Возможности использования спутниковых данных для выявления подземных сооружений

1.Дистанционное зондирование

Дистанционное зондирование с искусственных спутников имеет широкий спектр применения и, считается все более важной технологической составляющей в вопросах исследования поверхности Земли, решения экологических, метеорологических, навигационных и других задач. Тем не менее, еще существует большая необходимость в интеграции данных, полученных из различных источников в разные периоды времени. Одной из таких, очень важных задач является исследование вопросов распознавания и выявления на местности подземных сооружений и коммуникаций.
Для этой цели необходимо использование спутниковых (включая Landsat) датчиков среднего и высокого разрешения в соответсвующих диапазонах спектра. В дальнейшем, необходимо использовать также и спутниковые космические снимки, в том числе и с азербайджанского низкоорбитального спутника “AzerSky”. Следует отметить, что наличие или отсутствие подземных сооружений или коммуникаций в результате изменения спектрального признака растительности на всех фенологических стадиях (спектральный признак spectral signature - процесса отражения или поглощения объекта по длинам волн) делает возможным обнаружение участков, поверхность которых покрыта естественной почвой. Для этой цели используется Нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI – Normalized Difference Vegetation Index, простое соотношение - SR – Simple Ratio, Повышенный индекс растительности EVI – Enhanced Vegetation Index, и индекс вегетации VI – vegetation index (Рис.1 - 4).
Следует отметить, что индекс растительности SR чрезвычайно полезен для определения исследуемых областей.

2. Методы получения данных.
Для получения данных можно использовать радиационные методы измерений, метод сейсмических исследований, метод магнитного поиска, метод измерения гравитации, метод электродиагностики, метод электрической разведки.
Для интерпретации данных дистанционного зондирования необходимо знать взаимодействие электромагнитного излучения различных материалов на земной поверхности. Как известно поток энергии, падающий на поверхность Земли, подвергается по законам оптики различным изменениям: отражению, поляризации, рассеянию, преломлению света. В процессе взаимодействия со световым излучением почва также может изменяться. С физико-химической точки зрения - изменяются энергетические ресурсы, происходят фотохимические процессы, изменяется скорость различных реакций, биологическая активность и т.д. Взаимодействие зависит от оптических свойств почвенной среды, способности отражать, поглощать, разделять электромагнитные колебания оптического диапазона. Можно написать уравнение баланса который имеет следующий тип для любого процесса обмена энергией между системой и излучением. Таким образом, I- энергия, падающая на поверхность почвы:

где R - отраженная энергия, T-пропущенная энергия, А – энергия, которая поглощается поверхностным слоем почвы. R представляет видимое освещение и цвет грунта, Т - обеспечивает освещение на определенной глубине, А – часть энергии, которая идет на нагревание грунта. Каждому параметру из уравнений (1) соответствует свой коэффициент: r-коэффициент отражения, a - коэффициент поглощения, t - коэффициент высвобождения. Коэффициенты определяют долю этого компонента в общем потоке источника, выраженную в процентах.
Эти взаимодействия, происходящие в любых телах, зависят от атомной, молекулярной и кристаллической структуры тела и длины волны входящей энергии. Геометрическая форма объекта, с которым взаимодействует излучение, занимает важное место в отражении энергии. Почвы отражают до 90% падающей солнечной энергии (Михайлова Н.А., Орлов Д.С.1986). Отражение света почвами подчиняется основным законам оптики, но при этом имеет свою специфику. Из оптики и кристаллооптики известно, что существует несколько видов отражения. Отражение солнечной энергии соответствует основным законам оптики, но при этом имеет свои особенности. Почвы отражают до 90% падающей солнечной энергии.Более распространенным является смешанный тип отражения, диффузный и зеркальный (направленно-рассеянное). В этом случае индикатриса рассеяния является результатом смешения сферической и удлиненно-эллипсоидальной форм (рис.5,б). Направленно-рассеянное отражение характерно для почв, большинства горных пород, других природных объектов.

3. Получение необходимых данных с помощью космических изображений.
Методы дистанционного зондирования применяются во многих областях, включая географию. гидрологию, экологию, океанографию, геологию и др. Их также, можно применять в военной, интеллектуальной, коммерческой, экономической, гуманитарной областях. В современном использовании эта область науки предполагает применение аэросенсорных технологий для идентификации и классификации объектов с помощью сигналов электромагнитного излучения, записанных на Земле (как на поверхности земли, так и в атмосфере и океанах) (Arnold, R. H., 1997, и Kavzoglu, T., Colkesen, I., 2011).
Обнаружение подземных сооружений и объектов, особенно, когда их поверхность покрыта грунтом, растительностью или чем-то другим - сложный процесс. Однако также их можно выявлять по данным радиационных измерений со спутников, космическим снимкам и аэрофотоснимкам.
Подземные сооружения, в том числе и археологические объекты, по-разному влияют на окружающие их ландшафты через влажность почвы, степень дренажа, состава и вегетации растительности. Развитие растительности можно наблюдать с помощью образцов, взятых над почвой (crop mark), и эти образцы могут быть сопоставлены с информацией, полученной с космических изображений, и использованы для демонстрации существования подземных сооружений.
В случае невозможности получать образцы с поверхности, возникает необходимость использования космических изображений. Так, с помощью космических изображений и 3D (DEM – Digital Elevation Model или ЦМР – цифровая модель рельефа) модели местности определяются не подходящие области для выявления подземных сооружений. Водотоки и водосборные бассейны не считаются благоприятными местами для существования подземных сооружений. В зависимости от этого с помощью модели DEM рассчитываются направления водных потоков и водоразделов. Полученные результаты позволяют вывести из области исследований неподходящие участки, и объем работ по использованию космических снимков сокращается. На следующем этапе определяется температурная изменчивость почвы. Так, в местах с подземными сооружениями показатели температуры, как правило, отличаются от других.
Затем в сочетании с другими данными, рассчитываются нормализованный разностный индекс растительности (NDVI – Normalized Difference Vegetation Index), простое соотношение (SR – Simple Ratio) , усиленный индекс растительности (EVI – Enhanced Vegetation Index) и индекс растительности (VI – vegetation index).
Как известно, в местах с подземными сооружениями не возможно развитие высоких деревьев. В то же время, в этих местах растительный покров будет отличаться от растительности в других областях из-за различия температур.
Именно это различие и информация, полученная с помощью других методов, объединяются для определения подземных структур. В этом вопросе “простое соотношение” (SR – Simple Ratio) занимает важное место.
Простое соотношение (SR) - это общий показатель вегетации для оценки развития растительности. Это доля света, рассеянного в ближнем инфракрасном диапазоне и поглощенного в красных каналах спектра:

Как видно из рисунка 6, спектральные характеристики растений и влажной почвы различны. Это различие еще больше упрощает спектральную идентификацию растений с влажной почвой осенью и весной. Различные спектральные индикаторы, которые растения излучают в течение вегетационного периода, всегда ниже, чем спектральные индикаторы влажной почвы.

Достижения в области космических технологий за последнее десятилетие, а также усовершенствование сенсорных функций аппаратуры, таких как более высокое пространственное разрешение и гиперспектральные данные, открыли новые возможности для дальнейших исследований.
В дистанционном зондировании для обнаружения подземных сооружений важную роль играет спектральный анализ (Arnold, R. H., 1997, и Kavzoglu, T., Colkesen, I., 2011). Различные методы геофизической обработки, такие как GPR (Ground Penetrating Radar) и оборудование - магнитометр и резистивность, обычно используются для повышения успешности обнаружения подземных разрушений.