Дистанционные методы исследования почвенного покрова. Дистанционные методы

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) - получение информации о поверхности Земли и объектах на ней, атмосфере, океане, верхнем слое земной коры бесконтактными методами, при которых регистрирующий прибор удален от объекта исследований на значительное расстояние. Общей физической основой дистанционного зондирования является функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта и его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением.

В современном облике дистанционного зондирования выделяются два взаимосвязанных направления - естественно-научное (дистанционные исследования) и инженерно-техническое (дистанционные методы), что нашло отражение в широко распространенных англоязычных терминах remote sensing и remote sensing techniques. Понимание сущности дистанционного зондирования неоднозначно. Аэрокосмическая школа Московского университета им. М.В.Ломоносова в качестве предмета дистанционного зондирования как научной дисциплины рассматривает пространственно-временные свойства и отношения природных и социально-экономических объектов, проявляющиеся прямо или косвенно в собственном или отраженном излучении, дистанционно регистрируемом из космоса или с воздуха в виде двумерного изображения - снимка. Эта существенная часть дистанционного зондирования названа аэрокосмическим зондированием (АКЗ) , что подчеркивает его преемственность с традиционными аэрометодами. Метод аэрокосмического зондирования основан на использовании снимков, которые, как свидетельствует практика, представляют наибольшие возможности для комплексного изучения земной поверхности.

Во всех странах действенным стимулом развития аэрокосмического зондирования служат запросы военных ведомств. С внедрением космических методов и современных цифровых технологий аэрокосмическое зондирование приобретает все более важное экономическое значение и становится обязательным элементом высшего образования в природоведческих вузах, превращается в мощное средство изучения Земли от локальных исследований отдельных компонентов до глобального изучения планеты в целом. Поэтому при изложении различных аспектов аэрокосмического зондирования целесообразно рассматривать его как метод исследований, результативно применяемый во всех науках о Земле, и, прежде всего в географии.

История и современное состояние аэрокосмического зондирования

Дистанционные методы применяются в исследованиях Земли очень давно. Вначале использовались рисованные снимки , которые фиксировали пространственное расположение изучаемых объектов. С изобретением фотографии возникла наземная фототеодолитная съемка, при которой по перспективным фотоснимкам составляли карты горных районов. Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством исследований — аэрометодами.

История развития аэрокосмических методов свидетельствует о том, что новые достижения науки и техники сразу же используются для совершенствования технологий получения снимков. Так произошло в середине XX в., когда такие новшества, как компьютеры, космические аппараты, радиоэлектронные съемочные системы, совершили революционные преобразования в традиционных аэрофотометодах - зародилось аэрокосмическое зондирование. Космические снимки предоставили геоинформацию для решения проблем регионального и глобального уровней.

В настоящее время отчетливо проявляются следующие тенденции поступательного развития аэрокосмического зондирования.

• Космические снимки, оперативно размещаемые в Интернете, становятся наиболее востребованной видеоинформацией о местности как для специалистов-профессионалов, так и для широких слоев населения.
• Разрешение и метрические свойства космических снимков открытого доступа быстро повышаются. Получают распространение орбитальные снимки сверхвысокого разрешения - метрового и даже дециметрового, которые успешно конкурируют с аэроснимками.
• Аналоговые фотографические снимки и традиционные технологии их обработки утрачивают свое прежнее монопольное значение. Основным обрабатывающим прибором стал компьютер, оснащенный специализированным программным обеспечением и периферией.
• Развитие всепогодной радиолокации превращает ее в прогрессивный метод получения метрически точной пространственной геоинформации, который начинает эффективно комплексироваться с оптическими технологиями аэрокосмического зондирования.
• Быстро формируется рынок разнообразной продукции аэрокосмического зондирования Земли. Неуклонно увеличивается число коммерческих космических аппаратов, функционирующих на орбитах, особенно зарубежных. Наибольшее применение находят снимки, получаемые ресурсными спутниковыми системами Landsat (США), SPOT (Франция), IRS (Индия), картографическими спутниками ALOS (Япония), Cartosat (Индия), спутниками сверхвысокого разрешения Ikonos, QiuckBird, GeoEye (США), в том числе радиолокационными TerraSAR-X и TanDEM-X (Германия), выполняющими тандемную интерферометрическую съемку. Успешно эксплуатируется система спутников космического мониторинга RapidEye (Германия).

Принципиальная технологическая схема дистанционных исследований Земли

Рис. 1

На рис.1 в обобщенном виде представлена принципиальная схема выполнения аэрокосмических исследований. Она включает основные технологические этапы: получение снимка объекта исследования и дальнейшую работу со снимками - их дешифрирование и фотограмметрическую обработку, а также конечную цель исследований - составленную по снимкам карту, геоинформационную систему, разработанный прогноз. Поскольку получить необходимые характеристики изучаемого объекта только по снимкам без каких-либо натурных определений, без обращения к «земной правде» в большинстве случаев невозможно, необходимо их эталонирование. Важным элементом исследований по снимкам является также оценка достоверности и точности полученных результатов. Для этого приходится привлекать другую информацию и обрабатывать ее иными методами, что требует дополнительных затрат.

Снимок - основное понятие аэрокосмического зондирования

Аэрокосмические снимки — основной результат аэрокосмических съемок, для выполнения которых используют разнообразные авиационные и космические носители (рис. 2). Аэрокосмические съемки делят на пассивные , которые предусматривают регистрацию отраженного солнечного или собственного излучения Земли, и активные , при которых выполняют регистрацию отраженного искусственного излучения.

Рис. 2

Аэрокосмический снимок — это двумерное изображение реальных объектов, которое получено по определенным геометрическим и радиометрическим (фотометрическим) законам путем дистанционной регистрации яркости объектов и предназначено для исследования видимых и скрытых объектов, явлений и процессов окружающего мира, а также для определения их пространственного положения.

Диапазон масштабов современных аэрокосмических снимков огромен: он может меняться от 1:1000 до 1:100 000 000, т. е. в сто тысяч раз. При этом наиболее распространенные масштабы аэрофотоснимков лежат в пределах 1:10 000—1:50 000, а космических — 1:200 000—1:10 000 000. Все аэрокосмические снимки принято делить на аналоговые (обычно фотографические) и цифровые (электронные). Изображение цифровых снимков образовано из отдельных одинаковых элементов — пикселов (от англ. picture element — рixel ); яркость каждого пиксела характеризуется одним числом.

Аэрокосмические снимки как информационные модели местности характеризуются рядом свойств, среди которых выделяют изобразительные, радиометрические (фотометрические) и геометрические. Изобразительные свойства характеризуют способность снимков воспроизводить мелкие детали, цвета и тоновые градации объектов, радиометрические свидетельствуют о точности количественной регистрации снимком яркостей объектов, геометрические характеризуют возможность определения по снимкам размеров, длин и площадей объектов и их взаимного положения.

Важными показателями снимка служат охват и пространственное разрешение . Обычно для исследований требуются снимки большого охвата и высокого разрешения. Однако удовлетворить эти противоречивые требования в одном снимке не удается. Обычно чем больше охват получаемых снимков, тем ниже их разрешение. Поэтому приходится идти на компромиссные решения либо выполнять одновременно съемку несколькими системами с различными параметрами.

Технологии получения и основные типы аэрокосмических снимков

Аэрокосмическую съемку ведут в окнах прозрачности атмосферы (рис.3), используя излучение в разных спектральных диапазонах - световом (видимом, ближнем и среднем инфракрасном), тепловом инфракрасном и радиодиапазоне.

Рис. 3

В каждом из них применяют разные технологии получения изображения и в зависимости от этого выделяются несколько типов снимков (рис.4).

Рис.4

Снимки в световом диапазоне делятся на фотографические и сканерные, которые в свою очередь подразделяются на полученные оптико-механическим сканированием (ОМ-сканерные) и оптико-электронным с использованием линейных приемников излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-сканерные). На таких снимках отображаются оптические характеристики объектов - их яркость, спектральная яркость. Применяя многозональный принцип съемки, получают в этом диапазоне многозональные снимки , а при большом числе съемочных зон - гиперспектральные , использование которых основано на спектральной отражательной способности объектов съемки, их спектральной яркости .

Проводя съемку с использованием приемников теплового излучения - тепловую съемку , - получают тепловые инфракрасные снимки. Съемку в радиодиапазоне ведут, применяя как пассивные, так и активные методы, и в зависимости от этого снимки делятся на микроволновые радиометрические, получаемые при регистрации собственного излучения исследуемых объектов, и радиолокационные снимки, получаемые при регистрации отраженного радиоизлучения, посылаемого с носителя - радиолокационной съемке .

Методы получения информации по снимкам: дешифрирование и фотограмметрические измерения

Необходимая для исследований информация (предметно-содержательная и геометрическая) извлекается из снимков двумя основными методами, это дешифрирование и фотограмметрические измерения

Дешифрирование, которое должно дать ответ на основной вопрос - что изображено на снимке, позволяет получать предметную, тематическую (в основном качественную) информацию об изучаемом объекте или процессе, его связях с окружающими объектами. В визуальном дешифрировании обычно выделяют чтение снимков и их интерпретацию (толкование). Умение читать снимки базируется на знании дешифровочных признаков объектов и изобразительных свойств снимков. Глубина же интерпретационного дешифрирования существенно зависит от уровня подготовки исполнителя. Чем лучше знает дешифровщик предмет своего исследования, тем полнее и достовернее информация, извлекаемая из снимка.

Фотограмметрическая обработка (измерения) призвана дать ответ на вопрос - где находится изучаемый объект и каковы его геометрические характеристики : размер, форма. Для этого выполняется трансформирование снимков, их изображение приводится в определенную картографическую проекцию. Это позволяет определять по снимкам положение объектов и их изменение во времени.

Современные компьютерные технологии получения информации по снимкам позволяют решать следующие группы задач:

• визуализация цифровых снимков;
• геометрические и яркостные преобразования снимков, включая их коррекцию;
• конструирование новых производных изображений по первичным снимкам;
• определение количественных характеристик объектов;
• компьютерное дешифрирование снимков (классификация).

Для выполнения компьютерного дешифрирования применяют наиболее распространенный подход, основанный на спектральных признаках, в качестве которых служит набор спектральных яркостей, зарегистрированных многозональным снимком. Формальная задача компьютерного дешифрирования снимков сводится к классификации — последовательной «сортировке» всех пикселов цифрового снимка на несколько групп. Для этого предложены алгоритмы классификации двух видов — с обучением и без обучения, или кластеризации (от англ. cluster — скопление, группа). При классификации с обучением пикселы многозонального снимка группируются на основе сравнения их яркостей в каждой спектральной зоне с эталонными значениями. При кластеризации же все пикселы разделяют на группы-кластеры по какому-либо формальному признаку, не прибегая к обучающим данным. Затем кластеры, полученные в результате автоматической группировки пикселов, дешифровщик относит к тем или иным объектам. Достоверность компьютерного дешифрирования формально характеризуется отношением числа правильно классифицируемых пикселов к их общему числу.

Вычислительные алгоритмы, основанные на спектральных признаках отдельных пикселов, обеспечивают надежное решение только самых простых классификационных задач; они рационально включаются в качестве элементов в сложный процесс визуального дешифрирования, которое пока остается основным методом извлечения природной и социально-экономической информации из аэрокосмических снимков.

