О чем рассказывает космический снимок?

Передо мной лежат шесть кадров, на которых изображен один и тот же участок земной поверхности. Рядом обычная карта. На ней выделен этот самый район Байкал, дельта реки Селенги... Это снимки, полученные экипажем «Союза-22» с помощью фотокамеры МКФ-б, созданной специалистами СССР и ГДР.

- Нравятся снимки? - спрашивает, хитровато улыбаясь, Я. Зиман, заведующий отделом Института космических исследований АН СССР. - А теперь я вам покажу то, чего не видно на этих кадрах, если брать их по отдельности. Соединим для этого различные зоны съемок. Поможет нам здесь специальный прибор, который сделан вместе с камерой МКФ-6.

В лаборатории погас свет. И на большом экране возникли очертания гор, озера Байкала, реки. Фотография вдруг стала переливаться красками непривычно ярких и каких-то искусственных оттенков. Ясно видно, насколько прозрачна байкальская вода - ее цвет на экране хоть и меняется, становится то бледнее, то гуще, но он однороден. Только там, где впадает Селенга, светлые полосы. Это река выносит в озеро свои воды. Что в них? Ил? Песок? А может быть, это загрязнения? Специалистам следует разобраться, проверить.

На противоположном от дельты Селенги берегу озера разбросаны угловатые пятна полей ржи вокруг поселка. Озимые взошли. Но почему-то они окрашены в алый цвет. Внимательно присмотревшись, начинаешь различать оттенки. Чуть бледнее поле - значит, с озимыми не все благополучно, яркий цвет говорит, что всходы хорошие...

Вот лесной массив. Он похож на лоскутное одеяло: лиственные породы выглядят зелеными, а сосняк - красно-бурым. На обычной черно-белой фотографии сельскохозяйственные угодья практически все однотонные, а на этих снимках культуры отличаются по цвету друг от друга. Больше того, одинаковые культуры, но в разной стадии созревания, имеют свои характерные цветовые оттенки. Что же это за снимки?

Начнем с того, что этот необычный метод фотосъемки называется многозональным, или многоспектральным. И суть его такова. Вспомните радугу, которая часто появляется в небе после грозы. Это не что иное, как солнечный свет, разложенный по спектру, - капельки дождя в воздухе исполняют роль призм. Известно, что лучи каждой из составляющих спектра по-разному отражаются от тех или иных объектов земной поверхности. Выбирая один какой-нибудь из участков или зон спектра, можно создать наиболее благоприятные условия съемки для определенного типа объектов или предметов. Например, все древесные породы хуже всего отражают лучи в оранжево-красной и синей зонах видимого спектра. В то же время объекты неживой природы такими свойствами не обладают. Или, скажем, в инфракрасной зоне лиственница, осина, береза выглядят ярче, чем ель или сосна. Вообще, большинство деревьев в этой зоне отражают в четыре-пять раз больше энергии, чем в видимой части спектра. Короче говоря, древесные породы, лесные ландшафты, подстилающая растительность очень неодинаково выглядят в различных зонах спектра. Поэтому, чтобы опознать их, необходим «перекрестный допрос», то есть съемка одних и тех же территорий в нескольких участках видимого диапазона. Так родилась идея многозонального фотографирования из космоса и начались эксперименты.

Первые опыты проводились у нас в стране на борту «Союза-12». Экипаж корабля - В. Лазарев и О. Макаров привезли с орбиты около сотни фотографий, сделанных в разных зонах спектра. Они наглядно показали, что такой метод съемки весьма эффективен для изучения растительности, почв, составления карт прибрежных шельфов, обнаружения загрязнений водоемов. Сразу же не преминули воспользоваться снимками с «Союза-12», чтобы уточнить рельеф и характер подводной растительности прибрежной и мелководной акватории северо-восточного побережья Каспийского моря, составить карту засоленности почв в районе полуострова Мангышлак и Бузачи.

Подробный анализ полученных материалов плюс результаты съемок с самолетов убедили: необходима надежная и современная фотокамера для широкого использования в нуждах народного хозяйства. Советские специалисты вместе с коллегами из ГДР взялись за разработку такого космического фотоаппарата. Должен-сказать, что наш «Зенит» или немецкая «Практика», коЛ торыми космонавты тоже пользуются в полетах, нельзя отнести даже к отдаленным родственникам многоэоЯ нальной камеры, хотя в ней есть и объективы и пленгаИ МКФ-6, так назвали новую фотоапаратуру, - это сложи нейшая система, насыщенная электроникой. На ее разя работку и изготовление ушло три года.

Прежде чем на народном предприятии ГДР «Карой Цейс Йена» появились первые детали будущей карты МКФ-6, ученые и специалисты долгие месяцы спорили, искали, сомневались, чтобы прийти накоив к твердому заключению: система должна быть шестизональной. Почему именно шесть зон?

Ответ пришел после анализа спектральных характеристик почти двух тысяч видов наземных образований. Как выглядит зеленый лес или поле спелой пшеницы в разных зонах спектра? И что нужно практикам от этого снимка? Выяснилось, к примеру: если хотите определить влажность почвы, то съемку надо вести в инфракрасной зоне.

Так почти все типы земных объектов, запечатленным на пленку, прошли в лабораториях Института космичеЯ ских исследований Академии наук СССР спектральную «инвентаризацию». Только после этого конструкторами МКФ-6 дали окончательное задание: нужно шесть зон, тогда фотоснимки, сделанные с орбиты, будут полезны специалистам большинства отраслей народного хозяйства.

Ну а каким разрешением снимать? Иначе говоря, насколько подробно? В принципе можно добиться - современная техника это позволяет, - что на фотографии окажется вполне различим автомобиль и даже пешеход на улице. Но трудностей возникает тут превеликое множество. К тому же слишком большое количество деталей далеко не всегда достоинство: осложняется обработка снимков. Решили, что двадцать метров - такой минимальный размер различимых деталей в кадре - это наилучший вариант.

Космическое «крещение» новая фотокамера МКФ-6 получила в сентябре 1976 года. За несколько дней полета космонавты сделали и доставили на Землю более двух тысяч высококачественных снимков. Каждый из них охватывает участок земной поверхности размером 165 X 115 километров, который запечатлен на шести кадрах различных зон спектра. Они-то и стали теми удивительными фотографиями, что оживали на экране многозонального синтезирующего проектора. Его назначение - соединять изображения зональных кадров в любых сочетаниях. При этом, конечно, нарушается нормальная цветопередача, ведь она используется лишь для увеличения контраста между объектами различной яркости. Вот почему картинка на экране проектора наливается красками самых неожиданных оттенков. Впрочем, на этом приборе без труда можно получать и цветные изображения, которые по качеству много лучше, чем обычные цветные фотоснимки.

Фотографий земной поверхности из космоса накопились уже многие тысячи. Число их растет и дальше. Но ведь надо разобрать, что на них изображено. Причем не в общих чертах, как на том проекторе из Института космических исследований, а конкретнее: необходимо точно знать, что именно на данном снимке изображено.

Разгадывать хитроумные картинки Земли помогает ЭВМ. Анализируя космический фотоснимок, ЭВМ обращает внимание в основном на яркость того или иного объекта, на его, как говорят специалисты, тоновую структуру. До геометрии объекта машине дела мало. По крайней мере, попытки научить современные ЭВМ распознавать образы, различать объекты по их очертаниям пока успешными не назовешь. Человек же как раз наоборот: хорошо оценивает очертания предметов. Здесь он дает своему электронному детищу сто очков вперед, но... белое от белого не отличит: глаз не способен уловить тонкие отличия в яркости. На фотографии облако и ледник перепутать легко. Правда, если сопоставить снимки, сделанные в разных зонах спектра, то распознать их вполне можно. Главное достоинство ЭВМ состоит в том, что она способна молниеносно сравнить шесть кадров и выявить итоговую информацию. Человеку такое не под силу.

Как же быть? Как соединить образное видение человека и аналитические способности ЭВМ, сопряженные с быстродействием?

Задача, конечно, очень непростая. Но пути ее решения уже наметились. В Институте космических исследований природных ресурсов Академии наук Азербайджана мне показывали разработанный там оптико-вычислительный комплекс «Паллада». Эта «Паллада» различает 256 уровней яркости - от самого белого до самого черного. Экономический эффект, который принесет применение на практике подобных комплексов, очевиден уже сейчас. Налицо возможность оконтуривать сельскохозяйственные угодья и подсчитывать реальный урожай на них. Или, скажем, выявлять нефтяные пятна загрязнений в море. Машина легко и быстро определила площадь пятна, вычислит стоимость очистных работ, а затем нерадивый капитан судна получит иск, на котором рядом с обычными подписями ответственных лиц, могут стоять неожиданные пометки: «Спутник такой-то...», «ЭВМ такая-то...»

Совсем недалеко время, когда привычной станет такая картина. Бот летит спутник. Днём он делает снимок, допустщл, какой-нибудь области, обрабатывает, его с помощью бортовой ЭВМ и «сбрасывает» информацию на Землю. Здесь полученные данные закладывают в машину, задают нужную программу. Через некоторое время появляется карта, где обозначены границы участков, например, ячменя определенной зрелости, участков с собранным или несобранным хлопком. Рано утром карта в соответствущем министерстве. Руководство получает самые свежие данные, с помощью которых можно контролировать ход сельскохозяйственных работ, своевременно вмешаться, если что-то идет не так. Правда, чтобы такая обратная связь заработала, предстоит сделать немало, но мы должны научиться понимать язык, на котором с нами «разговаривает» космос.

Всякую грамоту постигают с азов. От букв переходят к слогам, потом осваивают слова, и, наконец, становятся понятными целые фразы. В космическом языке буквы - это яркостные характеристики наземных объектов. Они зависят от многих факторов: времени дня, угла падения солнечных лучей, состояния атмосферы; сухая почва и насыщенная влагой отражают лучи по-разному, и так далее. Все параметры можно замерить на Земле. Это и будет своего рода «букварь» космической грамоты. В нем каждый тип наземного народнохозяйственного объекта - будь то виноградник или пшеничное поле, хлопковая плантация или сенокосный луг, солончак или лес - получат свой яркостный «паспорт».

