Аэрокосмические методы в геологии

    Современные данные ДЗЗ представлены мультиспектральными и радиолокационными материалами, геологическая и прогнозно-поисковая информативность которых значительно выше, нежели космоснимков «видимых» диапазонов. Но это требует специальных знаний и технологий в их обработке.  

    1.3. ГИС

    Пионерский период (поздние 1950е — ранние 1970е гг.)

    Было  проведено исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы.

• Появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах.
• Появление цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х.
• Создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров.
• Создание формальных методов пространственного анализа.
• Создание программных средств управления базами данных.

    Период государственных инициатив (нач. 1970е — нач. 1980е гг.)

    Государственная поддержка ГИС стимулировала  развитие экспериментальных работ  в области ГИС, основанных на использовании  баз данных по уличным сетям:

• Автоматизированные системы навигации.
• Системы вывоза городских отходов и мусора.
• Движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т. д.

    Период коммерческого развития (ранние 1980е — настоящее время)

    Широкий рынок разнообразных программных  средств, развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, системы, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, открывают путь системам, поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных.

    Пользовательский период (поздние 1980е — настоящее время)

    Повышенная  конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных  технологий услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и «открытость» программных средств позволяет использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских «клубов», телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры. 
 
 

2. ОБЪЕКТЫ  ИЗУЧЕНИЯ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ  МЕТОДОВ

    Объект  исследований с точки зрения аэрокосмических  методов рассматривается как  пространственно-временная категория  иерархического строения – мелкие объекты включены в более крупные, кратковременные процессы – в долговременные. Важнейшая характеристика объектов съёмки – их отражательно-излучательная способность. То есть объектами изучения является Земля, земная поверхность, ландшафты, горы, реки и другое множество составляющих нашей планеты. Физическое поле Земли является главным предметом исследования.

    Цели, которые ставят учёные: достижение новых технологий, усовершенствование уже имеющихся и разработка способов получения подробной информации о местности по снимку.

    При дешифровании геологических объектов на аэрокосмических снимках задачами являются изучение ландшафтной оболочки земной поверхности, геоморфологических особенностей территории и их анализ. Также изучение характера тектоники, морфологии структурных форм. Уточнение, детализация или создание новых карт (геологических, тектонических, геоморфологических, сейсмического районирования, инженерно-геологических, прогнозных и других) и изучение современных геологических процессов составляют основные задачи. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСТАНЦИОННЫХ  ИССЛЕДОВАНИЙ

    Под аэрокосмическими методами принято  понимать совокупность методов исследований атмосферы, земной поверхности, океанов, верхнего слоя земной коры с воздушных и космических носителей путём дистанционной регистрации и последующего анализа идущего от Земли излучения. Аэрокосмические методы обеспечивают определение точного географического положения изучаемых объектов или явлений и получение их качественных или количественных характеристик. Они не только упрощают изучение труднодоступных территорий, но и обеспечивают географа такой геопространственной информацией, которую другими способами получить не удаётся.

    В зависимости от характера регистрируемого  физического поля и типа используемого приёмника аэрокосмические методы принято подразделять на четыре группы: аэрофотографические, аэрофотоэлектронные, аэровизуальные и аэрогеофизические. Аэрофотографические методы используют для регистрации электромагнитных колебаний.

    С помощью дистанционных исследований изучают физическое поле Земли на расстоянии с целью получения информации о строении земной коры. Физической основой дистанционных методов исследования является излучение или отражение электромагнитных волн природными объектами. При геологических изысканиях, которые проводятся с самолётов, космических кораблей и спутников, применяются методы дистанционного исследования, использующие видимый и ближний инфракрасный диапазоны электромагнитного спектра и специальные виды съёмок. Последние включают в себя методы, использующие область электромагнитного спектра, невидимую человеческим глазом, и методы, основанные на изучении геофизических параметров Земли. К дистанционным методам исследования относятся:

    1. Методы дистанционного излучения земной поверхности в видимой и ближней инфракрасной области электромагнитного спектра: а) визуальные наблюдения; б) фотосъёмка; в) телевизионная съёмка.

