Космические снимки - сибирский государственный университет

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»
(ФГБОУ ВПО «СГГА»)
Институт геодезии и менеджмента
Кафедра картографии и геоинформатики
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
АКМ В ТЕМАТИЧЕСКОЙ КАРТОГРАФИИ
(8 СЕМЕСТР)
Новосибирск
СГГА
1
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
При изучении географической оболочки или ее компонентов с помощью аэрокосмических методов географ черпает информацию о них из снимков, которые получают с помощью съемочной аппаратуры, удаленной на
многие километры от изучаемого объекта. Эта особенность аэрокосмических
методов позволяет отнести их к дистанционным.
Дистанционные методы применяются в географических исследованиях
очень давно. Правда, вначале использовались рисованные снимки, которые
фиксировали пространственное расположение изучаемых объектов. С изобретением фотографии возникла наземная фототеодолитная съемка, при которой по перспективным фотоснимкам составляли карты горных районов. Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением
местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством
исследований — аэрометодами. Космические снимки предоставляют геоинформацию для решения географических проблем регионального и глобального уровней.
История развития аэрокосмических методов свидетельствует о том, что
новые достижения науки и техники сразу же используются для совершенствования технологий получения снимков. Это нашло отражение в появлении и широком распространении обобщающего термина remote sensing, который не очень точно переводится как дистанционные методы или дистанционное зондирование.
Дистанционные и аэрокосмические методы исследований. Дистанционные методы понимают как любое изучение объекта, осуществляемое
на расстоянии, без непосредственного с ним контакта. Например, методы исследования морского дна с применением акустического гидролокатора относятся к дистанционным. При аэрокосмических методах исследования инфор2
мация об удаленном объекте (местности) передается с помощью электромагнитного излучения, которое характеризуется такими параметрами, как интенсивность, спектральный состав, поляризация и направление распространения. Зарегистрированные физические параметры излучения, функционально зависящие от биогеофизических характеристик, свойств, состояния
и пространственного положения объекта исследования, позволяют изучать
его косвенно. В этом заключается сущность аэрокосмических методов.
Электромагнитное излучение разных спектральных диапазонов содержит
взаимодополняющую информацию об объектах и явлениях на земной поверхности. Одновременная регистрация излучения в нескольких спектральных зонах {многозональный принцип) позволяет получить наиболее разностороннюю характеристику местности.
В зависимости от устройства используемой аппаратуры регистрируется
излучение в отдельных точках земной поверхности, вдоль трассы или на
определенной площади. Во всех случаях фиксируется излучение от элементарных площадок объекта, конечные размеры которых {пространственное
разрешение на местности) зависят от расстояния до них и совершенства регистрирующей аппаратуры.
Особенность аэрокосмических методов состоит в том, что между изучаемой местностью и регистрирующей аппаратурой всегда находится слой в
общем непрозрачной атмосферы, поэтому вести исследования можно только
в отдельных зонах спектра электромагнитных волн, получивших название
окна прозрачности. Серьезной помехой является также облачность.
Ведущее место в аэрокосмических методах занимает изучение объекта
по снимкам, поэтому главная их задача заключается в целенаправленном получении и обработке снимков. Аэрокосмические съемки выполняются с помощью специальной съемочной аппаратуры, чаще всего — фотографических камер, сканеров и радиолокаторов, которые иногда объединяют общим
названием сенсоры (от англ. sensor — чувствительный элемент). Съемочная
3
аппаратура, позволяющая одновременно получать снимки в нескольких
спектральных зонах, называется многозональной, а в десятках и сотнях очень
узких спектральных зон — гиперспектральной.
Принцип множественности, или комплексности, аэрокосмических исследований предусматривает использование не одного снимка, а их серий,
различающихся по масштабу, обзорности и разрешению, ракурсу и времени
съемки, спектральному диапазону и поляризации регистрируемого излучения.
Космические системы изучения природных ресурсов и мониторинга окружающей среды.
Космические методы базируются на длительной работе регулярно пополняемых группировок спутников — спутниковых систем, которые включают сложную инфраструктуру, обеспечивающую функционирование космических аппаратов на орбите (центры управления полетом и съемкой), прием информации (наземные пункты приема, спутники-ретрансляторы), ее хранение и распространение (центры первичной обработки, архивы снимков).
В 60-х годах XX в. в числе первых, наряду с обзорными метеорологическими
системами, были созданы космические съемочные системы детальной фоторазведки военных ведомств США (спутники-съемщики с аппаратурой KeyHole — «замочная скважина») и СССР (спутники-съемщики Зенит). Затем
начали функционировать космические съемочные системы, поставляющие
пространственную геоинформацию широкому кругу гражданских потребителей, изучающих недра и морские акватории, оценивающих земельные, лесные и водные ресурсы, составляющих карты. Естественно, разные специалисты предъявляли неодинаковые требования к космической геоинформации
по обзорности, оперативности, периодичности получения и главное — по
4
пространственному разрешению. Большинству требуются многозональные
космические снимки земной поверхности охватом 50 — 200 км с разрешением 10 — 30 м. Для одной группы потребителей необходима оперативная доставка информации — в течение нескольких дней и даже часов, для другой
приемлем срок в несколько месяцев. Для осуществления мониторинга окружающей среды необходимы регулярные повторные съемки. В летних съемках нуждаются многие исследователи. Эти требования учитывались при создании Национальных космических систем природно-ресурсного направления, среди которых наиболее известны системы первого поколения — Ресурс (СССР), Landsat (США) и французская системалежат в пределах 1:10
000—1: 50 ООО, а космических — 1: 200 ООО — 1: 10 000 000. Все аэрокосмические снимки принято делить на аналоговые (обычно фотографические) и
цифровые (электронные). Изображение цифровых снимков образовано из отдельных одинаковых элементов — пикселов (от англ. picture element — pixel);
яркость каждого пиксела характеризуется одним числом. Аэрокосмический
снимок состоит из миллионов пикселов. При выполнении практических работ приходится отличать исходные {первичные) снимки, которые получены
непосредственно в результате съемки, от их копий и преобразованных снимков, поступающих к потребителям после предварительной обработки. При
фотографической съемке исходным снимком считается оригинальный фотонегатив, при сканерной — «сырой» файл с записью изображения цифрового
снимка без какой-либо его коррекции.
Аэрокосмические снимки как информационные модели местности характеризуются рядом свойств, среди которых выделяют изобразительные,
радиометрические и геометрические. Изобразительные свойства характеризуют способность снимков воспроизводить мелкие детали, цвета и тоновые
градации объектов, радиометрические свидетельствуют о точности количественной регистрации снимком яркостей объектов, геометрические характеризуют возможность определения по снимкам размеров, длин и площадей
5
объектов и их взаимного положения. Свойства снимков, получаемых в разных диапазонах и различной съемочной аппаратурой, существенно различаются. Кадровые, прежде всего фотографические снимки, отличающиеся
наивысшей геометрической точностью, наиболее пригодны для точных измерений. Сканерные снимки, получаемые во всех спектральных зонах оптического диапазона, включая инфракрасную тепловую, могут регистрировать
больше энергетических уровней излучения и обладают наиболее высокой радиометрической точностью. Радиолокационные снимки по своим геометрическим и радиометрическим свойствам уступают фотографическим и сканерным, но их можно получать в любую погоду, даже когда земная поверхность закрыта сплошным облачным покровом. Важными показателями снимка служат охват и разрешение. Обычно для географических исследований
требуются снимки большого охвата и высокого разрешения. Однако удовлетворить эти противоречивые требования в одном снимке не удается. Обычно
чем больше охват получаемых снимков, тем ниже их разрешение. Поэтому
при разработке съемочной аппаратуры приходится идти на компромиссные
решения либо выполнять одновременно съемку несколькими системами с
различными параметрами.
Методы получения геоинформации по снимкам.
Необходимая для географических исследований информация (предметно-содержательная и геометрическая) извлекается из снимков двумя основными методами: дешифрированием и фотограмметрической обработкой. Оба
метода используют как традиционные технологии, основанные на визуальной обработке аналоговых снимков, так и компьютерные, которые автоматизируют эти процессы при работе с цифровыми снимками.
Дешифрирование позволяет получать предметную, тематическую (в
основном качественную) информацию об изучаемом объекте или процессе,
6
его связях с окружающими объектами. В визуальном дешифрировании
обычно выделяют чтение снимков и их интерпретацию (толкование). Умение читать снимки базируется на знании дешифровочных признаков объектов
и изобразительных свойств снимков. Глубина же интерпретационного дешифрирования существенно зависит от уровня географической подготовки
исполнителя. Чем лучше знает дешифровщик предмет своего исследования,
тем полнее и достовернее информация, извлекаемая из снимка.
Фотограмметрическая обработка призвана дать ответ на вопрос, где
находится изучаемый объект и каковы его геометрические характеристики —
размер, форма. Она позволяет определять по снимкам плановое и пространственное положение объектов и их изменение во времени. Для фотограмметрических измерений снимков применяют специальные прецизионные оптико-механические приборы, а также компьютерные комплексы со специализированным программным обеспечением.
Компьютерные технологии. Сейчас разработаны многие сотни алгоритмов и программ компьютерной обработки изображений. Для обработки
аэрокосмических снимков на персональных компьютерах можно использовать коммерческое программное обеспечение общего назначения, такое, как
Adobe Photoshop, Corel PHOTO-PAINT. Однако значительно большие возможности предоставляют профессиональные программные продукты, среди
которых в нашей стране наиболее известны ERDAS Imagine. Современные
компьютерные технологии позволяют решать следующие группы задач:
-визуализация цифровых снимков;
-геометрические и яркостные преобразования снимков, включая их коррекцию;
-конструирование новых производных изображений по первичным снимкам;
-определение количественных характеристик объектов;
- компьютерное дешифрирование снимков (классификация).
7
Наиболее
сложной
является
задача
компьютерного
(автомати-
зированного) дешифрирования, которая составляет фундаментальную проблему аэрокосмического зондирования как научной дисциплины и для решения которой прилагалось и прилагается много усилий.
При визуальном дешифрировании снимков исполнителю приходится
на основе дешифровочных признаков определять, узнавать объекты, а также
выделять одинаковые, однородные объекты. Для выполнения этих эвристических процедур с помощью компьютера применяют наиболее распространенный подход, основанный на спектральных признаках, в качестве которых
служит набор спектральных яркостей, зарегистрированных многозональным
снимком. Формальная задача компьютерного дешифрирования снимков сводится к классификации — последовательной «сортировке» всех пикселов
цифрового снимка на несколько групп. Для этого предложены алгоритмы
классификации двух видов — с обучением и без обучения, или кластеризации
(от англ. cluster — скопление, группа). При классификации с обучением пикселы многозонального снимка группируются на основе сравнения их яркостей в каждой спектральной зоне с эталонными значениями. При кластеризации же все пикселы разделяют на группы-кластеры по какому-либо формальному признаку, не прибегая к обучающим данным. Затем кластеры, полученные в результате автоматической группировки пикселов, дешифровщик
относит к тем или иным объектам. Достоверность компьютерного дешифрирования формально характеризуется отношением числа правильно классифицируемых пикселов к их общему числу и составляет в среднем 70 — 85%,
заметно падая с увеличением набора дешифрируемых объектов.
Достижения в области полной автоматизации дешифрирования, при
которой можно было бы исключить или существенно ограничить участие человека в получении географической информации по аэрокосмическим снимкам, пока скромны. Вычислительные алгоритмы, основанные на спектральных признаках отдельных пикселов, обеспечивают решение самых простых
8
классификационных задач; они рационально включаются в качестве элементов в сложный процесс визуального дешифрирования, которое пока остается основным методом извлечения природной и социально-экономической
географической информации из аэрокосмических снимков.
Эталонирование.
Получить посредством дешифрирования (визуального или компьютерного) или фотограмметрической обработки необходимые характеристики
изучаемого объекта только по снимкам без каких-либо натурных определений, без обращения к «земной правде» в большинстве случаев невозможно.
Например, для спектрометрических определений по многозональному снимку, на которых основано компьютерное дешифрирование, требуется выполнить радиометрическую калибровку снимков (их эталонирование), а для получения размера объекта по снимку фотограмметрическим способом необходима его геометрическая калибровка. Процедура получения и учета калибровочной информации составляет необходимый элемент технологической схемы аэрокосмических исследований. Эта информация обязательна для любой
обработки снимков, хотя объем ее бывает различным; чем выше требуемая
точность определений по снимкам, тем он значительнее. Принято различать
абсолютную и относительную калибровку. При обработке одиночных снимков ограничиваются относительной калибровкой, а нескольких, например
многозональных, желательна их абсолютная калибровка.
Дополнительная информация.
Снимки как особая форма информации об изучаемом географическом
объекте используются в комплексе с информацией других видов. Стало традицией работать одновременно с космическими снимками и картами. При
тематических исследованиях по снимку обычно определяют ареал рас9
пространения явления или процесса, его контур, а для получения содержательных характеристик привлекают материалы тематических географических
исследований, включая статистические, применение снимков особенно эффективно для пространственной экстраполяции результатов локальных полевых наблюдений.
Аэрокосмическое картографирование.
Итоговым звеном технологической схемы аэрокосмических географических исследований является изготовление по снимкам карт, от качества
которых зависит не только их эстетическое восприятие, но и степень достоверности исследований.. Многолетний опыт работ свидетельствует о том, что
создание карт и ГИС — главнейшее направление практического и научного
использования аэрокосмической информации. Результаты комплексных географических исследований, выполненных с использованием аэрокосмических снимков, представляют в виде серий взаимосогласованных тематических карт, отражающих пространственные закономерности, качественные и
количественные характеристики изученной территории. Они составляют базовую основу интегрированных ГИС.
Моделирование и прогнозирование.
Дальнейшие этапы включают определение количественных характеристик исследуемого явления, необходимых для математического моделирования с целью прогнозирования развития явления или процесса. Элементы этой
схемы сейчас реализуются при прогнозировании талого стока рек, будущего
урожая, а иногда и для экологического прогноза-предупреждения. Роль аэрокосмической информации при географическом прогнозировании будет возрастать.
Исследование планет.
10
Космические съемки представляют также метод изучения и картографирования планет Солнечной системы и других небесных тел. Самым первым космическим снимком был снимок обратной стороны Луны с отечественной межпланетной станции Луна-3, сделанный в 1958 г., вскоре после
запуска первого искусственного спутника Земли.
Для изучения планет используются все методы съемки Земли — от фотографической съемки с возвращаемых пилотируемых и автоматических аппаратов, применявшейся для картографирования лунной поверхности, до радиолокационной съемки поверхности Венеры сквозь ее постоянный плотный
облачный покров. С космических аппаратов Mars Global Surveyor сканерная
съемка обеспечивает, например, получение детальных снимков всей марсианской поверхности с разрешением до 20 м.
Съемкой с дальних расстояний с космических аппаратов Voyager в
едином пролете с 1977 по 1989 г. охвачены дальние планеты Солнечной системы — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и их спутники Ио, Каллисто, Ганимеда, Европа, Тритон. Составлены многолистные топографические и тематические карты Луны, Марса, Меркурия, атласы планет, например Атлас Венеры, по результатам съемки с отечественных межпланетных станций Венера15,16(1983 — 1984 гг.). Таким образом, изучение и картографирование планет составляет важнейшую научную сферу применения космических методов.
