Дистанционное зондирование земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Санкт-Петербург, 2012

Учебно-методическое пособие посвящено дистанционному зондированию Земли, приводятся основные сведениях о методах и способах проведения дистанционного зондирования, в том числе с помощью аэрокосмической съемки. Приводится информация по этапам проведения дистанционного зондирования, различным видам снимков, их обработке и дешифрованию.

Методическое пособие рекомендовано для магистров направления подготовки 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», магистерская программа 210700.68.02 «Геоинформационные системы».

Целью освоения дисциплины является получение студентами знаний о принципах построения систем дистанционного зондирования Земли: технических средствах и их использовании в технологии построении геоинформационных систем, технологии производства аэрофотосъёмочных работ, принципах, способах и методах дистанционного зондирования Земли, используемых в различных системах, разрешительной системе для производства аэрофотосъёмочных работ и требований по защите информации в соответствии с руководящими документами, принципах и методах первичной обработки и оценки качества материалов, полученных по результатам дистанционного зондирования Земли.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с исследованием земной поверхности, организацией и технологией бесконтактных методов зондирования, техническими аспектами обработки этой информации.

В результате изучения дисциплины студенты должны обладать рядом специализированных умений, в том числе: анализа и оценивания материалов, полученных по результатам дистанционного зондирования, разработки и совершенствования методики аэрофототопографической съёмки, выполнения комплекса работ по аэрофотосъемке и приёмке материалов аэросъёмки для создания и обновления топографических карт и планов различных масштабов, применения отечественных и зарубежных стандартов в области аэрогеодезии и картографии, оформления документов, согласно разрешительной системе, для производства полётов БПЛА.

Также изучение дисциплины предполагает получение студентами навыков владения методами и средствами обработки информации полученной по результатам дистанционного зондирования Земли, методами расчета и инструментального контроля качества информации полученной по результатам дистанционного зондирования земли, навыков организации и обеспечения режима секретности, владение методами технической защиты информации при производстве аэрофотосъёмочных работ, навыков формирования требований к производству аэрофотосъёмочных работ для изготовления ортофотопланов, топографических карт, а также для решения задач воздушного мониторинга с применением беспилотных летательных аппаратов.

Дисциплина нацелена на формирование общенаучных компетенций ОК.СЛ.2(способен к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности), ОК.СЛ.3(способен работать в коллективе, проявлять инициативу, руководить и брать на себя ответственность, направлять деятельность коллектива), ОК.ОН.2(способен применять современный инструментарий математического исследования, методы анализа и оптимизации процессов и систем), ОК.ОН.3(способен использовать современные фундаментальные знания по естественнонаучным направлениям подготовки (физике, экологии, информатике и др.), ОК.И.3(способен самостоятельно приобретать и использовать с помощью информационных технологий новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности) и профессиональных компетенций ПК.ОП.1 (способен демонстрировать профессиональные навыки работы в научном коллективе, порождать новые идеи (креативность); способен анализировать, синтезировать и критически резюмировать информацию), ПК.ОП.2 (способен осознавать и формулировать основные проблемы своей предметной области, применять универсальные методы и средства для их решения), ПК.НИ.2 (способен самостоятельно выполнять экспериментальные исследования для решения научно-исследовательских и производственных задач с использованием современной аппаратуры и методов исследовании; способен участвовать в научных исследованиях в группе, ставить задачи исследования, выбирать методы экспериментальной работы), ПК.НИ.3 (способен разрабатывать и оптимизировать программы модельных и натурных экспериментальных исследований приборов и систем телекоммуникаций), ПК.ОУ.5 (способен организовать работу большого количества людей, эффективные коммуникации с внешней средой; владеть приемами и методами работы с персоналом, методами оценки качества и результативности труда персонала, методами, формами и системами оплаты труда), ПК.ОУ.7 (способен координировать работу персонала для комплексного решения инновационных проблем - от идеи до серийного производства; готов управлять программами освоения новой продукции и/или технологии) и профессиональных компетенций профиля подготовки ПК.НИ.ПП.1 (способен разрабатывать и реализовывать эффективные алгоритмы обработки фотопланов, структурных моделей рельефов, моделировать геометрические сети и анализировать результаты дистанционного зондирования Земли), ПК.НИ.ПП.2 (способен исследовать, разрабатывать, адаптировать и оптимизировать задачи на основе проведенного геоинформационного анализа), ПК.ПК.ПП.2 (готов к освоению технологии проектирования, разработки и внедрения геоинформационных систем территориального планирования), ПК.ОУ.ПП.2 (способен к участию в работах по организации геодезического обеспечения, информационной безопасности ГИС), ПК.НП.ПП.1 (способен и готов осуществлять подбор и профориентацию молодых одаренных кадров из школьной и/или студенческой среды для обучения или переквалификации и/или для участия в проведении научноисследовательских работ), ПК.НП.ПП.2 (способен к публичным выступлениям перед профессиональными сообществами).

