Роль и значение аэрокосмических методов в географических исследованиях

Уже на первых этапах использования дистанционных съемок, отмечалась их большая роль при изучении природных ресурсов Земли. Еще в 30-е годы академик А.Е. Ферсман писал, что аэрофотосъемка не только орудие для работы в труднодоступных областях земной поверхности, но и новый метод познания и понимания ряда проблем в различных областях географии. Ферсман говорил, что ни один географ, изучающий какую-либо территорию, не может считать свою работу выполненной, если не проверит свои выводы путем визуальных наблюдений с самолета.

Однако в то время, мало кто мог предвидеть, какое значение будут иметь мелкомасштабные космические снимки для изучения Земли. В основном среди специалистов было широко распространено мнение, которое наиболее полно выражено в справочном руководстве по аэрофотографии, изданном в 1939г., где написано: «Очевидно, нет никакого смысла проводить съемку на 100 км, если величина изображения будет настолько мала, что все детали будут меньше предела разрешения фотоэмульсии. Снимки горных цепей, полученные на больших расстояниях, несомненно, имеют рекламный характер и практически мало что дают». Поэтому появление информативных космических снимков было воспринято как революционное событие.

В настоящее время аэрокосмические методы имеют определяющее значение при разностороннем изучении и картографировании земной поверхности. Характерная особенность аэрокосмических методов состоит в том, что они являются дистанционными, не требующими прямого соприкосновения с объектом исследования, и позволяющими свести непосредственные исследования к минимуму. Методы аэрокосмической съемки позволяют большую часть работы перенести в камеральные условия, увеличить скорость производства работ и, вместе с тем, увеличить достоверность и полноту результатов исследовательских и изыскательских работ.

Удобство работы со снимками заключается также в том, что к изображению можно обращаться неоднократно, изучать неопределенно долгое время без больших затрат времени и средств, что затруднительно или невозможно при других методах, например, традиционном для географии полевом экспедиционном методе исследований.

Однако самое главное заключается в том, что воздушные и космические снимки дают в руки исследователя новые сведения и факты, которые другими способами не могут быть получены.

Аэрокосмические методы, в отличие от традиционных, имеют ряд особенностей, которые и обуславливают их преимущества. Обзорность аэрокосмических снимков дает комплексное изображение ландшафтной структуры и позволяет проследить изменения компонентов биосферы на больших расстояниях и площадях в крупных региональных и глобальных размерах, при одних условиях съемки. При этом удается выявить на снимках ряд неизвестных ранее закономерностей и процессов, происходящих в географической оболочке Земли.

Аэрокосмические методы позволяют изучать районы малодоступные для исследования их традиционными способами и средствами. малонаселенные районы, горные, заболоченные и пустынные территории, удаленные акватории Мирового океана, территории Арктики и Антарктики одинаково успешно могут подвергаться дистанционным съемкам из космоса.

Повторяемость аэрокосмических съемок позволяет осуществлять периодичность наблюдений заданных регионов с любой регулярностью (годы, месяцы, дни, часы, минуты), что представляет возможность проследить динамику отдельных процессов и явлений во времени. Аэрокосмическая информация может служить также исходным материалом для целей картографического мониторинга природной среды, а карты мониторинга могут использоваться как фактический материал для обновления ранее составленных тематических карт и оперативного принятия решений по предотвращению негативных последствий хозяйственной деятельности в том или ином регионе.

Аэрокосмические съемки могут выполняться в широком диапазоне электромагнитного спектра от видимого до радиоволнового излучения, что дает возможность наблюдения в любое время года и суток, при любых погодных условиях, а также возможность изучения не только земной поверхности, но и объектов, находящихся на определенной глубине.

Одномоментность аэрокосмического изображения открывает особые возможности в тех случаях, когда нужна сопоставимая картина местности. На аэрокосмических снимках отражены значительные территории на едином по времени уровне антропогенной измененности, поэтому они содержат вполне достоверные и сопоставимые данные для картографирования современного состояния природной среды. Непосредственное отражение на космических снимках получают различные виды использования земель, измененности ландшафтной структуры, состояние отдельных компонентов ландшафта (растительности, почв, поверхностных вод), стадии развития природных и антропогенных процессов.

