Б.В. Шилин, доктор геол.-мин. наук; В.Н. Груздев -Научно исследовательский центр экологической безопасности Российской академии наук, Санкт-Петербург

Рассмотрены этапы развития, состояние и перспективы создания технических средств тепловой (инфракрасной) аэросъёмки и методик её применения при решении задач изучения природных ресурсов.

Моментом рождения тепловой аэросъёмки как метода изучения природных ресурсов и контроля состояния окружающей среды следует считать 1964 год, когда появилась статья В. Фишера «Тепловая аэросъёмка Гавайских вулканов». В ней впервые были приведены примеры применения тепловой аэросъёмки, причём была использована аппаратура – инфракрасный (ИК) сканер, разработанный первоначально для целей военной разведки.

В нашей стране развитие тепловой аэросъёмки связано с ГОИ им. С.И. Вавилова – впервые в 1967 году были проведены исследования вулканов и термальных поле Камчатки с опытным образцом ИК-сканера «Тепло-М». Следующий крупный этап был связан с лётными исследованиями опытного образца ИК-сканера 3Р в 1970 – 73 гг. Были выполнены большие объёмы экспериментальной тепловой аэросъёмки на Камчатке, Сахалине, трассе БАМ, в Казахстане, Средней Азии, Арктике, северо-западном регионе. Были разработаны основные положения методики тепловой аэросъёмки и интерпретации её результатов при изучении термальных полей и действующих вулканов, в гидрогеологии и инженерной геологии, мелиорации и ирригации, при борьбе с лесными пожарами, при изучении акваторий, снежно-ледяного покрова моря и суши и т.д. В этот же период были разработаны теоретические основы тепловой аэросъёмки – теплоинерционная модель формирования температурного поля земной поверхности.

Результаты этих исследований позволили разработать обоснованное техническое задание на первый серийный авиационный ИК-сканер для изучения природных ресурсов, и в 1977 году Азовским оптико-механическим заводом был выпущен первый образец ИК-сканера «Вулкан». Сканер выпускался заводом более 10 лет, и с ним связано широкое практическое внедрение тепловой аэросъёмки в народное хозяйство. Сканер имел настолько хорошие характеристики (геометрическое и температурное разрешение соответственно 1,7 мрад и 0,2 град и два канала 3-5 и 8-13 мкм), что в модернизированном варианте – цифровая запись, разрешение до 1,5 мрад – он и до настоящего времени успешно используется для решения экологических задач. Свои высокие эксплуатационные характеристики сканер «Вулкан» показал и за рубежом при экологических работах в Германии и при составлении карт пожаров угольных пластов в Индии. Основными недостатками сканера «Вулкан» являются большие масса и габариты оптической головки и неудобная жидкостная система охлаждения приёмников излучения. В связи с этим по техническому задания Министерства геологии Азовским оптико-механическим заводом в 1990 году были выпущены опытные образцы, а затем и малая серия нового одноканального ИК-сканера «Малахит», имеющего следующие технические характеристики:

спектральный диапазон, мкм - 8 – 13,

мгновенное поле зрения, мрад - не хуже 1,3,

температурное разрешение на фоне 20С при высоте полёта 500м и отношении сигнал/шум 1:1, С - не хуже 0,2,

поле обзора, угл. град. - 120,

максимальное отношение скорости полёта к высоте полёта - 1/с 0,2,

охлаждение приёмников излучения газовое компрессорное - замкнутое,

потребляемый ток от борт-сети 27 В совместно с преобразователем ПТ 1200Е, А - около 35,

Значения величин геометрического и температурного разрешения подтверждены материалами лётных испытаний. ИК-сканер был изготовлен в варианте моноблока с расположением на одной оси сканирующей четырёхгранной призмы и фотодиода блока фоторегистрации на 8-сантиметровую фотоплёнку, однако уже при первых лётных исследованиях на вертолёте Ми-8Т в 1995 году на Белом море была успешно использована система магнитной регистрации на специально доработанный видеомагнитофон. Аналоговые и цифровые системы магнитной регистрации позволяют существенно расширить возможности тепловой аэросъёмки и использовать современные методы обработки цифровой информации. В качестве примеров укажем на обработку данных на борту в реальном масштабе времени при борьбе с лесными пожарами, при поисках пропавших людей и транспортных средств и т.п., составление электронных фотомозаик при проведении площадной аэросъёмки и т.д.