Разновидности дистанционных методов.
Методы, основанные на регистрации съемочными системами оптического и радиоизлучения в виде двумерного изображения — снимка, универсальны. Наряду с этим существует ряд частных дистанционных методов, с
помощью которых регистрируются излучение или характеристики других
11
физических полей Земли не по площади, а в точке или по трассе полета. Эти
методы базируются на применении специальных измерительных приборов.
Спутниковый скаттерометр (от англ. scatter — рассеивать) предназначен
для измерения мощности отраженного радиосигнала, которая зависит от геометрии отражающей поверхности. При изучении акваторий скаттерометр
позволяет дистанционно оценить направление и силу волнения морской поверхности, а по ним направление и скорость приповерхностных ветров.
При аэрокосмических съемках наряду со съемочной аппаратурой используется радиовысотомер (альтиметр), регистрирующий время от посылки до прихода отраженного сигнала, по которому точно определяют высоту
полета носителя, необходимую для фотограмметрической обработки аэрокосмических снимков. Если же параметры орбиты и пространственное положение космического аппарата точно известны, то с помощью радиовысотомера удается количественно характеризовать топографию отражающей поверхности, в частности покровных ледников или морской поверхности.
Такие же задачи (но более точно) решает и лазерный альтиметр. Его
уникальной особенностью является регистрация не одного, а нескольких отраженных сигналов, например, от крон деревьев разных ярусов и от земной
поверхности, что важно при дистанционном изучении структуры растительного покрова.
Точное положение, форму и размер объекта можно определить с помощью сканирующих лазерных дальномеров или лазерных локаторов, которые называют также лидарами (от англ. lidar, light detection and ranging —
световая локация). В самолетном варианте сканирующие лазерные локаторы
с успехом применяются для быстрого и высокоточного измерения пространственных координат очень большого количества точек на местности. При лазерной (световой) локации местность и расположенные на ней объекты отображаются большой совокупностью («облаком») точек, на каждой из которых
получены все три координаты и которые ври визуализации на мониторе об12
разуют изображение местности —лазеролокационный, или светолокационный, снимок. Этот новый дистанционный метод позволяет быстро создать
точную цифровую модель местности. При географических исследованиях
особенно перспективно его комбинирование с многозональной съемкой.
С помощью самолетных и спутниковых магнитометров, регистрирующих напряженность магнитного поля Земли, удается выявить магнитные аномалии, связанные с геологическим строением территории.
Значительное место в геофизических исследованиях отводится аэрорадиометрической съемке, при которой регистрируется коротковолновое гамма-излучение над месторождениями радиоактивных руд или на участках радиационного заражения местности. В результате вертолетных обследований
европейской части нашей страны с помощью гамма-спектрометра были
картографированы ареалы выпадения радиоактивных осадков после Чернобыльской катастрофы в 1985 г. и ведется мониторинг этих районов.
ДЕШИФРИРОВАНИЕ РАЗНОВРЕМЕННЫХ СНИМКОВ
При изучении динамики преимущества материалов аэрокосмических
съемок очевидны, что объясняется прежде всего их «первичностью» по сравнению с картами и возможностью извлекать разную, в зависимости от необходимости, информацию.
Набор полученных в разное время аэрокосмических снимков определенной
территории чаще всего называют разновременными снимками. Такой набор
может быть составлен из снимков, различающихся по масштабу и даже типу
съемки, а сроки съемки обычно носят случайный характер, поскольку она
выполняется для решения разных задач. В то же время серия снимков может
быть результатом специально организованных повторных съемок с заданным, обоснованным интервалом времени между ними. В этом случае стремятся свести различия в условиях получения снимков к минимуму. Серию
13
таких снимков по аналогии с многозональным снимком можно представить
как многовременный снимок.
География изучает окружающую среду не только в пространственном,
но и во временном аспекте, поэтому сначала аэрофотоснимки, а позже и космические снимки, довольно широко использовались для выявления изменений, происходящих в окружающем нас мире.
Возможности исследования динамики природных и социальноэкономических объектов особенно возросли в настоящее время. За последние
десятилетия существенно увеличился объем аэрокосмической информации, в
большей мере за счет регулярного поступления материалов космической
съемки. При этом качество снимков постоянно совершенствуется. Внедрение
геоинформационных технологий в практику географических исследований и
картографирования создает условия для использования более эффективных
методов обработки разновременных аэрокосмических материалов.
Используя косвенные дешифровочные признаки, дешифровщик может
получить информацию о динамике по одиночному снимку. Серия разновременных снимков предоставляет больше возможностей, так как характеризует
развитие, фиксируя на каждом одномоментном снимке его определенные
этапы. Методика дешифрирования разновременных снимков специфична:
она включает обработку как ряда разновременных снимков, так и одиночных,
входящих в него.
Способы изучения динамики территориальных комплексов и их элементов
путем сопоставления разновременных снимков многообразны, но могут быть
сведены к двум основным подходам: раздельному (последовательному) и
совместному (одновременному) дешифрированию снимков. Раздельное, или
последовательное, дешифрирование осуществляется наиболее просто. Дешифровщик определяет на расположенных рядом разновременных снимках
идентичные объекты и выявляет изменения. Сопоставляемые изображения
могут быть представлены различными материалами: снимками (черно14
белыми, цветными, синтезированными) или картой и снимком. Преимущество этого способа состоит в том, что не требуется предварительное геометрическое преобразование снимков — приведение их к одинаковому масштабу, к единой проекции и системе координат.
Этот подход к изучению динамики реализуется обычно при визуальном дешифрировании фотоотпечатков или изображений на экране монитора. Результатом раздельного сопоставления может быть или качественная оценка
произошедших изменений, или схемы дешифрирования.
Для получения количественных параметров или составления карты необходимо совместить, «сложить» схемы дешифрирования разновременных изображений. Геометрическим преобразованиям подвергаются именно они, т.е.
результаты дешифрирования с согласованными легендами.
Совместное, или одновременное, дешифрирование предполагает совмещение двух или нескольких разновременных снимков. Применяемые способы
дешифрирования имеют одну общую черту — для их выполнения необходимо предварительное геометрическое преобразование сопоставляемых аэрокосмических материалов, приведение их к общему масштабу и проекции.
Разновременные аэрофотоснимки кроме того, должны быть преобразованы в
ортогональную проекцию. Результатом совместного дешифрирования могут
быть и качественные оценки, но обычно это карты или количественные показатели произошедших изменений.
Основные методические приемы совместного наблюдения разновременных
снимков включают:
сложение собственно снимков (в том числе анимацию и синтез цветного
изображения), или изображений, полученных в результате их яркостных преобразований, классификации; о сложение переходных карт, составленных по
разновременным аэрокосмическим данным;
стереоскопические наблюдения разновременных снимков.
15
Методические приемы сложения разновременных изображений
Процедура сложения применима и для аналоговых, и для цифровых
снимков. Совмещение фотографических (аналоговых) разновременных
снимков можно выполнить на оптических приборах: оптическом проекторе,
фототрансформаторе. В этом случае происходит суммирование оптических
плотностей двух изображений. Однако несомненные преимущества при использовании приема сложения имеют компьютерные технологии.
Основные преимущества современных технологий заключаются в возможности и относительной простоте выполнения геометрических и яркостных преобразований разновременных изображений и собственно процедуры совмещения изображений.
Преобразование изображений для их совмещения. Сложность и трудоемкость геометрических преобразований при использовании оптических приборов — основное препятствие, тормозившее ранее применение разновременных снимков для изучения динамики географических объектов. Преимущество современных технологий заключается в относительной легкости их
выполнения: в программных пакетах, предназначенных для работы с растровыми изображениями, всегда предусматриваются возможности геометрических преобразований. Наиболее полно преимущества реализуются в геоинформационных системах, где разновременные данные дистанционного
зондирования (снимки, фотопланы и т.д.) представлены приведенными к
единой проекции и системе координат.
Применяемые способы довольно разнообразны, но наиболее распространено
трансформирование по опорным точкам. При этом возможны два варианта.
В первом из них координаты опорных точек определяются по карте, реже
выбираются из каталогов координат. Основная сложность при этом — найти
на снимке и карте идентичные не изменившиеся объекты. Во втором варианте один снимок (растровое изображение) «приводится» к другому. В этом
16
случае снимок, уже имеющий пространственные координаты, и трансформируемый снимок выводятся на экран одновременно. Сопоставление двух увеличенных фрагментов значительно облегчает поиск идентичных точек даже
на аэрокосмических изображениях, существенно отличающихся по ситуации
или пространственному разрешению, и дает лучшие результаты.
Возможность яркостных преобразований или классификации снимков при
их непосредственном сопоставлении отличает геоинформационные методики. Так, при сопоставлении одиночных снимков есть возможность привести
гистограммы изображений к одинаковому виду. В случае выполнения процедуры наложения разновременных многозональных снимков возможно их
предварительное преобразование, чтобы иметь одно изображение для каждого из сроков съемки. Эта задача может быть решена при использовании преобразования по методу главных компонент или определением разного рода
коэффициентов.
Наиболее простая по выполнению процедура — сложение (или вычитание)
разновременных снимков. Однако такой потоп требует соблюдения определенных условий, которые частично ограничивают его применение на практике. Снимки должны быть получены одной и той же или аналогичной съемочной системой и приведены к одинаковым условиям съемки, для чего
необходимо выполнить радиометрическую коррекцию, а также исключить
влияние атмосферы. Широко известных методик нормирования отечественной аэрокосмической информации пока не существует, следовательно, можно с достаточной уверенностью выявлять лишь значительные изменения во
внешнем облике территории или отдельных объектов, а к количественным
оценкам подходить с осторожностью.
Сложение первичных космических снимков, не говоря уж об аэроснимках, на
практике применяется не очень часто. К немногим исключениям относятся
используемые в метеорологических исследованиях изображения облачности,
представленные в виде суммы изображений за определенный период време17
ни или в виде анимации. Значительно чаше выполняется сложение преобразованных изображений, например, результатов квантования, вычисления
вегетационного индекса или классификации. В программных пакетах, предназначенных для обработки растровых изображений, предусматривается
специальная процедура сопоставления двух изображений, в результате выполнения которой создается новое изображение и/или таблица, в которой
зафиксированы все сочетания объектов на сопоставляемых изображениях.
Непосредственное наложение разновременных аэрокосмических данных чаше используется при решении оперативных задач, проведении регулярных
наблюдений, мониторинге.
Вариант сложения трех разновременных аэрокосмических снимков — синтез цветного изображения. Успешное решение ЭТОЙ задачи возможно только при обработке цифровых снимков. Сопоставляемые снимки могут иметь
очень разное пространственное разрешение, качество, различаться по контрасту и интервалу яркости (оптических плотностей), что влечет преобладание в синтезированном изображении одного из снимков за счет почти полного отсутствия другого. Современные методы обработки цифровых снимков
позволяют преобразовать яркости, изменить размер пиксела, т.е. сделать
снимки сопоставимыми. Распространен способ синтеза многозонального
(двух зональных) снимка с панхроматическим снимком более высокого пространственного разрешения. Не всегда разновременные снимки идентичны по
охвату территории, что также легко исправить путем геометрических преобразований.
Наиболее просто выполнить синтез разновременных снимков, полученных
одной съемочной системой . Хорошие результаты можно получить, если ситуация на снимках различается не очень сушественно (сезонные изменения в
приведенном примере). Во многих случаях выявить изменения изучаемых
объектов на изображении, сложенном из материалов трех съемок, труднее,
чем анализировать их последовательно за первый и второй интервалы време18
ни. Еще один способ совместного анализа нескольких разновременных снимков — классификация объектов по признаку временного образа, т.е. совокупности значений уровней яркости изображения на каждом из снимков. В
этом случае серия снимков может рассматриваться как аналог многозонального снимка. Этот прием требует весьма трудоемких процедур предварительного преобразования исходных изображений.
Сложение переходных карт, составленных по разновременным данным,
применяется в тех случаях, когда невозможно сложение собственно разновременных снимков. Если моменты съемки отстоят во времени на десятки
лет, сопоставлять, как правило, приходится разнотипные данные, например,
аэрофотоснимки или фотопланы, составленные из них, с космическими
снимками, космические снимки, полученные разными съемочными системами, а также старые карты со снимками. Еще более усложняется ситуация, если для определения состояния изучаемого объекта в каждый из моментов наблюдения использовано несколько источников.
Отличительные особенности и несомненное преимущество серии специально
составленных переходных карт — их сопоставимость: единая легенда, одинаковые цензы отбора и обобщения элементов содержания. Эти особенности
являются одновременно и условием их последующего совместного анализа
средствами геоинформационных технологий. Разновременные карты могут
быть представлены в векторном или растровом формате.
Создание карты динамики (изменений) объектов. Конечным продуктом
сопоставления разновременных снимков, как правило, является карта динамики (изменений) изучаемого географического объекта. Однако во многих
случаях, а при применении геоинформационных технологий почти всегда,
сначала получают некое промежуточное изображение и так называемую
таблицу (матрицу) переходов, где зафиксированы все различия между сопоставляемыми изображениями. В случае применения геоинформационных
технологий число зафиксированных сочетаний может оказаться очень значи19
тельным, что делает полученный результат неудобочитаемым. Один из вариантов выхода из такого положения — предварительное сокращение числа сопоставляемых категорий, другой предполагает проведение анализа для выявления протекающих процессов (тенденций изменений) и составление новой легенды, т.е. разработку содержания карты динамики изучаемых объектов.
При создании карт динамики или получении количественных характеристик
расхождения, выявленные путем совмещения разновременных изображений,
требуют дополнительного анализа,целью которого является разделение изменений, происшедших на местности, и погрешностей разного рода. Такой анализ более важен при использовании ГИС технологий, чем при традиционных
картографических способах, при последовательном (раздельном) дешифрировании. В последнем случае исполнитель осмысленно выполняет сопоставление и рисовку контуров изменившихся объектов, обобщает или отбрасывает ненужные объекты и детали. При компьютерной обработке процедура выполняется формально, а в результирующем изображении и таблице переходов появляются фиктивные изменения, что может привести исследователя к
неверным выводам. Появление фиктивных изменений связано с двумя основными причинами. Первая из них — сопоставление при изучении многолетней динамики снимков, зафиксировавших разные сезонные состояния
ландшафта. В некоторых случаях, а таких немало, внутригодовые изменения
в площади объектов могут даже превышать многолетние. Так, к существенным ошибкам при изучении речной сети может привести сопоставление
снимков, сделанных в паводок и межень, а при определении границ оледенения — снимков с изображением сезонного снежного покрова.
Выявление сезонных изменений географических объектов —
необходимое условие получения достоверных данных о многолетних изменениях.
20
Вторая причина появления фиктивных изменений — неизбежные погрешности в положении границ объектов дешифрирования на разновременных
изображениях.
