РЕПИН АЛЕКСЕЙ ГРИГОРЬЕВИЧ : ДЕШИФРИРОВАНИЕ КАК НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ СИСТЕМА

Известия РАН. Сер. геогр. Май-июнь, 1993 г.

УДК 528.7

Дешифрирование материалов дистанционного зондирования (ДЗ) прочно вошло в арсенал методов наук о Земле. Число использующих его специалистов постоянно растет, расширяет круг задач, решаемых с его помощью. Это ставит ряд новых вопросов перед методологией дешифрирования. Обсуждению методических вопросов интерпретации материалов ДЗ посвящен ряд публикаций [1—3, 9, 11, 16, 17 и др.], основанных преимущественно на опыте работы с данными, аэрофотосъемок. В настоящее время они могут рассматриваться как ступень к осмыслению огромного материала, накопленного при исследованиях с применением космических снимков.

Рис.1. Система дешифрирования: А — прохождение сигнала, Б— влияние

Дешифрирование есть процесс формирования образа (модели) объекта на базе информации о нем, полученной средствами дистанционного зондирования. Его можно представить как научно-исследовательскую систему, структура которой показана в виде блок-системы на рис. I.

Здесь стрелками типа А показано прохождение сигнала — информации, материальными носителями которой являются излучение в различных диапазонах волн, фотохимические и другие виды процессов. Стрелки типа Б показывают направленность разнородных процессов, объединенных нами с помощью понятия «влияние». Оно выступает в виде команд (подсистема «человек»), отбора, фильтрации, изменения структуры информации («человек», «атмосфера I, II», «техника», «обработка»), добавление к основной информации новой, которая во многих случаях (но не во всех) выполняет роль шумов, помех («атмосфера I, II»). Очень сложным и многофакторным является влияние подсистемы «территория» на подсистему «поверхность».

На первый взгляд формирование «изображения» есть самостоятельная обособленная система: большинство авторов считают дешифрированием непосредственное взаимодействие «человека» и «изображения». С нашей точки зрения это не так. Как будет показано ниже, начальные процессы на входе рассматриваемой системы могут оказывать серьезное влияние на формирование образа. Формирование подсистемы «изображение» мы рассматриваем как важный этап, промежуточный выход подсистемы, но не более того.

Коротко об элементах системы. В виде отдельной подсистемы «.солнце» рассматривается та часть падающего излучения, которая участвует в первом этапе образования сигнала. Подсистема динамична, ее количественная и качественная изменчивость (проявляющаяся в системе) определяется высотой солнца над горизонтом. Подвержена суточным, сезонным изменениям.

«Атмосфера I» — выделение данной подсистемы связано с тем, что атмосферные процессы оказывают серьезное влияние на начальном этапе прохождения сигнала. Изменения прозрачности воздуха влияют на количество и качество излучения, попадающего на поверхность. Осадки, деятельность ветра, облачность оказывают самое серьезное воздействие на ее отражательные способности.

Подсистема «территория» — любой участок географической оболочки, выбранный для изучения. Данные элемента системы есть реальная, предметная основа в выработке «человеком» представления об объекте исследования (о чем будет сказано ниже).

Материальная, предметная сторона исследования выражена также в подсистеме «поверхность». В рассматриваемой системе исследователь всегда имеет дело с поверхностью объектов (и их окружения), свойства которой находятся далеко не в прямой зависимости от свойств самих объектов. Изменчивость многих характеристик поверхности трех видов: собственная, связанная с динамикой «территории» и «атмосферы I».

Поток падающего излучения (сигнал на входе) при взаимодействии с поверхностью преобразуется. Каждая точка ее изменяет свою «часть» сигнала. Отраженный поток в целом приобретает новое качество — своеобразную объемную структуру, связанную с особенностями такого свойства поверхности, как рисунок ландшафта. Некоторые характеристики объемной структуры весьма устойчивы и не зависят от дальнейших преобразований сигнала, всегда находят свое выражение в подсистеме «изображение».

Далее отраженный сигнал проходит через атмосферу. Здесь вновь происходит его количественное и качественное изменение, своеобразная фильтрация. За счет влияния облачности может в какой-то степени измениться и объемная структура. Эти свойства атмосферы и выражены в виде подсистемы «атмосферы II». Необходимо также отметить, что она весьма изменчива. Некоторые из ее воздействий на сигнал достаточно устойчивы, не зависят от его дальнейших преобразований и проявляются непосредственно в «изображении».

