При одновременном использовании нескольких диапазонов говорят о многозональной съёмке, а при большом числе используемых диапазонов (20 и более) - о гиперспектральной.
По виду применяемой съёмочной аппаратуры различают следующие виды съёмок:
1. фотографические
2. телевизионные
3. фототелевизионные
4. сканерные
5. радиолокационные
6. гидролокационные
7. лазерные
8. лидарные
Отдельно выделяют аэроспектрометрирование, представляющее собой регистрацию с помощью спектрографов спектральной яркости какой-либо поверхности вдоль направления движения летательного аппарата.
Исторически сложилось так, что первым видом дистанционных съёмок явилась наземная стереофотограмметрическая съёмка, которая начала применяться для составления крупномасштабных карт (топографических, геологических, ландшафтных и др.) высокогорных сильно расчленённых территорий. Повторные съёмки с определённых заранее закреплённых мест, называемых базисом фотографирования, проводятся через определённые промежутки времени и используются как метод изучения динамики природных явлений и процессов, в том числе и связанных с рельефообразованием. Съёмка выполняется фототеодолитом (наибольшее распространение в нашей стране получил прибор немецкой фирмы «Carl Zeiss»).
Самолётные съёмки ведутся на разные виды плёнки, чувствительные к разным участкам спектра: в видимой области спектра - это аэрофотография; в более длинных волнах - это инфракрасная и тепловая, а также активная радиолокационная. Наиболее важной из них является аэрофотосъёмка, которая в зависимости от направления оптической оси съёмочной камеры разделяется на плановую и перспективную. В зависимости от характера покрытия местности снимками, аэросъёмку подразделяют на выборочную, маршрутную и многомаршрутную.
На практике наибольшее распространение получила плановая площадная многомаршрутная аэрофотосъёмка. При этом прокладывается ряд параллельных маршрутов, расположенных с таким расчётом, чтобы аэрофотосъёмки, получаемые по смежным маршрутам, перекрывали друг друга. Такое перекрытие является поперечным и составляет, как правило, 20-30 % площади снимка. Продольное перекрытие, т.е. перекрытие снимков вдоль маршрута - много больше и составляет обычно 60-80 %. Как правило, для составления карт территорий с сильно расчленённым рельефом требуется большее перекрытие.
4.СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1. Российская космическая система ДЗЗ
Быстрое развитие технических средств ДЗЗ с авиа-, а затем и с космических носителей в конце ХХ в. – с вовлечением в сферу практического использования всё новых участков спектра электромагнитного излучения, повышением разрешающей способности аппаратуры и материалов, переходом на цифровые системы приёма и передачи информации приводят к коренному обновлению технологий космоаэрогеологических исследований.
Эксперт CNews, анализировавший подготовленную Роскосмосом Концепцию развития российской космической системы ДЗЗ на период до 2025 года, остался не вполне удовлетворен увиденным. Вопросы фундаментальной для отрасли и страны значимости остались в стороне. Авторы концепции, текст которой был обнародован ГИС-Ассоциацией, резонно отмечают, что на сегодняшний день орбитальная группировка спутников ДЗЗ России практически разрушена: правда, на орбите находятся спутники "Монитор-Э" и "Ресурс-ДК", однако их полноценная эксплуатация еще не началась, а реальные характеристики и возможности по-разному оцениваются специалистами.
Недостаточно проработанным видится состав будущей системы ДЗЗ. Предусматривается, что при полном развертывании в 2020-2025 гг. российская орбитальная группировка должна будет включать не менее 9 космических систем и комплексов ДЗЗ. Такого обилия систем и комплексов сегодня нет ни у кого в мире - это слишком дорого и никому не нужно. Вопросы вызывает и идея совместного размещения оптической аппаратуры сверхвысокого разрешения (0,5-1 м) и среднего разрешения на спутниках оперативного наблюдения. Дело в том, что принцип работы спутников сверхвысокого разрешения требует наведения телескопа на цель и быстрого перенацеливания аппарата, что практически исключает возможность одновременной работы других датчиков среднего разрешения. По крайней мере, на всех спутниках с разрешением 1 м и менее (Ikonos, QuickBird, OrbView-3, Ресурс-ДК) дополнительные системы среднего разрешения отсутствуют.