Оглавление

Сцена - это то, что находится перед датчиком; построение геологической модели сцены является в самом общем виде той целью, ради которой создается система. Изучение сцены на расстоянии возможно благодаря тому, что она обнаруживает себя в физических полях, которые могут быть измерены. Наиболее часто используются излученные или отраженные электромагнитные волны, в последнем случае необходим источник освещения, пассивный (например. Солнце) или активный (лазеры, радиолокаторы и др.). Физические поля измеряются датчиками, входящими в состав высотного комплекса, который кроме измерений служит для первичной обработки и передачи данных на Землю. Данные, закодированные в электромагнитном сигнале или записанные на твердотельные носители (фотопленки, магнитные ленты и пр.), доставляются в наземный комплекс, в котором происходит их прием, обработка, регистрация и хранение. После обработки данные обычно переписываются в кадровую форму и выдаются в качестве материалов дистанционного зондирования, которые по традиции называются космическими снимками. Пользователь, опираясь на внешнюю базу знаний, а также собственный опыт, интуицию, проводит анализ и интерпретацию материалов ДЗ и создает геологическую модель сцены, которая и является формой регистрации решения поставленной проблемы. Достоверность модели проверяется сопоставлением, или идентификацией модели и сцены; идентификация замыкает систему и делает ее пригодной для прикладного пользования.

Системы ДЗ разрабатываются в двух вариантах - ориентированные на изображение и ориентированные на число. Первый вариант рассчитан на визуальное дешифрирование материалов ДЗ, которые в свзи с этим предоставляются пользователю в виде КС. Второй учитывает возможность автоматического (компьютерного) распознавания геологических и других образов. Образные и числовые варианты дистанционного зондирования дополняют друг друга. Несмотря на то что технология автоматического

распознавания образов появилась позже и связана с прогрессивным и дорогим техническим обеспечением, визуальный анализ и геологическая (экологическая) интерпретация КС сохраняют свое лидирующее положение. Чтобы понять причины этой ситуации, необходимо рассмотреть основные способы получения материалов дистанционного зондирования и сопоставить принципы, лежащие в основе автоматического и визуального дешифрирования МДЗ.

Идеальная схема дистанционного зондирования показана на Рисунке 3. Ее составляющими являются источник электромагнитного излучения, процесс распространения излучения и его взаимодействие с веществом объекта, ответный сигнал, регистрация данных и предоставление их потребителям. В этой модели источник генерирует электромагнитное излучение с высоким уровнем энергии во всем диапазоне длин волн, причем интенсивность излучения является известной величиной, которая не зависит от длины волны. Излучение не взаимодействует с атмосферой и распространяется через нее без потери энергии. Падающее излучение взаимодействует с веществом объекта, в результате чего возникает отраженное либо собственное вторичное излучение, однородное во всем диапазоне длин волн.

Излучение от объекта попадает на сенсор, который регистрирует пространственную информацию. Идеальный сенсор должен иметь простую и компактную конструкцию и обладать высокой точностью. Кроме того, он должен почти не потреблять энергии для своей работы. Данные, зарегистрированные сенсором, передаются на наземную станцию, где мгновенно преобразуются в интерпретируемую форму, которая позволяет идентифицировать все части изучаемого объекта по их физическим, химическим и биологическим свойствам. В этом виде данные предоставляются потребителям, которые, тем не менее, должны обладать большим опытом использования материалов ДЗ в своих предметных областях.

Рисунок 2. Идеальная схема дистанционного зондирования

Конечно, на практике идеальной системы дистанционного зондирования не существует в силу следующих причин:

1. Ни один источник не способен обеспечить однородность потока излучения как в пространстве, так и во времени.

2. Из-за взаимодействия излучения с газами атмосферы, молекулами

1. водяного пара и атмосферными частицами изменяется интенсивность излучения и его спектр.

2. Одно и то же вещество при разных условиях может иметь разную спектральную чувствительность. В то же время, спектральная чувствительность разных веществ может совпадать.

3. На практике не существует идеального сенсора, с помощью которого можно было бы регистрировать все длины волн электромагнитного спектра.

4. Из-за технических ограничений передача данных и их интерпретация иногда выполняются с задержкой по времени. Формат передаваемых данных также может отличаться от того, который требуется потребителю, и в результате потребитель получает данные в нужном формате лишь спустя некоторое время.

5. Потребители могут не обладать необходимой информацией о параметрах сбора данных ДЗ и не иметь достаточного опыта для их анализа и дешифрирования.

История развития методов дистанционного зондирования и современное состояние аэрокосмического зондирования.

