Инфракрасная (тепловая) съемка.
Инфракрасная съемка среди дистанционных средств изучения земной поверхности занимает одно из главных мест.
В основеиспользования этого метода лежит регистрация тепловых контрастов излучений (отражений) различных объектов Земли.
Инфракрасные системы преобразуют тепловые контрасты в тоновые и фиксируют их в виде фотографического изображения.
Тепловой инфракрасный диапазон охватывают длины волн от 3 до 1000 мкм. На эту часть спектра приходится максимум собственного излучения Земли (в области 10—12 мкм). По материалам тепловой съемки можно получить данные либо о температуре поверхности, либо — косвенно — по различиям в интенсивности теплового излучения о других характерных особенностях излучающих объектов.
Регистрируют инфракрасное излучениеТепловые радиометры
А затем, в зависимости от температуры объектов дают сигналы разной силы.
В соответствии с этими сигналами строится изображение — тепловой инфракрасный снимок
Он дает пространственно локализованные температурные различия заснятых объектов поверхности Земли.
Более холодные объекты на этих снимках отображаются, как правило, в светлых тонах,
теплые — в темных со всеми разнообразиями температурных переходов.
Современные радиометры имеют температурное разрешение около 1 °С, но это недостаточно для решения ряда проблем картографирования и исследования природных ресурсов Земли. В океанологии, например, необходимо разрешение в десятые доли градуса.
Достоинства инфракрасной съемки следующие: тепловые лучи невидимы и при прохождении воздушной среды ослабляются меньше, чем видимые, съемку можно вести в двух окнах прозрачности атмосферы (3—5 и 10—12 мкм) круглогодично, днем и ночью, с ограничениями лишь при наличии облачности (когда регистрируется не температура снимаемого объекта, а температура верхней кромки облаков). Все метеорологические спутники широко используют съемку в этом диапазоне.
Пространственное разрешение при съемке с разных спутников различно: от 1 км до 600 м, с геостационарного спутника — 8 км.
Съемки в радиодиапазоне.
Пассивная радиометрияфиксирует собственное излучение Земли в микроволновом диапазоне радиоволн с длинами 1 мм — 1 м.
Такой вид съемки называется радиотепловой или микроволновой.
С помощью микроволновых радиометров регистрируется микроволновое излучение различных объектов (так называемые «радиояркостные температуры») Земли.
В космосе микроволновые регистрирующие системы работали на метеорологических спутниках, которые давали снимки с небольшим разрешением — 25X25 км.
Пространственное изображение на микроволновом снимке формируется по сигналам излучения объектов с различными излучательйыми свойствами, например имеющими разную влажность, соленость, кристаллическую структуру, что имеет значение при оценке возможностей освоения минеральных ресурсов шельфа и добычи нефти, а также для решения транспортных проблем.
Заканчивая рассмотрение снимков в зависимости от выбранного спектрального диапазона, следует отметить, что вся информация, поступающая из космоса в виде снимков, примерно на 80% состоит из изображений, полученных в видимом и ближнем инфракрасном съемочном диапазоне.
Снимки в двух других диапазонах (тепловом инфракрасном и радиодиапазоне) пока еще не обладают высоким качеством изображения, но с техническим усовершенствованием съемочной аппаратуры их вес в съемках быстро возрастает.
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ (ЭЛЕКТРОННАЯ)
ОБРАБОТКА СНИМКОВ.
КОСМИЧЕСКАЯ СЪЕМКА И КАРТОГРАФИЯ
Количество информации, получаемой съемками из космоса, стало настолько объемным, что ее обработка традиционными визуально-инструментальными способами невозможна (в единицу времени со спутника можно получить в 1000 раз больше информации, чем с самолета).
В этой связи выделяют следующие последовательные этапы обработки снимков с помощью электронно-вычислительных машин:
I— дешифрирование и представление информации в цифровой форме (преобразование снимка цифрованием для ввода в удобной для ЭВМ форме),
II — числовая (собственно машинная) обработка введенной информации,
III— вывод полученных результатов.