В то же время Россия остро нуждается в спутниках оперативной съемки с набором датчиков среднего и низкого разрешения одновременно - типа IRS-P6, SPOT-5. Комбинация таких датчиков позволяет оперативно обнаруживать изменения сканерами низкого и среднего разрешения (10-250 м), а затем детализировать их с помощью систем разрешением 2-6 м. Кроме того, России крайне нужна система класса Landsat с многоспектральным широкозахватным сканером, который бы позволял ежегодно покрывать съемками всю территорию России с разрешением 15-30 м с 7-8 спектральными каналами для контроля природопользования, геологической разведки и экологического мониторинга. Россия уже много лет нуждается в космических радарах для съемки полярных областей и ледовой разведки из-за малого числа ясных дней, благоприятных для оптических наблюдений. Канада, создавшая успешную коммерческую программу RADARSAT-1, планирует создать систему из 4 малых радарных спутников для оперативного мониторинга Арктики, где сегодня многие страны активизировали хозяйственную деятельность (это предмет особого беспокойства Канады). Но в России, которая имеет обширные территории в Арктике, Роскосмос не планирует создание многоспутниковой системы космических радаров.
Зато в концепции фигурируют две многоспутниковые системы мониторинга землетрясений и ЧС, а также лесопожарного мониторинга, эффективность которых еще предстоит доказать. Пока другие страны мира не спешат разворачивать аналогичные средства. Возможность уверенного прогнозирования землетрясений датчиками с орбиты предстоит еще довести от стадии экспериментов до серийных образцов, поэтому непонятно уверенное стремление Роскосмоса быстрее создать многоспутниковую систему из аппаратов с неотработанной технологией.
Наконец, для картографии не обязательно запускать специализированный картографический космический комплекс, как предусмотрено Концепцией - сегодня только Индия вывела на орбиту аналогичный аппарат, и разумность подобного решения еще предстоит доказать.
За пределами Концепции осталась и существующая до сих пор в России несовершенная организационная схема разработки и эксплуатации программ ДЗЗ. За рубежом для повышения ответственности разработчиков и создания совершенных по параметрам систем ДЗЗ практикуется разделение ответственности: космическое агентство (например, NASA или ESA) отвечает за разработку и запуск спутника, а организация-оператор (например, NOAA, USGS, EUMETSAT) принимает спутник к эксплуатации и отвечает за оперативную эксплуатацию системы. Организации-операторы несут ответственность также за формирование облика перспективных систем. В России исполнение всех функций взяло на себя агентство Роскосмос. Неизвестно, пойдет ли это на пользу делу - даже в двадцатилетней перспективе.
Реальность: анализ снимков "Ресурс-ДК"
А теперь о том, что есть: первые изображения, переданные российским спутником дистанционного зондирования Земли "Ресурс-ДК", не только подтверждают работоспособность бортовых систем и целевой аппаратуры, но и наглядно демонстрируют масштабы успеха отечественных разработчиков, а также те трудности, которые им удалось преодолеть. Научный Центр оперативного мониторинга Земли представил первые изображения, полученные камерами российского спутника "Ресурс-ДК". Аппарат был выведен в космос 15 июня 2006 года ракетой-носителем "Союз-У". По данным фрагментам можно получить представление о характеристиках получаемой информации на начальном этапе летных испытаний. По завершении этапа летных испытаний и после ввода "Ресурса-ДК" в штатную эксплуатацию потребители получат возможность заказа информации.
