«Земля и Вселенная» 1993 №1 (январь - февраль)



Космонавтика


Наблюдения Земли из космоса

В. П. САВИНЫХ,
доктор технических наук
А. Ф. СТЕЦЕНКО,
кандидат технических наук
Р. И. ФИМИН,
кандидат технических наук
Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии



Результаты космических съемок нашей планеты необходимы для различных отраслей народного хозяйства. Именно поэтому постоянно совершенствуются приборы для наблюдений и методы исследований.

За последнее десятилетие сформировалось несколько направлений оптико-электронных исследований Земли из космоса. В первую очередь следует отметить исследования временных, спектроэнергетических и поляризационных характеристик элементов ландшафта, проводимые в соответствующих «окнах прозрачности» атмосферы и океана.


Отражательная способность различных элементов земных ландшафтов в зависимости от длины волны, на которой ведется наблюдение. 1 — суша, 2 — растительность, 3 — вода

Эти исследования сейчас ведутся с помощью телевизионной и радиолокационной аппаратуры. Они необходимы для решения народнохозяйственных задач географии, астрономии, метеорологии, навигации, геодезии, сельского, рыбного, лесного и водного хозяйства и для изучения природной среды, но в каждом случае, естественно, выбор состава аппаратуры зависит от поставленных задач.

ПРИБОРЫ И ЗАДАЧИ

Конечно, многоцелевые долговременные орбитальные станции типа «Салют» и «Мир», оборудованные всеми современными средствами наблюдения, способны решать практически все задачи, тем более, что смена экипажа сопровождается, как правило, и доставкой новой аппаратуры для решения новых задач. Но все же основной поток наблюдательных данных сейчас поступает с борта специализированных автоматических ИСЗ. Доставленные или переданные на Землю материалы съемок Земли используются для решения двух основных задач: определения пространственного положения исследуемого объекта и выяснения его физико-химических свойств.

Чтобы решить первую из них, на космических аппаратах (КА) устанавливаются калиброванные фото- или телерадиокамеры для съемки в одном из диапазонов электромагнитного спектра, а затем, используя один из известных в геодезии методов, по этим снимкам определяют пространственные координаты изучаемого объекта.

Вторая задача решается иначе. Поскольку каждое природное образование обладает лишь ему присущими особенностями отражения электромагнитного излучения разной частоты, получив несколько изображений в различных участках спектра, можно без особого труда идентифицировать интересующий исследователя объект.

Для того чтобы выделить эти узкие спектральные диапазоны, обычную съемочную аппаратуру снабжают комплектами селективных светофильтров, либо же заранее конструируют ее таким образом, что входящий поток энергии делится (обычно с помощью диспергирующей системы) на три-четыре пучка, несущих одно и то же изображение в разных диапазонах длин волн. Кроме того, применяют радиолокационные спект-рорадиометрические и другие комплексы, также позволяющие изучать объект в узких спектральных зонах. Как правило, размер этих «окон» находится в пределах от 1,5 до 10 нм.

Однако спектральные отражательные характеристики различных земных объектов зависят не только от свойств самих этих объектов, но и от множества внешних (атмосферно-оптических, природно-технических) факторов, случайным образом изменяющих эти характеристики. Если рассмотреть в качестве примера почву, то ее отражающая способность будет зависеть от окраски, текстуры, шероховатости, влагосодержания, минерального и химического состава, угла наклона, степени затенения растительностью и т. д. Определить, в какой мере все эти факторы влияют на конечное изображение, также помогает многозональная съемочная аппаратура.

Значительный информационный потенциал несет в себе метод комбинирования изображений, снятых в различных участках спектра. Например, совместив одноименные изображения земной поверхности, полученные в диапазонах λ = 420—450 нм и λ=700— 740 нм, можно выделить различные свойства сельскохозяйственных культур, вплоть до степени пораженности вредителями и болезнями.

Примером техники, позволяющей решать такие задачи, могут служить фотоаппараты МКФ-6 и МСК-4, прекрасно зарекомендовавшие себя в течение многолетней службы на борту орбитальных станций «Салют» и «Мир» и позволяющие одновременно получать


Полосы обзора съемочной сканирующей аппаратуры различного типа. Многозональное сканирующее устройство МСУ-М имеет наибольшее поле обзора, 1930 км шириной и наименьшее разрешение на местности 1,7 км (по направлению полета). МСУ-С захватывает полосу шириной 1380 км, при разрешении на местности 142 м, МСУ-СК — 600 км при разрешении 243 м, МСС «Фрагмент» — 85 км, МСУ-Э — при полосе обзора 28 км разрешение местности составляет 28 м
четыре-шесть фотоснимков одного участка местности в различных спектральных диапазонах от 400 до 900 нм (разрешение на местности 18—50 м) или различные многозональные сканирующие радиотелевизионные комплексы (типа МСУ, устанавливаемые на спутниках «Метеор — Природа»). Эти последние имеют 3—12 спектральных каналов, перекрывающих диапазон от 400 до 1200 нм и способных предоставить исследователям высококачественную информацию с самым разнообразным пространственным и спектральным разрешением.