Применение аэрокосмического зондирования в картографировании и исследованиях Земли

Аэрокосмические снимки применяются во всех направлениях изучения Земли, но интенсивность их использования и результативность применения в разных областях исследований различны. Они чрезвычайно важны в исследованиях литосферы, показывая раздробленность геологического фундамента линейными разломами и кольцевыми структурами и облегчая поиски месторождений полезных ископаемых; в исследованиях атмосферы, где снимки дали основу метеорологических прогнозов; благодаря снимкам из космоса открыта вихревая структура океана, зафиксировано состояние растительного покрова Земли на рубеже веков и его изменения в последние десятилетия. Пока космические снимки значительно меньше применяются при социально-экономических исследованиях. Различаются и типы задач, решаемых по снимкам в разных предметных областях. Так, решение инвентаризационных задач реализуется при изучении природных ресурсов, например при картографировании почв, растительности, поскольку снимки наиболее полно отображают сложную пространственную структуру почвенно-растительного покрова. Оценочные задачи, оперативная оценка состояния экосистем выполняются в рамках исследований биопродуктивности океанов, ледового покрова морей, контроля за пожароопасной ситуацией в лесах. Прогностические задачи, использование снимков для моделирования и прогнозирования наиболее развито в метеорологии, где их анализ является основой прогнозов погоды, в гидрологии — для прогноза талого стока рек, паводков и наводнений. Начинаются исследования по прогнозированию сейсмической активности, землетрясений на основе анализа состояния литосферы и верхней атмосферы.

При работе со снимками используются все виды их обработки, но наиболее широко развито дешифрирование снимков, прежде всего визуальное, которое теперь подкрепляется возможностями компьютерных улучшающих преобразований и классификации изучаемых объектов по снимкам. Большое развитие получило создание по снимкам различных производных изображений на основе спектральных индексов. С выполнением гиперспектральной съемки стали создаваться десятки видов таких индексных изображений. Разработка методов интерферометрической обработки материалов радиолокационной съемк и открыла возможность высокоточных определений смещений земной поверхности. Переход к цифровым методам съемки, развитие цифровой стереоскопической съемки и создание цифровых фотограмметрических систем расширили возможности фотограмметрической обработки космических снимков, используемой главным образом для создания и обновления топографических карт.

Хотя одно из основных достоинств космических снимков заключается в совместном отображении всех компонентов земной оболочки, обеспечивающем комплексность исследований, тем не менее применение снимков в различных областях изучения Земли шло пока разрозненно, так как везде требовалась углубленная разработка собственных методик. Идея комплексных исследований наиболее полно реализована при выполнении в нашей стране программы комплексной картографической инвентаризации природных ресурсов, когда по снимкам создавались серии взаимоувязанных и взаимосогласованных карт. Осознание на рубеже веков экологических проблем, нависших над человечеством, и парадигма изучения Земли как системы вновь активизировали комплексные межотраслевые исследования.

Анализ применения снимков в разных направлениях исследований четко показывает, что при всем многообразии решаемых задач магистральный путь практического использования аэрокосмических снимков лежит через карту, которая имеет самостоятельное значение и, кроме того, служит базовой основой ГИС.

Рекомендуемая литература

1. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В . Аэрокосмические методы географических исследований - М.:Изд.Центр Академия. 2004. 336 с.

3. Краснопевцев Б.В. Фотограмметрия. - М.:МИИГАиК, 2008. - 160 с.

2. Лабутина И.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков. - М.:Аспект Пресс. 2004. -184 с.

4. Смирнов Л.Е. Аэрокосмические методы географических исследований. - СПб.:Изд-во С-Петербургского ун-та, 2005. - 348 с.

5. Рис. Г.У. Основы дистанционного зондирования. -М.: Техносфера, 2006, 336 с.

6. Jensen J.R. Remote sensing of the environment: an Earth resource perspective. — Prentice Hall, 2000. — 544 p.

Атласы аэрокосмических снимков:

8. Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков. Методика и результаты. — М.: Наука; Берлин: Академи-Ферлаг. — Т. 1. — 1982. — 84 с.;

9. Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков. Система «Фрагмент». Методика и результаты. — М.: Наука; Берлин: Академи-Ферлаг. Т. 2. — 1988. — 124 с.

10. Космические методы геоэкологии. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. — 104 с.

Бесспорно, важнейшие качества данных, используемых в про­цессе принятия решения, - актуальность, полнота и объектив­ность. Всеми этими качествами обладают данные дистанционного зондирования (ДЦЗ) Земли. Они служат эффективным инстру­ментом, позволяющим оперативно и детально исследовать состоя­ние окружающей среды, использование природных ресурсов и по­лучать объективную картину мира.

Дистанционное зондирование - получение информации о зем­ной поверхности (включая расположенные на ней объекты) без непосредственного контакта с ней путем регистрации приходя­щего от нее электромагнитного излучения .

Методы дистанционного зондирования основаны на том, что любой объект излучает и отражает электромагнитную энергию в соответствии с особенностями его природы. Различия в длинах волн и интенсивности излучения могут быть использованы для изучения свойств удаленного объекта без непосредственного кон­такта с ним .

Дистанционное зондирование сегодня - это огромное разно­образие методов получения изображений практически во всех диапазонах длин волн электромагнитного спектра (от ультрафиоле­товой до дальней инфракрасной) и радиодиапазона, самая раз­личная обзорность изображений - от снимков с метеорологиче­ских геостационарных спутников, охватывающих практически це­лое полушарие, до детальных аэросъемок участка в несколько сот квадратных метров .

Основные достоинства дистанционного мониторинга следующие:

Наблюдаются и регистрируются сведения об обширных пространствах вплоть до всей видимой в момент съемки части Земного шара;

Благодаря большой обзорности можно прослеживать глобальные и крупные региональные особенности природы Земли;

Космические снимки дают однотипную информацию о труднодоступных районах с такой же точностью, как и для хорошо
изученных участков, что позволяет эффективно применять метод
экстраполяции дешифровочных признаков на основе выделения
ландшафтов-аналогов;

Мгновенность изображения обширных площадей сводит к минимуму влияние переменных факторов;

Возможность регулярного проведения повторных съемок позволяет выбрать лучшие изображения;

По материалам повторных съемок изучается динамика при­
родных процессов;

Комплексный характер информации, содержащейся на космоснимках, обусловливает использование их для изучения сложных
процессов взаимодействия компонентов природы: атмосферы и
океана, гидрологических процессов с литогенной основой, жи­вотных и растений со всем многообразием условий их обитания;

Благодаря естественной генерализации изображения на кос­мических снимках отображаются наиболее крупные и существенные элементы ландшафтной структуры географической оболочки
и следы антропогенного воздействия .

История использования данных аэрокосмического мониторинга. Дистанционные методы исследования окружающей среды ведут свою историю с древнейших времен. Например, еще в Древнем Риме существовали изображения различных географических объек­тов в виде планов на стенах зданий.

В XVIII в. определение размеров и пространственного положения предметов происходило по его рисованным изображениям в цент­ральной проекции, которые получали с помощью камеры-обскуры с возвышенных мест и судов. Исследователь получал снимки-ри­сунки, графически фиксируя оптическое изображение. Уже при съемке производился отбор и обобщение деталей изображения.

Следующими этапами в развитии дистанционных методов стали открытие фотографии, изобретение фотообъектива и стереоскопа. Фотографическая регистрация оптического изображения позво­лила получать практически моментальные снимки, которые отличались объективностью, детальностью и точностью. Француз­ский геолог и альпинист Э. Цивиаль выполнил фотографирова­ние в Пиренеях и Альпах.

Фотографии местности, сделанные с высоты птичьего полета с воздушных шаров и воздушных змеев, сразу же получили высо­кую картографическую оценку. Для различных военных и граж­данских целей использовались снимки с привязных аэростатов и аэропланов .

Первые самолетные съемки совершили революцию в дистан­ционном зондировании, но они не позволяли получать необходи­мые мелкомасштабные изображения. Однако в 1920 -1930-е гг. фо­тосъемка местности с самолетов широко применялась для созда­ния лесных, топографических, геологических карт, для изыска­тельских работ.

Следующим этапом стало использование баллистических ракет. Первый снимок земной поверхности был получен при помощи фотоаппарата, установленного на баллистической ракете Fau-2 немецкого производства, запущенной в 1945 г. с американского ракетного полигона White Sands. Ракета достигла высоты 120 км, после чего фотоаппарат с отснятой пленкой был возвращен на Землю в специальной капсуле. До конца 1950-х гг. космическая съемка поверхности Земли осуществлялась с высот до 200 км ис­ключительно с использованием аппаратуры, устанавливаемой на баллистических ракетах и зондах . Несмотря на несовершен­ство методики получения снимков при фотографировании с бал­листических ракет, они широко применялись благодаря их отно­сительной дешевизне для изучения растительности, типов исполь­зования земель, для нужд гидрометеорологии и геологии и при исследованиях природной среды .

Началом систематического обзора поверхности Земли из кос­моса можно считать запуск 1 апреля 1960 г. американского метео­рологического спутника TIROS-1 {Television and Infrared Observation Satellite). Первый отечественный ИСЗ аналогичного назначения, «Космос-122», был выведен на орбиту 25 июня 1966 г. Работа спут­ников серии «Космос» («Космос-144» и «Космос-156») позволила создать метеорологическую систему, впоследствии разросшуюся в специальную службу погоды (система «Метеор»).

Уже со времени второго пилотируемого полета Г.С.Титова на корабле «Восток-2» (1961) производилась съемка Земли. В каче­стве съемочной аппаратуры использовались ручные фотокамеры.

Со второй половины 1970-х гг. космические съемки стали про­водиться в массовом порядке с автоматических спутников. Первым спутником, нацеленным на исследование природных ресурсов Зем­ли, стал американский космический аппарат (КА) ERTS {Earth Resources Technological Satellite), впоследствии переименованный в Landsat, дававший разрешение на местности в 50 - 100 м.

По-настоящему широкие перспективы открылись перед дис­танционным зондированием с развитием компьютерных техноло­гий, переносом всех основных операций по обработке и использо­ванию данных съемок на компьютеры, особенно в связи с появ­лением и широким распространением ГИС .

Сейчас задачи оперативного спутникового контроля природ­ных ресурсов, исследования динамики протекания природных процессов и явлений, анализа причин, прогнозирования воз­можных последствий и выбора способов предупреждения чрез­вычайных ситуаций считаются неотъемлемым атрибутом мето­дологии сбора информации о состоянии интересующей терри­тории (страны, края, города), необходимой для принятия пра­вильных и своевременных управленческих решений. Особая роль отводится спутниковой информации в геоинформационных си­стемах, где результаты дистанционного зондирования поверх­ности Земли (ДЗЗ) из космоса являются регулярно обновляе­мым источником данных, необходимых для формирования при-родоресурсных кадастров и других приложений, охватывая весьма широкий спектр масштабов (от 1:10 000 до 1:10 000 000). При этом информация ДЗЗ позволяет оперативно оценивать достоверность и в случае необходимости проводить обновление использующихся графических слоев (карт дорожной сети, комму­никаций и т.п.), а также может быть использована в качестве растровой «подложки» в целом ряде ГИС-приложений, без кото­рых сегодня уже немыслима современная хозяйственная деятель­ность .

Принципы современного подхода к использованию данных дис­танционного зондирования Земли. 1. Вся обработка и практически все использование ДДЗ производится в цифровом виде с помо­щью компьютеров.

2. Все материалы дешифрирования ДДЗ и другие получаемые
из них данные готовятся для использования в составе пространственных баз данных геоинформационных систем.

3. В процессе использования ДДЗ дополнительно привлекаются
самые различные данные другого типа, организованные в виде
баз данных ГИС. Это могут быть данные полевых обследований,
различные карты, другие данные дистанционного зондирования,
геофизические и геохимические поля, характеризующие те или
иные природные среды, и т.д. Эти данные используются непосредственно в процессе дешифрирования ДДЗ или вовлекаются в
совместную обработку с ними. Дешифрирование и процесс ис­пользования ДДЗ сегодня следует рассматривать не как отдельный
изолированный процесс, а как часть процесса комплексной интерпретации и использования данных.

4. Как правило, работа с ДДЗ производится не с отдельными
снимками, а с виртуальной мозаикой многих кадров.

