НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ОБЩЕЙ И РЕГИОНАЛЬНОЙ ГЕОЛОГИИ
Семёнова Софья Андреевна
Курс I, группа (853)
Курсовая реферативная работа
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ГЕОЛОГИИ
Руководитель
(cт. преподаватель Соловецкая Людмила Владимировна)
Рецензент
(Черкасов Александр Александрович, 8503)
Новосибирск
2009
АННОТАЦИЯ
Информация, полученная с помощью космических методов исследования, дала геологам очень богатый материал. Данные методы помогают решать в глобальном масштабе важнейшие проблемы теоретической геологии и подтверждать основные закономерности размещения полезных ископаемых. Сегодня аэрокосмические исследования природных ресурсов Земли и окружающей среды приобрели большое значение в решении многих геологических задач. Постепенно исследования привели к формированию дисциплины – аэрокосмического зондирования.
Эти вопросы применения аэрокосмических методов в геологии рассмотрены в данной, предназначенной для широкого круга читателей курсовой реферативной работе.
Работа разделена на 6 глав, некоторые из которых на разделы. Она содержит 11 рисунков и 3 таблицы, и составляет 31 страницу.
ANNOTATION
The information received by means of space methods of research, has given to geologists very rich material. The given methods help to solve on a global scale the major problems of theoretical geology and to confirm the basic laws of placing of minerals. Today space researches of natural resources of the Earth and environment have got great value in the decision of many geological problems. Gradually researches have led to discipline formation — space sounding.
These questions of application of space methods in geology are considered in the given, course abstract work intended for a wide range of readers. Work is divided into 6 heads, some of which on sections. It contains 11 drawings and 3 tables, and makes 31 pages.
СОДЕРЖАНИЕ
Аннотация 2
Введение 4
Глава 1. Исторический очерк 5
1.1. С чего начиналось применение аэрофотосъёмки в геологии 5
1.2. ДЗЗ 6
1.3. ГИС 8
Глава 2. Объекты изучения, цели и задачи аэрокосмических методов 9
Глава 3. Физические основы дистанционных исследований 10
Глава 4. Современные средства исследований 16
4.1. Российская космическая система ДЗЗ 16
4.2. Цифровые системы съёмки 20
Глава 5. Связи с другими научными дисциплинами 24
Глава6. Исследования, проводимые в институтах геологического профиля Новосибирского Центра СО РАН и лекционные курсы ГГФ НГУ. 25
Заключение 28
Словарь основных терминов 29
Список использованной литературы 30
ВВЕДЕНИЕ
Я решила выбрать данную тему работы, в связи с тем, что аэрокосмические методы исследования с момента их появления в геологии всегда были и будут актуальны, особенно для России с её просторами, огромными расстояниями, неразвитой инфраструктурой.
Необходимо также отметить, что площади известных горнорудных районов в геологическом отношении довольно хорошо изучены и обследованы. Поэтому здесь можно рассчитывать, главным образом, на выявление скрытых рудных объектов (глубоко залегающих и/или перекрытых рыхлыми отложениями). Это требует перехода на новые технологии прогноза и поиска месторождений, которые позволяют на начальном этапе в короткие сроки при минимальных затратах средств значительно сократить размер перспективных площадей для постановки детальных глубинных поисковых работ. И здесь на первый план также выходят дистанционные методы геологических исследований.
Особо важным обстоятельством является то, что космические съемки (КС) являются высоко экологичными. При их выполнении не нарушается целостность и не происходит загрязнения исследуемых территорий.
Очевидным преимуществом данных КС является: — объективность и метричность исходной информации; — обзорность, непрерывность, наглядность и требуемая детальность; — использование цифровых средств получения информации и обработка данных в среде геоинформационных систем; — естественная генерализация и повышенная глубинность; — высокая информативность, обусловленная возможностью получения данных в широком диапазоне спектра электромагнитного излучения. А относительно низкая стоимость, позволяет сократить сроки и повысить результативность геологоразведочных работ.
Приступая к работе, я наметила для себя следующие задачи: ознакомиться с исторической стороной вопроса, изучить и рассмотреть методы дистанционного исследования Земли, узнать с помощью каких приборов и каким образом происходят эти исследования. Понять как и для каких геологических задач применяют аэрокосмические методы исследования в геологии. Обобщить найденную информацию и усвоить полученные знания, и применить их в последующем изучении дисциплин, читающихся на кафедре общей и региональной геологии.
