Из всех компонентов природы растительность наиболее чувствительна ко всевозможным воздействиям, и поэтому с полным правом считается лучшим естественным показателем или, как говорят, индикатором состояния окружающей природной среды.
Надо сказать, что спектральные характеристики и отражательная способность растений в целом зависят от оптических свойств листьев, стеблей и других элементов, от их ориентации и структуры. По мере развития растений увеличивается их биомасса, то есть в них накапливаются хлорофилл и другие пигменты, что, в свою очередь, приводит к изменению поглощательной и отражательной способностей посевов. Изменение спектров яркости сельскохозяйственных культур в процессе их вегетации при общих закономерностях происходит по-разному. Так, коэффициент спектральной яркости (КСЯ) всех растений почти одинаков в первый период вегетации. Кроме того, выяснилось, что отражательная способность зависит от объемной плотности фитоэлементов — посевы с разной вегетативной массой имеют разную спектральную яркость. Таким образом, по КСЯ можно оценивать физиологическое состояние растений, следить за их развитием, определять видовой состав этих сообществ, регистрировать очаги поражения, прогнозировать урожайность.
Этому выводу предшествовали тщательные исследования. В частности, на полях Калужской области в 1978—1979 годах изучалась зависимость КСЯ красного клевера, картофеля, кукурузы и овса от высоты солнца. Во время измерений эти культуры находились в следующих стадиях развития: красный клевер был в фазе цветения, картофель — в периоде интенсивного клубнеобразования, кукуруза — в фазе выметывания метелки и овес — в стадии колошения. Измерения проводились с вертолета — винтокрылая машина «зависала» над нужным объектом на высоте 25—30 метров — и время наблюдения каждого объекта составляло 30—40 секунд. Этот предварительный эксперимент показал, что величина КСЯ изменяется в течение дня и зависит от соотношения между прямой и рассеянной радиацией, то есть от высоты солнца над горизонтом.
Вследствие многих исследований растительности оптическими методами выяснилось, что на фотометрические признаки растений не влияют внешние и технические условия съемки. Проверка этого вывода была осуществлена на материалах многозональных съемок тестового участка в Курской области. Съемки проводились на посевах озимой и яровой пшеницы несколько раз в вегетационный период в течение трех лет. При этом растения изучались в течение всех фаз развития: всходов, кущения, выхода в трубку, колошения, молочно-восковой спелости, полной спелости и по стержневым остаткам. И сегодня уже могут быть разработаны системы дистанционных методов и аппаратура для непрерывного контроля за состоянием, в частности, посевов тех или иных сельскохозяйственных культур как на территории отдельных регионов, так и в более крупных масштабах.
Широкое применение аэрокосмическая информация находит и при исследованиях, например, природных ресурсов Сибири и Дальнего Востока. По осуществляемой ныне комплексной программе «Сибирь» ее используют во многих направлениях, в том числе и для исследования ресурсов растений на всей огромной территории к востоку от Уральских гор.
Аналогичные работы проводятся и за рубежом. В июне 1980 года в Будапеште состоялся симпозиум Комитета по космическим исследованиям при Международном Совете научных союзов (КОСПАР), посвященный дистанционным методам изучения почв и растительности, где говорилось, в частности, о том, что после завершения экспериментов по распознаванию сельскохозяйственных культур на больших площадях, которые проводились в минувшем десятилетии, была начата новая аналогичная программа по разработке и применению методов прогнозирования урожайности различных сельскохозяйственных культур — пшеницы, ржи, картофеля и других. Эта новая программа рассматривается как очередной этап в развитии космического природоведения.
На симпозиуме была рассмотрена модель формирования спектра отражательной способности растительного покрова, которую предложил Сьетсен. Основу этой модели, исходящей из разработки советского ученого Ю. К. Росса и его сотрудников из Института астрофизики и физики атмосферы Академии наук Эстонской ССР, составляет использование теории переноса излучения в рассеивающей и поглощающей среде.
Одним из наиболее информативных параметров, характеризующих развитие растительного покрова и урожай, является индекс площади листьев (ИПЛ) с учетом лишь одной их стороны на единицу площади почвы. Поскольку поле отраженной радиации многих сельскохозяйственных культур образуется преимущественно за счет листьев, то особо важное значение приобретают исследования их оптических свойств и пространственной ориентации.
Модель Сьетсена, устанавливающая взаимосвязь между ИПЛ и углами наклона листьев, позволяет связать статистические характеристики структуры растительного покрова с ИПЛ, который является индикатором развития растительности. Поэтому в течение той части периода вегетации, когда цвет растительности практически неизменен, показателем динамики является степень несомкнутости покрова, то есть доля площади почвы и ИПЛ. До момента максимального развития растений между этими индикаторами существует тесная взаимосвязь, и только при созревании сельскохозяйственных культур, когда начинает меняться цвет растительности, появляется новый индикатор. Наиболее чувствительным показателем структуры растительного покрова является КСЯ в ближней инфракрасной зоне спектра электромагнитного излучения.