5. Улучшающая обработка изображения - не отдельный про­
цесс, оторванный от процесса тематической обработки и дешифрирования ДДЗ, а обработка прямо в процессе дешифрирования
или другого использования.

6. В основном тематическая обработка и дешифрирование ДДЗ
ведется или с трансформированными и привязанными снимками
в реальных координатных системах, или при установленной та­
кой связи с реальными координатами с возможностью выполнения отложенного трансформирования.

7. Картографические проекции и системы координат более не
трактуются как нечто навсегда заданное для изображения; они
преобразуются по мере необходимости как для отдельных точек
или объектов, так и для целого изображения ДДЗ.

8. Широко применяются методы автоматизации тематической
обработки, автоматизации дешифрирования, которые, однако,
не рассматриваются обычно как методы получения окончательного результата, а как подручные, многократно применяемые ме­тоды получения чернового результата, как метод исследования
данных. Главные и окончательные решения чаще всего принимает
человек.

9. Для комплексного анализа данных, включающих ДДЗ, часто
применяются технологии экспертных систем и им подобные, объединяющие неформальные знания экспертов и формальные методы анализа.

10. Из процесса использования ДДЗ исключен как самостоя­тельная стадия процесс сбора результатов дешифрирования от­
дельных снимков и перенос их на единую топооснову.

11. Значительная часть обработки, особенно улучшающих пре­
образований, проводится без внесения изменений в файлы данных на диске (в оперативной памяти или временных файлах),
поэтому не происходит накопления промежуточных результатов
обработки и возможна отмена выполненных преобразований.

12. Поскольку трансформирование и привязка снимков могут
занимать различное положение в цепи обработки и использова­ния снимков, их нельзя более считать поставщиком данных или
специальной группой подготовки (предварительной обработки)
снимков. В ряде ситуаций она выполняется конечным пользователем ДДЗ, занятым их тематическим использованием.

13.Фотограмметрические методики, обеспечивающие выпол­нение точных геометрических измерений на снимках, ранее мало­доступные из-за необходимости использования очень дорогого, сложного в эксплуатации и немобильного оптико-механического оборудования и высококвалифицированного персонала, сегодня, с внедрением методов цифровой фотограмметрии и, особенно, в связи с ее переходом на использование персональных компьюте­ров, стали доступны даже конечному пользователю ДДЗ .

Далее мы подробно остановимся на космическом мониторинге окружающей среды как наиболее объективном и современном методе отражения процессов и явлений, происходящих в окружаю­щей среде. Космические методы удачно дополняют традиционные наземные и аэрометоды. Их совместное использование обеспе­чивает исследования одновременно на локальном, региональном и глобальном уровнях.

Основной продукт космического мониторинга - снимок. Сни­мок - двумерное изображение, полученное в результате дистан­ционной регистрации техническими средствами собственного или отраженного излучения и предназначаемое для обнаружения, каче­ственного и количественного изучения объектов, явлений и про­цессов путем дешифрирования, измерения и картографирования.

Космические снимки имеют большую познавательную цен­ность, усиленную их особыми свойствами, такими как большая обзорность, генерализованность изображения, комплексное отоб­ражение всех компонентов геосферы, регулярная повторяемость через определенные интервалы времени, оперативность поступ­ления информации, возможность ее получения для объектов, не­доступных изучению другими средствами.

Генерализация изображения на космических снимках включает геометрическое и тоновое обобщение рисунка изображения и за­висит от ряда факторов - технических (масштаба и разрешения снимков, метода и спектрального диапазона съемки) и природ­ных (влияния атмосферы, особенностей 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 выступают объекты высших таксономических уровней, круп­ные региональные и глобальные структуры, зональные и плане­тарные закономерности.

Влияние генерализации изображения на дешифрируемость кос­мических снимков - двойственное. Сильно обобщенное изобра­жение уменьшает возможность высокоточного и детального картографирования по космическим снимкам, в частности влечет ошибки дешифрирования. Недаром стремятся к использованию снимков высокого разрешения. Однако обобщенность изображе­ния космического снимка относится к его достоинствам. Это свой­ство позволяет также 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: на космических снимках выявляются важные объекты, скрытые на снимках более крупных масштабов .

Классификация космических снимков. Космические снимки мож­но классифицировать по разным признакам: в зависимости от выбора регистрируемых излучательных и отражательных характе­ристик, что определяется спектральным диапазоном съемки; от тех­нологии получения изображений и передачи их на Землю, во мно­гом обусловливающей качество снимков; от параметров орбиты космического носителя и съемочной аппаратуры, определяющих масштаб съемки, обзорность, разрешение снимков и т.п.

По спектральному диапазону (рис. 4.6) космические снимки де­лятся на три основные группы :

В видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне;

В тепловом инфракрасном диапазоне;

Снимки в радиодиапазоне.

По технологии получения изображения, способам получения сним­ков и передачи на Землю снимки в видимом и ближнем инфра­красном (световом) диапазоне подразделяют на:

Фотографические;

Телевизионные и сканерные;

Многоэлементные ПЗС-снимки на основе приборов с зарядовой связью;

Фототелевизионные.

Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне представляют собой тепловые инфракрасные радиометрические снимки. Снимки в радиодиапазоне делятся в зависимости от использования актив­ного или пассивного принципа съемки на микроволновые радио­метрические, получаемые при пассивной регистрации излучения, и радиолокационные, получаемые при активной локации.

По масштабу космические снимки делятся на три группы:

1) мелкомасштабные (1:10 000 000 -1:100 000 000);

2) среднемасштабные (1:1 000000- 1:10 000 000);

3) крупномасштабные (крупнее 1:1 000 000).

По обзорности (площадному охвату территории одним снимком) снимки подразделяются на:

Глобальные (охватывающие всю планету, точнее, освещенную
часть одного полушария);

Региональные, на которых изображаются части материков или
крупные регионы;

Локальные, на которых изображаются части регионов.

По разрешению (минимальной линейной величине на местности изображающихся объектов) снимки различаются на снимки:

Очень низкого разрешения, измеряющееся десятками кило­
метров;

Низкого разрешения, измеряющегося километрами;

Среднего разрешения, измеряющегося сотнями метров;

Снимки высокого разрешения, измеряющегося десятками мет­ров (которые, в свою очередь, делят на снимки относительно высо кое качество снимков, получаемых в видимом и ближнем ин­фракрасном диапазоне, их геометрические и фотометрические свой­ства зависят от технологии получения снимков и передачи их на Землю.

Фотографические снимки в этом диапазоне получают с пилоти­руемых кораблей и орбитальных станций или с автоматических спутников. Известные недостатки фотографического метода свя­заны с необходимостью возвращения пленки на Землю и ограни­ченным ее запасом на борту. Однако этот метод дает снимки наи­более высокого качества, с хорошими геометрическими и фото­метрическими характеристиками. Разрешение фотографических снимков с околоземных орбит высотой 100 - 400 км может быть доведено до десятков сантиметров, но такие снимки не обладают большой обзорностью. Фотографические снимки, сделанные первыми советскими космонавтами с корабля «Восток», представ­лены в альбоме «Наша планета из космоса» (1964). На них разли­чались береговые линии морей, реки, леса. Однако возможности их использования были весьма ограниченны. Затем в нашей стране фотографическая съемка производилась с космических кораблей серии «Союз», с орбитальных станций «Салют» и сменивших их в 1986 г. станций «Мир». Основной объем фотографической ин­формации поступает в нашей стране со специальных автомати­ческих спутников серии «Космос». Система этих спутников получи­ла теперь наименование «Ресурс-Ф» (как фотографическая под­система общегосударственной космической системы исследования природных ресурсов) (подробнее о спутниках и установленной на них аппаратуре см. раздел 4.8).

Телевизионная и сканерная съемка в этом диапазоне дает воз­можность систематического получения изображения всей поверх­ности Земли с искусственных спутников в течение длительного времени при быстрой передаче его на приемные станции. При выполнении съемки этим методом используются кадровые и ска­нирующие системы. В первом случае на борту спутника имеется миниатюрная телевизионная камера (видикон), в которой опти­ческое изображение, построенное объективом на экране при считывании электронным лучом, переводится в форму электро­сигналов и по радиоканалам передается на Землю. Во втором слу­чае качающееся зеркало сканера на борту носителя улавливает отраженный от Земли световой поток, поступающий на фотоум­ножитель. Преобразованные сигналы сканера также по радиока­налам передаются на Землю, где на приемных станциях они при­нимаются и записываются в виде изображений. При этом каждый сигнал относится к определенной площадке - элементу изображе­ния, - для которой передается интегральная яркость. Колебание зеркала реализует строки изображения, а благодаря движению носителя происходит накопление строк и формируется снимок, что обусловливает строчно-сетчатую поэлементную структуру изоб­ражения.

Телевизионные и сканерные снимки могут передаваться на Землю в реальном масштабе прохождения спутника над объектом съемки. Оперативность получения снимков составляет отличитель­ную черту этого метода. Телевизионная и сканирующая аппарату­ра устанавливается на полярно-орбитальных спутниках Земли.

Важной особенностью сканерной съемки является поступле­ние информации со спутника в цифровой форме, что облегчает ее обработку.

Получение многоэлементных ПЗС-снимков связано с примене­нием электронных камер (иногда их называют электронными ска­нерами). В них используются многоэлементные линейные и мат­ричные приемники излучения, состоящие из нескольких тысяч миниатюрных (размером 10 - 20 мкм) светочувствительных эле­ментов-детекторов - так называемых приборов с зарядовой свя­зью (ПЗС). Их малые размеры обеспечивают высокое разрешение подобных снимков. Линейный ряд детекторов (так называемая линейка ПЗС) реализует сразу целую строку снимка, а накопле­ние строк обеспечивается за счет движения носителя аппаратуры. Эта аппаратура не имеет колеблющихся или вращающихся эле­ментов конструкции, что вместе с высоким разрешением обус­ловливает лучшие геометрические свойства снимков.

Снимки этого типа впервые были получены в 1980 г. с помощью экспериментальной системы МСУ-Э на спутнике «Метеор-30». На спутнике «Ресурс-01» с 1988 г. аппаратура МСУ-Э дает снимки в 3 спектральных зонах с разрешением 45 м при охвате 45 км; для расширения полосы охвата используются 2 сканера. Информация с этих спутников поступает в цифровой форме и предназначена для автоматизированной обработки.

Фототелевизионные снимки получают с помощью фотокамеры, обеспечивающей хорошее качество изображения. Передача экс­понированного и проявленного на борту изображения на Землю идет по телевизионным каналам связи. Фототелевизионный метод съемки сыграл важную роль при съемке планет.

Применение фототелевизионных снимков относится к первым годам космических исследований, когда качество телевизионных изображений заставляло обращаться к фотографированию с бор­та космических носителей даже при невозможности доставки от­снятой пленки на Землю, используя телевизионный метод для передачи снимков. Использование этих снимков было особенно Важно при исследованиях Луны и Марса.

Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне. Тепловой инфра­красный диапазон охватывает длины волн от 3 до 1000 мкм, одна­ко большая часть его лучей не пропускается атмосферой. Имеются только три окна прозрачности с длинами волн 3 - 5, 8 -14 и 30 - 80 мкм, первые два из которых используются для съемки. Интен­сивность излучения Солнца в этом диапазоне незначительна, но зато на волны длиной 10 - 12 мкм приходится максимум собствен­ного теплового излучения Земли. Поскольку у различных объек­тов земной поверхности (суши, воды, по-разному увлажненных почв и т.п.) оно неодинаково, появляется возможность по дан­ным регистрации этого излучения судить о характере излучаю­щих объектов. Регистрирующие приборы, работающие в этом ди­апазоне (тепловые инфракрасные радиометры), дают сигналы разной силы для объектов с различной температурой. При по­строении по этим сигналам изображения - теплового инфракрас­ного снимка - получают пространственно зафиксированные тем­пературные различия объектов съемки. Обычно на таких снимках наиболее холодные объекты выглядят светлыми, теплые - темны­ми со всей гаммой температурных переходов. Съемку можно вести ночью - на затененной стороне Земли, а также в условиях по­лярной ночи. Съемке мешает облачность, так как в этом случае регистрируются температуры не земной поверхности, а верхней кромки облаков.