Таблица 3. Тактико-технические и целевые характеристики спутника "Ресурс-ДК" (данные НЦ ОМЗ)
| Характеристика, параметр | Значение |
| Разрешение на местности при съемке с высоты H=360 км в надире, м | |
| В панхроматическом диапазоне | >=1,0 |
| В узких спектральных диапазонах | до 3,0 |
| Спектральные диапазоны, мкм: | |
| Панхроматический диапазон | от 0,58 до 0,8 |
| В узких спектральных диапазонах | от 0,5 до 0,6 |
| от 0,6 до 0,7 | |
| от 0,7 до 0,8 | |
| Количество диапазонов, снимаемых одновременно | до 3 |
| Полоса захвата с H=360 км (при съемке в надир), км | до 28 |
| Скорость передачи данных по радиолинии, Мбит/с | 150,300 |
| Оперативность передачи информации, ч | |
| При съемке в пределах радиовидимости ППИ | Реальный масштаб времени (РМВ) |
| При глобальном наблюдении с использованием бортового запоминающего устройства при передачи информации на один ППИ | от РМВ до 13 ч |
| Максимальная суточная производительность, млн. кв. км | до 1,0 |
| Протяженность маршрутов съемки, км | от 15 до 2000 |
| Наклонение орбиты, град | 70 |
| Срок активного существования КА, год | 3 |
| Масса Ка, кг | 6570 |
 |
|
| Рис. 3. Город Измир, Турция.Левое изображение - снимок "Ресурс-ДК", правое изображение - снимок QuickBird (Google Earth) (по данным НЦ ОМЗ) | |
Специалисты по системам приема спутниковой информации, анализируя первые изображения, в первую очередь подчеркивают их крайнюю важность для страны. Важность создания в России такой системы нельзя недооценивать - она представляет собой существенный шаг вперед по сравнению с космическими системами предыдущего поколения, без которого дальнейшее развитие систем мониторинга Земли из космоса невозможно. Заслуги разработчиков аппарата из самарского ЦСКБ "Прогресс" достойны высших оценок. Разумеется, от принципиально нового спутника нельзя требовать невозможного.
Отмечаются характерные особенности изображений, обусловленные спецификой камер аппарата - например, характерные разноцветные штрихи от движущихся автомобилей на синтезированном из цветного изображении (г. Измир), вызванные не одновременной съемкой различных каналов. Ряд признаков (в частности, эллиптичность цистерн на снимке) изображения аэродрома во Франкфурте, снятого с малым креном, могут говорить о том, что, вероятно, оно подверглось заметной геометрической коррекции. Но, тем не менее, представленные изображения наглядно демонстрируют главное - у России появился собственный аппарат дистанционного зондирования, способный стать основой для создания аппаратов, которые ни в чем не будут уступать даже лучшим мировым аналогам.
4.2. Цифровые системы съёмки
Из космических цифровых (сканерных) систем съёмки представляют интерес американские спутники серии LANDSAT, функционирующие с 1972 г. На спутниках LANDSAT устанавливали два типа цифровой аппаратуры: MSS (multispectral scanner) и TM (Thematic Mapper). MSS снимает 4 зоны спектра. Пространственное разрешение около 80 м, радиометрическое разрешение - 6 бит (64 градации яркости в каждой зоне спектра). Сканер TM имеет 7 зон съёмки. Пространственное разрешение 30 м, радиометрическое разрешение - 8 бит (256 градаций яркости в каждой зоне спектра). Площадь кадра LANDSAT 185x170 км, т.е 31 450 км2 (рис. 4).
 |
| Рис. 4. Снимок района устья р. Томи, сделанный со спутника Landsat-7 (разрешение 30 м). (picture1534/yandex) |
Американские метеоспутники NOAA запускаются с 1960 г. Их полярная орбита имеет наклонение 98,89 градусов, т.е. они в состоянии снимать практически всю поверхность Земли, включая полярные районы. Съёмки ведутся в 5 каналах, пространственное разрешение 1 100 м, полоса охвата 2 700 км.
Французская космическая система SPOT функционирует с 1986 г. Пространственное разрешение 10 м в чёрно-белом панхроматическом диапазоне и 20 м в многозональном режиме (три диапазона). Размер кадра 60x60 км (рис. 5).
 |
| Рис. 5. Снимок района оз. Чёрного в Северной Хакасии и куэстовой гряды «Сундуки» (показана красным прямоугольником), сделанный со спутника SPOT (разрешение 10 м). (pict1004/mail) |
Индийские спутники IRS ведут съёмку в 4 диапазонах с разрешением около 20 м. Размер кадра 145 км.