За последние годы ИК-сканер «Малахит» помимо вертолёта Ми-8Т успешно эксплуатировался на самолётах Ан-26, Ил-38, Ан-2. Был сделан вывод, что технические характеристики сканера позволяют считать его наиболее экономически выгодной системой при выполнении производственных аэросъёмок. Так, по сравнению с ИК-сканером «Вулкан» контроль подземных систем теплоснабжения городов может проводиться с большей высоты – в два раза или более (200-300 м). При ширине полосы обзора 120 градусов (3,4 высоты полёта) это даёт более чем двукратную экономию лётного времени. Это весьма важно и при аэросъёмке линейных объектов, например, газопроводов, где могут идти параллельно несколько нитей, и поэтому необходимо выполнить аэросъёмку широкой полосы местности. Не идут ни в какое сравнение с «Малахитом» экономические показатели зарубежных универсальных ИК-сканеров с приёмниками матричного типа (Agema, Inframetrics и др.). Наилучшая с этих позиций камера Agema-1000 при разрешении 800 точек на строке аналогична ИК-сканеру “Малахит” с полем обзора 50 угловых градусов, то есть “производительность труда” в два с половиной раза ниже. Значительно хуже эксплуатационные характеристики этих приборов при работе в сложных условиях, например, в подвесных контейнерах или над открытыми фотолюками на больших высотах. Здесь эти системы просто выходят из строя, так как не удовлетворяют жёстким требованиям эксплуатации на авианосителях. Укажем, что ИК-сканер «Малахит» прекрасно работал на самолёте Ан-30 в подвесном контейнере на высотах полёта до 4000 метров.

Приведём некоторые примеры цифровых изображений, полученных ИК-сканером «Малахит». Рис. 1. Тепловой аэроснимок участка городской теплотрассы. При высоте полёта 200 метров хорошо видны плохо места неудовлетворительной изоляции и утечек теплоносителя (перед главным фасадом жилого здания). Высокое геометрическое и температурное разрешение теплового аэроснимка и большой захват на местности показывают, что сканером с такими характеристиками экономически целесообразно проводить площадную тепловую аэросъёмку городов для контроля состояния их систем теплоснабжения в короткие сроки фактически в реальном масштабе времени. Расчёты позволяют сделать вывод, что для аэросъёмки города с населением 1 млн. человек достаточно одного вылета самолёта Ан-30. Как известно, одной из главных проблем, стоящих в настоящее время перед жилищно-коммунальным комплексом, является сильная изношенность подземных сетей теплоснабжения в большинстве городов России. Проведение оперативной общей диагностики с помощью тепловой аэросъёмки даст возможность целенаправленно использовать имеющиеся ограниченные финансовые ресурсы на ремонт и замену теплосетей. Рис. 2. Тепловой аэроснимок масштаба примерно 1:15000 участка зимнего термобара в Ладожском озере. Тепловая аэросъёмка выполнена в декабре месяце при температуре воздуха минус 17 С и высоте полёта 300 м. За исключением прибрежной зоны озеро было свободно от льда. Хорошо видны характерные для термобара резкие границы тёплых и холодных вод. Аналогичные термальные границы были обнаружены тепловой аэросъёмкой и западного и у восточного берега озера, причём информации о существовании в озере зимнего термобара в литературе обнаружить не удалось. Как известно, термобар и его динамика играют важную роль в гидрологическом режиме озера, и обнаружение зимнего термобара внесёт сюда существенный научный вклад.

Многочисленные примеры применения тепловой аэросъёмки при изучении акваторий, в том числе при обнаружении загрязнений различных масштабов – от сбросов гидроохладителей атомных электростанций до сбросов городских коллекторов (рис.3) и сбросов нефтепродуктов – позволяют сделать вывод, что ИК-сканер «Малахит» должен стать ведущей системой в комплексе средств авиационного морского контроля.

