2.2. Фотографические методы

Среди широкого спектра дистанционных методов важнейшую роль в геологических исследованиях играют аэрокосмические фотосъемки Земли. Они дают наиболее детальную информацию о пространственно-временной структуре земной поверхности в видимом и ближнем ИК-ди-апазоне (0,4–0,9 мкм).

Принципы фотосъемки. Фотографическая съемка производится с воздушных и космических летательных аппаратов фотокамерами, имеющими объективы с разным фокусным расстоянием. При одинаковой высоте съемки, чем длиннофокуснее объектив фотокамеры, тем крупнее масштаб полученных снимков. Применение для съемок многозональных фотокамер обеспечивает фотографирование земной поверхности в узких спектральных зонах.

Рис. 4.Геометрическая схема получения кадрового аэрофотоснимка

Центральное место среди фотографических съемочных камер занимает аэрофотоаппарат (АФА), с помощью которого выполняется фотосъемка с самолета или вертолета. На рис. 4 изображена геометрическая схема получения снимка кадровым АФА. Здесь S – центр проектирования снимка, совпадающий с центром объектива; f – фокусное расстояние камеры – длина перпендикуляра, опущенного из центра проектирования на плоскость снимка, и О – главная точка снимка – основание перпендикуляра. Прямая, проходящая через главную точку снимка и центр проектирования, определяет направление съемки.

Полученные фотографирующими системами аэро- и космические снимки обладают различными геометрическими свойствами, которые обусловлены масштабом, разрешающей способностью фотоизображения и разрешением объектов на земной поверхности. Кроме того, важным показателем, характеризующим снимок, является коэффициент спектральной яркости.

Масштаб снимка (1/m) равен отношению фокусного расстояния объектива фотокамеры (ƒк) к высоте фотографирования (Н):

1/m= ƒк/Н.

Величина фокусного расстояния объектива фотокамеры постоянна для данного аппарата. Высота фотографирования сохраняется неизменной только при съемке равнинной местности. Точность определения масштаба снимка целиком зависит от точности определения высоты полета авиационного либо космического носителя.

В зависимости от масштаба снимка находится и его разрешающая способность, которая представляет собой число раздельно фотографически воспроизводимых на отрезке 1 мм черно-белых штрихов. Разрешение на местности равно наименьшим размерам воспроизводимых объектов земной поверхности на снимке.

Аэрофотосъемка выполняется с авиационных носителей, обычно в масштабе 1:25 000 и крупнее. Рациональной является аэрофотосъемка с помощью двух синхронно работающих АФА. Благодаря такой съемке возможен анализ разномасштабных АФС одной и той же территории в одинаковых природных условиях. На территории Беларуси для геологических целей широко применяются снимки, выполненные основным АФА-42/20 в масштабе 1:25 000 и дополнительными АФА-ТЭ-100 в масштабе 1:50 000. Высота фотографирования порядка 5 тыс. м над уровнем моря.

Выделяют также высотную аэрофотосъемку, которая выполняется при высоте полета самолета от 6 до 12 тыс. м. При съемке получают снимки масштабов 1:100 000–1:240 000. Мелкомасштабные АФС обладают большой обзорностью и по геоинформативности вполне сопоставимы с космическими фотоснимками сходного масштаба. Такая съемка нашла применение для получения снимков горных районов. Имеется опыт проведения высотной аэрофотосъемки равнинных территорий. Например, в Беларуси эффективно применяются в геологии снимки, полученные при высотной аэрофотосъемке основным АФС-ТЭС-5 в масштабе 1:210 000 и дополнительным АФА-42/20 в масштабе 1:55 000.

При аэрофотографировании используются панхроматические, ортохроматические, инфрахроматические и другие виды аэропленок. Из цветных пленок наиболее распространенной является трехслойная аэропленка ЦН-3. Для получения изображений в условных цветах применяют в основном спектрозональные двухслойную (СН-6) и трехслойную (СН-23) пленки. Каждая из двух (трех) слоев этих пленок имеет максимум светочувствительности в определенной зоне электромагнитного спектра, что дает наибольшее количество условных цветовых градаций. Спектральные пленки обеспечивают регистрацию в видимом и ближнем ИК-диапазонах.

