скачать книгу бесплатно
Основы аэрокосмофотосъемки
Владимир Николаевич Судариков
О. Н. Калинина
Учебное пособие рассчитано на преподавание в течение одного семестра и было составлено в результате ознакомления с обширным печатным материалом по дешифрированию космических и аэрофотоснимков. В первой части учебного пособия изложены способы и методы дешифрирования аэрофотоснимков, во второй – космических материалов. В пособии подробно описываются дешифровочные признаки пород, тектонических объектов, обосновываются методы поисков различных полезных ископаемых, характеризуются виды различных съёмок. Так же в пособии рассматриваются возможности применения материалов космических съёмок в экологии с целью мониторинга и исследования планет солнечной системы. Данное учебное пособие предназначено для студентов-геологов разных направлений.
Калинина О. Н., Судариков В. Н.
Основы аэрокосмофотосъемки
Введение
В основном дистанционные методы исследования Земли получили развитие во второй половине 20 века. Сущность дистанционных методов заключается в исследовании Земли на расстоянии: с высокой горы, с самолета, с искусственных спутников Земли. Называются они соответственно – аэрометоды и космометоды.
Сущность аэрометодов заключается в использовании авиации для улучшения качества и ускорения выполнения различных видов наземных работ. Помимо геологии аэрометоды применяются в различных областях народного хозяйства: сельском хозяйстве, лесном ведомстве, топографии, археологии, географии, строительстве крупных объектов (мостов, ГЭС, АЭС, магистралей, трубопроводов и т. д.), военном ведомстве и др. Использование аэрометодов в военном ведомстве дало существенный толчок в их развитии.
Аэрометоды при геологических исследованиях основываются на проведении:
а) аэровизуальных геологических наблюдений;
б) проведения аэрофотосъемки, аэрогеофизических исследований, проводимых с помощью геофизических приборов, установленных на борту самолета.
Перечисленные виды работ, которые могут производиться как раздельно, так и в различных комбинациях, составляют вместе с наземными геологическими работами единый комплекс.
Аэрофотогеологический метод в виду высокой информативности является наиболее широко применяемым методом при геологической съемке, предусматривающий геологическое дешифрирование аэроснимков. Фотоснимки, в принципе, весьма информативный материал. Даже если взять бытовые фотоснимки. По снимку можно без усилий определить к примеру пол, возраст, масть, расу, общий облик людей, а специалисты определят даже болезнь запечатленного человека, его характер.
Аэроснимки – это объективный дополнительный материал, необходимый для решения геологических задач.
1 История развития аэрофотосъёмки
1.1 Начальный этап использования фотосъёмок в геологии
Первые фотографии с воздуха (с воздушного шара) были сделаны во Франции в 1855 г. Таким способом был составлен точный план Парижа. Фотографирование земной поверхности с геологическими целями впервые применил французский геолог ЭмеЦивиаль (1858-1882 г.г.). Им проводилось фотографирование Альп с высоких вершин и выделение на снимках геологических контуров.
С развитием авиации применение аэрофотосъемок быстро расширилось. Значительным событием было аэрофотосъемка Больших Медвежьих озер в Северной Америке в 1933 г., позволившие обнаружить крупные дайки рудоносных пегматитов.
Применение аэрофотосъемки при геологических исследованиях в нашей стране было осуществлено в начале 30-х годов по инициативе академика А.Е. Ферсмана. Более детально при этом были изучены нефтеносные районы Ферганы и Азербайджана. Впоследствии применение аэрофотосъемки продолжалось развиваться, охватывая все большие регионы в нашей стране. С помощью аэрометодов в Северной Америке были открыты месторождения железа, меди, ртути (статья В. Левингса 1945 г.). Но это были разрозненные случаи применения аэрометодов. В целом аэрометоды сыграли выдающуюся роль в изучении громадных пространств Крайнего Севера – заполярных областей СССР, Канады, Аляски, а так же африканских и азиатских пустынь. Новая методика нашла широкое применение во всех отраслях практической геологии, а также в поисковой и инженерской, открыв дополнительные возможности для прогноза. В пятидесятых годах в США проводилась аэросъемка с целью поисков нефтяных структур даже на мелководных участках моря.
В 1954 г. было постановление Министерства геологии и охраны недр СССР об обязательном применении аэрометодов при производстве геологических работ.
