Дистанційні аерокосмічні геофізичні методи
Основою для рішення тих чи інших екологічних задач глобального, регіонального і навіть локального плану можуть служити дистанційні (аерокосмічні) зйомки, за допомогою яких з тією чи іншою детальністю картуються суша й акваторії Землі.
4.3.1. Загальна характеристика дистанційних методів. Під дистанційними аерокосмічними методами розуміється комплекс досліджень фізичних полів Землі, які виконані за допомогою приладів, що знаходяться на космічних і повітряних носіях. З їхньою допомогою можна одержувати інформацію про будову земної поверхні, верхньої частини літосфери, про природні і техногенні об'єкти і процеси, проводити повторні спостереження для організації моніторингу.
У більшості дистанційних методів автоматично реєструються параметри власного чи відбитого електромагнітного випромінювання природних ландшафтів і штучних (техногенних) об'єктів. У залежності від використовуваних полів, а також довжини електромагнітних хвиль l виділяються наступні види дистанційних зйомок: космофотозйомка (КФЗ) і аерофотозйомка (АФЗ); телевізійна (ТЗ), інфрачервона (ІЧ), радіотеплова (РТ), радіолокаційна (РЛ), багатоспектральна (БС), ультрафіолетова (УФ), лазерна (лідарна) (ЛС).
До дистанційного відносяться також аеромагнітні й аерорадіометричні зйомки .
Найважливішою особливістю дистанційних зйомок є можливість різного ступеня генералізації об'єктів і зміни оглядовості (ширини смуги досліджень), що залежать від висоти орбіти космічного носія (від 180 до 1000 км) чи від висоти польоту повітряного носія (0,5—10 км), а також від типу апаратури, її здатності, що дозволяє, масштабу зйомки. У багатьох видах зйомок рівень генералізації і здатність досліджень взаємозворотні: чим більше генералізація, тим менша роздільність на місцевості.
Таким чином, при інтерпретації даних дистанційних зйомок є можливість направлено генералізувати досліджувану еколого-геологічну ситуацію, виділяти регіональні чи навіть локальні об'єкти, бачити їхнє просторове співвідношення, важко фіксуєме звичайними наземними зйомками. При дистанційних дослідженнях вдається реалізувати "ефект прозорості": як би заглянути усередину літосферного простору, одержавши структурні плани об'єктів, фрагменти яких тільки частково виділяються наземними зйомками.
Найбільш уживані в екології дистанційні зйомки у видимому і невидимому діапазонах електромагнітних частот приведені в табл. 4.2.
4.3.2. Зйомки у видимому діапазоні частот. Фотозйомки АФЗ, КФЗ (l= 0,35—1,0 мкм) і багатоспектральні зйомки БЗ (l= 0,41—12,5 мкм) в одному чи декількох діапазонах спектра розширюють можливості проведення дистанційних досліджень, роблять їх більш надійними і дозволяють виявляти закономірності будови ландшафтів земної поверхні, що вислизають з поля зору дослідника при використанні тільки наземних методів. Одним з головних достоїнств космо- і аерофотознімків є їхня документальність, тобто точне й об'єктивне відображення природних і штучних об'єктів на земній поверхні. Фізичною основою фотозйомок є вивчення відбитого електромагнітного випромінювання. Інформація про будову ландшафтів і земної поверхні залежить від відбиваючою здатності, (альбедо), характеру поглинання і розсіювання електромагнітного випромінювання, виду природних і техногенних об'єктів, рослинності, типів гірських порід, їхньої електромагнітної і теплової властивостей. Для оцінки зазначених характеристик використовуються фотоматеріали з різною чутливістю і фотофільтри, які дозволяють проводити зйомку в різних діапазонах світлового спектра частот. Аерокосмічні фотозйомки мають найвищу роздільну здатність на місцевості: знімок КФЗ мільйонного масштабу має роздільну здатність від 30 до 2 м. При обробці подібні знімки можна збільшити в 10 і більш раз. Роздільна здатність міняється в залежності від оптичних властивостей об'єктива, технічних характеристик фотоплівки, масштабу зйомки, яскравості висвітлення ландшафту, які відбражають характеристику місцевості й об'єктів.
