Лекция 4. Дистанционные методы исследования

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

Со времени изобретения фотографии французами Л. Ж. М. Дагером и Ж. Н. Ньепсом (1839 ᴦ.) и англичанином У. Г. Ф. Толботом (1840-1841 гᴦ.), а чуть позднее методики получения цветных изображений французом Л. Дюко дю Ороном (1868-1869 гᴦ.) 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 - ʼʼс высоты птичьего полетаʼʼ (Ф. Надар - 1856 ᴦ., А. М. Кованько и В. Н. Срезневский - 1886 ᴦ.), а также с воздушных змеев и привязанных аэростатов (Р. Ю. Тиле - 1898 ᴦ., С. А. Ульянин – 1905 ᴦ.).

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 гᴦ., 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 подразделœения ʼʼАэрогеологияʼʼ, ʼʼЛеспроектʼʼ, ʼʼСельхозаэросъемкаʼʼ. Через эти подразделœения аэросъемочная информация становится доступной географу-исследователю.

При использовании аэроснимков довольно быстро возникла крайне важно сть в получе­нии всœе более мелкомасштабных изображений, что, естественно, ограничивалось техниче­скими возможностями. Попытки в конце 50-х - начале 60-х гᴦ. монтировать крупномас­штабные снимки и генерализовать их до мелкомасштабных не принœесли желаемых резуль­татов. По этой причине для получения соответствующих снимков было важно увеличение потолка подъема самолетов, и уже к концу 50-х гᴦ. американские самолеты ʼʼU-2ʼʼ 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 данный потолок.

Уже в 1945 ᴦ. баллистическая ракета ʼʼV-2ʼʼ, 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 ʼʼVikingʼʼ и ʼʼAerobeeʼʼ позволила фото­графировать Землю с высоты 100-150 км, а, к примеру, в 1954 ᴦ. ракета достигла высоты в 250 км. На этой же высоте в начале 70-х гᴦ. производилась съемка территории Австралии и Аргентины с английской баллистической ракеты ʼʼSkylarkʼʼ.

Несмотря на несовершенство методики получения снимков при фотографировании с баллистических ракет, они широко применялись в 60-70-е гᴦ. 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 т.ч. 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 ᴦ. 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 - ʼʼВосток-1ʼʼ (космо­навт - Ю. А. Гагарин, 1961 ᴦ.) и ʼʼMercury МА-4ʼʼ (астронавт Д. Гленн, 1962 ᴦ.) также не ставили таких задач. Но уже со времени второго пилотируемого полета Г. С. Титова произво­дилась съемка Земли. С американского корабля ʼʼMercury МА-4ʼʼ также были получены пер­вые фотографические снимки. В качестве съемочной аппаратуры использовались ручные фотокамеры.

В случае если в результате первых полетов получались десятки снимков, то уже к серединœе 60-х гᴦ. с кораблей ʼʼGeminiʼʼ было получено более 1000 фотографий, причем большая их часть на цветной пленке и с высоким разрешением на местности - до 50 м. При этом район съемки ограни­чивался приэкваториальными поясами Земли.

Существенный прогресс в получении фотографических снимков внесли полеты ʼʼApolloʼʼ, и прежде всœего с точки зрения оптимизации выбора фотографических материалов, отработки ме­тодики ориентации камер по отношению к Земле и др.
Размещено на реф.рф
С космических кораблей данной серии впервые (8-12 марта 1969 ᴦ.) 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 ʼʼСоюзʼʼ вначале мало внимания уделяла фото­графированию Земли, но с конца 1969 ᴦ. была сильно расширена. Охват территории не огра­ничивался приэкваториальными районами, но всœе-таки был не очень широким. Представляет интерес проведение подспутниковых экспериментов по синхронизации космических съемок с самолетными и экспедиционными. Многозональные фотографии были получены в 1973 ᴦ. при фотографировании девятиобъективной камерой. С корабля ʼʼСоюз-7ʼʼ (1969 ᴦ.) 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 ʼʼСалютʼʼ и ʼʼSkylabʼʼ, для чего широко использовались спектрозональные съемки и новые съемочные камеры, к примеру МКФ-6, а также приборы для обработки снимков.