1.2 Исследования Земли из космоса
20 век – век развития космонавтики. Идея создания космических аппаратов сначала связывалась только с изучением планет Солнечной системы и далеких миров. Однако, развитие космонавтики вызвало прогресс «земных» отраслей науки и техники. Внеатмосферная астрономия и физика дала возможность изучать источники ультрафиолетового и рентгеновского излучения, поглощаемого атмосферой; дальнейшее развитие получила радиоастрономия.
По объему используемой информации первое место занимает метеорология. Стало возможным сопоставить весь накопленный опыт наземной метеорологии с данными, полученными с искусственных спутников земли, и убедились в объективности существовавших гипотез. Стало возможным более оперативно и с меньшими затратами составлять прогнозы, а также более уверенно составлять долгосрочные прогнозы.
В сельском хозяйстве космическая информация дает возможность вести учет и оценку земель, следить за состоянием сельскохозяйственных угодий, поражения их вредителями.
Одна из проблем, которая стоит перед лесным хозяйством страны – разработка учета и составления карт лесов – уже решается с помощью космических съемок. Это позволяет учитывать лесные ресурсы, обнаруживать очаги лесных пожаров, учитывать поврежденные участки.
С применением спутников ведутся работы по исследованию Мирового океана. Измеряется температура поверхности океана, наблюдаются морские течения и скорость их, изучается ледяной покров и загрязнения вод. Спутниковая информация может использоваться для поиска промысловых скоплений рыбы по акватории Мирового океана.
Специальные спутники связи дают возможность вести и принимать передачи из самых отдаленных уголков планеты. В космосе проводятся эксперименты по различным направлениям науки и техники.
На глобальном уровне изучение Земли возможно только с помощью космической информации. Это позволяет изучать нашу планету как единый механизм и перейти к описанию локальных особенностей ее строения, исходя из нового уровня наших знаний.
Возникла новая наука – космическое землеведение, часть которой – космическая геология. Она изучает вещественный состав, глубинную и поверхностную структуру земной коры, закономерности размещения полезных ископаемых.
1.3 Основные этапы развития космонавтики
Первый в мире искусственный спутник Земли был запущен в СССР 4 октября 1957 года. Далее в космос вышли США (1 февраля 1958 г.), третьей стала Франция (26 ноября 1965 г.), четвертой – Япония (11 февраля 1970 г.), пятой КНР (24 апреля 1970 г.), шестой – Великобритания (28 октября 1971 г.), седьмой – Индия (18 июля 1980 г.). В последнее время к ним присоединились Канада, Италия, Бразилия. Кроме США все другие ИСЗ были выведены на орбиту отечественными ракетоносителями. С помощью первого спутника впервые удалось измерить плотность верхней атмосферы и получить данные по распространению радиосигналов в ионосфере. Затем запускались ИСЗ различного предназначения (научные исследования в области астрофизики, геофизики, медицины и биологии, изучения природных ресурсов океанов).
12 апреля 1961 года состоялся полет в космическом пространстве первого космонавта Ю.А. Гагарина на корабле «Восток». Полет продолжался 108 мин. 6 августа 1961 года летчик-космонавт Г. Титов впервые сфотографировал Землю из космоса. Эту дату можно считать началом планомерной космической фотосъемки Земли. Первая орбитальная станция «Салют» была запущена в апреле 1971 года и затем станция второго поколения «Салют-6», запущенной в сентябре 1977 года. Последняя имела 2 стыковочных узла. На нее периодически поставлялись грузы, в т. ч. и научная аппаратура. На «Салют-6» обитали многочисленные интернациональные экипажи.
19 апреля 1982 г. на орбиту выведена долговременная станция «Салют-7» более модернизированная.
Важным направлением дальнейших исследований стало изучение с помощью космонавтики планет земной группы и других небесных тел Галактики. Исследованы Луна, Венера, Марс. 14 сентября 1959 года наша автоматическая станция «Луна-3» достигла поверхности Луны. В 60-х годах американцы совершили высадку на Луну.
Одновременно в настоящее время в космическом пространстве находится свыше 2000 ИСЗ.
1.4 Аэрогеология в США
В США дешифрирование аэроснимков рассматривается в известной мере как самостоятельная отрасль и предусматривается возможность составления «фотогеологических карт» вне связи с полевыми исследованиями. Отсюда термины «фотогеология», «фотогеолог». (Аэрофотогеология – В. Миллер и К. Миллер, 1964 г.). Полевые же работы производятся при этом другими людьми. Тем самым нарушается строгая преемственность работ на предварительном и полевом этапах. В СССР (там, в основном сформировались методики работ и инструкции) использование материалов аэрофотосъемки – непременныйсоставной элемент общей методики геологического картирования. Дешифрирование аэроснимков и производство полевых работ в этом случае осуществляется одними и теми же ответственными исполнителями.