Таблиця
Основні види і характеристики дистанційних аерокосмічних методів
| Метод зйомки | Фізичні основи методу | Використані довжини хвиль g | Чутливий елемент | Форма одержуваних матеріалів | Глибина одержання інформації | Умови застосування в залежності від метеорологічної обстановки |
| б | ||||||
| Фотографічна (ФЗ) | Реєстрація відбитого випромінювання Сонця від поверхні Землі | 350-1000 нм | Різні типи світлочутливих плівок | Фотознімки | Поверхня Землі | Денний час, відсутність хмарності |
| Телевізійна (ТЗ) | Те ж | 320-740 нм | Спеціальні скануючі приймачі | Телевізійне зображення | Те ж | Те ж |
| Інфрачервона (ІЧ) | Реєстрація теплового електромагнітного випромінювання об'єктів земної поверхні | 1,5—14 мкм | Тепловізори (система об'єктивів, фотоелементів і електронних схем) | Теплове зображення | До декількох сантиметрів | Денний і нічний час, майже при будь-яких метеоумовах |
| Радіотеплова (РТ) | Те ж | 0,3-10 см | Вузько-направлена антена | Теплове випромінювання, регістограми | До 10—20 см | Те ж |
Закінчення таблиці
| б | ||||||
| Багато-спектральна (БЗ) | Реєстрація відбитого електромагнітного випромінювання від Сонця і від власного теплового випромінювання Землі | 0,41-12,5 мкм | Фільтр із фотоелектронним помножувачем | Регістограми електромагнітних хвиль | До декількох сантиметрів | Те ж |
| Радіо-локаційна (РЛ) | Реєстрація відбитого електромагнітного випромінювання від джерела, встановленого на борті носія | 1-100 см | Радіолокаційна антена | Радіоехограми відбитих сигналів, радіолокаційне зображення місцевості | До 10—20 см | Те ж |
| Зйомка, заснована на вивченні електромагнітних полів довго-хвильових радіостанцій | Реєстрація компонентів електромагнітного поля | 0,1-100 кГц | Індукційні котушки, антени | Регістограми вимірюваних компонентів електромагнітного поля | Десятки метрів | Те ж |
Багатоспектральне фотографування на різних довжинах електромагнітних хвиль відкриває додаткові можливості при так званих галузевих дослідженнях, тобто використанні аерокосмознімків для цілей топографічного, геоботанічного, геологічного, гідрогеологічного, еколого-геологічного й іншого видів картування.
Фотозображення відрізняються одне від одного за сумою ознак. До прямих дешифровальних ознак відносяться розмір, форма, структура (переважний характер малюнка), колір, фототон (колірна насиченість) зображення. На них істотно не впливає ступінь освітленості земної поверхні сонцем. Усередині контурів окремих об'єктів особливості будови рельєфу визначаються мікромалюнком (текстурою) зображення, що також є стійкою дешифровальною ознакою і не залежить від часу проведення зйомки.
Усі перераховані, а також додаткові інтерпретаційні ознаки (форма, розміри і взаємне розташування об'єктів) дозволяють вивчати як структурні особливості місцевості, так і сучасні фізико-геологічні явища і процеси, у тому числі і техногенні, викликані господарською діяльністю людини.