Совершенно новые горизонты открывает применение радиолокационных методов дистанционного зондирования земной поверхности: для радиоволн атмосферный облачный слой совершенно прозрачен и на результаты съемки никак не влияет; освещенная ими теневая сторона Земли находится в данный момент в поле зрения локатора. Это очень ценное качество, например для оценки ледовой обстановки в полярных морях, где облачность, как правило, не дает возможности получить цельную картину на больших площадях.

Радиолокация позволяет также судить и о характере подстилающей поверхности, о ее шероховатости, влажности, наклоне. Без труда идентифицируются на радиоизображениях дороги, здания, промышленные предприятия, суда.

В последние годы стали активно применяться радиолокаторы с синтезированной апертурой, еще более расширяющие возможности этого вида съемки. Такие устройства имеются, к примеру, на борту орбитальной станции «Алмаз»1, запущенной в СССР весной 1991 г. (Земля и Вселенная, 1991, № 4, с. 102) спутника ERS-1 (Земля и Вселенная, 1992, № 1, с. 19) или межпланетной станции «Магеллан», завершающей съемку Венеры (Земля и Вселенная, 1991, № 4, с. 112; 1992, № 3, с. 44, с. 45, № 5, с. 45.— Ред.).

1 По сообщению ИТАР-ТАСС, 17 октября 1992 г. в 7 ч 28 мин космический аппарат «Алмаз-1» завершил свою работу на орбите и разрушился над Тихим океаном

Немалую информацию поставляют и различные радиометры — приборы, измеряющие тепловой поток, идущий от поверхности Земли. Инфракрасные изображения, передаваемые спутниками с такой аппаратурой, позволяют судить о характере облачности, снежного и ледового покровов и многом другом. Они активно используются в метеорологии для оценки и прогнозирования природных атмосферных явлений.

ВЫБОР ОРБИТЫ



Крым из космоса. Подобные снимки позволяют оценивать степень обработки почвы под сельскохозяйственные культуры, состояние посевов, загрязненность воды в Черном море

Цели и задачи, стоящие перед разработчиками ис-следовательского спутника, накладывают ограничения не только на параметры его аппаратуры, но и определяют тип и наклонение орбиты, на которую он будет выведен. Среди факторов, влияющих на этот выбор, можно отметить расположение объектов на Земле и условия их освещения, интересующее исследователей время года и требующуюся детальность информации.

Как правило, для спутников дистанционного зондирования выбирают круговые или эллиптические орбиты, причем наиболее удобными оказываются полярные или приполярные их разновидности (i=82—98°) различной высоты. Например, спутники серии «Ресурс-Ф», оборудованные различной фотоаппаратурой, находятся на эллиптических орбитах (i=82° и высота Н=170—450 км), спутники «Метеор» и «Ресурс-О» на круговых орбитах (i=81— 98° и Н=600— 1250 км). Элементы орбиты спутника «Океан» — i=83—98° и Н=650—850 км. В некоторых случаях выбирают солнечно-синхронные орбиты, с которых можно вести наблюдения при постоянных условиях освещенности снимаемой области. Такие орбиты выбраны для спутников SPOT (Франция, i=98,7° и Н=822 км) и ERS-1. Иногда наблюдение за поверхностью Земли ведется со спутников, находящихся на геостационарных орбитах. И все же наибольший эффект для наблюдения Земли дает система, состоящая из нескольких целевых КА, находящихся на различных орбитах. Это становится понятным, если вспомнить, что материалы, получаемые с них, призваны решить на Земле многоальтернативную задачу, включающую, с одной стороны, высокое разрешение местности, иногда до 10— 20 см, с другой, обеспечить глобальный обзор земной поверхности на площадях до нескольких тысяч квадратных километров.

Кроме того, периодичность обзора (для наблюдения за океаном, селями, обвалами нужно, чтобы информация поступала через 6 ч, при наблюдении за сельскохозяйственными угодьями не реже, чем через трое суток) также требует использования различных типов орбит и разнообразной аппаратуры дистанционного зондирования. Но одних лишь космических наблюдений для исследования природных объектов недостаточно, поскольку для распознавания их требуется создать классификатор, что возможно только при проведении наземных измерений параметров объекта на эталонных участках. Поэтому дистанционное зондирование Земли из космоса часто сопровождается наземными и самолетными измерениями, хотя обычно это происходит только на этапе создания банка данных, содержащего спектральные «портреты» вероятных объектов.

НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ

Одной из основных задач, решаемых с помощью космической техники, остается сельскохозяйственное дешифрирование. Оно направлено на оценку созревания различных культур, плодородия почвы и ее влажности, качества агрохимической и технической обработки, распределения температур в поверхностном слое почвенного покрова. Космическая информация позволяет наблюдать за динамикой растительности, определять наличие заболеваний и многое другое.


Материалы космических съемок содержат богатейшую информацию для специалистов по сельскохозяйственному дешифрированию. На этом слектрозональном снимке - предгорья Тянь-Шаня в окрестностях Чимкента (темное пятно в нижней части снимка). Правильной формы прямоугольники - участки возделываемых земель. Красноватым цветом изображены участки речных долин, покрытых растительностью, а открытые водные пространства - синим цветом. Снимок сделан с борта пилотируемой станции «Салют-5» с высоты 260 км

Еще одно актуальное направление дистанционного аэрокосмического зондирования — геологическое картографирование. Эти исследования показали, что каждый биологический тип покрытия соответствует почве с определенным физическим и химическим составом. Свойства же почв во многом зависят от материнской породы. Поэтому, изучая спектральные особенности растительности, можно достаточно точно выявить распределение горных пород в подпочвенном слое, особенно точно в тех регионах, где на развитие растительности не влияла деятельность человека.

Эффективность геологического картографирования зависит не только от спектральной информации, но и от текстурных признаков, т. е. от характера расположения характерных образований на поверхности наблюдаемого объекта. Так, например, благодаря участию специалиста-интерпретатора, хорошо знающего геологию региона, на территории Таджикистана выявлено более ста ранее неизвестных геологических структур и около 200 разных тектонических нарушений. По космической фотоинформации обнаружено более 9000 ледников площадью более 0,5 км2 каждый в этом районе, хотя ранее считалось, что их число не превышает 8745. При оценке же их динамики выявлено не 18, как предполагалось до начала исследований, а 80 пульсирующих ледников. По материалам космических фотосъемок сегодня изучены многие районы, которые могут оказаться перспективными при поиске нефти и газа. На некоторых участках Западной Сибири, Поволжья, Прикаспия и Средней Азии, отобранных именно таким способом, уже ведутся поисковые работы, причем с положительными результатами.

Широко применяются космические снимки при решении задач мелиорации, водного и лесного хозяйства. По результатам съемок создаются различные по масштабам и назначению карты: мелиоративные, инженерно-геологические, гидрогеологические, батиметрические.

И, наконец, самый яркий пример использования космической информации — исследование океана. Его изучают из космоса различными путями, поскольку приходится учитывать гидрометеорологические условия, параметры орбиты КА и технические характеристики аппаратуры наблюдения и средств приема и обработки информации на Земле. Так можно получить данные о многих физических показателях состояния акватории океана: о температуре поверхности, цвете и прозрачности воды, о зонах апвеллинга и параметрах волнения, строении шельфа и уровне поверхности, о характеристиках морского льда и загрязнений вод, о местонахождении и миграции фитопланктона. Наблюдения с борта спутников дают возможность одновременно следить за атмосферными фронтами и давать оценку реальной и долговременной метеорологической обстановки, развивающихся опасных циклонических явлений. Для получения этой информации без средств дистанционного зондирования потребовались бы сотни и тысячи надводных и подводных морских судови самолетов, автоматических судов и буев.

Определяя местонахождения судов, можно с большой точностью картографировать береговую линию и морской шельф, осуществить географическую привязку мелководий, отмелей и т. п.


Интересно отметить, что хотя циклонические вихри всегда закручиваются в одном направлении (в южном полушарии - по часовой стрелке, в северном - против) на этом снимке наблюдается уникальное явление - разнозакрученные вихри

Наблюдения с ИСЗ позволяют иметь ценные сведения, незаменимые в современной метеорологии. Информация с метеоспутников, охватывающая, как правило, почти весь земной шар, и полученная в реальном масштабе времени, чрезвычайно важна для анализа атмосферных процессов, на которых базируются современные методы прогноза погоды. Облачные системы атмосферных фронтов — на телевизионных снимках в виде светлых полос разной ширины и плотности и структуры. Наиболее широкие и яркие облачные полосы соответствуют активным фронтам с интенсивными восходящими движениями влажного воздуха.

Итак, уже сегодня дистанционные методы зондирования имеют значительное развитие и постоянно совершенствуются. На борту космического аппарата устанавливаются спектральные приборы с разрешением до 1,5 нм, мультиспектральные многочастотные радиолокационные станции с синтезом апертуры антенны, позволяющие фиксировать спектральные «портреты» природных образований. Длиннофокусные (от 2 до 36 м) фотокамеры разрешают на поверхности Земли объекты размером до 10 см. И это не предел возможностей. В настоящее время наибольшее значение имеет проблема обработки потока информации, поступающей от приборов, установленных на КА. Лишь 13—17 % ее обрабатывается в реальном масштабе времени, остальная же нуждается в последующей детальной интерпретации. Поэтому дальнейшее развитие методов дистанционного зондирования и Земли и других планет и спутников напрямую зависит от появления новых методов обработки данных.