2. Физические основы решения задач исследования природных ресурсов Земли.

Для дистанционного наблюдения за Землей может быть использовано электромагнитное излучение, магнитное и гравитационное поля, лидары.

Электромагнитное излучение может использоваться в оптической части спектра: ультрафиолетовом (УФ), видимом, ближнем инфракрасном (БИК), среднем и дальнем инфракрасном (ДИК) диапазонах, а также в радиодиапазонах (СВЧ и KB). При наблюдении в оптическом диапазоне на спутнике принимается отраженное солнечное излучение от объектов, прошедшее через атмосферу. Поэтому наблюдение в этом диапазоне возможно в дневное время (при высоте Солнца более 10 ... 30°) и притом объектов, не прикрытых для спутников облаками. Кроме того, учитывая свойства электромагнитного излучения особенно ультрафиолетового и видимого диапазонов, наблюдать можно за объектами и процессами, находящимися на поверхности Земли и не закрытыми никакими твердыми предметами (листьями деревьев, травой, пылью, снегом, льдом и т.д.).

Вместе с тем в этом диапазоне спектра возможно получение видео изображений большой информативности (высокое пространственное и фотометрическое разрешение при достаточно большой ширине обзора) с помощью разнообразной аппаратуры (фотографической, телевизионной и спектрометрической), обладающей сравнительно малыми массами. Поэтому аппараты оптического диапазона нашли широкое применение при наблюдении за Землей из космоса.

Дальний инфракрасный диапазон спектра электромагнитного излучения позволяет наблюдать за объектами, используя для этого их собственное радиационное излучение. Наилучшим временем наблюдения является ночь, когда наименьшим образом влияют помехи от нагретых Солнцем наземных объектов (объекты не должны быть прикрыты облаками). При этом могут быть выявлены не только объекты, находящиеся на поверхности Земли, но и те, которые имеют некоторое заглубление под поверхностью.

Наблюдение за объектами в радио диапазоне свободно от влияния облачности и времени суток. Это определяет возможность широкого использования радиодиапазона для оперативного наблюдения при неблагоприятных метеорологических условиях и наблюдения за областями Земли с недостаточной освещенностью (приполярные области).

Сверхвысокочастотный (СВЧ) диапазон спектра позволяет получить радиолокационное изображение (радиолокационный портрет) поверхности Земли, удобное для визуального восприятия и весьма информативное.

Однако аппаратура СВЧ требует мощных источников энергии для генерирования зондирующих импульсов и антенных устройств значительных габаритных размеров и масс. СВЧ – диапазон дает возможность обнаруживать и несколько заглубленные природные образования, которые сами генерируют излучение в этом диапазоне. Применение сканирующих радиометров позволяет получить радиометрический портрет в СВЧ – диапазоне наземных сюжетов. Многоспектральная съемка дает возможность получать синтезированные цветные изображения. Радиолокация в СВЧ – диапазоне по направлению местной вертикали позволяет определить высоту полета спутника относительно рельефа суши и поверхности океана и, наконец, радиолокация в нескольких направлениях относительно местной вертикали и трассы полета дает возможность, используя СВЧ – диапазон, выявлять несимметрию формы водной поверхности, а по ней балльность волнения, направление и скорость ветра. Более длинные радиоволны позволяют в принципе построить радиолокационную систему для зондирования глубинных образований Земли. Глубина зондирования тем больше, чем больше длина волны зондирующего импульса.

Наземные объекты по разному отражают электромагнитное излучение Солнца. Кроме того, разница яркостей отраженного излучения двух различных объектов может существенно изменяться при переходе от одного диапазона длин волн к другому. При малом числе исследуемых объектов (вода, снег, растительность, пустыни, горы) допустимо использование одного узкого диапазона или всего видимого. С ростом числа объектов необходимо или повышать количество градаций измерения яркости в пределах одного диапазона (точность измерения яркости), или же увеличивать число диапазонов, в которых ведется наблюдение. В последнем случае отождествление проводится по совпадению яркостей с каталожными во всех используемых диапазонах, что существенно расширяет измерительные возможности системы. Так, если каждый из диапазонов имеет десять градаций по яркости, то использование одного из них позволяет (только по фотометрическому признаку) отождествить десять различных объектов; два диапазона — сто объектов, три диапазона — тысячу и т.д. Проведенные исследования на основе наземных, самолетных и космических измерений показали, что при современном уровне точности измерения яркостей, допустимой узости спектра наблюдения, числе исследуемых объектов и процессов, а также фаз их состояния целесообразно использование четырех — шести диапазонов видимой области, трех для инфракрасной, четырех — шести для СВЧ и одного — двух в радиодиапазоне.