Дистанционные методы применяются в исследованиях Земли очень давно. Вначале использовались рисованные снимки, которые фиксировали пространственное расположение изучаемых объектов. С изобретением фотографии возникла наземная фототеодолитная съемка, при которой по перспективным фотоснимкам составляли карты горных районов. Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством исследований - аэрометодами.

Понятие дистанционного зондирования появилось в XIX веке вслед за изобретением фотографии, а одной из первых областей, в которых стали применять этот метод, стала астрономия. Впоследствии, дистанционное зондирование начали использовать в военной области для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений. Во время Гражданской войны в США фотоснимки, полученные с помощью неуправляемых летательных аппаратов, служили для наблюдения за перемещением войск, подвозом припасов, ходом фортификационных работ и для оценки эффекта артиллерийских обстрелов. В результате исследований, которые финансировались различными государствами, были разработаны технологии, позволившие создать сенсоры сначала для военных целей, а затем и для гражданского применения этого метода. После Второй мировой войны метод дистанционного зондирования стали использовать для наблюдения за окружающей средой и оценки развития территорий, а также в гражданской картографии. В 60-х годах XX века, с появлением космических ракет и спутников, дистанционное зондирование вышло в космос.

Новая эра дистанционного зондирования связана с пилотируемыми космическими полетами, разведывательными, метеорологическими и ресурсными спутниками.

Возможности ДЗ в военной области значительно возросли после 1960 года в результате запуска разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON и LANYARD, целью которых было получение фотоснимков с низких орбит. Вскоре были получены стереопары снимков с разрешением 2 метра. Первые спутники работали на орбите от семи до восьми дней, но уже следующие поколения этих аппаратов были способны поставлять данные в течение нескольких месяцев.

В результате осуществления программ пилотируемых полетов, которые были начаты в США в 1961 году, человек впервые высадился на поверхность Луны (1969 г.). Следует отметить программу Mercury, в рамках которой были получены снимки Земли, систематический сбор данных дистанционного зондирования во время проекта Gemini (1965-1966 гг.), программу Apollo (1968-1975 гг.), в ходе которой велось дистанционное зондирование земной поверхности (ДЗЗ) и состоялась высадка человека на Луну, запуск космической станции Skylab (1973-1974 гг.), на которой проводились исследования земных ресурсов, полеты космических кораблей многоразового использования, которые начались в 1981 году, а также получение многозональных снимков с разрешением 100 метров в видимом и близком инфракрасном диапазоне с использованием девяти спектральных каналов.

В Советском Союзе, а затем в России космические программы развивались параллельно космическим программам США. Полет Юрия

Гагарина 12 апреля 1961 года, ставший первым полетом человека в космос, запуски космических кораблей «Восток» (1961-1963 гг.), «Восход» (19641965 гг.) и «Союз», работа на орбите космических станций «Салют» (впервые 19 апреля 1971 года).

Первый метеорологический спутник был запущен в США 1 апреля 1960 года. Он использовался для прогноза погоды, наблюдения за перемещением циклонов и других подобных задач. Первым среди спутников, которые применялись для регулярной съемки больших участков земной поверхности, стал TIROS-1 {Television and Infrared Observation Satellite).

Первый специализированный спутник был запущен в 1972 году. Он назывался ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) и использовался, в основном, для целей сельского хозяйства. В настоящее время спутники этой серии носят название Landsat. Они предназначены для регулярной многозональной съемки территорий со средним разрешением. Позже, в 1978 году, был запущен первый спутник со сканирующей системой SEASAT, но он передавал данные всего три месяца. Первый французский спутник серии SPOT, с помощью которого можно было получать стереопары снимков, был выведен на орбиту в 1985 году. Запуск первого индийского спутника дистанционного зондирования, названного IRS (Indian Remote Sensing), состоялся в 1988 году. Япония также вывела на орбиту свои спутники JERS и MOS.

Начиная с 1975 года, Китай периодически запускал собственные спутники, но полученные ими данные до сих пор находятся в закрытом доступе. Европейский космический консорциум вывел на орбиту свои радарные спутники ERS в 1991 и 1995 годах, а Канада - спутник RADARSAT в 1995 году.

1900 I 960 1970 1980 1990 2000

Рисунок 3. Время работы различных платформ дистанционного зондирования

Интервалы работы различных космических комплексов ДЗ на орбите показаны на Рисунке 3.

Аэрокосмический снимок.

История развития аэрокосмических методов свидетельствует о том, что новые достижения науки и техники сразу же используются для совершенствования технологий получения снимков. Так произошло в середине XX в., когда такие новшества, как компьютеры, космические аппараты, радиоэлектронные съемочные системы, совершили революционные преобразования в традиционных аэрофотометодах - зародилось аэрокосмическое зондирование. Космические снимки предоставили геоинформацию для решения проблем регионального и глобального уровней.

В настоящее время отчетливо проявляются следующие тенденции поступательного развития аэрокосмического зондирования.