Помимо прямого определения температурных режимов види­мых объектов и явлений (как природных, так и искусственных) тепловые снимки позволяют косвенно выявлять то, что скрыто под землей - подземные реки, трубопроводы и т. п. Снимки по­зволяют отслеживать динамику лесных пожаров, нефтяные и га­зовые факелы, процессы подземной эрозии .

Дистанционное зондирование в тепловой инфракрасной обла­сти спектра - более сложная задача, чем в видимой и ближней инфракрасной областях. Это обусловлено тем, что в тепловой об­ласти измерения чувствительны к температуре, которая характе­ризуется следующими свойствами для соответствующих природ­ных объектов:

Эти объекты могут запасать и через какое-то время высвобождать сохраненное тепло, т.е. фактическая температура определяется не только текущими условиями измерений, но и предысто­рией нагревания того или иного объекта;

На земной поверхности тепловая энергия зависит не только
от солнечной радиации, но и от турбулентного теплообмена поверхности и испарения влаги .

Тем самым при определении температуры земной поверхности по данным дистанционного зондирования с точки зрения иден­тификации тепловых свойств объектов исследования необходимо учитывать обмен и изменения энергетических потоков и эволю­цию температуры поверхности во времени. Обычно поверхность суши и океаны поглощают солнечную энергию в дневное время суток и переизлучают часть запасенной энергии в тепловой обла­сти спектра в ночное время. Вместе с тем атмосфера имеет собственное тепловое излучение, что определяет сложный характер баланса радиационных и тепловых потоков. В ночное время суток эта «усложненная» тепловая энергия переизлучается до следую­щего цикла солнечного нагревания неодинаково для разных гор­ных пород, почвенно-растительного покрова и водных поверхно­стей вследствие их разной теплоинерционной способности .

Снимки в радиодиапазоне. Для дистанционного изучения Земли используется ультракоротковолновый диапазон радиоволн с дли­нами 1 мм - 10 м, точнее, его наиболее коротковолновая часть (1 мм - 1 м), называемая сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазо­ном (в зарубежной литературе его называют микроволновым). Он в значительной мере свободен от влияния атмосферы: окно про­зрачности охватывает длины волн от 1 см до 10 м. При съемке в ультракоротковолновом диапазоне фиксируется либо собственное излучение Земли этого диапазона (пассивная радиометрия), либо отраженное искусственное излучение (активная радиолокация).

При пассивной съемке получают микроволновые радиометри­ческие снимки. С помощью микроволновых радиометров регистри­руется микроволновое излучение различных объектов - так на­зываемые радиояркостные температуры. Такая съемка называется радиотепловой или микроволновой радиометрической. По сигна­лам излучения строится пространственное изображение - мик­роволновый радиометрический снимок, на котором по-разному изображаются объекты, обладающие неодинаковыми излучатель-ными свойствами. Излучательные характеристики различных при­родных и искусственных объектов в этом диапазоне неодинаковы. Так, излучение металлов минимально, практически равно 0; излу­чение растительности и сухой почвы определяется коэффициен­том 0,9, а воды - 0,3. Это позволяет разделять на снимках объекты с различными излучательными свойствами, в частности разные по влажности почвы, воды с разной степенью солености, объекты с разной кристаллической структурой, промерзание грунтов. На таких снимках по-разному выглядят морские льды различного воз­раста - однолетние и многолетние, - которые могут не разли­чаться на обычных снимках в оптическом диапазоне.

При активной радиолокационной съемке получают собственно радиолокационные снимки. На носителе устанавливается активный источник радиоизлучения с антенной, действующий по принципу просмотра местности поперек линии маршрута. Посылаемый к Земле узконаправленный сигнал по-разному отражается поверхностью и улавливается регистрирующей аппаратурой. Из таких построчных сигналов формируются радиолокационные снимки, на которых отображаются шероховатость поверхности, ее микрорельеф, осо­бенности структуры и состав пород, слагающих поверхность.

При размерах неровностей поверхности меньше полудлины волны поверхность объекта для радиоволн как бы гладкая (зеркалит) и изображается на радиолокационных снимках наиболее тем­ным тоном (песчаные пляжи, солончаки, такыры, гладкая вод­ная поверхность). При размере неровностей больше полудлины волны происходит рассеивание и диффузное отражение энергии, зависящее от величины неровностей, их формы, ориентировки по отношению к радиолучу. Они изображаются серым тоном раз­ной плотности. Растительность увеличивает поглощение радиоволн и изображается светлым тоном. Такое радиолокационное поверх­ностное зондирование ведут, используя волны сантиметрового диапазона. Генерируя излучение различных длин волн, можно получать информацию об объектах на некоторой глубине. Радио­локаторы подповерхностного зондирования работают в децимет­ровом и метровом диапазоне (1-30 м). Они обнаруживают под­поверхностные неоднородности грунтов, позволяя определять глу­бину их залегания и мощность. Например, в диапазоне 0,5 - 1 м фиксируются пресные грунтовые воды в песках на глубине до 20 м.

Радиолокационные снимки могут применяться для изучения волнения и приповерхностных ветров, исследования поверхност­ных и подповерхностных структур, поисков линз подземных вод, изучения растительности, картографирования использования зе­мель, изучения городов и решения других задач.

Пассивная и активная съемка в радиодиапазоне отличается от остальных видов съемки своей всепогодностью, обусловленной абсолютной прозрачностью атмосферы для волн этого диапазона спектра. Она может производиться ночью, при сплошной облач­ности, тумане, дожде. Именно поэтому важно применение дан­ного диапазона для космических съемок, в особенности для опе­ративных целей.

Считается, что дистанционные методы применялись в географии еще в дофотографический период. Это связывалось, например, с изучением местности по рисованным перспективным изо­бражениям, издавна известным в картографии. Еще Леонардо да Винчи (1500 г.) поставил вопрос о возможностях определения размеров и положения предметов по их двум рисован­ным изображениям. Позднее ряд ученых, и в их числе М. В. Ломоносов (1764 г.) и Ботан-Бопре (1791 г.), занимались практической реализацией этой идеи. Однако только появле­ние фотографии открыло ранее невиданные перспективы в дистанционном зондировании Земли и ее изучении на основе фотографических изображений.

Со времени изобретения фотографии французами Л. Ж. М. Дагером и Ж. Н. Ньепсом (1839 г.) и англичанином У. Г. Ф. Толботом (1840-1841 гг.), а чуть позднее методики получения цветных изображений французом Л. Дюко дю Ороном (1868-1869 гг.) фотография почти сразу же стала использоваться для получения наземных фотографических снимков мест­ности с целью ее изучения. Методами наземной фототеодолитной съемки созданы карты Альп и Скалистых гор (Р. Гюбль, В. Девиль и др.). В то же время ставились опыты по фотографиро­ванию земной поверхности с воздушных шаров - «с высоты птичьего полета» (Ф. Надар - 1856 г., А. М. Кованько и В. Н. Срезневский - 1886 г.), а также с воздушных змеев и привязанных аэростатов (Р. Ю. Тиле - 1898 г., С. А. Ульянин – 1905 г.).

Опыты использования снимков, полученных с воздушных шаров, дали небольшие резуль­таты, но уже первые самолетные съемки совершили революцию. Регулярно аэросъемки в нашей стране выполняются с 30-х гг., и к настоящему времени накоплен полувековой фонд снимков, полностью покрывающих страну, для многих районов с многократным перекрытием, что особенно важно для изучения динамики географических объектов. Основной заказчик и по­требитель этой информации – Главное управление геодезии и картографии, его аэрогеодези­ческие предприятия, использующие аэрофотосъемку для топографического картографиро­вания страны. Кроме него, следует назвать ведомства, ответственные за исследования ре­сурсов страны, в системе которых созданы специальные подразделения «Аэрогеология», «Леспроект», «Сельхозаэросъемка». Через эти подразделения аэросъемочная информация становится доступной географу-исследователю.

При использовании аэроснимков довольно быстро возникла необходимость в получе­нии все более мелкомасштабных изображений, что, естественно, ограничивалось техниче­скими возможностями. Попытки в конце 50-х - начале 60-х гг. монтировать крупномас­штабные снимки и генерализовать их до мелкомасштабных не принесли желаемых резуль­татов. Поэтому для получения соответствующих снимков было важно увеличение потолка подъема самолетов, и уже к концу 50-х гг. американские самолеты «U-2» стали получать снимки с высоты до 20 км. Это тот же порядок высот, что и при использовании воздушных шаров. А вот появление баллистических ракет и их использование для фотографирования Земли сразу на порядок подняло этот потолок.

Уже в 1945 г. баллистическая ракета «V-2», запущенная с полигона Уайт-Сэндс в штате Нью-Мексико, позволила получить фотографии из космоса с высоты в 120 км. Последовавшая за этим серия запусков ракет типа «Viking» и «Aerobee» позволила фото­графировать Землю с высоты 100-150 км, а, например, в 1954 г. ракета достигла высоты в 250 км. На этой же высоте в начале 70-х гг. производилась съемка территории Австралии и Аргентины с английской баллистической ракеты «Skylark».

Несмотря на несовершенство методики получения снимков при фотографировании с баллистических ракет, они широко применялись в 60-70-е гг. и используются до настоящего времени, главным образом благодаря их относительной дешевизне при изучении незначительных по площади территорий. Известно применение данных снимков для изуче­ния растительности, типов использования земель, в том числе сельскохозяйственного, для нужд гидрометеорологии и геологии и при комплексных исследованиях природной среды.

Новая эра в дистанционном зондировании Земли открылась со времени запуска первых искусственных спутников Земли в 1957 г. в СССР и в следующем году в США, хотя, собст­венно, первые запуски не преследовали цель изучения Земли космическими средствами. Первые полеты на пилотируемых космических кораблях бывшего СССР и США - «Восток-1» (космо­навт - Ю. А. Гагарин, 1961 г.) и «Mercury МА-4» (астронавт Д. Гленн, 1962 г.) также не ставили таких задач. Но уже со времени второго пилотируемого полета Г. С. Титова произво­дилась съемка Земли. С американского корабля «Mercury МА-4» также были получены пер­вые фотографические снимки. В качестве съемочной аппаратуры использовались ручные фотокамеры.

Если в результате первых полетов получались десятки снимков, то уже к середине 60-х гг. с кораблей «Gemini» было получено более 1000 фотографий, причем большая их часть на цветной пленке и с высоким разрешением на местности - до 50 м. Однако район съемки ограни­чивался приэкваториальными поясами Земли.

Существенный прогресс в получении фотографических снимков внесли полеты «Apollo», и прежде всего с точки зрения оптимизации выбора фотографических материалов, отработки ме­тодики ориентации камер по отношению к Земле и др. С космических кораблей данной серии впервые (8-12 марта 1969 г.) произведено фотографирование в разных спектральных ин­тервалах, что положило начало многозональной фотографии. Первое фотографирование син­хронно осуществлялось четырьмя камерами на разных пленках и с разными светофильтрами.

Программа полетов космических кораблей «Союз» вначале мало внимания уделяла фото­графированию Земли, но с конца 1969 г. была сильно расширена. Охват территории не огра­ничивался приэкваториальными районами, но все-таки был не очень широким. Представляет интерес проведение подспутниковых экспериментов по синхронизации космических съемок с самолетными и экспедиционными. Многозональные фотографии были получены в 1973 г. при фотографировании девятиобъективной камерой. С корабля «Союз-7» (1969 г.) проведено спектрографирование земной поверхности, т. е. получение и регистрация спектральных отражатель­ных характеристик объектов.