Контрольные вопросы
1. Сущность аэрометодов.
2. Аэрогеология в США.
3. Применение результатов исследования Земли из Космоса.
4. День космонавтики.
2 Аэрофотосъёмка
Существуют несколько разновидностей аэрофотосъёмок. Их применение находится в зависимости от поставленных задач и условий проведения геологических работ. Аэрофотосъёмка производится со специально оборудованных самолетов.
2.1 Аэровизуальная съёмка
Съёмка производится геологом, сидящим в самолете и оперативно исследующим локальные объекты и отдельные ключевые участки. При этом геолог может самостоятельно производить одиночные снимки или серию маршрутных.
2.2 Перспективная аэрофотосъёмка
Перспективная аэрофотосъемка производится при таком положении аэрофотоаппарата, когда его главная оптическая ось занимает наклонное положение по отношению к горизонтальной плоскости. Преимущество её в том, что получаемое при этом изображение местности воспринимается более естественно и легче. Имеет вспомогательное значение и производится отдельными маршрутами. Часто может производиться самим геологом. Съемка хороша для обзора карьеров, береговых обрывов, склонов гор.
При этом оптическая ось фотоаппарата направлена почти перпендикулярно на крутую плоскость объекта.
2.3 Планово-площадная аэрофотосъёмка
Аэрофотосъёмка производится со специально оборудованного самолета на одной и той же высоте, покрывая планомерно площадь параллельными курсами, при этом объектив фотокамеры ориентирован строго перпендикулярно поверхности Земли в плане. Получаемые аэрофотоснимки (для упрощения аэроснимки) в чернобелых тонах пользуются наибольшим спросом. При нормальном зрении без особого напряжения между белым и черными цветами удается различать 32-35 оттенков.
Площадная аэрофотосъемка проводится при постоянной высоте полета прямолинейными, параллельными, перекрывающими друг друга маршрутами. Продольное перекрытие по маршруту постоянно и обычно составляет 60 %. Каждая точка снимка вблизи центра имеет тройное перекрытие, что позволяет стереоскопически рассматривать объемную модель местности. Перекрытия снимков параллельного смежного маршрута называется поперечным перекрытием. Оно должно быть постоянным и обычно равно 30 %.
2.4 Спектрозональная съёмка
Все большее применение при геологических работах находят цветная и спектрозональная съемка. Цветные аэроснимки дают изображение, в большей степени приближающиеся к естественным цветам геологических объектов, что может служить основным признаком при дешифрировании аэроснимков.
Спектрозональная съемка заключается в фотографировании объектов в различных зонах спектра, включая невидимые ультрафиолетовую и инфракрасные зоны. Этот вид съемки основан на свойстве объектов в неодинаковой степени отражать различные лучи спектра. При перекрытии друг друга этих цветных пленок на одном снимке получаются перекрывающие друг друга изображения в условных цветах, что значительно увеличивает контрастность цветного изображения деталей объекта.
Таблица 1 – Спектральный состав видимого света
2.5 Обычная аэрофотосъёмка
Для решения разных по масштабу задач фотоснимки различаются по масштабу: мелкомасштабные – это 1: 50 000 (в среднем), среднемасштабные – 1: 20 000-1: 40 000, крупномасштабные – крупнее 1: 20 000.
Для получения аэроснимков разных масштабов съемка производится с различных высот. В этой связи съемки различаются на обычную и высотную. Высоты полетов и масштабы аэроснимков более-менее стандартизированы. При фокусном расстоянии авиафотоаппарата 70 мм получение аэроснимков масштаба 1: 25 000, называемой обычной аэрофотосъемкой; производится на высоте 1 750 м.
Материалы обычной аэрофотосъёмки пользуются большим распространением при выполнении задач картирования в масштабе 1: 50 000 и детальном исследовании ключевых участков.
2.6 Высотная аэрофотосъёмка
Высотная аэрофотосъемка для получения аэроснимков масштабов 1: 50 000 и 1: 100 000 производится на высотах порядка 3 500 м и 6 000-7 000 м.