В случае непосредственного сопоставления растровых изображении, составляющих многовременный снимок (или результаты его преобразования,
классификации), фиктивные изменения возникал- как следствие неоднозначности геометрических преобразований. Идеальное наложение пикселов по
всей сопоставляемой пло1^ди снимков обеспечить нельзя. Погрешность совмещения минимальна, если снимки получены одной и той же или аналогичной съемочной системой, а при взаимном координировании в качестве
опорных использовались идентичные точки. Точность положения контуров
зависит от размера пиксела и точности определения пространственных координат опорных точек. Выявление фиктивных изменений, выражающихся чаше в изменении площади объектов, при непосредственном сопоставлении
растровых изображений затруднительно или даже невозможно.
При сопоставлении разновременных переходных карт в векторном формате
кроме погрешностей геометрических преобразований исходных аэрокосмических данных неизбежно возникают инструментальные ошибки цифрования. При использовании цифровых методов возможны разные варианты выявления «лишних» контуров: поиск на гистограмме объектов размером
меньше предвычисленного, выявление в матричной легенде заведомо невозможных изменений и т.д.
Избежать фиктивных изменений или, по крайней мере, свести к минимуму
их число можно, если увязать между собой сопоставляемые разновременные
карты.
Последовательное составление разновременных карт — один из возможных
методических приемов. Смысл его заключается в наложении векторного
изображения, относящегося к одному из моментов наблюдения, на снимок
(растровое изображение), относящийся к следующему моменту. Если грани21
цы выделов на двух изображениях совпадают или расходятся не более чем на
число пикселов, соответствующее точности исходных данных, положение
векторной границы не изменяется. Если расхождение превышает допуск,
проводится новая граница. Аналогичная процедура выполняется и для других сроков наблюдений. Таким образом, не изменившиеся контуры оказываются одинаковыми на всей серии переходных разновременных карт, а
несовпадение границ с высокой степенью достоверности свидетельствует о
действительном наличии изменений.
СВОЙСТВА И ОБРАБОТКА АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ
Изобразительные свойства и дешифрирование снимков
Дешифрирование снимков как метод исследования территорий, акваторий и некоторых атмосферных явлений по аэрокосмическому изображению
основано на зависимости между свойствами объектов и характером их воспроизведения их на снимках. Единый процесс дешифрирования включает
стадии: обнаружение, распознавание и интерпретацию, а также определение
качественных и количественных характеристик объектов и представление результатов дешифрирования в графической картографической), цифровой или
текстовой форме. Различают дешифрирование снимков военное, топографическое, геологическое, сельскохозяйственное и др. При географическом дешифрировании прежде всего приходится давать ответ на вопрос о том, что
изображено на снимке. В зависимости от целей аэрокосмических исследований содержание этого ответа может быть достаточно простым (коренные породы, лес, водоем, ледник) или более сложным (ультраосновные горные породы; кедровый лес и т.д.
Под дешифрированием всегда понималось извлечение качественной
геоинформации со снимков при их непосредственном рассматривании. Визу22
альное дешифрирование в современных аэрокосмических методах в настоящее время это основной и наиболее распространенный способ извлечения
информации из снимков. При визуальном дешифрировании изучаемый локальный объект или явление всегда рассматривается в пространственной взаимосвязи с окружением, что дает важную, нередко решающую дополнившую
информацию, которая обычно ускользает при компьютерной обработке. Поэтому стратегия совершенствования способов получения тематической информации по аэрокосмическим «сам заключается в интеграции визуального и
компьютерного дешифрирования, каждое из которых имеет свои достоинства
ограничения.
Объем и характер качественной информации, получаемой по снимку
прямо зависит от его изобразительных свойств, которые тем выше, чем
больше диапазон тоновых градаций и мельче отображааемые на снимке детали.
Воспроизведение снимком яркостных градаций объектов. Дешифровщику для практической работы важно знать, насколько правильно передает
снимок яркостные градации, контраст реальных объектов.
Фотографические снимки. Передачу яркостных градаций позволяет получить теория фотографического воспроизведения, рассматривающая трансформацию яркостей объектов на отдельных этапах фотографического процесса.
Разрешающая способность и пространственное разрешение аэросмических снимков. Для характеристики детальности аэрокосмических
снимков предложено несколько количественных показателей. Среди дешифровщиков наибольшее распространение поили два показателя: пространственное разрешение и разрешающая способность, которая используется :
оценки фотографических материалов, для оценки объективов съемочных камер, для характеристики способности зрительной системы человека различать мелкие детали и т.д.
23
Разрешающая способность фотографических снимков зависит разрешающей способности объектива съемочной камеры и фотопленки, значения
которых для лучших образцов можно принять равными 200 мм-1.
Разрешающую способность объективов и фотопленок, которая указывается в паспортах и каталогах, определяют в лаборатopныx ycлoвиях.
Распространенный показатель — разрешающая способность — наиболее подходит для оценки возможности снимка раздельно передавать линейные близко расположенные объекты. При выборе же фотоснимков для дешифрирования важно заранее знать размер на местности того минимального
реального объекта (или его отдельной детали), который изобразится на снимке. Здесь большую помощь может оказать другой показатель — пространственное разрешение. Для фотографических снимков в качестве такого показателя принимают линейное разрешение LR, т.е. наименьшую ширину на
местности линейного протяженного объекта, еще воспроизводимого конкретным снимком
В отличие от фотоснимков за пространственное разрешение цифровых
снимков принимают размер пиксела на местности, который обозначается PIX
(от слова pixel).
Пиксел является наименьшим элементом цифрового изображения,
внутри которого отдельные объекты не различаются. Экспериментально
установлено, что для надежного воспроизведения компактного объекта на
цифровом снимке его размер должен быть менее четырех пикселов, а для того, чтобы различались комлексные объекты разной формы, их площадные
размеры должны составлять уже несколько десятков пикселов.
Географическое и другие виды разрешения. Разрешающая способность,
линейное разрешение, номинальный размер пиксела на местности являются
универсальными показателями, которыми используются как разработчиками
съемочных систем, так и специалистами, применяющими снимки.
24
Генерализация изображения на аэрокосмических снимках.
Если последовательно рассматривать ряд разномасштабных снимков
(или снимков с разным пространственным разрешением) одной и той же
местности, можно заметить, что при переходе к более мелким масштабам не
только уменьшается изображение объектов и обобщаются их детали, но происходит и более сложная перестройка всего аэрокосмического изображения,
его рисунка. Многие черты изображения земной поверхности освобождаются
от частностей, и в то же время некоторые разрозненные детали объединяются
в единое целое. Такое преобразование изображения получило название аэрокосмической генерализации, которую нередко называют также естественной,
дистанционной, фотографической, оптической.
Под аэрокосмической генерализацией следует понимать закономерные
особенности воспроизведения на аэрокосмических снимках различных объектов местности (обобщение пространственно-яркостных и цветовых характеристик изображения), которые обусловлены съемочной аппаратурой, параметрами и оптико-метеорологическими условиями съемки. В отличие от картографической генерализации управляющее воздействие на аэрокосмическую генерализацию может быть лишь опосредованным, путем выбора
средств, параметров и времени съемки. Вообще правильней говорить не о генерализации, а о генерализованности изображения аэрокосмических снимков. Генерализованность изображения — важнейшее свойство аэрокосмического снимка, существенно влияющее на его информативность.
Закономерности аэрокосмической генерализации. На особенности воспроизведения объектов при изменении разрешения и масштаба снимков влияет их форма и контраст с окружающим фоном. Происходит упрощение
формы, обобщение тонов и цветов, обеднение цветовой палитры; черные и
белые тона заменяются менее контрастными, причем это изменение происходит тем быстрее, чем мельче контуры и меньше контраст изображения.
Вытянутые контуры превращаются в линии, а округлые — в точки. По25
разному обобщаются линейные, размытые (диффузные) и мозаичные границы: линейные упрощаются и спрямляются; размытые становятся контрастными и приближаются к линейным; мозаичные, в зависимости от степени их
дисперсности, либо сохраняют мозаичность при укрупнении пятен, либо
превращаются сначала в диффузные, а затем в линейные границы. Преобразование характера изображения границ приводит к изменению конфигурации и площадей контуров. Изображение различных объектов реагирует на
уменьшение масштаба по-разному: наименее чувствительны к нему линейные элементы изображения, наиболее — компактные. Так, на космических
снимках достаточно четко изображается дорожная сеть и неясно — населенные пункты. При двухкратном изменении масштаба (разрешения) информ
ативность снимков ощутимо не меняется, а при пятикратном — получаемая
по разномасштабным снимкам информация сопоставима с трудом.
Уровни генерализации. В результате исследования закономерного
обобщения изображения на аэрокосмических снимках, имеющих огромный
диапазон масштабов (от 10"3 до 10~8), обнаружено существование узловых
точек перестройки изображения. При переходе от крупных масштабов к мелким, от аэроснимков к космическим снимкам при непрерывной потере деталей изображения происходит скачкообразная перестройка его рисунка. В
этих узловых точках исчезает изображение одних объектов, но проявляется
изображение других, более высокого иерархического уровня и больших размеров; сменяются основные компоненты, формирующие рисунок изображения: растительность — рельефом, а затем элементами гидрографии. В соответствии с этим обычно выделяют 5 уровней генерализации — от детального
до глобального, которые сменяют один другой при изменении масштаба в 3
— 4 раза. Для каждого уровня характерна максимальная дешифрируемость
определенных объектов; поэтому по снимкам разного уровня генерализации
решаются различные задачи. Так, для изучения поверхностных структур используют снимки более детальные, меньшего уровня генерализации, а
26
наиболее глубинные структуры дешифрируются по самым генерализованным
снимкам, что воспринимается как «просвечивание» глубинных структур, которое иногда называют «рентгеноскопичностью».
Важно, что благодаря исчезновению мелких деталей на генерализованном изображении космических снимков проявляются некоторые объекты, не видимые на крупномасштабных материалах. Например, космические
снимки позволили открыть огромные по ; протяженности песчаные дюны —
— в пустынях Африки и Аравии. Прежнее представление об эоловом рельефе этих районов давали отображавшиеся на аэроснимках небольшие эоловые
формы, которые, как оказалось, осложняют гигантские формы совершенно
иного простирания, остававшиеся незамеченными и не отображенные на
картах.
Значение аэрокосмической генерализации. Генерализация изображения
на аэрокосмических снимках играет и положительную, и отрицательную
роль. С одной стороны, сильное обобщение изображения уменьшает возможности точного и детального картографирования по космическим снимкам.
Поэтому, например, для топографического картографирования стремятся повысить разрешение съемочных систем, сделать снимки максимально детальными.
Но с другой стороны, генерализованность изображения космических
снимков — их достоинство. Генерализованность изображения позволяет
непосредственно составлять по космическим снимкам тематические карты в
средних и мелких масштабах без предварительного крупномасштабного картографирования и трудоемкого перехода к мелким масштабам. Не менее
важно, что отображение на космических снимках геосистем с определенного
таксономического уровня дает возможность изучать их главные свойства.
основы визуального дешифрирования
Успех дешифрирования зависит не только от качества аэрокосмических
снимков и совершенства технических средств их обработки, но и от профес27
сиональной подготовки, а также психологических и физиологических особенностей дешифровщика. Известно, что опытные дешифровщики не просто
рассматривают снимки, а на основе информации, извлекаемой из снимка, и
своих знаний формируют в сознании мысленный образ изучаемой местности,
анализ которого и приводит к определенным результатам дешифрирования.
Психологические особенности зрительного восприятия снимков.
Хотя зрительный путь и начинается с глаза — органа, который первоначально регистрирует световое излучение объектов, но в реальном восприятии определяющее значение имеет мозг. Человек воспринимает объекту существенно иначе, чем их видит.
В качестве единицы зрения почернения (тонн) на снимке также установлена логарифмическая величина — оптическая плотность. Известно, что
основная задача, решаемая в процессе дешифрирования, относится к объектно-фоновым отношениям при зрительном восприятии и заключается в выделении объекта из окружающего фона и определении, что он собой представляет Достоверность дешифрирования считается удовлетворительной, если
вероятность зрительного распознавание объектов составляет 0,75. Зрение человека имеет способность структурировать увиденное, воспринимать не разрозненные детали, а целостный зрительный образ.
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ
Аэрокосмические снимки применяются во всех направлениях географических исследований, но интенсивность их использования и результативность применения в разных областях изучения Земли различны. Они чрезвычайно важны в исследованиях литосферы, так как показывают раздробленность геологического фундамента линейными тектоническими нарушениями
(разломами) и обилие кольцевых структур; в исследованиях атмосферы, где
28
снимки дали основу метеорологических прогнозов; благодаря снимкам из
космоса открыта вихревая структура океана, но пока они значительно меньше применяются в социально-экономической географии. Различаются и типы
задач, решаемых по снимкам в разных отраслях географических исследований. Так, решение в инвентаризационных задач реализуется при изучении
природных ресурсов, например при картографировании почв, растительности
, поскольку снимки наиболее полно отображают сложную пространственную
структуру почв, растительного покрова. Оперативная оценка состояния экосистем выполняется в рамках исследований биопродуктивности океанов, ледового покрова морей, контроля за пожароопасной ситуацией и лесах. Прогностические задачи, использование снимков для моделирования и прогнозирования наиболее развито в метеорологии, где их анализ является основой
прогнозов погоды, в гидрологии — для прогноза талого стока рек, паводков и
наводнений. Но наиболее широко развито дешифрирование снимков, прежде
всего визуальное, которое теперь подкрепляется возможностями компьютерных технологий, улучшающих преобразований и классификации изучаемых
объектов по снимкам. Большое развитие получило создание по снимкам различных производных изображений на основе расчета спектральных индексов. С выполнением гиперспектральной съемки стали создаваться десятки
типов таких индексных фотокарт. Переход к цифровым методам съемки, развитие цифровой стереоскопической съемки и создание цифровых фотограмметрических комплексов расширили возможности фотограмметрической обработки космических снимков, используемой главным образом для создания
топографических карт.
Хотя одно из основных достоинств космических снимков заключается
в совместном отображении всех компонентов земной оболочки, обеспечивающем комплексность исследований, тем не менее применение снимков в
различных областях изучения Земли шло пока разрозненно, так как везде
требовалась углубленная разработка собственных методик. Идея комплекс29
ных исследований наиболее полно реализована при выполнении в нашей
стране программы комплексной картографической инвентаризации природных ресурсов (ККИПР), когда по снимкам создавались серии взаимоувязанных и взаимосогласованных карт. Анализ применения снимков в разных
направлениях географических исследований четко показывает, что при всем
многообразии решаемых задач магистральный путь практического использования аэрокосмических снимков лежит через карту, которая имеет самостоятельное значение и, кроме того, служит базовой основой ГИС.
Технологические способы получения снимков
Существуют три основных способа аэрокосмической съемки:
фотографический;
оптико-электронный;
радиолокационный.
При фотографическом способе снимки получают с помощью системы
объектив—фотопленка. Аэрофотопленка состоит из подложки (основы),
эмульсионного (светочувствительного), защитного и противоореольного слоев. Из фотографических материалов наилучшим воспроизведением обладают
негативные и позитивные материалы на прозрачной основе (пленке, реже
стекле). Фотобумаги значительно хуже передают соотношение яркостей в
натуре: во-первых, из-за их меньшей фотографической широты, во-вторых,
из-за отсутствия прямой зависимости между оптической плотностью и освещенностью.
