Среди дистанционных съемок геостационарных ИСЗ широкое развитие получила радиолокационная (РЛ) съемка. Она позволяет быстро и независимо от погодных условий, времени суток получать изображение местности, близкое по своим изобразительным свойствам к мелкомасштабному изображению. Большое влияние на характер радиолокационного изображения оказывают влажность, электропроводность, плотность объектов исследования. Применяется в геологических исследованиях.

В настоящее время широкое применение находит тепловая инфракрасная съемка. Изменения температурных контрастов различных горных пород, почвенно-растительных зон играют решающую роль в построении инфракрасного изображения. Температурные колебания находятся в прямой зависимости от внешних условий, и температурные контрасты могут сильно изменяться во времени (суточные, сезонные, зональные).

Для исследования природных явлений и ресурсов все более широкое применение находят геостационарные природно-ресурсные искусственные спутники Земли, пилотируемые космические корабли и орбитальные станции, с разных высот ведущие наблюдения за земной поверхностью.

Выделяют несколько уровней космических съемок: глобальный, региональный, локальный [8].

Примером космических снимков глобального уровня генерализации могут служить снимки, полученные с автоматической межпланетной станции "Зонд", на которых изображается почти вся освещенная в момент съемки часть Земли. Они несут изображение наиболее крупных геологических объектов, которые хорошо отличаются оптическими яркостями. В основном, это структуры первого, иногда второго порядка, зоны крупных глубинных разломов.

Космические снимки регионального уровня генерализации получают с автоматических спутников системы "Метеор" (телевизионные) и "Метеор-Природа" (сканерные), "LANDSAT", запущенных с целью изучения природных ресурсов. На этих снимках проявляются взаиморасположения геоструктурных областей, а в их пределах - структуры второго порядка: валы, купола, грабены, крупные складки.

Космические снимки локального уровня генерализации по своей информативности близки к мелкомасштабным аэрофотоснимкам [2].

КА Landsat-7, запущенный в рамках программы Landsat, является проектом трех крупных американских правительственных организаций: NASA, NOAA и USGS. Он снабжен аппаратурой ETM+ (EnhancedThematicMapperPlus - усовершенствованный тематический картограф), которая обеспечивает съемку земной поверхности в четырех режимах: VNIR (VisibleandNearInfrared - мультиспектральный видимый и ближний инфракрасный диапазон), SWIR (ShortwaveInfrared - средний инфракрасный диапазон), PAN (panchromatic - панхроматический диапазон), TIR (thermalinfrared - тепловой инфракрасный диапазон).

Реализация программы Landsat началась в 1972 г. с запуском спутника Landsat-1, - первого гражданского космического аппарата, который обеспечивал оперативную передачу изображений среднего пространственного разрешения по радиоканалу. Данные шести последующих спутников серии Landsat получили широкое распространение в мире. С 2009 г. все космические снимки программы Landsat находятся в открытом бесплатном онлайн доступе.

Решаемые задачи:

· создание и обновление топографических и специальных карт, вплоть до масштаба 1: 200 000;

· обновление топографической основы для разработки проектов схем территориального планирования субъектов федерации;

· обоснование перспективных площадей под поисковые работы на нефть и газ, прогнозирование и выявление ловушек нефти и газа, потенциальная оценка их нефтегазоносности;

· поиск и обоснование перспективных площадей под поисковые работы на рудные и нерудные полезные ископаемые;

· мелкомасштабная лесная инвентаризация. Контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов;

· сельскохозяйственное картографирование на уровне регионов, мониторинг состояния посевов, прогнозирование урожайности;

· автоматизированное создание карт растительности, ландшафтов и природопользования;

· мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров половодий, паводков и т.п.

Таблица 1.3.1 - Основные характеристики космического аппарата [2].

Таблица 1.3.2 - Основные технические характеристики съемочной аппаратуры [2].

Аэрокосмический мониторинг водных ресурсов. Из всех видов природных ресурсов именно водные дают наибольшую информативность при распознавании их на аэрокосмических снимках, что объясняется значительной вариацией спектральных коэффициентов яркости указанных объектов - от 0,1 для чистых и глубоких водных масс в спокойном состоянии, до 0,9 для свежевыпавшего снега.

Главными дешифровочными признаками поверхностных вод являются: ровный фототон и специфическая монотонная или выразительная структура изображения воды, снега и льда; извилистость непрерывно линейно вытянутого рисунка рек; овальная форма озер и приуроченность водотоков и водоемов к пониженным элементам рельефа.