Подобные подспутниковые эксперименты позволили дать объективную оценку информа­тивности различных видов космической съемки, заложить основы космических методов гео­графических исследований, установить оптимальное соотношение космической, аэро- и наземной съемок при проведении конкретных исследований. Вместе с тем подспутниковые эксперименты приобрели большое научное значение, расширяя наши представления о пере­даточной функции атмосферы, закономерностях генерализации изображений с уменьшени­ем их масштабов, оптических свойствах географических объектов, пространственной структуре ландшафтов и т. д.

Снимки с высоким разрешением на местности (порядка 10-12 м) получены с орби­тальных станций «Салют» и «Skylab», для чего широко использовались спектрозональные съемки и новые съемочные камеры, например МКФ-6, а также приборы для обработки снимков.

Однако при высоком качестве изображения фотографические снимки выполняются не систематически. Лишь в отдельных случаях возможно получение повторных снимков на од­ну и ту же территорию. Из-за эпизодичности съемок и трудностей, связанных с облачно­стью, регулярное покрытие территории таким видом съемки пока не обеспечивается, поэто­му широкое распространение получила телевизионная съемка. К ее преимуществам по срав­нению с обычной фотографией относится также получение сигналов в форме удобной для их автоматизированной фиксации на Земле, хранения и обработки на ЭВМ. В этом слу­чае не требуется возвращать на Землю кассеты с фотопленкой.

Первая телевизионная съемка Земли выполнялась с американских метеорологических спутников «Tiros» с начала 60-х гг. В нашей стране первые телевизионные съемки Земли осуществлены со спутников «Космос». Так, работа двух из них («Космос-144» и «Космос-156») позволила создать метеорологическую систему, впоследствии разросшуюся в специ­альную службу погоды (система «Метеор»).

Глобальную телевизионную съемку Земли осуществили спутники «ESSA». Несмотря на ряд трудностей, связанных с искажениями, возникающими за счет сферичности Земли при охвате больших площадей (до 6 млн. км) и относительно низком разрешении на местно­сти, они нашли широкое применение в географических исследованиях при изучении снеж­ного покрова, влажности почв, атмосферных процессов и др.

Телевизионные снимки стали получать с ресурсных спутников. Сюда относятся снимки советских спутников, работающих по программе «Метеор - Природа», и американских спутников «Landsat». Снимки, полученные с помощью аппаратуры «Фрагмент» («Метеор») и многозональной сканирующей системы MSS («Landsat»), характеризуются разрешением на местности около 100м. Важно, что съемка выполняется в четырех диапазонах видимой и ближней инфракрасной части спектра и возможно получение цветных синтезированных сним­ков.

На сканерных снимках хорошего качества, особенно на цветных синтезированных снимках, выделяются в целом те же объекты, что и на фотографических снимках, но при этом обеспечивается регулярная повторяемость съемки и удобство автоматизированной обра­ботки снимков, которые поступают в цифровом виде. Поэтому, при сохранении всего пере­численного выше широкого круга решаемых по этим снимкам задач, на первое место при ис­пользовании сканерных снимков выступают задачи оперативного контроля состояния природ­ной среды и антропогенных образований, за их изменениями, в том числе сезонными.

Первым спутником, нацеленным на исследование природных ресурсов Земли, стал «ERTS», дававший разрешение на местности в 50-100 м. Съемка со спутника «Landsat-4» с помощью аппаратуры «Thematic catographer» позволила добиться разрешения в 30 м при уве­личении числа спектральных каналов в видимой и ближней инфракрасной области спектра до 6. Еще большее разрешение (до 10 м) у снимков с французского спутника «Spot», здесь обеспе­чивается получение стереопар, а также регулярность повторения съемки. Для изучения при­родных ресурсов используется также многозональная съемка телевизионными сканирующими системами спутников «Метеор».

С 1972 г. с введением в эксплуатацию первого ресурсного искусственного спутника Земли (ИСЗ) «ERTS-1», а затем и последующих, обеспечивающих высококачественную регу­лярную съемку земной поверхности с периодичностью 18 суток с большой обзорностью и высо­ким пространственным разрешением, легко доступную потребителям, начался наиболее плодо­творный период применения материалов космической съемки в научных и практических целях во многих странах мира. Были сделаны новые географические открытия, обнаружены место­рождения различных полезных ископаемых и т. д. Во многие науки о Земле прочно вошел этот метод исследований, позволивший существенно расширить возможности традиционных гео­графических исследований и подняться на более высокую ступень познания закономерностей строения и функционирования географической оболочки Земли.

В нашей стране в народнохозяйственных целях введен в эксплуатацию ИСЗ «Ресурс-Ф», обеспечивающий синхронное многозональное и разномасштабное фотографирование земной поверхности. Черно-белая съемка в трех зонах видимой и ближней ИК областей спектра, а также спектрозональная съемка осуществляются в масштабах 1:1000000 и 1:200000 с про­странственным разрешением снимков соответственно 30 и 10 м. Материалы космической съемки, полученные с этого спутника, нашли широкое применение в научных исследованиях и различных отраслях хозяйства. Особенно велико его значение при комплексном и тематическом картографировании земной поверхности. В настоящее время применение космических снимков стало нормой картографического производства. Они исполь­зуются при составлении оригинальных и обновлении ранее созданных карт, обеспечивая высо­кую точность передачи конфигурации картографируемых объектов, получение сопоставимых сведений об объектах и явлениях, распространенных на обширных площадях, в один временной период, а также гарантируя необходимую периодичность съемки для современного обновления карт. Материалы космической съемки легли в основу составления нового вида картографи­ческой продукции - фотокарт топографических, общегеографических и тематических различных масштабов. В 1978 г. была создана первая космофототектоническая карта Арало-Каспийского региона масштаба 1:2500000. За рубежом опубликованы цветные и черно-белые фотокарты и фотоатласы на отдельные государства и материки.

Следует сказать, что объектом телевизионной съемки служит не только Земля, но и це­лый ряд других планет или космических тел. Можно вспомнить съемки Луны станцией «Луна», «Surveyor», «Ranger», Венеры - «Венера»; Марса, Венеры, Меркурия - с аппаратов «Mariner», «Viking»; съемки кометы Галлея и др.

Упомянем также о фототелевизионных снимках, совмещающих достоинства фотографиче­ского метода, и, прежде всего высокое разрешение на местности, и телевизионных. Первые фототелевизионные снимки получены станциями «Луна-3» и «Зонд-3» для невидимой с Земли стороны Луны, Марса - «Марс-4» и «Марс-5» и др.

В целях популяризации материалов космической съемки в ряде стран выпускают хорошо иллюстрированные альбомы и атласы цветных снимков, полученных с советских и американ­ских космических летательных аппаратов. Среди них опубликованная в СССР монография «Планета Земля из космоса» (1987), совместное советско-американское издание «Наш дом - Земля» (1988), отечественные альбомы по методике дешифрирования многозональных аэрокос­мических снимков (1982, 1988), вышедший в США атлас Северной Америки (1987), издан­ные в ФРГ альбомы снимков земной поверхности (1981), в Венгрии - национальный фото­атлас и многие другие.

В нашей стране организованы два центра получения, первичной обработки и распростра­нения космической информации - Государственный научный и производственный центр «Природа» (Госцентр «Природа») для работы с фотографической информацией долговремен­ного использования и Государственный научно-исследовательский центр исследования при­родных ресурсов (ГосНИЦИПР) для работы с оперативной сканерной информацией.

Помимо составления программ съемки и аккумулирования полученных материалов, цен­тры выполняют их первичную обработку - привязку, аннотирование, облегчая их дальнейшее использование. По заказу потребителей выполняются и более сложные виды обработки, раз­личного рода преобразования снимков. Оперативная информация, предназначенная для авто­матизированной обработки, может быть получена в виде магнитных лент для удобства ис­пользования при работе на ЭВМ.

№ 26. Дистанционные методы исследований в современной географии

Данные дистанционного зондирования

Материалы дистанционного зондирования получают в резуль­тате неконтактной съемки с летательных воздушных и космичес­ких аппаратов, судов и подводных лодок, наземных станций. Не­которые виды дистанционного зондирования схематически изоб­ражены на рис. 10.1. Получаемые документы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида и высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также от природных особенностей местности, ат­мосферных условий и т.п.

Главные качества дистанционных изображений, особенно по­лезные для составления карт, - это их высокая детальность, од­новременный охват обширных пространств, возможность получе­ния повторных снимков и изучения труднодоступных территорий. Благодаря этому данные дистанционного зондирования нашли в

картографии разнообразное применение: их используют для составления и оперативного обновления топографических и тема­тических карт, картографирования малоизученных и труднодос­тупных районов (например, высокогорий). Наконец, аэро- и кос­мические снимки служат источниками для создания общегеогра­фических и тематических фотокарт (см. разд. 11.5).

Съемки ведут в видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой зонах спектра. При этом снимки могут быть черно-белыми зональными и пан­хроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже - для лучшей различимости некоторых объектов - ложно-цветными, т.е. выполненными в условных цветах. Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почти не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ноч­ная темнота тоже не помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое время суток.

Фотографические снимки - это результат покадровой регист­рации собственного или отраженного излучения земных объектов на светочувствительную пленку. Аэрофотоснимки получают с са­молетов, вертолетов, воздушных шаров, космические снимки --со спутников и космических кораблей, подводные - с подводных судов и барокамер, опускающихся на глубину, а наземные - с по­мощью фототеодолитов.

Кроме одиночных плановых снимков в качестве источников используют стереопары, монтажи, фотосхемы и фотопланы, па­норамные снимки и фотопанорамы, фронтальные (вертикальные) фотоснимки и др.

В отличие от фотографических, телевизионные снимки и теле­панорамы получают путем регистрации изображения на светочув­ствительных экранах передающих телевизионных камер (видико-нов). Съемка с борта самолета или со спутника захватывает до­вольно большую полосу местности - шириной от 1 до 2 тыс. км в зависимости от высоты полета и технических характеристик съе­мочной системы. Высокоорбитальные спутники позволяют полу­чать изображение всей планеты в целом и в режиме реального времени передавать его на наземные пункты приема дистанцион­ной информации. Поэтому телевизионная съемка удобна для опе­ративного картографирования и слежения (мониторинга) за зем­ными объектами и процессами. Однако по своему разрешению и величине геометрических искажений телевизионные изображения уступают фотоснимкам.

Телевизионные снимки бывают узко- и широкополосными, они охватывают разные зоны спектра, могут иметь разную развертку и т.п. Особый вид источников - фототелевизионные снимки, в которых детальность фотографий сочетается с оперативностью пе­редачи изображений по телевизионным каналам.

Наиболее широко в картографировании используют сканерные снимки, полосы, «сцены», получаемые путем поэлементной и по­строчной регистрации излучения объектов земной поверхности. Само слово «сканирование» означает управляемое перемещение луча или пучка (светового, лазерного и др.) с целью последова­тельного обзора (осмотра) какого-либо участка.

В ходе съемки с самолета или спутника сканирующее устрой­ство (качающееся зеркало или призма) последовательно, полоса за полосой, просматривает местность поперек направления дви­жения носителя. Отраженный сигнал поступает на точечный фотоприемник, и в результате получаются снимки с полосчатой или строчной структурой, причем строки состоят из небольших эле­ментов - пикселов. Каждый из них отражает суммарную усред­ненную яркость небольшого участка местности, так что детали внутри пиксела неразличимы. Пиксел - это элементарная ячейка сканерного изображения.

При полете съемка ведется постоянно, и поэтому сканирова­ние охватывает широкую непрерывную полосу (или ленту) мест­ности. Отдельные участки полосы называют сценами. В целом ска­нерные изображения уступают по качеству кадровым фотографи­ческим снимкам, однако оперативное получение изображений в цифровой форме имеет громадное преимущество перед другими видами съемки.

