2.1. Физические основы и техника аэрокосмических съемок

Дистанционные методы позволяют изучать физическое поле Земли на расстоянии с целью получения информации о строении литосферы.

Физической основой дистанционного зондирования является отраженное либо собственное излучение электромагнитных волн природными объектами. Под электромагнитным излучением понимают распространение энергии в пространстве в виде волн или прямолинейного потока световых частиц (фотонов). Электромагнитные колебания имеют широкий диапазон длин волн. Общий спектр электромагнитного излучения различается по частоте и делится на несколько областей, называемых зонами (диапазонами) спектра. Для измерения длин волн в коротковолновом участке спектра в большинстве случаев используют следующие единицы: микрон или микрометр (мкм) и нанометр (нм). 1 мм = 10³ мкм = 10⁶нм. Выделяют следующие основные диапазоны электромагнитных волн: ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный и радиодиапазон.

Дистанционное зондирование Земли проводится через толщу атмосферы. При прохождении через атмосферу электромагнитные волны взаимодействуют с содержащимися в ней частицами пыли, дыма, кристалликами льда, каплями воды и т. п. Атмосфера пропускает солнечные лучи определенных длин волн. Другую часть лучей атмосфера задерживает, отражая, рассеивая и поглощая их. Участки спектра, в пределах которых электромагнитные волны хорошо проходят сквозь атмосферу, достигая приемных устройств систем дистанционного зондирования, называют окнами прозрачности атмосферы (рис.1). Для съемки земной поверхности с авиационных и космических аппаратов используются следующие диапазоны волн:

● видимый диапазон 0,4–0,8 мкм;

● ближний инфракрасный диапазон 0,8–1,5 мкм;

● тепловой инфракрасный диапазон 3,5–5 и 8,0–14 мкм;

● сверхчастотный радиодиапазон 0,3–100 см.

Причем для геологических целей наибольшей геоинформативностью отличается видимый и ближний инфракрасный (ИК) диапазон. По мнению космонавта, профессора В. П. Савиных около 80 % информации, поступающей в настоящее время из космоса, приходится на этот диапазон.

Геологические объекты (горные породы, структурные элементы, формы рельефа земной поверхности) испускают электромагнитные волны, которые содержат как собственное излучение, так и отраженное излучение энергии Солнца. Экспериментальными исследованиями установлено, что величина и характер электромагнитных колебаний во многом зависит от структурных и литологических особенностей

Рис. 1. Прозрачность атмосферы для электромагнитных волн (по Ю. Ф. Книжникову и др.)

поверхности литосферы. Существующие различия в электромагнитном излучении разнородных геологических образований позволяет применять для их изучения методы дистанционного зондирования.

Анализ спектральной отражательной способности геологических образований показывает, что получение наибольшего объема геоинформации возможно при дистанционном зондировании в видимой и ближней ИК-области спектра – 0,4–1,5 мкм. По данным Е. Л. Кринова и Ю. С. Толчельникова, спектральные коэффициенты яркости геологических объектов имеют тенденцию возрастать по мере продвижения в длинноволновую часть спектра. Некоторые кривые спектральной отражательной способности проходят через максимум в разных участках спектра. В качестве примера на рис. 2 и 3 приведены кривые спектральной яркости изверженных, метаморфических и осадочных горных пород, а также основных типов почв.

Техника аэрокосмических съемок включает различные виды аппаратуры регистрации электромагнитного излучения природных объектов, установленной на авиационные или космические носители. Съемочные системы, применяемые в дистанционных методах, должны обеспечить получение изображений земной поверхности, пригодных для геологического дешифрирования (визуального, автоматизированного). Подобные технические средства подразделяют на фотографические и оптико-электронные. В зависимости от аппаратуры, используемой при дистанционной регистрации отраженного или собственного электромагнитного излучения Земли, выделяют следующие основные виды аэрокосмических съемок земной поверхности: фотографирование (0,4–0,9 мкм), телевизионная съемка (0,4–1,1 мкм), многоспектральная сканерная съемка (0,3–12,6 мкм), спектрометрирование (0,4–2,5 мкм), тепловая инфракрасная съемка (3,5–5 и 8,0–14 мкм) и радиолокационная съемка (0,3 см и более).

Следует отметить, что фотографирование, спектрометрирование, телевизионная, многоспектральная и инфракрасная съемки земной поверхности считаются пассивными дистанционными методами, так как они используют естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов, а также температурные неоднородности земных недр. Радиолокационные методы зондирования называют активными, поскольку они работают в микроволновой области излучения, создаваемого искусственным источником направленного действия.