При визуальном дешифрировании снимков наряду с яркостными показателями объектов учитываются также геометрические и косвенные признаки. Для автоматизации процесса дешифрирования снимков необходимо представить все дешифровочные признаки в формализованном (числовом) виде. Если яркостные признаки хорошо выражаются в числовом виде, то при формализации геометрических, а тем более косвенных признаков возникают значительные трудности.
Современные алгоритмы машинного дешифрирования в основном приспособлены к использованию многозональных снимков.
Автоматизированное дешифрирование космических снимков основано на опознавании снятых объектов по заранее заложенному в память ЭВМ их «спектральному образу», т. е. индивидуальной яркости объектов в различных диапазонах волн электромагнитного спектра.
Задача автоматизации процесса дешифрирования еще далека от своего окончательного решения. Пока еще нет универсальных методов для полного автоматического географического дешифрирования снимков.
Диалоговая автоматизированная система «человек — машина» позволяет картографу, наблюдающему ход автоматического дешифрирования, вторгаться в этот процесс путем ручной отработки «узких мест» с помощью «светового пера» (марки) на дисплее. Разум картографа, учитывающий множество связей, которые не поддавались алгоритмизации, принимает правильное решение и вносит соответствующие коррективы в работе ЭВМ.
Сочетание работы оператора с оперативностью машины наиболее перспективно в смысле реализации целей автоматизированной обработки снимков. Система позволяет автоматизировать не только процесс дешифрирования, но и последующую обработку снимков по принципу «стереопара — цифровая модель местности — оригинал карты».
В качестве примера следует указать, что цифрование (установление только координат и высот точек, формирующих рельеф) одного листа топографической карты требует 1,1 миллиона определений.
Такая работа под силу только автоматизированной карто-составительской системе, которая призвана действенно и эффективно помогать картографу в его работе.
Значение космической съемки для картографии. Внедрение аэрокосмических методов создания карт и разработка автоматизированных картосоставительских систем — две основные проблемы современной теоретической и практической картографии, порожденные научно-технической революцией.
Развитие космических съемок дало новый толчок дистанционным методам картографирования. Они значительно расширили их возможности — глобальным охватом информации, включая недоступные прежде территории Земли и поверхности других планет, регулярной оперативностью и повторяемостью поступления и обработки информации, отображением на космических снимках явлений, которые другими способами невозможно было фиксировать.
Карты, составленные по космическим снимкам, отличаются более современными и достоверными очертаниями картографируемых объектов, оптимально взаимосвязаны и отображают явления, которые в отсутствии таких снимков вообще не могли быть картографированы (например глубинные разломы на геологических картах или распространение кратеров на Луне).
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
(А.В.Соломко, стр. 308 - 314 )
С методологической точки зрения карты и космические снимки для географии являются документами одного порядка. С методической же точки зрения внедрение снимков в учебный процесс значительно его оптимизирует.
Тенденция к внедрению материалов космической съемки в процессе обучения географии проявляется во всем мире. С помощью снимков осуществляют формирование географических представлений и понятий, обучают умению видеть развитие явлений, повышают наглядность преподавания.
В середине 70-х годов в России был проведен эксперимент по использованию космической фотоинформации при изучении физической географии. Были разработаны специальные учебные пособия: тематические фотомонтажи в виде стенных демонстрационных плакатов, фотокарты некоторых материков, отдельные космические снимки с изображением в основном метеорологических явлений. Результаты эксперимента продемонстрировали быстрое привыкание учащихся к новому виду наглядных пособий, а также повышенный интерес к материалу, изучаемому при помощи космических снимков, и его лучшее усвоение. Они позволили наметить пути внедрения материалов космических съемок в учебный процесс, основными из которых являются:
— разработка методики использования уже изданных материалов космических съемок;
— создание новых, специально разработанных учебных пособий.
Увеличение объема полученной космической информации позволило изучать атласы, фотоснимки, комплектовать наборы космических снимков разного назначения.
1. Атлас "Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков. Методика и результаты" (в 2 частях).Представляет собой результат совместной работы российских и немецких ученых по интерпретации материалов многозональной съемки. Снимки, помещенные в атласе, получены с космического корабля "Союз-22"; их масштаб примерно 1:400 000 (масштаб снимков территории бывшей ГДР - 1:250 000). Каждый снимок сопровождается пояснительным текстом с краткой характеристикой особенностей местности, схемами дешифрирования, методика выполнения которых дана на отдельных листах. Методические рекомендации разработаны для опознавания и получения информации об объектах подводного рельефа, типах лесной растительности, сети поселений, тектонических нарушениях и пр.
