«Техника-молодежи» 1987 г №10, с.36-38





Так выглядят изображения земной поверхности не черно-белой пленке (панхром); на цветной обычней пленке, на цветной ИК-пленке; на ИК-пленке.

Географические карты, как и люди, стареют. Подчас еще до того, как топографы нанесут на кроки последние штрихи, неумолимая действительность неузнаваемо перелицовывает лик планеты. И там, где типографский станок только что синим по белому отпечатал русло реки, из-за бесхозяйственности или, скажем, «инициативного», а попросту говоря, браконьерского орошения уже образовался безжизненный такыр или песчаный бархан.

Существуют и другие случаи, когда на картах фиксируется одно, а в жизни, увы, совсем другое: выяснилось, что в среднеазиатских республиках распахано земель больше, а лесов посажено меньше, чем указано в отчетности; в Калмыкии опустынивание происходит быстрее, чем считалось, в Карелии нанесен тяжкий ущерб природе заводскими выбросами; в некоторых районах Латвии дичает брошенная земля, которая по кадастру числится угодьями.

Как быть? Как проконтролировать нерадивых хозяйственников и «научить» карты объективности?

«Поможет космический объектив, — считает заведующий Лабораторией дешифрования космических снимков Института географии АН СССР Леонид Николаевич Васильев, — взгляд из космоса открывает много интересного». Его рассказ о новом поколении космической техники дистанционного зондирования записал наш специальный корреспондент Александр НИКОЛАЕВ.

КОСМИЧЕСКАЯ «ЭТАЖЕРКА»

Леонид ВАСИЛЬЕВ,
профессор, доктор технических наук

А в самом деле, как изменяются природная среда, ландшафты? Как влияют на них промышленное строительство, рост городов и другие результаты воздействия человека? Ответы на эти и подобные вопросы современная география получает с помощью космических методов исследований Земли. На стыке физико-технических и природоведческих дисциплин возникло новое научное направление — космическое землеведение.

Вот на цветном космическом снимке запечатлена картина современного состояния Земли на огромной территории, 30-40 тыс. квадратных километров. Он содержит полную информацию о природе, ее использовании и результатах человеческой деятельности. Документально отражено взаимодействие человека с природой, которое, увы, далеко не всегда соответствует наилучшему сохранению естественных богатств и условий жизни. Видны следы глобальных природных процессов, стихийных явлений и их последствий, а также результаты крупного строительства и освоения новых районов.

Космические дистанционные методы исследования Земли, Луны, а также и планет Солнечной системы основаны на изучении того, как объекты отражают или излучают электромагнитную энергию. Первыми эти методы взяли на вооружение географы после запуска искусственных спутников Земли и стали применять для сугубо земных дел. Причем не только в научных исследованиях, но и в разных отраслях народного хозяйства, связанных с ресурсами: недрами, лесами, пашней, реками и озерами.

К наиболее популярным примерам дистанционного зондирования относятся измерение расстояний радиолокатором (см. «ТМ» № 1 за 1985 г.) или оптическим дальномером; фотографирование, то есть измерение яркости исследуемого предмета; акустическая эхолокация (скажем, морских глубин).

Нас интересует фотографирование. По черно-белому снимку можно определить яркость отдельных частей объекта. А по цветному? Не только яркость, но и цвет. В первом случае исследователь работает с одной характеристикой, а во втором — с двумя. В соответствии с этим специалисты говорят об одномерном или двухмерном признаковом пространстве.

Посмотрев на черно-белые и цветные аэрофотоснимки, нетрудно убедиться, что увеличение размерности спектрального признакового пространства позволяет различить большее число информативных деталей. Например, на инфракрасных цветных снимках, в отличие от черно-белых, легко распознать, где растут хвойные, а где лиственные леса.

Впрочем, даже цветные, выполненные на многослойных материалах фотографии позволяют экспертам оценить объект только с качественной, а не с количественной точки зрения.

Иное дело — многозональная съемка. Выделяя с помощью светофильтров в спектре электромагнитного излучения достаточно узкие области, можно свет, отраженный предметом, разложить на несколько зон, соответствующих определенным цветам, Для этого один и тот же объект последовательно фотографируют на черно-белую пленку, например, через фиолетовый, зеленый, желтый, оранжевый, красный светофильтры. Чтобы ускорить этот процесс, ведь спутник движется, создан многозональный фотоаппарат — объединенные в один блок несколько фотокамер. Они снимают одновременно, каждая через свой светофильтр.

Первый многозональный космический фотоаппарат МКФ-6 для съемки в шести зонах (в видимой и инфракрасной частях спектра) создали в 1976 году специалисты Института космических исследований АН СССР совместно с народным предприятием «Карл Цейс» (ГДР). С его помощью космонавты В. Быковский и В. Аксенов, находясь на борту космического корабля «Союз-22», получили за неделю полета 2,5 тыс. снимков Земли. За создание уникального прибора доктор технических наук Я. Зиман и кандидат технических наук Ю. Чесноков были удостоены Государственной премии СССР.


Одновременно с космической съемкой ведется фотографирование поверхности Земли.

