2.3. Оптико-электронные методы

Большую группу дистанционных методов геологических исследований образуют аэрокосмические съемки Земли, осуществляемые с помощью нефотографических съемочных систем. Подобное зондирование земной поверхности выполняется телевизионными камерами, сканирующими устройствами, спектрометрической аппаратурой, радиолокаторами и др. В зависимости от используемых съемочных систем оптико-электронные методы позволяют изучать геологические объекты в широком интервале электромагнитных волн: от видимого спектра до сверхчастотного радиодиапазона. Рассматриваемая группа методов дистанционного зондирования включает телевизионную съемку, многоспектральную сканерную съемку, спектрометрирование, тепловую инфракрасную и радиолокационную съемки.

Телевизионная (ТВ) съемка. Дистанционное зондирование в видимой и ближней ИК-области спектра электромагнитных колебаний (0,4–1,1 мкм) может выполняться с помощью телекамер. ТВ-съемка отличается от фотографической тем, что дает изображения с меньшим разрешением на местности. Однако подобное зондирование имеет свои преимущества – большая обзорность ТВ-снимков и оперативность их получения.

Космическая ТВ-съемка производится ежедневно с охватом всей земной поверхности с высот 600–1000 км при ширине полосы обзора от 1000 до 2500 км. Технология проведения ТВ-съемки включает регистрацию электромагнитного спектра при помощи телекамеры. Изображение поступает на приемно-передающее устройство камеры–видикон. Отсюда электромагнитные сигналы по радиоканалу в фототелеграфном режиме поступают на приемные станции на Землю, либо записываются на магнитную ленту. На приемных станциях телесигналы усиливаются и преобразуются в видимое телевизионное изображение, фотографируемое с телеэкрана специальным устройством.

ТВ-аппаратура дистанционного зондирования может включать несколько черно-белых видиокамер с различными светофильтрами, либо состоять из одной камеры с несколькими телеканалами. В последние годы отмечается тенденция использования ТВ-камер, работающих в ИК-области спектра в диапазоне 2–15 мкм. В них передающими элементами служат полупроводниковые и пироэлектрические видиконы.

Впервые ТВ-системы были установлены на метеорологических ИСЗ, в том числе «Метеор» и «Нимбус». Технические параметры ТВ-съемки с ИСЗ «Метеор-1» следующие: высота полета – 620–890 км; полоса захвата – 1000–1400 км; разрешение на местности – 1,25–1,70 км; спектральный диапазон – 0,4–0,7 мкм.

ТВ-камеры могут входить в состав аппаратных комплексов дистанционного зондирования с авиационных носителей. Это позволяет получать изображения местности в цифровой форме непосредственно в процессе проведения аэросъемочных работ, осуществлять запись видеоинформации, а также вести обработку ТВ-изображений с помощью ПЭВМ.

Значение космической ТВ-съемки в комплексе региональных геологических исследований определяется ее основными преимуществами: охватом местности в тысячи километров, высокой степенью генерализации ТВ-изображений, возможностью регулярного получения этой информации почти по любому району земного шара. По ТВ-снимкам дешифрируются отдельные части трансконтинентальных линеаментов (Сарматско-Туранский и др.), суперрегиональные разломы и крупнейшие складчатые структуры типа мегантиклиналий. Возможности изучения по ТВ-изображениям литолого-стратиграфических комплексов крайне ограничено.

По телеснимкам, полученным с ИСЗ «Метеор» была составлена карта линейных и кольцевых структур Восточно-Европейской платформы, выполнено геологическое дешифрирование территории Приенисейской Сибири и других регионов. Исследованиями В. И. Астахова, И. И. Баши-ловой, В. Я. Еременко и др. показано, что основная информация, получаемая с помощью ТВ-снимков, носит тектонический и особенно неотектонический характер и пригодна при составлении мелкомасштабных тектонических карт.

Многоспектральная съемка выполняется сканерными системами, которые устанавливаются как на космические, так и авиационные носители. Подобное зондирование Земли широко применяется в геологических исследованиях.

В многозональных сканерах излучение, поступающее от природного объекта, отражается от сканирующего элемента (вращающегося или качающегося зеркала), попадая через объектив в точечный датчик. Этот прибор преобразует световой сигнал в электрический и разделяет его на ряд зон (полос-сканов), каждый элемент которых (пиксел) регистрируется отдельно. В результате преобразования исходного многомерного пространства природных образований формируется другое многомерное пространство в виде сканерного изображения. Каждому элементу такого изображения соответствует яркость излучения природных образований, находящихся в момент регистрации в поле зрения сканирующего устройства.

