационно-поисковых систем получили перфокарты типа К-5 (формат 147 х 207 мм) с краевой двухрядной перфорацией.
Информация на перфокарте фиксируется тремя способами: 1) в виде аэроснимка и его графического изображения; 2) текстовая характеристика аэрофотоэталона и условий аэрофотосъёмки; 3) поисковыми признаками, которые характеризуют объект и выносятся на перфорацию по краям перфокарты. Как правило, по краям перфокарты размещаются наиболее важные характеристики объектов и аэрофотоматериалов, остальная информация – на внутренней части с обоих сторон перфокарты. Для оперативного поиска и извлечения необходимой информации из фототек используются специально разработанные информационно-поисковые системы дескрипторного типа, как для ручного, так и для автоматизированного варианта. Под дескрипторами следует понимать систему признаков, по которым можно вести поиск и извлекать информацию из фототеки. Они могут быть в виде таблиц или словарей. Самый простой способ размещения дескрипторов (признаков) по краям перфокарты, т.е. придание каждому отверстию определенного значения.
Поиск определенного признака заключается в сортировании определенного блока фототеки. Эта операция может выполняться как вручную, так и с использованием механизированных средств
Создание фильмотек и фототек позволяет систематизировать накопленную информацию об объектах, производить быстрый поиск нужных сведений, получать представление о связях одних объектов и явлений с другими. При этом растет не только скорость обработки информации, но также повышается полнота использования исходного фактического материала и увеличивается достоверность результатов дешифрирования.
Наличие аэрофотоэталонов на исследуемую территорию позволяет использовать метод аэрофотографической экстраполяции.
Экстраполяцией называется использование признаков и методов дешифрирования, полученных на ключевых участках для дешифрирования снимков территории-аналогов без их посещения. Ареал экстраполяции представляет собой площадь, в пределах которой тот или иной признак может быть экстрополирован.
Аналогия современных ландшафтов подразумевает их морфологическое и генетическое сходство, а также близость фотоизображений при некоторых различиях в составе ландшафтных компонентов. Кроме аналогов на космических снимках встречаются и объекты-гомологи. Гомологи имеют различный генезис, но сходную морфологию и, следовательно, близкое фотоизображение. Наличие гомологических элементов приводит к ошибкам в дешифрировании при экстраполяции признаков. Гомологи исключают путем контроля сопряженных элементов и их ландшафтной приуроченности, а также применяя дополнительно различные виды космической съемки.
Аналогичность дешифровочных признаков устанавливается на различных уровнях: по компонентам-аналогам и ландшафтам-аналогам. Компоненты-аналоги характеризуются сходством состава отдельных природных и антропогенных объектов и их дешифровочных признаков, не смотря на различия ландшафтов в целом. К антропогенным объектам-аналогам, например, относятся мелиоративная сеть ландшафтов Поозерья и Белорусского Полесья.
Ландшафты-аналоги характеризуются сходством всех компонентов, территориальной структуры и фотоизображения. К ним можно отнести водно-ледниковые равнины и низины Белорусского Полесья.
Под дальностью экстраполяции понимается расстояние, на которое тот или иной признак может быть распространен с ключевого участка на районы непосещённой территории для получения необходимой информации.
Б.В.Виноградов (1967) выделил следующие виды экстраполяции: внутриконтурная, внутриландшафтная, региональная и дальняя.
Внутриконтурная экстраполяция представляет собой распространение определенных свойств объекта на всю площадь элементарного контура с одной точки наблюдения. Как правило, она проводится в полевых условиях, где исследователь просматривает определенную часть контура (в лесу до 10-20 м, больше в поле).
Внутриландшафтная (локальная) экстраполяция представляет собой распространение дешифровочных признаков в пределах ландшафта с определенным и ограниченным комплексом природных условий. Признаки дешифрирования отрабатываются на ключевых участках урочищ или местностей, а затем распространяются на весь ландшафт.
Региональная экстраполяция – представляет распространение дешифровочных признаков в пределах физико-географического района между типами местностей и ландшафтами-аналогами.
Дальняя экстраполяция признаков дешифрирования из одного ландшафта в другой, значительно удаленный от ключевого участка, но в пределах одной географической зоны.
11.3. Методы дешифрирования аэрокосмических снимк.
Полевое дешифрирование. При полевом дешифрировании опознавание объектов производится в поле, на местности, путем сличения объекта в натуре с его изображением на снимке. Основные достоинства данного метода следующие: высокая степень достоверности дешифрирования и максимальная полнота получаемых результатов. Кафедра недостаткам следует отнести: высокая трудоемкость, большие затраты времени и трудовые затраты.
Полевое дешифрирование состоит из трех этапов: подготовительный, полевое дешифрирование и оформление результатов.
Подготовительный этап подразделяется на три основные стадии: географическое изучение района исследования и составление ряда материалов, облегчающих полевое дешифрирование; отбор, оценка и подготовка материалов аэрокосмической съемки для дешифрирования; предварительное камеральное дешифрирование.
Первая стадия подготовительного этапа начинается со сбора и изучения ведомственных материалов, просмотра топографических и тематических карт. Сравнивание различных тематических карт позволяет оценить их пригодность для дальнейшей работы. Результаты предварительного изучения района исследования могут быть оформлены в виде простого описания картографического материала или в их сочетании.
Вторая стадия подготовительного этапа заключается в подготовке материалов аэрокосмической съемки к дешифрированию. При подборе снимков необходимо особое внимание уделить оптимальным срокам съемки и масштабу. Желательно, чтобы снимки соответствовали масштабу составляемой карты, если масштаб неизвестен, то его определяют в зависимости от тематики составляемой карты и снимки должны быть соответствующих сроков съемки. Например, при почвенном дешифрировании, наиболее эффективно использовать снимки ранневесенних сроков съемки. Снимки раскладываются по номерам и маршрутам залета, при необходимости изготавливаются накидные монтажи, фотосхемы или фотопланы.
Третья стадия посвящается предварительному дешифрированию снимков. Хорошее знакомство с местностью позволяет провести камеральное дешифрирование. Для фиксации результатов дешифрирования используют пластик или лавсановую пленку, на которую наносят объекты, которые не вызывают сомнения в правильности их выделения (дорожная или гидрографическая сеть, населенные пункты и т.д.). Кроме того, могут выделяться контуры объектов (почв, растительности) контрастно выделяющихся на снимках. На данной стадии также намечаются места закладки ключевых участков или наземных маршрутов. Каждому маршруту предъявляются следующие требования:
Маршруты должны быть проложены с таким расчетом, чтобы исследователь мог посетить участки и объекты, соответствующие предмету исследования.
С целью экономии времени желательно, чтобы протяженность маршрута давала возможность заканчивать его в один день, и чтобы он замыкался. Необходимо это делать с учетом объема работ на маршруте.
