Фотограмметрия традиционно подразделяется на два основных направления: 1 – наземная фотограмметрия (фототопография); 2 – воздушная фотограмметрия (аэрофототопография, аэрофотогеодезия) и предполагает исследование объектов и явлений по их фотографическим изображениям, получаемым специализированными фотокамерами ( фототеодолитами, аэрофотоаппаратами и т.п.) с точек земной поверхности или с применением летательных аппаратов.

Последние десятилетия бурное развитие получили новые методы фотограмметрии, основанные на возможности визуализации результатов дистанционных исследований, выполняемых вне видимого диапазона электромагнитного спектра. Некоторые из новых направлений дистанционного зондирования были бы крайне полезны для изучения вулканов Камчатки и Курильских островов. Например, радиолокационная фотограмметрия - потому, что полностью свободна от погодных условий, являющихся, как известно, основным препятствием для изучения вулканов Камчатки и Курил в видимом диапазоне. Фотограмметрия инфракрасных (ИК) изображений, получаемых с помощью современных тепловизоров и термальных ИК сканеров, могла бы дать важные дополнительные материалы при изучении вулканических извержений и их предвестников. Но в Институте вулканологии ДВО РАН наибольшее развитие и применение получили именно методы традиционной фотограмметрии и только потому, что инструменты, приборы и технологии исследований этого направления оказались наиболее доступными.

Первые шаги на службе Российской вулканологии фотограмметрия сделала в 1908-1910 гг. В те годы сотрудниками Экспедиции Русского географического общества, финансируемой промышленником Ф.П. Рябушинским, в невероятно сложных условиях, было получено более 2000 снимков и стереопар практически всех активных и многих считавшихся потухшими вулканов. Съёмки производились на стеклянные фотопластинки формата 13х18 см сначала самодельным фотограмметром, изготовленным из серийного фотоаппарата, а затем с 1909 г. фототеодолитом Лосседа.

Некоторые из полученных стереопар, совместно с результатами геодезических измерений, были использованы Н.Г.Келлем для определения координат и абсолютных высот вершин вулканов, изучения их морфологии при составлении первой карты вулканов Камчатки.

В своём отчёте о топографических работах Н.Г. Келль, правда, отметил, что надежды, возлагаемые на фотограмметрию в некотором роде не оправдались и в основном из-за неблагоприятных погодных условий. Но мы думаем, что это не совсем так. К настоящему времени в Институте вулканологии ДВО РАН хранится примерно 1/3 коллекции фотопластинок экспедиции 1908-1910 гг. Материалы уникальны хотя бы потому, что они объективно отражают строение и состояние большинства активных вулканов Камчатки начала прошлого столетия. Полученные экспедицией снимки ещё долго могут быть использованы для всестороннего изучения изменений формы и размеров отснятых вулканов.

Позже, в 1935 г., фототеодолитная съёмка была применена для создания первой топографической карты вулкана Ключевской, наиболее крупного и активного вулкана Камчатки. По тем временам это был передовой способ оперативного и точного топографического картографирования.

Фототеодолитные съёмки вулкана произвёл отряд топографов Ленинградского фотограмметрического предприятия. Карта составлялась в масштабе 1:10 000 на стереоавтографе Карла Цейсса – одном из лучших фотограмметрических приборов тех лет. Ленинградским предприятием была проделана большая работа, результатом которой стала качественная крупномасштабная карта вулкана Ключевской, к сожалению не дошедшая до наших дней.

При организации вулканологической экспедиции на Камчатку в 1946 г. руководитель Лаборатории вулканологии академик А.Н. Заварицкий включил в программу работ аэрофотосъёмку важнейших вулканов, как метод оперативного обследования больших территорий. Участник аэросъёмочного отдела экспедиции Ю.С.Доброхотов, непосредственно выполнявший аэрофотосъёмку вулканов Камчатки, предпринял так же попытку стереофотограмметрической обработки материалов. В результате были составлены и опубликованы карты кратеров вулканов Малый Семячик и Авачинский, построены топографические профили этих вулканов и вулкана Крашенинникова. В своих статьях Ю.С. Доброхотов впервые обосновал необходимость дистанционных исследований активных вулканов, разработал основные принципы фотограмметрических наблюдений. Материалы данной экспедиции стали основой для составления первого Атласа вулканов СССР (1954 г), подготовленного А.Е. Святловским .

Новый период дистанционных исследований вулканов с применением методов фотограмметрии наступил в 1972 г. – через 10 лет после образования Института вулканологии. В октябре 1972 г. были проведены переговоры руководителей Института вулканологии с представителями Новосибирского института инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии и вскоре заключён хоз.договор, с кафедрой фотограмметрии этого института, на выполнение совместных исследований активных вулканов Камчатки и ближайших вулканов Курильских островов.