Оперативность, быстрота получения информации, возможность доставки ее потребителю непосредственно в ходе приема с КА, а также использование компьютерных технологий для ее обработки позволяет представить информацию в разнообразных формах с высокой наглядностью результатов. К настоящему времени аэрокосмические методы выросли в одно из мощных средств исследования природы. Эти методы исследования природных и антропогенных объектов и комплексов географического пространства Земли имеют для географии принципиально важное значение. Область применения аэрокосмических методов для решения народнохозяйственных задач непрерывно расширяется.

2.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ МЕТОДОВ

С ранних этапов развития цивилизации и культуры человек стремился к созданию простейших технических средств для изучения окружающей среды. Примером таких средств может служить ниломер, при помощи которого измерялся уровень воды в реке Нил, и примитивные дождемеры, известные древнегреческим ученым.

Возрастание интереса к углубленному изучению природных факторов и условий относится к XI11 и XIX вв. Особенно этот процесс ускорился в XX в., чему способствовало применение для этих целей дистанционных методов. Под дистанционными методами следует понимать наблюдение какого-либо объекта при помощи прибора отделенного от него на некотором расстоянии.

Исторически развитие дистанционных методов подразделяется на ряд этапов: воздухоплавание, авиация, ракеты и космические летательные аппараты.

Воздухоплавание

4 июня 1783г. в небольшом французском городке Анноне братья Жозеф и Этьен Монгольфье впервые запустили воздушный шар, наполненный горячим воздухом и тем самым практически доказали возможность свободного полета. В этом же году был запущен воздушный шар заполненный водородом и клеткой с животными, а 21 ноября 1783 г. впервые на монгольфьере поднялись люди - Пилтар де Розье и маркиз д'Арманд. Первый полет на воздушном шаре в Минске состоялся только через 106 лет, его совершил Станислав Дравницкий.

Впервые воздушный шар в военных целях использовался во Франции в битве при Флерюсе 12 июля 1794 г., где французские войска одержали победу, в значительной степени благодаря аэростату «Предприимчивый».

В научных целях воздушные шары начинают использоваться с 1803 г. во Франции, где Робертсон предпринимает первые попытки изучения магнитного поля с аэростата, а 16 сентября 1804 г. Гей-Люссак с аэростатов на высотах более 6000 м занимался изучением атмосферы.

В 1833 г. впервые Ч.Уинстоном был изобретен прибор, названный стереоскопом, с помощью которого можно было получать объемное изображение объектов. Он впервые объяснил механизм зрительного восприятия трехмерного изображения.

Новый этап в развитии дистанционных методов изучения Земли связан с изобретением фотографии, которое относится к 7 января 1839 г. Именно в этом году было обнародовано изобретение дагерротипии- закрепление изображения, получаемое камерой, на посеребренной медной пластинке, покрытой светочувствительным слоем. Авторами изобретения были физик Ньепс и художник Д. Даггер, которые использовали открытие Шульца установившего в 1727 г. светочувствительность галлоидных солей серебра, а также изобретение Леонардо да Винчи, который еще в 1500 г. дал первое точное описание камеры-обскуры, без которой было бы невозможно получение изображений на светочувствительных слоях. Термин «фотография» появился также в 1839 г. и в этом же году Фредриком Перуа была получена первая фотография, на которой было запечатлено Солнце. С появлением первой фотографии уже в 1840 г. французским ученым Арго были отмечены большие возможности использования ее в топографических целях. В 1841г. был разработан и изготовлен фотографический объектив, состоящий из нескольких линз (Пецваль). Однако первая фотография с воздушного шара была получена Феликсом Турнашоном только почти через 20 лет после ее изобретения, известным больше под псевдонимом Надар, который был другом писателя Жюля Верна. В 1855 г. у Надара зародилась идея сфотографировать поверхность Земли для составления планов местности. В 1858 г. ему удалось получить с привязного аэростата единственную фотографию небольшой деревеньки под Парижем.

Последователями Надара стали американцы Кинг и Блок, которые в 1860г. с привязного шара фотографировали г. Бостон. В 1862 г. во время гражданской войны североамериканские войска успешно использовали фотоаппарат при рекогносцировках с привязных аэростатов г. Ричмонда. Полученные фотографии этого города с высоты 350 м отличались более высоким качеством, на них город был разбит на квадраты, а с рекогносцировочного воздушного шара передавались по телеграфу точные сведения о передвижении войск противника по этим квадратам. Сложность в получении качественных снимков с воздушных шаров заключалась в колебательных движениях шара и отсутствием высокочувствительных материалов.