Самое высокое пространственное разрешение в панхроматическом режиме на сегодняшний день имеют: корейский спутник Kompsat-2 - 1 м (рис. 6), израильский спутник EROS-B1 - 70 см (рис. 7) и американские спутники Ikonos - 1 м (рис. 8), Quick Bird II - 61 см (рис. 9) и WorldView-1 - 47 см (рис. 10).
 |
| Рис. 6. Спутник Kompsat-2 (Респ. Корея), запущенный в 2006 г. (pict4/list) |
 |
| Рис. 7. Спутник EROS-B1 (Израиль), запущенный в апреле 2006 г. (dsc00653/ya) |
 |
| Рис. 8. Центральная часть г. Вашингтон (фрагмент космического снимка Ikonos с пространственным разрешением около 1 м). (www.spaceimaging) |
 |
| Рис. 9. Спутник Quick Bird II (США), запущенный в октябре 2001 г. (www.spaceimging) |
 |
| Рис. 10. Спутник WorldView-1 (США), запущенный в сентябре 2007 г. (www.spaceimaging) |
В России работают цифровые системы низкого и среднего разрешения на базе ИСЗ серии «Метеор», а также цифровые системы высокого разрешения на базе спутников серии «Ресурс-О» и «Океан». Снимки со спутника «Метеор» распространяет НПО «Планета» (Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды). Пространственное разрешение этих снимков 700x1400 м, ширина полосы охвата 3 100 км.
Определённый интерес в целях использования в ГИС представляют снимки со спутников серии «Ресурс-О» и «Океан». Эти спутники оборудованы сканерами МСУ-СК (5 диапазонов съёмки, пространственное разрешение 160 м) и МСУ-Э (три диапазона съёмки, пространственное разрешение 40-45 м) (рис. 1).
Радарные космические съёмки в России успешно вёл аппарат «Алмаз-1» в 1991-1992 гг. Пространственное разрешение на местности 10-15 м. Ширина полосы охвата 40-56 км.
Европейские спутники ERS-1 и ERS-2 имеют пространственное разрешение 26,3x30 м с полосой захвата около 100 км.
Японский спутник JERS-1 (FUYO-1) имеет пространственное разрешение 18 м с полосой захвата 75 км.
Канадский спутник RADARSAT обеспечивает пространственное разрешение 9 м с полосой захвата 45 км.
Существенное преимущество радарных систем дистанционного зондирования над остальными заключается в практически полном отсутствии влияния облачности на качество снимка.
5. СВЯЗИ С ДРУГИМИ НАУЧНЫМИ ДИСЦИПЛИНАМИ
Возникновение и современное развитие аэрометодов в геологии основано на широком использовании при исследованиях поверхности земли достижений авиации, фотографии, фотограмметрии, геофизики, геоботаники и других отраслей наук. Во взаимодействии аэрокосмического зондирования с географическими науками наблюдается определённая двойственность. С одной стороны, аэрокосмические методы можно отнести к какой-либо конкретной науке, привлекающей их для исследования своего предмета. С другой стороны, теоретическое обобщение конкретных приложений способствует становлению аэрокосмического зондирования как самостоятельной дисциплины со своей логикой развития. С позиции этой дисциплины сферы других наук являются областью её практического применения.
Геология, геохимия, геофизика, геокриология, география, гидрология, океанология, геодезия, землеведении и многие другие науки, широко использующие космические методы и средства исследования. Например, в палеогеодинамике мы можем подтверждать теорию геотектоники плит, путём исследований из космоса.
ДЗЗ сейчас применяется во всех сферах нашей жизни: от глобальных до локальных исследований планеты.
6. ИССЛЕДОВАНИЯ, ПРОВОДИМЫЕ В ИНСТИТУТАХ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ НОВОСИБИРСКОГО ЦЕНТРА СО РАН И ЛЕКЦИОННЫЕ КУРСЫ НА ГГФ НГУ.
Аэрокосмические методы рассматриваются в лекционных курсах ГГФ НГУ. Не только в рамках курса «Методика и техника поисковых и разведочных работ», который изучают геохимики и геологи на 2-4 курсах. Лекции читает д.г.-м.н., профессор В.И.Сотников. В настоящее время преподавание курсов ГИС является требованием Министерства природных ресурсов ко всем профильным геологическим ВУЗам.