Предусмотреть отходы от маршрута для уточнения объектов исследования, на расстояние не более 100-300 м.
Густота маршрутов определяется с учетом сложности ландшафтов, а так же чтобы просматривалось межмаршрутное пространство.
Каждый маршрут следует подписать по схеме порядковым номером и поставить предполагаемую дату исследования, определить задачи и объем работ и время выполнения.
Полевое дешифрирование. Данный этап дешифрирования выполняется в полевых условиях. Он начинается с поиска на местности легкоопознаваемых объектов (перекрестки дорог, отдельно стоящие здания, деревья) и ориентирование, т.е. привязки аэроснимка. Если используются старые снимки, то на них могут не изобразится некоторые объекты, существующие в контуре. Существуют различные способы нанесения на снимки недостающих объектов: способ створов, способ промеров, способ линейной засечки и полярный способ.
На снимках можно также обнаружить тональные изменения, которые не совпадают с местностью. Сравнивая продольные и поперечные перекрытия соседних снимков необходимо убедиться в том, что это не брак снимка. После привязки снимка начинается полевое его дешифрирование, которое заключается в посещении всех объектов (контуров).
По мере накопления фактов возникает необходимость в их регистрации. Для этой цели используют разные способы: составление схем, зарисовки, ведение записей, фотографирование или, чаще всего, все вместе. Каждый из этих способов записи имеет свои достоинства и особенности, но важно, чтобы все записи были связаны между собой, сопоставимы и локализованы на снимках. Если работу проводят несколько дешифровщиков, необходимо обратить внимание на сводку материалов.
Результаты дешифрирования вычерчиваются либо непосредственно на снимках, либо на кальке или на пластике, наложенных на снимок. Желательно черчение вести цветными ручками и по ходу ведения исследования.
Полевые записи ведутся в журнале полевого дешифрирования. Этот документ особенно необходим при отраслевом полевом дешифрировании и полевых работах по созданию тематических карт. Ежедневно журнал тщательно просматривается и вносятся соответствующие изменения.
Камеральное дешифрирование материалов аэрокосмической съемки отличается от полевого тем, что процесс извлечения информации и изучение сфотографированной территории осуществляется в лабораторных условиях. В настоящее время камеральное дешифрирование интенсивно развивается. По сравнению с полевым оно имеет ряд преимуществ: экономическая выгодность, экономия времени и затрат, комфортные условия труда, возможность кооперирования различных специалистов, применение разнообразных технических средств, облегчающих труд человека, изучение труднодоступных или вовсе недоступных регионов, отдельные этапы могут быть автоматизированы.
К недостаткам камерального дешифрирования можно отнести то, что при дешифрировании объектов, в зависимости от уровня подготовки специалиста, могут быть допущены определенные погрешности, что сказывается на достоверности дешифрирования и требует полевой доработки.
К аэроснимкам, используемых при камеральном дешифрировании предъявляются повышенные требования (контрастность, отфильтрованные отпечатки, серия снимков). При необходимости изготавливаются фотосхемы.
Для того, чтобы исключить грубые просмотры и всякого рода случайности и экономно расходовать время, процесс камерального дешифрирования должен быть упорядочен.
Дешифрирование начинают с изучения района исследования по фондовым материалам, картографическим и другим источникам. Затем начинают визуальный обзор снимков и фотосхем с последующим просмотром с использованием стереоскопа.
Закончив общий просмотр, дешифровщик приступает к детальному распознаванию объектов и явлений, отобразившихся на снимках. По мере накопления фактических сведений на основе известных ранее или выявленных связей, составляется косвенное суждение о наличии и свойствах объектов и явлений, которые на снимках не изобразились.
Анализ снимков производят по принципу: от общего к частному, от общих очертаний к содержанию контуров, от крупных объектов к мелким, от непосредственно видимых объектов к косвенно дешифрируемым. Сначала происходит установление и набор фактов, затем по мере знакомства с местностью происходит рассортировка сведений по степени их полезности и важности. Эффективность дешифрирования увеличивается, когда уяснены общие закономерности природно-территориального комплекса. Таким образом, в ходе дешифрирования всегда общая географическая (ландшафтная) характеристика местности предшествует специальному анализу.
Дешифрирование может вестись поэлементно в пределах всей заснятой территории или фотосхемы или по ключевым участкам. Оба приема имеют свои достоинства и недостатки, дело дешифровщика выбрать рациональный порядок работы.
Наибольшую ценность при камеральном дешифрировании имеют карты, особенно масштаба несколько более крупного, чем снимки последних годов выпуска. Их использование существенно повышает полноту и достоверность дешифрирования.
При дешифрировании космических снимков, технология работ камерального дешифрирования несколько отличается. Единственным источником предварительных сведений о местности является карта, а также аэроснимки.
Использование стереоскопических приборов позволяет не только воспроизводить стереомодель местности, но и производить измерения с различной степенью точности.
Комбинирование дешифрирование. В настоящее время на территорию РБ составлены в двух трехкратной повторности различные тематические карты (почвенные, растительности и др.). Однако, вследствие того, что они составлялись, зачастую, без использования материалов аэрокосмической съемки, страдают низкой детализацией и неточностью в определении границ контуров, а следовательно, требуют обновления их содержания. Сплошное полевое дешифрирование в настоящее время заменяется комбинированным, которое представляет собой сочетание камерального и полевого.
Комбинированное дешифрирование отличается высокой экономичностью и достоверностью получаемых результатов. Вследствии перспективности данного метода, мы остановимся на нем более подробно.
Существует три варианта комбинированного дешифрирования. Первый заключается в том, что в камеральных условиях проводится сплошное дешифрирование снимков, т.е. выделение контуров объектов (почв, растительности) без их классификационной принадлежности, его иногда называют контурным дешифрированием. Второй вариант заключается в том, что камеральное дешифрирование выполняется на основании ключевых участков или аэрофотоэталонов, которые предварительно были отдешифрированы в полевых условиях.
Третий вариант от предыдущих отличается тем, что сплошное камеральное дешифрирование выполняется с использованием ранее составленной тематической каты, а контроль его проводится на ключевых участках или маршрутах исследования.
Теперь мы остановимся на каждом из перечисленных вариантов, так как технологии составления тематических карт на основе материалов аэрокосмической съемки близки между собой. Мы рассмотрим технологию комбинированного дешифрирования на примере составления почвенных карт.
