Цветной наряд Земли

Благодаря каким свойствам природных объектов мы получаем информацию о поверхности нашей планеты?

В первую очередь благодаря "цветному наряду" Земли или отражательным свойствам почвы, растительности, выходов горных пород и т. д. Иначе говоря, цвет дает нам первичную и основную информацию с поверхностных и неглубоко залегающих объектов.

Сначала главным методом дистанционного зондирования поверхности Земли было фотографирование на черно-белую пленку и передача черно-белого телевизионного изображения. Геологические структуры, их форма, размеры и пространственное распределение изучались по фотону и геометрическим очертаниям рисунка. Затем стали применять цветную и спектрозональную пленки, получив возможность использовать цвет как дополнительный признак объектов. Но вместе с этим повысились и требования к получаемым из космоса материалам, усложнились решаемые задачи.

Известно, что цветная пленка имеет три слоя, чувствительных в трех зонах спектра,- синий, зеленый и красный. Изготовление позитива на трехслойной пленке аналогичного строения позволяет воспроизвести оригинал в натуральных цветах. Спектрозональная пленка также имеет три светочувствительных слоя, но, в отличие от цветной пленки, на ней отсутствует синий слой, зато есть слой, чувствительный к инфракрасным лучам. Поэтому воспроизводимый со спектрозональной пленки оригинал без синего участка спектра имеет искаженную цветную окраску (псевдоцветное изображение). Но ведь спектр излучения природных объектов содержит много дробных характеристик.

Поэтому, снимая в нескольких зонах спектра, мы уловим тончайшие изменения цветовых и яркостных изображений объекта, которые не в состоянии уловить цветная пленка.

Так, у специалистов появилась идея сфотографировать одновременно одни и те же районы в различном цвете, или, как принято говорить, в различных зонах спектра. При такой многозональной съемке, помимо снимка, сфотографированного в узком диапазоне спектра, имеется возможность создать синтезированные цветные изображения соединением кадров, полученных в отдельных зонах. Причем синтез цветного изображения можно проводить в естественных цветах, так чтобы природные объекты имели привычные цветовые контрасты. Путем различных сочетаний узкоспектральных изображений можно создать синтезированные цветные изображения. При этом возникают самые разнообразные сочетания цветовых контрастов, когда отдельные природные объекты, отличающиеся по своим яркостным и цветовым характеристикам, изображаются в условных цветах. Конечная цель получения подобного изображения заключается в максимальном расчленении природных объектов по цветовым контрастам. Ясно, что, в отличие от цветной и спектрозональной съемки, получение синтезированного изображения позволит применить более современную методику обработки и выбрать оптимальные сочетания суммируемых зон для идентификации объектов.

Во время полета космического корабля "Союз-22" космонавты В. Быковский и В. Аксенов проводили многозональную съемку земной поверхности. Для этой цели на борту корабля была установлена фотокамера МКФ-6, разработанная совместно специалистами Института космических исследований АН СССР и Института электроники АН ГДР и изготовленная в ГДР. Многозональная съемка осуществлялась с помощью шести аппаратов, каждый из которых имеет специальный светофильтр, рассчитанный на получение изображения в определенном диапазоне спектра (табл. 3).

Таблица 3. Многозональная фотокамера МКФ-6

У многозональной съемки в космосе многолетняя история. Основы многозональной съемки заложил в 30-е годы советский ученый В. А. Фасе. В 1947 г. вышла книга Е. А. Кринова, где он впервые показал возможность сравнивать отдельные объекты по спектральным характеристикам отражения. Впоследствии был составлен каталог отражающих характеристик природных объектов: обнажений горных пород и почвы, растительного покрова, водной поверхности. В последующие годы сведения об отражающих свойствах земных образований значительно расширились. А факты, которые удалось собрать Е. А. Кринову, послужили основой для каталога отражающих свойств природных объектов и их сочетаний (они составляют своеобразный "банк" памяти для ЭВМ при сравнении объектов). Поэтому при фотографировании различных природных объектов можно выбирать наиболее благоприятные для съемки участки спектра (рис. 11).

