http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=56d15e74-3c38-46b0-aea2-d6966532f7f7&print=1© 2024 Российская академия наук
В Институте космических исследований РАН создана камера для съемок из космоса, аналогов которой в мире нет: она способна, что называется, за один присест запечатлеть 900 километров земной поверхности и увидеть невидимое
УЛЫБОЧКУ!
Спутники дистанционного зондирования Земли не новое изобретение, они запускались ведущими мировыми державами еще с 70-х годов в разведывательных, а потом и в коммерческих целях. Главная фишка каждого из них - камера. Именно от ее оптических характеристик зависит, как далеко, объемно и четко видит спутник. До сих пор ни одной камере не удавалось снять больше 70 километров земной поверхности за один раз. А уж тем более быстро передать четкую картинку на Землю. Дело в том, что снимки высокого и среднего пространственного разрешения имеют значительный объем (до нескольких гигабайтов) при весьма незначительной площади снятой территории.
Поэтому попытка регулярной съемки всей поверхности Земли до сих пор была обречена на провал, так как даже самые скоростные системы передачи информации не в состоянии поддерживать, а самые мощные серверы не в состоянии хранить такой объем информации. Например, спутники среднего разрешения Landsat-7 и Aster производят съемку одной и той же территории из расчета одна-две сцены в среднем за полгода. Спутники высокого разрешения Ikonos или OrbView справляются с этой задачей за один-два месяца.
В 2008 году спутник "Метеор-М" выведет на орбиту российскую камеру-сканер, которая ту же задачу сможет решить менее чем за неделю, да к тому же увидеть то, что недоступно "глазу" других аналогов. По сути специалисты Института космических исследований РАН разработали аппарат, который открывает линейку космических "сканеров" нового поколения.
В шесть глаз
Первый отечественный космический "глаз" - видеоспектрометр "Фрагмент" -собрали в отделе оптико-физических исследований ИКИ РАН в начале 80-х годов, он был установлен на модуле "Природа" пилотируемой станции "Мир". Сегодня даже в Интернете можно найти картинку Красной площади, снятой из космоса. На ней отчетливое изображение башен Кремлевской стены, Покровского собора, Мавзолея, Кремлевского дворца. Обыватель вряд ли догадывается о том, каким невероятным количеством витков спутника вокруг Земли и какими кропотливыми усилиями операторов был собран этот вид. "Спутник движется вокруг Земли по заданной траектории, которая называется солнечно-синхронной орбитой, что позволяет наблюдать земную поверхность, освещенную Солнцем под одним и тем же углом, - рассказывает ведущий конструктор отдела оптико-физических исследований ИКИ РАН Иван Полянский. - По мере вращения земного шара камера регистрирует изображение, "нарезая" поверхность планеты полосками, как кожуру апельсина". Расстояние между "небесными дорожками" спутника, проектируемыми на Землю, составляет на наших широтах 2100-2300 километров. За один облет стандартная космическая камера-сканер была способна охватить "зрением" не более семидесяти километров. Шестьдесят процентов земной поверхности оставалось вне зоны видения. Когда полосы изображения с камеры-сканера сбрасывали в космический Центр обработки информации, на экране оператора хорошо было видно, как шла одна полоса картинки, затем другая, а между ними просвет. При этом дистанционная съемка Земли из космоса часто зависела от облачности.
Новая камера работает совершенно иначе. И главное, она уникальна по охвату территории. "Сравните, - говорит заведующий отделом оптико-физических исследований ИКИ РАН Анатолий Форш, - в этой модели полоса съемки будет составлять 900 километров в отличие от прежних 70! Раньше на снимке не поместилась бы даже Москва, а теперь за раз - вся центральная Россия будет как на ладони". Однако сделать высокоточную камеру - полдела. Ученым предстояло создать аппарат, который смог бы работать в условиях космического безвоздушного пространства непрерывно в течение пяти лет. И это под воздействием радиации, солнечного ветра и ежедневных перепадов температуры... Несколько лет в институте шли испытания. Камеру подвергали вибрациям, ударам и падениям, перегрузкам на центрифуге. Ее I охлаждали до минус 70 и нагревали до 1 плюс 70. Испытания проводились в вакууме, где затруднен обмен тепла. Нужно было узнать, сможет ли камера справиться с нагрузками. Исследователи проверяли, не мешают ли камере радиоволны. Потом, наоборот, обставляли прибор высокоточными датчиками и смотрели, не станет ли он сам помехой для управляемой радиоэлектроники. Результат работы стоил затраченных усилий. Ведь камера получилась не только надежной, но и компактной -весит она всего три килограмма.
Теперь, когда испытания закончены, камера будет транслировать картинку со спутника в режиме непрерывной передачи, снимая полосу за полосой на освещенной стороне Земли в шести спектральных диапазонах. Как известно, человеческий глаз видит любую картинку рецепторами, чувствительными в красной, голубой и зеленой зонах диапазона оптического излучения. Вся современная техника, работающая с цветной картинкой -от телевизора до видеокамеры и компьютера, - устроена по образу и подобию человеческого глаза. Хитрость уникальной камеры-сканера в том, что "глаз" у нее... шесть. Именно столько чувствительных датчиков анализируют изображение в шести зонах видимого и невидимого спектра. "Датчики представляют собой линейки фотоэлементов на кремниевой основе, преобразующих свет в электричество, - рассказывает Иван Полянский. - Как известно, любой объект на Земле в зависимости от освещенности имеет свою цветовую температуру. Например, у желтых, красных, оранжевых объектов она низкая, у синих, голубых, фиолетовых - высокая". Сканирование Земли происходит одновременно несколькими чувствительными элементами. Картинка получается в виде шести изображений, и уже на земле они синтезируются. Монтироваться полученная информация будет в трех центрах приема и обработки информации - в Москве, Новосибирске и Хабаровске.
