Дистанционное спектрометрирование Земли

Дистанционное спектрометрирование Земли позволяет измерять спектральный состав излучения, отраженного прироными объектами в диапазоне электромагнитного спектра 0,4 – 2,5 мкм. Отраженное земной поверхностью излучение проходит в спектрометрах через собирающую оптическую систему и разделяется специальным устройством на спектральные составляющие. Их амплитуды измеряются и регистрируются.

Первое успешное космическое спектрофотометрирование было проведено космонавтом В.И. Севастьяновым с корабля «Союз-9» в 1970 г. По данным спектрометрирования с орбитальных станций «Салют-4» и «Салют-6» осуществлялось изучение геосистем белорусскими учеными (Б.И. Беляев, Л.И. Киселевский, А.А. Ковалев и др.).Дистанционное спектрометрирование позволяет классифицировать спектральные яркости литологического состава горных пород и других природных образований, описанных Е.Л. Криновым при наземных исследованиях.

Примерами спектрометрической аппаратуры, разработанной в Беларуси, могут служить спектрометрические системы «СКИФ» и «ГЕММА». Система «СКИФ» обеспечивает измерение спектрального состава излучения в одном из 5 спектральных интервалов: 0,39 – 1,1; 0,39 – 0,59; 0,56 – 0,73; 0,72 – 0,88; 0,84 – 1,1 мкм. «ГЕММА» работает в спектральном диапазоне 0,4 – 0,88 мкм. Максимальное число спектральных каналов – 450, средняя ширина спектрального канала составляет 2 – 3 нм. Спектрометрической аппаратурой оснащена вертолетная лаборатория МИ-8МТ, получившая широкое применение в изучении природной среды Белорусского региона.

Спектрометрическая съемка в геологических целях информативна в видимом и ближнем ИК-спектральном диапазоне (0,4 – 1,4 мкм). Такая съемка позволяет измерять отражательную способность горных пород. Последние имеют различную отражательную способность и поэтому отличаются величиной коэффициента спектральной яркости. Познание значений коэффициентов спектральной яркости горных пород расширяет возможности геологического дешифрирования, в том числе с использованием комьютерных технологий. Геологические объекты отражаются на снимках с разной степенью контраста, зависящего от их спектральных особенностей.

Инфракрасная (ИК) съемка проводится с целью регистрации теплового излучения геологических объектов со спутников и самолетов в интервалах длин волн преимущественно 3,5 – 5 и 8 – 14 мкм. ИК-зондирование осуществляется с помощью сканирующих систем и последующей визуализацией радиационных изменений в форме тепловых карт.

Последние отображают пространственно-временное распределение температурных контрастов земной поверхности и структурных форм литосферы.

Пороговая чувствительность ИК-тепловой аппаратуры составляет 0,1 – 10 К, что позволяет фиксировать даже незначительные температурные различия геологических объектов. Разрешение деталей на местности при космической съемке составляет от сотен метров до первых километров. Ик-съемка с авиационных носителей с высот не более 1 км обеспечивает разрешение до 10 – 15 м. Приемниками ИК-излучения способными получить тепловые карты с высокой пороговой чувствительностью и разрешающей способностью в спектральном диапазоне 8 – 14 мкм, являются фоторезисторы из сернистого свинца, теллура и сурьмянистого индия. Куда пойти в выходные в Москве и как лучше это сделать, вы сможете найти на сайте advizzer.com.

ИК-съемка из космоса осуществляется сканирующими радиометрами. Подобная аппаратура устанавливается на спутниках системы «Метеор», «Космос» и др. На ИСЗ «Лэндасат-3» в бортовом многоспектральном сканере дополнительно использовался тепловой ИК-диапазон 10,4 – 12,5 мкм с пространственным разрешением 240 м.

В настоящее время для дистанционного зондирования с авиационных носителей применялся ИК-аппаратура «Зима», «Осень», «РСФ-М» и др. Наиболее перспективно использование ИК-комплекса «РСФ-М», охватывающего весь процесс радиационных измерений земной поверхности: от собственно ИК-съемки с борта носителя и регистрации сигналов, до визуализации изображений в псевдоцветах на экране видеоконтрольного устроиства, их предварительной обработки с выводом результатов в наглядном для потребителя виде. ИК-комплекс «РСФ-М» позволяет выполнять аэросъемку с высот 100 – 1000 м в спектральных интервалах 0,8 – 1,1 и 8 – 13 мкм, с линейным разрешением около 0,7 м.

Широкое примение в геологических исследованиях получила ИК-аппаратура "Вулкан", регистрирующая излучение земной поверхности в областях спектра 3 – 5 и 8 – 14 мкм. Подобное ИК-зондирование земной поверхности осуществляется со специализированного самолета АН-30.

Главный принцип применения ИК-изображений в геологических исследованиях заключается в том, что одновозрастные и близкие по литологическому составу породы при прочих равных условиях (влажность и др.) должны обладать близкими тепловыми контрастами и, следовательно, отражаться на ИК-изображении сходной структурой рисунка.

Наиболее ярко проявляются возможности ИК-съемки при изучении районов активной современной вулканической и гидротермальной деятельности. В этом случае аномальные, высокотемпературные источники тепла находятся на поверхности, и ИК-изображение передает картину распределения теплового поля в момент съемки. На ИК-снимках обнаруживаются аномалии обычно в виде светлых пятен определяющие положение кратера вулкана, выходы термальных вод и газов.