Первый вариант. На первом этапе работ по камеральному дешифрированию проводится изучение литературных источников на территорию исследования с последующим анализом геологических, геоморфологических, топографических, почвенных и других материалов. После этого на накидном монтаже обозначаются границы исследуемого участка, а затем уже подбираются аэрофотоснимки. Контурное дешифрирование начинается после детального изучения литературных и фондовых материалов. Дешифрирование аэрофотоснимков проводится по комплексу дешифровочных признаков почв (прямые, косвенные, социально-географические) с использованием стереоскопа. Результаты переносятся на фотоплан, приведенный к масштабу карты. Исследования показывают, что при использовании контактных или увеличенных аэрофотоснимков, соответствующих масштабу исследования, данные дешифрирования можно переносить сразу на землеустроительный план. Погрешность в нанесении границ почвенных контуров из-за искажения масштаба по краям снимка не превышает допустимую. На данном этапе исследования следует отметить одну важную деталь методического плана, от которой зависят затраты времени и труда не только в камеральный, но и в полевой период. Это связано со способом перенесения результатов дешифрирования с аэрофотоматериалов на картографическую основу. Первый способ заключается в следующем. К аэрофотоснимку, предназначенному для дешифрирования, если он соответствует масштабу исследования, после выделения рабочей площади, с обратной стороны к верхней части прикрепляется лист копировальной и писчей бумаги. Копировальная бумага прикрепляется пишущей стороной к писчей бумаге, всё это закрепляется на картоне. При проведении границ на аэрофотоснимке путём надавливания карандаша, всё отображается на листе бумаги. В первую очередь, при дешифрировании наносятся основные ориентиры (дороги, канавы, деревни, озёра и др.), а затем границы контуров. Контуры почв с четкими границами обозначаются сплошной линией, а границы, вызывающие сомнения в правильности выделения - прерывистой линией. Одновременно проводится индексация однотипных контуров, т.е. контуры обозначаются индексами.
Если же аэрофотоснимки не соответствуют масштабу исследования, то результаты дешифрирования, ориентируясь по фотоизображению, переносятся на фотоплан Этим будет соблюдена геодезическая точность почвенной карты. Если снимки соответствуют масштабу, то после завершения дешифрирования территории, через светостол данные дешифрирования переносятся на план землепользования. В полевых условиях, при отсутствии светостола, это делается следующим путём. Составленная почвенная карта по имеющимся ориентирам (в пределах рабочей площади) совмещается с землеустроительным планом, между ними кладётся копировальная бумага пишущей стороной к плану землепользования. Контуры почвенной карты переносятся путём надавливания карандаша.
Второй способ фиксирования результатов дешифрирования аэрофотоснимков заключается в использовании прозрачной лавсановой плёнки. Почвенные карты, составленные на этой плёнке, имеют ряд преимуществ, которых не имеют почвенные карты на непрозрачной основе, а именно:
- предоставляется возможность сравнивать данные почвенной карты с другими картографическими материалами путем накладывания (совмещения);
- можно переносить результаты дешифрирования непосредственно с аэрофотоматериалов, без светостола;
- появляется возможность проводить корректировку почвенных карт по новейшим аэрофотоснимкам;
- сокращаются затраты времени, а также повышается точность материалов, благодаря прямой копировки данных дешифрирования с аэрофотоматериалов.
Важным достоинством лавсановой плёнки является и то, что на нее хорошо ложатся тушь, краски, карандаш, а также легко снимается с помощью резинки карандаш. Нельзя смывать границы водой, так как при этом легко снимается матовый (пишущий) слой. Очень удобно пользование лавсановой пленкой в полевых условиях, через нее хорошо просматривается фотоизображение аэроснимка.
После завершения ландшафтного районирования, приступают к контурному дешифрированию аэофотоснимков с выделением характерных комбинаций контуров. Разнообразие ландшафтов определяет количество ключевых участков, маршрутов исследования и почвенных точек.
Полевой период начинается с рекогносцировки территории, детального генетического дешифрирования ключевых участков и изучения дешифровочных признаков почв. В результате изучения устанавливаются дешифровочные признаки всех почв, встречающихся на территории ключа, а, следовательно, и на всей территории изучаемого ландшафта. На каждый ключевой участок составляется почвенная карта в том же масштабе, что и карта изучаемой территории. Классификационный список почв ключевого участка характеризуется дешифровочными признаками почв: прямыми, косвенными и социально-географическими. После изучения ключевых участков проводится сравнение результатов полевого дешифрирования с каргой, составленной в предполевой период, с последующей экстраполяцией данных ключевых участков на всю территорию. Проводя экстраполяцию, необходимо уточнить место и количество закладываемых маршрутов исследования и почвенных точек, по которым проводится дальнейшее дешифрирование почвенного покрова всей территории исследования. Завершается полевой период составлением почвенной карты территории и легенды почв.
Второй вариант комбинированного дешифрирования от первого отличается тем, что в полевых условиях сплошному полевому дешифрированию подвергаются только снимки, покрывающие территорию ключевых участков. В последствии составляется общая легенда к почвенным картам ключевых участков (аэрофотоэталонов), а затем, на основании данных дешифрирования ключевых участков проводится сплошное камеральное дешифрирование аэрофотоснимков на всю территорию исследования.
Третий вариант комбинированного дешифрирования – генетическое дешифрирование. Существенным отличием генетического дешифрирования аэрофотоснимков от контурного является то, что наряду с выделением контуров на аэрофотоснимках, определяется их классификационная принадлежность на основе использовании ранее составленной почвенной карты и сопутствующих ей материалов (полевых дневников, аналитических данных)
В настоящее время в Республике Беларусь на территорию каждого колхоза и совхоза имеются почвенные карты двух туров почвенных исследований. Однако почвенно-картографические материалы, составленные без использования материалов аэрофотосъёмки, по обычной методике, как первого, так и второго тура исследования, не всегда соответствуют требованиям современного развития сельскохозяйственного производства, их качество зависит от трёх факторов:
- методики работ;
- качества и вида картографической основы (землеустроительный  план, аэрофотоснимки);
- квалификации почвоведа.
Методика процесса генетического дешифрирования близка к контурному. Наряду с аэрофотоснимками используются ранее составленная полевая почвенная карта, очерк и дневники, другие картографические материалы. Первые три этапа работ аналогичны, существенно отличается четвёртый и пятый, так как в данном случае используется ранее составленная почвенная карта. Эффективность генетического дешифрирования в большей мере зависит от правильности генетической диагностики контуров почвенной карты, чем от точности их границ, что легко исправить в камеральных условиях с помощью аэрофотоснимков.
При корректировке почвенных карт главное внимание уделяется следующим вопросам:
- устранению недостатков почвенной карты, связанных с использованием в качестве основы землеустроительного плана (неточность проведенных границ, пропуски отдельных контуров);
- устранению ошибок, связанных с диагностикой почв;
- изменению требований к содержанию почвенных карт на основе новых методических разработок.
При сравнении фотоизображения аэрофотоснимка с корректируемой почвенной картой, устанавливаются закономерности распространения, изучаются дешифровочные признаки почв и почвенных комбинаций, прослеживаются качественные изменения происшедшие вследствие воздействия антропогенных факторов.