Телевізійна зйомка (ТЗ) (l = 0,32—0,75 мкм) служить для вивчення сонячного електромагнітного випромінювання, відбитого від земних ландшафтів. Вона виконується за допомогою спеціального приймача з електронним скануванням телевізійного зображення місцевості. Отриманий растровий знімок має велику оглядовість або цифрову інформацію можна візуалізувати на екрані дисплея. ТЗ має більшу роздільну здатність на місцевості, ніж КФЗ чи АФЗ, що зазвичай не перевищує (при мільйонному масштабі) 200—80 м. У порівнянні з КФЗ телевізійна зйомка має більш високу оглядовість і більшу генералізацію об'єкта. Тому ТЗ використовується як фонова основа для виявлення великих регіональних структур чи об'єктів, визначення яких утруднене за даними КФЗ. Усім дистанційним методам, у яких фіксується зображення місцевості у видимому діапазоні спектра, властиве ряд обмежень. Вони можуть використовуватися тільки в денний час і в ясну погоду. Крім того, даючи інформацію винятково про земну поверхню, вони характеризують підстилаючи її товщу гірських порід тільки по опосередкованих ознаках, що знаходить відображення в морфології, кольорі, рослинності й інших особливостях, що формують ландшафт. Таким чином, зведення про просторову будову і властивості верхньої частини літосфери виявляються дуже умовними.
4.3.3. Зйомки в невидимому діапазоні частот. Інфрачервона зйомка (ІЧ), в аероваріанті, теплове аерознімання (ТАЗ) (lм = 1,5—14 мкм), звичайно здійснюється за допомогою скануючої апаратури (тепловізорів), тобто інформація про особливості земної поверхні складається з характеристик, одержаних на окремих ділянках, на які в даний момент часу спрямований пристрій, що реєструє.
Інфрачервоне випромінювання, як носій інформації, близьке до світлового зображення. Оскільки теплове випромінювання тіл безпосередньо зв'язано з їхнім енергетичним станом, він вказує на температуру і розміри джерела. Інтенсивність і спектральний склад випромінювання залежать не тільки від температури, але і від електромагнітних і теплових властивостей ґрунтів, ґрунтів і гірських порід, на які спрямований об'єктив тепловізора. Ці особливості ІЧ-випромінювання дозволяють виявляти природу джерел, у тому числі обумовлених глибинними процесами, що не вдається при дешифруванні фото- і телезображень земної поверхні, отриманих у видимому діапазоні спектра.
Спостереження в інфрачервоній області спектра ведуться в трьох діапазонах: ближньому (l = 0,7—2,5 мкм), середньому (l = 3—5,5 мкм), дальньому (l = 8—14 мкм). Ці діапазони відповідають "вікнам" прозорості атмосфери. У ближньому діапазоні реєструється головним чином довгохвильове відображення сонячного випромінювання, у далекому основну роль грає власне випромінювання земної поверхні, у середньому випромінювання носить змішаний характер.
Виділяють дві групи задач, які розв'язуються за допомогою теплової зйомки. Перша група зв'язана з вивченням аномального температурного поля областей сучасного вулканізму, зон поширення термальних вод і термального (природного чи техногенного) забруднення геологічного і водного середовища. До другої групи відноситься вивчення теплового поля, що формується за рахунок сонячної радіації, результат якого можна використовувати для регіональних геологічних і еколого-геологічних досліджень. Особливо ефективна сукупність зйомок у різні сезони року, нічних і денних, тобто коли міняється температура земної поверхні.
Радіолокаційна зйомка (РЛ) заснована на використанні радіохвильового діапазону електромагнітного спектра. Вона підрозділяється на пасивну (радіотеплову) з l = 0,3—10 см і активну (радіолокаційну), у якій використовуються електромагнітні випромінювання з довжиною хвилі l=1,0—100 см. Радіотеплова зйомка багато в чому аналогічна ІЧ-зйомці, але відрізняється істотно меншою роздільною здатністю. З її допомогою виділяються термічні аномалії, що охоплюють великі площі, через які вдається одержувати усереднені показники температурного поля.
При радіолокаційних (радарних) зйомках вивчається різна здатність об'єктів земної поверхні відбивати радіоімпульси. Інтенсивність відбитого сигналу визначається електромагнітними властивостями поверхневих відкладів до яких відносяться їхня діелектрична проникність і електропровідність, у свою чергу залежні від вологості. дозволяюча здатність радарного зображення залежить від довжини хвилі використовуваного сигналу. Характер зображення визначається жорсткістю рослинного покриву, мікрорельєфом і рельєфом. У реальних умовах відображення виявляється напіврозсіяним, що обумовлено безліччю хаотично розташованих нерівностей земної поверхні з розмірами, порівнянними з довжиною хвилі.