Говоря об измерениях, которые были осуществлены учеными и исследователями в рамках эксперимента по распознаванию урожая на больших площадях, следует отметить, что они были выполнены на больших площадях, занятых посевами различных сельскохозяйственных культур — над полями озимой и яровой пшеницы, кукурузы, сорго, люцерны и овса. Здесь было установлено, что динамика КСЯ в период роста и развития зерновых характеризуется на первом этапе (стадия несомкнутого растительного покрова) совместным вкладом почвы и растений в формирование поля яркости. По мере развития растительности происходит возрастание КСЯ в ближней инфракрасной области спектра и одновременный спад КСЯ в видимом диапазоне за счет поглощения радиации пигментами растений (главным образом хлорофиллом).
В этот период усиливается также поглощение радиации водой, содержащейся в листве. Во время увядания растительности уменьшается содержание хлорофилла и изменяется содержание и соотношение других пигментов. В результате происходит рост КСЯ в видимом диапазоне.
Во время этого же эксперимента исследователям с помощью спутников удалось выявить повреждения насаждений непарным шелкопрядом, а также осенние повреждения пяденицей. С помощью космической съемки было проведено картирование полей хлопчатника (идентифицированы с точностью 63 процента) для контроля за распространением розового коробочного червя и организации борьбы с ним.
Надо сказать, что дистанционные методы применяются не только для непосредственного наблюдения поражений растительности, но и для предсказания условий, благоприятных для возникновения и распространения болезней и вредителей. Для такого рода прогнозов осуществляют дважды в день сбор данных о температуре, влажности, осадках и других показателях.
Об интересных исследованиях, также проводившихся в этой области, доложили на симпозиуме в Будапеште индийские ученые. Они сделали обзор результатов лабораторных и полевых исследований спектральных отражательных способностей различных природных образований — растительности, почвы, горных пород. Проведенные ими измерения КСЯ на полях с посевами пшеницы, хлопка, маиса и других сельскохозяйственных культур показали, что по мере развития растительного покрова происходит повышение КСЯ и в ближней инфракрасной области спектра. Отсюда следует, что и по отношению яркостей можно проследить динамику развития сельскохозяйственных культур. Анализ КСЯ пшеницы и сахарного тростника выявил также возможность распознавания заболеваний сельскохозяйственных культур. Оказалось, что чувствительным индикатором состояния растительности является разность температуры растительного покрова и температуры воздуха. В нормальных условиях развития, например, пшеницы эта разность либо равна нулю, либо отрицательная. В условиях же дефицита влаги она больше нуля и достигает иногда 10—12 градусов.
В Индии также разработали метод прогноза появления на посевах пшеницы возбудителей стеблевой ржавчины, споры которых распространяются ветром и осаждаются на растении с дождевыми каплями. Этот метод позволяет предсказывать район появления болезни за 40—45 дней вперед. В Алжире в 1971 году был разработан проект использования космических данных для борьбы с саранчой, который получил затем распространение и в других странах Северо-Западной и Западной Африки, а также Среднего Востока.
Космическая информация служит особенно эффективно, когда она используется для борьбы с вредителями растений совместно с наземными и аэрологическими службами, имеющими на вооружении сложнейшую технику, в том числе и радиолокацию, которая успешно применялась, например, для контроля за движением опасного вредителя растений — восточной плодовой мухи — из Индонезии в Северную Австралию. Оказалось, что с помощью радаров мигрирующих насекомых можно выявлять в воздухе и после захода солнца. Наблюдения показали, что они, двигаясь, как правило, по направлению ветра, за несколько часов преодолевают десятки и сотни километров. Иногда удается проводить оценку даже числа и плотности популяций насекомых, а путем анализа отраженного сигнала (эхо) выявлять отдельные, более крупные, виды на расстоянии до 1,5 километра. Было установлено, что характер электронного эха зависит от частоты взмахов крыльев насекомых, а так как число взмахов у бабочки отличается от числа взмахов у тлей, появляется возможность определять таким путем и вид насекомых-вредителей. Отдельных тлей радары обнаруживают на расстоянии до 270 метров, а их скопления — до 72 километров.
Не менее перспективно применение для дистанционных наблюдений инфракрасных термометров. За рубежом, например, создан специальный инфракрасный пистолет, чувствительный к тепловой радиации от листьев растений, переводящий поток энергии в показатели температуры. С помощью этих датчиков специалисты проводят сейчас наблюдения за температурой пшеницы в период колошения (для прогнозирования будущего урожая). В дальнейшем такие же наблюдения предполагают проводить на посевах люцерны и хлопчатника. Специалисты считают, что такого рода исследования могут быть полезными для определения будущего урожая больших ферм, сельскохозяйственных районов и в глобальном масштабе.