После детального сравнительного анализа почвенной карты и фотоизображения аэрофотоснимков, приступают к корректировке почвенной карты. Для составления предварительной почвенной карты используют лавсановую плёнку. Результаты дешифрирования сразу переносятся с аэрофотоматериалов на плёнку. Затем составленная почвенная карта накладывается на полевую почвенную карту и переносятся почвенные разрезы. Для того, чтобы различать почвенные точки, нанесённые в камеральных и полевых условиях, используется стержни различных цветов.
Составленная в камеральных условиях предварительная почвенная карта раскрашивается по принятой методике, расшифрованные контуры обозначаются номерами почвенных разновидностей согласно классификационному списку почв. Контуры, вызывающие сомнение в генетической принадлежности почв, и неясные границы проводятся прерывистой линией и подлежат уточнению в полевых условиях.
Ключевые участки закладываются в типичных местах, отражающих сложность и разнообразие почвенного покрова, а также в местах с наличием неотдешифрированных контуров.
Полевой период начинается с рекогносцировки территории, что позволяет ознакомиться с характером рельефа и убедиться в правильности выбора мест закладки предполагаемых ключевых участков и в достаточности их количества. Контрольное дешифрирование ключевых участков проводится по обычной методике с посещением всех контуров. Однако почвенные точки закладываются только на контурах, вызывающих сомнение в их правильной диагностике и границах. Количество закладываемых почвенных точек зависит от ряда факторов:
- качества корректируемой почвенной карты (полноты и правильности отображения почвенного покрова);
- сложности ландшафта, на котором ведется корректировка карты
Аэровизуальное дешифрирование. Аэровизуальное дешифрирование состоит в том, что оно производится с борта самолета или вертолета. Для этих целей наиболее эффективно использовать вертолет с хорошим обзором. Однако в последнее время для этих целей широко используется малая авиация. Наиболее удобен вертолет МИ-4, а также вертолеты конструкции Камова (Ка-18). Рекомендуется высота полета 200-400 м и скорость полета 70-100 км/час. Этот режим выработан для крупно и среднемасштабных аэрофотоснимков. При такой высоте полета обеспечивается прямое визуальное узнавание объектов на местности, хорошее соотношение между изображением на снимках и визуально наблюдаемым видом местности, сравнительно медленное перемещение местности под вертолетом и большой радиус обзора. Высота полета должна выбираться по масштабу дешифрируемых снимков, а масштаб основы для глазомерной съемки – в зависимости от выбранной высоты полета.
Аэровизуальные наблюдения бывают: рекогносцировочные, контрольные и дешифровочные.
Рекогносцировочные визуальные наблюдения проводятся для ознакомления с местностью и предшествуют полевым работам. Они могут иметь характер свободного облета территории и выполняются без определенного плана и без фиксации результатов. Но они могут также выполняться по определенному плану. Тогда наблюдения ведутся по заранее намеченным объектам, наблюдения фиксируются. Такой плановый характер носят контрольные облеты исследуемой или картографируемой территории.
Технологическая схема аэровизуального дешифрирования состоит из нескольких этапов. На первом этапе на материалах аэрокосмической съемки камерально (визуальным методом) дешифрируются изображения, отличающиеся друг от друга какими-либо признаками (фототоном, структурой изображения и т.д.), проводятся границы и наносятся компактные объекты, а также отмечаются ориентиры, хорошо изобразившиеся на снимках. Одновременно осуществляется первоначальная классификация объектов в крупных таксономических единицах (лес, болотные комплексы и т.д.) без их детализации.
Отдешифрированные аэрофотоснимки монтируются в фотосхему, на которую наносят линии предполагаемых маршрутов полета. При аэровизуальном дешифрировании космических снимков целесообразно их предварительно увеличить до возможно более крупного масштаба.
После этого предварительного этапа начинается второй – собственно аэровизуальное дешифрирование.
В настоящее время полевое дешифрирование снимков все больше сочетается с аэровизуальным. Особенно полезно аэровизуальное дешифрирование при работе в тундре, тайге, и других труднодоступных регионах. При дешифрировании с вертолета наблюдатель находится в более выгодных условиях, чем наземный дешифровщик, благодаря большому обзору, способности быстро перемещаться и в тоже время останавливаться в нужных местах.
Для того, чтобы обеспечить ориентирование дешифровщика в полете и дать ему возможность безошибочно определять свое местоположение над местностью и расположение дешифрируемых объектов рекомендуется заранее подготовить так называемую ориентирную палетку. Она строится на прозрачной основе, накладывается на аэроснимок и копирую запланированный маршрут. Поперек линии маршрута проводятся штрихи, расстояния в масштабе времени в зависимости от скорости полета.
Маршруты полета намечаются исходя их тех же соображений, которыми руководствуются при выборе наземных маршрутов, но учитывается возможность передвижения в любом направлении. Вдоль маршрутов подбираются места посадок, на которых будут проводиться наземные наблюдения.
Для обеспечения достоверной дешифровки сначала вдоль контрольного маршрута проделывается аэровизуальное и полевое дешифрирование, результаты которых сличаются. Если контрольного полевого маршрута не было, тогда после всех аэродешифровочных работ делается контрольный маршрут или контроль на ключевых участках.
Аэровизуальное дешифрирование обычно проводят одновременно два оператора, каждый в полосе до одного километра по левому и правому борту вертолета. Через 1,5-2,5 часа наступает утомление и они должны быть сменены.
Если между снимками и местностью обнаруживается несогласованность, то возникают те же затруднения, что и при наземном дешифрировании. Но в полете нет резервного времени, чтобы остановиться (особенно если самолет). Поэтому аэровизуальное дешифрирование эффективно только при прямом непосредственном дешифрировании таких объектов, появление которых на снимке не является необходимостью. Это существенно ограничивает возможности такой методики.
Наряду с аэровизуальным дешифрированием все большее значение приобретают космовизуальные наблюдения, которые проводятся космонавтами с пилотируемых космических кораблей с целью решения различных народнохозяйственных задач.
11.4. Геоинформационные технологии в аэрокосмических исследованиях
Геоинформационные системы. Большие объемы информации, накопленных о природных и хозяйственных объектах, внедрение аэрокосмических методов исследования и новые возможности информатики способствовали интенсивному развитию и использованию географических информационных систем (ГИС). ГИС – особые аппаратно-программные комплексы, которые на единой пространственной основе, обеспечивают сбор, обработку, отображение и распространение разнородной информации о географических объектах. Основной задачей ГИС является обеспечение потребителей оперативной информацией, а также создание компьютерных карт, атласов и других картографических произведений.
Первые ГИС были созданы в середине 60-х гг. в Канаде, США и Швеции для изучение природных ресурсов. В настоящее время имеется множество ГИС, которые широко используются в различных научно-практических целях. Они интегрируют картографическую информацию, данные дистанционного зондирования и экологического мониторинга, статистику, гидрометеорологические наблюдения и др.
