Дешифрирование космических снимков – это процесс распознавания и интерпретации объектов на снимках поверхности Земли, полученных с космических аппаратов. Дешифрирование снимков играет важную роль в поиске и разведке месторождений полезных ископаемых, геологическом картировании, гидрологии, мониторинге экзогенных геологических и экологических процессов и других отраслях. Большим достоинством дешифрирования является возможность по его результатам значительно ускорить процесс геологического картирования территорий и сокращать объемы и затраты на геологоразведочные работы.
Космоснимки — основа для работы
Космоснимки, являющиеся материалом для дешифрирования, представляют собой двумерное изображение. Они содержат визуализированные данные, полученные при съёмке поверхности Земли в различных диапазонах электромагнитного спектра. Под каждую задачу подбирается волновой диапазон и съемочный материал, дающий возможность наилучшим способом определить нужные объекты и явления: например, одни длины волн, испускаемые аппаратурой спутника, помогают зафиксировать смещение земной поверхности, а другие проникают в грунт на несколько метров.
Снимки в видимом и инфракрасном диапазонах (с сайта priroda.inc.ru)
Снимок сверхвысокого разрешения со спутника WorldView-3 (США) (фото с сайта sovzond.ru)
В сфере геологии в основном используются данные фото-, теле-, радиолокационной, инфракрасной, сканерной и лазерной космосъёмок. По полученным материалам составляют геологические, геоморфологические, тектонические и другие тематические карты.
История космосъёмки
Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) развивается уже более 60 лет – с момента запуска американского спутника TIROS в 1960 году.
TIROS и первое изображение Земли, полученное с него
Через 12 лет уже другой американский спутник Landsat-1 создал первые цифровые снимки на основе оптико-механического сканирования (пространственное разрешение на тот момент составляло 80 м в четырех спектральных зонах). В 80-е годы аппаратура для съёмки стала более совершенной, а программы по ДЗЗ стали реализовывать и другие страны.
Сейчас на орбитах находятся сотни спутников разных государств, осуществляющих ДЗЗ, а пространственное разрешение улучшилось с 80 до 0,3 м.
Кратко о космосъёмке
Космическую съемку ещё называют дистанционным зондированием Земли (ДЗЗ) – это калька с английского Earth Remote Sensing (ERS).
Методы космической съёмки в настоящее время бывают следующих видов:
- оптическая – самый распространённый вид съёмки, выполняется в видимом и инфракрасном диапазонах;
- радиолокационная — используется в случаях, когда наблюдение за земной поверхностью затруднено (ночью, в облачные дни, на покрытых снегом участках) и проводится в радиодиапазоне длин электромагнитных волн.
Радиолокационная съёмка даёт информацию не только о земной поверхности, но и в некоторых случаях отображает объекты, расположенные ниже уровня земли. Современные космические спутники дистанционного зондирования Земли: GaoFen (Китай), GeoEye (США), Sentinel (Европа), Ресурс-П (Россия) и другие.
Для России космосъёмка является очень актуальным методом из-за большого количества труднодоступных территорий со слабо развитой инфраструктурой. Большим плюсом этого способа получения информации является его экологичность, ведь в процессе проведения исследований не требуется нарушение сформировавшейся экосистемы.
В настоящее время наука добилась высокой детальность съёмки из космоса. Пространственное разрешение (линейный размер участка земной поверхности, соответствующий одному пикселю) у некоторых аппаратов достигает 0,3 м/пикс.
Изображение Капитолия, полученное с высокоточного аппарата WorldView-3
По материалам разных видов космосъёмки (например, лазерной, инфракрасной, фотографической и другие) составляются различные тематические карты: тектонические, геоморфологические, геологические, сейсмического районирования и т.д.
Цель дешифрирования
Целью дешифрирования космоснимков в поиске и разведке месторождений полезных ископаемых является получение максимального количества информации об изучаемых участках. К конечном счёте дешифрирование служит цели оптимизации и удешевления геологоразведочных работ.
Методика выполнения дешифровочных работ
Дешифрирование обычно проводится на разных стадиях геологоразведочных работ: на подготовительном этапе, во время полевых работ и в камеральный период.
Методика дешифрирования космических снимков предполагает несколько этапов:
- подготовка к работам, изучение и анализ опыта дешифрирования, рекомендаций для конкретной местности;
- определение на местности интересующих объектов и их дешифровочных признаков;
- выбор подходящих спутниковых систем, снимков и ПО, способствующих оптимальному выполнению поставленных задач;
- непосредственно дешифрирование;
- оформление полученных данных в удобной для восприятия форме.
Сам процесс дешифрирования включает в себя такие этапы, как:
- обнаружение уникальных объектов на поверхности Земли;
- распознавание объектов по их спектрам отражения и детерминированное сопоставление из с конкретными элементами геологического строения территории;
- определение характеристик объектов по их специфическому спектральному портрету.
