Методы дистантной психологической диагностики. Дистанционные методы получения информации о земле

Методы исследования природных ресурсов

природный ресурсы информация

В условиях интенсивного развития производительных сил и роста природонаселения проблема рационального использования природных ресурсов приобретает первостепенное значение.

Для исследования природных ресурсов все большее применение находят дистанционные методы сбора и регистрации информации с последующей обработкой полученных данных средствами цифровой техники. Этому в значительной степени способствует запуск серии природоресурсных спутников Земли с аппаратурой зондирования подстилающей поверхности в видимом, инфракрасном и радиоволновом диапазонах электромагнитного излучения малого, среднего и высокого разрешения. .

Для приема информации, поступающей с искусственных спутников Земли(ИСЗ), и ее первичной обработки с целью устранения шумов и искажений создана сеть региональных центров, обеспечивающих хранение, тиражирование и распространение полученных изображений. Однако для решения задач тематической обработки требуется использование дополнительных источников информации. Для этих целей создаются средства подспутниковых съемок и наземные комплексы сбора данных.

Дистанционные исследования подразделяются на исследования наземного базирования и высотные. Полевые дистанционные исследования наземного базирования проводятся на стандартных полигонах или в реальных условиях при подсамолетных или подспутниковых экспериментах. Как правило, они проводятся в комплексе с контактными исследованиями, для чего создаются комплексные системы исследований .

Высотные дистанционные исследования выполняются с помощью средств аэро - или космического базирования.

Средства космического базирования передают информацию, которая необходима для решения большинства задач дистанционных исследований природных объектов. Они оснащены аппаратурой видимого, инфракрасного, радиоволнового диапазонов, приборами регистрации и обработки данных.

Данные, полученные комплексами сбора, при решении тематических задач подлежат обработке ручными или автоматизированными методами. К настоящему времени, широкое распространение находят методы цифровой обработки.

Понятие и задачи космического мониторинга окружающей среды

Космический мониторинг - это постоянные наблюдения, контроль за состоянием окружающей природной среды. Он проводится с ряда ИСЗ.

Широкое применение имеют данные таких зарубежных спутниковых систем, как: Landsat, Spot, NOAA,ERS,GEOS, MODIS, Sea WiFS и др., а также российских спутниковых систем серии Ресурс-О.

Специальную задачу космического мониторинга составляют выделение тех изменений, которые вызваны деятельностью человека - антропогенно-техногенными факторами.

Космический мониторинг является комплексным наблюдение за земной поверхностью, атмосферой, гидросферой, растительным и животным миром.

Выделяют три группы комплексных задач космического мониторинга:

Задачи, связанные с наблюдением за состоянием всей географической оболочки в целом(глобальный мониторинг);

Задачи, связанные с конкретными природно-хозяйственными системами в конкретной области, стране. Здесь также комплексно изучаются изменение состава атмосферы, температура и влажность воздуха, наличие озоновых дыр и др. Наблюдаются отдельные лесные массивы, их состояние(зараженность, пожары, вырубки), изучаются бассейны рек, отдельных озер, миграция отдельных видов животных и др.(природно-хозяйственный мониторинг);

Задачи, связанные с конкретным контролем отдельных природных объектов. Наблюдению подлежат отдельные реки, озера, связанные с обеспечением питьевой водой; фиксация выбросов промышленности, слежение за чистотой воздуха над городами(санитарно-гигиенический мониторинг).

Эти три вида космического мониторинга различаются между собой по масштабу, охвату явлений и разным методам наблюдений.

Полноценное ведение глобального мониторинга в области слежения за атмосферой, океанами, морями и озерами возможно только при налаживании международного сотрудничества.

Общей задачей для всех видов мониторинга является слежение за окружающей средой, предупреждение о наступлении нежелательных и опасных явлений, прогноз дальнейшего развития природных явлений в связи с огромным действием антропогенно-техногенных факторов.

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.

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.

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.

Современный мир не перестает удивлять нас новыми открытиями и достижениями. В наши дни человек владеет колоссальными знаниями. Область его интересов и деятельность ограничиваются не только Землей, а выходят и за ее пределы.

Наука и технологии служат человеку в первую очередь для улучшения качества его жизни и становятся теми средствами, с помощью которых можно находить более эффективные способы решения экономических, экологических и социальных проблем.

Сегодня все более активно используются данные о нашей планете, получаемые с искусственных спутников и пилотируемых космических аппаратов. Они называются данными дистанционного (удаленного) зондирования. Этот широко применяемый в наши дни термин - синоним словосочетаний «изображение Земли из космоса» и «космические снимки Земли». К основным достоинствам дистанционного зондирования можно отнести возможность мониторинга (от лат. monitor - тот, кто предупреждает) или регулярных наблюдений за динамикой географических процессов.

Дистанционные методы исследования окружающей среды были известны еще в древнем Риме. В XVIII в. люди научились получать первые снимки-рисунки различных объектов с помощью фотокамеры - камеры-обскуры (от лат. camera - комната и obscura - темная). С развитием фотографии появилась возможность моментально получать детальные и точные снимки. Сначала проводилась фотосъемка местности (с воздушных шаров и воздушных змеев, позднее - с аэростатов и аэропланов). Первый космический снимок Земли был сделан в I960 г.