При этом 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 телœевизионная 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 телœевизионная съемка Земли выполнялась с американских метеорологических спутников ʼʼTirosʼʼ с начала 60-х гᴦ. В нашей стране первые телœевизионные съемки Земли осуществлены со спутников ʼʼКосмосʼʼ. Так, работа двух из них (ʼʼКосмос-144ʼʼ и ʼʼКосмос-156ʼʼ) позволила создать метеорологическую систему, впоследствии разросшуюся в специ­альную службу погоды (система ʼʼМетеорʼʼ).

Глобальную телœевизионную съемку Земли осуществили спутники ʼʼESSAʼʼ. Несмотря на ряд трудностей, связанных с искажениями, возникающими за счёт 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.

Телœевизионные снимки стали получать с ресурсных спутников. Сюда относятся снимки советских спутников, работающих по программе ʼʼМетеор - Природаʼʼ, и американских спутников ʼʼLandsatʼʼ. Снимки, полученные с помощью аппаратуры ʼʼФрагментʼʼ (ʼʼМетеорʼʼ) и многозональной сканирующей системы MSS (ʼʼLandsatʼʼ), 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. По этой причине, при сохранении всœего 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 т.ч. сезонными.

Первым спутником, нацелœенным на исследование природных ресурсов Земли, стал ʼʼERTSʼʼ, дававший разрешение на местности в 50-100 м. Съемка со спутника ʼʼLandsat-4ʼʼ с помощью аппаратуры ʼʼThematic catographerʼʼ 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 ʼʼSpotʼʼ, здесь обеспе­чивается получение стереопар, а также регулярность повторения съемки. Для изучения при­родных ресурсов используется также многозональная съемка телœевизионными сканирующими системами спутников ʼʼМетеорʼʼ.

С 1972 ᴦ. с введением в эксплуатацию первого ресурсного искусственного спутника Земли (ИСЗ) ʼʼERTS-1ʼʼ, 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 данный 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 ʼʼРесурс-Фʼʼ, обеспечивающий синхронное многозональное и разномасштабное фотографирование земной поверхности. Черно-белая съемка в трех зонах видимой и ближней ИК областей спектра, а также спектрозональная съемка реализуются 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. Сегодня применение космических снимков стало нормой картографического производства. Οʜᴎ 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 ᴦ. 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 телœевизионной съемки служит не только Земля, но и це­лый ряд других планет или космических тел. Можно вспомнить съемки Луны станцией ʼʼЛунаʼʼ, ʼʼSurveyorʼʼ, ʼʼRangerʼʼ, Венеры - ʼʼВенераʼʼ; Марса, Венеры, Меркурия - с аппаратов ʼʼMarinerʼʼ, ʼʼVikingʼʼ; съемки кометы Галлея и др.

Упомянем также о фототелœевизионных снимках, совмещающих достоинства фотографиче­ского метода, и, прежде всœего высокое разрешение на местности, и телœевизионных. Первые фототелœевизионные снимки получены станциями ʼʼЛуна-3ʼʼ и ʼʼЗонд-3ʼʼ для невидимой с Земли стороны Луны, Марса - ʼʼМарс-4ʼʼ и ʼʼМарс-5ʼʼ 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 ʼʼПланета Земля из космосаʼʼ (1987), совместное советско-американское издание ʼʼНаш дом - Земляʼʼ (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 ʼʼПриродаʼʼ (Госцентр ʼʼПриродаʼʼ) 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 потребителœей выполняются и более сложные виды обработки, раз­личного рода преобразования снимков. Оперативная информация, предназначенная для авто­матизированной обработки, должна быть получена в виде магнитных лент для удобства ис­пользования при работе на ЭВМ.