По темному фототону и вытянутой форме уверенно распознаются реки шириной до 0,05-0,07 мм в масштабе снимка, что соответствует его разрешающей способности 10/15 линий/мм. Меньше указанного предела реку на снимке обычно не видно. Таким образом, на наиболее распространенных среднемасштабных (1: 200000) и мелкомасштабных (1: 1000000) космических снимках по прямым признакам надежно распознаются относительно крупные реки. Озера дешифрируются, когда становится различимой их форма. Но при большом скоплении озер иногда удается опознать даже очень мелкие из них, которые изображаются на снимке в виде небольших точек. Поэтому при дешифрировании поверхностных вод косвенные признаки имеют особое значение.

Так, фототон водной поверхности и конфигурацию рек, каналов, озер и водохранилищ можно считать одинаковыми как в лесной, так и в степной или тундровой зонах. Однако увлажненные выше фонового уровня территории индицируются в лесной зоне по угнетенной растительности, а в степной, наоборот, по буйной растительности. Примеры такого рода очень многочисленны, так как косвенные (ландшафтные) признаки могут быть весьма "тонкими" и иметь локальный характер.

При гидрографическом дешифрировании аэрокосмических снимков используют прямые и косвенные дешифровочные признаки [8].

О прямых дешифровочных признаках говорят, когда на снимках четко отражены болота, солончаки, ключи, родники, колодцы, скважины, реки и их притоки. О косвенных признаках говорят, когда по элементам одних объектов распознаются другие. Так, выходы подземных вод, влажность почвы, глубину и залегания, качество воды выявляют по соответствующему типу растительности. Например, гидрофиты, влаголюбивые растения могут характеризовать глубину залегания и степень миграции грунтовых вод; ксерофиты - растения, использующие влагу грунтовых вод благодаря глубоко проникающим корням в грунт, свидетельствуют о сухости района.

Темный тон изображения, очертания, размеры, приуроченность к различным формам рельефа помогают выявить выходы подземных вод. Тон изображения на снимке, размер и форма рисунка позволяют обнаружить старые русла рек, древние долины. Разломы - спрямленные линейные элементы рельефа - служат основными указаниями местоположения артезианских бассейнов, направления и путей перемещения подземного стока. На снимках по косвенным признакам дешифрирования растительности могут быть выявлены и потери воды в оросительных системах, а также утечка воды из водохранилища.

Для целей гидрологического дешифрования повышенной информативностью обладают снимки, полученные в диапазоне 0,6-0,8 мкм. В этом случае водная поверхность резко "вычленяется" на фоне изображения других природных образований. Появляется широкая возможность автоматизированного распознавания объектов посредством математической формализации процесса дешифрирования и использования современных систем цифровой обработки изображений.

Спутниковые съемки содержат обширную информацию о снежном покрове, которая необходима для оценки влагозапасов, объема и режима поступления талой воды в речную сеть. При использовании многократных съемок в видимом (0,4-0,8 мкм), ближнем инфракрасном (ИК) (0,7-1,3 мкм) и тепловом ИК (8-12 мкм) спектральных диапазонах можно определять степень заснеженности водосборов, высотное положение заснеженных участков, продолжительность залегания: снега по высотным поясам, его глубину и плотность. На космических снимках четко фиксируется площадь тающего снега. На белом фоне снежного покрова уверенно дешифрируются верхние звенья речной сети, так как обильно пропитанный водой снег по тальвегам выделяется более темными узкими полосами. После схода снега эту информацию об истоках получить уже невозможно.

Высокая контрастность льда и открытой водной поверхности позволяет использовать космические снимки для изучения ледовых явлений в реках, на озерах и водохранилищах, в морях. Оперативное слежение за динамикой разрушения речного льда помогает выявлять заторные участки и прогнозировать наводнения. Для организации такого мониторинга успешно используются данные, получаемые с метеорологических спутников.

При гляциологическом дешифрировании материалы АКС позволяют выявить: снежные и ледовые образования, распределение и динамику снежно-ледового покрова, его мощность, места схода снежных лавин, горные оледенения, типы ледников и их состояние. На аэрофотоснимках легко дешифрируются ярко-белые фирновые поля-бассейны.

Распознавание открытых водных поверхностей, снега и льда на материалах аэрокосмической съемки производят в основном по прямым признакам дешифрирования [2].