Итак, получив черно-белые изображения, соответствующие определенным участкам спектра, можно измерить яркость различных объектов земной поверхности. Однако рассматривать сразу все шесть изображений очень трудно. Поэтому они синтезируются: каждый из снимков через определенный светофильтр проецируется на экран. В результате получается цветное синтезированное изображение.

Отметим эту особенность. Поскольку при многозональной съемке объект фотографируется в инфракрасных лучах, к которым глаз нечувствителен, при цветном синтезе ИК-снимку также необходимо придать какой-либо условный цвет. Поэтому синтезированные изображения строятся в так называемых ложных цветах, благодаря чему глазу легче воспринимать различия в цветовых оттенках (по сравнению с черно-белыми). Как известно, в черно-белой картинке человек различает до 10-15 градаций серого тона, а в цветной — несколько сотен оттенков.

Правомерен вопрос: не заменяют ли космические съемки, дающие полную информацию о Земле, прежние методы работы географов и других сугубо земных специалистов?

По-видимому, нет. Хотя речь и идет о новом, весьма производительном инструменте познания Земли, но эффективность его в полной мере проявляется только в том случае, если удается установить физические связи между изучаемыми характеристиками объекта, с одной стороны, и его радиационными (оптическими) свойствами — с другой. А это очень непростая фундаментальная научная задача.

Поясним простым примером. На космических снимках акваторий океанов и морей часто фиксируются различные крупные неоднородности, отличающиеся яркостью или цветом. Их легко выделить даже при беглом просмотре, но дать однозначное заключение об их происхождении, составе, параметрах образований весьма не просто. Между тем именно интерпретация, объяснение свойств объекта, является, пожалуй, самым главным в дистанционном зондировании Земли.

Операторы из Центра управления полетом очень часто сталкиваются с такими проблемами. Космонавт, чувствуя важность наблюдаемого природного явления, фотографирует или направляет на объект телевизионную камеру, но пока он связывается по радио с дежурными специалистами, пока те вглядываются в монитор, таинственное изображение исчезает. Теперь жди, когда фотопленки будут возвращены на Землю и проявлены. Между тем само явление уже давно исчезло и нет никакой гарантии, что его изображение будет впоследствии правильно истолковано, понято. Сколько, к сожалению, пропадает иногда ценных фактов!


Глобальная схема мониторинга с использованием космических средств.

Какие же именно свойства земной поверхности регистрируются на многозональных космических снимках? Чтобы понять это, ученые проводят так называемые многоуровневые измерения. Суть их в том, что одновременно с космической ведется съемка с летающих самолетов-лабораторий, вертолетов, радиоуправляемых моделей и даже со штативов на земле. С увеличением высоты съемки возрастают размеры наблюдаемых площадок.

Современные космические аппараты позволяют получать изображение с разрешающей способностью1 30-80 м. Это много или мало? Все зависит от типа местности. На море, в океане или, скажем, пустыне площадки до 100 м в диаметре действительно могут быть однородны, а вот в городе мозаика улиц, домов, скверов имеет средние размеры около 10 м. Следовательно, и аппаратуру для съемки следует выбирать с расчетом на конкретные свойства изучаемых объектов. Чем выше уровень наблюдения, тем крупнее минимальные размеры пространственного разрешения. Представим себе поле, засеянное рядами. Вблизи поверхности Земли мы видим отдельные растения, потом, поднявшись выше, замечаем структуру рядов, затем рядовый рисунок поля, и наконец, когда расстояние между рядами становится меньше пространственного разрешения фотоаппарата, поле выглядит как одноцветная площадка. Именно так изображаются на космических снимках поля с хорошим качеством посевов.

1 Разрешающая способность фотогра­фических аппаратов определяется ми­нимальным углом, под которым еще раз­личаются две удаленные точки. Наш глаз, например, имеет угловое разреше­ние около одной минуты. Это значит, что с расстояния наилучшего зрения — 250 мм, мы различаем два штриха, если зазор между ними около 0,07 мм, с рас­стояния 250 м две вертикальные планки будут видны раздельно, если они разд­винуты на 7 см.

Подобные многоуровневые синхронные космически-самолетно-наземные съемки проводятся на заранее выбранных типичных участках, играющих роль опорных тестов. На них обучаются специалисты. Полученная информация закладывается в память электронно-вычислительных машин. На основе выработанных ЭВМ рекомендаций также обучают распознавать объекты и определять их свойства по всей площади, изображенной на космических снимках.

Принцип космической «этажерки» — многоуровневых аэрокосмических синхронных измерений — потребовал совершенно новой организации подспутниковых работ. Действительно, как при скорости полета искусственного спутника Земли около 8 км/с успеть обеспечить на нескольких участках синхронные самолетно-наземные наблюдения? Для этого в Курской области, ряде других мест заранее подготовили наземные станции и подняли в воздух несколько самолетов, которые в момент пролета спутника делали синхронные съемки.

Такая космическая система пришла на службу народному хозяйству. Главная ее ценность заключается в возможности изучения того, как изменяется Земля под влиянием возрастающей человеческой деятельности. Вместе с тем создается надежное информационное обеспечение для контроля за процессами использования природных ресурсов для управления народным хозяйством. Ученые могут «отслеживать» состояние всех компонентов географической оболочки Земли: почвы, растительности, гидроресурсов, включая лед и снег, атмосферы — всего того, что объединяет в себе понятие «биосфера».