Распространено фотографирование на черно-белую, цветную и цветную
спектрозональную пленки.
Эмульсия черно-белых аэрофотопленок может быть чувствительна к разным
участкам видимой области спектра. Цветная негативная фотопленка имеет не
один, а три светочувствительных слоя, что позволяет после позитивного процесса (печати на бумагу или позитивную пленку) получить правильную цве30
топередачу. На таких снимках растительность изображается зеленой, почва
коричневатой и т.д.
Спектрозональные пленки имеют два, а чаще три светочувствительных слоя.
В последнем случае один из слоев чувствителен к ближнему инфракрасному
участку спектра. Наш глаз не воспринимает такое излучение, поэтому введение этого слоя приводит к искаженной цветопередаче на спектрозональных
снимках, например, растительность на них может иметь красный, сиреневый
или голубой цвет.
При фотопечати со спектрозональной пленки путем подбора соответствующих светофильтров можно изготовить отпечатки с близкой к натуральной
цветопередачей. Спектрозональные снимки в большинстве случаев имеют
преимущества перед цветными по количеству раздельно воспринимаемых
цветов и их оттенков. Благодаря этим свойствам съемка на цветную спектрозональную пленку находит широкое применение: и в аэросъемке, и при фотографировании из космоса.
Многозональная фотографическая съемка обеспечивается использованием
черно-белой пленки, обычно изопанхроматической и светофильтров, разделяющих световой поток на отдельные участки спектра. Для съемки в ближней инфракрасной части спектра используется инфрахроматическая пленка.
Таким образом, многозональный фотографический снимок представляет собой серию из нескольких черно-белых снимков. Существуют приборы, синтезирующие проекторы, с помощью которых можно совмещать зональные
изображения аддитивным путем и получать цветное синтезированное изображение в натуральных или искаженных цветах.
Принцип многозональной съемки в последние десятилетия стал преобладающим.
Преимуществом фотографического способа съемки является возможность получать снимки с очень высоким разрешением, высокими геомет31
рическими и фотометрическими свойствами. Кроме того, фотографические
пленки — экономичный способ хранения информации.
В аэросъемке преобладает применение фотографических съемочных систем.
При съемке из космоса недостатком метода становится его неоперативность:
контейнер с пленкой спускается на Землю не чаше, чем один раз в несколько
недель. Поэтому фотографические космические снимки редко используются
для оперативных целей, а представляют информацию долговременного использования. Снимки могут быть переведены в цифровую форму для последующей компьютерной обработки.
Фотографические съемочные системы постоянно совершенствуются. Разрешение современных фотографических систем, используемых для космической съемки, составляет 2-5 м при масштабе около 1 : 300 000 и 10-12 м при
масштабе около 1 : 800 000. При этом съемка организуется таким образом,
чтобы обеспечивалась достаточно большая обзорность.
Оптико-электронный способ съемки насчитывает всего несколько десятилетий своего существования. Необходимость оперативной передачи материалов съемки из космоса привела к интенсивному развитию оптикоэлектронных, сканерных съемочных систем. При значительном разнообразии
конструктивных решений они основаны на общем принципе. Принцип сканерной съемки заключается в поэлементном считывании вдоль узкой полосы
отраженного земной поверхностью излучения, а развертка изображения идет
за счет движения носителя, поэтому оно принимается непрерывно. Излучение, поступившее от источника, преобразуется в электрический сигнал, затем
в виде радиосигнала сбрасывается на Землю, где снова преобразуется в электрический сигнал и фиксируется на магнитных носителях. При такой съемке
появляется возможность в течение длительного времени непрерывно получать информацию и оперативно (в режиме реального времени или с задержкой на несколько часов) передавать ее на приемную станцию.
32
Основное отличие снимков, полученных сканирующими сьемочными системами, от фотографических — их дискретный характер. Благодаря ему и записи в виде электрического сигнала сканерные снимки имеют преимущество
перед фотографическими при автоматизированной обработке с применением
компьютеров или специальных систем обработки изображений. Сканерные
снимки могут быть предоставлены потребителям как в виде цифровой записи
на магнитном носителе, так и преобразованными в фотографическое изображение. По геометрическим свойствам они уступают фотографическим снимкам.
В пределах каждого элемента сканерного изображения (пиксела) яркости
земной поверхности осредняются, поэтому разрешение сканерного снимка
зависит от размера пиксела. Первые сканирующие системы для съемки в оптическом диапазоне спектра имели разрешение 1-2 км, но их совершенствование идет очень быстро, и в настоящее время достигнуто разрешение в первые метры.
Сканерная съемка чаще выполняется в многозональном варианте. Большинство сканеров, работающих в оптическом диапазоне, как отечественных, так
и зарубежных, имеют три одинаковых канала: 1,5-0,6 мкм, 0,6-0,7 мкм и 0,81,1 мкм. К ним в разных конструкциях добавляются каналы в других участках спектра: в ближнем и тепловом инфракрасных, а также так называемый
панхроматический канал, обеспечивающий получение снимков с более высоким разрешением
Радиолокационная съемка заключается в зондировании земной поверхности радиосигналом. На борту носителя — самолета или спутника устанавливается радиолокатор — активный микроволновый датчик, способный передавать и принимать поляризованные радиоволны в заданном диапазоне частот. Развертка сигнала производится по принципу сканера, т.е. переход от
одной строки к другой идет за счет перемещения носителя. Количество энергии, возвращенной на антенну локатора, называется «обратным рассеянием».
33
Каждый пиксел радиолокационного снимка показывает суммарный коэффициент отражения данного участка поверхности, или мощность возвратившегося к антенне сигнала. Значения яркости пиксела могут быть преобразованы в удельную эффективную поверхность рассеяния (УЭПР) — величину, использующуюся в различных физических моделях отраженных радиоволн. Высокая яркость пиксела означает, что большая часть сигнала вернулась к антенне, низкая — наоборот.
В последние годы появились и приобретают все большее значение видеосъемка и съемка цифровыми камерами, основанные на использовании волоконной оптики.
ДЕШИФРОВОЧНЫЕ ПРИЗНАКИ
Прямые дешифровочные признаки
Свойства объекта, находящие непосредственное отображение на снимках, принято называть прямыми дешифровочными признаками.
К ним относятся три группы признаков:геометрические (форма, тень, размер); яркостные (фототон, уровень яркости, цвет, спектральный образ);
структурные (текстура, структура, рисунок).
Форма — наиболее надежный, т.е. не зависящий от условий съемки,
признак. К тому же наш глаз наиболее уверенно распознает именно форму
объектов. С изменением масштаба снимков форма объекта на снимке может
несколько изменяться, за счет исчезновения деталей она упрощается. На
аэроснимках, полученных короткофокусной камерой, форма плоских объектов искажается на краях снимка. То же происходит, если объекты располагаются на наклонной поверхности. На космических снимках форма объектов,
не имеющих вертикального протяжения, передается практически без искажений.Форма в плане часто используется при распознавании объектов, связанных с деятельностью человека, так как они, как правило, имеют форму, близкую к правильной геометрической.
34
Железные и шоссейные дороги, линии электропередачи, трубопроводы благодаря их прямолинейной форме распознаются на снимках любых масштабов, а характер поворотов в большинстве случаев позволяет разделить их
между собой. Для железных дорог свойственны плавные повороты с большим радиусом кривизны. Автомобильные дороги имеют более крутые повороты, и чем ниже класс дороги, тем меньше радиус кривизны. Трассы линий
электропередачи и трубопроводов меняют направление под углом.
Сельскохозяйственные поля при всем разнообразии размеров, а в районах с
пересеченным рельефом еще и сложности их конфигурации, распознаются на
снимках за счет наличия прямолинейных, часто параллельных между собой
отрезков границ. Поля, орошаемые циркулярными поливными системами,
имеют форму круга . Для вырубок леса, а также торфоразработок типична
прямоугольная форма. Карьеры, где добыча полезных ископаемых ведется
открытым способом, имеют форму, близкую к прямоугольной, округлой или
овальной . Береговая линия водохранилищ и прудов на большем протяжении
не отличается от берегов естественных водоемов, но всегда имеется прямолинейный участок — плотина (запруда), по которому можно отличить их от
озер.
Для объектов природного происхождения типична неправильная, часто
сложная форма. Прямолинейные границы встречаются значительно реже и
обычно бывают обусловлены геологическим строением: они приурочены к
тектоническим трещинам, разломам. С вулканической деятельностью связана
округлая форма геологических структур.
Тень — дешифровочный признак, позволяющий судить о пространственной форме объектов на одиночном снимке. Различают собственную тень, т.е. часть объекта, не освещенную прямым солнечным светом, и
падающую — тень от объекта на земной поверхности или поверхности других объектов.
35
Собственная тень позволяет судить о поверхности объектов, имеющих
объемную форму: резкая граница тени угловатых объектов характерна для
крыш домов , а размытая свидетельствует о плавной поверхности, например,
крон деревьев.
Падающая тень в большей степени определяет вертикальную протяженность, силуэт объекта. На крупномасштабных снимках она служит признаком высоких строений особой архитектуры: церквей, соборов, выдающихся административных зданий. По падающей тени распознаются на снимках объекты, занимающие малую площадь, но имеющие большое вертикальное протяжение: столбы, опоры линий электропередачи, трубы промышленных предприятий, ретрансляторы, телевизионные башни, отдельно стоящие
деревья и т.д. Длина падающей тени позволяет сравнивать объекты по высоте, однако это возможно только в случае незначительных превышений, так
как длина тени искажается, если она падает на наклонную поверхность.
Существенную роль играет тень как дешифровочный признак рельефа. По
выраженности границы тени определяют профиль водораздельных поверхностей, бровок эрозионных форм, гребней форм эолового рельефа, а по размеру, протяженности — относительную высоту или длину. При дешифрировании
форм
микрорельефа
плоских
равнин
тень
как
де-
шифровочный признак играет едва ли не главную роль.
Значение тени как дешифровочного признака велико на крупномасштабных
снимках; при переходе к мелким масштабам оно снижается. Даже на среднемасштабных космических снимках изображаются лишь тени горных хребтов
и облаков.
Размер — не вполне надежный признак. При дешифрировании чаще
используются не абсолютные, а относительные размеры объектов. Так, в
сельском населенном пункте из двух рядом расположенных строений больший размер имеет дом, меньший — подсобные строения, сараи. Размеры
проекций крон и их соотношение с размерами промежутков между ними яв36
ляются одним из основных признаков определения возраста лесных насаждений.
В лесной и степной зоне большую ширину имеют шоссейные или улучшенные дороги, меньшую — полевые.
Яркостные дешифрованные признаки — фототон (или тон фотоизображения), уровень яркости (кодированная яркость), цвет, спектральный
образ связаны с одним и тем же свойством объектов местности — спектральной отражательной способностью.
Фототоном принято называть оптическую плотность изображения
на черно-белых фотоотпечатках при визуальном анализе. Этот признак является функцией интегральной или зональной (в относительно узкой зоне
спектра) яркости объектов. Та же интегральная или зональная яркость на
цифровых снимках закодирована уровнями яркости (чаше говорят «яркостью») шкалы из определенного числа ступеней . На цветных снимках различия в спектральной яркости объектов отображаются цветом, а на многозональных — набором тонов или уровней яркости в зонах, называемым спектральным образом.
Изменчивостью спектральной яркости объектов, а также неоднозначностью
изобразительных свойств съемочных систем и условий фотохимической обработки объясняются невысокая надежность яркостных дешифровочных
признаков. Фототон, уровень яркости, цвет и спектральный образ одного и
того же объекта на разных снимках могут сильно варьировать, но, несмотря
на это, они широко используются при визуальном дешифрировании, а при
компьютерном в настоящее время являются основными.
При визуальном дешифрировании черно-белых фотографических снимков до
недавнего времени пользовались шкалой тонов. Человеческий глаз хорошо
улавливает различия в насыщенности серого цвета двух участков, расположенных рядом. Шкала помогает оценить различия в фототоне двух выделов,
находящихся на некотором расстоянии или на соседних снимках. Число сту37
пеней шкалы определяется порогом световой чувствительности зрения и
обычно содержит пять—семь ступеней .
Шкала тонов для визуального дешифрирования фотографических
снимков (по В. Я. Михайлову)
Фототон
Принцип выделения
Значение оптической
плотности
Белый
Крайний визуально раз- 0,1 и менее
личимый
Почти
бе- Плотность вуали
0,2-0,3
лый
Светло-
Минимальная плотность 0,4-0,6
серый
большинства
фотоизоб-
ражений
Серый
Средняя
плотность 0,7-1,1
большинства
фотоизоб-
ражений
Темно-
Максимальная плотность 1,2-1,6
серый
большинства
фотоизоб-
ражений
Почти чер- Тон, превышающий мак- 1,7-2,1
ный
симальную
большинства
плотность
фотон
изображений
Черный
Крайний визуально раз- 2,2 и более
личимый тон шкалы
38
Оптическая плотность каждой ступени шкалы измеряется (на денситометре) и получает условное название фототона. В светлой части шкалы интервал оптических плотностей между двумя соседними ступенями обычно
меньше, в темной — больше, так как человеческий глаз различает лучше
свётлые ступени, чем темные.
Цветные снимки обладают значительно большим богатством оттенков, чем
черно-белые, к тому же глаз легче воспринимает цветовые pазличия, чем оттенки серого. Исходя из этого, дешифрирование цветных снимков удобнее
для исполнителя. В дешифрировании при обозначении цвета словами пользуются несколькими терминами.
Оттенок — употребляется в разных значениях, но часто вместо термина
«тон».
Рисунок изображения — это сложный дешифровочный признак, он
представляет сочетание изображений объектов и их частей определенной
формы, размера и тона (цвета), дополняя его новым свойством — пространственным распределением элементов изображения, их размещением, повторяемостью. Благодаря этим свойствам признак мало зависит от условий
освещения, сезона и технических параметров съемки, несмотря на изменчивость его отдельных составляющих. Рисунок изображения принято считать
надежным дешифровочным признаком.
Обычно к этому признаку относят три термина: текстура, структура и рисунок. Сочетание элементов изображения на низшем уровне, воспринимаемых
как различия в фототоне (или яркости на экране) неопределенной формы,
называют текстурой изображения. Чаще понятием текстуры изображения
оперируют при выполнении измерений на снимках. Более крупные элементы
на снимке, у которых распознаются форма и размер, образуют структуру
изображения. Типичными примерами служат изображения лесных насаждений на аэроснимках, населенных пунктов на мелкомасштабных аэроснимках
и космических снимках высокого разрешения.
39
Общепринятая классификация структуры изображения отсутствует, но некоторую систематизацию можно представить, если использовать понятия
размера и формы элементов. По форме однородные структуры можно называть зернистыми, пятнистыми, полосчатыми, сетчатыми, а добавляя характеристику размера — мелкозернистая, среднепятнистая или крупнополосчатая
структура. Регулярная структура типична для объектов, связанных с деятельностью человека: сетчатая — для изображения садов, полосчатая — для
виноградников и посевов пропашных культур. Большинство же природных
образований имеют нерегулярную структуру изображения; типичный пример
— лесная растительность.