Основная выгода от применения дистанционных, в том числе и космических, методов наблюдения, как уже отмечалось, состоит в исключительной точности измерений без повышения расходов, связанных с наземным обследованием. Кроме того, они способствуют сокращению сроков проведения работ при снижении затрат. Так, например, раньше для организации борьбы с розовым коробочным червем зачастую необходимо было ежегодно обследовать в критическое для развития вредителя время многие тысячи гектаров посевов хлопчатника.
При помощи спутника на получение необходимой информации ныне затрачивается всего по несколько человеко-часов в декабре, феврале и марте, что конечно же несравнимо со временем, необходимым при проведении наземного обследования.
В этой связи интерес представляет опыт сравнительной классификации посевов пшеницы, кукурузы и некоторых других сельскохозяйственных культур по данным космических и наземных измерений, проведенный несколько лет назад. Он показал, что в мае — июне — в конце периода созревания для пшеницы и в начале — для кукурузы, данные наземных измерений обеспечивают более надежную информацию, чем космических, а в августе, когда период созревания кукурузы заканчивается, а у соевых бобов еще продолжается, предпочтительнее оказывается космическая информация.
Интересные результаты многозональной аэрокосмической съемки сельскохозяйственных культур были получены кубинскими учеными. Как известно, на I съезде компартии Кубы были приняты «Тезисы и резолюции», которые в числе других мер по развитию экономики страны предусматривали исследования ее природных ресурсов с использованием аэрокосмических средств. В связи с этим в 1977 году был проведен первый научный эксперимент «Тропик-1» по многозональной аэрофотосъемке в видимой и ближней инфракрасной области спектра. В задачи эксперимента входило: дешифрирование полей сахарного тростника и определение его состояния в разных стадиях развития; определение типов почв и их основных характеристик — влажности, температуры, засоленности; выяснение связей между растительностью и элементами ландшафта; изучение морских течений и осадочных процессов, а также речных русел, развивающихся в условиях карстового и расчлененного рельефа.
Для проведения этого эксперимента были выбраны четыре полигона с наиболее характерными природными условиями. На ключевых участках каждого полигона, кроме аэроисследований, проводились многосторонние наземные исследования, причем объектами съемки были геологические образования, почва, растительность, сельскохозяйственные культуры, береговая зона и некоторые реки. Размеры этих участков подбирались с таким расчетом, чтобы они хорошо различались на снимках. По полученным материалам был выполнен ряд исследовательских и практических работ. Так, на снимках мелководных участков провинции Пинар-дель-Рио были четко выделены подводные валы, отмели, подводное русло, каналы и каньоны. Здесь хорошо опознавались большие скопления водорослей и водных растений. Другие снимки, отличавшиеся высоким пространственным разрешением, оказались наиболее пригодными для выявления мелких контуров. На них хорошо определялись посевы, лесные массивы, береговая мангровая растительность. По инфракрасным снимкам четко дешифрировалась береговая линия рек, озер, водохранилищ и морей. Многозональные аэроснимки были использованы для дешифрирования основных типов почв и их границ. Эти результаты были использованы для уточнения почвенной карты района Гаваны.
Первый опыт использования многозональной аэрокосмической съемки для изучения природных ресурсов Кубы принес столько материала, что возникли трудности с его оперативной обработкой. Поэтому второй подобный эксперимент в 1978 году был значительно ограничен по площади. Съемки на этот раз производились лишь в западной части Кубы на хорошо изученных участках. Многозональные съемки с годовым интервалом позволили выполнить исследования по динамике некоторых природных и экономических объектов. Полученный материал позволил начать составление единой межотраслевой программы комплексного использования космической информации.
В июле 1978 года во время полета международного экипажа в составе советского и польского космонавтов на орбитальной станции «Салют-6» был проведен эксперимент по программе дистанционного зондирования Земли под названием «Земля», подготовленный советскими и польскими специалистами. Он состоял из двух частей — «Телефото-78» и «Океан». Основной задачей эксперимента было визуальное наблюдение и фотографирование определенных районов земной поверхности и океана с помощью многозонального космического фотоаппарата МКФ-6М. В этом эксперименте, который проводился в рамках программы «Интеркосмос», участвовали Институт космических исследований Академии наук СССР (ИКИ АН СССР), Центральная лаборатория космических исследований Венгерской Академии наук, Центральный институт физики Земли Академии наук ГДР, Институт электроники Академии наук ГДР, Институт космических исследований природных ресурсов Академии наук Азербайджанской ССР, Центр космических исследований Академии наук Польши, университеты Варшавы, Вроцлава, Познани, Польский институт геодезии и картографии. Эксперименту «Телефото-78» предшествовала подготовительная работа, которая заключалась в выборе районов предстоящих исследований, а также в предварительном анализе имеющихся карт этих районов, подборе их физико-географических описаний и составлении тематических карт — геологических, геоморфологических, почвенных, гидрографических, сельскохозяйственных и других.