При сканерной съемке используется участок видимого спектра электромагнитного излучения и ИК-диапазон. Отличительная черта сканерных устройств – способность воспроизводить изображение земной поверхности в узких зонах – до 40 нм. Полученная при помощи сканирующих устройств информация поступает по радиоканалу в наземные приемные центры, где в цифровом виде записывается на магнитную ленту и параллельно визуализируется на фототелеграфном аппарате в виде снимков.

Многоспектральными сканерами оборудованы спутники «Метеор-2», работающие в различных диапазонах в видимой и ближней ИК-частях спектра. Масштаб снимков, получаемых в результате съемки многоспектральным сканером (МСС) малого разрешения на борту ИСЗ «Метеор-2» равен 1:6 000 000, разрешение на местности – 1 км, масштаб снимков МСС среднего разрешения – 1:2 500 000, разрешение на местности–около 250 м.

Для оперативного сбора видеоинформации разработана многоспектральная сканирующая система «Фрагмент», с помощью которой съемки земной поверхности с борта спутника «Метеор-2» проводятся в восьми интервалах электромагнитного спектра в видимом и ближнем ИК-ди-апазонах. Ширина полосы обзора в системе «Фрагмент» составляет 85 км, разрешение–около 80 м; процессы получения и обработки космической информации автоматизированы.

В геологических целях важное значение приобретает космическая информация с российских ИСЗ «Ресурс-01». Спутники этой серии оснащены аппаратурой высокого и среднего разрешения и обеспечивают съемку Земли в нескольких спектральных диапазонах. Информационные возможности ИСЗ «Ресурс-01» сопоставимы с возможностями американской космической системой «Лэндсат».

На ИСЗ «Ресурс-01» в качестве датчиков дистанционного зондирования используются многозональные сканирующие устройства двух типов: оптико-электронные высокого разрешения (МСУ-Э) и оптико-механические среднего разрешения с конической разверткой (МСУ-СК).

Камера МСУ-Э имеет следующие технические характеристики: спектральные диапазоны–0,5–0,6; 0,6–0,7 и 0,8–0,9 мкм; пространственная разрешающая способность–45 м; ширина полосы обзора–45 км.

Устройство МСУ-СК работает в диапазонах–0,5–0,6; 0,6–0,7; 0,7–0,8; 0,8–1,1 мкм (видимые и ближние ИК- участки спектра) и 10,4–12,6 мкм (тепловой ИК-диапазон); пространственное разрешение камеры–140 и 550 м (в зависимости от спектральных диапазонов); ширина полосы обзора–600 км.

Для сравнения приведем параметры многоспектрального сканера MSS, который устанавливался на космические аппараты «Лэндсат-3,4 и 5»: разрешение – 80 м; используемые спектральные диапазоны –  0,49–0,605 мкм (зеленый), 0,603–0,698 мкм (красный), 0,701–0,813 мкм (красный-ближний ИК) 0,808–1,23 мкм (ближний ИК); зона обзора – 185 км.

На ИСЗ «Метеор-3М» (находится на орбите с 2001 г.) установлен многоспектральный радиометр (МСР) и МСУ-Э. МСР обеспечивает построение изображений Земли в видимом и ближнем ИК и тепловом ИК-ди-апазонах спектра. МСР имеет следующие технические характеристики: спектральные диапазоны–0,5–0,7; 0,8–1,0; 10,4–11,3 и 11,5–12,5 мкм; пространственное разрешение–1 км; радиометрическая точность в тепловых ИК-диапазонах–0,15 К; ширина полосы обзора–2700 км. Данные сканирующего устройства МСУ-Э сходны с «Ресурс-01».

Действующий сегодня спутник «Лэндсат-7» был запущен в 1999 г. Установленный на спутнике сканирующий радиометр ЕТМ обеспечивает съемку земной поверхности в шести каналах с разрешением 30 м, в одном ИК-диапазоне – 60 м и одновременную панхроматическую съемку с разрешением 15 м при ширине полосы обзора для всех каналов 185 км.

Сканирующими устройствами оборудуются также авиационные носители. На самолете-зондировщике «Геофизика» оптический многоспектральный сканер обеспечивает с высоты полета 20 км полосу обзора 28 км и разрешающую способность 30 м.