Несколько разных структур часто формируют довольно устойчивые сочетания, типичные для определенных объектов земной поверхности. Такие сочетания называют рисунком изображения. В рисунке находят отражение как
природные особенности территории — структура почвенного и растительного покрова, распределение геоморфологических элементов, литологические
особенности слагающих пород, тектонические условия, так и пространственные взаимоотношения объектов антропогенного происхождения.
Рисунок изображения на аэрокосмических снимках является отражением реально
существующих
ландшафтных
рисунков,
горизонтальной
ланд-
шафтной дифференциации, изучению которой исключительное внимание
уделяют ландшафтоведы. Несмотря на изменчивость изображения на снимке
отдельных физиономичных элементов, обусловленную сменой сезонных и
погодных состояний ландшафтов, особенности рисунка изображения могут
относительно долго сохраняться. Широкое распространение космических
снимков послужило толчком к разработке количественных показателей для
оценки ландшафтной структуры.
40
Косвенные дешифровочные признаки
Прямые дешифровочные признаки позволяют распознать объекты,
изобразившиеся на снимке, однако по ним не всегда удается интерпретировать их, т.е. определить их свойства. Более того, с помощью снимков изучают и картографируют объекты, изображения которых на них нет, а также
процессы и явления. Для этого используют косвенные дешифровочные признаки. Методологической основой дешифрирования по косвенным признакам служит наличие взаимосвязей и взаимообусловленности всех природных
и антропогенных свойств территории.
В качестве косвенных обычно выступают прямые дешифровочные признаки
других объектов, называемых индикаторами. Косвенные признаки можно
условно разделить на три группы индикаторов:
объектов;
свойств объектов;
движения или изменений.
В первом случае выявляются объекты, не изобразившиеся на снимке.
Так, отсутствие изображения дороги на пересечении с рекой предполагает
наличие моста или брода. Индикатором государственной границы могут
служить различие в нарезке сельскохозяйственных полей, структуре организации территории, в пустынных районах — более темный тон не сбитой скотом растительности на полосе отчуждения и т.п. Колодцы в пустынных и полупустынных районах определяются на аэроснимках по сети сходящихся к
ним троп и пятну выбитой скотом растительности. На космических снимках
они изображаются светлыми пятнами диаметром на местности до нескольких
километров, соответствующим растительному покрову с измененным в результате воздействия видовым составом.
По косвенным признакам определяют скрытые свойства отчетливо читающихся на снимке объектов. Чаще это относится к объектам хозяйственной
41
деятельности. Функциональный тип населенных пунктов характеризуется
наличием промышленных предприятий, железнодорожной станции и т.д. Относительно крупные, вытянутой формы здания, расположенные на окраине
или вблизи сельского населенного пункта, со сбитой растительностью вокруг
них и сетью расходящихся от них прогонов, служат косвенным признаком
животноводческой фермы. Индикатором горно-обогатительных предприятий
оказываются отстойники — водоемы, имеющие в плане близкую к правильной конфигурацию. Индикаторы динамики позволяют выявить наличие движения или временных изменении по материалам одной съемки. В некоторых
случаях возможно установить не только наличие движения но и выявить его
особенности.
Роль косвенных дешифровочных признаков тем больше, чем мельче масштаб
снимков и больше охват территории. При топографическом дешифрировании
они составляют лишь небольшую долю, а при географическом в большинстве случаев приобретают решающее значение.
Индикационное дешифрирование
Определение одних компонентов ландшафта по другим, физиономичным, легко опознаваемым на снимке, так называемым индикаторам,
— распространенный прием географического дешифрирования. Его методологической основой служат взаимосвязь и взаимозависимость компонентов
ландшафта, обусловивших появление раздела географической науки —
ландшафтной (географической) индикации.
В качестве индикаторов в зависимости от географических условий могут выступать отдельные компоненты природной среды, называемые частными индикаторами. Чаще в такой роли выступают растительность и рельеф. Так, в
лесной зоне почвы распознаются по типу растительности: индикатором под42
золистых почв служат лесные насаждения, а торфянистых — болотная растительность.
В оазисах пустынной зоны нарезка (форма в плане) орошаемых сельскохозяйственных полей обусловлена условиями дренирования, прежде всего рельефом и связанным с ним уровнем грунтовых вод, что позволяет успешно
использовать ее в качестве индикатора.
На равнинах, как правило, растительность служит индикатором рельефа. Посевы сельскохозяйственных культур приурочены к выровненным участкам, с
углами наклона обычно не превышающими 10°, в то время как лесная растительность занимает более крутые склоны. В горных районах наоборот: абсолютная высота и экспозиция склонов определяют характер почвенно-растительного покрова и служат косвенными признаками для распознавания
растительности на снимках.
В других случаях дешифрирование выполняется не по частным, а по комплексным индикаторам, т.е. по облику природно-территориальных комплексов. В таком случае говорят о ландшафтной индикации, или ландшафтном
методе дешифрирования. Сущность его заключается в распознавании природно-территориапьных комплексов по всей совокупности признаков,
нашедших отражение на снимке, для последующего выявления, изучения и
картографирования отдельных составляющих ландшафта.
Географическое дешифрирование — это преимущественно дешифрирование
по косвенным признакам.
Ярким примером применения ландшафтного метода дешифрирования служит изучение и картографирование подземных вод. Распознавание и интерпретация физиономичных компонентов ландшафта и их пространственных
сочетаний позволяет выявить геолого-географические условия и гидрогеологические параметры, такие как направление потоков и глубина залегания
грунтовых вод, распространение водоупорных пород.
43
Индикатором ландшафта может быть его рисунок, обусловленный процессом
формирования природно-территориальных комплексов.
Индикационное дешифрирование служит основой для изучения по аэрокосмическим снимкам географических процессов. Изучение процессов эволюции
основывается на выделении ландшафтно-генетических рядов. В этом случае
пространственный ряд ландшафтов служит индикатором их смены во времени.
Результаты индикационного дешифрирования, как и географического в целом, в существенной степени зависят от знания особенностей территории,
формирующих ее факторов, взаимосвязей между компонентами природной
среды, антропогенным воздействием на нее.
ТЕХНОЛОГИЯ
И МЕТОДИКА ДЕШИФРИРОВАНИЯ
Технологическая схема процесса дешифрирования
Под технологией дешифрирования понимается совокупность средств и
приемов извлечения информации со снимков. Наиболее рациональной может
считаться такая технологическая схема, при которой удается извлечь со
снимков максимум информации при минимальной затрате средств и труда.
Технологическая схема процесса дешифрирования, кроме собственно процесса чтения снимков, включает ряд операций.
Постановка задачи
Подготовительный этап
Требования к материалам
Требования к условиям съемки
Выбор материалов съемки
Получение материалов съемки
Оценка снимков
44
Ознакомление с территорией
Сбор дополнительных материалов (литературных, картографических, ведомственных)
Разработка легенды карты
Создание эталонов дешифрирования
Полевое дешифрирование
Камеральное дешифрирование
Оформление результатов дешифрирования
При любой технологической схеме процесс дешифрирования начинается с постановки общей задачи картографирования или исследования. Задача ставится с учетом реальных возможностей получения материалов съемки,
наличия соответствующего оборудования, квалификации дешифровщиков и
т.д. В то же время поставленной задачей во многом определяется выбор
средств и методик извлечения информации.
При любой технологической схеме обязателен предварительный этап.
Он включает несколько процессов, первый из которых — подготовка съемочных материалов. При географических исследованиях чаще приходится
пользоваться имеющимися материалами. В настоящее время фонд аэрокосмических материалов достаточно велик, поэтому существует возможность
выбрать снимки, подходящие по масштабу, разрешению, области спектра,
времени съемки и т.д. Наиболее полно учесть условия поставленной задачи
можно в случае, если есть возможность провести социальную съемку, отвечающую предварительно сформулированным требованиям. Эту часть работ
завершает просмотр полученных съемочных материалов, преследующий две
основные цели: оценку качества снимков и общее знакомство с территорией.
Сбор дополнительных материалов является необходимым звеном подготовительного этапа процесса дешифрирования, в зависимости от конкретных условий меняться может лишь объем собранных материалов, предпо45
чтение одному или другому виду источников. Дополнительные материалы
включают литературные источники, карты, ведомственные материалы.
Сбор литературных источников и знакомство с ними имеют целью
получить сведения о географических особенностях территории, о существе
картографируемых или изучаемых объектов, специфике их изображения на
аэрокосмических снимках. Очень существенно знание применявшейся ранее
методики дешифрирования, что сэкономит время и позволит избежать ошибок. Все эти сведения можно получить из научной литературы, методических
пособий и справочников.
Сведения об объекте дешифрирования предоставляют картографические
материалы :государственные топографические карты; тематические карты;
ведомственные картографические источники.
Наилучшим материалом являются карты масштаба, сопоставимого с масштабом используемых снимков. При топографическом дешифрировании для
ознакомления с местностью используют топографические карты раннего
выпуска и некоторые тематические, а при тематическом дешифрировании —
наиболее современные топографические и тематические других масштабов и
тем.
Особое место при тематическом дешифрировании может быть отведено ведомственным картографическим материалам: при дешифрировании растительности — планам лесоустройства, создаваемым в лесном ведомстве; при
почвенном и сельскохозяйственном дешифрировании — планам и картам
землепользовании и почвенными картами, которые составляются широкой
сетью организаций сельскохозяйственного ведомства; о при изучении по
снимкам рельефа береговой зоны морей можно использовать навигационные
карты, созданные и постоянно обновляемые гидрографической службой.
Очень полезными и даже необходимыми в некоторых случаях могут оказаться ведомственные материалы некартографическою вида: наблюдения гидропостов, метеорологические данные, профили железных и шоссейных дорог.
46
При тематическом дешифрировании желательно ознакомиться с материалами наземных наблюдений и исследований, если таковые проводились на изучаемой территории ранее. Необходимыми видами работ на подготовительном этапе являются разработка легенды карты, которую предполагается составлять по снимкам, а также создание эталонов (образцов) дешифрирования.
В качестве последних могут быть использованы материалы, полученные ранее: карты, отчеты и результаты экспедиционных работ и т.д. Для их создания проводятся специальные полевые работы.
Собственно дешифрирование выполняется или на местности (полевое
дешифрирование), или в лабораторных условиях (камеральное дешифрирование). Преимущество полевого дешифрирования — прежде всего высокая
степень достоверности получаемых результатов. Одно из преимуществ полевого дешифрирования заключается также в том, что изучение местности
происходит на момент дешифрирования, а не съемки, что во многих случаях
очень важно, так как обеспечивает большую современность создаваемой карты. Недостатком полевого метода дешифрирования является его невысокая
производительность и очень высокая стоимость. Камеральное дешифрирование требует значительно меньших затрат времени и труда, но при этом не
может обеспечить полноты и достоверности результатов, достигаемых при
полевом дешифрировании. Выбор полевого или камерального метода дешифрирования или их сочетания зависит от поставленной задачи, характера
объекта дешифрирования, географических условий территории, масштаба
точности создаваемой карты, сроков выполнения работ, обеспеченности материалами, инструментами, кадрами соответствующей сертификации. В картографическом производстве и при выполнении исследовательских работ
приняты три типа технологического процесса дешифрирования.
При одноэтапной схеме выполняется либо полевое, либо камеральное
дешифрирование. Так, только полевое дешифрирование проводится при
крупномасштабном топографическом картографировании городов, а только
47
камеральное — при изучении недоступных территорий, при мелкомасштабном тематическом картографировании на основе космической информации. Значительно чаще применяются 2—3-этапные схемы. В этом случае
процесс может начинаться с полевого дешифрирования. В результате его
проведения создаются эталоны (образцы) дешифрирования, на основе которых на втором этапе
выполняется сплошное камеральное дешифрирование.
Если территория и объект дешифрирования хорошо знакомы то создавать
эталоны, целесообразно начиная с камерального дешифрирования, а на последующем этапе — при полевом дешифрировании — лишь заполнить возникшие пробелы. Такие технологические схемы применяются как в топографическом производстве, так и при создании по снимкам тематических карт
крупных и средних масштабов. При изучении природных ресурсов, при создании тематических карт на основе космической информации применялись
еще более сложные многоэтапные схемы. Одна из них включает предварительное камеральное дешифрирование — маршрутное полевое — камеральное — полевой контроль — окончательное камеральное, а другая полевое —
камеральное — полевой контроль и дополнительное полевое — окончательное камеральное дешифрирование.
Заключительной процедурой в процессе дешифрирования является оформление результатов. Конечная продукция может быть представлена в разном виде, но чаще это оформленные в заранее согласованных условных знаках или
отдешифрированные снимки (обычно аэрофотоснимки или производная от
них продукция фотоплан, фотосхема), или прозрачная пленка, закрепленная
на снимке (обычно космическом снимке), или распечатка на принтере, если
выполнялось дешифрирование с помощью компьютера. Результат дешифрирования традиционно называют не вполне точным термином схема дешифрирования. Попытки ввести другие термины, например предкарта, не дали
положительного эффекта.
48
В случае, когда аэрокосмические данные включены в ГИС и, следовательно, приведены к единой требуемой проекции, в результате дешифрирования снимков может быть создана настоящая карта.
Полевое дешифрирование
Полевое дешифрирование заключается в сопоставлении изображения
на снимках (фотоплане, фотосхеме) с местностью, в результате чего опознаются объекты и определяются их свойства. Полевое дешифрирование может
быть наземным или аэровизуальным. При наземном дешифрировании существует возможность одновременно собирать дополнительные сведения и
данные, не связанные непосредственно с дешифрированием, а при необходимости выполнять и другие виды полевых наблюдений.
Подготовительный этап при полевом дешифрировании включает все
названные в предыдущем разделе процедуры, но главной является подготовка съемочных материалов к выезду в поле. Начало этого этапа —подготовка
комплекта снимков, которые предстоит дешифрировать. По возможности
просмотр должен быть стереоскопический и с увеличением.
Подготовка съемочных материалов включает прежде всего определение точного масштаба снимков: для аэроснимков равнинной территории — ел иного для целого снимка или даже нескольких, для аэроснимков и
горной местности — отдельно для долин, склонов и гребней хребтов. При
площадной аэросъемке съемочные маршруты прокладывают направлению
восток—запад (реже 'север—юг) и нумеруются у северной рамки кадра, поэтому ориентировка снимков но странам света практически известна. В случае маршрутной аэросъемки это правило не действует, следовательно, требуется определить для снимков каждого маршрута направление на север, сопоставляя с крупномасштабными картами. Чтобы избежать пропусков или повторного дешифрирования на перекрывающихся частях снимков, на них выделяют рабочие площади. При стандартном продольном перекрытии аэро49
снимков (60%) можно использовать не каждый снимок, а через один, особенно при дешифрировании местности, не сильно насыщенной контурами.