С появлением аэрофотопленок с широкой полосой чувствительности от 400 до 800 нм (типа МШ-4) стало возможным производить многозональную аэрофотосъемку фотокамерами МКФ-6М, АС-707, МСК-4 и др. Они имеют четыре или шесть объективов и синхронно работающие затворы. Каждый объектив снабжен светофильтром, который в сочетании с пленкой разной спектральной чувствительности позволяет получить изображение геологического объекта в достаточно узкой зоне спектра. Так, камера АС-707, входящая в состав аэросъемочной аппаратуры вертолета-лаборатории МИ-8МТ, имеет четыре фотографических канала в синем (400–500 нм), зеленом (480–600 нм), красном (580–700 нм) и ближнем ИК (700–860 нм) спектральных диапазонах и предназначена для выполнения плановой аэрофотосъемки с высот от 50 до 1000 м.

Фотографирование земной поверхности может производиться при разных положениях оптической оси АФА. В данном случае выполняют плановую либо перспективную аэрофотосъемки. Съемка и снимки называются плановыми, если углы наклона не превышают 1,5–2⁰. Обычно АФА устанавливают на специальные гироскопические устройства, обеспечивающие вертикальное положение оптической оси АФА и получение плановых (горизонтальных) снимков. Фотографирование при наклонном положении оптической оси АФА называется перспективной съемкой. Для геологических исследований наибольшей геоинформативностью отличается плановая аэрофотосъемка.

В зависимости от характера покрытия местности АФС различают маршрутную и площадную аэрофотосъемки. Маршрутной аэросъемкой называется воздушное фотографирование полосы местности по определенному маршруту, например, по долине крупной реки. Площадное аэрофотографирование осуществляется в тех случаях, когда необходимо заснять значительную территорию для целей геологического картографирования. Такая съемка производится по прямолинейным параллельным маршрутам. Полученные при площадной аэросъемке АФC перекрываются между собой. Продольное перекрытие между снимками составляет не менее 57–60 % от размера кадра и увеличивается в горных районах. Перекрытие между АФC смежных маршрутов (поперечное перекрытие) обычно задается равным 30–40 %. Подобная аэросъемка земной поверхности позволяет увязать АФC между собой, способствует стереоскопическому дешифрированию геологических объектов, изготовлению фотосхем (планов) в качестве основы для составления геологических карт.

С целью повышения геоинформативности АФC аэрофотосъемку выполняют в определенные сезонные периоды. Оптимальными сроками фотографирования геологических объектов (не залесенных) на территории Беларуси являются ранневесенний и позднеосенний подсезоны. В это время коэффициенты спектральной яркости покровных отложений отличаются высокими значениями в оранжевой, красной и ИК-областях спектра. Наибольший эффект дают съемки на изопанхроматические (Т-18, Т-22, Т-28) и спектрозональные (СН-6, СН-10, СН-23) со светофильтром ЖС-18 или ОС-14. Благоприятны для съемки ясная, безоблачная погода, первая половина дня, желательно – утренние часы. Оптимальная высота солнца – 20–30º. При съемке в условиях облачности, задымленности атмосферы, когда видимость не превышает 10–12 м, и при других погодных явлениях, уменьшающих спектральную яркость ландшафта, следует сокращать время экспозиции или применять светочувствительные изопанхроматические пленки.

Съемки с помощью АФА проводят с применением специальных приборов. Выдержку, диафрагмирование и светофильтры устанавливают расчетным путем, проверяют по результатам пробного залета. Соблюдая основные природные и технические условия аэрофотосъемок, можно получить наиболее информативные МДС для целей геологического дешифрирования.

Космическая фотосъемка производится с высот более 150 км. Основными средствами регистрации являются фотокамеры МКФ-6М, КАТЭ-140, МК-4 и др. Космические фотоаппараты разделяют на автоматизированные камеры, устанавливаемые на пилотируемых космических кораблях и орбитальных станциях, и полные автоматы для съемок с беспилотных космических средств, с последующим возвращением отснятой пленки на Землю.

Высокой геоинформативностью отличаются космические фотоснимки (КФС), получаемые многозональными фотокамерами. Так, фотосъемка камерой МКФ-6М осуществляется в шести зонах спектра: 450500; 520560; 580–620; 640–680; 700–740 и 780–860 нм. Полоса пропускания электромагнитных волн для 1–5 каналов 40 нм, для 6 канала 100 нм. Каждый канал оснащен объективом «Пинатар» с фокусным расстоянием 125 мм с разными светофильтрами и пленкой. Многозональная фотосъемка камерой МКФ-6М выполнялась с космических аппаратов серии «Союз», «Салют», «Космос», а также с самолета-лаборатории АН-30. Камера КАТЭ-140 и ее разновидности (КАТЭ-200, КАТЭ-1000) устанавливались на аппараты серии «Союз», «Салют», «Космос», «Мир».