Первое фотографирование со свободного аэростата фотоаппаратом, снабженным затвором, работающим с выдержкой 1/20 с и заряженными сухими пластинами, было выполнено в 1880г. Павлом Демарэ под Руаном с высоты 1100 м. В России первые фотографии с воздушного шара были получены поручиком А. М. Кованько 18 мая 1886г. с высот 800, 1000, 1200 м. На первой из них была запечатлена река Нева, на второй – Васильевский остров, на третьей – Петропавловская крепость.

Полученные первые фотографии с воздушного шара получили высокую картографическую оценку. Так Л.Н. Звагинцев, который выполнял воздушные съемки первым специальным аэрофотоаппаратом В.И.Серезневского в своей книге (1887г.) писал «... снимки с шара ... далеко превосходят все, что до сих пор было сделано в области геодезических съемок. В особенности в местностях плоских и лесистых им без сомнения принадлежит будущность. Недалеко то время, когда будет казаться странным, как могли так долго обходиться без воздушных снимков».

Роль фотографий получаемых с воздушных шаров значительно возросла с открытием новой технической дисциплины под названием фотограмметрия. Изобретателем фотограмметрии считается французский инженер Э.Лосседа. В его честь французская академия наук учредила премию имени Э.Лосседа, которой был награжден русский создатель нескольких поколений отечественных объективов для фотоаппаратов М.М.Русинов.

Еще до появления фотографии в 1791г. французским гидрографом Ботаном-Бопрэ был реализован способ развертывания перспективного рисунка местности в ее план. Этот способ был описан автором в 1835 г. и основывался на труде Ламберта по свободной измерительной перспективе, опубликованной еще в 1759г. С именем Ламберта связаны два важных направления дистанционных методов – фотограмметрия и оптика ландшафта, он также подготовил решение задачи по построению планов с помощью фотоизображений.

В 1898г. русским инженером Р.Ю. Тилле был сконструирован и создан для воздушных съемок новый аппарат - панорамограф. Аппарат состоял из семи объективов: один в центре, а остальные шесть - по окружности вокруг него. С помощью этого аппарата можно было получить фотографию земной поверхности от горизонта до горизонта. С помощью панорамографа Тилле впервые осуществил маршрутное фотографирование для создания плана местности.

Конец XIX столетия ознаменовался открытием К.Пульрихом новой дисциплины стереофотограмметрии, а в начале 1900г. им же был создан стереокомпаратор, для стереоизмерений пары снимков полученных с помощью фототеодолита, в котором был применен способ двух марок.

Конец ХIХв. начало XXв. ознаменовалось широким использованием аэростатов в различных областях науки и практики. Решаются различные научные задачи, связанные с изучением атмосферы и для метеорологических целей. В 1904-1905гг. воздушные рекогностировки и фотографирование с аэростатов широко использовались в русско-японской войне.

Большую роль для развития дистанционных методов в России сыграло Русское техническое общество, в котором было организовано два отдела: V отдел - фотографический (1878г.) и VII отдел - воздухоплавания (1880г.). Значительное участие в проведении научных исследований с воздушных шаров принимает Русское географическое общество.

Дальнейшее развитие воздухоплавания шло по двум направлениям. Первое направление заключалось в разработке управляемых воздушных шаров. Второе направление было связано с конструированием аэростатов для полетов на большие высоты.

Авиация

Первый аэроплан изобрели и подняли в воздух в декабре 1903г. американцы братья Вильбур и Орвил Райт, который смог продержаться в воздухе 39с. Авиаконструированием занимались и другие французы, которые стремились первыми взлететь в воздух. Первому это удается осуществить в 1906г. Сантосу-Дюмону, который поднимается в воздух на самолете своей конструкции и пролетает 70 м. Однако первое фотографирование с самолета все же было выполнено Вильбуром Райтом в 1909г.