1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК
1.1 С чего начиналось применение аэрофотосъёмки в геологии
Во Франции в 1855 году с воздушного шара были сделаны первые фотографии с воздуха, для составления плана Парижа. Потом в 1860-х годах французский геолог Эме Цивиаль фотографировал Альпы с высоких вершин, и на фотографиях выделял геологические границы, т.е. он впервые применил фотографирование земной поверхности с геологическими целями.
С этого момента использование фотографий с геологическими целями начало набирать обороты. Особенно ускорился прогресс развития аэросъёмки с появлением авиации. Под аэрофотосъёмкой или воздушным фотографированием понимают фотографирование земной поверхности с воздухоплавательных и летательных аппаратов.
В начале аэрофотосъёмку использовали для составления карт, планов, для помощи в строительстве мостов, плотин, дамб, авто и железнодорожных дорог, в помощь людям для исследования новых территорий.
Инициатором внедренияаэрометодов в геологические и географические исследования в Советском Союзе следует считать академика Ферсмана А.Е., который ещё в 1927 году, выступая в печати, придавал огромное значение роли самолёта при географических исследованиях. С 1931 года создаются различные научные и производственные организации, специализирующиеся на изучении и применении результатов аэрофотосъемок в проведении различных геологических работ. Разрабатываются методические пособия и рекомендации, издаются монографии, учебники и справочники в которых обобщен опыт использования аэросъемочных работ для решения задач прикладной геологии.
В 1950-е годы наряду с общим развитием отдельных видов аэрометодов, применяемых в геологии, наблюдается и их значительная обособленность. В совершенно самостоятельный вид выделились аэрогеофизические работы, среди которых основное место принадлежитаэромагнитной и аэрорадиометрической съёмкам.
Под редакцией Еремина В.К в 1971 г. лабораторией аэрометодов, было издано методическое пособие по применению аэрометодов при геологических исследованиях.
В настоящее время аэрометоды вошли составной частью во все виды геологических исследований. Они в обязательном порядке используются при производстве геологосъемочных и поисковых работ всех масштабов, а также при изучении тектоники и неотектоники, структур рудных полей, гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях, изучении геологического строения мелководных водоемов, участков шельфа и т.д.
Однако, для решения ряда геологических задач даже высотные аэроснимки, полученные с высот свыше 20 км и имеющие масштаб около 1:100 000 оказались малоинформативными.
В геологии в настоящее время используются результаты различных видов съемок. Основными из них являются фотографическая, телевизионная, радиолокационная, инфракрасная (тепловая), сканерная, лазерная.
По материалам аэрофотосъёмки составляют геоморфологические, геологические, тектонические и инженерно-геологические карты и планы участков строительства многих крупных гидроузлов.
1.2. ДЗЗ
Хотелось бы остановиться на термине «дистанционное зондирование», неоднократно встречающемся в тексте. Этим термином ещё в советской литературе принято было переводить английское «Remote Sensing», что, строго говоря, неверно. Sensing скорее означает получение информации, идентификацию или индикацию, причём в нашем случае она осуществляется в основном путём регистрации естественного излучения, реже (при радарной съёмке) излучения, отражённого от посланного искусственного источника. Что же касается термина «зондирование», то в геологии им обозначают способы исследования литосферы, осуществляемые путём возбуждения искусственных сигналов, регистрации и интерпретации «откликов» на них земных недр (сейсмическое зондирование, электрозондирование и т.п.). (П. Кронберг, 1988)
Со второй половины 80-х годов в развитии технических средств ДЗ начался переход от использования фотоматериалов как носителей информации к цифровым системам, строящим изображения на магнитных носителях. Это привело к повышению динамического диапазона и линейности регистрации, появлению метрологически обеспеченных, оптически совмещённых по различным спектральным каналам цифровых дистанционных материалов, ориентированных не на визуальную, а на инструментальную (компьютерную) обработку. (Архипов В. С. И др., 2000)
В 1970-х годах и даже в начале 1980-х основная деятельность по компьютерной обработке данных дистанционного зондирования (ДДЗ) в мире была сосредоточена в ограниченном числе организаций геологического профиля и не только: у непосредственных поставщиков данных, т.е. у тех, кто принимал и распространял информацию с космических спутников, или в крупных научно-исследовательских учреждениях, зачастую военного или астрономического профиля, связанных с космическими исследованиями Земли и планет или с проблемами обработки изображения. Как правило, такие организации отличались хорошим техническим оснащением по меркам того времени. Несмотря на то, что трудились в таких организациях довольно большие научные коллективы, приоритетными были разработки различных методов обработки изображения, а осуществляли их в основном математики и программисты, а не представители прикладных наук (географы, геологи, лесники, ботаники, почвоведы и др.). Обычно результатом работ таких коллективов являлись уникальные пакеты программ, а не коммерческие универсальные продукты. В производственных объёмах осуществлялась, как правило, лишь предварительная обработка ДДЗ. Тематическое дешифрирование имело в основном характер научного эксперимента.