Главное преимущество сканерной съемки: 1) многоканальность, обеспечивающая получение изображений геологических объектов в различных спектральных диапазонах (в узких интервалах); 2) оперативность, позволяющая передавать изображения по радиоканалам; 3) изображения объектов представляются в цифровом (электронном) варианте, что позволяет проводить геологическое дешифрирование сканерных космических снимков (КС) с помощью автоматических систем; 4) сканерные КС могут быть преобразованы специальным устройством в виде фотографических изображений.

Материалы космической сканерной съемки нашли широкое применение в геологии. На основе сканерных КС были составлены мелкомасштабные космотектонические карты Арало-Каспийского региона, территории Украины, западной части Восточно-Европейской платформы и многих других регионов.

Результаты космогеологических исследований территории Беларуси показывают, что высокой геоинформативностью отличаются сканерные изображения, выполненные с ИСЗ «Метеор-2 и 3», «Ресурс-01» и «Лэндсат-3» в красном и ближнем ИК-диапазонах. Геологическое дешифрирование этих снимков позволило выявить пространственное распределение линейных и кольцевых структур разного порядка (от суперрегиональных до локальных); изучить особенности развития ротационно-планетарных процессов; оконтурить гляциодинамические формы рельефа земной поверхности; определить области питания и разгрузки подземных вод; составить серию космотектонических и прогнозных карт масштабов 1:1 000 000–1:200 000 и др.

Важную роль в эколого-геологическом картографировании и ведении литомониторинга играет прицельная сканерная съемка с ИСЗ «Ресурс-01». В основе подобного зондирования земной поверхности лежит свойство оптической оси сканера отклоняться на управляемый угол, что позволяет последовательно регистрировать с одного витка трассы космического аппарата множество отдельных участков местности, а каждый из них снимать в течение одного периода глобального обзора не с одного, а со многих витков. При этом наибольшую информативность имеют цифровые изображения, полученные многозональным сканирующим устройством высокого разрешения МСУ-Э. По КС, визуализированным в масштабе 1:100 000, возможно изучение проявлений экзогенных геологических процессов, изменений уровенного режима подземных вод и других трансформаций верхней части литосферы под воздействием техногенеза.

Дистанционное спектрометрирование Земли позволяет измерять спектральный состав излучения, отраженного природными объектами в диапазоне электромагнитного спектра 0,4–2,5 мкм. Отраженное земной поверхностью излучение проходит в спектрометрах через собирающую оптическую систему и разделяется специальным устройством на спектральные составляющие. Их амплитуды измеряются и регистрируются.

Первое успешное космическое спектрофотометрирование было проведено космонавтом В. И. Севастьяновым с корабля «Союз-9» в 1970 г. По данным спектрометрирования с орбитальных станций «Салют-4, 6» осуществлялось изучение геосистем белорусскими учеными (Б. И. Бе-ляев, Л. И. Киселевский, А. А. Ковалев и др.). Дистанционное спектрометрирование позволяет классифицировать спектральные яркости литологического состава горных пород и других природных образований, описанных Е. Л. Криновым при наземных исследованиях.

Примерами спектрометрической аппаратуры, разработанной в Беларуси, могут служить спектрометрические системы «СКИФ» и «ГЕММА». Система «СКИФ» обеспечивает измерение спектрального состава излучения в одном из 5 спектральных интервалов: 0,39–1,1; 0,39–0,59; 0,56–0,73; 0,72–0,88; 0,84–1,1 мкм. «ГЕММА» работает в спектральном диапазоне 0,4–0,88 мкм. Максимальное число спектральных каналов – 450, средняя ширина спектрального канала составляет 2–3 нм. Спектрометрической аппаратурой оснащена вертолетная лаборатория МИ-8МТ, получившая широкое применение в изучении природной среды Белорусского региона.

Спектрометрическая съемка в геологических целях информативна в видимом и ближнем ИК-спектральном диапазоне (0,4–1,4 мкм). Такая съемка позволяет измерять отражательную способность горных пород. Последние имеют различную отражательную способность и поэтому отличаются величиной коэффициента спектральной яркости. Познание значений коэффициентов спектральной яркости горных пород расширяет возможности геологического дешифрирования, в том числе с использованием компьютерных технологий. Геологические объекты отражаются на снимках с разной степенью контраста, зависящего от их спектральных особенностей.