Существует ряд модификаций сканерной съемки, дающих изоб­ражения с иными геометрическими и радиометрическими свойствами. Так, сканирующие устройства с линейками полупроводниковых приемников обеспечивают съемку сразу целой строки, причем она получается в проекции, близкой к центральной, что существенно уменьшает геометрические искажения. На этом принципе основана съемка с помощью многоэлементных линейных и матричных при­емников излучения (приборов с зарядовой связью - ПЗС). Они дают возможность получать по каналам радиосвязи снимки очень высоко­го разрешения на местности - до нескольких метров.

Для картографирования обширных территорий используют монтажи сканерных снимков и даже особые сканерные «фотопор­треты», которые передают облик крупных участков планеты, ма­териков и стран так, как они видны из космоса.

Радиолокационные снимки получают со спутников и самолетов, а гидролокационные снимки - при подводной съемке дна озер, морей и океанов. Бортовые радиолокаторы бокового обзора, установлен­ные на аэро-, космических и подводных носителях, ведут съемку по правому и левому бортам перпендикулярно к направлению дви­жения носителя.

Благодаря боковому обзору на снимках прекрасно проявляется рельеф местности, отчетливо читаются детали его расчленения, характер шероховатости. При съемке океанов хорошо видно вол­нение водной поверхности. Радиолокация позволила впервые под­робно картографировать рельеф далеких планет.

Среди новых видов локационных изображений отметим сним­ки, получаемые в ультрафиолетовом и видимом диапазонах с по-мощью лазерных локаторов - лидаров. Непрерывное техническое совершенствование сканерных и локационных систем, множествен­ность съемочных диапазонов, возможности их широкого комби­нирования - все это создает поистине неисчерпаемое разнообра­зие источников для тематического картографирования.

Особое значение для картографирования имеет многозональ­ная съемка. Суть ее в том, что одна и та же территория (или аква­тория) одновременно фотографируется или сканируется в несколь­ких сравнительно узких зонах спектра. Комбинируя зональные сним­ки, можно получать так называемые синтезированные изображения, на которых наилучшим образом проявлены те или иные объекты. Например, подбирая разные сочетания, можно добиться наилуч­шего изображения водных объектов, геологических отложений определенного минералогического состава, разных пород леса, сельскохозяйственных угодий под теми или иными культурами и т.п. Поэтому материалы многозональной съемки - ценнейший источ­ник, в особенности для составления тематических карт.

Дистанционные методы - методы изучения Земли и других космических тел с воздушных или космических летательных аппаратов. В состав дистанционных методов входят аэросъемка, космическая съемка, дешифрование снимков, а также визуальные наблюдения: осмотр территории наблюдателем с борта летательного аппарата.

Аэросъемка - съемка земной поверхности с летательных аппаратов с использованием съемочных систем (приемников информации), работающих в различных участках спектра электромагнитных волн. Различают: -фотографическую аэросъемку (аэрофотосъемку); - телевизионную аэросъемку; - тепловую аэросъемку; - радиолокационную аэросъемку; и - многозональную аэросъемку.

Получаемые в результате аэроснимки (аэрофотоснимки) могут быть: - плановыми, если ось снимающего аппарата располагалась отвесно; или - перспективными, если ось снимающего аппарата располагалась наклонно.

В зависимости от высоты съемки и применяемой аппаратуры снимки имеют разные масштаб, подробность и обзорность.

Дешифрование снимков - исследование аэро- и космических снимков, определение объектов, которые на них изображены, установление между ними взаимосвязей. Дешифрование снимков - важнейший дистанционный метод изучения Земли.

Начало формы

Космическая съемка - фотографическая, телевизионная и т.п. съемка Земли, небесных тел и космических явлений аппаратурой, находящейся за пределами атмосферы Земли (на искусственных спутниках Земли, космических кораблях и т.п.) и дающей изображения в различных областях электромагнитного спектра.

Получаемые в результате космической съемки космические снимки отличаются от аэроснимков гораздо большей обзорностью, огромным охватом территории: на снимке среднего масштаба 3-4 тыс.кв.км, на снимке мелкого масштаба - десятки тысяч кв.км. Средний масштаб космических снимков Земли 1:1000000, 1:10000000.

В зависимости от положения оси снимающего аппарата различают плановую и перспективную космические съемки.

Для наблюдения Земли из космоса используют дистанционные методы: исследователь имеет возможность на расстоянии получать информацию об изучаемом объекте.

Дистанционные методы, как правило, являются косвенными, т.е. с их помощью измеряют не интересующие нас параметры объектов, а некоторые связанные с ними величины. Например, нам необходимо оценить состояние сельскохозяйственных посевов. Но аппаратура спутника регистрирует лишь интенсивность светового потока от этих объектов в нескольких участках оптического диапазона. Чтобы "расшифровать" такие данные, требуются предварительные исследования, включающие в себя различные эксперименты по изучению состояния растений контактными методами; по изучению отражательной способности листьев в различных участках спектра и при различном взаимном расположении источника света (Солнца), листьев и измерительного прибора. Далее необходимо определить, как выглядят те же объекты с самолета, и лишь после этого судить о состоянии посевов по спутниковым данным.

Дистанционные методы делят на активные и пассивные. При использовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика), регистрирует его отражение. Радиолокация позволяет "видеть" Землю сквозь облака. Чаще используются пассивные методы, когда регистрируется отраженная поверхностью энергия Солнца либо тепловое излучение Земли. Главными достоинствами космических средств, при использовании их для изучения природных ресурсов и контроля окружающей среды являются: оперативность, быстрота получения информации, возможно доставки её потребителю непосредственно в ходе приёма с КА, разнообразие форм наглядность результатов, экономичность.

Таблица №1 Диапазоны волн электромагнитных излучений.

Методы изучения Земли из космоса не случайно относят к высоким технологиям. Это связано не только с использованием ракетной техники, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, но и с новым подходом к получению интерпретации результатов измерений. И хотя трудоемкие подспутниковые исследования проводятся на небольшой площади, они дают возможность обобщать данные на огромные пространства и даже на весь земной шар. Широта охвата является характерной чертой спутниковых методов исследования Земли. К тому же эти методы, как правило, позволяют получать результат за сравнительно короткий интервал времени.Конец формы

Начало формы

Фотографическую съемку поверхности Земли с высот более 150 - 200 км принято называть космической. Отличительной чертой КС является высокая степень обзорности, охват одним снимком больших площадей поверхности. В зависимости от типа применяемой аппаратуры и фотопленок, фотографирование может производиться во всем видимом диапазоне электромагнитного спектра, в отдельных его зонах, а также в ближнем ИК (инфракрасном) диапазоне.

Масштабы съемки зависят от двух важнейших параметров: высоты съемки и фокусного расстояния объектива. Космические фотоаппараты в зависимости от наклона оптической оси позволяют получать плановые и перспективные снимки земной поверхности. В настоящее время для съемок из космоса наиболее часто используются многоспектральные оптико-механические системы - сканеры, установленные на ИСЗ различного, назначения. При помощи сканеров формируются изображения, состоящие из множества отдельных, последовательно получаемых элементов. Термин "сканирование" обозначает развертку изображения при помощи сканирующего элемента (качающегося или вращающегося зеркала), поэлементно просматривающего местность поперек движения носителя и посылающего лучистый поток в объектив и далее на точечный датчик, преобразующий световой сигнал в электрический. Этот электрический сигнал поступает на приемные станции по каналам связи. Изображение местности получают непрерывно на ленте, составленной из полос - сканов, сложенных отдельными элементами - пикселями. Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, но особенно эффективным является видимый и ИК-диапазоны.

Радиолокационная (РЛ) или радарная съемка - важнейший вид дистанционных исследований. Используется в условиях, когда непосредственное наблюдение поверхности планет затруднено различными природными условиями: плотной облачностью, туманом и т. п. Она может проводиться в темное время суток, поскольку является активной. Для радарной съемки обычно используются радиолокаторы бокового обзора (ЛБО), установленные на самолетах и ИСЗ.

С помощью ЛБО радиолокационная съемка осуществляется в радиодиапазоне электромагнитного спектра. Сущность съемки заключается в посылке радиосигнала, отражающегося по нормали от изучаемого объекта и фиксируемого на приемнике, установленном на борту носителя. Радиосигнал вырабатывается специальным генератором. Время возвращения его в приемник зависит от расстояния до изучаемого объекта. Этот принцип работы радиолокатора, фиксирующего различное время прохождения зондирующего импульса до объекта и обратно, используется для получения РЛ-снимков. Изображение формируется бегущим по строке световым пятном. Чем дальше объект, тем больше времени надо на прохождение отражаемого сигнала до его фиксации электронно-лучевой трубкой, совмещенной со специальной кинокамерой.

Инфракрасная (ИК), или тепловая, съемка основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным теплом или солнечным излучением. 0на. широко применяется в геологии. Температурные неоднородности поверхности Земли возникают в результате неодинакового нагрева различных ее участков.

Спектрометрическая (СМ) съемка проводится с целью измерения отражательной способности горных пород. Знание значений коэффициента спектральной яркости горных пород расширяет возможности реологического дешифрирования, придает ему большую достоверность. Горные породы имеют различную отражательную способность, поэтому отличаются величиной коэффициента спектральной яркости.

Лидарная съемка является активной и основана на непрерывном получении отклика от отражающей поверхности, подсвечиваемой лазерным монохроматическим излучением с фиксированной длиной волны. Частота излучателя настраивается на резонансные частоты поглощения сканируемого компонента (например, приповерхностного метана), так что в случае его заметных концентраций соотношение откликов в точках концентрирования и в вне их будут резко повышенными. Фактически - лидарная спектрометрия это геохимическая съемка приповерхностных слоев атмосферы, ориентированная на обнаружение микроэлементов или их соединений, концентрирующихся над современно активными геоэкологическими объектами.

УТВЕРЖДАЮ

Проректор-директор ИПР

«_____» ________ 201 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Дистанционные методы ИССЛЕДОВАНИЙ

НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 022000 ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: Геоэкология

КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): бакалавр

БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2010 г. (с изменениями 2012 г.)

КУРС 3; СЕМЕСТР 5;

КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 3

ПРЕРЕКВИЗИТЫ: Геология; География; Экология;

КОРЕКВИЗИТЫ: Геоинформационные системы в экологии; Ресурсы Земли; Охрана окружающей среды

ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:

ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: ЗАЧЕТ В 5 СЕМЕСТРЕ

Обеспечивающая кафедра: «Геоэкологии и геохимии »

ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: д. г.-м. н., профессор

РУКОВОДИТЕЛЬ ООП: д. г.-м. н., профессор

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: к. г.н., доцент

Предисловие

1. Рабочая программа составлена на основе Федерального государственного образовательного стандарта по направлению 022000 «Экология и природопользование », утвержденного 22 декабря 2009 г. № 000

РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры геоэкологии и геохимии 13.10.2011 г. протокол

2. Разработчики:

доцент кафедры ГЭГХ ____________

3. Зав. обеспечивающей кафедрой ГЭГХ ____________

4.Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с институтом, выпускающими кафедрами направления; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.

Зав. выпускающей кафедрой ___________

1. Цели освоения дисциплины

В результате освоения данной дисциплины студент приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей основной образовательной программы «Экология и природопользование».

Студент, изучивший курс «Дистанционные методы исследования», должен знать:

Основные современные системы, методы и технологии дистанционных методов исследования окружающей среды и спектры решаемых геоэкологических задач;

Цели предмета «Дистанционные методы исследования» достигаются за счёт выполнения комплекса учебно-методических работ:

Овладение общетеоретическими знаниями о современных методах дистанционных исследований окружающей среды;

Умение на лабораторных занятиях применять современные методы дистанционного зондирования для решения широкого спектра геоэкологических задач;

Освоение общих принципов обработки данных ДМИ, возможности получения результатов ДМИ, доступа к информации.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина относится к дисциплинам математического и естественнонаучного цикла (Б.2). Она непосредственно связана с дисциплинами естественнонаучного и математического цикла («Геология», «География», «Экология» и др.) и частично опирается на освоенные при изучении данных дисциплин знания и умения.