Рис. 11. Участки спектра электромагнитных колебаний, наиболее благоприятные для фотографирования различных природных объектов. При проведении многозональной съемки с помощью фильтров выбирается наиболее информативный диапазон или комбинация различных диапазонов съемки для углубленного и детального изучения объекта

Со временем идея многозональной съемки получила творческое развитие. И уже с борта "Союз-12" космонавты В. Лазарев и О. Макаров сделали более 100 фотографий, снятых в шести, а на отдельных участках в девяти зонах спектра. Съемкой с "Союза-12" охвачена обширная территория Северо-Восточной Африки, горные хребты Малой Азии, вулканические нагорья Армении, степные районы Дагестана, Прикаспий, акватории Средиземного моря и Каспия. Как показал анализ многозональных фотографий "Союза-12", интересные результаты были получены при изучении подводного ландшафта акватории с небольшими глубинами, а также участков солончаков. По данным специалистов, при многозональной съемке, рассматривая снимки, полученные в синей зоне, можно уверенно разделять контуры песков и солончаков, так как изображение соляных корок не теряет яркости, в то время как контраст окружающих объектов снижается. Благодаря этим снимкам стало возможным провести корректировку карт засоления почвообразующих пород. На снимках Ливии, сделанных в красной и желтой зонах спектра, с большой детальностью выступают светлые контуры песчаных отложений, а в коротковолновых диапазонах (синем, зеленом) прослеживаются увлажненные участки. Американские исследователи многозональный вариант космической съемки опробовали на корабле "Аполлон-9" в 1969 г., а затем на автоматических станциях "Лэндсат" и орбитальной станции "Скайлэб".

Аппаратура для получения снимков на "Лэндсат-1" представляет собой многозональное сканирующее устройство, в котором используются зеленая, красная и две инфракрасные зоны спектра. Зеленая зона наиболее четко показывает распределение донных осадков и отмечает шельфовые зоны с различной глубиной. В красной зоне общий облик изображения более четкий. На нем хорошо видны постройки и искусственные насаждения, структура почв. Тональность участков суши инфракрасных зон наиболее яркая. На них более четко отображаются площади различных типов горных пород. Наиболее ярко возможности многозональных фотокамер "Лэндсат" проявились при получении синтезированных цветных изображений. Причем в отдельных случаях оказалось более выгодным "вычитать" одно изображение из другого и таким образом устанавливать дополнительную информацию определенного диапазона. При этом выяснилось, что многозональные снимки содержат и геохимическую информацию. Например, окислы железа легче опознаются на синтезированных снимках, чем на однозональных. Изменение соотношений между различными типами горных пород и железосодержащими минералами можно использовать при геологическом картировании.

Используя соотношения величин отражения на снимках, снятых в разных зонах спектра, стало возможным составление карт методом автоматического распознавания, где можно выделить отдельные выходы горных пород и выявить характерные группы, которые можно использовать в качестве эталонов геологических объектов.

На примерах мы покажем возможности многозональной съемки для изучения природных объектов нашей страны. Для этого рассмотрим многозональные фотографии одного из районов Киргизии, полученные со станции "Салют-4" во время полета на ней летчиков-космонавтов П. Климука и В. Севастьянова. Съемка проводилась 27 июля 1979 г. с высоты 340 км блоком из четырех фотоаппаратов, которые одновременно снимали один и тот же участок Земли в разных зонах спектра электромагнитных колебаний: (зона 0,5-0,6 мкм), в зелено-голубо-оранжевой (зона 0,5-0,6 мкм), оранжевой и красной (зона 0,6-0,7 мкм), красной и инфракрасной (зона 0,70-0,84 мкм) (рис. 12 а, б, в, г). Одновременно велась съемка на обычную цветную пленку. На фотографии изображены горные районы Киргизии между озерами Иссык-Куль и Сонкёль. Это отроги Киргизского хребта, хребтов Кюнгей- и Терскей-Ала-Тоо, долины горных рек Нарына и Чу, где расположены населенные пункты, пахотные земли, пастбища. Максимальные абсолютные отметки высот здесь достигают 4800 м. Снежный покров венчает самые высокие вершины. Если оценивать фотографии, полученные в разных зонах спектра, и цветное изображение, то можно заметить, что фотография, сделанная в оранжево-красном диапазоне 0,6-0,7 мкм, дает наиболее полную информацию об объектах съемки. По своей выразительности она близка к цветному изображению. Фототоном здесь подчеркнута структура межгорных впадин и хребтов, четким рисунком отмечено положение ледников. Снимок в зоне 0,5-0,6 мкм, несмотря на то что выглядит менее контрастным, дает разносторонние сведения о строении мелководий озер Иссык-Куль и Сонкёль. На нем хорошо просматриваются долины горных рек, где выделяется современный аллювий, видны поливные земли. На снимке в красной и ближней инфракрасной зоне спектра 0,70-0,84 мкм водные поверхности фиксируются темными тонами, поэтому гидросеть почти не видна, но зато отчетливо выступает геологическая структура района.