• Космические снимки, оперативно размещаемые в Интернете, становятся наиболее востребованной видеоинформацией о местности как для специалистов-профессионалов, так и для широких слоев населения.

• Разрешение и метрические свойства космических снимков открытого доступа быстро повышаются. Получают распространение орбитальные снимки сверхвысокого разрешения - метрового и даже дециметрового, которые успешно конкурируют с аэроснимками.

• Аналоговые фотографические снимки и традиционные технологии их обработки утрачивают свое прежнее монопольное значение. Основным обрабатывающим прибором стал компьютер, оснащенный специализированным программным обеспечением и периферией.

• Развитие всепогодной радиолокации превращает ее в прогрессивный метод получения метрически точной пространственной геоинформации, который начинает эффективно комплексироваться с оптическими технологиями аэрокосмического зондирования.

• Быстро формируется рынок разнообразной продукции аэрокосмического зондирования Земли. Неуклонно увеличивается число коммерческих космических аппаратов, функционирующих на орбитах, особенно зарубежных. Наибольшее применение находят снимки, получаемые ресурсными спутниковыми системами Landsat (США), SPOT (Франция), IRS (Индия), картографическими спутниками ALOS (Япония), Cartosat (Индия), спутниками сверхвысокого разрешения Ikonos, QiuckBird, GeoEye (США), в том числе радиолокационными TerraSAR-X и TanDEM-X (Германия), выполняющими тандемную интерферометрическую съемку. Успешно эксплуатируется система спутников космического мониторинга RapidEye (Германия).

Аэрокосмические снимки -- основной результат аэрокосмических съемок, для выполнения которых используют разнообразные авиационные и космические носители (Рисунок 5). Аэрокосмические съемки делят на пассивные, которые предусматривают регистрацию отраженного солнечного или собственного излучения Земли, и активные, при которых выполняют регистрацию отраженного искусственного излучения.

Рисунок 4. Авиационные и космические носители

Рисунок иллюстрирует также многоярусный принцип исследования Земли, предусматривающий космические, авиационные и наземные (надводные) наблюдения

Аэрокосмический снимок -- это двумерное изображение реальных объектов, которое получено по определенным геометрическим и радиометрическим (фотометрическим) законам путем дистанционной регистрации яркости объектов и предназначено для исследования видимых и скрытых объектов, явлений и процессов окружающего мира, а также для определения их пространственного положения.

Диапазон масштабов современных аэрокосмических снимков огромен: он может меняться от 1:1000 до 1:100 000 000, т. е. в сто тысяч раз. При этом наиболее распространенные масштабы аэрофотоснимков лежат в пределах 1:10 000--1:50 000, а космических -- 1:200 000--1:10 000 000. Все аэрокосмические снимки принято делить на аналоговые (обычно фотографические) и цифровые (электронные). Изображение цифровых снимков образовано из отдельных одинаковых элементов -- пикселей (от англ. picture element -- pixel); яркость каждого пиксела характеризуется одним числом.

Аэрокосмические снимки как информационные модели местности характеризуются рядом свойств, среди которых выделяют изобразительные, радиометрические (фотометрические) и геометрические. Изобразительные свойства характеризуют способность снимков воспроизводить мелкие детали, цвета и тоновые градации объектов, радиометрические свидетельствуют о точности количественной регистрации снимком яркостей объектов, геометрические характеризуют возможность определения по снимкам размеров, длин и площадей объектов и их взаимного положения.

Важными показателями снимка служат охват и пространственное разрешение. Обычно для исследований требуются снимки большого охвата и высокого разрешения. Однако удовлетворить эти противоречивые требования в одном снимке не удается. Обычно чем больше охват получаемых снимков, тем ниже их разрешение. Поэтому приходится идти на компромиссные решения либо выполнять одновременно съемку несколькими системами с различными параметрами.

Этапы дистанционного зондирования и анализа данных

На Рисунке 5 в обобщенном виде представлена принципиальная схема выполнения аэрокосмических исследований. Она включает основные технологические этапы: получение снимка объекта исследования и дальнейшую работу со снимками - их дешифрирование и фотограмметрическую обработку, а также конечную цель исследований - составленную по снимкам карту, геоинформационную систему, разработанный прогноз. Поскольку получить необходимые характеристики изучаемого объекта только по снимкам без каких-либо натурных определений, без обращения к «земной правде» в большинстве случаев невозможно, необходимо их эталонирование. Важным элементом исследований по снимкам является также оценка достоверности и точности полученных результатов. Для этого приходится привлекать другую информацию и обрабатывать ее иными методами, что требует дополнительных затрат.