Рис. 4. Ночной тепловой аэроснимок, полученный в западной части Краснодарского края при выполнении площадной тепловой аэросъёмки для целей поисков месторождений углеводородов. Такая аэросъёмка была выполнена впервые в отечественной практике. Полёты проводились на высоте 5000 метров по сети параллельных маршрутов с использованием спутниковой навигации, что позволило получить необходимое перекрытие между маршрутами и построить электронную фотомозаику. Предпосылкой применения тепловой аэросъёмки для этих целей является известный факт наличия больших по размеру и малых по амплитуде температурных аномалий над залежами углеводородов. Они могут быть обнаружены только на материалах ночной тепловой аэросъёмки с помощью специальных методов обработки. Так, на материалах аэросъёмки Краснодарского края обнаружены температурные аномалии на суше и на море над известными нефтегазоносными структурами / 5 /.

Рис. 5. Дневной тепловой аэроснимок стада северных оленей в зимней лесотундре на Кольском полуострове, полученный при высоте полёта 200 метров. Стадо движется по неширокой тропе (серии узких тропинок) на открытом пространстве и среди редколесья (в нижней части изображения). В условиях яркого солнечного освещения снежный покров имеет однородный холодный фототон; заментно нагретыми выглядят более плотные тропинки, отдельные деревья и их группы. Всё это создаёт заметную пестроту температурных контрастов на изображении, однако благодаря высокой чувствительности и геометрическому разрешению сканера это не мешает уверенному дешифрированию животных. Специальная программная обработка с выделением более высоких уровней температурного поля позволяет прямо на борту авианосителя получить изображение только стада оленей (рис. 6, и произвести их автоматический подсчёт). В настоящее время с помощью ИК-сканера «Малахит» ежегодно проводится учёт поголовья гренландского тюленя / 6 /.

Лётные эксперименты над Ладожским озером показывают, что отдельные люди и группы людей уверенно выделяются на льду при высоте полёта 200 метров. Таким образом, имеется реальная возможность поиск терпящих бедствие в ночное время, однако до сих пор тепловая аэросъёмка в системе МЧС реально не используется. Известный скептицизм здесь связан с тем, что сразу пошли по пути закупки импортных систем типа Agema и получили отрицательные результаты, обусловленные узким полем обзора системы. Приведённые конкретные материалы не исчерпывают возможностей ИК-сканера «Малахит». С большим успехом с его помощью может быть решён весь перечень указанных выше задач изучения природных ресурсов и контроля состояния окружающей среды.

За рубежом, в основном в Соединённых Штатах, при развитии тепловой аэросъёмки на первых этапах также пошли по пути создания одноканальных ИК-сканеров – фирмы Bendix, Singer, Texas Instruments. Однако с середины 70-х гг. стали создаваться серийные многоспектральные систамы с каналами ультрафиолетовог-видимого-ближнего инфракрасного-теплового диапазонов. Наиболее известны фирмы Daedalus и Geoph. Env. Res. (GER), США. В их системах тепловые каналы обычно представлены каналом 8 – 13 мкм, иногда дополнительно каналом 3 – 5 мкм, но известны сканеры с большим числом тепловых каналов. В качестве примеров укажем TIMS (шесть каналов в диапазоне 8 – 13 мкм) и DAIS-2815 ( три канала в диапазоне 3 – 5 мкм и 20 каналов в диапазоне 8 – 13 мкм). Большое количество каналов в диапазоне 8 – 13 мкм позволяет решать проблему определения вещественного состава объектов земной поверхности по изменениям коэффициента излучения, а каналы других диапазонов увеличивают достоверность данных тепловых каналов и расширяют круг решаемых задач.