Рис. 12. Многозональные космические снимки, сделанные с орбитальной станции 'Салют-4' над территорией Киргизии: а - первая зона 0,5-0,6 мкм; б - вторая зона 0,6-0,7 мкм; в - третья зона 0,7 - 0,84 мкм; г - схема геологического дешифрирования: 1 - осколки древней земной коры; 2 - складчатые породы каледонского комплекса; 3 - разрывные нарушения; 4 - складчатые породы герцинского комплекса; 5 - чехол Центральноказахстанского срединного массива; 6 - межгорные впадины; рисунок обложки левый верхний - цветная фотография района Советской Киргизии. Снимок сделан с долговременной орбитальной станции 'Салют-4'; рисунок обложки левый средний. Снимок получен путем оптического синтеза по трем исходным черно-белым изображениям. В этом варианте синтетического снимка хорошо выделяется горная растительность: каждый розовый, красный и коричневый оттенок соответствует различным видам растительности; рисунок обложки левый нижний. Красновато-коричневые тона на этом синтетическом снимке - участки, покрытые лесом, кустарником, луга и орошаемые сельскохозяйственные поля; рисунок обложки правый верхний. На этом снимке особенно четко выделяются почвы (современный аллювий) в межгорных впадинах; рисунок обложки правый нижний. Условное цветное изображение, полученное оптико-электронным способом. Для кодирования интервалов оптической плотности исходного черно-белого снимка использована дискретная (прерывистая) шкала цветов. Цвета подчеркивают границы различных природных образований

Черно-белые зональные изображения послужили исходными, данными для синтеза цветных снимков. На цветной фотографии распределение тонов привычно для нашего глаза: более глубокие зоны озер имеют темную окраску; белыми мазками подчеркнуто положение ледников; коричневым и темно-коричневым цветом отображены горные хребты; светлыми показаны долины рек и межгорные впадины. Общий зеленый фон фотографии указывает на районы распространения растительности (см. рис. обложки левый верхний). Но, когда изображению, полученному в первой зоне, придали красный цвет, второй зоне - синий, третьей - зеленый и суммировали их, природные объекты на синтезированном снимке заиграли необычными цветами. На изображении озера выглядят белыми, ледники - черными, напоминающими ветвь дерева. Общий красноватый тон своими различными оттенками подчеркивает разнообразие ландшафтов и горной растительности (см. рис. обложки левый средний). В другом варианте оптического синтеза, когда первой зоне спектра дана зеленая окраска, второй - красная, третьей - синяя, озера уже имеют темную окраску, красно-коричневые тона соответствуют древесно-кустарниковой луговой растительности, а также сельскохозяйственным культурам на орошаемых землях (см. рис. обложки левый нижний).

В третьем варианте синтеза первому диапазону дана синяя окраска, второму - зеленая, третьему - красная. По распределению окраски этот вариант близок к реальному цветному снимку. Здесь наиболее четко выделяются почвы в межгорных впадинах, но вместе с тем исчезла информация о характере изменения глубин озера Иссык-Куль (см. рис. обложки правый верхний).

Применение многозональной съемки послужило толчком к широкому внедрению ЭВМ. Появилась возможность складывать и вычитать изображения различных диапазонов, распределять их по плотности фототона и кодировать определенный фототон любым цветовым оттенком (см. рис. обложки правый нижний).

Приведенные примеры показывают роль космических фотографий в исследовании природных ресурсов Земли. Многозональная съемка повышает эффективность новых методов, особенно для изучения геологических объектов.