Рисунок 5. Принципиальная схема аэрокосмических исследований

Дистанционное зондирование можно рассматривать как составную часть информационной системы. Во многих областях данные ДЗ являются ключевым компонентом в процессе принятия решений. Простая замкнутая

схема такого процесса без обратных связей показана на Рисунке 7. Начальная точка, которая одновременно является и конечной точкой всего процесса, -- информационные запросы групп специалистов. По существу, потребитель, а точнее, его нужды -- это самое главное звено любой системы управления информацией. На схеме представлены различные дисциплины, связанные с Землей и ее ресурсами. Глобус на заднем плане символизирует глобальный масштаб такой системы. Информационные запросы логически связаны с требованиями заказчиков и потребителей продукции к материалам ДЗ.

Оптимальный способ использования данных наблюдения поверхности Земли со спутников заключается в том, чтобы анализировать их совместно с информацией из других источников, -- в этом случае они становятся необходимой составляющей процесса принятия решений и моделирования в любой предметной области. Еще один важный принцип дистанционного зондирования -- многокомпонентность -- реализуется в виде различных методов съемки и анализа данных.

Рисунок 6. Процесс получения и анализа данных дистанционного зондирования

Стереосъемка. Получение снимков с перекрытием из нескольких последовательных точек орбиты позволяет получить более точное представление о трехмерных объектах и повысить отношение сигнал/шум. Многозональная съемка. Использование многозональных снимков основано на уникальности тоновых характеристик различных объектов. Объединение яркостных данных из снимков в различных спектральных диапазонах позволяет безошибочно выделять определенные пространственные структуры. Съемку с использованием большого числа (более 10) узких съемочных зон называют гиперспектральной.

Многозональный снимок представлен серией зональных изображений, которые различаются в соответствии с особенностями спектральной яркости объектов съемки. При использовании большого числа (до нескольких сотен) узких спектральных зон такую съемку называют гиперспектралъной, а снимок - гиперспектралъным. При гиперспектралъной съемке увеличивается возможность выделения объектов, характеризующихся наличием полос поглощения, что характерно, например, для загрязнений. Многозональная и гиперпектральная съемки позволяют более эффективно использовать различия в спектральной яркости объектов съемки для их дешифрирования. К этому виду снимков можно отнести также радиолокационные снимки, получаемые как при регистрации отраженных радиоволн разной длины, так и при разной их поляризации.

При работе с многозональными снимками применяется ряд приемов. Наиболее универсальный - синтезирование цветного изображения при целенаправленном выборе набора зон и их окрашивании для выделения интересующих исследователя объектов. Работа с серией зональных снимков основывается на учете различий в спектральной яркости исследуемых объектов в используемых спектральных зонах, например, яркости растительности в красной и ближней инфракрасной зонах. Это реализуется сопоставлением зональных изображений при визуальном дешифрировании (приемы сопоставительного дешифрирования) и классификацией объектов по спектральным признакам при компьютерном дешифрировании. Работа с очень большим числом съемочных зон гиперспектральных снимков, затруднена, поэтому по ним создаются так называемые индексные изображения на основе расчета специально выбранных спектральных индексов, способствующих выделению определенного типа объектов (вегетационные индексы для дешифрирования свойств растительности, индекс влажности почв, заснеженности территории, концентрации фитопланктона и др.).

Многовременная съемка. Плановая съемка в заранее определенные даты позволяет выполнять сравнительный анализ снимков тех объектов, характеристики которых изменяются во времени.

Многоуровневая съемка. Съемку с различными уровнями дискретизации используют для получения все более подробной информации об изучаемой территории. Как правило, весь процесс сбора данных подразделяют на три уровня: космическая съемка, аэросъемка и наземные исследования. Многополяризационная съемка. Снимки, полученные этим методом, используют для проведения границ между объектами на основе различий в поляризационных свойствах отраженного излучения. Так, например, отраженное излучение от водной поверхности обычно более сильно поляризовано, чем отраженное излучение от растительного покрова. Комбинированный метод. Заключается в использовании многовременной, многозональной и многополяризационной съемки.

Междисциплинарный анализ. Обработку и дешифрирование данных выполняют несколько человек, специализирующихся в разных предметных областях. Это позволяет получить более полную и достоверную информацию

о состоянии природных ресурсов. Результаты такого анализа обычно представляют в виде набора тематических карт.

Подавляющее большинство данных дистанционного зондирования имеет географическую привязку. Поскольку такие данные изучают, как правило, во взаимосвязи друг с другом, для каждодневной работы и принятия решений необходимо иметь эффективное средство манипулирования данными. Таким автоматизированным средством является географическая информационная система -- инструмент единого подхода к управлению и обработке пространственной информации, включая и материалы дистанционного зондирования.

Техника получения материалов дистанционного зондирования

Аэрокосмическую съемку ведут в окнах прозрачности атмосферы (Рисунок 8), используя излучение в разных спектральных диапазонах - световом (видимом, ближнем и среднем инфракрасном), тепловом инфракрасном и радиодиапазоне.