ГИС состоят из четырех субсистем: ввода данных с карт, материалов аэрокосмической съемки и др., хранения и поиска данных; манипуляции данными и их анализа; выдачи результативных данных.
ГИС имеют картографическую базу данных, с которой совмещены базы различной тематической геоинформации. Основу базы картографических данных составляют географическая информация о ситуации на земной поверхности (контурная, в виде координат характерных точек и смысловых ходов), информация о рельефе (цифровая модель рельефа, заданная в виде изолиний или отсчетов высот по сетке), тексты, вспомагательная информация (об опорных точках и пр.).
Для накопления и обновления информации ГИС имеют подсистемы получения и ввода информации – входные подсистемы. Наиболее целесообразно, когда выходной является подсистема пользователя, которая обеспечивает необходимые виды выполняемых им манипуляций с информацией, содержащейся в базах данных; их статистическую обработку, моделирование процессов, их прогнозирование, представление результатов в виде тематических карт.
По территориальному охвату ГИС разделяют на глобальные, национальные, региональные и локальные, которые в свою очередь могут разделяться по сложности и объемам обрабатываемой информации.
Для решения задач глобального уровня существуют Международные программы, которые реализуются на основе глобальных баз данных, в создании которых участвуют многие международные организации (ООН, ЮНЕСКО и др.). Отраслевые ГИС могут разрабатываться с учетом национального. Регионального и локального уровней их организации и использования информации одного уровня на другом.
В последнее время при создании ГИС различных уровней широко используются материалы аэрокосмической съемки.
Компьютерная обработка аэрокосмических снимков. Для ГИС, предназначенной для решения различных научно-практических задач, важно использование информации, полученной аэрокосмическими методами, как наиболее оперативной. ГИС, содержащие картографическую и аэрокосмическую информацию, получили название интегрированных, в которых векторные картографические данные объединяются с растровыми дистанционными (линейными и пиксельными).
Внедрение компьютерных технологий обработки снимков позволило практически перейти к представлению пространственной информации в виде цифровых моделей местности, которые строятся по результатам стереофотограмметрических измерений снимков.
Компьютерная обработка снимков позволяет решать следующие задачи:
- геометрическое преобразование снимков, изготовление фотопланов и фотокарт;
- яркостные и цветовые преобразования;
- получение количественных характеристик;
- визуализация цифровых данных дистанционного зондирования;
- автоматизированное дешифрирование снимков (классификация).
Основными этапами компьютерной обработки аэрокосмического изображения являются: ввод и внутреннее представление изображений; координатная привязка, и фотограмметрическое преобразование снимков; геометрическая коррекция; предварительная обработка изображения; автоматизированное дешифрирование.
Ввод и внутреннее представление изображений. Наиболее удобной для компьютерной обработки является информация, полученная с помощью санирующих систем, принимаемая в цифровой форме. Сигналы сканеров записываются на магнитную ленту и могут быть преобразованы для ввода в компьютер. При использовании фотографических аэрокосмических снимков, для получения их растровых изображений, используются фотограмметрические сканеры, имеющие высокую геометрическую и радиометрическую (яркостную) точность.
После того, как изображение получено в цифровом виде, принципиальным вопросом является внутреннее представление данного изображения в системе. Чаще всего используется табличное представление в виде матрицы.
Координатная привязка и геометрическая коррекция фотограмметрического преобразования снимков. После ввода изображения снимка в компьютер приступают к его координатной привязке и геометрическому преобразованию с целью перевода изображения в необходимую картографическую проекцию. Информация, поступающая с российских спутников серии «Космос», американских «Ландсат» и французского SPOT, координатная привязка и геометрическая коррекция осуществляется по орбитальным данным в автоматизированном режиме. При работе с аэрофотоснимками данные задачи решаются с использованием опорных точек, на основании которых проводится фотограмметрическая обработка снимков. В Республике Беларусь для этих целей используется цифровая фотограмметрическая система «Realistic-M».
Предварительная обработка изображения проводится практически всегда, независимо какие снимки (сканерные, фотографические) подвергаются обработке. Это обусловлено наличием во входном изображении шумов и искажений.
Искажение яркости объектов может быть обусловлено условиями фотосъемки, обработки фотоматериалов и условиями сканирования. Кроме того на снимках могут иметь место локальные искажения плотности изображения, которые проявляются в виде точек и др. Так могут изображаться объекты, которых нет в действительности: например, солнечные блики, тень облаков и т.д. Часто при предварительной обработке изображения сталкиваются с информационным шумом. В роли подобного шума выступают объекты, которые присутствуют как на снимке, так и в действительности. Но их наличие не существенно для поставленной задачи. А лишь затрудняет дешифрирование. Например, при составлении карты растительности несущественную роль играют линии электропередач, мелиоративная сеть и др.
На данном этапе обработки изображения осуществляется коррекция гистограммы, фильтрация и устранение шума, что позволяет повысить контрастность изображения, устранить мелкие детали. Яркостные преобразования изображения выполняются главным образом с помощью аналоговых устройств и позволяют проводить синтезирование цветных изображений, квантование по уровням оптической плотности, изменение контраста, подчеркивание границ контуров.
Наиболее сложным этапом компьютерной обработки изображения является автоматизированное дешифрирование, т.е. выделение границ объектов или сегментация. Дешифровщику при работе со снимками постоянно приходится, основываясь на дешифровочных признаках опознавать и выделять однородные объекты. При компьютерном дешифрировании космических снимков одним из распространенных является подход на основе спектральных признаков. Он базируется на том, что яркость хроматических объектов (имеющих определенную окраску) в разных спектральных зонах не одинаково и характеризуется коэффициентом спектральной яркости. Таким образом, каждый элемент растра – пиксел соответствует яркости объекта для определенной области электромагнитного спектра. Каждый пиксел растра записывается как числовой элемент матрицы в файле данных.
На этапе сегментации основная задача заключается в дифференциации изображения на области (сегменты) по определенному критерию. В качестве критерия могут служить текстура и тон изображения. После того как изображение будет разбито на однородные области (контуры), приступают к их классификации.
В настоящее время разработаны десятки алгоритмов машинного дешифрирования, подразделяемые на алгоритмы с обучением и без обучения, которые осуществляют, соответственно, контролируемую и неконтролируемую классификации. Среди алгоритмов классификации с обучением наиболее распространены алгоритмы, учитывающие вероятность присутствия на снимке объектов, относящихся к определенному классу. Для разработки таких алгоритмов используются опытные данные о взаимосвязи спектральной яркости объектов с их свойствами. Например, при дешифрировании почв, их спектральная яркость четко коррелирует с гранулометрическим составом почв и содержание в них гумуса и влаги.