По космическим снимкам изучают загрязнения водоемов, водотоков, вызванные деятельностью человека и приводящие к существенному изменению состава и свойств вод. Загрязнения водного бассейна четко прослеживаются по тону изображения. Сравнивая снимки разного времени съемок можно выявить источники выбросов и проконтролировать зону распространения загрязнений водного бассейна, распознавать нефтяные загрязнения, зоны распространения сточных вод, тип и интенсивность загрязнения, эрозию берегов, взвешенные наносы. Прямые признаки дешифрирования: резкое изменение темного фона воды, серой тональности мутными пятнами у устья рек, на берегах водохранилищ, отвалы грунта и т.д.

Материалы дистанционного зондирования применяют при изучении транзита речных наносов и режима осадконакопления в прибрежных зонах озер и морей. Область аккумуляции твердого стока в устьях рек дешифрируется по светлому фототону водной поверхности. Это дает возможность следить за динамикой подводного рельефа, заносимостью акваторий, процессами переформирования берегов. С помощью аэрокосмической фотосъемки и телевизионной информации успешно изучается динамика речных разливов. По разной степени почернения фототона на снимках достоверно дешифрируются границы и площади разливов, последовательность затопления поймы, характер происходящих в ней эрозионно-аккумулятивных процессов и ряд других гидрологических явлений. Такие сведения особенно важны при исследовании наводнений на неизученных реках, что имеет большое практическое значение в условиях Сибири.

Космические средства контроля окружающей среды очень эффективны при изучении Мирового океана. Для исследования Мирового океана созданы специальные спутники - "Океан-О" (Россия), MOS (Япония), SeeWiFS (США) и др. В частности, на спутнике NIMBUS-7 (США) был установлен сканер CZCS со спектральными каналами:

· 0,433-0,453 мкм (голубой) для измерения хлорофилла в воде;

· 0,51-0,53 мкм (зеленый) для измерения хлорофилла в воде;

· 0,54-0,56 мкм (желтый) для измерения содержания желтого вещества в воде, для определения солености воды;

· 0,66-0,68 мкм (красный) для оценки содержания аэрозоля в атмосфере;

· 0,7-0,8 мкм (ближний ИК) для выделения суши и облаков;

· 10,5-12,5 мкм (дальний ИК) для определения температуры.

Характеристики природных вод определяются с помощью алгоритмов многомерного статистического. В частности, концентрация хлорофилла в воде определяется по уравнениям регрессии. Подобным же образом формируется информация о концентрации минеральных взвешенных веществ в воде, термодинамической структуре вод, интенсивности волнения и других характеристиках, описывающих состояние водных экологических систем. Найденные характеристики лежат в основе классификации типов вод непараметрическими статистическими методами классификации с обучением.

Температура воды в океане - наиболее важная характеристика поверхностных водных масс. Распределение температуры воды определяется не только зональными климатическими особенностями, но и формированием высокоградиентных температурных зон (температурных фронтов) из-за взаимодействия различных течений, круговоротов и вихрей.

Важным свойством фронтальных зон является формирование гидробиологических неоднородностей в океане. Фронтальные зоны могут влиять на распределение планктона и рыб или служить своеобразнойжидкой границей, существующей длительное время и ограничивающей взаимодействие с другими типами вод и соответственно с биологическими структурами.

По спутниковым данным проведены значительные по объему исследования сезонной и межгодовой динамики концентрации хлорофилла в поверхностном слое Мирового океана в глобальном и региональном масштабах. Это, в частности, позволяет находить зоны, перспективные для океанического рыболовства [1].

В океанологии так же изучаются структура и расположение ледового покрова, распределение и сезонное направление течений, океанических фронтальных зон, ориентировка и скорость волнения, регистрация и прогноз цунами, приливных волн, вызванных моретрясением, вулканизмом, динамика донных отложений, взвешенных наносов, устойчивость берегов, миграции планктона и животного мира океана.

В геологии аэрокосмическая информация используется для обновления геологических карт; при поисково-разведочных работах в процессе выявления новых месторождений и уточнения старых месторождений полезных ископаемых; для изучения активных зон разломов в связи с выявлением сейсмичности, расположением геотермальных источников, вулканических явлений и зоны минерализации и т.д.

В геоморфологии и инженерной геологии АКИ используется при обновлении геоморфологических карт, прогнозе интенсивных эрозионных и аккумулятивных эоловых, флювиальных и абразионных процессов, а также катастрофических явлений: обвалов, оползней, просадок.