В России в начале 1990-х годов начали функционировать космические многоспектральные и радиолокационные системы получения дистанционной информации в цифровом виде МСУ-М, МСУ-СК, МСУ-Э, Алмаз, а также фотографические системы высокого пространственного разрешения КФА-1000, МК-4, КФА-3000, ТК-350, КВР-1000. За рубежом широко используются данные многоспектральных и радиолокационных космических съемок систем Landsat MSS, EТМ+ (США), Spot (Франция), ERS (Европа), JERS-1, ADEOS (Япония), RADARSAT (Канада). В настоящее время общедоступными и активно распространяемыми для потребителей являются данные спутниковых съемочных систем LANDSAT, SPOT, IRS, QUICKBIRD, IKONOS, ORBVIEW, Ресурс.
Возможность и необходимость использования материалов ДЗ для решения широкого круга задач в области геологии и недропользования были показаны на различных примерах и декларативно отражены в ряде инструкций. Но работы такого плана, не смотря на их очевидную высокую информативность и относительную дешевизну, не нашли самого широкого применения, за исключением отдельных ведомства (во времена СССР) или компаний (в настоящее время). В первую очередь это обусловлено неудачными попытками фирм геологоразведочного профиля, не имеющих специальной базы (подготовленных специалистов по обработке и дешифрированию космоматериалов и в области ГИС-технологий, специальных программных продуктов и соответствующей вычислительной техники), получить качественную информацию из материалов КС.
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)
Длина волны, нм
Спектральный цвет
380-450
450-480
480-510
510-560
560-585
585-620
620-780
фиолетовый
синий
голубой
зелёный
жёлтый
оранжевый
красный
Таблица 2. Диапазоны спектра, важные для данных дистанционного зондирования (Бузинов Б.И. и др., 1997; Китов А.Д., 2000)
Диапазон спектра
Длина волны
дальний ультрафиолетовый
средний ультрафиолетовый
ближний ультрафиолетовый
видимый
ближний инфракрасный (фотографический)
средний инфракрасный
средний инфракрасный (тепловой)
дальний инфракрасный
микроволновой
радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ)
менее 200 нм
200-300 нм
300-380 нм
380-780 нм
780-1100 нм
1500-2500 нм
3500-5000 нм
8000-14000 нм
0,3-10 см
более 10 см
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.
/>
Рис. 1. Лугинецкое нефтегазовое месторождение в Томской обл. (фрагмент космического снимка Ресурс-О1 с пространственным разрешением 40 м) (www.spaceimaging.com)
/>
Рис. 2. Центральная часть г. Вашингтон (фрагмент космического снимка Ikonos с пространственным разрешением около 1 м) (www.spaceimaging.com)
Виды данных дистанционного зондирования
Данные дистанционного зондирования Земли являются очень важным источником пространственных данных в ГИС.
Все ДДЗ делятся на три категории:
наземная съёмка
аэрофотосъёмка
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:
ультрафиолетовая съёмка
съёмка в видимом диапазоне
съёмка в ближнем диапазоне
съёмка в среднем диапазоне
съёмка в дальнем (тепловом) инфракрасном
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:
фотографические
телевизионные
фототелевизионные
сканерные
радиолокационные
гидролокационные
лазерные
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 185×170 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.ru)
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 60×60 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.ru)
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. (http://pict4/list.ru)
/>
Рис. 7. Спутник EROS-B1 (Израиль), запущенный в апреле 2006 г. (http://dsc00653/ya.ru)
/>
Рис. 8. Центральная часть г. Вашингтон (фрагмент космического снимка Ikonos с пространственным разрешением около 1 м). (www.spaceimaging.com)
/>
Рис. 9. Спутник Quick Bird II (США), запущенный в октябре 2001 г. (www.spaceimging.com)
/>
Рис. 10. Спутник WorldView-1 (США), запущенный в сентябре 2007 г. (www.spaceimaging.com)
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 700×1400 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 26,3×30 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.