Рисунок 7. Окна прозрачности атмосферы

В каждом из диапазонов применяют разные технологии получения изображения и в зависимости от этого выделяются несколько типов снимков (Рисунок 9).

Рисунок 8. Классификация космических снимков по спектральным диапазонам и технологиям получения изображения

Снимки в световом диапазоне делятся на фотографические и сканерные, которые в свою очередь подразделяются на полученные оптикомеханическим сканированием (ОМ-сканерные) и оптико-электронным с использованием линейных приемников излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-сканерные). На таких снимках отображаются оптические характеристики объектов - их яркость, спектральная яркость. Применяя многозональный принцип съемки, получают в этом диапазоне многозональные снимки, а при большом числе съемочных зон - гиперспектральные, использование которых основано на спектральной отражательной способности объектов съемки, их спектральной яркости.

Проводя съемку с использованием приемников теплового излучения(тепловую съемку), получают тепловые инфракрасные снимки. Съемку в радиодиапазоне ведут, применяя как пассивные, так и активные методы, и в зависимости от этого снимки делятся на микроволновые радиометрические, получаемые при регистрации собственного излучения исследуемых объектов, и радиолокационные снимки, получаемые при регистрации отраженного радиоизлучения, посылаемого с носителя - радиолокационной съемке.

Фотосъемка

Отличительной чертой КС является высокая степень обзорности, охват одним снимком больших площадей поверхности. В зависимости от типа применяемой аппаратуры и фотопленок, фотографирование может производиться во всем видимом диапазоне электромагнитного спектра, в отдельных его зонах, а также в ближнем ИК (инфракрасном) диапазоне.

Масштабы съемки зависят от двух важнейших параметров: высоты съемки и фокусного расстояния объектива. Космические фотоаппараты в зависимости от наклона оптической оси позволяют получать плановые и перспективные снимки земной поверхности.

В настоящее время используется фотоаппаратура с высоким разрешением, позволяющая получать КС с перекрытием 60% и более. Спектральный диапазон фотографирования охватывает видимую часть ближней инфракрасной зоны (до 0,86 мкм).

Для съемки земной поверхности с ПКК используются фотографирующие системы следующих марок: КАТЭ-140, МКФ-6, ФМС и ДР.

Фотографическая камера МКФ-6М имеет шесть спектральных каналов, работающих в следующих зонах спектра (мкм): 0,45- 0,50; 0,52-0,56; 0,58

0, 62; 0,64-0,68; 0,70-0,74; 0,78-0,86. Изображение отличается высоким разрешением и может быть увеличено в несколько раз без потери информативности. Масштаб снимков, снятых с высоты 265 км, немногим мельче 1:2 000 000. Зональные снимки 1-4 каналов выдерживают увеличение до 60 раз и в таком увеличенном виде вполне пригодны для целей геологического дешифрирования. Снимки, полученные по пятому и шестому каналам, выдерживают увеличение только 10Х.

Отметим, что фотографическая съемка - в настоящее время самый информативный вид съемки из космического пространства. Оптимальный размер отпечатка 18Х18 см, который, как показывает опыт, согласуется с физиологией человеческого зрения, позволяя видеть все изображение одновременно.

Для удобства пользования из отдельных КС, имеющих перекрытия, монтируются фотосхемы (фотомозаики) или фотокарты с топографической привязкой опорных точек с точностью 0,1 мм и точнее. Для монтажа фотосхем используются только плановые КС.

Для приведения разномасштабного, обычно перспективного КС к плановому используется специальный процесс, называемый трансформированием. Трансформированные КС с успехом используются для составления космофотосхем и космофотокарт и обычно легко привязываются к географической сетке координат.

Сканерная съемка

В настоящее время для съемок из космоса наиболее часто используются многоспектральные оптико-механические системы - сканеры, установленные на ИСЗ различного, назначения. При помощи сканеров формируются изображения, состоящие из множества отдельных, последовательно получаемых элементов. Термин "сканирование" обозначает развертку изображения при помощи сканирующего элемента (качающегося или вращающегося зеркала), поэлементно просматривающего местность поперек движения носителя и посылающего лучистый поток в объектив и далее на точечный датчик, преобразующий световой сигнал в электрический. Этот электрический сигнал поступает на приемные станции по каналам связи (рис.). Изображение местности получают непрерывно на ленте, составленной из полос - сканов, сложенных отдельными элементами - пикселами. Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, но особенно эффективным является видимый и ИК-диапазоны. При съемке земной поверхности с помощью сканирующих систем формируется изображение, каждому элементу которого соответствует яркость излучения участка, находящегося в пределах мгновенного поля зрения. Сканерное изображение - упорядоченный пакет яркостных данных, переданных по радиоканалам на Землю, которые фиксируются на магнитную ленту (в цифровом виде) и затем могут быть преобразованы в кадровую форму. В геологии используются материалы сканерных съемок с ИСЗ серии "Метеор". На этих спутниках установлены сканирующие устройства различной конструкции: с малым разрешением - МСУ-М, со средним разрешением - МСУ-С, с конической разверткой - МСУ-СК, с электронной разверткой - МСУ-Э (табл. 3).