Комплексное аэрокосмическое фотографирование включало, кроме многозональной космической съемки с борта орбитальной станции «Салют-6» камерой МКФ-6М, черно-белую аэрофотосъемку с высоты 10 000 метров камерами МКФ-6М с адаптером и МВ-470, а также телефотометрическую съемку многоспектральной сканирующей системой и топографическую черно-белую аэрофотосъемку с той же высоты. Кроме того, с высоты 4500 метров проводилась топографическая черно-белая аэрофотосъемка, а с высоты 2500 метров — многозональная аэрофотосъемка камерами МКФ-6М и МВ-470 и топографическая черно-белая аэрофотосъемка. Съемка с высот 4500 и 2500 метров проводилась с самолета-лаборатории АН-30, оборудованной ИКИ АН СССР. Одновременно с аэрокосмическими исследованиями велись наземные метеорологические наблюдения, измерения влажности почв, описание видов и состояния сельскохозяйственных культур, выращиваемых в этих районах, а с помощью наземных спектрометров определялись их коэффициенты спектрального отражения. На основе многозональных аэрофотоснимков были оценены возможности распознавания разных видов возделываемых культур, определены структуры самих культур и состояние земель полигона «Шрода-Шлепская». Эти работы позволили проанализировать возможность определения растений на многозональных аэрофотоснимках. Во время исследований были определены и виды древостоя, а также разработана методика создания топографических карт стереограмметрическим способом по снимкам разных каналов. Эти работы и их первые результаты свидетельствуют, что все материалы космических съемок и измерений были успешно применены в научных целях и в различных отраслях народного хозяйства. При обработке снимков удалось также провести классификацию по спектральным признакам озимого ячменя, сахарной свеклы и ржи с точностью примерно 90 процентов. Кроме того, по ним удалось выделить следующие 6 классов использования земель: застроенные территории, леса и озелененные участки, водные пространства, бросовые земли, сельскохозяйственные территории с крупным хозяйством. Причем важно отметить, что определение всех этих данных было произведено значительно быстрее и обошлось дешевле, чем при непосредственном обследовании на местности, да и сами снимки позволили получить такую качественно новую информацию о состоянии объектов и явлений, какую нельзя получить никакими другими средствами.
Очень примечательны и другие факты роста значимости космических методов и средств для сельского хозяйства. Так, только за первые два года работы на орбите пилотируемой станции «Салют-6» была выполнена обширная программа исследования природных ресурсов и изучения окружающей среды. Получено около 9 тысяч космических фотографий, из них 2 тысячи были переданы научным организациям в ЧССР, ПНР и ГДР. Очень результативным было также пребывание на «Салюте-6» всех международных экспедиций посещения. Вот, например, какие работы в области сельского хозяйства проводила из космоса одна из них — советско-монгольская.
Полет экипажа в составе космонавтов В. Джанибекова и Ж. Гуррагчи по программе «Интеркосмос» в марте 1981 года явился составной частью широкого сотрудничества советских и монгольских ученых.
Во время полета советско-монгольского экипажа в числе других проводился и эксперимент «Гоби». Суть его состояла в исследовании Большого Гобийского заповедника. «Надо сказать, — писала по этому поводу «Правда» 27 марта 1981 года, — что в обычаях монголов бережно относиться к своей природе… В республике создано 11 заповедников. Большой Гобийский, соответствуя названию, принадлежит к крупнейшим».
На Земле за ним давно уже наблюдает комплексная советско-монгольская экспедиция. Теперь к ней присоединилась экспедиция космическая. Что интересовало исследователей? Многое. Выявлялись ресурсы полезных растений. Животный мир. Оценивались метеоусловия, например, сила ветра, опесчаненность атмосферы. Изрезанность участков наблюдения старыми руслами — по ним косвенно можно судить о характере выпадения осадков, а практически они принимаются в расчет при строительстве дорог, линий связи.
Эксперимент «Биосфера-Мон», также проводившийся этим экипажем, включал полтора десятка исследований по геологии, биологии, гидрологии, ботанике. Одно из них называлось «Пастбища». О нем давал пояснения корреспонденту «Правды» старший научный сотрудник Ботанического института Академии наук Монголии Б. Дашнян. Прежде чем начать свой рассказ, он развернул карту пастбищных угодий страны, которая была сделана на основе космических снимков, и пояснил, что регулярный контроль за участками, которые намечены ныне для зондирования с орбиты, ведется на Земле уже примерно 40 лет. «Очень интересно сопоставить свои выводы с результатами, которые привезут космонавты, — сказал ученый, — практическая их ценность понятна каждому монголу. Ведь пастбищное животноводство в республике продолжает развиваться. Мы хотим лучше понять закономерности зональных смен растительности, выявить основные ее типы, полнее учесть кормовые ресурсы в труднодоступных районах. Естественная растительность с орбиты исследовалась пока мало. Надеемся, что космонавты крепко помогут нам. Между прочим, одним из тестовых участков, съемка которых запланирована, избран Булганский аймак.. Гуррагча оттуда родом…».
