Характеристика методов исследования

При геологических изысканиях, проводимых с летательных аппаратов, фиксируется излучение или отражение электромагнитных волн природными объектами. Методы дистанционного зондирования условно подразделяются на методы изучения Земли в видимой и ближней инфракрасной области спектра (визуальные наблюдения, фотосъемка, телевизионная съемка) и методы невидимого диапазона электромагнитного спектра (инфракрасная съемка, радиолокационная съемка, спектрометрическая съемка и др.). Остановимся на краткой характеристике этих методов. Пилотируемые космические полеты показали, что, какой бы совершенной не была техника, нельзя пренебрегать визуальными наблюдениями. Началом их можно считать наблюдения Ю. Гагарина. Самое яркое впечатление первого космонавта - вид родной Земли из космоса: "Отчетливо вырисовываются горные хребты, крупные реки, большие лесные массивы, пятна островов... Земля радовала сочной палитрой красок...". Космонавт П. Попович передавал: "Хорошо видны города, реки, горы, корабли и другие объекты". Таким образом уже с первых полетов стало очевидно, что космонавт может хорошо ориентироваться на орбите и целенаправленно наблюдать природные объекты. Со временем усложнилась программа работ космонавтов, все длительнее становились космические полеты, информация из космоса делалась все более точной, детальной.

Рис. 9. а - Снимок озера Балхаш осуществлен с борта станции 'Салют-5' в 1976 г. Высота фотографирования 270 км. На снимке видна центральная часть озера. С юга к нему подходит дельта реки или с множеством сухих русел. На южном берегу озера видна отмель, поросшая тростниковыми зарослями

Рис. 9. б - Схема дешифрирования цветного снимка озера Балхаш. На ней выделены дельты рек, впадающих в озеро с севера и юга, отмель с тростниковыми зарослями, пологоволнистая равнина. Особым знаком отмечены различные глубины озера: 1 - тростниковая отмель; 2 - долины и русла речных порогов; 3 - пологоволнистая равнина; 4 - глубины озера; а - небольшие, б - средние, в - высокие

Многие космонавты отмечали, что в начале полета они видят меньше объектов, чем в конце полёта. Так, космонавт В. Севастьянов рассказывал, что в первое время мало что различал с космической высоты, потом стал замечать суда в океане, затем суда у причалов, а в конце полета он различал отдельные постройки на прибрежных участках.

Уже в первых полетах космонавты видели с высоты такие объекты, которые видеть теоретически не могли, так как считалось, что разрешающая способность человеческого глаза равна одной угловой минуте. Но когда люди стали летать в космос, оказалось, что с орбиты видны предметы, угловая протяженность которых меньше минуты. Космонавт, имея прямую связь с Центром управления полетом, может обратить внимание исследователей на Земле на изменение каких-либо природных явлений и обозначить объект съемки, т. е. при наблюдении динамических процессов возросла роль космонавта-исследователя. А имеет ли значение визуальный обзор для изучения геологических объектов? Ведь геологические структуры достаточно стабильны, и поэтому их можно фотографировать, а затем спокойно рассмотреть на Земле.

Оказывается космонавт-исследователь, прошедший специальную подготовку, может наблюдать геологический объект под разными углами, в разное время суток, увидеть его отдельные детали. Перед полетами космонавты специально летали с геологами на самолете, рассматривали детали строения геологических объектов, изучали геологические карты и космические снимки.

Находясь в космосе и осуществляя визуальные наблюдения, космонавты выявляют новые, ранее неизвестные геологические объекты и новые детали ранее известных объектов.

Приведенные примеры показывают большую ценность визуальных наблюдений для изучения геологического строения Земли. При этом, однако, надо учитывать, что они всегда содержат элементы субъективизма и поэтому должны быть подкреплены объективными приборными данными.

Теологи с большим интересом отнеслись уже к первым фотографиям, которые доставил на Землю космонавт Г. Титов. Что привлекло их внимание в геологической информации из космоса? Прежде всего они получили возможность с совершенно другого уровня посмотреть на уже известные структуры Земли.