Границы рабочих площадей проводятся посередине перекрывающихся частей снимков, причем небольшие населенные пункты, дороги или границы,
проходящие параллельно границам рабочих площадей и т.п., стараются
оставлять «неразрезанными» на одном из снимков. Границы могут быть прямолинейными, если на снимках изображена равнинная или всхолмленная
территория. В горные районах общие точки на перекрывающихся снимках
выбирают по линиям перегиба склонов.
Важно перед выездом в поле тщательно разложить снимки по маршрутам,
участкам трапециям. Это сэкономит время при проведении работ и поможет
избежать серьезных ошибок в случае перепутывания снимков.
В соответствии с поставленной задачей после просмотра и подготовки снимков составляется предварительный вариант легенды. При топографическом
дешифрировании дополнительно создаются редакционные указания из которых исполнителям должно быть ясно, какие условные знаки следует применять при изображении объектов данной местности.
Наземное дешифрирование
В зависимости от территории и масштаба картографирования наземное
дешифрирование может выполняться как сплошное, или выборочное, маршрутное. При географических исследованиях, как правило, проводится маршрутное дешифрирование, включающее описания, сбор образцов, измерения,
фотографирование на эталонных участках (станциях). На предварительном
этапе в результате знакомства с районом исследований выявляются объекты
или участки, неясные для исполнителя, посещение которых обязательно, и
составляется схема маршрутов. Маршруты прокладываются с учетом дорожной сети, условий проходимости местности. Считается, что в открытой мес50
тности дешифровщик может наблюдать полосу шириной до 500 м, а в зелесенной, с пересеченным рельефом не более 300 м.
В процессе наземного дешифрирования исполнитель выполняет три операции: определение точки стояния; опознавание объектов и их обозначение на
снимке;о нанесение объектов, не изобразившихся на снимке из-за своих малых размеров или появившихся после выполнения съемки.
Исключительно важно определение начальной точки маршрута в некоторых
случаях (в таежных, горных малообжитых районах) это не совсем простая задача, поэтому лучше начинать работу с надежной, однозначно определяемой
точки. При движении по маршруту нужно постоянно сличать изображение на
снимке с местностью.
Нанесение на снимок не изобразившихся объектов или точек наблюдений (пробных площадок, шурфов и т.п.) наиболее точно и при минимуме затрат времени выполняется с помощью новейших технологий — приемников спутниковых систем определения координат: отечественной ГЛОНАСС или GPS (США). Существуют приемники, умещающиеся в кармане,
способные обеспечить привязку нужных точек с вполне удовлетворительной
точностью.
В случае отсутствия приемников GPS можно пользоваться простыми, но достаточно надежными способами: а) створов; б) промеров от магистрали; в)
линейной засечки. Расстояния в таких случаях измеряют рулеткой или определяют с помощью шагомера.
При выполнении полевого дешифрирования полезно использовать стереоскопическое наблюдение снимков. Простейшим приспособлением для
наблюдения снимков служат стереоочки. Существуют полевые (карманные)
стереоскопы, специальные наборы приспособлений для полевого дешифрирования.
51
Аэровизуальное дешифрирование
В прежние годы дешифрирование с воздуха применяли лишь в ценной
разведке и при картографировании малообжитых районов. С появлением
космических снимков аэровизуальное дешифрирование стало все более широко внедряться в процесс картографирования и географических исследований. Причина этого заключается в специфике снимков из космоса: более низком разрешении по сравнению с аэроснимками и большом охвате территории. Из относительно низкого разрешения многие объекты, могущие служить
ориентирами, не изображаются на снимках, что делает сложной, а иногда и
неразрешимой задачу определения точки стадия на местности. С воздуха
видно значительно большее число ориентиров. К тому же большой охват
территории и, как правило, мелкий масштаб картографирования делают малопроизводительным наземное дешифрирование космических снимков. В
процессе аэровизуального дешифрирования возможно не только опознавание
объектов вдоль маршрута полета, но и посадки, во время которых выполняются наземные наблюдения: описания, сбор образцов и т.д.
Аэровизуальное дешифрирование выполняется с борта вертолета или легкого самолета. На подготовительном этапе особое внимание необходимо уделить разработке и согласованию маршрутов, подготовке и систематизации
съемочных материалов. Маршрут полета и места посадки предварительно
согласовываются с экипажем, наносятся на карту или снимок, определяются
также высота и скорость полета.
При высоких требованиях к детальности и насыщенной контура-местности
скорость полета не должна превышать 100 км/час, а высота — 200-400 м. Такая высота полета обеспечивает визуальное опознавание объектов на местности, сравнительно медленное перемещение местности в ближнем плане и
большой радиус обзора. Увеличение скорости полета или уменьшение высо52
ты ведут к улучшению угловой скорости перемещения земной поверхности
перед наблюдателем и невозможности разглядеть отдельные объекты.
Организация работ приобретает в условиях полета особое значение: вертолет пролетает в минуту около 2 км, следовательно, даже небольшой сбой в
наблюдениях приведет к пропуску объектов дешифрирования в ближнем
плане. Поэтому подготовке на земле всех материалов должно быть уделено
должное внимание. Выполнять дешифрирование удобнее из пилотской кабины, где имеется широкий обзор, однако, как правило, наблюдение приходится вести через боковые иллюминаторы. В таком случае наблюдателей должно быть минимум двое. Нужно иметь в виду, что аэровизуальное дешифрирование требует большого напряжения, исключительной сконцентрированности исполнителей, поэтому утомляемость наступает уже через 1,5—2 часа.
Определение местоположения объектов, не изобразившихся на снимках, как
и при наземном дешифрировании, предпочтительнее выполнять с помощью
приемников спутникового позиционирования. При их отсутствии можно
определять местоположение объектов по времени пролета. Это аналогично
способу створов с той разницей, что измеряется не расстояние от определенных на снимке точек до объекта, а время полета.
Фиксация результатов при аэровизуальном дешифрировании выполняется на
снимке или прозрачном пластике с использованием заранее согласованных
условных знаков. Возможна также нумерация отдешифрированных объектов
с комментариями, записанными на диктофоне или в полевом дневнике
Состав выполняемых наблюдений может быть разным: съемка с самолета
разной аппаратурой, синхронно со съемкой из космоса, спектрометрирование
с воздуха и на земле, описание состояния всех объектов земной поверхности
на снимаемом участке, измерения, взятие проб. Полезным может быть дешифрирование полученных ранее крупномасштабных аэроснимков. Полный
комплекс наблюдений предоставляет возможность понять закономерности и
особенности формирования изображения на снимках. При всей простоте и
53
ясности идеи проведения таких наблюдений осуществление их на практике
является исключительно сложным в организационном отношении.
Камеральное дешифрирование
Камеральное дешифрирование заключается в распознавании объектов
на снимках в лабораторных условиях, путем сопоставления изображения с
имеющимися эталонами и знаниями дешифровщика. Меньшая надежность
по сравнению с полевым дешифрированием компенсируется значительно
большей экономичностью.
Отличительная особенность подготовительного этапа при камеральном дешифрировании — должное внимание к сбору дополнительных материалов.
От знания характера территории и объекта дешифрирования, его связей с
компонентами природной среды или объектами хозяйственной деятельности
зависит качество результатов дешифрирования. Важны и другие дополнительные материалы. Например, при дешифрировании некоторых объектов,
прежде всего элементов гидрографической сети и сельскохозяйственной растительности, важно знать дату съемки, особенности метеоусловий года съемки по сравнению со средними многолетними данными. Чем разнообразнее
собранные съемочные и дополнительные материалы, тем надежнее результаты камерального дешифрирования.
Более высокие требования предъявляются при камеральном дешифрировании к качеству съемочных материалов: детальности (разрешению), контрасту. Условием повышения качества результатов камерального дешифрирования служит наличие нескольких типов снимков, полученных в разных
участках спектра при различных условиях освещения, в разные сезоны года.
Процесс дешифрирования начинается с просмотра снимков по принципу перехода от общего к частному: сначала общий просмотр, по возможности
стереоскопический, затем изучение мелкоконтурных участков с увеличени54
ем. Если используются космические снимки, при общем просмотре полезно
использовать топографические карты сопоставимого или несколько более
крупного масштаба, что позволяет быстрее распознать основные черты территории. В результате просмотра должны быть уяснены общая географическая
характеристика
местности,
закономерности
природно-
территориальных или хозяйственно-территориальных комплексов, после чего можно переходить к более детальному анализу.
Сначала происходит установление и набор фактов, затем по мере детального
знакомства с местностью эти факты систематизируются, распределяются по
степени важности, полезности. Далее следуют постепенное «обучение» исполнителя и устанавление новых логических связей. Поэтому неоднократное
повторение просмотра, возвращение к уже отдешифрированным участкам
должно стать правилом при камеральном дешифрировании.
Порядок дешифрирования зависит от поставленной задачи, характера местности, масштаба (детальности) снимков. В горных районах дешифрирование
начинается с рельефа, так как от высоты и ориентировки склонов зависит
распределение других природных компонентов — растительности, почв,
элементов снежно-ледникового комплекса. В сильно обводненных районах
(дельтах рек, тундре) более целесообразно сначала анализировать гидрографическую сеть. Физиономичными, т.е. наилучшим образом читаемыми, в
различных географических условиях и при разной степени обобщенности
изображения, зависящей прежде всего от масштаба (или разрешения) снимков, становятся характерные черты местности. Часто дешифрирование начинается с физиономичных объектов, которые не являются предметом изучения
или не входят в содержание составляемой карты. Так, при дешифрировании
ландшафтов анализируется нарезка, т.е. форма в плане сельскохозяйственных полей. Она не имеет отношения к содержанию составляемой карты, но
служит косвенным признаком рельефа, которым обусловлен характер других
55
компонентов природно-территориальных Комплексов. Как следствие, может
меняться и порядок дешифрирования объектов.
Принцип эталонного дешифрирования является основным при камеральном
дешифрировании. Чтобы распознать объекты на снимке, необходимо знать,
какими признаками обладает их изображение. Сформировать эти представления можно, лишь «обучившись» на примере, эталоне. Даже если дешифровщик не пользуется никакими дополнительными материалами, он сравнивает изображение на снимке с образами, сформировавшимися у него ранее
при дешифрировании других снимков, и, находя сходные признаки, относит
объекты на снимке к тому или иному классу. По такому же принципу работают алгоритмы классификации при автоматизированном дешифрировании;
эталоны при этом называют обучающей выборкой.
В качестве эталонов могут использоваться специально подготовленные аэроснимки, карты части территории, как правило, тематические и более крупного масштаба, чем дешифрируемые снимки, и результаты целенаправленно
выполненных полевых работ.
Эталон содержания — это снимок, полностью отдешифрированный в принятой системе условных обозначений, представляющий конечный результат
дешифрирования. Такие эталоны служат не только образцом признаков, по
которым распознаются объекты, но и образцом передачи содержания будущей карты с помощью картографических обозначений.
При географическом дешифрировании типично использование в качестве
эталонов материалов специально выполненных полевых наблюдений. На
ключевых участках или маршрутах собирается вся необходимая информация:
описания, измерения, отбор образцов; на снимке или карте фиксируется местоположение эталонных участков. Например, при картографировании растительности в описании дается перечень всех встречающихся видов и доля
каждого из них в растительном покрове, аспект доминирующих видов растений, проективное покрытие, цвет и увлажненность почвы. Иногда в про56
грамму таких работ включаются измерения коэффициентов спек тральной
яркости объектов, подлежащих распознаванию на снимках.
В случае камерального дешифрирования космических снимков в качестве
эталонов наряду с аэроснимками используются крупномасштабные карты:
при дешифрировании породного состава лесов — планы лесоустройства, при
сельскохозяйственном дешифрировании — схемы размещения культур на
год съемки и т.д. В результате сопоставления эталонных карт со снимком
выявляются признаки объектов на изображении. Камеральное дешифрирование по эталонам выполняется способом географической интерполяции и экстраполяции. Часто проводят экстраполяцию установленных свойств объектов на другие участки с аналогичным изображением. Выбор эталонных
участков — важный момент, от которого существенно зависят результаты
всего процесса камерального дешифрирования.
Определенные закономерные связи между компонентами природной среды
существуют лишь в границах некоторого природно-территориального комплекса. Если выявленные признаки экстраполируются на большую территорию, в пределах которой встречаются несколько комплексов, надежность
признаков падает. Чтобы обеспечить достоверность и полноту дешифрирования, на подготовительном этапе проводится районирование территории. Эталонные участки выбираются в пределах выделенных районов и в тех же границах экстраполируются выявленные дешифровочные признаки.
Чем полнее и точнее представлены на эталоне изучаемые объекты и их свойства, тем достовернее результаты камерального дешифрирования.
Методы камерального дешифрирования
Все разнообразие приемов и способов получения информации со снимков
сводится
к
двум
основным
57
методам:
визуальному
и
ав-
томатизированному. Под визуальным дешифрированием понимается процесс, выполняемый исполнителем независимо оттого, в каком виде представлен снимок: в виде фотоотпечатков или изображения на экране компьютера,
в противоположность автоматизированном) дешифрированию, т.е. запрограммированной обработке снимков на компьютере или на специально предназначенных для этого приборах.
Существовавшее некоторое время назад представление о том, что автоматизированное дешифрирование полностью заменит визуальное, оказалось неверным. По мере более широкого использования цифровых снимков получило развитие визуальное дешифрирование изображений на экране компьютера. Это объясняется тем, что способности человека анализировать изображение пока существенно превосходят возможности вычислительной техники.
Одно из основных преимуществ визуального метода дешифрирования
перед автоматизированным заключается в легкости получения пространственной инфекции. Дешифровщик без труда определяет форму, относительные размеры объектов и особенности их распределения. Например, одного
взгляда достаточно, чтобы определить различия в изображении на двух
фрагментах космических снимков.
Методика визуального
дешифрирования многозональных снимков
Использование многозональных снимков основывается на двух специфических особенностях взаимодействия солнечного излучения с объектами
земной поверхности: во-первых, большинство объектов земной поверхности
спектрально селективно, т.е. различно отражает падающее излучение по
спектру электромагнитных колебаний; во-вторых, солнечный свет разной
длины волны проникает в воду на разную глубину.
В первом случае в качестве дешифровочного признака используется спектральный образ объекта, т.е. набор значений оптической плотности (в случае
58
фотографической съемки) или уровня видеосигнала (при съемке оптикоэлектронными системами) на зональных снимках. Во втором случае серия
зональных снимков используется для дешифрирования объектов, расположенных на разной глубине.
Дешифрирование на основе спектрального образа. По этому признаку
распознаются спектрально селективные объекты земной поверхности и обращение к многозональным снимкам оправдано только в этом случае. Как
говорилось в разделе 2.2, наибольшими различиями в спектральной отражательной способности обладает растительность. Поэтому многозональные
снимки чаше используют для дешифрирования именно растительного покрова, независимо оттого, является ли он объектом изучения или индикатором
для распознавания других объектов.
При визуальном дешифрировании многозональных снимков применяют три
основных методических приема: дешифрирование одного зонального снимка; дешифрирование серии зональных снимков; дешифрирование цветного
синтезированного снимка.
Дешифрирование одного зонального снимка проводится в том случае, если
одна из съемочных зон в наибольшей степени удовлетворяет поставленной
задаче. Часто таким оказывается снимок в ближней инфракрасной зоне.