Лекция 4. Дистанционные методы исследования - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Лекция 4. Дистанционные методы исследования" 2017, 2018.

Введение

Стремительное развитие космонавтики, успехи в изучение околоземного и межпланетного космического пространства, выявилось весьма высокая эффективность использования околоземного космоса и космических технологий в интересах многих наук о Земле: география, гидрология, геохимия, геология, океанология, геодезия, гидрология, землеведение.

Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного прогнозирования погоды и гидрометеорологической обстановки, для навигации на морских путях и авиационных трассах, для высокоточной геодезии, изучения природных ресурсов Земли и контроля среды обитания становится все более привычным. В ближайшей и в более отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космической техники в различных областях хозяйства значительно возрастет

Дистанционные методы

Дистанционные методы - общее название методов изучения наземных объектов и космических тел неконтактным путём на значительном расстоянии (например, с воздуха или из космоса) различными приборами в разных областях спектра (Рис.1). Дистанционные методы позволяют оценивать региональные особенности изучаемых объектов, выявляемые на больших расстояниях. Термин получил распространение после запуска в 1957 первого в мире искусственного спутника Земли и съёмки обратной стороны Луны советской автоматической станцией "Зонд-3" (1959).

Рис. 1. Основные геометрические параметры сканирующей системы: - угол обзора; Х и У - линейные элементы сканирования; dx и dy - элементы изменения мгновенного угла зрения; W - направление движения

Различают активные дистанционные методы, основанные на использовании отражённого объектами излучения после облучения их искусственными источниками, и пассивные , которые изучают собственное излучение тел и отражённое ими солнечное. В зависимости от расположения приёмников дистанционные методы подразделяют на наземные (в том числе надводные), воздушные (атмосферные, или аэро-) и космические. По типу носителя аппаратуры дистанционные методы различают самолётные, вертолётные, аэростатные, ракетные, спутниковые дистанционные методы (вгеолого-геофизических исследованиях - аэрофотосъёмка, аэрогеофизическая съёмка и космическая съёмка). Отбор, сравнение и анализ спектральных характеристик в разных диапазонах электромагнитного излучения позволяют распознать объекты и получить информацию об их размере, плотности, химическом составе, физических свойствах и состоянии. Для поисков радиоактивных руд и источников используется g-диапазон, для установления химического состава горных пород и почв - ультрафиолетовая часть спектра; световой диапазон наиболее информативен при изучении почв и растительного покрова, инфракрасная (ИК) - даёт оценки температур поверхности тел, радиоволны - информацию о рельефе поверхности, минеральном составе, влажности и глубинных свойствах природных образований и об атмосферных слоях.

По типу приёмника излучения дистанционные методы подразделяют на визуальные, фотографические, фотоэлектрические, радиометрические и радиолокационные. В визуальном методе (описание, оценка и зарисовки) регистрирующим элементом является глаз наблюдателя. Фотографические приёмники (0,3-0,9 мкм) обладают эффектом накопления, однако они имеют различную чувствительность в разных областях спектра (селективны). Фотоэлектрические приёмники (энергия излучения преобразуется непосредственно в электрический сигнал при помощи фотоумножителей, фотоэлементов и других фотоэлектронных приборов) также селективны, но более чувствительны и менее инерционны. Для абсолютных энергетических измерений во всех областях спектра, и особенно в ИК, используют приёмники, преобразующие тепловую энергию в другие виды (чаще всего в электрические), для представления данных в аналоговой или цифровой форме на магнитных и других носителях информации для их анализа при помощи ЭВМ. Видеоинформация, полученная телевизионными, сканерными (рис.), панорамными камерами, тепловизионными, радиолокационными (бокового и кругового обзора) и другими системами, позволяет изучить пространственное положение объектов, их распространённость, привязать их непосредственно к карте.