Кроме того, стала возможной проверка и увязка разрозненных карт, так как отдельные структуры оказались взаимно связанными на больших расстояниях, что объективно подтвердили космические изображения. Также стало возможным получение сведений о строении труднодоступных районов Земли. Помимо этого, геологи вооружились экспресс-методом, позволяющим быстро собрать материал о строении того или иного участка Земли, наметить объекты исследования, которые стали бы ключом к дальнейшему познанию недр нашей планеты.

В настоящее время сделано много "портретов" нашей планеты из космоса. В зависимости от орбит искусственного спутника и установленной на нем аппаратуры получены изображения Земли в различных масштабах. Известно, что космические изображения разных масштабов несут в себе информацию о различных геологических структурах. Поэтому при выборе наиболее информативного масштаба снимка надо исходить из конкретной геологической задачи. Благодаря высокой обзорности на одном космическом снимке отображается сразу несколько геологических структур, что позволяет делать выводы о взаимосвязях между ними. Преимущество использования космической информации для геологии объясняется также естественной генерализацией элементов ландшафта. Благодаря этому маскирующее влияние почвенного и растительного покрова снижается и геологические объекты "выглядят" на космических снимках отчетливее. Фрагменты структур, видимые на космических фотоснимках, выстраиваются в единые зоны. В отдельных случаях удается обнаружить изображения глубоко погребенных структур. Они как бы просвечивают сквозь покровные отложения, что позволяет говорить об определенной рентгеноскопичности космических изображений. Вторая особенность съемок из космоса - возможность сравнивать геологические объекты по суточным и сезонным изменениям их спектральных характеристик. Сопоставление фотографий одного и того же участка, полученных в разное время, позволяет изучить динамику действия экзогенных (внешних) и эндогенных (внутренних) геологических процессов: речных и морских вод, ветра, вулканизма и землетрясений.

В настоящее время на многих космических аппаратах есть фото- или телеустройства, которые проводят съемку нашей планеты. Известно, что орбиты искусственных спутников Земли и аппаратура, установленная на них, различны, что определяет масштаб космических изображений. Нижний предел фотографирования из космоса продиктован высотой орбиты космического летательного аппарата, т. е. высотой около 180 км. Верхний предел определяется практической целесообразностью масштабов изображения земного шара, получаемых с межпланетных станций (десятки тысяч километров от Земли). Представим себе геологическую структуру, фотографию которой удалось получить в разных масштабах. На детальном снимке мы можем рассмотреть ее в целом и говорить о деталях строения. С уменьшением масштаба сама структура становится деталью изображения, его составным элементом. Ее очертания будут вписываться в контуры общего рисунка, и мы сможем увидеть связь нашего объекта с другими геологическими телами. Последовательно уменьшая масштаб, можно получить генерализованное изображение, на котором наша структура будет элементом какого-либо геологического образования. Анализ разномасштабных снимков одних и тех же регионов показал, что геологические объекты обладают фотогеничными свойствами, которые проявляются по-разному, в зависимости от масштаба, времени и сезона съемки. Очень интересно узнать, как будет меняться изображение объекта с увеличением генерализации и что собственно определяет и подчеркивает его "портрет". Ныне мы имеем возможность увидеть объект с высоты 200, 500, 1000 км и более. У специалистов сейчас есть значительный опыт в изучении природных объектов с помощью аэрофотоснимков, полученных с высот от 400 м до 30 км. А что если все эти наблюдения проводить одновременно, включая наземные работы? Тогда мы сможем наблюдать изменение фотогеничных свойств объекта с разных уровней - от поверхности до космических высот. При фотографировании Земли с разных высот, помимо чисто информационной, преследуется цель повысить достоверность выявленных природных объектов. На самых мелкомасштабных изображениях глобальной и частично региональной генерализации определяют наиболее крупные и четко выраженные объекты. Средне- и крупномасштабные изображения служат для проверки схемы дешифрирования, сравнения геологических объектов на космических снимках и данных, полученных на поверхности индикаторов. Это позволяет специалистам давать описание вещественного состава пород, выходящих на поверхность, определять характер геологических структур, т. е. получать конкретные доказательства геологической природы изучаемых образований. Фотографические камеры, работающие в космосе, представляют собой съемочные системы, специально приспособленные для фотосъемки из космоса. Масштаб полученных фотографий зависит от фокусного расстояния объектива фотокамеры и высоты съемки. Главные достоинства фотосъемки заключаются в большой информативности, хорошей разрешающей способности, сравнительно высокой чувствительности. К недостаткам космической фотосъемки можно отнести трудность передачи информации на Землю и проведения съемки только в дневное время.