За последние годы развитие компьютерных технологий и ГИС привели к тому, что данные спутникового мониторинга нашли применение в самых разных областях - от сельского хозяйства до геоэкологии. Это позволило оперативно реагировать на малейшие изменения в окружающей среде и предупреждать опасные явления и процессы.

Одно из известных вам направлений использования космических снимков - метеорология. Изучение - одна из самых сложных научно-практических задач. Возможности дистанционных методов зондирования позволили вести наблюдение за на обширных пространствах в режиме реального времени и отслеживать формирование (определять тип и мощность облачности, получать ее стереоскопическое изображение, измерять температуру и т.д.). Слежение за формированием и передвижением позволило заранее прогнозировать опасные для человека явления природы (ураганы, смерчи, торнадо) и тем самым предупреждать их тяжелые последствия.

Космическая съемка незаменима при составлении метеопрогнозов, прогнозировании опасных атмосферных явлений, при исследовании Земли. Она позволяет определять местоположение локальных источников загрязнения (теплоэлектростанций, целлюлозно-бумажных комбинатов и др.) и вести наблюдение за экологической ситуацией в районах захоронения токсичных отходов.

Важное практическое направление использования космоснимков - учет природных ресурсов. Дистанционное зондирование значительно упростило оценку их запасов, особенно в труднодоступных районах. Так, при изучении стало проще производить подсчет площадей лесов, определять тип лесонасаждений и возраст деревьев, доминирующие породы и объем биомассы. Упростились не только картографирование лесных массивов, но и контроль за их сохранностью, включая контроль за рубками, границами водоохранных зон и т.п.

Спутниковые данные помогают раннему (оперативному) обнаружению пожаров. Известно, что при площади очага пожара менее 5 га его ликвидация осуществляется десантом всего из 4-б человек, то есть относительно легко и быстро.

Природные стихийные бедствия, такие как наводнения, ураганы, землетрясения, торнадо и другие, наносят огромный экономический ущерб и приводят к человеческим жертвам. Поэтому мониторинг чрезвычайных ситуаций очень важен. Использование дистанционных методов зондирования позволяет прогнозировать возникновение чрезвычайных ситуаций, локализировать опасные явления на начальных стадиях развития и значит - уменьшить возможный ущерб.

В настоящее время наземные службы России контролируют 27% площади лесного фонда, 47% - находятся под охраной авиационной лесной службы. Неохраняемая площадь составляет 26%, или около 300 млн га. Над этой площадью контроль осуществляется только при помощи спутниковой съемки. С ее помощью можно выявить вновь возникающие очаги пожара даже под дымовой завесой, а в случае возгорания торфа - даже при отсутствии открытого пламени.

Применение дистанционного зондирования в изучении минеральных ресурсов позволяет исследовать условия залегания горных пород и оценить объемы предполагаемых месторождений. Эффективно использование космических снимков и при поиске нефти, природного газа, угля, решении проблем развития альтернативных источников энергии, таких как геотермальная, энергия солнца и ветра, а также при строительстве и эксплуатации атомных и гидроэлектростанций.

Космические снимки используют для изучения водных и биоресурсов, в частности для определения запасов фитопланктона и рыбного промысла, для исследования ареалов обитания различных видов животных.

Применение космических снимков в сельском хозяйстве позволяет повысить эффективность использования земель, так как они «видят» районы с угнетенной и помогают определить, куда и сколько нужно внести удобрений, где и как часто производить полив, когда можно собирать урожай.

Применение космических снимков для исследования морских акваторий также позволяет решать разнообразные хозяйственные задачи: исследовать ледовую обстановку, осуществлять контроль над рыболовством. Кроме того, они обеспечивают проведение мониторинга температурного режима и солености воды, изучение изменений береговой линии шельфа. Особенно заинтересованы в дистанционном зондировании морских акваторий научно-исследовательские организации и компании, занимающиеся добычей морепродуктов и в шельфовой зоне и обеспечивающие судоходство и навигацию.

Космические снимки позволяют оценить и льда, что вместе с анализом температурных показателей дает возможность прогнозировать скорость таяния снега и предупреждать наводнения. Обнаружение и локализация ледяных , на сибирских реках, например, позволяют избежать резкого подъема уровня воды и связанных с ним бедствий.

Развитие хозяйственной деятельности неразрывно связано с использованием природных ресурсов. Интенсивное их потребление в прошлом веке привело к существенному ухудшению экологической ситуации во многих районах страны. Система спутникового мониторинга помогает своевременно обнаруживать загрязнения водных объектов и почв, воздуха и , мест разрывов нефте- и газопроводов, оценить выбросы загрязняющих веществ промышленными предприятиями и своевременно бороться с проблемами обезлесения и опустынивания.

На сегодняшний день практически не осталось направлений в исследовании Земли, в которых бы не использовались космические снимки. Применение спутникового мониторинга дает возможность управлять территориями, правильно и своевременно принимать решения в случае возникновения чрезвычайной ситуации.

Напомним, что для дешифрирования космического снимка в первую очередь необходимо определить, какое это явление (объект) изображено на снимке и на какой территории. Затем - найти явление (объект) на карте, определить его географическое положение, качественные и количественные характеристики.