    2. Методы дистанционного излучения  земной поверхности, регистрирующие  невидимую часть электромагнитного спектра излучения Земли: а) инфракрасная съёмка; б) радиолокационная съёмка; в) спектрометрическая съёмка; г) ряд специальных съёмок (лазерная, ультрафиолетовая, магнитная, радиационная),  не нашедших пока сколько-нибудь широкого применения в геологии.

    В настоящее время современная  аппаратура, применяемая при фотографировании телевизионной съёмке, позволяет  проводить исследования в более  широком диапазоне спектра, включая  ультрафиолетовый и инфракрасный.

    Таблица 1. Диапазоны длин волн спектральных цветов (Бузинов Б.И. и др., 1997)

 

    Таблица 2. Диапазоны спектра, важные для  данных дистанционного зондирования (Бузинов Б.И. и др., 1997; Китов А.Д., 2000) 

 

    Особое  значение при работе с данными  дистанционного зондирования Земли имеет пространственное разрешение съёмки. Дело в том, что космические снимки, полученные с помощью сканерных систем некоторых спутников (например, Ресурс-О, Метеор, Landsat, SPOT, IRS, Ikonos, QuickBird и др.), передаются на Землю уже в цифровом виде. Такие снимки представляют собой сложные, зачастую многослойные, растровые изображения. Каждой ячейке (пикселю) таких растров соответствует определенный квадрат земной поверхности. Поэтому, как правило, пространственное (геометрическое) разрешение ДДЗ измеряется в метрах на пиксель или просто в метрах. Например, когда говорят о цифровом космическом снимке 10-метрового разрешения - это значит, что каждый пиксель этого снимка отображает квадрат земной поверхности размером 10х10 м. Считается, что чем меньше размер пикселя (в метрах) на снимке, тем крупнее масштаб изображения и выше разрешение снимка. Чем выше разрешение снимка, тем более мелкие объекты можно дешифрировать. Самое высокое разрешение имеют цифровые космические снимки с размером пикселя 1 м и даже менее. На снимках с таким разрешением можно различить объекты размером в один метр (автомобили, отдельно стоящие деревья, группы людей и т.п.). Примеры космических снимков с различным разрешением приведены на рисунках 1 и 2.

    Спектральное  разрешение съёмки - характерные интервалы длин волн электромагнитного спектра, к которым чувствителен датчик съёмочной платформы.

    Радиометрическое (яркостное) разрешение съёмки - число  возможных кодированных значений (уровней  квантования) спектральной яркости  в файле данных дистанционного зондирования для каждой зоны спектра, указываемое числом бит.

    Временное разрешение съёмки - частота получения  снимков конкретной области

    Помимо  пространственного разрешения для  данных дистанционного зондирования важны  ещё три типа разрешения съёмки (Лурье И.К., Косиков А.Г., 2003): спектральное, радиометрическое (яркостное) и временное. 

 

    Виды  данных дистанционного зондирования

    Данные  дистанционного зондирования Земли  являются очень важным источником пространственных данных в ГИС.

    Все ДДЗ делятся на три категории:

1. наземная съёмка
2. аэрофотосъёмка
3. космическая съёмка

    Съёмки  могут быть пассивными, когда фиксируется  собственное или отраженное солнечное  излучение, и активными, когда снимаемые объекты облучаются, например, радиоволнами. В зависимости от фиксируемого диапазона электромагнитного излучения различают следующие виды дистанционного зондирования:

1. ультрафиолетовая съёмка
2. съёмка в видимом диапазоне
3. съёмка в ближнем диапазоне
4. съёмка в среднем диапазоне
5. съёмка в дальнем (тепловом) инфракрасном
6. съёмка в микроволновом радиодиапазоне

    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»).