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) -- 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 познания 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 ультрафиолетового до дальнего инфракрасного и радиодиапазона, самая разная обзорность изображений -- от снимков с метеорологических геостационарных спутников, охватывающих практически целое полушарие, до детальных съемок участка в несколько сотен квадратных метров. 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. размеры и пространственное положение предметов определяли по их рисованным изображениям в центральной проекции, которые получали с помощью камеры-обскуры с возвышенных мест и судов. Исследователи создавали снимки-рисунки, графически фиксируя оптическое изображение. При этом уже при съемке производился отбор и обобщение деталей объекта.

Следующими этапами в развитии дистанционных методов стали открытие фотографии, изготовление фотообъектива и изобретение стереоскопа. Фотографическая регистрация оптического изображения позволила получать практически моментальные снимки, которые отличались объективностью, детальностью и точностью. 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 (с 1945 г. до конца 1950-х гг.) стало использование баллистических ракет 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 спутник 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»). 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 снимки с пространственным разрешением 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 географических информационных систем (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 ГИС, где результаты дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса служат регулярно обновляемым источником данных, необходимых для формирования природоресурсных кадастров и других приложений, охватывая весьма широкий спектр масштабов -- от 1:10 000 до 1:10 000 000. Основной продукт космического мониторинга -- снимок, то есть 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 (масштаб и разрешение снимков, метод и спектральный диапазон съемки) и природных (влияние атмосферы, особенности территории). В результате такой генерализации изображение многих черт земной поверхности на снимках освобождается от частностей, в то же время разрозненные детали объединяются в единое целое, поэтому более четко 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 детального изучения снимка, в частности, влечет ошибки дешифрирования. Однако в других ситуациях обобщенность изображения космических снимков становится их достоинством. Это свойство позволяет использовать их для составления тематических карт в средних и мелких масштабах без трудоемкого детального многоступенчатого перехода от крупных масштабов карт к мелкомасштабным картам, что обеспечивает экономию времени и средств. Кроме того, оно дает преимущества смыслового, содержательного плана -- на космических снимках выявляются важные объекты, скрытые на снимках более крупных масштабов.

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 космические снимки делятся на три основные группы:

снимки в видимом и ближнем инфракрасном70световом) диапазоне;

снимки в тепловом инфракрасном диапазоне;

снимки в радиодиапазоне.

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

• -фотографические;
• -телевизионные и сканерные;
• -многоэлементные снимки на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-снимки);
• -фототелевизионные снимки.

Снимки в радиодиапазоне делятся на микроволновые радиометрические, получаемые при пассивной регистрации излучения, и радиолокационные, получаемые при активной локации. По масштабу космические снимки делятся на мелкомасштабные, среднемасштабные и крупномасштабные. По обзорности (площадному охвату территории одним снимком) снимки подразделяют на: глобальные (охватывающие освещенную часть планеты), региональные (изображающие части материков или крупные регионы), локальные (изображающие части регионов). По пространственному разрешению (минимальной линейной величине регистрируемых объектов) снимки разделяют на группы от очень низкого до сверхвысокого разрешения. По детальности изображения, определяемой размерами элементов изображения и их количеством на единицу площади, выделяют снимки малой, средней, большой и очень большой детальности.

По повторяемости съемки снимки подразделяются на снятые через несколько минут, часов, суток, лет. Бывают и разовые съемки.

Классификация методов строятся по различным признакам. Исаченко за основу классификации методов принимает их деление на главные иерархические уровни .

· высший уровень – главные мировоззренческие методы, как правило, разрабатываемые философией (диалектический, метафизический).

· собственно-научные исследования, которые делятся на

1) общенаучные методы (их называют еще научными подходами). Систематический, генетический и ряд других.

2) специализированные – научные методы имеют применение в отдельных системах наук или областях.

Более широкую классификацию дал Ф.Н. Мельков, который строит классификацию методов по степени их универсальности (по широте использования). Все методы на 3 категории:

1. Общенаучные методы – материалистическая диалектика, ее законы и основные положения составляет методологию физической географии.

Исторический метод - системный подход к объекту исследования.

Системный подход рассматривает ПТК как сложное образование, состоящее из различных блоков, которые взаимодействуют между собой.