Для развития животноводства Монголии, занимающей пятое место в мире по количеству скота на душу населения, огромное значение имеет инвентаризация пастбищ, анализ состояния сенокосных угодий, прогноз кормовой базы на различные сезоны года. Задания «Пастбища», «Зааг» и некоторые другие, которые выполнялись космонавтами, служили этой цели. Как рассказал президент Академии наук МНР, председатель Национального совета космических исследований академик Б. Ширендыб корреспонденту «Известий», космическая съемка дает возможность определять мероприятия по охране и восстановлению пастбищ, создавать разумную схему сезонного их использования, развития колодезной сети, отгона скота. Дешифрирование спутниковой информации уже помогло выделить участки, перспективные для выращивания зерновых культур, овощей, фруктов, а кроме того, приковала внимание к участкам, затронутым эрозионными процессами. «Космические исследования, проводимые с участием нашей страны, — добавил Б. Ширендыб, — на базе советских искусственных спутников, позволяют точно прогнозировать погоду, что имеет особое значение не только для животноводства и земледелия, но также для строительства, авиации, для разных отраслей народного хозяйства».
Как отмечал в «Правде» 28 марта 1981 года научный сотрудник госцентра «Природа» кандидат технических наук А. Д. Коваль, во время пребывания международных экспедиций посещения на станции «Салют-6» регулярно проводилось картографирование лесов и сельскохозяйственных угодий в интересах прогнозирования их продуктивности на территориях стран-участниц, определялись характеристики гидрографической сети и т. д. Для каждого эксперимента были разработаны конкретные программы и картограммы с указанием районов и условий съемок, бортовая документация. Международные экипажи прошли в Центре подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина специальную подготовку по космическому природоведению, изучили методику визуальных наблюдений и фиксации результатов, устройство переносной фотоаппаратуры и камер МКФ-6М и КАТЭ-140, а также широко применяемого спектрометра «Спектр-15».
В результате международных экспериментов по исследованию Земли специалисты получили для анализа несколько тысяч космических снимков, записи в бортжурналах, рисунки, кассеты со спектрограммами и оперативные сообщения с борта по радиоканалам.
И еще один пример. Когда в апреле 1981 года завершалась пятая неделя полета В. Коваленка и В. Савиных на борту комплекса «Салют-6» — «Союз-14», газеты отметили, что экипаж продолжал сбор информации о минерально-сырьевых ресурсах Земли, об условиях мореплавания в акватории Мирового океана, проводил оценку загрязненности и состояния природной среды промышленных районов и крупных городов. При помощи фотоаппаратов МКФ-6М и КАТЭ-140 космонавты вели фотосъемку не только отдельных районов территории Советского Союза, в частности, южных республик, но и альпийских лугов и других пастбищ, пригодных для выгула скота. Подобными наблюдениями космонавты начали заниматься еще при первых полетах на орбитальных станциях, а когда Г. Гречко и Ю. Романенко вернулись из космоса, выяснилось, что результатами их наблюдений пользовались в Казахстане, Киргизии и Таджикистане.
Естественно, что следующие экипажи станции продолжили исследования для нужд сельского хозяйства — они сообщали данные о состоянии полей, о грунтовых водах. Несколько раз за время своего полета В. Рюмин и Л. Попов, например, сообщали, что в тех или иных районах Средней Азии трава еще не успела подняться и перегонять отары овец нужно чуть позже. Наблюдения в интересах сельского хозяйства были продолжены и во время пятой длительной экспедиции. Космонавты В. Коваленок и В. Савиных около трех тысяч раз фотографировали земную поверхность. А общее время визуальных наблюдений суши в интересах сельского хозяйства, проводившихся под руководством специалистов Института кибернетики Министерства сельского хозяйства СССР, если учесть и наблюдения, которые проводили участники первой экспедиции на новой орбитальной станции «Салют-7» летчики-космонавты СССР А. Березовой и В. Лебедев, превысило 100 часов.
Под руководством специалистов Института кибернетики Министерства сельского хозяйства СССР и его Краснодарского филиала космонавты с помощью ручных фотокамер и стационарных аппаратов МКФ-6М, работавших в 6 зонах спектра, и КАТЭ-140 произвели, в частности, детальную съемку 8 миллионов квадратных километров сельскохозяйственных угодий и почвы на территории Краснодарского и Ставропольского краев. При этом решались три задачи: отрабатывалась методика дистанционного контроля за динамикой развития сельскохозяйственных культур, выяснялась возможность по изменению окраски полей определять участки, пораженные вредителями, и оценивались эрозионные процессы. На Землю доставлено около 20 тысяч снимков территории нашей страны, которые сейчас дешифрируются, но уже первые результаты обработки свидетельствуют, что все задачи, которые поставили специалисты сельского хозяйства, удалось успешно решить. Что же касается практических результатов этих наблюдений, то все они сразу же доводились до сведения краевых управлений сельского хозяйства, а теми — до соответствующих районов для принятия конкретных мер.