Подсистема «техника» (технические средства дистанционного зондирования) выступает в роли преобразователя сигнала и его фиксатора. Конкретные технические устройства узко специализированы, обладают определенным ограниченным набором возможностей (характеристик) отразить сложную структуру (структуры) сигнала. К числу важнейших характеристик «техники» относятся спектральная избирательность, разрешение, охват (обзорность), возможность получения стереомоделей. Консервативность средств ДЗ преодолевают с помощью проектирования и изготовления разнообразной по возможностям аппаратуры, изменение высот съемки и т. д. В этом кроме непосредственного воздействия на отдельные технические стороны съемки проявляется влияние подсистемы «человек» на подсистему «техника». На уровне конкретных исследований оно выражается в отборе для исследований материалов какого-то определенного типа из множества имеющихся.

Ряд характеристик сигнала после его прохождения через «технику» не зависит от влияния следующей подсистемы и непосредственно проявляется в «изображении».

Подсистема «обработка» также представляет собой набор технических средств, но уже для непосредственного получения изображений. Она тесно связана с подсистемой «техника». Выступает как влиятельный элемент системы: например, в фотосистемах незначительные изменения в технологии обработки приводят к серьезным различиям в получаемых снимках. Данное обстоятельство может использоваться исследователями, но в настоящее время применяется еще недостаточно широко.

Подсистема «изображение» есть такая форма записи сигнала, которая доступна для непосредственного зрительного восприятия, с которой возможно проводить конкретные специфические исследовательские манипуляции (интерпретацию снимка). «Изображение» относят к первично-информационным иконическим моделям [17]. Данная подсистема выступает в роли продукта взаимодействия «поверхности», «атмосферы II», «техники», «обработки» и «человека», в ней отражаются изменения состояний указанных элементов системы.

Важнейшей частью системы является «человек» — исследователь, дешифровщик. Данная работа не касается психологических, физиологических аспектов процесса дешифрирования, они уже рассматривались в ряде работ [16, 17]. С познавательной точки зрения применительно к исследуемым вопросам «человек» представляет собой сложную эволюционирующую систему. В первую очередь нужно отметить, что он является носителем целевой задачи исследования (ЦЗИ). Это неотъемлемый атрибут любого исследования — установка на проведение мероприятий, действий, ведущих к получению результатов в виде суммы новых знаний. Она определяется как «видимыми» реалиями, так и «невидимыми». К числу первых (о которых чаще всего полностью или частично сообщает конкретный автор) относятся материальные свойства исследуемого сущего, концепции всех уровней (представления о нем), реальные концепции — трансформированное индивидуальными особенностями ученого его собственное отражение общенаучных концепций. ЦЗИ формируется также под воздействием большого числа «невидимых» для постороннего взгляда регуляторов (финансовых, организационных, межличностных отношений и пр.), влияние которых может быть крайне велико.

Любое исследование есть эволюционный процесс. Его можно рассматривать как смену состояний исследователя, каждое из которых характеризуется определенным уровнем знаний, представлений (моделей) и т. д. Соответственно каждое состояние связано с определенным кругом гипотез, намечаемыми путями их проверки; т. е. в процессе исследований происходит и трансформация ЦЗИ. Для исследователя в области наук о Земле подобная эволюция определяется: непосредственным взаимодействием с предметной областью; контактами с субъективными моделями разного уровня и ранга; контактами с объективными моделями разного типа (к последним мы относим различные геофизические данные, материалы ДЗ и т. п.).

Рис. 2. Эволюция подсистемы «Человек» в системе «дешифрирование»

Исследование с применением различных видов съемок можно со значительной степенью условности разбить на три этапа (рис. 2).

Первый, начальный, когда исследователь приступает к проведению конкретных работ (рис. 2, а). ЦЗИ на данном этапе («ЦЗИ /») выступает в виде побудительных мотивов работ с соответствующими атрибутами, о которых было сказано выше; сам выбор территории исследований является частью «ЦЗИ Ь. На данном этапе происходит непосредственное ознакомление исследователя (состояние которого определяется как «человек I») с территорией — рекогносцировочные работы. Человек пользуется накопленной в различных банках данных информацией в виде моделей, отражающих строение выбранной территории («.Знание»).