Высотная аэрофотосъемка применяется для получения фотоснимков горных районов имелкомасштабных снимков масштаба 1: 100 000 – 1: 300 000. Эти снимки обладают большой обзорностью и позволяют легче выявлять крупные геологические структуры и более надежно их интерпретировать.
2.7 Материалы аэрофотосъёмки
Материалы аэрофотосъёмки при геологических работах следующие:
1) аэроснимки;
2) репродукции накидного монтажа;
3) фотосхемы;
4) фотопланы;
5) фотографические карты.
Аэроснимки (контактная печать с негативов) в соответствии с типом аэрофотоаппарата, имеют форматы 18?18 см и реже 23?23 см и 30?30 см. Они используются в качестве основного документа (как и негативы) для изготовления и составления накидных монтажей, фотосхем, фотопланов, топокарт. На аэроснимках производится вся основная работа по геологическому дешифрированию.
Качество снимков зависит от условий съемки, фотолабораторных работ, обусловливающих светочувствительность, контрастность, разрешающую способность снимка. Геологи используют аэроснимки в качестве временнойтопоосновы до тех пор, пока результаты дешифрирования не будут перенесены на топографическую карту.
В процессе дешифрирования на снимках прослеживается не только линейные границы и оконтуриваются площадные объекты, но и изучаются их объемные формы.
Масштаб на снимках уменьшается от центра снимка к его периферии. На топокартах – ортогональная проекция на всех участках карты масштаб не меняется.
В гористой местности масштабы участков на аэроснимках меняются от вершины до подножья.
Репродукции накидного монтажа изготавливаются с помощью специальных щитов, на которые монтируются снимки. При этом осуществляется контроль правильности аэрофотосъемки. Монтаж производится сплошными трапециями масштаба 1: 100 000 и крупнее. После этого монтаж фотографируется в определенном масштабе (обычно в 3 раза мельче) и печатается в виде репродукции накидного монтажа.
Эта репродукция используется одновременно со снимками и служит геологу для установления положения каждого снимка на изучаемой площади. Репродукция накидного монтажа даёт ясное представление о положении аэросъемочных маршрутов и об ориентировки отдельных снимков по отношению к сторонам света. Фотосхемы представляют собой монтаж отдельных не трансформированных снимков или их частей, изготовленный в виде сплошного мозаичного изображения местности. Масштабы их зависят от масштабов снимков и оформляются в рамках трапеций масштаба 1: 100 000, 1: 25 000, 1: 50 000, 1: 100 000. Точность масштабов фотосхем понижена для холмистых и особенно горных районов, где сказывается искажения за рельеф.
Фотопланы представляют собой фотографическое изображение местности, составленное из приведенных к заданному масштабу трансформированных снимков, смонтированных на геодезически подготовленной жесткой основе. Трансформация снимков заключается в исправлении их искажений по масштабу. Далее на фотоплан тушью наносятся геодезические пункты. В углах рамок трапеции пишутся координаты. Указывается номенклатура планшета.
Фотопланы могут служить промежуточным материалом для составления топографических карт, поскольку они намного точнее, чем фотосхемы. В реальной жизни трудно подобрать идеальный набор материалов аэрофотосъемки. Надо брать и пользоваться тем, что есть.
Топографические карты, составленные на основе аэрофотосъемки, оформляются как обычные топографические планшеты в горизонталях. Они задаются в масштабах 1: 100 000, 1: 25 000, 1: 10 000, 1: 5 000. Существуют «фотокарты», представляющие собой изготовленные литографическим способом топографические планшеты с рельефом в горизонталях и одновременно в более слабых тонах дается фотоизображение данной местности. Это очень удобный материал для геологов.
Часто старыетопокарты, изготовленные наземным способом, не соответствуют снимкам. В таких случаях необходимо изготовление новых топокарт по материалам аэрофотосъемки.
Следует подчеркнуть, что в производственной работе материалы аэрофотосъемки должны применяться одновременно со всеми другими методами и приемами, используемыми при геологической съемке и поисках; материалы аэрофотосъемки не исключает и не заменяет использование других методов геологических исследований. Они дополняют друг друга. Прошло время интуиции в геологическом производстве работ. Хотя тезис «умом и молотком» актуален и сейчас, но без комплекса методов дающих многогранный объективный фактический материал, как геофизика, геохимия, бурение, палеонтология, горные работы, геологические маршруты, опробование, равно как и аэрофотометоды, геологу не обойтись.