Важно также отметить, что исследования носили комплексный характер: одновременно с наблюдениями с космической орбиты эти же районы подвергались изучению с борта специально оборудованного самолета АН-30 и наземными партиями исследователей.
Опыт свидетельствует, что такого рода комплексные наблюдения бывают наиболее результативными и поэтому они постоянно проводятся нашими учеными на специальных полигонах. Так, в апреле и мае 1981 года, когда на космической орбите находилась наша научная станция «Салют-6», в южных районах страны работали несколько воздушно-наземных экспедиций. Одна из них изучала, например, территорию Таджикской ССР в рамках программы комплексной инвентаризации природных ресурсов республики.
Такие исследования, конечно же, уже сегодня приносят ощутимые результаты. Однако они важны еще и потому, что дают возможность проводить практическую проверку соответствующей техники, в частности аппаратуры, и одновременно как бы определить направление ее дальнейшего развития, совершенствования.
Так было определено: чтобы быть экономически выгодными, обследования со спутника должны охватывать значительные площади. Однако в будущем считается возможным создание сканера с большим пространственным разрешением, способного анализировать площадь менее 0,1 гектара. Новые системы позволят также более часто обследовать одну и ту же площадь — с интервалом 7—9 дней. Со временем, как планируют исследователи, информация со спутников, в том числе и относящаяся к сельскому хозяйству, будет поступать в специальные банки данных с автоматическим хранением, поиском и анализом информации. В перспективе же предполагается создание глобальных информационных систем дистанционных наблюдений, которые позволят прогнозировать рост и развитие культур в связи с применением удобрений, изменениями погоды, способностью почвы удерживать влагу, частотой поливов — словом, всем тем, что влияет на урожай.
Кроме получения чисто оперативной сельскохозяйственной информации, сейчас очень важно создать методику дистанционных измерений, чтобы поручить их в дальнейшем автоматическим спутникам.
Так, в частности, поступили создатели запущенного 5 июля 1983 года спутника «Космос-1472», который, согласно Сообщению ТАСС, уже имеет на борту «научную аппаратуру, предназначенную для продолжения исследований природных ресурсов Земли в интересах различных отраслей народного хозяйства».
«Я считаю, — писал в «Правде» 31 декабря 1980 года дважды Герой Советского Союза, летчик-космонавт СССР А. Елисеев, — что одна из статей дохода из космоса будет связана с созданием «сельскохозяйственных спутников», которые вели бы оперативный контроль за состоянием лесов и полей, влажностью земель, запасами воды и т. п. Спутники связи действуют сейчас хорошо, мы уже не представляем, как без них можно обойтись. Столь же необходимы и «сельскохозяйственные спутники».
Словом, полеты космонавтов приносят с каждым годом все более ощутимую пользу в такой обширной и трудоемкой области, как сельское хозяйство. Но, как отмечал в том же выступлении в «Правде» А. Елисеев, трудность сейчас уже не в работе космической техники, а в быстрейшем создании наземного комплекса по своевременной обработке и распределению богатейшей информации из космоса по областям и районам, колхозам и совхозам. Работа в этом направлении уже ведется.
Не менее перспективно, чем в земледелии, использование космической техники и в почвоведении. Космические методы изучения почвенного покрова ускоренно проходят ныне тот же путь развития, что еще недавно проходили и аэрометоды в этой науке: разрабатываются основы тематического дешифрирования, составляются эталоны-определители для дешифрирования космических снимков, измеряются спектральные характеристики различного типа почв. Современный этап развития исследований характеризуется интеграцией трех уровней: космического, авиационного и наземного. Это порождает новый ряд теоретических проблем, таких, как генерализация объектов исследования, соотношение классификационных единиц, типизация и экстраполяция получаемых данных. На их решение и направлены ныне усилия советских и зарубежных почвоведов. Для этого широко используются современная радио — и фототелевизионная техника, бортовые космические радиолокационные станции (РЛС). При этом изучение полученных радиолокационных и фототелевизионных космических снимков производится по следующим дешифровочным признакам почв: тон фотоизображения почвенного покрова на цветных спектрозональных космических снимках; размеры и форма почвенных контуров; текстура фотоизображения почвенного покрова и ее классификация.
Для выяснения температуры почв специалисты широко пользуются инфракрасными термометрами. Экспериментами по сопоставлению содержания почвенной влаги с разницей температур посевов и воздуха были установлены связи, которые могут быть использованы для разработки схем поливов и предсказания потенциального урожая культуры. Информация о почвенной влаге поможет определять активный период распада (сохранения) пестицидов и вероятность появления некоторых болезней растений и поражения их вредными насекомыми.