В результате взаимодействия подсистем «человек I», «территория», «поверхность», «знание» начинается весьма важный процесс выработки представлений об объекте исследования. Под выделением объекта мы понимаем логические операции по упорядочению множества знаний о наблюдаемых природных явлениях. Применительно к дешифрированию (да и другим видам географических исследований) результатом этого является выработка представлений о группах материальных тел, выделенных из своего окружения по интересующему нас свойству, разделенных на основе каких-то искусственных критериев изменения этого свойства. Таким образом, в понятии «объект исследования* заложена двойственность, отражающая материальную его сторону как реалию предметного мира, и субъективную сторону — определяемый ЦЗИ способ выделения его из окружения, классификации и т. п.

Результат первого этапа показан как подсистема «объект /». Характеристики свойств объекта выступают в виде демаскирующих признаков. По определению А Н. Живичина и В. С. Соколова, ими являются характерные особенности сфотографированных объектов, позволяющие отличить их друг от друга при визуальном наблюдении самих объектов. К ним относятся форма, размер, детали, спектральная отражательная способность (цвет), тени, а также положение, взаимосвязь и проявление деятельности [7].

Формирование представлений об объекте, его демаскирующих признаках ведет к конкретизации ЦЗИ, выработке рабочих гипотез и т. д. — к ее видоизменению, что выражено в виде подсистемы «ЦЗИ Л». Исследователь соответственно также переходит в новое состояние («человек //»). Начинается следующий этап исследования (рис. 2, б). Он характеризуется тем, что исследователь начинает непосредственно работать с материалами ДЗ. Происходит взаимодействие «ЦЗИ II», «человека II», «изображения»: обратная связь двух последних подсистем осуществляется в виде отбора снимков из множества материалов съемок. Выявляются возможности опознавания объектов на изображениях, особенности их размещения, взаимоотношений друг с другом, с окружением (средой) и т. д. Происходит накопление новой информации об объекте (объектах), расширяется круг знаний о нем. Вырабатывается набор дешифровочных признаков — особенностей, свойств изображения объекта, по которым он опознается на материалах съемок. Подавляющее большинство авторов подразделяют дешифровочные признаки на прямые и косвенные: при этом даются различные определения, приводятся разные наборы их. Одна из наиболее распространенных точек зрения: прямыми дешифровочными признаками являются те свойства и качества объекта, которые могут быть зафиксированы на снимке (фотографический тон, цвет, форма, размеры, рисунок и т. д.) [5]. Косвенные признаки выражают приуроченность и изменения свойств одних объектов в результате влияния на них других [4, 8], указывают на наличие предметов или характеристик объектов, не изображенных на снимках [1]. Имеются и другие определения [2, 10, 14, 15, 19 и др.]. Некоторые авторы выделяют дополнительно комплексные признаки [2, 10].

Нужно отметить, что прямые дешифровочные признаки — это характеристики изображения поверхности объекта и картины его взаимоотношений со средой. Например, дешифровочный признак фототон есть не абсолютное значение оптической плотности, а показатель отличия тона поверхности исследуемого объекта от фонового фототона, создаваемого изображением поверхности окружения.

Косвенными признаками (индикаторами) в рамках конкретной задачи могут выступать перечисленные выше свойства поверхности объекта (демаскирующие признаки) и их изображение (дешифровочные признаки): это происходит ъ случае изучения внутренних, сущностных свойств объекта. Кроме того, возможно дешифрирование по принципу «объект — объект», когда признаком одного явления или предмета служит другой, с ним связанный (или ряд их), как правило, более простой на данном уровне исследования.

Принятое деление признаков на прямые и косвенные достаточно условно. Одни и те же признаки могут иметь то прямое, то косвенное значение при различных видах интерпретации снимков [13]. По-видимому, можно говорить об «относительности» дешифровочных признаков применительно к конкретным ЦЗИ.

Результатом второго этапа являются новые знания, дальнейшее развитие представлений об объекте, вырабатываются конкретные способы его изучения. Формируется представление об информативности снимков, определяется оптимальное количество материалов ДЗ. Вновь частично видоизменяется ЦЗИ: это отражено на рис. 2, б как переход в «ЦЗИ III», и соответственно исследователь («человек III»).