Таблица 1. Технические характеристики сканирующих устройств

Технические характеристики сканирующих устройств

Важнейшей характеристикой сканера являются угол сканирования (обзора) и мгновенный угол зрения, от величины которого зависят ширина снимаемой полосы и разрешение. В зависимости от величины этих углов сканеры делят на точные и обзорные. У точных сканеров угол сканирования уменьшают до ±5°, а у обзорных увеличивают до ±50°. Величина разрешения при этом обратно пропорциональна ширине снимаемой полосы. Хорошо зарекомендовал себя сканер нового поколения, названный "тематическим картографом", которым были оснащены американские ИСЗ "Лэндсат-4 и -5". Сканер типа "тематический картограф" работает в семи диапазонах с разрешением 30 м в видимом диапазоне спектра и 120 м в ИК- диапазрне. Этот сканер дает большой поток информации, обработка которой требует большего времени; в связи с чем замедляется скорость передачи изображения. число пикселей на снимках достигает более 36 млн. на каждом из каналов. Сканирующие устройства могут быть использованы не только для получения изображений Земли, но и для измерения радиации - сканирующие радиометры - и излучения - сканирующие спектрометры.

Радиолокационная съемка

Радиолокационная съемка обеспечивает получение изображений земной поверхности и объектов, расположенных на ней, независимо от погодных условий, в дневное и ночное время благодаря принципу активной радиолокации: отправление зондирующих сигналов излучающей антенной и прием отраженных сигналов с последующим преобразованием их в изображения или извлечением информации о разности фаз посланного и отраженного сигнала.

Технология радиолокации была разработана еще в 30-х гг. прошлого века для военных целей. Основной задачей радиолокации тогда было обнаружение цели, определение ее местоположения, скорости и направления перемещения. Эта задача многократно успешно решалась в ходе второй мировой войны. Однако сразу после войны, в январе 1946 г. был получен отраженный радиосигнал от Луны, показавший не только военную, но и научную ценность радиолокации. Применение радиолокаторов для изучения поверхности Земли началось еще в 1960-е гг., при размещении их на самолетах для зондирования территорий, находящихся сбоку от направления

полета. Они известны под названием радиолокаторов бокового обзора. С их помощью впервые было выполнено картографирование территорий бассейна Амазонки, постоянно скрытых облачностью.

Радиолокационная съемка Земли ведется в нескольких участках диапазона длин волн (1 см - 1 м) или частот (40 ГГц- 300 МГц). Характер изображения местности на радиолокационном снимке зависит от соотношения между длиной волны и размерами неровностей местности: поверхность может быть в разной степени шероховатой или гладкой, что проявляется в интенсивности обратного сигнала и, соответственно, яркости соответствующего участка на снимке.

На протяжении нескольких десятилетий исследования Земли по радиолокационным снимкам велись преимущественно на основе учета амплитуды отраженного сигнала, несущего информацию о свойствах поверхности. Наибольшее распространение получило применение радиолокационной информации для целей картографирования, особенно территорий, преимущественно закрытых облачностью. В этой области снимки в радиодиапазоне, как правило, уступают снимкам в видимом диапазоне по качеству изображения, зато существенно превосходят их по возможностям получения данных при любых погодных условиях и периодичности повторения при необходимости.

В последнее время все более широкое распространение получает радиолокационная интерферометрия - метод обработки данных радиолокации, основанный на выделении разности фаз сигналов, отраженных разными участками местности. Он позволяет вычислить путь, пройденный радиоволнами до поверхности Земли и, соответственно, получить высокоточную информацию как об абсолютных высотах местности, так и о смещениях поверхности, обусловленных разными факторами. Интерферометрия предполагает совместную обработку не менее двух результатов съемки одного и того же участка земной поверхности, зафиксированных антенной при повторных наблюдениях (двухпроходная интерферометрия), или двумя антеннами, одновременно принимающими сигнал от одной точки под разными углами (однопроходная интерферометрия). Интерферометрические данные наиболее современных спутников Cosmo-Skymed и TerraSAR-X при режимах съемки с пространственным разрешением 1 м пригодны для создания и обновления топографических карт, вплоть до масштаба 1:10 000. 21 июня 2010 г. с космодрома Байконур произведен запуск спутника TanDEM-X, составляющего пару со спутником TerraSAR-X, предназначенного для синхронной радиолокационной съемки поверхности Земли. Целью программы TerraSAR- X/TanDEM-X является создание в 2013 г. в результате маршрутной съемки глобальной цифровой модели с пространственным разрешением до 3 м при абсолютной точности высотного положения точек 10 м, а относительной - 2 м.