На втором курсе, во втором семестре геологам доцент Дементьев В. Н читает курс «Введение в ГИС». И в первом семестре третьего курса доцент Зольников И. Д. преподаёт дисциплину «Геоинформационные технологии в науках о Земле». На картографии также рассматривают аэрокосмические методы картирования. Геофизики изучают аэрокосмические методы по своей программе.
В институтах геологической профиля Новосибирского центра СО РАН Снимки из космоса и аэроснимки используются в незначительной степени. Бывают случаи, когда необходимо получить информацию о отдаленных районах, а другие методы изучения местности не подходят, тогда используют материалы аэросъемок. А материалы дистанционного зондирования очень широко применяются не только в аспирантских работах, но и в исследовательских программах институтов.
В институте космических исследований (ИКИ) проходила Третья открытая всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)», в которой приняли участие более 400 человек из 100 с лишним организаций России, Украины, Казахстана, Белоруссии, Грузии, Азербайджана, США, Германии и других стран.
В программный комитет конференции вошли ведущие ученые, работающие в области ДЗЗ, в том числе 14 академиков и членов-корреспондентов РАН. Руководил комитетом вице-президент РАН академик Н.П.Лаверов.
На форуме представителями Роскосмоса были представлены планы развития российской группировки спутников ДЗЗ.
Согласно этим планам в 2006–2015 гг. планируется создание семи космических комплексов ДЗЗ и наземной инфраструктуры. Всего на орбиту предполагается вывести три типа спутников: аппараты гидрометеорологического наблюдения («Метеор-3М», «Электро»), КА мониторинга Земли («Канопус В1» (2007 г.), «Канопус В2» (2009 г.), «Ресурс П-1» (2010 г.) и «Ресурс П-2» (2011–2015гг.)) и радиолокационные аппараты «Аркон 2-М» и «Аркон 2-1» (2008–2015 гг.).
В рамках программы воссоздания отечественной системы ДЗЗ запуск первого многоцелевого спутника «Метеор-3М» был осуществлён в конце 2006 г. Аппарат предназначен для мониторинга природных ресурсов, контроля состояния окружающей среды, гидрометеорологического и гелиогеофизического обеспечения.
 |
Рис. 11.Снимок лесных пожаров, выполненный КА «Метеор-3М»
Развертывание собственной группировки спутников ДЗЗ позволит России независимо решать задачи постоянного дистанционного мониторинга окружающей среды, природных и антропогенных объектов, а также стать полноценным участником глобальных международных систем мониторинга.
На конференции обсуждались современные проблемы дистанционного зондирования, связанные с мониторингом состояния поверхности суши, океана, атмосферы и растительности, по направлениям: дистанционные методы исследования атмосферных и климатических процессов, дистанционные исследования поверхности океана и ледяных покровов, спутниковые методы в геологии и геофизике, методы дистанционного зондирования растительных и почвенных покровов, спутниковый мониторинг лесных пожаров.
Параллельно с форумом работала Научная школа для молодых ученых, во время которой ведущие российские и зарубежные ученые прочитали обзорные лекции по актуальным проблемам развития методов и систем дистанционного зондирования Земли и использования технологий спутникового мониторинга для решения различных геологических задач.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненное изучение материалов различных источников значительно повысило мои знания по данному вопросу. А также показало, что использование материалов космических съемок в совокупности с геоинформационными технологиями, и на начальных этапах и в процессе выполнения минералогических исследований и прогнозно-поисковых работ позволяет актуализировать архивную «бумажную» геолого-картографическую информацию, существенно уточнить и получить новые данные об особенностях геологического и в том числе глубинного строения площадей, значительно локализовать рудоперспективные площади.
Написание данной курсовой работы помогло улучшить навыки реферирования научной литературы, оформления.
СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ
Аэровизуальное наблюдение – визуальное наблюдение, проводимое непосредственно в полёте.
Аэрокосмическаяфотосъёмка – фотосъёмка, производимая из космоса.
Аэросъёмка – фотосъемка, производимая с воздуха.
Аэрофотоэлектронные методы – методы, в которых используют специальные приёмные системы и преобразователи, основанные на различных физических принципах.