Измерение со спутников параметров магнитного поля Земли дает возможность уточнить представление о происходящих в недрах Земли физических процессах и геологическом строении глубинных слоев. Гравитационное поле отражает распределение масс в теле Земли. Спутниковые методы позволяют уточнить параметры гравитационного поля Земли, что способствует уточнению ее геологического строения.

При создании картографической основы необходимо опознать наземные объекты. Опознавание может быть проведено по геометрическим признакам (форме, размерам) и поэтому для съемки может быть использована черно - белая пленка. Это упрощает требования к светотехническим характеристикам оптики фотоаппарата, упрощает обработку пленки, уменьшает ее стоимость, и, наконец, самое главное — позволяет получить наибольшее разрешение по сравнению с другими видами пленок (цветных, спектрозональных, многоспектральных). Надежное отождествление (с вероятностью, большей 0,9) фрагментов изображения, полученного на пленке, с объектами местности достигается при использовании фотоаппаратуры, обеспечивающей разрешение на местности (условная величина, соответствующая ширине чередующихся черных и белых полос на поверхности Земли, которые могут быть различимыми на фотоизображении) около 10м.

Геометрическая точность аппаратуры наблюдения зависит от качества приемного устройства (объектива, антенны), от точности установки приемного устройства относительно чувствительных элементов (пленки, мишени видикона) и метрических характеристик этих чувствительных устройств (подверженность деформации в процессе наблюдения или при последующей работе, точность их изготовления).

Шестидесятипроцентное перекрытие позволяет проводить стереоскопическую обработку изображений. В этом случае используется свойство зрения видеть объемно сюжет, если его изображения получены с двух точек, и каждый глаз может видеть их раздельно. Объемное видение позволяет определить не только геометрические размеры в плане, но и измерить высоту отдельных точек объектов. Шестидесятипроцентное перекрытие обычно проводится вдоль маршрута съемки. Перекрытие маршрутов съемки составляет около 10 % и преследует цель более точно увязать взаимное положение объектов наблюдения.

Нагретые объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Интенсивность излучения зависит от температуры объекта и его излучательной способности. Излучательная способность объекта каждого типа различна для диапазонов длин волн. Поэтому измерение интенсивности излучения в одном диапазоне позволяет определить температуру объекта известного типа или тип объекта при известной его температуре. Измерения в двух диапазонах дают возможность определить температуру и тип объекта, поэтому использование двух диапазонов волн инфракрасной области позволяет дистанционно определить температуру верхнего слоя Земли и воды, а также сами объекты.

Пористые объекты существенно изменяют свою излучательную способность в зависимости от содержащегося в них количества влаги. При этом излучательная способность также зависит от диапазона длин волн. Поэтому измерение интенсивности излучения в инфракрасной области спектра в двух диапазонах для известных объектов позволяет определить температуру и его влажность. Таким образом, проводится изучение температуры и влагосодержания верхнего слоя почв.

Излучение от заглубленных объектов сильно задерживается верхними слоями Земли, отражаясь от них, и за пределы поверхности в атмосферу и космос выходит незначительная его часть. Особенно сильное поглощение имеет место для сред с хорошей электрической проводимостью (проводников), например морской воды. При заглублении излучающего объекта на величину, равную одной трети длины волны, интенсивность излучения уменьшается примерно в 10 раз. Это означает, что при использовании излучений на длине волны 30 см подповерхностные слои более нагретой морской воды (или менее нагретой), лежащие на глубине 10 см, будут обнаруживаться с трудом. То же относится и к другим объектам с отличной от окружающей воды температурой, заглубление которых больше, чем 10 см. Среды с меньшей электрической проводимостью (полупроводники), например влажные грунты и почвы, пресная вода в водоемах, слабее поглощают электромагнитное излучение: десятикратное ослабление имеет место при глубинах погружения излучающего слоя (или объекта), составляющих примерно две трети длины волны. Поэтому при длине волны 30 см обнаружение объектов практически возможно при их заглублении до 20 см. Диэлектрики (сухой песок, лед из конденсата атмосферной влаги, дистиллированная вода, сухое дерево) обладают малой поглощательной способностью: десятикратное поглощение наступает при глубине, равной примерно десяткам длин волн, т.е. для рассматриваемой длины волны 30 см объекты могут быть обнаружены до глубины, примерно 3 ... 10 м.