1. Междисциплинарные методы – общие для группы наук, но в каждой определенной науке преобладающие характерные черты.

ü Математические методы – применение математических знаний для решения научных задач географии. Математическая статистика, теория вероятности, математический анализ, теория множеств и т.д.

ü Геохимический метод – это метод исследования взаимосвязей, протекающие в природе посредством изучения миграции химических элементов ПТК.

ü Геофизический метод – это совокупность приемов при помощи, которых изучаются физические свойства ПТК: процессы обмена веществом, энергией и информацией ПТК с окружающей средой и внутри себя.

ü Метод моделирования – исследование структуры ПТК, связей, процессов между ними и внутри их, а также с другими явлениями в реальности с помощью модели. Модели делятся на несколько групп:

Вербальные (словесные) – это развернутое название ПТК, которое составляется в процессе исследования.

Матричные модели – это таблица, в которой по ряду граф ранжируются ПТК.

Графические (картографическая модель ландшафтов ПТК). К числу графических моделей относят КФГП

Математические модели позволяют в виде формул выразить характер процесса.

ü Метод районирования – разделение территории на однородные регионы с учетом одной или нескольких. Используется физико-географическое районирование (на основе учета характера природного компонента) и ландшафтное, которое строится на основе анализа и структуры ландшафтов на определенной территории.

ü Географический прогноз – научная разработка представлений о геокомплексах будущего, их коренных свойствах и разнообразии переменных составляющих, в том числе обусловленные преднамеренными и непреднамеренными результатами деятельности человека.

ü Геоэкологический метод – изучение ПТК и ПАК с позиции гуманитарно-экологической точки зрения.

Глобальные - экологические проблемы изучения на уровне географической оболочки.

Региональные – решаются на уровне ландшафтных областей, провинций и районов.

Локальные - проблемы решаются на уровне ландшафтов и урочищ.

1. Специфические методы – это методы, которые используются в какой-то конкретной науке (частными, конкретными, специализированными). Следующие специфические методы:

ü Ландшафтные – изучение распространения структуры, функционирования, динамики, генезиса, тенденции ПТК. Широко используются

ü Литературно-картографический - изучение ПТК на основе анализа литературных и картографических источников.

ü Сравнительно-описательный метод используется при проведении полевых исследовательских работ, при составлении легенд карт, при написании текста.

ü Экспедиционный метод – одна из организационных форм полевых исследований, которая связана с маршрутным перемещением.

ü Стационарный метод – изучение состояний и изменения свойств ПТК и их компонентов, основанное на длительных наблюдениях в одном месте (года). Создаются специальные физико-географические стационары, зональные полигоны. Такие наблюдения называются мониторингом.

ü Полустационарный метод – это метод краткосрочных наблюдений, которые проводятся не круглый год, а лишь в его период.

ü Дистанционные методы – исследование ПТК и воздействующих на них факторов, с помощью средств находится на расстоянии от объекта или от наблюдателя.

ü Аэрокосмические методы – наблюдения и съемка с самолета или с вертолета. Космическая съемка – со спутника.

4 типа исследований:

1. визуальные

2. фотографические

3. электронные

4. геофизические

Метод ГИС технологий – это набор программных инструментов, используемых для ввода, хранения, манипулирования, анализа и отображения всей имеющейся информации. Создаются комплексные БД о ПТК.

Палеографический метод – суть: раскрыть историю развития ПТК по следам прошлого ПТК, следовательно используется различные палеогеографические методы (реликтовых растений, остатки и отпечатки разложений)

По признаку научной новизны, т.е. данности их использования. Жучкова и Раковская классифицируют:

· Традиционные (сравнительно-описательные, экспедиционные,районирования).

· Новые или современные точные методы (ландшафтные, геофизические, геохимические, стационарные, математические, аэрофотосъемка).

· Новейшие методы (космические, моделирования, прогнозирования, Гис-технологий и др. методы).

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.