Следующий этап — непосредственное «рутинное» опознавание, выделение объектов на изображениях. Результатом его является построение образа (модели) объектов, системы их пространственных взаимоотношений — выработка логически непротиворечивых в рамках ЦЗИ представлений. Завершается исследование описанием с помощью выбранной ЦЗИ языковой системы (графической, цифровой, словесной). В конкретном описании не могут быть выражены все особенности сформированного образа: помимо ограничений ЦЗИ существуют свои ограничения у каждого из языков.

Рис. 3. Формирование состояния объекта в момент съемки

Динамика отдельных элементов играет крайне важную роль, оказывает ощутимое влияние на выход системы. В частности, касаясь материальной, предметной стороны подсистемы «объект», необходимо отметить, что состояние ее в момент съемки формируется довольно непростым образом (рис. 3).

В виде подобной схемы можно также рассматривать и формирование свойств среды объекта. Среди множества описанных в литературе географических и геологических объектов существуют группы, параметры которых в момент съемки (демаскирующие признаки) будут определяться внутренними сущностными изменениями. У других групп состояния в большей или меньшей степени зависят от состояний среды. Собственно, подсистему «территория» можно рассматривать как пространство существования объектов, их взаимного воздействия, взаимодействия со средой.

В. Д. Скарятин выделил и описал явление, которое он назвал «эффект ландшафтного мерцания структур». Оно заключается в появлении на изображении то одних, то других структурных элементов земной коры в пределах одного района на снимках одного типа, выполненных в разное время года. Он объяснил это отражением на материалах съемок сезонной динамики состояния различных компонентов ландшафта [18] (которые выполняют роль «поверхности» геологических тел). Рассматривая систему «дешифрирование» (см. рис. 1), можно сделать вывод, что этот эффект обусловлен взаимодействием подсистем «территория» и «поверхность»: так-отражается сезонная динамика в «изображении». Анализ рис. 3 показывает, что подобным образом должны проявляться и многолетние, и суточные изменения свойств объектов.

Динамика других элементов системы также определяет ряд сходных по результатам явлений. Они выражаются в изменениях изобразительных свойств поверхности на разных снимках. Крайние ситуации: на одном изображении какие-либо участки территории контрастно выделяются, на другом их невозможно опознать.

Используя терминологию В. Д. Скарятина, можно выделить «эффект отражательного мерцания» объектов, связанного со взаимодействием «поверхности» с поступающим на нее излучением. Из-за разной высоты солнца меняется количественный и качественный состав отраженной радиации, формирование теней.

«Эффекты атмосферного мерцания объектов» определяются прозрачностью атмосферы, наличием облачности, осадков, деятельностью ветра во время проведения съемок. Например, в литературе довольно часто указывается на влияние снежного покрова разной толщины на результаты дешифрирования [3, 6 и др.].

Как специфические •«.эффекты технического мерцания» можно рассматривать воздействие характеристик съемок (в особенности спектральной избирательности, разрешающей способности аппаратуры и др.) на формирование изображений. К ним же можно отнести часто упоминаемое явление оптической (естественной) генерализации.

Наконец, различия в изобразительных свойствах снимков в результате изменений технологии обработки материалов ДЗ можно рассматривать как «эффекты обработочного мерцания». Опыт показывает, что они играют крайне важную роль. Многочисленные опыты преобразования снимков с помощью оптической, оптико-электронной аппаратуры, ЭВМ есть не что иное, как попытки использовать данные эффекты в процессе дешифрирования. На наш взгляд, их необходимо применять гораздо шире на ранних этапах обработки, что позволило бы отказаться от указанных дорогостоящих методов.

Частные примеры проявления перечисленных «эффектов мерцания» приводятся в различных работах. Однако их воздействие на процесс дешифрирования раскрыто еще не полностью и учитывается оно далеко не всегда. Между тем их воздействие ощутимо еще на стадии визуальных наблюдений. Как сообщает летчик-космонавт В. Лебедев, проявление «эффектов отражательного, ландшафтного мерцаний при выявлении некоторых геологических объектов с борта орбитальной станции «Салют-7» было довольно значительным» [12].