Знания и умения, полученные при освоении данной дисциплины, являются основой для изучения ряда дисциплин математического и естественнонаучного (Б.2) и профессионального (Б.3) циклов: «Ресурсы Земли», «Охрана окружающей среды», «Оценка воздействия на окружающую среду», «Геоэкология», «Основы поисков и геолого-экономической оценки природных ресурсов», «Геоинформационные системы в экологии».

3. Результаты освоения дисциплины

Студент, изучивший дисциплину «Дистанционные методы исследования» должен уметь:

Четко формулировать задачи, комплексирование дистанционных методов при геоэкологических исследованиях разного масштаба и ориентации мониторинга окружающей среды;

Уметь на основе анализа литературных источников и комплекта космических снимков давать оценку состояния окружающей среды.

После изучения данной дисциплины студенты приобретают знания, умение и опыт, соответствующие результатам основной образовательной программы. Соответствие результатов освоения дисциплины «Дистанционные методы исследования» формируемым компетенциям ООП представлено в таблице.

*Расшифровка кодов результатов обучения и формируемых компетенций представлена в ФГОС ВПО по направлению подготовки бакалавров по направлению 022000 «Экология и природопользование».

4. Структура и содержание дисциплины

Раздел 1. Введение

Лекции. Определение и содержание понятий «дистанционные методы исследований» (ДМИ) и «дистанционное зондирование земли» (ДЗЗ). Взаимосвязь с основными дисциплинами учебного плана. Актуальность применения ДМИ. Основные группы методов. Исторические сведения об использовании ДМИ. Развитие ДМИ и ДЗЗ в Мире, России, г. Томске, ТПУ. Научная и учебная литература , периодические и информационно-справочные издания.

Раздел 2. Физические основы ДМИ. Электромагнитное излучение (ЭМИ) как основа ДМИ.

2.1. Общие сведения об ЭМИ

Лекции. Определение и основные характеристики (параметры) ЭМИ. Шкала длин волн, основные диапазоны (излучения): космическое, гамма, рентгеновское, оптическое (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное или тепловое), радиодиапазон (СВЧ, ВЧ, УКВ, КВ, средневолновое, длинноволновое), сверхнизкочастотное (пульсации звезд, катаклизмы типа землетрясений, извержений вулканов и т. п.). Спектральная (длина волны, энергия кванта, интенсивность…), временная и поляризационная характеристики ЭМИ. Особенности лазерного излучения. Основные диапазоны, используемые в ДМИ. Основные ДМИ по типу измеряемой энергии и их характеристика (пассивные, активные).

Солнце как основной источник ЭМИ в природе. Характеристика спектра солнечной радиации.

Лабораторная работа 1-2. Занятие с учебно-методическими материалами (Альбомы космоснимков, образцы дешифрирования аэрофотоснимков, Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков).

2.2. Взаимодействие ЭМИ с атмосферой

Лекции Основные физические и химические параметры атмосферы, влияющие на ЭМИ. Взаимодействие ЭМИ с озоном. Зоны прозрачности атмосферы для теплового излучения. Взаимодействие атмосферы с ЭМИ микроволнового диапазона. Причины избирательного поглощения и рассеяния. ЭМИ в атмосфере (рассеяние Рэлея, Ми). Влияние положения участка земной поверхности по отношению к Солнцу на характеристику ЭМИ и особенности применения ДМИ для решения различных задач.

2.3. Взаимодействие ЭМИ с различными веществами и средами на поверхности Земли

Лекции. Характеристика главных процессов взаимодействия ЭМИ с веществами на поверхности Земли (отражение, рассеивание, абсорбция , трансмиссия, эмиссия) и их важнейшие константы (альбедо, коэффициент поглощения, экстинкция, чистое пропускание, эмиссия). Основные факторы взаимодействия, влияющие на эффективность применения ДМИ при решении геоэкологических задач.

Раздел 3. Основные характеристики природных сред и материалов для ДМИ

3.1. Характеристики горных пород

Лекции. Отражательная и поглощательная способности горных пород, их зависимость от минералогических и геохимических характеристик, генетической породы. Диагностика горных пород при ДМИ. Влияние вторичных процессов (гидротермальные изменения, выветривание) на первичные характеристики пород. Части спектра ЭМИ, в которых горные породы обладают высокими контрастными характеристиками.

Вторичное тепловое излучение (эмиссия) горных пород. Взаимосвязь вещественного состава, генетических особенностей горных пород с их физическими свойствами и эмиссией. Условия благоприятные для проведения инфракрасных съёмок.

Использование спектральных характеристик горных пород при ДМИ в целях геокартирования, решения геоэкологических задач, прогнозирования и поисков месторождений полезных ископаемых .

Лабораторная работа 3. Поиск данных по темам дистанционного зондирования в сети Internet

3.2. Характеристика почв

Лекции. Отражательная и поглотительная способности почв, их отличие от горных пород. Причины отличия. Различие основных типов почв по их спектральной яркости. Связь спектральной характеристики почв с их основными параметрами (минеральный и химический состав, содержание органики, влажность , структура и др.). Спектральные каналы для изучения основных характеристик почв.

Тепловое излучение почв. Основные свойства почв, определяющие её температурные характеристики.

Использование характеристик почв при ДМИ для их картирования и решения геоэкологических задач.

3.3. Характеристика растительности

Лекции. Отражательная и пропускная способность. Спектральные характеристики отраженного и прошедшего излучения при его взаимодействии с различными растительными сообществами, с больной и здоровой листвой. Влияние внешних факторов на характеристики растений (климат, тип почв, характер питательных и загрязняющих веществ и др.).

Характеристика теплового (температурного) излучения растений и его связь с внутренними и внешними факторами.

Смещение спектральных характеристик растительных сообществ как чуткий индикатор изменения различных факторов окружающей среды.

3.4. Характеристика вод озёр, рек, морей

Лекции. Процессы рассеяния и поглощения света, происходящие в толще воды. Зависимость спектральных характеристик воды от различных факторов (мутность, взвеси, планктон, солёность, температура и т. д.) и их проявленность в различных частях спектра ЭМИ. Актуальность исследования и мониторинга акваторий дистанционными методами.

Раздел 4. Техника и методика дистанционных исследований, характер решаемых задач. Основные группы ДМИ (космические, аэро-, наземные), уровень их развития и возможности прогресса, решаемые задачи, доступность потребителю.

4.1. Системы и приборы ДЗ из космоса

Лекции. Основные типы космических носителей, их характеристика и возможности решения задач ДЗЗ. Главные типы космических орбит (по форме, по наклонению, по отношению к Солнцу или Земле, по высоте) и их использование для ДЗЗ.

Методы измерений и наблюдений из космоса (фотографические, телевизионные, сканерные, радиолокационные и др.), решаемые задачи, преимущества и недостатки.

Отечественные и зарубежные современные космические системы и программы ДЗЗ, сравнительный анализ, решаемые задачи.

Доступ к информации ДЗ из космоса потребителей за рубежом, в России, в Западной Сибири, в Томске. Центры, лаборатории, пункты, станции приёма, хранения и тематической интерпретации данных. Возможность доступа к архивным данным, оперативность исполнения текущих заказов, стоимость основных услуг.

Региональные центры: - Западно-Сибирский региональный центр приёма и обработки спутниковых данных (ЗапСиб РЦ ПОД), Центр космического мониторинга природных ресурсов и процессов Сибири (ЦКПС); решаемые задачи, возможности создания и использования региональной ГИС.

Персональные станции приёма (ППС) информации ДЗЗ, основные характеристики, возможности. Требования к ППС.

Использование данных ДЗЗ из космоса при геоэкологических исследованиях и мониторинге окружающей среды.

Лабораторная работа 4-5. Определение последствий природных катастроф. Дешифрирование снимков.

Лабораторная работа 6-7. Дешифрирование космического снимка и оценка экологического состояния на заданной территории.

4.2. Аэрометоды дистанционных исследований

Лекции. История развития аэрометодов. Преимущества и недостатки. Характеристика различных методов (фотосъёмка, съёмка в ИК-диапазоне, радиолокация, магнитометрия, гравиметрия, гамма-спектрометрическая и радиометрическая съёмки, аэрозольные и газовые съёмки и др.). Основные решаемые задачи, методика, масштабы работ.

Лабораторная работа 8-9 . Определение границ водных поверхностей на космических снимках.

4.3. Наземные системы дистанционных исследований

Лекции. Основные виды наземных ДМИ и их характеристика (фотографические, геофизические, телевизионные, лидарные и др.). Решаемые задачи, методика, преимущества и недостатки. Нетрадиционные методы ДИ. Возможности различных фирм и научных центров г. Томска и ТПУ в организации и проведении наземных дистанционных исследований и мониторинга.

Лабораторная работа 10-11. Оценка антропогенного влияния на окружающую среду по данным дистанционного зондирования земли.

Раздел 5. Комплексирование ДМИ

Лекции. Рациональное комплексирование ДМИ на различных стадиях геоэкологических и геологичесих работ, при организации различных видов экологического мониторинга. Возможности и высокие перспективы использования ГИС-технологий при ДМИ. Примеры.

Лабораторная работа 12. Дешифрирование и сравнение космоснимков с районов экологических катастроф

Лабораторная работа 13. Защита рефератов

Закрепление теоретического материала при проведении практических работ с использованием картографического материала, атласов, специальной литературы, выполнение проблемно-ориентированных индивидуальных заданий.

6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (CРC)

6.1 Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний, а также на развитие практических умений.

Текущая СРС включает следующие виды работ:

Работа студентов с лекционным материалом, поиск и анализ литературы и электронных источников информации по заданной проблеме;

Изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;

Изучение теоретического материала к лабораторным занятиям;

Подготовке к зачету.

6.2 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР) направлена на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала бакалавров и заключается в поиске, анализе и презентации материалов по заданным темам рефератов.

6.2.1. Перечень тем для самостоятельной работы (рефераты, КР):

1. Современные активные методы ДИ, их преимущества и недостатки.

2. Использование ДМИ при оценке состояния и мониторинге ОС урбанизированных территорий.

3. Электромагнитное излучение Солнца и его использование при ДМИ.

4. Современные ДМИ атмосферы (решаемые экологические задачи, технические характеристики, методика).

5. Характеристики космических носителей и орбит с позиции их использования для ДМИ ОС.

6. Комплексирование ДМИ в решении задач горно-геологического мониторинга.

7. Современные аэрометоды дистанционных исследований.

8. Важнейшие характеристики растительности, используемые при ДМИ.

9. Наземные системы дистанционных исследований ОС.

10. Методы гамма-спектрометрии в геоэкологии.

11. Доступ потребителей к космической информации ДЗ Земли.

12. Важнейшие характеристики почв, используемые при ДМИ.

13. История развития и современное состояние ДМИ.

14. Развитие и состояние ДМИ в Западно-Сибирском регионе и в г. Томске.

15. Взаимодействие ЭМИ с атмосферой.

16. Основные характеристики горных пород, изучаемые ДМИ.

17. Основные характеристики почв, изучаемые ДМИ.

18. Основные характеристики растительности, изучаемые ДМИ.

19. Основные характеристики вод озёр, рек, морских побережий, изучаемые ДМИ.

20. Методы съёмки при ДМИ.

21. Фотографические методы и их использование при геологических и экологических исследованиях.

22. Телевизионные методы ДЗ и их использование при геологических и экологических исследованиях.

23. Сканерные методы ДЗ и их использование при геологических и экологических исследованиях.

24. Гамма-спектрометрические методы ДЗ и их использование при геологических и экологических исследованиях.