2.8 Применение тепловой инфракрасной съёмки в гидрогеологии и инженерной геологии
Для проведения инфракрасной съемки используется оптико- электронная сканирующая аппаратура, осуществляющая преобразование невидимого глазом инфракрасного излучения в видимое изображение. Съемка проводится с борта различных летательных аппаратов. Материалы инфракрасной съемки дают принципиально новую по сравнению с результатами фотосъемки информацию по распределению температуры подстилающей поверхности. Зависимость температуры природных объектов от их теплофизических характеристик обуславливает возможность применения инфракрасной съемки для целей гидрогеологии и инженерной геологии. Особый интерес представляет связь температуры с влажностью пород, что в некоторых случаях позволяет обнаруживать подземные воды по их прямому признаку – повышенной влажности.
По происхождению и по характеру теплового контраста можно разделить все гидрогеологические и инженерно-геологические объекты на три большие группы:
1) нагрев объектов внутренним теплом Земли;
2) тепломассопереносом и экзотермическими процессами;
3) нагрев объектов солнечным излучением.
В космической технике стали применять распознающие инфракрасные устройства, которые используют в качестве дешифрировочных признаков спектральные яркости объектов распознавания в различных спектральных диапазонах. При этом в анализе признаков объектов применяются математические методы. Распознаются, в том числе и природные фоновые образования: почва, растительность, песок, снег, вода…
При производстве инфракрасной съемки улавливаются окисление скоплений сульфидов по различию температур со смежными участками; улавливаются выделение углеводородов (выделяется тепло при разложении их микробами), но это в основном заглушается другими факторами.
На Камчатке улавливают активность вулканов, гидротермальные процессы, гейзеры. Зоны разломов видны на рудных полях, особенно вмещающих воды в трещинах.
Инфракрасную съемку можно производить ночью, при этом фиксируется тепло неодинаково остывающих объектов природы. Есть такое понятие – тепловая инерция пород. Таким образом, температурные различия объектов изменчивы от времени суток и года. Ветер охлаждает породы. Влажные места более холодные от испарения.
Рельеф тоже влияет на изображения – склоны, ровные поверхности отличаются друг от друга. Проявляются даже стога – застойная зона – одинаковое количество тепла слабо зависимая от факторов. Метод похож на геофизический, только объекты даются в изображениях.
На материалах инфракрасной съемки видны автострады, трассы железнодорожных линий, водопроводы, трубопроводы углеводородов, места их неисправностей – утечки. Тепловая съемка дает очень точно распределение вод при мелиоративных работах и позволяет существенно их скорректировать. Уточняются обводнения территорий и ландшафтные неблагополучия.
Результативна эта съемка при изучении городов их окрестностей и строительства. Есть пословица – где пьют там и льют. Фиксируются утечки тепла в холодное время года через открытые подъезды. Видны загрязнения рек стоками промышленных предприятий, как правило, неочищенными и теплыми. Тепловое загрязнение также наносит урон природной среде. Эти шлейфы загрязнений долго еще прослеживаются по течению.
На материалах рассматриваемой съемки видно все, что открыто и обводнено. Эти материалы пригодны также для характеристики важнейших (пускай известных) элементов геологического строения.
2.9 Радиолокационная съемка с самолетов
Основные преимущества радиодиапазона всепогодность и большая по сравнению с оптическими волнами проникающая способность радиоволн – позволяют наблюдать поверхность Земли без экранирующего эффекта растительности и изучать подпочвенные слои глубиной в несколько десятков метров. При этом применяются УКВ и СВЧ-диапазоны волн (длина волн от 1 мм до 10 м и более).
На примере Средней Азии, Камчатки и Крымской области приведены результаты радиолокационного зондирования, позволяющие определить степень увлажнения почв, заболачивание водоемов, провести инвентаризацию сельскохозяйственных культур. Радиолокатор бокового обзора «Торос», установленный на самолете АН-24, работал на длине волны 2,5 см; полоса обзора радиолокатора примерно 15 км при полете на высоте 5 км. Проявляется проникающая способность на несколько метров.
Применение этого метода возможно в метеорологии, океанологии (определение температуры воды в океане, составление карт сплошности льдов на примере Антарктики, определение возраста льда), в геологии (поиски полезных ископаемых неглубокого залегания, поиск геотермальных источников), в лесном хозяйстве (инспекция состояния растительного покрова, противопожарное патрулирование и т.п.) в гидрогеологии (определение солености или минерализации вод пресных водоемов на примере оз. Сиваш в Крыму, Каспийского моря).