Из современных космических фотоаппаратов следует отметить многозональную камеру МК-4, которая имеет четыре объектива с фокусным расстоянием 300 мм. Съемка осуществляется в четырех из шести спектральных зон: 400–700; 460–585; 515–565; 580–800; 635–690 и 810–900 нм. Разрешение объективов на местности составляет 5–15 м. Съемка камерой МК-4 производится со спутников серии «Космос» с околоземных орбит высотой 200–400 км. В зависимости от высоты фотографирования масштаб получаемых снимков колеблется от 1:1 500 000 до 1:150 000.

В результате дистанционного фотографирования получают материалы аэро- и космических съемок следующих видов: контактная печать в виде отдельных АФС либо КФС, увеличенные фотоизображения, фотосхемы, фотопланы, репродукции накидного монтажа.

Фотоснимки, или контактные отпечатки с аэро- (космо) фильма изготавливаются на светочувствительной бумаге. Увеличенные снимки получают в результате проекционной печати. На них выявляются более мелкие детали и полнее наносятся данные дешифрирования.

Фотосхемы монтируют из центральных частей АФС или КФС, наклеивая их на картон либо иную жесткую основу. Эти фотоматериалы значительно увеличивают обзорность, что дает возможность выявлять общие геологические закономерности территории. Уточненные фотосхемы изготавливают из предварительно трансформированных снимков, на которых устранены искажения, вызванные наклоном АФА или колебаниями высоты полета. По точности уточненные фотосхемы могут служить топоосновой для геологических карт масштаба 1:25 000 и мельче.

Более высокой точностью отличаются фотопланы, которые составляются в основном из АФС. При их создании координаты точек местности, опознанные на снимках, определяются геодезическим способом. Фотопланы обычно изготавливаются для равнинных областей и пригодны для составления геологических карт любого масштаба.

Репродукции накидного монтажа получаются фотографированием с многократным уменьшением всех снимков данной трапеции, наложенных друг на друга по идентичным контурам. Такой монтаж используется для подбора снимков на планшете топографической карты или его часть, для обеспечения снимками территории планируемых геологических исследований.

Материалы аэро- и космических фотосъемок нашли применение во всех видах геологических исследований. На их основе проводят геологосъемочные и поисковые работы всех масштабов; изучают тектонику и геодинамический режим территорий; выявляют структурные факторы, контролирующие размещение рудной минерализации, ловушек нефти и газа; выполняют гидрогеологические, инженерно-геологические, геоморфологические и эколого-геологические исследования.

Среди различных видов фотографических методов дистанционного зондирования высокой геоинформативностью отличается многозональная аэро- и космическая съемка. Преимущество подобного фотографирования определяется возможностью лучшего распознавания геологических объектов по малозаметным в природе цветовым различиям, наиболее выраженным в тех или иных зонах спектра.

Использование многозональных снимков позволяет получить дифференцированные изображения в узких диапазонах спектра и интегральные изображения в видимой и ближней ИК-областях. По сравнению с традиционной съемкой в видимом диапазоне расширяется объем извлекаемой информации как за счет большого (4–6 и более без учета синтезирования) числа снимков на одну и ту же территорию, их более высокого разрешения на местности, так и за счет увеличения отдешифрированных объектов в результате детальной проработки их индикационных признаков в узких зонах спектра.

Проведение многозональной съемки эффективно для изучения территорий со следующими геолого-ландшафтными условиями:

1) складчатые области с разнородным литологическим составом горных пород наряду с их сильной тектонической дислоцированностью, в особенности, когда размеры отдельных картографируемых тел существенно меньше плотности маршрутной сети (например, участки развития интрузивных даек и жил);

2) районы со сложным характером распределения геологических тел, когда границы между ними имеют извилистую конфигурацию или выражены постепенными переходами;

3) платформенные области в случае отражения в осадочном чехле погребенных структурных форм (например, при поисках нефтегазоносных структур);

4) в гумидной лесной зоне при ландшафтной индикации четвертичных отложений.

Для изучения геологического строения областей древнематерикового оледенения более информативными являются красная зона видимого спектра и ближний ИК-диапазон.

Широкое использование в геологических исследованиях получили фотографические снимки с околоземных орбит высотой 200−400 км. Дешифрирование КФС масштабов 1:1 000 000−1:200 000 позволяет получать данные о геологических и геоморфологических объектах регионального и локального порядка: кольцевых структурах, линеаментах, литолого-стратиграфических комплексах, мезоформах рельефа и т. п. При этом достигается возможность увязки разрозненных элементов крупных структур. Разрешающая способность КФС (от 15 м до 1−3 м) позволяет их увеличивать для рассмотрения различных деталей земной поверхности, что имеет важное значение при проведении геологической съемки и картографировании.