25. Радиолокационные методы ДЗ и их использование при геологических и экологических исследованиях.

26. Лидарные методы ДЗ и их использование при геологических и экологических исследованиях.

27. Методы ИК-съёмки и их использование при геологических и экологических исследованиях.

28. Голографические методы ДЗЗ.

29. Современные космические системы ДЗЗ.

30. Аэрометоды ДЗЗ.

31. Наземные методы дистанционных исследований.

32. Нетрадиционные виды ДЗ.

33. ДМИ в решении геологических задач (картирование, прогнозирование и поиски МПИ по видам).

34. Обработка результатов ДЗЗ с применением современных технологий.

35. Получение данных ДЗЗ (в том, числе характеристика наземных станций приема).

36. ДМИ в нефтегазовой отрасли.

37. ДМИ в решении конкретных геоэкологических задач.

38. ДМИ в мониторинге ОС.

Кроме того, допускаются свободные темы по конкретным регионам и районам.

· Определение последствий природных катастроф (по данным ДЗ): последствия цунами, шторма, наводнения и т. д.

· Мониторинг изменения береговой линии Аральского моря по данным ДЗ.

· Использование данных ДЗ при проведении геоэкологических исследований в районе месторождения Самотлор.

· Дистанционное зондирование при мониторинге урбанизированных территорий (город…).

· Использование данных ДЗ при проведении мониторинга территории…., загрязненной в результате ….

По итогам работы представляется письменный отчёт в форме курсовой работы и презентация в электронном виде, делается устное сообщение перед студентами группы.

Основные разделы: введение, основная часть (с главами по теме работы), заключение, список литературы, включающий не менее трёх источников (20010 – 2012 года).

6.3 Контроль самостоятельной работы

Оценка результатов самостоятельной работы осуществляется в виде двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателя.

7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины (фонд оценочных средств)

Контроль знаний студентов по дисциплине осуществляется по 2 видам: текущий и итоговый.

Текущий контроль приучает студентов к систематической работе по изучаемой дисциплине и позволяет определить уровень усвоения студентами теоретического материала. Он осуществляется в виде контрольных и проверочных работ, тестовых опросов. Оценка знаний при текущем контроле осуществляется в соответствии с рейтинг - планом по дисциплине.

Итоговый контроль – в соответствии с учебным планом:

5 семестр – зачет

1. Дайте определение понятия «Дистанционное зондирование»?

2. Что понимается под спектром ЭМИ?

3. Основные спектральные диапазоны ЭМИ, используемые в ДМИ.

4. Относятся ли геофизические методы к ДМИ?

5. Какие научные открытия и достижения лежат в основе ДМИ?

6. Главные этапы в развитии ДМИ.

7. В чём заключается роль в развитии ДМИ?

8. Когда и в каких целях в России началось использование аэросъёмки?

9. Когда и в каких целях в России началось широкое использование аэрогаммасъёмки?

10. В каких организациях г. Томска разрабатывают и применяют ДМИ?

11. Возможно ли, на обычной фотографии увидеть объект или явление не видимое «невооружённым» глазом?

12. Почему человеческий глаз видит в диапазоне 0,4 – 0,78 мкм?

13. Почему летучая мышь «видит» в другом диапазоне, нежели человек?

14. Что такое пассивные методы и какие ДМИ к ним относятся?

15. Что такое активные методы и какие ДМИ к ним относятся?

16. Какова роль Солнца в ДМИ?

17. Какие человеческие органы используются при ДМИ?

18. Чем обусловлено появление полос поглощения в спектре ЭМИ Солнца, поступающего на поверхность Земли?

19. Влияние атмосферного озона на ЭМИ Солнца?

20. Насколько атмосфера прозрачна для теплового излучения?

21. Что такое эмиттерная энергия и её значение для ДМИ?

22. Факторы, определяющие возникновение «теплового парника» в атмосфере?

23. В каких диапазонах спектра ЭМИ атмосфера Земли «прозрачна»?

24. Предпочтительная высота Солнца при аэрокосмических съёмках?

25. В каких случаях при ДМИ используется низкое стояние Солнца?

26. Почему использование светофильтров позволяет получить более качественный снимок?

27. Что такое эмиссия и её роль для ДМИ?

28. Что понимается под «независимыми» параметрами ДЗ?

29. Что понимается под «зависимыми» параметрами ДЗ?

30. Какие характеристики горных пород изучаются ДМИ?

31. Какие характеристики почв изучаются ДМИ?

32. Какие характеристики растительности изучаются ДМИ?

33. Какие характеристики вод озёр, рек, морей изучаются ДМИ?

34. При какой съёмке чётко видны границы воды и суши?

35. Основные типы космических носителей аппаратуры ДЗЗ?

36. Типы космических орбит и их использование для ДМИ?

37. Решаемые задачи ДМИ в зависимости от высоты космических орбит.

38. Виды измерений и наблюдений из космоса, решаемые задачи.

39. Техника и методика космофотосъёмки, решаемые задачи.

40. Техника и методика сканерной космосъёмки, решаемые задачи.

41. Техника и методика радиолокационной съёмки, решаемые задачи.

42. Техника и методика ИК-съёмки, решаемые задачи.

43. Техника и методика лидарной съёмки, решаемые задачи.

44. Современные виды космических систем исследования ОС.

45. Система изучения природных ресурсов на базе «Ресурс-О».

46. Как оперативно получить и (или) заказать данные ДЗЗ?

47. Опыт и перспективы использования ППС.

48. Требования, предъявляемые к ППС.

49. Основные виды аэрометодов и решаемые экологические задачи.

50. Основные положения методики аэрогаммасъёмки и решаемые задачи.

51. Виды наземных систем исследования ОС, решаемые задачи.

52. Современные ДМИ в прогнозно-поисковых геологических работах.

53. Современные ДМИ в изучении природных ресурсов.

54. Современные ДМИ в оценке состояния и мониторинге ОС.

55. Современные ДМИ в геоэкологическом картировании.

7.3. Примеры вопросов для экзамена

1. Развитие и состояние ДМИ в России. Основные факторы взаимодействия ЭМИ с веществами и средами на поверхности Земли.

2. Развитие и состояние ДМИ в Западно-Сибирском регионе и в г. Томске. Основные современные методы наблюдений и измерений при ДЗЗ из космоса.

3. Современные космические системы исследования ОС. Излучение солнца и его использование при ДМИ.

4. Современные фотографические методы исследования ОС и их использование для решения экологических задач.

Важнейшие характеристики вод, используемые при ДМИ.

5. Современные наземные мобильные методы и средства дистанционных исследований и мониторинга ОС. Активные и пассивные ДМИ, преимущества и недостатки.

8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

Основная литература

1. Антыпко дистанционного теплового мониторинга геологической среды городских агломераций . – М.: Недра, 1992. – 15 с.

2. , Шевченко картирование на основе космической информации. – М.: Недра, 1988. – 221 с.

3. , Гершензон системы дистанционного зондирования Земли. – М.: Изд-во А и Б, 1997. – 269 с.

4. Гонин съёмки Земли. – Л.: Недра, 1989. – 255 с.

5. Кабанов мониторинг атмосферы. Ч.1. Научно-методические основы: Монография / Под общей ред. . – Томск: Изд-во «Спектр» Института оптики и атмосферы СО РАН, 1997. – 211 с.

6. Киенко в космическое природоведение и картографирование: Учебник для Вузов. - М.: Картгеоцентр – Геоиздат, 1994. –212 с.

7. , Фридман гамма-спектрометрии природных сред. – 3 изд., перераб. и дол. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 232 с.

8. // Исследование Земли из космоса. 2004. №2. С.61-96.

9. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: основы и методы дистанционных исследований в геологии (перевод с немецкого). – М.: Мир, 1988. – 343 с.

10. , Корчуганова методы в геологии. – М.: Недра, 1993. – 224 с.

11. , Архангельский методы исследования окружающей среды: Учебное пособие для Вузов. – Томск: Изд-во STT, 200. – 184 с.

12. Поцелуев методы геологических исследований: история, современное состояние / , // Т. 1: Полезные ископаемые. - , 2008. - С. 513-518.

13. Протасевич методы обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу: Конспект лекций / ; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во ТПУ, 1997. - 36 с.

14. Региональный мониторинг атмосферы. Ч. II. Новые приборы и методики измерений: Коллективная монография / Под общей ред. . – Томск: Изд-во «Спектр» Института оптики и атмосферы СО РАН, 1997. – 295с.

15. Рис дистанционного зондирования: пер. с англ. / ; пер. , . - М.: Техносфера, 2006.

17. Региональный мониторинг атмосферы. Ч. III. Уникальные измерительные комплексы: Коллективная монография / Под общей ред. . – Томск: Изд-во «Спектр» Института оптики и атмосферы СО РАН, 1998. – 238с.

18. Чандра зондирование и географические информационные системы : пер. с англ. / , . - М.: Техносфера, 2008. - 312 с.

19. , Молодчинин состояния окружающей среды тепловой аэросъёмкой. – М.: Недра, 1992. – 64 с.

Дополнительная литература

1. Альбом - СССР из космоса. – М.: ГУК и К при СМ СССР, 1982.

2. Альбом – Дешифрирования многозональных аэрокосмических снимков (методики и результаты). – ГДР. – М.: Наука, 1982.

3. Аэрогеофизические методы прогнозирования месторождений урана/ Под. ред. . – М.: Атомиздат, 1980. – 129 с.

4. Виноградов мониторинг экосистем. – М.: Наука, 1984. – 152 с.

5. Гарбук системы дистанционного зондирования Земли: Монография / , . - М.: Изд-во А и Б, 1997. - 296 с.

6. , Дмитриевский -аэрокосмическое изучение нефтегазоносных территорий. – М.: Наука, 1994. – 288 с.

7. Дистанционные исследования при поисках полезных ископаемых. – Новосибирск: Наука, 1986. – 175 с.

8. Дистанционные исследования при нефтегазопоисковых работах. – М.: Наука, 1988. – 224 с.

9. , Красильникова природных условий и ресурсов. – М.: Недра, 1988. – 299 с.

10. , Полетаев космической геологии. – М.: Недра, 1988. – 235 с.

11. Космическая информация в геологии / Под ред. и др. – М.: Наука, 1983. – 536 с.

12. Мелух исследования с использованием космических средств / Под ред. . Серия: Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов. – М.: ВИНИТИ, 1988. – Т. 21. – 184 с.

13. Михайлов аппаратура дистанционного зондирования Земли / , . - М.: Вузовская книга, 2008. - 340 с.

14. и др. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды. – Л.: Гидрометеоиздат, 19с.

15. , Архангельский методы исследования окружающей среды: Учебное пособие / Томский политехнический университет.-Томск: STT, 2001.-184 c.:

16. Природа Земли из космоса: изучение природных ресурсов Земли с помощью данных, передаваемых со спутников по радиолокации / Под ред. . – Л.: Гидрометеоиздат, 1984. – 152 с.

Интернет-ресурсы

http://www. *****/ru/index. html

http://www. *****/distzond. html

http://www. *****/

http://www. /photos/digitalglobe-imagery/

http://*****/index. php? r=18&id=6793

http://www. pryroda. /index. php? newsid=1000384

9. Материально-техническое обеспечение дисциплины

При изучении основных разделов дисциплины, выполнении практических работ студенты используют разнообразный картографический материал, включающий атласы России, Мира, комплект космо - и аэрофотоснимков, как в печатном издании, так и в электронном виде.

Программа составлена на основе ФГОС ВПО по направлению подготовки 022000 «Экология и природопользование».

Программа одобрена на заседании кафедры ГЭГХ ИПР

(протокол № ____ от «___» _______ 2011 г.).

Учебное издание

дистанционные методы исследований

Рабочая программа для студентов, обучающихся по направлению 022000 Экология и природопользование по профилю «геоэкология»

Разработчики