Аэрокосмические носители аппаратуры дистанционного зондирования обеспечивают проведение съемок Земли с различных высот. Носители съемочной аппаратуры делятся на две основные группы: авиационные и космические. Аэросъемку производят с самолетов, вертолетов и других воздушных летательных аппаратов. Для выполнения аэросъемочных работ широко используются самолет АН-30, который оборудован комплексом аэросъемочной аппаратуры и обеспечивает фотографирование в масштабах от 1:5000 до 1:140 000. Новый самолет-зондировщик «Геофизика» рассчитан для аэросъемок (фотографической, многоспектральной, тепловой, радиолокационной) с высоты полета до 21 тыс. метров.

Аэросъемочная аппаратура устанавливается также на вертолетные носители Ка-26, МИ-4 и др. Для дистанционного зондирования природной среды и решения прикладных, в том числе геологических задач, в РНТЦ «Экомир» (г. Минск) разработана и эффективно применяется вертолетная лаборатория МИ-8МТ, оснащенная фотографическими и оптико-электронными системами.

Искусственные спутники Земли (ИСЗ) являются наиболее распространенными носителями оптико-электронной аппаратуры. Большой объем космической информации, используемой при решении геологических задач, получен с метеорологических ИСЗ «Метеор», «Тайрос», «Нимбус» и др. К настоящему времени по российской программе «МЕТЕОР» запущено более 50 космических аппаратов.

Для геологических целей важную роль играют запуски ресурсных спутников серии «Ресурс», «Алмаз», «Лэндсат», «Спот» и других космических систем, оснащенных оптико-электронной аппаратурой с высоким пространственным разрешением. Автоматические ИСЗ серии «Космос» оборудуются для съемок земной поверхности фотографическими камерами. Технология фотосъемки рассчитана на возвращение отснятых фотопленок при помощи спускаемых на Землю аппаратов.

Космическая фотосъемка земной поверхности осуществлялась с пилотируемых космических кораблей («Восток», «Восход», «Союз», «Меркурий», «Джемини», «Аполлон» и др.), орбитальных станций («Салют», «Мир», «Скайлэб») и кораблей многоразового пользования серии «Спейс Шаттл» («Колумбия», «Дискавери» и др.). Космонавты выполняют съемку более целенаправленно, выбирая благоприятные внешние условия и объекты фотографирования.

В составе орбитальной станции «Мир» действовал модуль дистанционного зондирования Земли «Природа». Пристыковка модуля к станции «Мир» осуществлена в апреле 1996 г. Установленная на модуле «Природа» аппаратура дистанционного зондирования, позволяла проводить съемку практически во всех спектральных интервалах, включая ультрафиолетовый, видимый, ИК и микроволновой диапазоны. Причем наблюдение земной поверхности осуществлялось как в пассивном режиме, так и при помощи активной радиолокации.

В настоящее время на околоземной орбите работает Международная космическая станция. Среди планируемых на ней научно-технических исследований и экспериментов важную роль играет отработка новых систем и приборов космической съемки Земли.

При дистанционном зондировании земной поверхности большое внимание уделяется определению ориентации авиационных и космических средств. Для этих целей применяются спутниковые навигационные системы. В них закладываются радиотехнические принципы получения навигационных данных.

Одной из подобных спутниковых систем являются NAVSTAR GPS. Она обслуживает неограниченное число подвижных и стационарных объектов, которые могут находиться в разных точках Земли, в воздухе, околоземном космическом пространстве, в любых метеорологических условиях. В системе NAVSTAR используется навигационная информация спутников, размещенных на шести орбитах. Такая структура дает возможность уверенно работать не менее, чем с четырмя спутниками. Система NAVSTAR включает передатчик дециметровых волн, который непрерывно передает сигналы, предназначенные для определения навигационно-временных параметров.

Бортовой комплекс NAVSTAR GPS, установленный на авиационных носителях, служит для приема навигационных сообщений. Система позволяет оперативно определить местоположение, путевую скорость, истинный путевой угол, время полета до выбранных путевых точек и другие характеристики.

На борту вертолета-лаборатории МИ-8МТ применяется навигационная система GPS с приемной аппаратурой TRANSPAK. Она обеспечивает работу с 8–10 ИСЗ, позволяя определить местонахождение воздушного судна в географической системе координат в градусах, минутах, секундах. Точность навигационных данных: координаты – 15 м, высота – 50 м, скорость – 0,5 м/с. Бортовой вычислительный комплекс связан с аэрофотоаппаратом для отметки координат центров снимков и со сканирующим многозональным комплексом видимого и теплового ИК-ди-апазона для нанесения меток координат на тепловые картины земной поверхности.

Спутниковые навигационные системы GPS имеют важное практическое значение для топографо-геодезических работ. Использование спутниковых приемников WILD GPS-SYSTEM 200 позволяет создать геодезическую основу для проведения геологической съемки (топопривязка геофизических профилей, буровых скважин и др.), обеспечения аэрокосмического мониторинга геологической среды на региональном, локальном и детальном уровнях исследований.