По космическим снимкам удобно не только контролировать состояние почв, но и следить за их изменением, например, под влиянием орошения. Именно таким путем удалось успешно дешифрировать почвы пяти различных районов степной зоны Алтайского края, Казахстана и районов пустынной зоны восточного побережья Каспийского моря.
Особый интерес представляют результаты инфракрасной радиотепловой и радиолокационной съемки для выявления на земной поверхности зон повышенной влажности, температурных аномалий, а также для изучения рельефа местности и почвенно-геоморфологических особенностей регионов.
Надо сказать, что первые такие исследования у нас в стране были проведены еще в 20-х годах. Однако наиболее серьезное изучение отражательных характеристик почв началось только в 60—70-х годах, когда были собраны образцы различных почв и в лабораторных условиях путем измерения спектрального альбедо (отношение отраженного потока излучения к падающему) изучили их отражательные характеристики (образцы брали только с верхнего горизонта, высушивали до воздушно-сухого состояния и просеивали через два сита, что позволило полностью исключить влияние структуры и влажности на спектральные отражательные характеристики). Различия в отражательной способности почв сказались настолько значительными, что этими данными можно было пользоваться как объективными признаками при изучении почвенной морфологии.
В дальнейшем были проведены исследования почв разных районов страны. В Средней Азии, например, анализировались отражательные свойства пустынных почв: серо-бурых из-под Чурука, типичного серозема из Ташкента и песчаных почв Аяк-Аштма. Вследствие низкого содержания органического вещества все эти почвы имели высокую яркость, особенно в длинноволновой части спектра. Были изучены также отражательные свойства трех резко отличных типов почв Приморского края и трех типов почв зоны субтропиков Западной Грузии: желтоземноподзолистой, желтозема и кремнезема.
Краткий анализ спектров отражения основных типов почв, расположенных в различных географических зонах, показал, что для них характерно постепенное увеличение спектральной яркости с ростом длин волны в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Причем у светлых почв это увеличение происходит быстро, у темных — медленнее. Отличительная особенность кривых спектрального отражения: почвы имеют различную степень селективности (избирательности) по спектру. Эти исследования позволили также выявить следующие факторы влияния на спектральную отражательную способность почв: с увеличением шероховатости почвы альбедо ее сильно уменьшается; спектральная яркость почв растет с уменьшением размеров ее фракций; с увеличением шероховатости почвы уменьшается ее КСЯ; увлажнение резко снижает спектральную яркость почв, так как почва после увлажнения темнеет; отражательные свойства почв изменяются в течение дня (выше поднимается солнце — увеличивается и КСЯ почв). Существует также определенная зависимость спектральных отражательных свойств от содержания гумуса в почвах, а также от содержания в ней окислов железа, различных минералов и солей. Исследования показали, что интенсивность отражения находится в обратной зависимости от содержания железа и может быть выражена определенным уравнением, которое позволяет весьма точно определить содержание гумуса по спектрофотометрическим характеристикам.
По данным А. П. Тищенко и Г. М. Степановой (см. журнал «Исследования Земли из космоса», № 3, 1980 г.), возможность картирования почвенного покрова с помощью дистанционных измерений, в частности, использования спектральных отражательных свойств почв для построения почвенных карт обширных территорий, определялась на примере исследования почв Украины и Молдавии. Проведенный эксперимент показал, что использование КСЯ почв, измеренных в узких спектральных интервалах, открывает широкие возможности для их картирования. Применение накопленного опыта позволит специалистам ускорить и рационализировать процесс картирования почв других краев и областей, значительно сократит объем работ, связанных с тяжелым физическим трудом (закладкой так называемых разрезов), уменьшит материальные затраты и, что самое главное, позволит в короткий срок составить карты на огромные площади.
Однако далеко не все вопросы здесь решены. Так большие сложности возникают при использовании дистанционных методов изучения почв из космоса. Дело в том, что при выполнении космических съемок дистанционными методами, то есть по спектрам отражения, регистрируется излучение не от растительности в чистом виде, а от всей системы «атмосфера — растительность — почва». Поэтому изучение по снимкам состояния растительного покрова связано с необходимостью выделить «вклад» в полученное излучение от атмосферы и почвы. При этом для учета «вклада» почв необходимо знать пространственное распределение их отражательных характеристик, т. е. Создать соответствующие карты по КСЯ почв. Как известно, коэффициент спектральной яркости определяется отношением яркости изучаемой поверхности к яркости идеального рассеивателя (эталона) в предположении, что эта поверхность и эталон находятся в совершенно одинаковых условиях освещения и наблюдения.