С помощью тепловой аэросъемки решаются различные геологические задачи. При геологическом картографировании и поисках полезных ископаемых материалы ИК-съемки позволяют изучать интрузивные массивы; выявлять древние вулканические аппараты и куполовидные поднятия в погребенных гранитных массивах; выделять литологические разности горных пород; обнаруживать системы разрывных нарушений; фиксироватьпроявления современной гидротермальной деятельности и др.

Применение ИК-аэросъемки в гидрогеологичских и инженерно-геологических исследованиях способствует оконтуриванию очагов разгрузки подземных вод; изучению термальных источников, явлений заболачиваемости и засоления; обнаружению погребенных долин рек, проявлений карстовых и суффозионных процессов, льдистых грунтов, криогенных структур и др. При изучении состояния геологической среды по материалам съемки достигается возможность обнаруживать снижение уровня грунтовых вод вблизи карьеров и просадки грунтов над шахтными горными выработками; выявлять очаги загрязнения водоемов: обнаруживать скрытое возгорание торфяников и терриконов; осуществлять контроль состояния подземных теплотрасс.

Материалы космической ИК-съемки целесобразно использовать для выявления региональных разломов литосферы, по которым происходит разгрузка глубинных подземных вод; оконтуривания зон подтопления и заболачивания вблизи крупных водохранилищ и каналов; изучения влажности почво-грунтов в районах мелиораций.

Радиолокационная (РЛ) съемка как один из видов дистанционных методов базируется на использовании радиоволнового участка электромагнитного спектра 0,3 – 100 см. Особую эффективность такое зондирование приобретает при изучении Земли и геологии других планет Солнечной системы, если их поверхность закрыта для наблюдения (съемки) плотной облачностью, туманом. РЛ-зондирование может проводиться в любое время суток. При РЛ-съемке широко используются радиолокационные станции бокового обзора (РЛС БО).

В региональных геологических исследованиях применяются материалы РЛ-аэросъемок. Рассмотрим специфику подобного зондирования земной поверхности. Посланный РЛС БО радиосигнал по нормам отражается от встречающихся на его пути объектов и улавливается специальной антеной, затем передается на видикон или фиксируется на фотоэмульсии (фотопленке). Принцип работы основан на фиксировании различного времени происхождения зондирующего импульса до объекта и обратно. РЛ-снимок формируется бегущим по строке световым пятном. Участок местности, расположенный непосредственно под самолетом, не попадает в область действия радиосигнала и образует «мертвую» зону, величина которой зависит от высоты полета и угла локации. Выраженность РЛ-изображения зависит от степени шероховатости поверхности отражения (земной поверхности), геометрии объекта, угла падения луча, физических свойств поверхности отражения (влажность и др.).

Среди РЛС БО, установленных на авиационных носителях следует отметить станцию «Торос». В этой аппаратуре используются две полосы обзора справа и слева по направлению летательного средства РЛ-аэросъемка выполняется в масштабах 1:90 000 и 1:180 000 в каждой из полос обзора при разрешении от 10 до 2000 м.

Космические РЛС БО отличаются удачным сочетанием достаточно высокого разрешения при широкой (до максимальной) полосе обзора. Так, подобная аппаратура, установленная на ИСЗ «Космос-1500», при высоте орбиты 649 – 679 км обеспечивает ширину полосы обзора 450 – 500 км и среднее линейное разрешение 0,8 – 2,5 км.

С целью повышения разрешающей способности космичекого РЛ-зондирования ИСЗ оборудуются радиолокационными системами с синтезированной апертурой антены (РСА). Установленная на российском ИСЗ «Алмаз-1А» РСА включает две волноводные антены и имеет следующие характеристики: разрешение на местности – 30 м; ширина полосы обзора –30 км; ширина полосы захвата – 350 км.

РСА входят в состав аэросъемочных комплексов. Например, на самолете-зондировщике «Геофизика» функционирует двухдиапазонная РСА (длины волн 4 и 125 см) с разрешающей способностью 5 и 20 м.

РЛ-изображения информативны при изучении структурных форм литосферы, если они выражены в рельефе, подчеркнуты сменой литологии или зонами изменения физических свойств горных пород. Разломы и трещины хорошо фиксируются на радарном изображении в виде протяженных линий при условии, если их простирание совпадает с направлением летательного средства. Низкий угол съемки позволяет использовать теневой эффект для выделения структурных элементов.

Работы выполненные в пределах Кольского полуострова, Полярного Урала, Камчатки и других складчатых районов, показывают широкие возможности РЛ-аэросъемки в геологическом картографировании (трассирование тектонических нарушений, выявление границ литолого-стратиграфических комплексов, определение вещественного состава горных пород и др. Интересные геологические результаты получены по применению РЛ-зондирования при изучении структурных форм платформенных областей (Западная Сибирь, Туркмения, Беларусь). Использование РЛ-съемки оказалось эффективным при геологическом картографировании труднодоступных районов, покрытых густой тропической растительностью, где метеорологические условия не позволяют проводить обычную аэрофотосъемку (Колумбия, Панама, Эквадор, Бразилия и другие страны).

Космические РЛ-съемки наиболее информативны при региональном геологическом картографировании, поскольку РЛ-изображения отражают генерализованные структуры, охватывают большие по площади территории. При геоморфологических исследованиях с помощью РЛ-изображений обнаруживаются особенности строения гидросети. На снимках как современные, так и погребенные долины, фиксируются участки рельефа с повышенной влажностью. По РЛ-изображениям возможно изучение геоморфологии прибрежных зон морей и океанов (характер береговой линии, затопленные устья рек, рифовые постройки и т.п.).