Геоинформационные системы (такжеГИС — географическая информационная система) — системы, предназначенные для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах. Другими словами, это инструменты, позволяющие пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов.
Дистанционное зондирование — это процесс, по средствам которого, мы можем наблюдать за объектом, группой объектов или явлений без непосредственного контакта с ними.
Радиолокационная съёмка – съёмка, основанная на регистрации отраженных радиоимпульсах узкой направленности в микроволновом диапазоне.
Радиометрическая разрешающая
способность определяется количеством градаций значений цвета соответствующих переходу от яркости абсолютно «черного» к абсолютно «белому».
Иными словами под радиометрической разрешающей способностью понимается — число градаций цвета
Данные (datum, data) — информация, представленная в виде, пригодном для обработки автоматическими средствами при возможном участии человека. Данные дистанционного зондирования, ДДЗ (remote sensing data, remotely sensed data, remote surveying data, aerospace data) — данные о поверхности Земли, объектах, расположенных на ней или в её недрах, полученные в процессе съемок любыми неконтактными, т.е. дистанционными, методами. По сложившейся традиции к ДДЗ относят данные, полученные с помощью съемочной аппаратуры наземного, воздушного или космического базирования, позволяющей получать изображения в одном или нескольких участках электромагнитного спектра. Главные характеристики ДДЗ определяются числом и градациями спектральных диапазонов, геометрическими особенностями получаемого изображения (вид картографической проекции, распределение искажений), пространственным разрешением съёмки. Картографические проекции (map projection, projection) — математически определенный способ изображения поверхности земного шара или эллипсоида (или другой планеты) на плоскости. Все картографические проекции обладают теми или иными искажениями, возникающими при переходе от сферической поверхности к плоскости. По характеру искажений картографические проекции подразделяют на равноугольные, не имеющие искажений углов и направлений; равновеликие, не содержащие искажений площадей; равнопромежуточные, сохраняющие без искажений какое-либо одно направление (меридианы или параллели), и произвольные проекции, в которых в той или иной степени содержатся искажения углов и площадей.
Монохроматический свет — свет одной определенной длины волны.
Нанометр — одна миллиардная метра; единица, используемая для измерения длины световых волн. Пространственное разрешение (spatial resolution) съёмки (снимков) — размер наименьшего из различаемых объектов на местности (в м, км) в дистанционном зондировании. Зависит от освещённости снимаемых объектов, их яркости, спектральных характеристик и технических параметров съёмки.
Свет (light) — электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (излучение с длиной волны от 380 до 780 нм).
Спектральное разрешение — это ширина спектрального канала, к которому чувствителен датчик
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Андронников В.Л. Аэрокосмические методы изучения почв. М.: Колос, 1979.
Антипов В. С., Астахов В. И., Брусничкина Н. А., Аэрокосмические методы геологических исследований, изд-во СПб картфабрики ВСЕГЕИ, 2000
Богданов А. А., Аэроматоды при геологических исследованиях, Москва, 1961
Гудилин И.С., Комаров И.С. Применение аэрометодов при инженерно-геологических и гидрологических исследованиях. М., «Недра», 1978
Кац Я.Г., Рябухин А.Г., Трофимов Д.М. Космические методы в геологии. М., Изд-во Моск. Ун-та, 1976
Кац Я.Г., Тевелев А.В., Полетаев А.И. Основы космической геологии.М.: Наука,1988.
Книжников Ю.Ф. Основы аэрокосмических методов географических исследований. М.: Из-во Моск.ун-та,1980.
Кравцова В.И., Козлова Е.К., Фивенский Ю.И. Космические снимки.М.: Изд-во Моск. ун-та,1986.126 с.
Кронберг П. Дистанционное изучение Земли, пер. с нем.-М: Мир, 1988
Мишев Д., Дистанционные исследования Земли из Космоса. Пер. с болгарского – М.: Мир,1985
Савиных В.П., Малинников В.А., Сладкопевцев С.А., Цыпина Э.М. География из космоса. М: Изд-во «МГУГиК», 2000
Труды Геогр. Фак. МГУ им. М.В. Ломоносова. Картография, геоинформатика и аэрокосмическое зондирование, 2004
РОЛ (Космические новости)
CNews – новости космоса
информации из Роскосмоса и ИКИ