Если объект по своим свойствам близок к проводнику (морская вода) или полупроводнику (соленый лед) и лежит на поверхности, и на видимом изображении будут отражены его размеры и форма, близкие к истинным. Диэлектрические объекты будут изображаться с заметно искаженными размерами и формами. Кроме того, если под диэлектриком на небольшой глубине (меньшей нескольких десятков длин волн) располагается объект со свойствами, приближающимися к полупроводникам и проводникам, то могут быть обнаружены и эти объекты. При этом может быть получена и глубина их залегания, которая пропорциональна разнице времени прихода отраженного сигнала от поверхности и границы, разделяющей диэлектрик и объект. На этом основано, например, глубинное зондирование форм поверхности материка, покрытого льдом из конденсата атмосферной влаги определение источников подземных вод, площади и динамика снежного и ледового покровов. При весьма малом поверхностном слое диэлектрики (растительность, сухой песок, торф) лежащие под ним объекты будут выглядеть так, как будто бы они лежат на поверхности, т.е. получится изображение поверхности Земли без верхней оболочки (изображение оскальпированной Земли). Это весьма важно при решении таких задач, как обнаружения элементов тектонических структур, и при геологическом картировании.

Качество наблюдения в радиодиапазоне не зависит от погодных условия и освещенности Солнцем. Поэтому его использование перспективно в полярных районах со слабой освещенностью и в районах циклонической деятельности. Так, могут успешно решаться задачи определения форм и размеров ледяных полей, обнаружения трещин в них, разводий и местоположения айсбергов в приполярных районах и при плохих метеоусловиях, предупреждения о наводнениях, селях и лавинах.

Заболевание растительности и наличие вредителей на ней ведет к изменению ее цвета и отражательных характеристик в видимой и ИК – областях. Кроме того, у заболевших растений изменяется и собственная температура на несколько градусов. Поэтому для решения задачи обнаружения мест заражения и вредителей также необходимо использовать видимый и ИК – диапазоны.

Лесные пожары могут быть обнаружены по многим признакам в видимой, ИК и СВЧ – областях электромагнитного излучения: в видимой — по изменению цвета пятна пожара относительно окружающего леса и по шлейфу дыма; в ИК и СВЧ – диапазонах — по собственному излучению пламени нагретого пожарища.

Загрязнение суши и воды сопровождается изменением их отражательных характеристик и температуры. Поэтому выявление и наблюдение за загрязнениями может быть проведено в видимом, ИК и СВЧ – диапазонах. Загрязнение атмосферы изменяет ее светотехнические характеристики (отражательные свойства и пропускание солнечных лучей и отраженного излучения Земли, а также интенсивности излучения в различных узких полосах, свойственных присутствующим в атмосфере газам). Наилучшим образом эти изменения в свойствах атмосферы могут быть обнаружены на основе спектрометрирования атмосферы, т.е. определения зависимости интенсивности излучения от длины волны в широком диапазоне.

При определении физического состояния объектов по светотехническим признакам необходимо одновременно измерять характеристики атмосферы. Это позволит определить ее отличие от номинальной (при которой составлен каталог) и затем вычислить соответствующие поправки для последующего использования каталога при дешифрировании. Возможен и другой путь. В каждой из типичных областей Земли (тайга, степь, горы) имеется тестовый полигон с набором наиболее часто встречающихся объектов, состояние которых в каждый момент известно на основе наземных наблюдений. Сравнивая результаты дистанционного наблюдения этих объектов с исследуемыми, можно определить разницу из физического состояния. Кроме того, сравнивая результаты наблюдений объектов с данными каталога, можно вычислить поправки на атмосферу и затем ввести их для исследуемых объектов.