Последующие десять лет упорного труда сотрудников двух институтов закладывают основу для дистанционных исследований вулканов методами фотограмметрии. В этот период создаются опорные геодезические сети на вулканах: Шивелуч, Безымянный, Толбачик, Карымский, им. Академии наук, Авачинский, Мутновский, Горелый, Асача, Алаид, Фусса; в районах гидротермальных проявлений: Киреунские источники, Узон, Долина гейзеров, Бурлящий, Ходутка, Ксудач, Паужетка, Камбальный хребет. Производится первичная аэрофотосъёмка перечисленных объектов, и на большинство из них составляются качественные крупномасштабные (1:2000 – 1:10000,1:20000) топографические карты и планы. Разрабатываются теоретические основы дистанционных исследований вулканов методами фотограмметрии, технологии аэрофотосъёмок, наземных фототеодолитных съёмок, планово-высотной подготовки, цифрового моделирования вулканов, определения основных количественных характеристик извержений.

В эти же годы Институт вулканологии постепенно создаёт свою собственную службу дистанционных наблюдений, оснащается необходимым аэрофотосъёмочным и фотограмметрическим оборудованием. До 1982 г. приобретены пусть не новые, но в хорошем состоянии аэрофотоаппараты АФА-ТЭ-140, 200, ТАФА-10; фототеодолитные комплекты на базе универсальных метрических камер UMK-10/1318, фототеодолиты Photheo-19/1318, стереокомпаратор 1818 предприятия “Карл Цейсс”. Из универсальных стереофотограмметрических приборов в 1982 г. был приобретён отечественный стереопроектор Романовского СПР-3М с координатографом ПК-1 – неплохой прибор, но имевший ограниченные возможности при обработке крупномасштабных снимков горных территорий.

Понимая важность и необходимость этого направления наблюдений, руководители Института вулканологии ДВО РАН - директор член-корр. АН СССР С.А.Федотов и зам. директора В.М.Дудченко - добиваются поставки в Институт самого совершенного по тем временам фотограмметрического оборудования предприятия “Карл Цейсс, Йена”. Центракадемснаб, в 1984-1985 гг., приобретает комплекс приборов: универсальный обрабатывающий прибор Stereometrograph –G, автоматический координатограф DZT 90x120/RGS, прецизионный стереокомпаратор Dicometer, регистриратор данных Coordimeter H, накопитель информации MTU5300/P, фототрансформатор Rectimat-C, позволявших решать практически все задачи, связанные с обработкой воздушных и наземных снимков. Приборы были запущены в работу в 1985-1986 гг. и почти безотказно эксплуатируются уже более 17 лет.

Дистанционные исследования вулканов Камчатки и Курил методами фотограмметрии последние 20 лет выполняются Институтом вулканологии самостоятельно. Основные задачи, решаемые в рамках данного направления, представлены ниже.

1. Аэрофотосъёмочные работы. Как правило, этот процесс выполняется с использованием традиционных технологий плановой (маршрутной или площадной) и перспективной съёмок. Частота съёмок отдельного вулкана должна определяться поставленной задачей, характером изучаемого объекта и зависит в основном от погодных условий. Так примерно и было в Советские времена, когда авиация была вполне доступна. В период 1975 – 1995 гг. фиксировались последствия всех извержений вулканов Камчатки и Северных Курил. Часто удавалось снимать вулканы непосредственно перед началом и неоднократно в процессе извержения. В последний раз такая возможность была реализована 1 октября 1994 г. во время пароксизма вулкана Ключевской. В то время, благодаря регулярным дистанционным наблюдениям за постепенно нараставшей мощью вулкана в период с 1984 – 1994 гг., удалось буквально почувствовать приближение кульминационного момента, что и позволило наблюдать его во всей красе и полностью зафиксировать.

С тех пор всё изменилось. Аэрофотосъёмка вулканов производится не чаще одного-двух раз в год. Причём изучаются только сильно извергающиеся или потенциально опасные вулканы (Шивелуч, Карымский и Авачинский).

Тем не менее, Институтом вулканологии получена уникальная коллекция аэрофотоснимков (аэрофильмов) практически всех извержений периода 1975-1995 гг. и наиболее крупных извержений последующих лет.