Методы дешифрирования космических снимков
Существуют визуальный, автоматизированный, автоматический и инструментальный методы дешифрирования. Наиболее распространенными являются первые три. Они служат для получения количественной и качественной информации о размерах, структуре, состоянии объектов, характеристики геологических процессов.
Визуальный метод дешифрирования хотя и требует высокой квалификации специалистов-дешифровщиков, но при этом обеспечивает наиболее полный анализ снимков. Профессиональное чутьё экспертов, эрудиция и опыт позволяют максимально точно интерпретировать информацию, содержащуюся в изображении. Однако здесь есть место некоторому субъективизму, поэтому существуют специальные методики дешифрирования, снижающие количество ошибок при работе.
Автоматический метод подразумевает выполнение работ компьютером. Данный способ является перспективным благодаря стремительному развитию информационных технологий.
Автоматизированный метод сочетает в себе как компьютерное, так и визуальное дешифрирование. При помощи специального ПО информация анализируется при активном участии специалиста.
Применение нейросетей и машинного обучения помогает дешифровщикам гораздо быстрее и качественнее выполнять интерпретацию снимков и обрабатывать большие массивы информации. Современное ПО (например, ERDAS, ENVI, ScanEx и другие) позволяет корректировать изображения, разрабатывать модели, анализировать данные, создавать архивы и т.д.
Инструментальный метод подразумевает использование измерительных инструментов для определения объектов и их параметров непосредственно на поверхности Земли или с летательных аппаратов.
В случаях, когда на космоснимке хорошо выделяется объект дешифрирования, его можно использовать в качестве обучающего образца (эталона) для автоматического поиска аналогичных участков. Специалист при этом выполняет корректировку эталонов, изучает результаты автоматического поиска и при необходимости вносит дополнения в перечень эталонных объектов и методов поиска.
В случаях, если невозможно заранее установить тип объекта по его изображению, автоматическая обработка будет заключаться в выделении отличающихся друг от друга по спектральным характеристикам участков.
Дешифровочные признаки
В ходе работ выявляются дешифровочные признаки – характерные черты тех или иных объектов, позволяющие найти, определить их на снимке и интерпретировать. Выделяют следующие признаки:
- прямые – это конкретные характеристики объектов и их изображений (например, тон, форма, цвет, тень и др);
- косвенные – указывают на наличие объекта или передают его свойства (например, по геоморфологическим признакам можно определить состав и происхождение горных пород);
- комплексные (или ландшафтные) – выявление объектов по характерным природно-территориальным комплексам (например, ландшафт помогает оконтуривать участки с определёнными условиями осадконакопления и т.д.).
Основные задачи дешифрирования при поиске и разведке месторождений полезных ископаемых
Дешифрирование космоснимков проводится для решения следующих задач:
- уточнения геологического, тектонического строения исследуемой территории;
- обнаружения геологических структур и разрывных нарушений осадочного чехла и фундамента, определение их роли в формировании месторождений полезных ископаемых (ПИ);
- изучение современных геологических процессов;
- выявления перспективных участков для поиска и разведки ПИ;
- составление специальных тематических средне- и крупномасштабных карт и уточнение существующих картографических материалов.
С помощью дешифрирования на снимках можно выделять кольцевые и прямолинейные геологические структуры (линеаменты), анализ расположения которых помогает прогнозировать наличие перспективных рудных полей, нефтегазоносных участков.
Космоструктурная схема по результатам дешифрирования дистанционных материалов среднего разрешения (с сайта innoter.com)
В зависимости от поставленных задач дешифрироваться могут как панхроматические (чёрно-белые, полученный в видимом диапазоне спектра), так и мультиспектральные (полученные в определённых спектральных каналах) изображения. Использование разных каналов и их комбинирование (синтезирование) позволяет получать больше информации об объектах. Например, соотношение видимого красного и синего спектров позволяют выявить объекты на поверхности Земли, обладающих охристо-красными тонами, что, чаще всего, характерно для окислов и гидроокислов железа, что, в свою очередь, может быть оценено как поисковый признак рудных тел находящихся в непосредственной близости к поверхности Земли.
Панхроматическое и мультиспектральное (с комбинированием нескольких каналов) изображения со спутника Ресурс-П (фото с сайта sovzond.ru)
Грамотное дешифрирование космоснимков существенно повышает достоверность информации при поиске и разведке месторождений полезных ископаемых, а также позволяет сокращать площади геологического изучения. Таким образом, данный метод исследования способствует оптимизации геологоразведочных работ, сокращая сроки и объёмы их проведения, а также снижая финансовые затраты недропользователя.