В нашей стране в конце 80-х гг. Азовским оптико-механическим заводом была сделана попытка создания по техническому заданию Министерства геологии многоспектрального теплового сканера «Яшма ОМБ». Однако по известным финансовым причинам работы были прекращены на стадии создания оптико-механического блока, и с 1992 года НИИКИ ОЭП ВНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова, ВНИИКАМ и другие заинтересованные организации начали разработку многоспектрального сканера видимого-ближнего ИК-теплового диапазонов «Везувий ЭК» (главный конструктор Г.И. Ясинский). По оптической схеме он аналогичен ИК-сканеру «Вулкан» (два оптических канала с зеркальной оптикой, построенные по схеме Кеннеди), но за счёт использования последних достижений в области оптических технологий было улучшено температурное и геометрическое разрешение – последнее лучше 1 мрад. Прибор может быть реализован в модульном варианте – от 2-х канального до 32-х анального в диапазоне 0,3 – 13 мкм при замене модуля объектив-фотоприёмник. К настоящему времени созданы два опытных образца в двухканальном варианте с каналами в видимом и тепловом (8 – 13 мкм) диапазонах. Один образец имеет устройство внутренней калибровки обоих каналов. Неоднократные лётные испытания сканера «Везувий ЭК» на самолёте Ан-30 позволили получить изображения высокого качества (рис. 7) и подтвердили высокое энергетическое и геометрическое разрешение прибора. Сейчас реализуются следующие доработки сканера:

увеличение количества спектральных каналов, в первую очередь за счёт ближних ИК-диапазонов 1,2 – 1,5 и 2,0 – 2,5 мкм, важных для диагностики вещественного состава горных пород;

создание системы регистрации на базе скоростного АЦП и разработка программного обеспечения с введением в общий объём памяти данных GPS и гировертикали для устранения искажений за счёт эволюций авианосителя.

В принципе эти доработки могут быть завершены в короткие сроки, однако сканер «Везувий ЭК» существует только в двух опытных экземплярах и не сможет обеспечить возрастающие потребности в тематических аэросъёмках. Поэтому целесообразно сосредоточить доработки на серийном сканере «Малахит».

Многочисленные лётные испытания сканера «Малахит», его сравнения с другими сканерами («Вулкан», Agema, Inframetrics) позволили сделать следующие выводы:

-сканер имеет оптимальные соотношения массо-габаритных характеристик, размеров коллимирющей оптики и параметров приёмника излучения с точки зрения достижения высокой чувствительности и разрешения; разработка сканера с меньшими массой и габаритами приведёт к ухудшению чувствительности и разрешения;

-поэтому может быть рекомендована доработка сканера «Малахит» за счёт:

1). Установки приёмника с системой охлаждения по циклу Стирлинга, что в несколько раз уменьшит энергопотребление.

2). Установки двухцветного приёмника, что расширит возможности тепловой аэросъёмки при решении конкретных тематических задач. Например, канал 3 – 5 мкм увеличит достоверность интерпретации нагретых объектов типа лесных и подземных пожаров, систем теплоснабжения, действующих вулканов и т.д.

3). Уменьшения массы и размеров за счёт устранения платформы блока фоторегистрации. Все эти доработки могут быть реализованы в короткое время.

В направлении развития методики тепловой аэросъёмки основная цель на ближайшее время – разработка технологии измерительной тепловой аэросъёмки для решения обратной геофизической задачи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шилин Б.В., Гусев Н.А. Тепловая аэросъёмка вулканов Камчатки // Советская геология. – 1969. - № 5. – С.

2. Шилин Б.В. Тепловая аэросъёмка при изучении природных ресурсов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980. – 280 с.

3. Горный В.И., Шилин Б.В., Ясинский Г.И. Тепловая аэрокосмическая съёмка. – М.: Недра, 1993. – 128 с.

4. Шилин Б.В. Молодчинин И.А. Контроль состояния окружающей среды тепловой аэросъёмкой. – М.: Недра, 1992. – 76 с.

5. Горный В.И., Степанов И.В. Комплексирование тепловой многоспектральной и аэромагнитной съёмок при решении прогнозно-поисковых задач // Разведка и охрана недр. – 2001. - № 9. – С. 39–42.

6. Черноок В.И., Кузнецов Н.В., Яковенко М.Я. Мультиспектральная съёмка гренландского тюленя. – Мурманск: Изд-во ПИНРО, 1999. – 73 с.

7. Шилин Б.В. Первая международная выставка-конференция по самолётному дистанционному зондированию // Исследование земли из космоса. – 1995.- № 4. – С. 120-123