Вследствие свойства водной поверхности поглощать излучение этой части
спектра водные объекты изображаются самыми темными, что облегчает дешифрирование элементов гидрографии — рек и ручьев, береговой линии
озер и морей.
Для наглядного представления спектральных образов объектов при дешифрировании фотоотпечатков иногда используют простейшие измерения фототона с помощью эталонированной шкалы оптических плотностей, а затем
представляют их аналогично спектральной яркости в виде графиков. При
этом важно иметь в виду, что вследствие многих факторов, связанных с фотографическим процессом, нарушается соотношение яркостей в зонах, спек59
тральный образ оказывается искаженным, а вид кривых на графике — не похожим на кривые спектральной яркости. Такие графики можно использовать
для распознавания объектов только в пределах данной серии зональных
снимков. Простой, но надежный способ работы с серией фотографических
зональных снимков — их последовательное дешифрирование путем наложения прозрачного пластика.
Использование цветных синтезированных
снимков — наиболее эффективный прием визуального дешифрирования многозональных снимков. Цветное изображение лучше воспринимается зрением,
чем черно-белое, а иметь дело с одним снимком проще, чем с несколькими.
На фотографическом синтезированном снимке находят отображение все особенности спектральных различий объектов местности, если синтезирование и
последующее изготовление цветного отпечатка выполнены качественно.
Лучшие результаты можно получить при работе не с фотоотпечатком, а с
изображением на экране синтезирующего прибора. В этом случае есть возможность подобрать такие параметры синтеза, при которых наиболее контрастно и четко выделяются объекты, интересующие дешифровщика. Однако
синтезирующие проекторы в настоящее время применяются в основном в
производственных организациях, поэтому дешифровщик, как правило, имеет
дело с уже готовой продукцией.
В случае визуального дешифрирования на компьютере возможности выбора
наиболее подходящего варианта синтеза значительно шире, поэтому многозональные снимки используются чаще именно в этом виде.
Наиболее целесообразно использование цветных синтезированных снимков
для дешифрирования растительного покрова — как естественной растительности, так и посевов сельскохозяйственных культур.
Использование многозональной съемки для изучения водных объектов. Солнечный свет проникает в водную толщу на разную глубину в зависимости от длины волны. Наибольшее проникающей способностью обладает
излучение синего участка спектра: до 20—30 м в зависимости от свойств
60
воды и ее прозрачнее. Свет зеленого участка спектра проникает на глубину
7-20 м (разброс в значениях зависит от свойств водной толщи), к тому же он
существенно меньше рассеивается. Еще меньше распространяется в воде
красный свет: максимума глубины в 5-7 м он достигает только в очень прозрачньх водах.
ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ АЭРОКОСМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Исследования литосферы — одна из областей, где космические снимки
находят наиболее активное применение благодаря возможности выявления
новых черт геологического строения, незаметных на аэрофотоснимках.
Свойства обзорности снимков и генерализованности изображения заставили
пересмотреть старые взгляды на геологическое строение многих регионов и
изменить систему исследований по принципу от общего к частному.
В нашей стране широко внедряются космические методы геологических исследований. Основные направления применения космической информации в
геологических целях: геологическое картографирование, создание новых типов «космофотогеологических» карт; исследование стратиграфии и литолого-петрографического состава пород; структурно-тектоническое изучение
территории, для которого космические снимки дали принципиально новую
информацию, повысив, в частности, глубинность исследований; использование космической информации для поисков месторождений полезных ископаемых; изучение геотермальных зон, вулканизма.
Изучение стратиграфии и литолого-петрографического состава
пород.
На космических снимках высокого разрешения в видимом диапазоне
породы различного литолого-петрографического состава и возраста в открытых районах дешифрируются по цвету, фототонy или рисунку изображения.
61
Осадочные породы обособляются от изверженных магматических и метаморфических.
Выходы осадочных и метаморфических пород выделяются среди рыхлых
четвертичных отложений характерным параллельно-полосчатым рисунком,
который может отражать слоистость и дислоцированность пород. Рыхлым
четвертичным отложениям обычно свойственна неопределенно-пятнистая
структура изображения, а магматические породы часто отличаются наиболее
ровным, бесструктурным тоном. В районах с растительным покровом прямые дешифровочные признаки теряют свое значение и возрастает роль косвенного дешифрирования.
Изучение по космическим снимкам стратиграфии и состава пород актуально
для геологически мало исследованных районов. В условиях же высокой геологической изученности, например территории нашей страны, несравненно
большее значение имеет структурно-тектоническое изучение территории, для
чего космические снимки дают уникальную информацию.
Структурно-тектоническое изучение территории. Одно из главных
достоинств космических снимков — отображение черт строения территории,
незаметных на крупномасштабных снимках, что относится к изображению
крупных геологических структур. Фильтрация мелких деталей в результате
генерализации изображения способствует объединению разрозненных фрагментов крупных геологических образований в единое целое. Особенно хорошо отображаются линейные разрывные нарушения, отмеченные слабыми перепадами рельефа, прямолинейными участками долин, изломами речных русел и эрозионных форм, прямолинейными контактами и сдвигами горных
пород разного литологического состава.
Изучение структурных слоев литосферы. Космические снимки открывают принципиально новые возможности для познания глубинного стро62
ения литосферы, позволяя выявлять по совокупности признаков структуры
разных глубин и сопоставлять их между собой. Это направление использования космических снимков приобретает особенно большое значение в связи с
поисками скрытых месторождений полезных ископаемых и задачами выявления глубинных сейсмогенных структур.
Для исследования и сопоставления разноглубинных структурных элементов
литосферы используются космические снимки с различным разрешением.
Предполагается зависимость между разрешением снимков и глубинностью
геологических исследований. Очень сильная генерализованность изображения способствует выявлению наиболее глубинных структур, для изучения
которых целесообразно использование снимков малого разрешения с метеорологических спутников; по отношению к этим снимкам иногда употребляют
термин «просвечивание», имея в виду возможность выявления погребенных
геологических образований сквозь толщу рыхлых отложений.
Дешифрирование глубинных структур нередко обнаруживает несогласие их
ориентировки с поверхностными структурами, тектоническую расслоенность
литосферы. Изучение типа деформаций на разных уровнях особенно важно
при исследовании зон современной тектонической активности и при поисках
глубинных месторождений полезных ископаемых.
Прогнозирование и поиски месторождений полезных ископаемых.
Сопоставление результатов структурно-геологического дешифрирования с пространственным распределением известных месторождений полезных ископаемых способствует выявлению закономерностей их размещения,
приуроченности к определенным структурам для прогнозирования возможных месторождений.
При поисках нефти и газа важно установить наличие крупных поднятий,
осложненных локальными положительными формами и ограниченных разломами. На основе дешифрирования этих элементов на космических снимках
63
осуществляется прогноз и выбор направлений поисковых работ. Снимки используются также для структурно-металлогенического и других видов прогнозного
районирования.
Ландшафтно-индикационное
дешифрирование
снимков центральной части Западной Сибири позволило уточнить контуры
известных нефтеносных структур Сургутского и Нижневартовского сводов,
расширив перспективы месторождения нефти.
Сейсмические исследования, изучение вулканизма. Благодаря хорошему отображению на снимках структур земной поверхности, зон разломов, нарушений и деформаций, т.е. ослабленных хрупких зон земной коры,
признаков новейшей тектонической активности, по снимкам можно определять наиболее сейсмоопасные области, выполняя сейсмотектоническое районирование. Установлена приуроченность эпицентров разрушительных землетрясений к пересечениям тектонических линеаментов, выявленных по результатам дешифрирования космических снимков. По снимкам оказывается
возможным и определение магнитуды землетрясений. Радиолокационные
разновременные снимки, при их обработке, дают возможность определять
вертикальные смещения блоков земной коры при землетрясениях.
Вулканические явления, особенно крупные, также фиксируется на космических снимках. На тепловых инфракрасных снимках и снимках высокого разрешения в видимом диапазоне выделяются действующие вулканы, термальные проявления. Различается вулканы активные и полуактивные, дешифрируются их кратеры, лавовые потоки, термальные источники. По радиолокационным снимкам можно проследить за изменением рельефа вулканических
конусов после схода лавовых потоков.
Гидрогеологические исследования. Гидрогеологическая оценка
территории, осуществляемая на основании изучения косвенных индикаторов,
выполняется по космическим снимкам различного разрешения и масштабов.
При этом каждый уровень генерализации обеспечивает решение своего круга
64
задач. Мелкомасштабные обзорные снимки позволяют на основании структурно-геологических признаков решать задачи гидрогеологического районирования, выявления площадей распространения определенных типов подземных вод — трещинных, трещинно-карстовых, поровых. Среднемасштабные
снимки на основании геоморфологических и структурных признаков дают
возможность выявлять гидрогеологические условия и некоторые характеристики вод: глубину залегания, условия формирования и направление движения, минерализацию грунтовых вод. Детальные космические снимки позволяют по ландшафтным индикаторам определять литологические типы пород с разными гидрогеологическими параметрами, разделять области формирования, транзита и разгрузки линз пресных вод песчаных массивов.
Для изучения погребенных геологических структур, в том числе содержащих
линзы пресных вод, оказалась полезной радиолокационная съемка.
Стереоскопическое изучение рельефа по космическим снимкам ограничено
из-за большой высоты съемки — объемно воспринимается лишь горный рельеф. Однако хорошая передача различных индикаторов рельефа, главным
образом почвенно-растительного покрова, позволяет разносторонне изучать
рельеф горными равнинных районов.
Исследование морфологических особенностей рельефа, его генезиса, возраста, динамики развития поддается дистанционным методам в разной степени.
Наилучшим образом выражены на снимках морфологические черты рельефа
и во многих случаях снимки представляют хороший материал для морфометрических определений. Морфологические особенности и изображающиеся на
снимках элементы ландшафта, связанные с рельефом, позволяют по индикационным признакам выявлять генезис рельефа.
Отображение этапов развития рельефа в особенностях его морфологии и в
других компонентах природы позволяет изучать динамику рельефа, для чего
в ряде случаев целесообразно также сопоставление материалов разновременных съемок. Такой анализ позволяет судить об относительном возрасте рель65
ефа, непосредственно по снимкам не устанавливаемом. Отсюда вытекает целесообразная последовательность изучения рельефа по аэрокосмическим
снимкам: морфология и морфометрия — генезис и динамика — относительный возраст и этапы развития.
ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ АЭРОКОСМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Различные генетические типы рельефа. Своеобразная морфология
рельефа разных генетических типов обусловливает свои особенности изображения на космических снимках.
Флювиальный рельеф находит яркое отображение как в открытых, так
и в залесенных районах. Речные долины в открытых районах выделяются
благодаря интразональной пойменной растительности — луговой, болотной.
Для залесенных горных районов характерно изображение светлой сети долин
с незадернованными галечниковыми поймами на темном фоне лесной растительности. На речных поймах четко видны следы меандрирования, блуждания русел.
Большие возможности открываются при изучении морфологии дельтовых
областей, особенно дельт крупных рек. Сравнение разновременных снимков
или современных снимков со старыми картами дает хороший материал для
изучения динамики дельт. По изображению на снимках старых русел сибирских рек выявлены связи между размерами меандр и водностью потоков и
сделаны выводы о расходах воды в реках в прошлом.
Эоловый рельеф находит яркое отображение на космических снимках
во всем его разнообразии. Снимки позволяют изучать особенности образования и эволюцию различных форм эолового рельефа, выражающиеся в их рисунке, выявлять зависимость ориентировки форм от режима ветров и других
условий. По повторным снимкам фиксируются участки интенсивного наступания песков — эоловой трансгрессии.
66
Рельеф берегов. На космических снимках хорошо разделяются типы
берегов: абразионных, характеризующихся резкостью береговых линий, часто обусловленных тектонически, и аккумулятивных с их плавными формами. Четко выделяются формы берегового рельефа — пляжи, косы, бары, нередко прослеживаются и древние береговые линии.
Геоморфологическое картографирование. На основе космических
снимков разных уровней генерализации составляются геоморфологические
карты в масштабе 1:200 000 и мельче, отражающие строение и взаимосвязи
форм рельефа с морфоструктурами, раскрывающие особенности важнейших
этапов рельефообразования, дающие всестороннюю характеристику экзогенных процессов и их связи с эндогенными. Такие карты входят в комплект
государственных карт геологического содержания, создаваемых в масштабах
1:200 000 и 1:1 000 000, для составления которых по космическим снимкам
готовят специальную «дистанционную» («фактографическую») основу. С использованием космических снимков получил основательное развитие морфоструктурный анализ рельефа.
ПОЧВЕННОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ АЭРОКОСМИЧЕСКИМИ
МЕТОДАМИ
Применение космических материалов в исследованиях почвенного покрова охватывает две основные группы задач: одна связана с изучением
структуры почвенного покрова и почвенным картографированием, а другая
— с изучением динамических свойств почв, гумусности, влажности и других,
включая развитие неблагоприятных процессов, таких, как засоление, эрозия
почв, а также с разработкой основ почвенного космического мониторинга.
Изучение структуры почвенного покрова и почвенное картографирование. Типы почв по космическим снимкам можно дешифрировать по
прямым дешифровочным признакам лишь на распаханных землях или полях
67
со всходами зерновых и пропашных культур высотой до 10 — 20 см, или на
слабо покрытых растительностью (до 10—15%) территориях. Фототон изображения почв разного типа меняется от белого тона изображения солончаков
и песков и почти белого у пустынных почв — сероземов, буроземов, а также
у светло-каштановых до почти черного тона изображения черноземов. Однако при этом на снимках отражается лишь верхний горизонт почвы. Кроме того, очень большое влияние на изображение почв оказывает их состояние в
момент съемки, особенно влажность. Это осложняет определение по снимкам типов почв по прямым признакам даже в случаях изображения распаханных земель.
Косвенными признаками почв иногда служат хозяйственное использование
территории, размеры и нарезка полей, типы ведения сельского хозяйства.
Так, почвозащитные противодефляционные севообороты с полосной системой размещения сельскохозяйственных культур, опознаваемые на космических снимках, индицируют легкие по механическому составу почвы — супесчаные, легкосуглинистые.
Опыт дешифрирования космических снимков показывает, что смена большинства зональных типов почв прослеживается на снимках равнинных районов с трудом, в то время как внутризональные вариации почвенного покрова,
вызванные изменением условий рельефа, увлажнения, засоления и т.п., отображаются очень хорошо. Поэтому на космических снимках хорошо выражена
комплексность почв, подчеркиваемая пестротой растительного покрова.
Привлечение космических снимков для картографирования почвенного покрова позволяет отражать его строение со значительно большей подробностью, чем при традиционных методах
работы. Упомянутые особенности
изображения предопределяют хорошее отображение на снимках структур
почвенного покрова, закономерных сочетаний различных типов почв, изучение которых выдвигается на первый план в современной географии почв.
68
Типология структур и их картографирование немыслимы без материалов
космической съемки новых.
ГЕОБОТАНИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ АЭРОКОСМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Изучение структуры растительного покрова и его картографирование.