2. Поиск предвестников извержений. Важнейшая задача дистанционных наблюдений, как и других видов наблюдений в вулканологии – выявление признаков активизации вулканов. В процессе дешифрирования и фотограмметрической обработки аэрофотоснимков доказано, что внешние признаки активизации вулканов существуют. Пока они выявлены только на самых активных вулканах, имеющих наиболее длинные ряды регулярных аэрофоторегистраций кратеров. Это вулканы Ключевской группы – Шивелуч, Ключевской, Безымянный и вулкан Малый Семячик .

3.Составление топографических и специальных карт и планов. Детальные вулканологические исследования должны быть обеспечены топографическими картами крупных масштабов и планами. Работы в этом направлении, начатые в 1973 г. вместе с НИИГаиКом, продолжаются. Топографические карты и планы, составляемые на вулканы, кратеры, лавовые потоки являются одним из документов, точно фиксирующих состояние изучаемого объекта, основой для нанесения нетопографической информации и создания специальных (тематических) карт.

4. Изучение вулканической опасности. Методы фотограмметрии применялись при изучении опасности вулканов Ключевской и Авачинской групп для населения близко расположенных городов и посёлков, но наиболее полно возможности метода были реализованы в работах по оценке опасности вулкана Эбеко для посёлка Северо-Курильск. В этом районе в 1988 – 1990 гг. проведён комплекс аэрофотогеодезических исследований, включавший планово-высотную подготовку объекта, периодические аэрофотосъёмки вулкана, составление топографической карты масштаба 1:10000 на весь объект и планов масштаба 1:5000 на отдельные участки. По снимкам изучена морфология вершины и склонов вулкана Эбеко, определены запасы снега, накапливающегося в пределах площади водосбора реки Кузьминка, разработаны мероприятия по защите Северо-Курильска, составлена карта вулканической опасности. Только благодаря аэрофотосъёмке выявлен факт фреатического взрыва, случившегося летом 1989 г. вблизи озера “Снежное”, в результате которого озеро было уничтожено. Небольшой объём воды озера ( не более 500 м³, при площади 440 м²), тем не менее привёл к образованию лахара протяжённостью 900м со средней шириной 60 м. Последствия подобных событий, произойди они в главных кратерах вулкана, максимальный зафиксированный объём воды в которых достигал 240000м³ (1952 г.), могут оказаться более заметными.

5. Наблюдения за развитием вулканических извержений. Точные геометрические характеристики и динамические параметры вулканических извержений, определяемые методами фотограмметрии, позволяют объективно судить о характере и масштабах происходящих событий, способствуют правильному пониманию механизма извержений. В основе технологии количественного изучения внешних проявлений вулканического процесса лежит возможность построения и сопоставления цифровых моделей изучаемых объектов. По результатам периодических аэрофото и наземных съёмок определяются: объёмы изверженных материалов; площади их распространения; скорости роста экструзивных куполов и шлаковых конусов; скорости движения лавовых потоков и раскалённых лавин; определяются параметры эруптивных шлейфов и др..

Последние 25 лет методами фотограмметрии с разной степенью детальности, зависившей от возможности повторения съёмок, исследовалась динамика практически всех извержений вулканов Камчатки. Наиболее подробно изучается процесс формирования купола в кратере вулкана Шивелуч с 1980 – 2002 гг., рост конуса и развитие лавового поля вулкана Карымский с 1996 – 2002 гг.

Ежегодно повторяемые съёмки кратера вулкана Авачинский позволили предпринять попытку изучения деформаций лавовой пробки. По снимкам 1995 г. впервые зафиксировано медленное сползание юго-западной части пробки в открытую сторону кратера, достигшее к 2002 г. величины 1,7 м.

6. Реставрация и обработка наземных снимков Экспедиции Русского географического общества 1908 – 1910 гг. Как уже отмечено выше во время работы экспедиции были выполнены съёмки практически всех вулканов Камчатки. В Институте вулканологии начаты работы по реставрации и фотограмметрической обработке снимков и стереопар, изучение которых может дать ранее неизвестную информацию о вулканах. Предварительное изучение снимков вулкана Авачинский, полученных весной и осенью 1909 г., позволило восстановить морфологию и размеры кратера, уточнить абсолютную высоту вулкана, показать, что летнее извержение 1909 г. сопровождалось излиянием двух лавовых, а не агломератовых, как считалось ранее, потоков. Совершенно новая информация может быть получена при фотограмметрической обработке снимков вулканов Шивелуч, Ключевской и Безымянный, форма и размеры которых основательно изменились с тех пор.

7. Разработка методов дистанционных наблюдений за состоянием вулканов. Специфика деятельности таких объектов, какими являются активные вулканы, не всегда позволяет успешно применять классические технологии дистанционных наблюдений. Возникающие сложности вынуждают совершенствовать действующие или разрабатывать новые методы фоторегистрации вулканов. Из разработок выполненных в Институте вулканологии можно представить следующие.