Инфракрасная (ИК) съемка проводится с целью регистрации теплового излучения геологических объектов с космических аппаратов и самолетов в интервалах длин волн преимущественно 3,5–5 и 8–14 мкм. ИК-зондирование осуществляется с помощью сканирующих систем и последующей визуализацией радиационных изменений в форме тепловых карт. Последние отображают пространственно-временное распределение температурных контрастов земной поверхности и структурных форм литосферы.

Пороговая чувствительность ИК-тепловой аппаратуры составляет 0,1–1ºК, что позволяет фиксировать даже незначительные температурные различия геологических объектов. Разрешение деталей на местности при космической съемке составляет от сотен метров до первых километров. ИК-съемка с авиационных носителей с высот не более 1 км обеспечивает разрешение до 10–15 м. Приемниками ИК-излучения способными получить тепловые карты с высокой пороговой чувствительностью и разрешающей способностью в спектральном диапазоне 8–14 мкм, являются фоторезисторы из сернистого свинца, теллура и сурьмянистого индия.

ИК-съемка из космоса осуществляется сканирующими радиометрами. Подобная аппаратура устанавливается на спутниках системы «Метеор», «Космос» и др. На ИСЗ «Лэндасат-3» в бортовом многоспектральном сканере дополнительно использовался тепловой ИК-диапазон 10,4–12,5 мкм с пространственным разрешением 240 м.

В настоящее время для дистанционного зондирования с авиационных носителей применяется ИК-аппаратура «Зима», «Осень», «РСФ-М» и др. Наиболее перспективно использование ИК-комплекса «РСФ-М», охватывающего весь процесс радиационных измерений земной поверхности: от собственно ИК-съемки с борта носителя и регистрации сигналов, до визуализации изображений в псевдоцветах на экране видеоконтрольного устройства, их предварительной обработки с выводом результатов в наглядном для потребителя виде. ИК-комплекс «РСФ-М» позволяет выполнять аэросъемку с высот 100–1000 м в спектральных интервалах 0,8–1,1 и 8–13 мкм с линейным разрешением около 0,7 м.

Широкое применение в геологических исследованиях получила ИК-аппаратура «Вулкан», регистрирующая излучение земной поверхности в областях спектра 3–5 и 8–14 мкм. Подобное ИК-зондирование земной поверхности осуществляется со специализированного самолета АН-30.

Главный принцип применения ИК-изображений в геологических исследованиях заключается в том, что одновозрастные и близкие по литологическому составу породы при прочих равных условиях (влажность и др.) должны обладать близкими тепловыми контрастами и, следовательно, отражаться на ИК-изображении сходной структурой рисунка.

Наиболее ярко проявляются возможности ИК-съемки при изучении районов активной современной вулканической и гидротермальной деятельности. В этом случае аномальные, высокотемпературные источники тепла находятся на поверхности, и ИК-изображение передает картину распределения теплового поля в момент съемки. На ИК-снимках обнаруживаются тепловые аномалии (обычно в виде светлых пятен), определяющие положение кратера вулкана, выходы термальных вод и газов.

С помощью тепловой аэросъемки решаются различные геологические задачи. При геологическом картографировании и поисках полезных ископаемых материалы ИК-съемки позволяют изучать интрузивные массивы; выявлять древние вулканические аппараты и куполовидные поднятия в погребенных гранитных массивах; выделять литологические разности горных пород; обнаруживать системы разрывных нарушений; фиксировать проявления современной гидротермальной деятельности и др.

Применение ИК-аэросъемки в гидрогеологических и инженерно-геологических исследованиях способствует оконтуриванию очагов разгрузки подземных вод; изучению термальных источников, явлений заболачиваемости и засоления; обнаружению погребенных долин рек, проявлений карстовых и суффозионных процессов, льдистых грунтов, криогенных структур и др.

При изучении состояния геологической среды по материалам съемки достигается возможность обнаруживать снижение уровня грунтовых вод вблизи карьеров и просадки грунтов над шахтными горными выработками; выявлять очаги загрязнения водоемов; обнаруживать скрытое возгорание торфяников и терриконов; осуществлять контроль состояния подземных теплотрасс.

Материалы космической ИК-съемки целесообразно использовать для выявления региональных разломов литосферы, по которым происходит разгрузка глубинных подземных вод; оконтуривания зон подтопления и заболачивания вблизи крупных водохранилищ и каналов; изучения влажности почво-грунтов в районах мелиораций.