Используются и алгоритмы классификации без обучения – кластеризации, позволяющие формально расчленить изображение, на отдельные классы не используя обучающих данных. В этом случае элементы изображения объединяются в группы – кластеры по формальным признакам без учета их содержательного значения. Выделенные автоматически кластеры в результате группировки пикселов дешифровщик соотносит их с определенными объектами. Например, при составлении почвенной карты, с распределением почв по степени увлажнения.
В результате классификации сегментов может быть получена тематическая карта, которая может использоваться в формате одной из ГИС и позволяет проводить дальнейшую обработку результатов с ее помощью. Например, получение таких количественных характеристик как определение площади контуров и суммарной площади объектов определенного типа; протяженности границ контуров и т.д.

12. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
Метеорология и климатология. Изучение атмосферной циркуляции. Изучение и оперативное картирование облачного покрова. Определение типа облачности, размеры облачных образований, количество облаков, высоты облачности. Составление карт распределения облачности. Изучение ветров (с использованием специальных спутников типа EOL, фиксирующих положение шаров-зондов). Изучение ветров над поверхностью океана (по данным микроволновой индикации). Фиксирование зон выпадения осадков, определение содержания влаги в атмосфере (по материалам микроволновой индикации). Определение температур водной поверхности (по материалам инфракрасной съемки). Изучение радиационного теплового баланса Земли. Прослеживание путей движения тропических циклонов. Изучение развития ураганов с геостационарных спутников. Штормовые предостережения.
Океанология. Изучение глубин и рельефа дна мелководных зон. Изучение течений (по прямым наблюдениям буев со спутников; изображение структур водной поверхности на снимках; перемещение речных наносов; изучение изменения температурных характеристик по инфракрасным снимкам. Определение скорости течения (методом псевдопара при использовании повторных снимков акватории с айсбергами). Наблюдения за океаническими вихрями и фронтами. Изучение минерального выноса рек и перемещения речных наносов. Определение прибрежной зоны волнового взмучивания. Изучение солености и мутности вод, содержания планктона и биопродуктивности океана. Изучение загрязнения океана. Исследование волнения по особенностям отражения солнечного света водной поверхности - «бликам». Изучение силы волнения (микроволновая индикация). Определение температур Мирового океана (материалы инфракрасной съемки). Изучение распространения морских льдов, их типа, скопленности. Оперативное картографирование морских льдов. Ледовая разведка.
Геология. Изучение стратиграфии и литолого-петрографического состава пород. Структурно-тектоническое изучение территории. Изучение глубинных слоев литосферы. Прогнозирование и поиски месторождений полезных ископаемых. Сейсмические исследования, изучение вулканизма. Гидрогеологические и инженерно-геологические исследования. Геологическое картографирование.
Геоморфология. Выделение участков развития различных генетических типов рельефа, эолового, карстово-суффозионного, мерзлотно-термокарстового, вулканического и др. Изучение рельефа берегов. Изучение закономерностей распространения некоторых форм рельефа, например, эрозионных, эоловых. Изучение степени расчлененности территории, подсчет густоты эрозионных форм. Выделение тектонических линиаментов, индуцирующих зоны нарушения земной коры и изучение связи зоны разрывных нарушений с современным рельефом. Изучение четвертичных отложений и их стратификация. Изучение областей современного вулканизма, повышенной термальной активности (инфракрасная съемка). Геоморфологическое картирование. Составление морфометрических карт рельефа.
Гидрология. Выделение сети водотоков и водоемов. Выявление характера течения водотоков, подразделение их на постоянные и высыхающие – сезонноводные, эпизодически водные, сезонно пересыхающие (по материалам повторных съемок). Определение границ водосборных бассейнов рек и озер. Наблюдения за паводками и наводнениями. Морфологическая характеристика русла. Изучение русловой деятельности, динамики русел (по материалам повторных съемок). повторных съемок). Характера извилистости русел. Выделение границ затопляемости поймы. Уточнение характеристик местного стока, определяемых в зависимости от распаханности территории. Изучение озерности территории – установление характера распространения озер (приуроченность к поймам и т.д.). Классификация озер по размерам и конфигурации. Изучение водного режима озер. Выделение озер с постоянным зеркалом воды и пересыхающих. Определение степени и характера зарастания озер. Изучение загрязнения рек и озер. Гидрологическое картографирование.
Гляциология. Фиксирование границ снежного покрова на определенную дату, измерение площадей, занятых снегом. Изучение динамики установления и схода снежного покрова – изменение его границ (по материалам повторных съемок). Разделение маломощного снежного покрова (менее 15 см) от более мощного. Отделение влажного снега от сухого, выделение площадей тающего снега (при совместном использовании снимков ближней и ИК зоны). Установление направления переноса снега в метель (по формам эолового рельефа снежной поверхности по фотографическим снимкам высокого качества). Установление факта схода снежных лавин в годы съемки. Восстановление сети лавинных логов, для определения степени лавинной опасности территории. Определение типа лавин по характеру лавинных снежников. Изучение режима лавинной деятельности (по материалам повторных съемок). Катологизация лавин. Определение границ ледников, не покрытых моренным чехлом. Выявление морен на ледниках, границ последних оледенений. Определение морфологических типов ледников. Изучение динамики оледенения (по материалам повторных съемок с большим интервалом). Каталогизация ледников. Гляциологическое картографирование.
География почв. Определение границ распространения некоторых зональных и большинства азональных типов почв. Разделение типов почв различного гранулометрического состава. Выделение в разной степени эродированных земель, участков развития водной и ветровой эрозии. Выделение засоленных и заболоченных земель и контроль за протеканием неблагоприятных процессов. Выделение участков с комплексным почвенным покровом. Оценка влажности почв (с использованием микроволновой техники) и содержания гумуса. Изучение структуры почвенного покрова, закономерных сочетаний различных типов почв, характерных для разных природных условий. Картографирование почвенного покрова.
Геоботаника. Изучение распространения основных зональных типов растительности. Изучение вариаций растительного покрова, связанных с изменением экологических условий. Изучение структуры растительного покрова, комплексов и сочетаний ранга макрокомбинаций и мезокомбинаций; определение процентного соотношения компонентов комплекса. Изучение естественной динамики растительного покрова (по материалам повторных съемок). Изучение антропогенной динамики растительного покрова, его нарушений – сбитости и стравленности пастбищ, гарей, вырубки и т.д. Определение границ лесов, площадей лесов и безлесных площадей, инвентаризация лесов. Выделение границ различных типов леса. Выделение среди лесов участков нарушений лесной растительности – редколесий, вырубок, гарей; определение стадий зарастания гарей. Оперативное наблюдение за лесными пожарами. Геоботаническое картографирование, картографирование лесов. Геоботаническое районирование.
Зоогеография. Определение местообитания диких животных и их качественные и количественные характеристики. Изучение миграции и учет диких животных. Зоогеографическое картографирование.