В 1910г. в России С.А.Ульянин создал фотоаппарат для съемки с аэроплана. В 1913г. офицер русской армии В.Ф.Потте впервые изобрел и создал пленочный полуавтоматический аэрофотоаппарат для маршрутной и площадной съемки. Фотопленка из гибкого материала была создана в России в 1879г. И.В.Болдыревым.

Авиация начинает широко использоваться не только как транспортное средство, но и для проведения фотографирования и визуальных наблюдений. Быстрому развитию аэрофотосъемки способствует уже имеющаяся техническая база, которая была создана в период воздухоплавания. Широко начинают использоваться, многообъективные аэрофотоаппараты конструкции Ф.В.Дробышева, немецкой фирмы К.Цейс, которые отличались от панорамографов тем, что у них использовалась одна камера с несколькими объективами. Другим направлением в развитии аэрофотоаппаратостроения явилось и конструирование и создание широкоугольных и сверхширокоугольных камер, снабженных ортоскопическими объективами, позволяющими вести фототопографические работы. В СССР это направление возглавлял известный конструктор М.М. Русинов. Определенный вклад в конструирование фотоаппаратов внес белорусский фотограф Сизигмунд Сикорский, который в 30-е годы изобрел затворку для фотоаппарата.

Авиация начинает широко использоваться в научно-практических целях. В 1914г. русским летчиком И.И. Нагурским были выполнены аэровизуальные наблюдения в Арктике при поисках экспедиции Седова. В 1915г. уже по аэрофотоснимкам была составлена карта Мазурских болот. В 1919-1920гг. аэрофотосъемка использовалась во Франции при гидрографических работах, а в США и Канаде в лесном деле.

Становление гражданской аэрофотосъемки в России, которое происходило в 20-е годы, связано с именем М.Д. Бонч-Бруевича, которого по праву называют, дедушкой русской аэрофотосъемки. Автоматические аэрофотоаппараты, приобретенный опыт аэрофотосъемочного самолетовождения позволили сплошь покрывать аэрофотоснимками значительные территории. Одной из первых таких крупных работ была аэрофотосъемка марийских лесов с изготовлением по аэрофотоснимкам уточненных фотосхем.

Топографо-геодезическая служба приняла на вооружение аэрофотосъемку, для производства которой нужна ясная солнечная погода, не сразу, а лишь в 30-е годы. Сначала внедряется в картографическое производство комбинированная съемка (Н.М. Алексапольский, Г.Ф. Гапочко, 1930), при которой по аэрофотоснимкам составлялась только контурная часть, а затем и стереотопографическая съемка, предусматривающая и рисовку рельефа по стереопарам аэрофотоснимков путем трассирования горизонталей на оригинальном приборе-стереометре (Ф.В.Дробышев, 1934). Рассчитан и изготовлен широкоугольный ортоскопический с достаточной светосилой аэрофотосъемочной объектив (М.М.Русинов, 1935) упростивший задачу получения топографических аэрофотоснимков обширных территорий. Интенсивно развиваются теоретические вопросы аэрофототопографии (Л.М.Гольдман, Н.Г.Кель, М.Д.Кокшин, В.Я.Михайлов и др.).

Получают развитие спектрофотометрические исследования (Е.Л.Кринов, 1947). Химическая промышленность освоила выпуск цветофотографических материалов обеспечив производственное применение цветных и спектрозональных аэрофотоснимков.

Для сгущения опорной геодезической сети по аэрофотоснимкам разработан метод пространственного фототриангулирования, аналитический вариант которого предусматривал выполнение громоздких вычислений на ЭВМ еще первого поколения (А.Н.Лобанов, 1952).

Интенсивное применение аэрофотосъемки в различных отраслях науки и народного хозяйства потребовало создания целого рядя институтов и специализированных предприятий. В 1929г. в Ленинграде был организован научно-исследовательский институт аэросъемки, первым директором которого был А. Е.Ферсман. Позже на базе слияния институтов аэросъемки (Ленинград) и геодезии и картографии (Москва) был создан Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии. В 1939г. для координации аэрометодических работ при Отделении геолого-географических наук АН СССР была создана комиссия по применению аэрометодов, которую возглавил А.Е.Ферсман. В 1944г. комиссия была преобразована в Лабораторию аэрометодов АН СССР (ЛАЭМ), которую с 1947г. возглавил Н.Г.Келль. В ЛАЭМ проведены большие работы по развитию аэрофотографии, фотограмметрии и применению авиации в различных направлениях, связанных с геолого-географическим изучением Земли. В связи с широким применением аэрофотосъемки в различных областях народного хозяйства назревает необходимость создания специализированных предприятий, для координации работ по ее внедрению и использованию: «Сельхозаэросъемка» (1931г.), «Аэрогеология» (1946г.), «Леспроект» (1947г.)