Радіолокаційні зйомки дозволяють виявляти розривні порушення, визначати склад порід, характеризувати ступінь їхньої зволоженості, картувати ділянки розвитку і деградації мерзлоти. Ці й інші задачі мають велике значення для екологічної геології. В умовах розвитку порід низької електропровідності (високого опору) радіолокаційне зондування може здійснюватися на глибину в кілька десятків метрів.
Ультрафіолетова і лазерна (лидарна) зйомки використовуються переважно для контролю забруднюючих компонентів приземних частин атмосфери, для оцінки впливу промислових об'єктів, територій урбанізації і сільськогосподарської діяльності на навколишнє середовище. Найчастіше як індикатори застосовуються датчики, що використовують лазерне випромінювання, так називані лидари (лазерні сенсори).
За допомогою лазерного променя, що підсилює ефект люмінесценції аерозольного і газового забруднення атмосфери, здійснюється спектральний аналіз забруднюючих речовин. При цьому лидари дозволяють виявляти випромінювання, створюване "мішенню", у діапазоні частот, відмінному від частоти лазера. Спектральний аналіз "мішені" виконується з практично абсолютною точністю, тобто він здатний виявляти окремі атоми забруднюючих речовин.
В даний час створені лидарні станції (комплекси), що можуть установлюватися на повітряних носіях, на висотних будинках і мачтах, на пересувних наземних носіях. Так, наприклад, для контролю аерозольних і газових компонентів атмосфери урбанізованих територій використовується трехканальна лидарна станція. У видимому діапазоні частот контролюється аерозольний компонент; ультрафіолетовий канал призначений для контролю забруднюючих газів SO2, NO2, О3; ІЧ-канал забезпечує контроль концентрації NH3, С2H4 і О3.
Лазерний моніторинг дозволяє стежити за еволюцією і руйнуванням озонового шару, контролювати киснево-азотний баланс в атмосфері, оцінювати вміст шкідливих аерозольних і газових компонентів у її приземній частині. За даними лидарних досліджень можна визначати внесок конкретних джерел техногенного впливу в забруднення атмосфери, виявляти роль повітряного каналу в переносі забруднюючих речовин на дослідні території, установлювати вплив цих речовин на екологічний стан верхньої частини літосфери і гідросфери.
До дистанційних методів можна віднести супутникову альтиметрію, тобто визначення загальної картини гравітаційного поля суші й океанів за спостереженнями за орбітами супутників.
4.3.4. Аерогеофізичні методи. Традиційні аерогеофізичні методи, які також можуть широко використовуватися для рішення екологічних задач. Аеромагнітна зйомки виконуються у великих масштабах по системі рівнобіжних профілів, віддалених один від другого на десятки чи сотні метрів. Зйомки дозволяють одержувати інформацію про регіональну і локальну магнітну аномалії, що можуть бути зв'язані з зонами тектонічних порушень, тріщинуватості, з виходами сильномагнітних порід і руд. Ці дані становлять інтерес з погляду геоекологічного картування територій, виявлення геопатогених зон, виділення ділянок з інтенсивними значеннями напруженості геомагнітного поля і їхніх градієнтів.
Особливу роль у геоекології відіграють аерорадіометричні (гамма- і гамма-спектрометричні зйомки). Вони виконуються у великих масштабах (відстані між профілями порядку 50—100 м), що забезпечує можливість картування природного і технічного радіоактивного забруднення території й організації моніторингу. Гамма-спектрометричні зйомки можна комплексувати з аеромагніторозвідкою, аероелектророзвідкою, інфрачервоною і газово-аерозольною зйомками. Використання для цих цілей комплексні аерогеофізичні станції забезпечують дистанційну реєстрацію ряду геофізичних і геохімічних параметрів і проведення моніторингу міських агломерацій і промислових зон.