Ландшафтоведение. Диагностика ландшафтов и изучение их распространения Изучение морфологической структуры ландшафтов; анализ ландшафтной структуры от внутриландшафтных комбинаций урочища до физико-географических провинций и стран; определение количественных соотношений компонентов в них. Изучение динамического состояния природных и культурных ландшафтов. Физико-географическое районирование на базе изучения ландшафтных структур. Ландшафтное картографирование.
География сельского хозяйства. Определение земельных угодий – пашен, залежей; кормовых угодий – выгонов, сенокосов и т.п. Определение продуктивности пастбищ и сенокосов. Изучение нарушенности угодий – сбитости и стравленности пастбищ, эродированности пахотных земель, закустаренность сенокосов и т.п. Определение посевов сельскохозяйственных культур - зерновых, многолетних трав, технических культур и их состояния (фаза вегетации, повреждения, заболевания). Наблюдение за развитием сельскохозяйственных культур по материалам повторных съемок. Подсчет площадей, занятых различными сельскохозяйственными культурами. Контроль за проведением агротехнических мероприятий – определение типов севооборотов, наличие площадей под паром и многолетними травами, противоэрозионных мероприятий, полосных посевов и т.д. Контроль за нарушениями о мелиорации земель. Анализ территориальной организации хозяйств, контроль за осуществлением проектов землеустройства. Определение производственной направленности хозяйств. Составление земельного кадастра. Сельскохозяйственное картографирование.
География населения. Определение границ населенных пунктов (с населением более 1000 жителей). Изучение динамики городов, изменения их границ (по материалам повторных съемок). Выделение внутри городов разных функциональных зон (промышленная, промышленно-складская, жилая с многоэтажной застройкой, жилая с мелкоусадебной застройкой и т.п.). Определение типа планировки, планировочной структуры населенных пунктов. Изучение иерархичной соподчиненности населенных пунктов. Определение некоторых производственно-функциональных типов населенных пунктов. Картографирование расселения.
География транспорта. Определение изменения сети дорог (по материалам повторных съемок или при сравнении снимка с картой). классификация грунтовых дорог. Изучение интенсивных внутрирайонных транспортных связей, осуществляемых по грунтовым дорогам. Картографирование транспортной сети, обновление изображения дорог на топографических, общегеографических и других картах.
13. АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ
Под аэрокосмическим мониторингом понимается система планомерных повторных наблюдений и оценок среды, выполняемых на основе материалов аэрокосмических съемок, с определенными целями. Термин «мониторинг» широко используется в зарубежной и отечественной литературе, вытесняя такие слова, как контроль, определение изменений, изучение динамики и т.д.
Идеи и принципы мониторинга распространяются на все планомерные наблюдения, представляющие регулярную информацию о динамике природных явлений. Аэрокосмический мониторинг базируется на планомерном получении информации путем производства многократных съемок.
Основные задачи аэрокосмического мониторинга заключаются в следующем: разработка принципов и общей схемы его построения; разработка методов и приемов его проведения; практическая реализация результатов исследований.
Выделяются три уровня (градации) мониторинга с точки зрения организации его функционирования:
1 мониторинг, осуществляемый отдельными учреждениями (частный);
2 отраслевой мониторинг, выполняемый ведомствами;
3 глобальный мониторинг, реализуемый по международным программам.
Наиболее разнообразной по целям, задачам, объектам, способам, является первая разновидность мониторинга. С повышением его ранга углубляются теоретические положения, унифицируются показатели и способы их определения, усиливается планомерность, усложняется организация. Таким образом, намечается тенденция к иерархичности построения системы мониторинга при взаимодействии разных уровней. В частности, эта тенденция проявляется как в стремлении использовать информацию мониторинга высшего уровня на низшем, так и во внедрении в мониторинг высшего ранга практически проверенных разработок частного мониторинга.
Мониторинг, проводимый отдельными учреждениями на локальном уровне и используемые для исследований различные виды аэрокосмических материалов, как правило, высокого разрешения, отличаются очень большим разнообразием решаемых задач. Эти исследования могут быть как плановыми данного учреждения, так и выполняться по заказу других организаций.
Например, результаты исследований мелиоративных объектов Белорусского Полесья на основе аэрофотоснимков различной периодичности съемки (1950г. – до мелиорации и 1972-75 гг. после мелиорации) и масштаба (1:5 000 - 1:20 000) показали, что на отдельных ключевых участках под воздействием мелиорации сохранились площади естественной растительности от 15 до 80%, распаханность территории составила 23,2% до мелиорации и 57,8% после ее проведения, подвержено ветровой эрозии, соответственно 9,1 и 24,3% почв. Изменилась плотность сельской застройки, дорожная и мелиоративная сеть, структура земельных угодий.
Отраслевой мониторинг. В нашей республике реализуются отдельные проекты отраслевого мониторинга. Министерство лесного хозяйства совместно с РУП «Космоаэрогеология» приступили к разработке отраслевой системы мониторинга на основе применения аэрокосмической техники, предусматривающей решение комплекса задач по изучению и картографированию лесной растительности, оценке состояния лесного фонда, охране лесов от пожаров, а также, собственно, природоохранных задач.
Глобальный мониторинг. В соответствии с обеспечением международной геосферно-биосферной программы «Глобальные изменения», впервые сделана попытка представить Землю как единую глобальную систему и разработать модель ее функционирования. Для регулярного получения информации об изучаемых явлениях используются данные наблюдения с оперативных спутников. Для получения глобальных карт спутниковые данные собираются (монтируются по виткам). Для Земли в целом, производится фильтрация облачности (в случае исследований в видимом и инфракрасном диапазонах), приведение к определенной картографической проекции; обрабатываются данные систем наблюдения для определения картографируемого параметра (например, манипуляция с зональными яркостями для расчета вегетационного индекса; анализ яркости изображения для получения характеристик сплоченности морских льдов и т.п.).
Такие системы позволили составить глобальные карты ряда показателей: зеленого индекса и цветового поверхности суши (по данным многоканальных радиометров геостационаров и метеорологических спутников на околоземных орбитах); содержания хлорофилла в водах океана (по данным цветового сканера береговой зоны CZCS спутника «Нимбус-7»); температур воды и суши, суточной изменчивости температур, т.е. контраста дневных и ночных температур (по данным тепловых радиометров метеорологических спутников); уровня океанической поверхности, ее топографии; глобального распределения приводных ветров (по радиолокационным данным с «Сисата» и «Шаттла»); «озоновой дыры» над Антарктидой (по данным радиофизических измерений).
По целям и решаемым задачам аэрокосмический мониторинг можно разделить на следующие виды:
дозорный (сигнальный), оповещающий о необходимости   организации детальных наблюдений за каким-либо объектом  или районом;
целевой, обеспечивающий наблюдение определенных объектов;
комплексный картографо-аэрокосмический контролируемой    территории.