Супервидение
В стенах Института космических исследований привлекают внимание панорамы, украшающие его стены. Они необычной длины - такую картинку без компьютерного монтажа не снять ни одним фотоаппаратом в мире. Вид Москвы, пейзаж берега реки Оки и города Тарусы, "портрет" самого института, который сотрудники в шутку называют лежачим небоскребом. Но каждая из этих картинок - результат единственного "фотовыстрела". Эти возможности дал ученым "суперглаз".
Любой фотолюбитель знает, как сильно полет его творческой фантазии скован пресловутыми пикселями. Чем крупнее берешь план, тем выше зернистость фотографии. Чем дальше до точки съемки, тем более размытым получается выбранный объект. Но еще хуже увеличивать снимок на бумаге - вот уж где начинает резать глаз каждый пиксель! Зато церквушка на берегу Оки, снятая космическими физиками с расстояния в 2, 5 километра, имеет такое качество картинки, что виден каждый кирпич ее кладки. Более того, четкость сохраняется, даже если объект увеличить во всю стену. Секрет в информативности изображения. Если лучшие в мире цифровые фотоаппараты снимают картинку с разрешением до 40 мегапикселей, а обычные потребительские "мыльницы" - всего до 10, то наша российская суперкамера фиксирует картинку с разрешением аж в 600 мегапикселей! При этом она может передавать 65 тысяч оттенков яркости каждого цветового канала. Впрочем, и "весит" в компьютерной памяти такая картинка больше гигабайта, почти целый компакт-диск. Зачем нужен "суперглаз", видящий даже те цвета, что не под силу человеческому глазу? Оказывается, прежде всего для распознавания и классификации объектов. Представим себе, что леснику нужно провести ревизию угодий. Если он попробует с помощью стандартной фотосъемки местности разобраться, где растет клен, а где орешник или ольха, то у него скорее всего ничего не получится. Породы деревьев, снятые даже на дорогостоящую цветную аэрофотопленку, с высоты птичьего полета выглядят одинаково зелеными. Другое дело - проведенная по особому заказу спектрозональная съемка лесного массива из космоса, которая наглядно продемонстрирует, "что есть что". Инфракрасную березу вы уже не перепутаете с осиной, а лиственницу - с елями и соснами. И более того, сможете отличить здоровые деревья от больных, а также увидеть экологически неблагополучные участки с повышенной загрязненностью воды и почвы.
Возможности, открывшиеся перед наукой при помощи сканера нового поколения, впечатляют. Одно из направлений, значимость которого растет день ото дня, - экология. Камера-сканер позволит отслеживать загрязнение воды, задымленность атмосферы, видеть нефтяные разливы. Спектр картинки даст возможность оценить состояние лесов, увидеть, где начинается крупный пожар, где - засуха. Это относится и к мониторингу экологической обстановки в океане. Если вода по какой-то причине поменяла цвет, это сразу будет видно.
Очевидна и другая сфера применения камеры - метеорология. Прогноз погоды - штука сложная. Есть физические величины вроде температуры и силы ветра, которые можно измерить прибором, а есть и такие, где нужна картинка. Вскоре метеорологи получат не просто цветное изображение, а и очень точное во всех оттенках. Имея много разрозненной отрывочной информации, обобщенной на уровне картинки, они, возможно, наконец-то перестанут ошибаться в прогнозе погоды. Ученые из ИКИ РАН почти уверены в том, что именно их высокоточная космическая камера прольет свет на загадочные и опасные явления природы, такие как торнадо, смерчи и цунами. Во всех перечисленных случаях атмосферный воздух заряжается электричеством. А новая камера позволяет видеть невидимое - ионосферу, или заряженную часть атмосферы. Это означает, что человечество получит в свои руки новый ключ для управления опасными природными стихиями.
Поможет новая съемка, кстати, и в хозяйственных целях - при планировании строительства. Разве не пригодятся проектировщикам карты местности, снятые одним планом, где можно будет разглядеть буквально каждый камень? Это дорогое удовольствие, но ведь сейчас, например, нашу столицу ежегодно фотографируют с воздуха, чтобы контролировать развитие городской территории, в том числе и появление несанкционированных объектов - свалок мусора, гаражей-ракушек... Такая съемка тоже стоит дорого и доступна не многим городам, хотя нуждаются в ней почти все. Теперь контроль может стать не только более тщательным, но и масштабным. Да мало ли областей, где понадобится высокоточная съемка широких планов? Правда, простым фотографам о таких "игрушках" придется, увы, пока лишь мечтать. Но ведь научно-технический прогресс на то и прогресс, чтобы делать мечты явью.