Растительность, образующая внешний покров земной поверхности, в
первую очередь отражается на космических снимках. Именно растительность
является индикатором при дешифрировании почвенного покрова, форм рельефа, подстилающих пород и отложений, грунтовых вод, засоления и т.д. На
любых космических снимках, даже самых мелкомасштабных, хорошо разделяются залесенные и безлесные территории. В пределах этих территорий
дифференциация типов лесной и безлесной растительности довольно слабая,
однако снимки хорошо отражают вариации растительного покрова, вызванные изменением экологических условий: освещения, увлажнения, засоления
и т.п. Эта особенность делает снимки ценным источником для изучения
сложной структуры растительного покрова. Карты растительности, составленные с использованием космических снимков, дают более полную информацию о структуре растительного покрова территории.
Оценка растительных ресурсов. Ресурсный аспект изучения растительности включает оценку ее продуктивности. Опыты в этом направлении, касающиеся растительности и лесов в полупустынных и пустынных
пастбищ в нашей стране, основываются на изучении их спектральной отражательной способности и нахождении корреляций между биомассой растительности и яркостью ее изображения на снимках.Оперативная оценка биомассы растительности базируется на определении таких спектральных характеристик, как вегетационный индекс, и других показателей, связанных с со69
держанием хлорофилла в растениях. Автоматизированная обработка снимков
с околоземных и геостационарных метеоспутников позволяет получать производные изображения — карты вегетационного индекса с необходимой повторяемостью, прослеживать по ним за изменениями биомассы в разных
районах и выходить на глобальные оценки.
Оценка состояния растительности. Космические снимки представляют объективное средство контроля состояния растительности в районах интенсивного промышленного воздействия, где под влиянием промышленных выбросов в атмосферу растительный покров трансформируется
вплоть до полной деградации. Особенно актуальна такая задача для северных
районов с легко ранимой и трудно возобновимой растительностью.
Глобальное картографирование земных покровов, создание карт послужило
одной из основ для разработки глобальной карты экорегионов суши, на которой в рамках 14 биомов выделено 867 экорегионов, детально характеризуемых в базе данных. Эта карта и база данных рассматриваются как важное
средство реализации стратегии сохранения биоразнообразия.
ЛАНДШАФТНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ АЭРОКОСМИЧЕСКИМИ
МЕТОДАМИ
Комплексный подход к проблеме охраны природной среды требует
изучения природного ландшафта в целом. Оптимальным оно может быть при
использовании, в первую очередь, в полной мере специальных тематических
карт природы. Картографический подход к изучению антропогенного воздействия на природу, к выявлению и оценил нарушенных территорий позволяет получить наглядные высокоинформативные документы, отражающие
современное состояние природно-территориальных комплексов различного
ранга, что, в свою очереди, дает возможность выполнять наиболее объективное планирование оптимальных мероприятий по охране и рациональному
использованию природных ресурсов (РИПР).
70
Карты природоохранной серии должны составлять
целостную си-
стему тематических карт. Принцип создания системы этих карт целесообразно построить таким образом, что каждая карта являлась самостоятельной и, в то же время, информационной основой для создания последующей
карты в серии. Специфичность картографирования для целей охраны окружающей среды, а также и в том, что эти карты должны отражать как природным, так и социально-экономические закономерности,
присущие террито-
рии. система карт должна включать несколько групп сопряженных
карт
таких как: группа карт, отражающих природные условия и экологические
характеристики их современного состояния; группа карт прогноза изменений природных ресурсов при антропогенном воздействии на регион; группа
карт рекомендательных мероприятий по охране среды.
При составлении карт в качестве основного картографического источника следует использовать светокопии фотопланом мост 1:200 000, составленных из космических снимков этого же масштаба, с них по результатам
дешифрирования наносятся все элементы топографической основы и большинство элементов спецнагрузки. В качестве дополнительных материалов
можно
использовать схемы разведанности угольного бассейна с грани-
цами действующих шахт и разрезов, а также топографические карты. На
схемы наносятся границы полей шахт, разрезов, по топографии картам - административные границы, названия населенных пунктом, рек и других объектов. В качестве вспомогательных материала используют космические
снимки более мелких масштабов.
Принципиальные вопросы составления ландшафтных карт и картографирования антропогенно измененных ландшафтов известны.Тем не менее,
естественны
некоторые
особенности
ландшафтно-экологического
кар-
тографирования угольных бассейнов. Используя ландшафтно-индикационный метод дешифрирования космических снимков на первом этапе возникает необходимость в составлении ландшафтно-индикационных карты. В ней
71
устанавливается взаимосвязь современных природно-территориальных комплексов с геолого-тектоиическими условиями, рельефом, гидрографией, растительностью.
Для чего по результатам дешифрирования аэрокосмических снимков, с
использованием ранее созданных карт, с применением альбома дешифрирования, а также многочисленных литературных источников
Первоначально целесообразно составить схему районирования с выделением исходных природных ландшафтов. (Так, на Центральный Кузбасс
выделены горные ландшафты, ландшафты предгорий, речных долин и болот). Этот процесс необходим для установления взаимосвязи физиономичных современных антропогенных комплексов с коренными ландшафтами.
При этом оказывается очевидной невозможность избежать на карте выделения коренным образом измененных участков, связанных с добычей угля и
другой хозяйственной деятельностью.
Поэтому на втором этапе дешифрирования надо считать обязательным выявление степени антропогенной измененности природно-территориальных
комплексов (ПТК) для установления характера и степени их нарушения. При
этом выделяются антропогенно измененные и антропогенные типы ПТК. Под
первым, антропогенно измененным типом ландшафтов здесь понимаются те,
в которых один или несколько компонентов изменены в результате хозяйственного воздействия. Антропогенными считаются те, которые изменены необратимо, включая литогенную основу и рельеф. По степени измененности в
них, в свою очередь, выделяются почти не измененные, - когда слабо измены
элементы растительности; слабо измененные, - когда изменена или уничтожена естественная растительность и изменены почвообразовательные процессы; измененный, - когда значительно изменена или уничтожена естественная растительность, произошла смена почвенного покрова; сильно измененные, - с образованием новых форм рельефа; и необратимо измененные
ландшафты.
72
При дешифрировании, для установления степени измененности ПТК,
используется весь комплекс прямых и косвенных дешифровочных признаков.
Наиболее часто антропогенные изменения ПТК, обусловленные целенаправленным использованием природных ресурсов, имеют на космических снимках четкие геометрические формы, что особенно типично для земель, используемых в земледелии . Качественная оценка современного состояния земель может быть проведена на основе выявления особого рисунка и фототона изображения, индикаторов дешифрирования при эталонировании по КС.
Для наиболее полного и достоверного дешифрирования участков, подверженных антропогенному воздействию, целесообразно применять материалы
повторных космических съемок, которые позволят объективно выявить изменения, произошедшие за период между съемками и точнее определить
факторы, вызвавшие их изменения.
По результатам анализа отдешифрированных космических снимков составляется легенда для карты ландшафтов с учетом выделения степени измененности на генетической основе.
Изучение и сопоставление этих карт позволяет установить тенденции
дальнейшего изменения среды при сохранении того же характера воздействия. Это позволит выбрать оптимальные мероприятия по охране природы.
Кроме того, карты послужат исходным материалом для составления прогноза
дальнейших изменений окружающей среды, используя оценочные показатели, которые отражают величину антропогенного воздействия на среду.
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ РЕГИОНОВ
ИНФОРМАТИВНОСТЬ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ ПРИ ДЕШИФРИРОВАНИИ
ОБЪЕКТОВ ТЕХНОГЕННО НАРУШЕННОГО РЕЛЬЕФА
73
При создании карт для организации и проведения мероприятий по рекультивации территорий в зоне действия добывающих предприятий одной из
основных задач является насыщение карт специальным содержанием. В случаях картографирования ландшафтов, нарушенных горными разработками,
несомненные преимущества создания тематических карт дает применение
аэрокосмических методов сбора и обработки информации. Аэро- и космические съемки позволяют получать большой объем информации.
При этом
методы дешифрирования в общем традиционны. Специальные характеристики объектов и явлений получают как во время непосредственного специального полевого дешифрирования, так и из дополнительных специальных
источников:- из горной графической документации, паспортов объектов, статистических данных горных предприятий и объединений, проектных институтов.
Общетопографическое содержание может быть взято или с топографических
карт соответствующих масштабов, или должно выполняться дешифрирование космических снимков одновременно со специальным дешифрированием,
проводимым специалистом, автором карты.
Методика тематического картографирования, с применением космических
материалов предусматривает использование фотоснимков, фотосхем, фотопланов и, в некоторых случаях, специальных фотокарт.
При дешифрировании фотоснимков одним из важнейших условий является
выявление дешифровочных признаков специальных объектов, составление
дешифровочных таблиц и эталонов дешифрирования типичного фотоизображения техногенно нарушенных ландшафтов, их компонентов, форм и элементов.
Установлено, что космические снимки масштаба 1:200 000 обладают достаточной информативностью для уверенного выделения техногенно нарушенных ландшафтов, с подразделением их на типы шахтно-терриконного и карьерно-отвального рельефа. Кроме того, на космических снимках распознаются
74
площади денудационных и аккумулятивных нарушений, образованных при
тех или иных способах разработки полезного ископаемого, а также определяются отдельные крупные формы техногенного рельефа как карьеры, отвалы, отстойники.
С привлечением спецматериалов возможно дешифрировать площади, подвергнутые рекультивации. При дешифрировании КС необходимо также использование АС мелких и средних масштабов для интерпретации отдельных
объектов, не получивших достаточно уверенного проявления в фототоне и
структуре изображения космических снимков.
Аэрофотоснимки масштаба 1:30 000 дают возможность получения более
полной информации. Здесь появляется возможность не только установления
границ участков, нарушенных в результате того или иного способа добычи
угля, но также и определения стадии разработки карьеров, формы отвалов и
разрезов, характера поверхности в зависимости от способа разработки и проведения вскрышных работ, но также способа отвалообразования. Эти снимки
позволяют определить не только наличие трещин и провалов земной поверхности над подземными выработками, но также участки самовозобновления
растительности, выделять зоны подтопления поверхностными водами, подпруженными при отвалообразовании.
Аэроснимки масштаба 1:8 000 дают полную всестороннюю информацию обо
всех формах и элементах нарушения поверхности природных ландшафтов, и,
в частности, рельефа, гидрографической сети, грунтов, растительности, кроме отдельных специальных характеристик объектов и явлений, которые не
имеют проявления в фототоне и структуре фотоизображения (годы эксплуатации разрезов, отвалов и шахт, температура отвалов, химический состав пород, места газовыделений, даты обвалов и т.п.). Эти характеристики могут
быть взяты из специальных источников.
В процессе создания карты дешифрирование следует.выполнять по традиционной методике. Следование общепринятой, традиционной методике дешиф75
рирования космофотоснимков заключается в применении тех же приемов,
что и для тематического дешифрирования аэрофотоснимков, с использованием основных принципов ландшафтно-индикационного метода. Этапы, последовательность и критерии дешифрирования идентичны рекомендуемым ГЦ
"Природа" . Кроме того, важно отметить, что при дешифрировании космических снимков на этапе камерального дешифрирования необходимо применение эталонов дешифрирования и чистых стереопар аэрофотоснимков на объекты с недостаточной информативностью космического фотоизображения.
При дешифрировании космических фотоснимков для создания специальных
карт состояния техногенно-нарушенных ландшафтов в масштабах 1:200 000
и 1:500 000 целесообразно использовать весь комплекс топографических и
фотографических материалов: топографические карты масштабов 1:100 000 1:1 000000, космические фотоснимки масштабов 1:200 000 -1 000 000, по
возможности - космофотопланы, фотосхемы, составленные из космических
фотоснимков, а также отдельные стереопары аэрофотоснимков. Должны
быть привлечены также "Чертежи горной графической документации", паспорта горнодобывающих объектов и другие документы о них.
Топографические карты требуются для предварительного изучения территории картографирования и для привязки космических фотоснимков. В этом
случае масштаб их должен быть идентичен или близок масштабу фотоснимков, космофотопланы (светокопии с них) служат основой для нанесения результатов дешифрирования космофотосхемы, для общего предварительного
обзора территории, для проектирования маршрутов и нанесения результатов
аэровизуального дешифрирования. Космофотопланы используются в качестве основы для составления исходных оригиналов карт.
Подбор космических фотоснимков для работ по дешифрированию необходимо сделать по картограммам расположения снимков или, при их отсутствии на предприятии, выполняющем фотографические и фотограмметриче76
ские работы, следует составить картограмму по каталогам
космической
съемки.
В результате привязки КС и обнаружения объектов общегеографического содержания (реки, дороги, населенные пункты, контура лесов, пашни и прочих), нанесения их на фотоматериалы создается географическая основа для
последующей привязки опознаваемых и дешифрируемых объектов специального содержания. Эти объекты интерпретируются как по прямым признакам (формы, тень, размер), так и по косвенным и комплексным (тональная
структура, местоположение, приуроченность к другим объектам, взаимосвязь
с ними и т.п.).
При дешифрировании следует предварительно выполнить эталонирование
аэрокосмических снимков (АКС). Для универсального, многоцелевого их использования в создании различных карт природоохранной серии трактовка
объектов изображения АКС должна быть всесторонней. Она заключается в
подробном описании и изображении в условных знаках на дубликатах снимков объектов содержания карт серии, в выявлении взаимосвязи и. взаимообусловленности процессов и явлений местности, в установлении типичных и
особенных черт в каждом природно-территориальном комплексе (ПТК). Это
позволит существенно экономить средства и время производства карт, сохранять логическую сопряженность в содержании карт.
При использовании в камеральном дешифрировании эталонов следует применять способы географической аналогии, экстраполяции и интерполяции.
Литература
1.Аковецкий В. И. Дешифрирование снимков. М: Недра, 1983.
2.Книжников Ю. Ф., Кравцова В. И., Тутубалта О. В. Аэрокосмические методы географических исследований. М.: Издательский центр «Академия», 2004.
3.Кравцова В. И. Космические методы картографирования. М.: Изд-во МГУ,
1995.
77
4.Мурье И. К., КосиковА. Г. Теория и практика цифровой обработки изображений И Дистанционное зондирование и географические информационные
системы. М.: Научный мир, 2003.
5.Обиралов А. И. Дешифрирование снимков для целей сельского хозяйства.
М., 1982.
Монографии
1.Гарбук С. В., Гершензон В. Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М., 1997.
Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков. М.: Наука2.Берлин: Академи Ферлаг. Т. 1. 1982; Т. 2. 1988.
3.Книжников Ю. Ф., Кравцова В. И. Аэрокосмические исследования динамики геофафических явлений. М.: Изд-во МГУ, 1991.
4.Космические методы геоэкологии. М.: Географический ф-т МГУ, 1998.
5.Кравцова В. И. Генерализация аэрокосмического изображения: континуальные и дискретные снимки. М.: Изд-во МГУ, 2000.
6.Савиных В. П., Малинников В. А., Сладкопевцев С. А., Цыпина Э. М. География из космоса. М.: Моск. гос. ун-т геодезии и картографии, 1995.
78