Как работают с космическими изображениями

Основа космических исследований - регистрация отраженной солнечной и собственной радиации природных объектов. Она осуществляется различными методами (фотографическими, телевизионными и др.). При этом регистрируемые величины (сигналы) разной интенсивности пропорциональны яркости соответствующих участков поверхности Земли.

Все многообразие элементов ландшафта изображается в виде точек, линий, ареалов различного фототона и размеров. Чем больше на космическом изображении диапазон тоновых градаций и мелких деталей, тем выше его изобразительные свойства. Геологу-де-шифровщику для практической работы важно знать, насколько правильно передает снимок яркостные различия объектов. Ведь геологические объекты обладают в какой-то мере фотогеничностью. Одни прекрасно выходят на фотографиях, им соответствует яркий, запоминающий рисунок. Другие, как бы мы ни старались, получаются плохо. И чтобы обнаружить и доказать их существование, приходится использовать дополнительные признаки. Принято говорить, что геологические объекты обладают прямыми и косвенными дешифровочными признаками.

Прямые признаки указывают на особенности геометрии, размеры и форму изучаемого объекта. Фототон, цветовые различия могут быть также надежными прямыми индикаторами при узнавании горных пород.

Косвенные признаки основаны на изучении естественных взаимосвязей между геологическим строением и ландшафтными особенностями земной поверхности. Известно, что рельеф очень чутко реагирует на геологическую обстановку как на поверхности, так и на глубине, что существует взаимосвязь между почвенным покровом, растительностью и почвообразующими породами. Эти соотношения не всегда однозначны. Они приобретают специфические черты в различных климатических зонах, затушевываются под влиянием хозяйственной деятельности человека. Их значение может меняться в зависимости от тектоники региона и масштаба съемки. Например, в геосинклинальных поясах, для которых характерны большая скорость современных тектонических движений, мы можем наблюдать в малоискаженном виде пространственные сочетания отдельных структур. Хорошая обнаженность пород способствует получению по космическим изображениям информации о форме геологических тел, составе и мощности слагающих их пород. В равнинных и платформенных областях определяющее значение для выявления геологических структур играют косвенные признаки, так как наблюдение там геологических объектов затруднено из-за обильной растительности, мощного покрова современных отложений хозяйственной деятельности человека.

Таким образом, с помощью прямых и косвенных дешифровочных признаков мы определяем по фотоизображению объект, переносим его на топографическую основу и даем его геологическую интерпретацию. Многие геологические границы на картах наносятся на основе аэро- и космических снимков. Ведь на фотоизображении видно состояние поверхности Земли в момент съемки, хорошо читается рельеф, выделяются участки различного фототона и цвета. И чем лучше мы знаем поверхностную геологию, тем уверенней мы расшифровываем глубинную структуру региона. Но как от поверхностной структуры, отображенной на космическом снимке, перейти к изучению глубинной структуры? Попытаемся ответить на это. Когда геологи получили возможность изучать глубокие горизонты литосферы, была замечена одна удивительная особенность ее - подошва земной коры (граница Мохоровичича) является как бы зеркальным отображением рельефа земной поверхности. Там, где на Земле горы, мощность коры увеличивается до 50 км, в океанических впадинах она уменьшается до 10-15 км, а на континентальных равнинах мощность коры составляет 30-40 км. Это подтверждает связь между поверхностной и глубинной структурой Земли. Благодаря обзорности космических снимков мы фиксируем геологические структуры разных масштабов. Установлено, что с увеличением высоты съемки и уменьшением масштаба на снимках отображаются наиболее крупные структуры, отвечающие неоднородностям самых глубоких горизонтов земной коры. Крупные структуры, выявляемые на получаемых из космоса изображениях, для определения их глубинности сопоставляются с геофизическими аномалиями, которые указывают на изменение строения глубоких слоев Земли. Кроме непосредственной корреляции (связи), между глубокими слоями Земли и поверхностной структурой, отмечаемой на космических снимках, обнаруживаются косвенные признаки, указывающие на глубинность той или иной структуры. По-видимому, изменение яркости геологических объектов в узких зонах спектра при многозональной съемке - результат скопления определенных химических элементов. Аномальное присутствие этих элементов может служить прямым или косвенным признаком неоднородности земной коры. По глубинным разломам на поверхность доходят флюиды, которые несут в себе информацию о физико-химических процессах, протекающих на разных уровнях литосферы. Интерпретация этих аномалий дает сведения о глубинности геологической структуры. Таким образом, набор разномасштабных многозональных космических снимков позволяет провести широкое дешифрирование и выделить геологические структуры разного ранга (от глобальных до локальных).