Радиолокационная (РЛ) съемка как один из видов дистанционных методов базируется на использовании радиоволнового участка электромагнитного спектра 0,3–100 см. Особую эффективность такое зондирование приобретает при изучении Земли и геологии других планет Солнечной системы, если их поверхность закрыта для наблюдения (съемки) плотной облачностью, туманом. РЛ-зондирование может проводиться в любое время суток. При РЛ-съемке широко используются радиолокационные станции бокового обзора (РЛС БО).

Материалы РЛ-аэросъемок применяются в региональных геологических исследованиях. Рассмотрим специфику подобного зондирования земной поверхности. Посланный РЛС БО радиосигнал по нормали отражается от встречающихся на его пути объектов и улавливается специальной антенной, затем передается на видикон или фиксируется на фотоэмульсии (фотопленке). Принцип работы основан на фиксировании различного времени прохождения зондирующего импульса до объекта и обратно.

РЛ-снимок формируется бегущим по строке световым пятном. Участок местности, расположенный непосредственно под самолетом, не попадает в область действия радиосигнала и образует «мертвую» зону, величина которой зависит от высоты полета и угла локации. Выраженность РЛ-изображения зависит от степени шероховатости поверхности отражения (земной поверхности), геометрии объекта, угла падения луча, физических свойств поверхности отражения (состав грунтов, влажность и др.).

Среди РЛС БО, установленных на авиационных носителях, следует отметить станцию «Торос». В этой аппаратуре используются две полосы обзора справа и слева по направлению летательного средства. РЛ-аэ-росъемка выполняется в масштабах 1:90 000 и 1:180 000 в каждой из полос обзора при разрешении от 10 до 200 м.

Космические РЛС БО отличаются удачным сочетанием достаточно высокого разрешения при широкой (до максимальной) полосе обзора. Так, подобная аппаратура, установленная на ИСЗ «Космос-1500», при высоте орбиты 649–679 км обеспечивала ширину полосы обзора 450–500 км и среднее линейное разрешение 0,8–2,5 км.

С целью повышения разрешающей способности космического РЛ-зон­дирования ИСЗ оборудуются радиолокационными системами с синтезированной апертурой антенны (РСА). Установленная на российском ИСЗ «Алмаз-1А» РСА включает две волноводные антенны и имеет следующие характеристики: разрешение на местности – 30 м; ширина полосы обзора –30 км; ширина полосы захвата–350 км.

РСА входят в состав аэросъемочных комплексов. Например, на самолете-зондировщике «Геофизика» функционирует двухдиапазонная РСА (длины волн 4 и 125 см) с разрешающей способностью 5 и 20 м.

РЛ-изображения информативны при изучении структурных форм литосферы, если они выражены в рельефе, подчеркнуты сменой литологического состава горных пород или зонами изменения гидрогеологических условий. Разломы и трещины хорошо фиксируются на радарном изображении в виде протяженных линий в том случае, если их простирание совпадает с направлением летательного средства. Низкий угол съемки позволяет использовать теневой эффект для выделения структурных элементов.

Работы, выполненные в пределах Кольского полуострова, Полярного Урала, Камчатки и других складчатых районов, показывают широкие возможности РЛ-аэросъемки в геологическом картографировании (трассирование тектонических нарушений, выявление границ литолого-стратиграфических комплексов, определение вещественного состава горных пород и др.). Интересные геологические результаты получены по применению РЛ-зондирования при изучении структурных форм платформенных областей (Западная Сибирь, Туркмения, Беларусь). Использование РЛ-съемки оказалось эффективным при геологическом картографировании труднодоступных районов, покрытых густой тропической растительностью, где метеорологические условия не позволяют проводить обычную аэрофотосъемку (Колумбия, Панама, Эквадор, Бразилия и др.).

Космические РЛ-съемки наиболее информативны при региональном геологическом картографировании, поскольку РЛ-изображения отражают генерализованные структуры, охватывают большие по площади территории. При геоморфологических исследованиях с помощью РЛ-изо-бражений обнаруживаются особенности строения гидросети. На снимках дешифрируются как современные, так и погребенные долины, фиксируются участки рельефа с повышенной влажностью. По РЛ-изображениям возможно изучение геоморфологии прибрежных зон морей и океанов (характер береговой линии, затопленные устья рек, рифовые постройки и т. п.).