В послевоенные годы аэрометоды начали широко внедряться в различных науках о Земле. Становилась все более очевидным их высокая эффективность. Кроме того, аэрометоды расширяют диапазон электромагнитного спектра для съемок, на 60-е годы приходится применение тепловой и радиолокационной съемок.

Ракеты

История ракетостроения измеряется веками и до недавнего времени, вопрос авторства идеи создания первой ракеты с несколькими ступенями был открытым. Ясность в данный вопрос внесли в своей работе 1992г. белорусские историки А.М. Бельский и М.А. Ткачев.

В те времена, когда только в фантастической литературе появились первые описания воображаемых полетов человека с помощью последовательно срабатывающих пороховых ракет (Сирано де Бержерак «Путешествие на Луну» 1649г.). В столице Нидерландов Амстердаме (1650г.) в типографии Яна Янсона вышла книга «Вялікае мастацтва артылерыі» на латинском языке, автором которой был выходец из Беларуси Казимир Семянович. Объем этой книги составил 300 страниц с 206 иллюстрациями и 260 ссылками на литературные источники. Впоследствии она была переведена на французский, голландский и немецкий языки. Она состояла из трех разделов. Третий раздел книги полностью посвящен конструкции, производству и боевым характеристикам ракет, и в этом же разделе впервые было дано описание многоступенчатой ракеты. Кроме того в данном разделе К.Семянович дает описание батарейной ракеты с двигателями установленными по кругу, а также ракетного стабилизатора типа «Дельта». Это было единственное фундаментальное пособие по артиллерии и ракетостроению до конца 18 столетия. Английский переводчик Джорж Шелван (1929г.) писал: «Авторитет автора этой книги был и до сегодняшнего дня остается для ракетчиков и феерверкеристов священным».

В России первые упоминания об использовании ракет относятся к 1725г. Впервые съемка с ракеты была выполнена саксонским инженером Маулем. Его аппарат для съемки был размещен на пороховой ракете и имел ряд приспособлений, включая парашют для его спуска после экспозиции, а также гироскоп для стабилизации фотоаппарата. Фотографирование проводилось с высоты 500-600м. Однако в довоенные годы фотографирование с ракет широкого применения не нашли.

Первый запуск ракеты с жидким топливом был осуществлен американцем Робертом Годдартом в 1926г. В январе 1945г. была запущена немецкая двухступенчатая ракета А-4 (Фау-2), конструкции фон Брауна, которая впервые достигла космической высоты в 450 км. С 1945г. в России начато фотографирование с ракет. Осенью 1951г. впервые была запущена советская метеорологическая ракета МР-1 для измерения температуры, давления, плотности атмосферы и скорости ветра на высотах 80-90 км, а также впервые было выполнено фотографирование облачности.

С конца 1933г. в Москве начал работу Реактивный научно-исследовательский институт. В этом же году были осуществлены первые запуски отечественных ракет ГИРД-09 и ГИРД-Х. С 1947г. на исследовательских ракетах начали устанавливать научные приборы и фотографическую аппаратуру. Большой вклад в развитие ракетной техники внесли ученые и конструкторы В.П. Глушко (Ленинград) и С.П. Королев (Москва).

В США для фотографирования в исследовательских целях использовались ракеты У-2, Аэроби, Викинг и Атлас. В Англии, Австралии и Аргентине для изучения природных ресурсов Земли, запускались специальные ракеты «Скатлан» с аэрофотосъемочными камерами и «Хассельблад».

Однако вследствие ограниченности по времени и территории фотографических съемок Земли с исследовательских ракет это позволяло решать только задачи на локальном уровне и они не могли конкурировать с космическими летательными аппаратами. Поэтому ракеты как средство съемок Земли сыграли свою роль только на этапе подготовки фотографирования с ИСЗ.