По своему положению в системе формирования образа («дешифрирование») «ландшафтные», «отражательные» и «атмосферные» «мерцания» можно рассматривать как эффекты первого рода. Они определяются природными процессами, имеют место и при визуальных наблюдениях. Их можно только учитывать при проведении съемок, дешифрировании. «Технические мерцания» — эффекты второго рода. Их можно планировать, как и «обработочные мерцания» — эффекты третьего рода.

Сочетание «эффектов мерцания» делает довольно высокой степень индивидуальности каждого изображения (в особенности космических снимков). Данный факт обязательно нужно учитывать в практической деятельности всем интерпретаторам. Географические, геологические построения на основе анализа единичных снимков могут привести к некорректным выводам.

В дополнение необходимо отметить, что субъективизм модели, построенной на основе дешифрирования изображений, закладывается на этапе формирования ЦЗИ. Он проявляется не только как выражение профессиональных, личностных свойств исследователя, но определяется и принадлежностью специалиста к определенному научному направлению, принятию (или отрицанию) им определенных метаконцепций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акковецкий В. И. Дешифрирование снимков. М.: Недра, 1984. 374 с.

2. Альтер С. П. Об использовании ландшафтного метода при топографическом дешифрировании

аэроснимков // Вестн. ЛГУ. Геология. География. 1959. Вып. 2. № 12. С. 103—116.

3. Баррэт Л. А., Куртис Л. Введение в космическое землеведение. М.: Прогресс, 1979. 368 с.

4. Богомолов Л. А. Дешифрирование аэроснимков. М.: Недра, 1976. 145 с.

5. Брюханов А. В., Господине» Г. В., Книжников Ю. Ф. Аэрокосмические методы в географических

исследованиях. М.: Изд-во МГУ, 1982. 282 с.

6. Гедни Л., Ван-Уормер Дж. О некоторых аспектах тектонической активности Аляски по данным

изучения снимков ЕКТ5-1 // Геологические исследования из космоса. М.: Мир, 1975. С. 195—200.

7. Жиеичин А. Я., Соколов В. С. Дешифрирование фотографических изображений. М.: Недра,

1980. 253 с.

8. Книжников Ю. Ф. Основы аэрокосмических методов географических исследований. М.: Изд-во

МГУ, 1980. 137 с.

9. Комаров И. С, Рубахин В. Ф., Сафронов Л. Т. Дешифрирование аэроснимков как опозна-

вательный и информационный процесс // Аэросъемка и ее применение. Л.: Наука, 1967. С. 17-25.

10. Кудрицкий Д. М. Некоторые вопросы терминологии дешифрирования аэроснимков // Изв.
вузов. Геодезия и аэросъемка. 1960. Вып. 3. С. 75—80.

11. Кудрицкий Д. М. Н. Г. Келль и вопросы теории дешифрирования аэрофотоснимков //
Аэросъемка — метод изучения природной среды. Л.: Наука, 1973. С. 13—23.

12. Лебедев В. Дневник космонавта // Наука и жизнь. 1985. № 1. С. 26—32.

13. Мирошниченко В. П, Современное состояние теории и практики ландшафтного дешифрирования
аэроснимков // Теория и практика дешифрирования аэроснимков. М.; Л.: Наука, 1966. С. 73—94.

14. Райзер П. Я. Некоторые вопросы общей теории дешифрирования аэроснимков // Изв. вузов.
Геодезия и аэросъемка. 1958. Вып. 6. С. 85—93.

15. Райзер П. Я, О теоретических основах дешифрирования аэроснимков // Теория и практика
дешифрирования аэроснимков. М.; Л.: Наука, 1966. С. 27—35.

16. Рубахин В. Ф. Физиологические и психологические основы дешифрирования аэроснимков //
Теория и практика дешифрирования аэроснимков. М.; Л.: Наука, 1966. С. 35—44.

17. Рубахин В. Ф. Психологические основы обработки первичной информации. Л.: Наука, 1974.
296 с.

18. Скарятин В. Д. Проблемы генерализации при геоиндикационном изучении космоснимков //
Геоиндикационный метод дешифрирования аэрокосмических снимков. Тез. докл. на Всес.
совещании в Свердловске. Свердловск, 1983. С. 45—46.

Всесоюзный научно-исследовательский Поступила в редакцию

институт гидрогеологии и инженерной 16.1.1990

геологии