1. Получать надёжные и высокоточные данные по аэрофотоснимкам возможно только в том случае, если произведена их планово-высотная подготовка, в результате которой каждая стереопара должна быть обеспечена необходимым количеством (не менее трёх) опорных точек. Процесс планово-высотной привязки снимков трудоёмкий, т.к. требует выполнения на объекте исследований геодезических работ, часто опасен, поскольку опорные точки нужны как на склонах, так и на вершине вулкана, а во время извержений - невозможен, или бесполезен. Поэтому перед фотограмметристами, изучающими вулканы, всегда стоит проблема оперативной планово-высотной подготовки объекта с наименьшими затратами.

Во времена совместной работы с сотрудниками кафедры фотограмметрии НИИГаиКа было сделано несколько предложений, позволявших решать эту задачу. Но из-за высокой сложности исполнения или полной бесполезности применения во время извержений эти, интересные в теоретическом плане предложения остались нереализованы.

Более приемлемым может оказаться наше собственное предложение, заключающееся в синхронной, планово-перспективной съёмке извергающегося вулкана двумя жёстко скреплёнными между собой камерами. Одна камера – плановая - снимает подножье вулкана, а другая – перспективная – одновременно (снимок в снимок) склоны конуса и его вершину, где происходят основные события. При таком виде съёмки все опорные точки могут быть размещены только в зоне, охватываемой плановой камерой. Элементы внешнего ориентирования (ЭВО) перспективных снимков вычисляются через ЭВО синхронных плановых снимков и элементы, определяющие взаимное положение жестко скреплённых камер.

2. Казалось бы, именно специализированные фототеодолиты, прежде всего, необходимо использовать для исследований в области наземной фотограмметрии вулканов. Но широкое применение промышленных приборов типа UMK-10/1318 или Photheo – 19/1318 в настоящих условиях вряд ли возможно и в основном потому, что для переноски и обслуживания только одиночных комплектов приборов требуются бригады от трёх до пяти человек. Быстропротекающие явления, какими являются вулканические взрывы, раскалённые лавины, вулканические обвалы, потоки жидкой лавы и т.п., необходимо снимать сразу двумя комплектами синхронно работающих фототеодолитов, установленных на концах базиса фотографирования. Размеры базиса могут достигать нескольких сотен или даже тысяч метров. Соответственно потребуется увеличить вдвое обслуживающий камеры персонал. Такие обстоятельства вынудили приступить к разработке технологии и приборов фототеодолитной съёмки на базе малоформатных цифровых камер и серийных теодолитов. Созданный опытный образец цифрового фототеодолита имеет вес 5 кг. Такой прибор вместе с сопутствующим оборудованием способен переносить один человек. Другие преимущества, какими обладает цифровая камера перед плёночным аппаратом - общеизвестны.

3. В качестве примера нового метода регистрации вулканогенных объектов, подсказанного самой природой, можно привести способ определения положения подводных фумарол, основанный на использовании как косвенных, так и прямых дешифровочных признаков.

Поздняя осень. На холодных вулканических озёрах при становлении первого льда пузырьки газа подводных фумарол оставляют отверстия в ещё тонкой ледяной корке. Лопаясь, они разбрызгивают капли воды, которые, замерзая, образуют вокруг отверстия капельный конус, достигающий иногда до 80 см в диаметре и до 50 см высотой. Этот факт впервые зафиксирован аэрофотосъёмкой на озёрах Узона. Положение отверстий на поверхности льда или положение кратеров капельных конусов вполне определяют положение подводных фумарол.

Для выявления подобных образований на дне неглубоких горячих озёр с прозрачной водой, достаточно производить аэрофотосъёмку при сплошной облачности с небольших высот. Отсутствие солнечных бликов позволяют рассмотреть на снимках детали строения дна озёр, легко выявить центры выхода газа. На глубоких вулканических озёрах с непрозрачной водой используются такие косвенные признаки, определяющие наличие и положение подводных фумарол, как водяные купола, мутьевые пятна, концентрически расположенные кольца выносимой со дна серы и т.п.

В завершение надо сказать, что получение аэрофотоснимков, наземных фототеодолитных снимков и их фотограмметрическая обработка – это сложный, трудоёмкий и кропотливый процесс. Но дистанционные фотограмметрические исследования пока являются единственным методом, который безопасно и, при хорошей организации дела, достаточно быстро даёт объективную информацию обо всех внешних проявлениях вулканического процесса. Информация эта может изучаться с любой необходимой подробностью и разумной точностью и часто приводит к неожиданным, интересным и важным результатам.