Атлас предназначен для специалистов по аэрокосмическим исследованиям, для работников народного хозяйства, использующих материалы космических съемок, для преподавателей спецкурсов по аэрокосмическим методам, читаемым в основном в университетах.
Применение атласа в учебном процессе в педагогических вузах ограничено отсутствием подобных спецкурсов, малым его тиражом.
2. Фотоальбом "Земля из космоса". Включает 88 космических снимков, выполненных с борта космической станции "Салют-6" фотоаппаратом КАТЭ-140 (плановые снимки) и ручными переносными камерами (перспективные снимки). Территориальный охват Земли неравномерен: 60 снимков попадает на Евразию, 4 - на Северную Америку, 1 - на Южную Америку, 10 - на Африку.
Все космические изображения относятся к одному типу -фотографическому. Часть их, преимущественно плановые, черно-белые, отличаются четкостью показа отдельных объектов, небольшими искажениями на краях. На перспективных снимках объекты искажены, их труднее распознать. Недостатком набора, затрудняющим его использование при обучении, является отсутствие пояснительных материалов.
В тематическом аспекте выделяются снимки, отображающие географические явления и процессы и отображающие отдельные территории.
На снимках в альбоме представлены в основном атмосферные явления (циклоны, тайфуны, облачность), зафиксированные в момент их развития.
Следует отметить, что проследить динамику явлений, этапы их формирования, что очень важно для обучения, по единичным снимкам нельзя.
3. Альбом "СССР из космоса". Был выпущен с целью ознакомить широкий круг читателей с возможностями практического использования материалов космической съемки. Альбом включает 33 космических снимка.
Почти все они сопровождены схемами дешифрирования, наиболее характерные объекты обозначены цифрами, комментарии к которым приведены в текстовом приложении к снимку.
Отбор материалов космической съемки для этого набора проведен более направленно. В нем помещены изображения, полученные разными камерами, а также телеизображения, сделанные со спутников серии "Метеор". Отобранные снимки представляют почти все природные зоны бывшего СССР.
К недостаткам альбома можно отнести неравноценность пояснительных материалов,невысокое качество полиграфического воспроизведения отдельных снимков.
4. Учебный комплект космических снимков (издание МГУ). Комплект разработан в основном для использования в университетах. Он создавался на отработанных принципах формирования учебных наборов, включающих материалы космических съемок. Исходя из них комплект должен:
- содержать снимки разного типа, изучаемые по программе (фотоснимки, сканерные и т.д.);
- содержать снимки, охватывающие природные комплексы всех рангов (от глобального до локального), отражающие основные географические закономерности (зональность, азональность, вертикальную поясность и т.д.);
- обеспечивать наглядное отображение основных типов географических объектов и явлений, указанных в программах;
- содержать снимки, которые легко дешифрируются и опознаются при помощи учебных карт;
- быть разборным, что даст возможность комбинировать материалы, содержать такие снимки, которые обеспечат все виды практических работ;
- содержать плановые цветные снимки, близкие к естественным цветам;
- иметь в качестве приложения методическое руководство по использованию космических снимков, включающее их краткое описание, раздел программы, в котором может быть применен данный снимок, список карт, при помощи которых возможно его дешифрирование, что облегчит начальные этапы внедрения космических снимков в обучение;
- иметь примеры заданий и их выполнения.
К недостаткам комплекта следует отнести плохое качество полиграфического воспроизведения отдельных изображений.
Совместными усилиями картографов, географов, педагогов создаются учебные пособия с применением космической фотоинформации. Это настенные пособия, предназначенные для занятий лекционного типа, и настольные пособия для индивидуальной работы. Они ориентированы на использование в средней школе.
5. Комплект таблиц "Космические исследования и их народнохозяйственное значение". Посвящены отдельным природным компонентам. Для самостоятельной работы учащихся разработано 10 вариантов карточек, содержащих вопросы по материалу.