В Государственном научно-исследовательском центре изучения природных ресурсов была составлена таблица КСЯ типов и подтипов почв, наиболее характерных для европейской территории СССР. По анализу кривых КСЯ почвы были разделены на следующие группы:
- аллювиально-луговые и торфяно-глеевые (значение КСЯ меньше 0,06, т. е. у них минимальная отражательная способность);
- все подтипы черноземов, а также темно-каштановые и темно-серые лесные (КСЯ 0,06—0,13);
- пустынно-песчаные, светло-каштановые, светлосерые лесные, солонец мелкий (КСЯ 0,13—0,19);
- солодь глеевая, дерново-подзолистые, слабо — и среднеподзолистые, подзолисто-глеевые, сильноподзолистые, солончак пухлый (КСЯ 0,19—0,25);
- бурые пустынно-степные (КСЯ 0,25—0,30, т. е. отражательная способность наибольшая).
Эта классификация почв, составленная по их отражательной способности, была представлена на картах европейской территории СССР соответствующей штриховкой. Выбор масштаба проекции, а также способ изображения и степень генерализации зависели от назначения карт.
Следует отметить, что КСЯ всех названных типов почв измерялись в основном в лабораторных условиях. Однако при сравнении их с космическими снимками этой же местности, полученными со спутника «Метеор» летом 1975 года, оказалось, что они в общем совпадают.
Все собранные данные об отражательной способности почв удалось сгруппировать и создать на основе предложенной классификации методику составления карт отражательной способности почвенного покрова. Технология составления их довольно проста: основные элементы карты (математическая основа, гидрография, крупные города, контуры почвенных ареалов) переносятся практически без генерализации, а обобщение почвенных контуров производится только для черноземов, так как КСЯ подтипов черноземов почти не отличаются друг от друга…
Аналогичные работы по дистанционному изучению почв проводились и зарубежными учеными. Так, измерения КСЯ почв, сделанные в Болгарии, Польше и Чехословакии, относились к следующим группам почв: подзолистые и бедные черноземы и аллювиально-луговые почвы и луговые солонцы. Анализ данных показал, что хотя во всех случаях наблюдался рост КСЯ с увеличением длины волны, однако рост этот был не монотонен, а уровни значения КСЯ различались в зависимости от типа и свойств почв. Одним из главных факторов формирования поля яркости почвы являлся ее механический состав, влияющий на особенности спектрального распределения КСЯ (почвы, обладающие более крупнодисперсной структурой, характеризуются пониженным уровнем КСЯ). Полученные данные убедительно свидетельствовали о возможности различения типов почв по особенностям их КСЯ.
Венгерскими учеными была удачно проиллюстрирована возможность интерпретации изображений земной поверхности, получаемых с метеорологических спутников, для картирования заболоченных почв. Интересен также анализ полученных с самолета летом 1978 года инфракрасных изображений различных районов Голландии, находившихся в условиях оптимального влагообеспечения, который показал значение радиационной температуры (РТ) как индикатора влагосодержания грунта: области высоких значений РТ совпадали с пониженным уровнем грунтовых вод. А это значит, что активную радиолокацию следует считать перспективным методом дистанционного определения влажности как оголенной почвы, так и покрытой самыми разнообразными видами растительности.
«Значение полученных из космоса телевизионных изображений, фотографических снимков и спектров отражения от Земли для изучения природных ресурсов сейчас уже очевидны,— писал еще в 60-е годы руководитель лаборатории космических методов землеведения Ленинградского университета профессор Б. В. Виноградов. — Я не говорю о метеорологии, где использование изображений Земли уже прочно вошло в практику гидрометеорологических прогнозов. Но даже и в других отраслях наук о Земле — геологии, географии, почвоведении, гидрологии — космические методы, безусловно, перспективны, и сейчас время уже не доказывать эту перспективность, а разрабатывать технологию применения космической съемки в разных направлениях…».
Например, эрозия почв — серьезный враг земледелия на земном шаре. Но сколько в настоящее время эродированных почв? На какой стадии эродирования они находятся? Где и в каком направлении развивается эрозия? Эти и многие другие вопросы могут быть решены по космическим фотографиям. Они определяются в масштабах крупных областей и стран. Пыльные бури, пылепесчаные потоки в засушливых районах земного шара принимают угрожающие размеры и становятся бичом земледелия.
Проследить направление этих пылепесчаных потоков, оперативно предупредить о приближении пыльных бурь и суховеев можно по космическим снимкам. Эти пылепесчаные потоки непосредственно видны на изображениях, полученных, в частности, с метеорологических спутников.
Конечно, только названными примерами помощь космонавтики сельскому хозяйству не ограничивается, тем более, что постоянно появляются все новые, более широкие возможности для такого сотрудничества. И очевидно, что использование космической техники, получаемой с орбит информации, с каждым годом будет вносить все более весомый вклад в дело интенсификации сельскохозяйственного производства, способствуя тем самым выполнению грандиозных задач, поставленных партией перед советским народом.