В зависимости от технических средств и приемов различают визуальное, инструментальное и автоматическое дешифрирование. Наибольшее распространение пока имеет визуальное дешифрирование. При нем необходимо учитывать свойства зрения наблюдателя, условия освещения, время наблюдения. Человек в состоянии различить около 100 серых тонов в диапазоне от черного до белого. В практической работе количество фототоновых градаций ограничивается до 7-10. Цветовое восприятие человека значительно тоньше. Принято считать, что число различаемых глазом цветов, разных по тону, насыщенности и светлоте, превосходит 10 000. Особенно хорошо заметны вариации цвета в желтой зоне спектра. Разрешающая способность глаза также велика. Она зависит от размера, контраста и резкости границ наблюдаемого объекта.

Инструментальная обработка предполагает преобразование снимка и получение нового изображения с заранее заданными свойствами. Это можно проводить с помощью фотографических, оптических и других средств. Применение электронной техники, ЭВМ, использование цифровых методов позволило осуществить более полный анализ космических снимков. Сам по себе процесс преобразования снимка не добавляет новой информации. Он только приводит ее к виду, удобному для дальнейшей обработки, позволяя независимо от субъективного восприятия человеческого глаза оттенить изобразительные характеристики объектов. При инструментальной обработке можно провести фильтрацию снимка, т. е. отсеять ненужную информацию и усилить изображение изучаемых объектов.

Интересные результаты дает квантование изображения по плотности фототона, с последующей окраской отдельных, заранее выбранных ступеней. Причем количество и ширина диапазона- плотности может меняться, что позволяет получать детальные и обобщенные характеристики фототоновых измерений. Широкое распространение имеет синтезирование цветных изображений, при котором с помощью нескольких светофильтров снимки, снятые в различных зонах спектра, проектируются на один экран. При этом получается цветовое изображение "ложной" окраски. Цвета можно подобрать таким образом, чтобы лучше оттенить изучаемые объекты. Например, если при использовании трех светофильтров изображение, полученное в зеленой части спектра, окрасить синим цветом, в красной - зеленым, а в инфракрасной - красным, то на снимке растительность изображается красным цветом, водная поверхность - синим, а участки, не покрытые растительностью,- серо-голубым. При изменении цвета фильтра, соответствующего данному диапазону съемки, окраска суммарного изображения меняется (см. рис. обложки).

Автоматическое дешифрирование космических снимков предполагает получение изображения в цифровом виде с последующей его обработкой по программам на ЭВМ. Это позволяет выделить конкретные геологические объекты. Программы для этого создаются на основе решения задачи "распознавания образа". Они требуют своего рода "банка памяти", где собраны объективные характеристики природных объектов. Методика автоматического дешифрирования пока еще находится в стадии разработки. В настоящее время наибольшее распространение получил аналого-цифровой метод. Он предполагает преобразование фотоснимка в "шифровой" с помощью специального устройства и обработку шифрового изображения в соответствии с имеющимися программами. Автоматизация дешифрирования не может полностью заменить дешифровщика, но она дает возможность оперативно обработать большое количество материала.

Применение космических методов в геологических исследованиях требует определенных условий и четкой организации. Дешифрирование всегда проводится целенаправленно, поскольку разные специалисты берут с одних и тех же снимков разную информацию. Например, геологов интересуют геологические объекты, географов - различные компоненты географической оболочки и т. д. Перед дешифрированием необходимо изучить имеющийся материал о природных условиях района исследования, выявить взаимосвязи между элементами ландшафта, проанализировать геологические и геофизические данные. Чем лучше знает дешифровщик предмет исследования тем больше информации извлечет он из космического снимка и скорее определит, несет ли космическое изображение новые сведения. Дешифрирование космических снимков делится на три этапа: предварительное камеральное, полевые работы и окончательная камеральная обработка. Причем соотношение этих этапов зависит от масштаба съемки, сложности геологического строения и степени его дешифровки.

Предварительное камеральное дешифрирование проводится до начала полевых геологических работ. При этом составляются серии предварительных карт, на которых отображаются предполагаемые геологические структуры. Рассматриваются снимки разных масштабов, выделяются контуры объектов, зоны фототоновых аномалий. На основании имеющегося геолого-геофизического материала строятся предположения о геологической природе выявленных объектов, устанавливается их дешифрируемость.

Во время полевых работ устанавливаются геологическая природа и вещественный состав выделенных объектов, уточняются их дешифровочные признаки. Как правило, полевые работы проводятся на отдельных ключевых участках, и результаты исследований экстраполируются. Количество таких участков определяется особенностями геологического строения.

Завершающий этап - окончательная камеральная обработка результатов наземных, аэро- и космических наблюдений. Эти данные используются для составления геологических карт различного содержания, каталогов индикаторов и дешифровочных признаков, районирования территории по условиям дешифрируемости, а также для отчета о результатах исследований.