6. Комплект плакатов "Природные зоны на космических снимках". Предназначен для широкого использования при изучении географии в школе. На каждом плакате центральное место отведено космическому снимку участка природной зоны. Размер снимка - 50 х 60 см, масштаб - от 1:200 000 до 1:250 000.
На каждом плакате также размещаются: схема привязки космического снимка, фотографии наиболее характерных участков территории, пояснительные материалы в виде схем дешифрирования. Природная характеристика дана на схеме ландшафтного дешифрирования, что является новым элементом в разработке школьных пособий. Ландшафтный подход позволяет показать взаимосвязь рельефа, почв и растительности, что невозможно было бы осуществить на схеме дешифрирования естественного растительного покрова. К тому же в некоторых природных зонах (лесостепь, степь) естественная растительность сохранилась лишь на отдельных участках, что хорошо видно на космических снимках. В этих местах на схеме помещены условные знаки наиболее типичных растений. При разработке легенд к ландшафтным схемам учитывались требования школьной программы, содержание учебников по географии.
Одна из главных задач пособия — формировать у школьников представления о различной хозяйственной нагрузке на разные зоны.
На космических снимках наглядное отражение находит сложившаяся система землепользования. При ее дешифрировании основное внимание уделено сельскохозяйственному использованию земель с традиционным подразделением на пашни и естественные кормовые угодья (пастбища и сенокосы). Элементом новизны по сравнению со школьными картографическими произведениями является разделение пастбищ по сезонам выпаса скота, а также показ селитебных и нарушенных земель, которые хорошо распознаются на космических снимках.
На одной из схем каждого плаката отображена плотность населения и людность населенных пунктов. Наиболее крупные населенные пункты отдешифрированы по космическим снимкам, величина плотности населения установлена при помощи стенных и настольных, в том числе краеведческих, карт и уточнена за счет более детальной отрисовки ареалов расселения.
При работе с рассмотренными пособиями у учащихся формируются навыки дешифрирования.
Его логическая структура может быть представлена в виде трех этапов:
1) обнаружение объектов;
2) распознавание объектов и формирование понятий и суждений;
3) интерпретация или объяснение.
Обычно обнаружение тесно связано с распознаванием. Однако для учащихся, не имеющих опыта работы со снимками, между этими ступенями бывает разрыв, т.е. переход от обнаружения к распознаванию затруднен. Облегчить этот переход возможно при помощи географических карт, дающих характеристику обнаруженного объекта. Постепенно у учащихся формируются устойчивые представления о том, как выглядят на космических снимках многие географические объекты и каковы их дешифровочные признаки.
Таким образом, переход от обнаруженияобъектов к их распознаванию в обучении должен осуществляться посредством совместного использования карт и космических снимков.
Начальным этапом при этом является привязка снимка. Она осуществляется по картам путем отождествления элементов местности на них и на снимках. Желательно, чтобы космические и картографические изображения были одного масштаба, хотя территорию, на которой есть четкие ориентиры (береговая линия морей и постоянных озер, гидрографическая сеть, магистральные дороги), нетрудно опознать при помощи карт более мелких масштабов.
После этапа привязки космического снимка, как правило, проводят выявление дешифровочных признаков объектов, подлежащих изучению. Этот процесс также требует привлечения карт, причем если привязку лучше осуществлять по общегеографическим картам, то для дешифрирования нужно использовать еще и тематические карты.
Таким образом, на основе дешифровочных признаков можно более детально, чем показано на карте, исследовать территорию, изображенную на снимке.
В настоящее время стремительно развиваются методы автоматизированного дешифрирования космических снимков. Так, в Великобритании специально для использования в обучении разработан Landsat-атлас. Он состоит из космических снимков, к каждому из которых прилагается выполненная автоматически карта на ту же территорию. Для учащихся разработаны обучающие программы упражнений разной сложности.
Лекция № 11
Тема: УЧЕБНЫЕ КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ ПРОИЗВЕДЕНИЯ
Вопросы лекции: Классификация учебных карт и атласов.
Глобусы и их использование в учебном процессе.
Методика использования школьных географических карт.
Рукописные карты и атласы.