Рис. 10. а - Спектрозональный снимок предгорьев Тянь-Шаня. Выполнен с борта станции 'Салют-5' в 1976 г. Высота фотографирования 260 км. На снимке четко видно соотношение рыхлых и кристаллических пород, разрывные нарушения, долина р. Арысь

Рис. 10. б - Схема дешифрирования. Показаны рыхлые современные отложения, твердые породы (известняки, мергели, песчаники) мезозойского возраста, граниты, многочисленные разрывные нарушения: 1 - русло реки Арысь и ее притоков; 2 - четвертичные отложения, на которых хорошо видны квадраты культурно возделываемых земель; 3 - мезозойские отложения, представленные скальными породами (известняками, песчаниками, мергелями и др.); 4 - палеозойские отложения, также представленные скальными породами; 5 - массив гранитов; 6 - разрывные нарушения: а - четко дешифрируемые, б - дешифрируемые условно

В настоящее время большой объем космической информации попадает в руки исследователей благодаря автоматическим телевизионным системам. Их совершенствование привело к тому, что качество изображений приближается к космическому фотоснимку аналогичного масштаба. Кроме того, телевизионные изображения обладают рядом преимуществ: они обеспечивают оперативность передачи на Землю информации по радиоканалам; периодичность съемки; запись видеоинформации на магнитную пленку и возможность хранения информации на магнитной пленке. В настоящее время можно получать черно-белые, цветные и многозональные телевизионные изображения Земли. Разрешающая способность телевизионных снимков ниже, чем у фотоснимков. Телевизионная съемка проводится с искусственных спутников, работающих в автоматическом режиме. Как правило, их орбиты имеют большое наклонение к экватору, что позволяло охватить съемкой почти все широты.

Спутники системы "Метеор" запускают на орбиту высотой 550-1000 км. Его телевизионная система включается сама после подъема Солнца над горизонтом, а экспозиция в связи с изменением освещенности в ходе полета устанавливается автоматически. "Метеор" за один оборот вокруг Земли может снять площадь, составляющую приблизительно 8% поверхности земного шара.

По сравнению с одномасштабным фотоснимком телевизионный снимок имеет большую обзорность и генерализацию.

Масштабы телеснимков бывают от 1 : 6 000 000 до 1 : 14 000 000, разрешающая способность составляет 0,8-6 км, а снимаемая площадь колеблется от сотен тысяч до миллиона квадратных километров. Снимки хорошего качества могут быть увеличены в 2-3 раза без потери детальности. Существует два вида телевизионной съемки - кадровая и сканерная. При кадровой съемке проводится последовательная экспозиция различных участков поверхности и передачи изображения по радиоканалам космической связи. Объектив камеры во время экспозиции строит изображение на светочувствительном экране, которое можно сфотографировать. При сканерной съемке изображение формируется из отдельных полос (сканов), получающихся в результате детального "просматривания" местности лучом поперек движения носителя (сканирования). Поступательное движение носителя позволяет получать изображение в виде непрерывной ленты. Чем детальнее изображение, тем меньше ширина полосы съемки.

Телевизионные снимки в большинстве своем слабоперспективные. Для увеличения полосы захвата на спутниках системы "Метеор" съемки производятся двумя телекамерами, оптические оси которых отклонены от вертикали на 19°. В связи с этим масштаб снимка изменяется от линии проекции орбиты спутника на 5-15%, что осложняет их использование.

Телевизионные снимки дают большой объем информации, позволяя выделить крупные региональные и глобальные особенности геологического строения Земли.