Основной задачей дозорного мониторинга является установление факта появления или исчезновения объекта или изменение его каких-то характеристик. Для обнаружения (выявления) объекта и его характеристики (изучения) требуются снимки существенно различных масштабов. Полученная при дозорном мониторинге информация служит сигналом к необходимости организации более детальных (крупномасштабных) наблюдений аэрокосмическими или другими средствами. При осуществлении дозорного мониторинга территории важны интегральные, осредненные показатели, в качестве которых могут выступать отражательные и излучательные характеристики объектов, а также структура, рисунок их изображения на снимке.
При целевом мониторинге ставятся наблюдения за конкретным объектом, характер которого определяет вид, масштаб снимков, сроки их получения, способы обработки и форму представления результатов.
Комплексный картографо-аэрокосмический мониторинг территории или акватории имеет самостоятельное значение; для него характерны дистанционное наблюдение комплекса взаимосвязанных объектов и преимущественно картографическая форма предоставления результатов наблюдений.
Важным вопросом мониторинга является периодичность и продолжительность наблюдений. Эти факторы зависят от поставленных целей и задач и изучаемого объекта. Аэрокосмические методы позволяют получать информацию через несколько часов в течение суток, по декадам, месяцам, сезонам и т.д.
Мониторинг атмосферы. Основными загрязнителями атмосферы являются различные промышленные предприятия. Космическими съемками выявлены ареалы мощных дымовых загрязнений атмосферы вокруг городов. Хорошим индикатором его распространения служит снежный покров вокруг городов. Он представляет собой естественный накопитель загрязняющих веществ, выпадающих из атмосферы в сухом виде или с осадками.
Установлена четкая зависимость яркости изображения снега на снимке от степени загрязнения поверхности. Методические эксперименты показали, что снижение альбедо от 0,70-0,90 для чистого снега до 0,20-0,30 для загрязненного позволяет выделить на зимних снимках с метеоспутников зоны влияния промышленных центров и городов. Для изучения зон теплового воздействия городов на атмосферу используется инфракрасная тепловая съемка.
Важной глобальной проблемой является истощение озонового слоя, которая обуславливается выбросами в атмосферу промышленных фреонов. Наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне со спутников «Нимбус-2» и «Метеор» обнаружена озоновая дыра над Антарктидой. По данным спектрометрирования на отдельных витках, с помощью компьютера, строятся ежедневные глобальные карты распределения озона в атмосфере, позволяющие давать оперативную оценку областей разрушения озонового слоя, исследовать их сезонную и межгодовую динамику.
Использование лазерной съемки позволяет получать количественные показатели концентрации различных веществ (углекислого газа, окиси азота, двуокиси серы и т.д.) в атмосфере.
Мониторинг океана. Важной глобальной экологической проблемой является изменение биомассы океана, обусловленной изменением теплового баланса Земли, на основе парникового эффекта.
Вторая проблема связана с загрязнением океана нефтепродуктами, а также минеральными взвесями.
Существует два метода разделения изображения минеральных взвесей и биологических компонентов (фитопланктон) на аэрокосмических изображениях. Первый заключается в фотографировании в различных зонах спектра. Если яркость изображения в красной зоне спектра коррелирует с содержанием минеральных взвесей, то в ближней инфракрасной зоне наблюдается корреляция с содержанием хлорофилла. Другой метод основан на том, что содержащийся в фитопланктоне хлорофилл меняет цвет воды океана, который можно фиксировать со спутника. Разработанный для этого цветовой сканер CZCS регулярно передавал со спутника «Нимбус-2» информацию о цветовых характеристиках вод. На основании этих данных и судовых наблюдений были составлены глобальные цифровые карты океана с осреднением за различные интервалы времени, показывающие зоны океанической пустыни в теплых тропических водах и зоны повышенной концентрации фитопланктона в холодных шельфовых зонах полярных вод. Эти карты представляют большой интерес и для оценки условий жизни в океане, и океана как источника продуктов питания и регулятора содержания углекислого газа в атмосфере.
Для выявления очагов загрязнения поверхности океана нефтепродуктами используются различные методы. Фотографическая съемка имеет сравнительно ограниченные возможности. Применима инфракрасная тепловая съемка, основанная на фиксации различной температуры между системой нефть-вода и чистой водой. Пассивная СВЧ-радиометрия базируется на том, что яркостная температура поверхности с пленкой выше, чем чистой поверхности, причем увеличение ее пропорционально толщине пленки. Активная радиолокация дает возможность определять границы нефтяных загрязнений при аварийных разливах нефти, если толщина пленки превышает 1 мм.
Антропогенное воздействие на природную среду. Космические снимки являются эффективным средством изучения процессов опустынивания и облесения. В последние десятилетия происходит опустынивание африканских саванн зоны Сахеля. Очаги приколодезного опустынивания обнаружены в Северном и Восточном Прикаспии, на плато Устюрт, в Каракумах и других пустынных районах. Это обуславливает использование снимков при фундаментальном и прогнозном картографировании опустынивания, выполняемом в глобальных масштабах по проектам ЮНЕСКО.
Изучение процессов обезлесения, мониторинг изменений границ и площадей лесов также основываются на применении космической информации. Для лесов умеренной зоны такой мониторинг наиболее эффективен с использованием зимних снимков.
В результате исследований установлено, что если в тропической зоне идет повсеместное сокращение лесов, то в борреальных лесах картина более сложная и требует детального исследования с использованием космической информации. Это обуславливается тем, что в борреальной зоне в отдельных районах идет сокращение площадей занятых лесной растительностью, а в других увеличивается за счет сокращения сельскохозяйственных угодий.
Хорошие возможности предоставляют космические снимки для изучения техногенного воздействия на природу. Воздействие, связанное с использованием самой территории как ресурса, наиболее характерно для горнодобывающей промышленности; вскрышные работы с образованием карьеров, терриконов, хвостохранилищ горнообогатительных предприятий; подземные выработки, вызывающие проблемы просадок грунта; организация сети скважин и нефтепроводов при нефтедобыче. Эти объекты, развитие которых связано с полным уничтожением существовавших на их месте ландшафтов, находят четкое отображение на космических снимках и позволяют оценить масштабы техногенных преобразований.
Кроме того, космические снимки предоставляют возможность для изучения многочисленных экологических проблем, возникающих в связи с антропогенным воздействием в условиях вечной мерзлоты в тундровых районах, с развитием эрозионных процессов в земледельческих районах степной зоны и др.
Отображение на космических снимках нарушений среды обитания человека в результате антропогенного воздействия на природу делает их ценным материалом для анализа современной экологической ситуации, составления карт экологической оценки территории, разработки экологических прогнозов.








13PAGE 15














13 PAGE \* MERGEFORMAT 14215



Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 18318976
    Размер файла: 835 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий