Аэрокосмический мониторинг

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. Иногда регистрируемое в определенном спектральном диапазоне излучение несет информацию о единственном интересующем исследователя свойстве объекта и позволяет выделить этот объект из общего фона. Современная техника дистанционных съемок позволяет регистрировать интенсивность излучения как в узких, так и в широких спектральных диапазонах (рис. 16.1). Разрабатываются технические средства и методы автоматической обработки получаемой информации. Технологическая схема аэрокосмического мониторинга показана на рис. 16.2.

Картины Земли из космоса - это прежде всего интегральные изображения природных и хозяйственных систем. Именно они в силу своей физиономичности легче всего выделяются и характеризуются в процессе аэрокосмического мониторинга. Интегральному направлению мониторинга должно соответствовать комплексирование средств сбора и обработки информации. Исследователь оперирует изображениями или цифровыми данными о земной поверхности как в широкой зоне видимого спектра, так и в ультрафиолетовом, инфракрасном и радиолокационном диапазонах. Пространственные масштабы объектов космического мониторинга: топологический, региональный, глобальный. Временные масштабы мониторинга: суточный, сезонный, по годам, многолетний. Рассмотрим принципиальные возможности дистанционного зондирования и проследим основные тенденции развития методов аэрокосмического мониторинга.

Многозональная съемка в оптическом диапазоне. Важнейшими физическими характеристиками природных объектов, оказывающими влияние на изображение, являются оптические свойства компонентов ландшафтов, поскольку при прочих равных условиях характер изображения определяется значением спектрального коэффициента яркости (СКЯ) объекта. Существующие технические средства получения многоспектрального изображения и методы обработки информации позволяют опознавать, классифицировать и картографировать отдельные компоненты природно-хозяйственных систем по их СКЯ.

Многозональная съемка выполняется на основе фотографических и фотоэлектронных методов. К первым относятся методы, известные под названием многоспектральной (многозональной) фотосъемки, ко вторым - методы многоканальной спектрометрической съемки.

Метод многоспектральной фотосъемки основан на одновременном фотографировании местности на разные типы пленок, различающиеся спектральной чувствительностью. Многоспектральные снимки могут быть получены также с помощью многоэмульсионных (спектрозональных) пленок.

В спектрозональной фотографии не преследуется цель воспроизведения натуральных цветов: важно получение наибольшего цветового контраста в отдельных слоях. Благодаря эмульсионному слою, чувствительному к красному и инфракрасному излучению, спектрозональные пленки особенно полезны при дешифрировании состояния растительного покрова.

Применение многослойных пленок все же не может в полной мере решить задачу многозонального фотографирования. Общая тенденция к сужению спектральных интервалов ведет к более широкому варьированию типами пленок и светофильтров. На первых шагах развития метода многозональной съемки требуемый эффект достигался увеличением числа аэрофотоаппаратов (АФА), устанавливаемых на борту самолета. В самом простом случае использовались две совместно работающие камеры, часто встречались четырехкамерные системы, но известны экспериментальные установки, состоящие из 26 камер.

Более совершенно фотографирование современными многообъективными АФА. Четырехобъективный АФА, например, экспонирует сразу четыре кадра. Кассета позволяет вести съемку или на одну широкоформатную пленку, или на четыре различных типа пленки. Для выделения узких зон спектра используется набор светофильтров.

Новые возможности открывает метод электронной спектрометрической съемки. Его главные достоинства: большой динамический диапазон, высокая чувствительность, линейное преобразование светового сигнала в электрический, форма регистрации, удобная для ввода в компьютер для автоматической обработки. Как правило, удовлетворительные результаты дают приборы с 5 каналами, в экспериментальных целях создаются камеры с 15, 20 и даже 30 каналами.

Идея выделения компонентов природы по их СКЯ высказывалась давно, однако ее реализация затруднялась несовершенством методики визуального сопоставления множества исходных изображений, сделанных в узких зонах спектра. Новые возможности открывает техника оптического и электронного преобразования многозональных изображений. По желанию оператора на экране появляется черно-белое или цветное монохроматическое изображение или сложное цветное изображение. Можно получить естественный цвет или самые разнообразные варианты изображения в псевдоцветах.

Съемка в коротковолновой и длинноволновой зонах спектра. Новые перспективы открывает техника съемки в коротковолновой и длинноволновой зонах спектра. К их числу относятся методы ультрафиолетовой, флуоресцентной, инфракрасной и радиолокационной съемки. Среди них выделяют пассивные методы, использующие отраженную солнечную радиацию или собственное излучение объектов, и активные методы, основанные на зондировании местности в определенном диапазоне электромагнитного спектра. Активные методы особенно эффективны, так как они частично или полностью снимают ограничения, связанные со съемкой в ночное время и в плохих погодных условиях. Совместное применение изображений, полученных с помощью различных дистанционных приемников, существенно повышает информативность дешифрирования.

Ультрафиолетовая и флуоресцентная съемка. Ультрафиолетовый участок электромагнитного спектра делится на два интервала: дальний (0, 01-0, 3 мкм) и ближний (0, 3—0, 4 мкм). Ближнее ультрафиолетовое излучение может быть использовано для одного из перспективных видов дистанционных исследований - флуоресцентной съемки, основанной на способности углеводородов (нефти) и газов, разнообразных синтетических материалов, загрязняющих окружающую среду, светиться при облучении их ультрафиолетом.

Инфракрасная (ИК) съемка. Инфракрасное излучение передается через атмосферу в виде электромагнитных волн, локализованных между красным светом и микроволновой областью. ИК-съемка проводится в трех диапазонах (атмосферных окнах), в которых находится область минимального поглощения ИК-излучения: 0, 74-1, 2; 3, 5-5, 5; 7, 5-14 мкм.

Существующая ИК-аппаратура имеет высокую чувствительность и удовлетворительное пространственное разрешение, позволяющее получать ИК-изображение суши, близкое по своему разрешению к фотоснимкам. Съемка может вестись в дневное и ночное время; отрицательное влияние на результаты ИК-аэросъемки оказывают дождь и облачность.

В последние годы создана система линейного сканирования ИК-излучения в полосе 200-850 нм. Основные данные приемника: диапазон измерений температуры от —2 °С до +100 °С, точность 0, 2 °С, сектор сканирования 80 °С. Система позволяет получать профили температуры вдоль и поперек маршрута, черно-белое и цветное ИК-изображение, а также схему распределения температур в виде изотерм.

Эксперименты показали большую перспективность ИК-съемки при решении ряда геоэкологических задач. Сюда относится картографирование и изучение структуры орошаемых земель, выявление лесных пожаров, температурных аномалий, связанных с крупными промышленными объектами, и т. п. Важной сферой применения ИК-съемки является контроль за промышленными стоками и загрязнением прибрежных акваторий. ИК-съемка с успехом используется и для обнаружения пятен нефти на поверхности моря.

Радиолокационная (РЛ) съемка. Развитие РЛ-съемки обусловлено рядом ее преимуществ, связанных с возможностью получения изображения в мелком масштабе со средних высот практически при любых метеорологических условиях днем и ночью, а также благодаря дополнительной информации о природе объектов, которую можно получать вследствие иных физических особенностей РЛ-изображений по сравнению с фотографическими.

Работа РЛ-станции основана на принципе регистрации отраженного сигнала. Вода для радиоволн является зеркальным отражателем, по этой причине радиосигнал отражается от поверхности моря под углом, равным углу его падения, и не попадает на приемное устройство антенны. Водные пространства всегда имеют черный тон изображения, а подводные объекты на РЛ-снимках не просматриваются. Достоинство радиолокационной съемки в том, что она содержит ценную информацию о свойствах литогенной основы природных комплексов, вещественном составе пород, рельефе и т. п.

Важное преимущество РЛ-съемки - ее всепогодность. Качество РЛ-изображения не зависит от освещения солнцем, прозрачности атмосферы или наличия облачного покрова (за исключением мощных низвергающихся дождем туч и грозовых облаков). РЛ-съемка может проводиться круглосуточно в слабо освещенных полярных районах, а также в районах, часто закрытых облачностью. Систематическая РЛ-съемка - быстрый и надежный метод составления фотокарт для изучения динамики рельефа.

Радиолокация весьма эффективна для съемки морских льдов. Радиолокационные изображения позволяют определять основные характеристики ледового покрова, необходимые для составления ледовых карт и обеспечения проводки судов.

Космический мониторинг. Изображения и различные формы информации, получаемые с помощью аппаратуры, установленной на орбитальных носителях, могут быть подразделены на следующие категории: 1) фотографические изображения; 2) инфракрасные (ИК) изображения, получаемые с помощью сканирующих ИК-радиометров, и карты температуры, построенные по спутниковым данным; 3) изображения в видимой части спектра, получаемые с помощью оптических сканеров, а также синтезированные изображения, полученные с помощью многоканальной аппаратуры и представленные с искусственным усилением контрастов или в псевдоцвете; 4) радиояркостные изображения, получаемые с помощью микроволновых (СВЧ) сканеров, и карты радиояркостной температуры; 5) радиолокационные изображения; 6) топографическая информация, полученная с помощью радиовысотомеров, и карты уровенной поверхности океана и глубин в пределах мелководий; 7) схемы или карты различного рода, являющиеся результатом обработки (дешифрирования) и комбинирования разнородной спутниковой информации.

Отмечаются следующие особенности и достоинства космического мониторинга:

- 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;

- космоснимки 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 природных 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.

Подводя итог сказанному, отметим, что главной особенностью современного этапа развития дистанционного мониторинга являются разработка и использование новых технических средств сбора и обработки информации. Применяются активные и пассивные методы съемки, использующие для дистанционного зондирования объектов не только видимую часть спектра, но также коротковолновую (ультрафиолетовую) и участки длинноволнового диапазона. Материалы дистанционных съемок разного вида, масштаба и времени позволяют с высокой степенью детальности и точности получать характеристики состояния ландшафтов, изучать их динамику под воздействием естественных и антропогенных факторов; разномасштабные съемки дают возможность изучать состояние ПТК на разных иерархических уровнях.