В климатологии - для прогноза погодных условий; для выявления мгновенной структуры облачности, определения нуля распространения одинаковых температур, влажности, ветра, аэрозолей, формирования циклонов, антициклонов и т.д.

В почвоведении АКИ используется для обновления почвенных карт, при изучении динамики почвообразовательных процессов, засоления, влажности почв и их температур, наличия водной и ветровой эрозии, при инвентаризации почв, занятых под сельскохозяйственные угодья, и их использовании.

В геоботанике АКИ используется для обновления карт растительности; при анализе сезонной ритмики и наблюдений за динамикой растительности; при анализе продуктивности растительного покрова и его роли в природном равновесии и экологии, при изучении нарушения, отмирания растительного покрова от пожаров, болезней, нерационального использования растительных ресурсов.

Аэрокосмическая информация при изучении вечной мерзлоты. Большую помощь АКИ оказывает при дешифрировании различных мерзлотных образований в зоне тундры, лесотундры. В результате дешифрирования выявляются явления, связанные с вечной мерзлотой: термокарстовые проседания грунта, образование озер, наледи. Анализ космических снимков и обзорно-топографических карт позволил выявить динамику (скорость деградации) термокарстовых озер.

Аэрокосмические исследования в сельском хозяйстве. В сельском и лесном хозяйстве АКИ применяется при инвентаризации и ревизии сельскохозяйственных и лесных карт, составлении прогнозных карт продуктивности и урожайности посевов, при учете площадей, занятых под те или иные сельскохозяйственные культуры, при определении спелости, обнаружении очагов болезней и размножения растительноядных насекомых, определении состояния почв в весенний период для установления начала проведения полевых работ по основным агрорегионам.

При сельскохозяйственном дешифрировании получают сведения о местоположении и характеристике следующих объектов и их контуры:

Границ землепользования; на снимках отчетливо видны линии межей по тону изображения, прямолинейности;

1. Пашен, занятых под овощные, зерновые, технические культуры;

2. Залежей земель, которые больше года не засеивались; тон изображения на снимке серый однородный, резко геометрической формы;

3. Сенокосов (тоннаснимках однородный), четко расположенных в поймах рек, по склонам ручьев, всхолмленного рельефа;

4. Пастбищ; тон изображения однородный - видны заборы, животные;

5. Фруктовыхсадов, плантаций, рисовых полей строгой формы, видны ниточки каналов, канав.

Кроме АКС, необходимы полевые наблюдения.

По космическим снимкам ценную информацию получают для мелиоративных изысканий и водоснабжения; выявляют распространение осушительных, оросительных, обводнительных современных и древних систем.

При решении задач мелиорации рассматриваются вопросы проектирования, управления и охраны вод [2].

Аэрокосмические исследования при изучении транспортной сети. Транспортная сеть как линейный объект распознается на снимках в виде портовых сооружений, взлетных полос, железных дорог, различных шоссейных, грунтовых, лесных дорог и т.д. Анализ по снимкам, полученным во время интенсивного движения, позволяет достоверно получать сведения об интенсивности движения, перегрузке на переходах.

Аэрокосмические исследования при изучении населенных пунктов ПТК.

В зависимости от масштаба и разрешающей способности космические снимки позволяют определить:

· города-гиганты;

· взаимосвязанные группы поселений, центры и ареалы их проявления, используя в качестве дешифровочного признака транспортную сеть различного уровня;

· тип и количество подводящих дорог к населенным пунктам;

· районирование территорий по типу расселения и видам хозяйственного использования земель;

· четко отраженные города, населенные пункты, транспортные связи, сельскохозяйственные поселения, бригадные станы, карьеры, лесные разработки.

Для охраны природной среды АКИ используется при обнаружении источников загрязнения воздуха и воды, при изучении изменения водного баланса под влиянием бесхозяйственной деятельности человека, при изучении деградации естественного почвенного и растительного покрова в результате антропогенно-техногенной нагрузки. А также используется при картировании затоплений на крупных реках и водохранилищах и оценке состояния водных ресурсов и площадей земной поверхности для проектирования строительства, при определении загрязнения воздушной среды в крупных промышленных городах, внутренних водоемах, морях, на суше, при оценке состояния морской поверхности, наличия полей фитопланктона для определения зон рыболовства и т.д. [2].

Глава 2. Применение аэрокосмической информации