...Во дворе Института космических исследований природных ресурсов Академии наук Азербайджана бакинцы часто видят автомобили-фургоны с броской надписью: «Природа». Они снабжены выдвижными телескопическими штангами наподобие тех, которые поднимают рабочих для ремонта городского освещения, развешивания праздничного убранства улиц и т. п. Только здесь вместо люльки на штанге укреплены приборы - спектрометры. С двенадцатиметровой высоты они регистрируют спектр отраженных от земной поверхности солнечных лучей. Кстати, спектрометр ПС-3 «Каспий», о котором идет речь, придумали и сконструировали сами молодые сотрудники института. И удостоились за это изобретение премии Ленинского комсомола республики.

Первые эксперименты выглядели кустарно. Ученые на время превратились в пахарей и сеятелей, что называется, прямо под окном взрастили на небольших участках различные культуры. Затем подвесили над ними собственноручно изготовленный спектрометр и принялись исследовать, как меняется спектр той или иной делянки в зависимости от периода роста растений.

Это было начало. Теперь лаборатория по исследованию оптических характеристик природных объектов имеет тестовые участки, у института есть полигон, где та же работа ведется с размахом. Приборы регулярно измеряют температуру почвы, влажность воздуха, силу и направление ветров на опытных делянках. Плюс к тому - и это самое важное - регистрируется спектр отраженных лучей в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, тех самых, что попадают в шесть зон космической фотокамеры МКФ-6. Так рождаются яркостные эталоны, которые можно сопоставить с информацией, полученной из космоса. И тогда удается точно определить: это эталон пшеницы, а это ячменя, да еще в такой-то стадии вегетации.

Если взять только сельское хозяйство, и даже часть его, растениеводство, то и тогда составление подобного каталога яркостных эталонов - задача поистине колоссальная. Ведь нужно определить коэффициент спектральной яркости для множества культур, причем в различных по рельефу местностях (от горизонтальной и наклонной плоскостей лучи отражаются неодинаково) и на разных стадиях зрелости. Помимо этого, надо научиться определять из космоса заболевания растений, а уж такую информацию, сами понимаете, следует добывать как можно быстрее и не путаться при этом в спектрах. Болезни культуры отражаются на кривой спектрограмме, но как? Потребуется немало труда, чтобьгео-брать статистику. Отработку методики этих важнейших наблюдений специалисты института ведут в одном из районов Азербайджана, на склонах Большого Кавказа. ...Вертолет на высоте двухсот метров весь день неутомимо стрекочет над полем. Оно разбито на несколько участков размером 500 иа 500 метров, на которых высажены виноград, люцерна, табак. Через каждые полчаса на борту вертолета получают спектр каждого участка. За десять секунд прибор успевает сделать трИ дцать две засечки спектральной яркости. В это время на Земле проводятся такие же измерения. Затем те и Другие кривые спектров совмещаются и поступают в ЭВМ для дальнейшей обработки. Уместно напомнить, что аналогичные измерения вели и космонавты с бортая орбитальной научной станции «Салют-6». Например, Л. Попов и В. Рюмин за полугодие своей работы в космосе сумели сделать более сорока тысяч спектрограмм. Приборы на орбите и на Земле обязаны одинаково и однозначно ответить на вопросы, поставленные учеными.

«Каждая фотография из космоса, - говорит Н. Абдуллаев, руководитель лаборатории по исследованию оптических свойств природных объектов, - это совокупность огромного количества точек разной яркости. Работая с приборами на земле и на вертолете, мы получаем кривые, отражающие спектральную яркость. Надо научиться получать одну кривую из другой, тогда удастся «читать» снимки из космоса напрямую, в подробностях. И картинка, увиденная из космоса, будет у нас как на ладони. Здесь вам и оперативная информация о процессах, развивающихся в живой природе, и состояние дел в сельском, лесном, водном хозяйствах, и неблаговидные последствия вмешательства человека, и прогнозы на ближайшее будущее, и возможность дать конкретные рекомендации специалистам народного хозяйства. Только нужны эталоны. Пока мы отрабатываем лишь некоторые из них: водный объект, каштановая почва, солончак, несколько классов основных сельскохозяйственных культур нашей республики».

Методики, о которых рассказывал Н. Абдуллаев, можно применять не только в Азербайджане, но и в различных районах земного шара. Ячмень, как говорится, он и в Африке ячмень. Однако составление каталогов всех наземных объектов, имеющих народяохозяйствен-ное значение, займет, конечно же, несколько лет. В перспективе космическую фотографию окажется возможем расшифровать моментально. Получил снимок - через полчаса уже итог: здесь запечатлено то-то, а здесь - то-то. Вот тогда мы сможем сказать, что полностью овладели языком, на котором с нами разговаривает космос.