Тепловые съемки

Инфракрасная (ИК), или тепловая, съемка основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным теплом или солнечным излучением. Она. широко применяется в геологии. Температурные неоднородности поверхности Земли возникают в результате неодинакового нагрева различных ее участков. Инфракрасный диапазон спектра электромагнитных колебаний условно делится на три части (в мкм):

• ближний (0,74-1,35),

• средний (1,35-3,50)

• дальний (3,50-1000).

Солнечное (внешнее) и эндогенное (внутреннее) тепло нагревает геологические объекты по-разному в зависимости от литологических свойств пород, тепловой инерции, влажности, альбедо и многих других причин. ИК- излучение, проходя через атмосферу, избирательно поглощается, в связи с чем тепловую съемку можно вести только в зоне расположения так называемых "окон прозрачности" - местах пропускания ИК-лучей. Опытным путем выделено четыре основных окна прозрачности (в мкм): 0,74-2,40; 3,404,20; 8,0-13,0; 30,0-80,0. Некоторые исследователи выделяют большее число окон прозрачности. в первом окне (до 0,84 мкм) используется отраженное солнечное излучение. Здесь можно применять специальные фотопленки и работать с красным фильтром. Съемка в этом диапазоне называется ИК- фотосъемкой.

В других окнах прозрачности работают измерительные приборы - тепловизоры, преобразующие невидимое ИК-излучение в видимое с помощью электроннолучевых трубок, фиксируя тепловые аномалии. На ИК- изображениях светлыми тонами фиксируются участки с низкими температурами, темными - с относительно более высокими. Яркость тона прямо пропорциональна интенсивности тепловой аномалии. ИК-съемку можно проводить в ночное время. На ИК-снимках, полученных с ИСЗ, четко вырисовывается береговая линия, гидрографическая сеть, ледовая обстановка, тепловые неоднородности водной среды, вулканическая деятельность и т. п. ИК-снимки используются для составления тепловых карт Земли. Линейно-полосовые тепловые аномалии, выявляемые при ИК-съемке, интерпретируются как зоны разломов, а площадные и концентрические - как тектонические или орографические структуры. Например, наложенные впадины Средней Азии, выполненные рыхлыми кайнозойскими отложениями, на ИК-снимках дешифрируются как площадные аномалии повышенной интенсивности. Особенно ценна информация, полученная в районах активной вулканической деятельности.

В настоящее время накоплен опыт использования ИК-съемки для изучения дна шельфа. Этим методом по разнице температурных аномалий поверхности воды получены данные о строении рельефа дна. При этом использован принцип, согласно которому при одинаковом облучении поверхности воды на более глубоких участках водных масс энергии на нагревание расходуется больше, чем на более мелких. В результате температура поверхности воды над более глубокими участками будет ниже, чем над мелкими. Этот принцип позволяет на ИК-изображениях выделять положительные и отрицательные формы рельефа, подводные долины, банки, гряды и т. п. ИК-съемка в настоящее время применяется для решения специальных задач, особенно при экологических исследованиях, поисках подземных вод и в инженерной геологии.

Космические снимки

Данные дистанционного зондирования, которые распространяются сегодня на коммерческой основе, получены с помощью различных съемочных систем и спутников. Поэтому очень важно, чтобы пользователи данных были хорошо осведомлены о форматах записи, видах коммерческой продукции и ее характеристиках. Все эти аспекты рассматриваются на примере данных, которые получают со спутников IRS и предоставляют пользователям как в цифровом формате, так и в виде обычных снимков.

Получение, передача и обработка данных

Существует три основных способа передачи данных со спутника на Землю. Первый способ -- это прямая передача данных на наземную станцию, которая находится в зоне прямой видимости спутника (Рисунок 10). Если прямая передача невозможна, можно воспользоваться вторым способом: полученные данные сохраняются на спутнике, а затем передаются с некоторой задержкой по времени на Землю. Наконец, третий способ передачи данных основан на использовании системы геостационарных спутников связи TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System). В этом случае данные передаются с одного спутника на другой до тех пор, пока в зоне прямой видимости одного из них не окажется наземная станция.

После того как данные в исходном формате поступают на наземную станцию, выполняется их обработка, в результате которой устраняются систематические ошибки и геометрические искажения, а также искажения, связанные с влиянием атмосферы. Затем данные преобразуются к стандартному цифровому формату и записываются на магнитную ленту или компакт-диск. Как правило, архивы данных формируются на наземных станциях, а базы данных ДЗ находятся в ведении либо государственных организаций (например, NRSA в Индии), либо коммерческих компаний (например, EOSAT в США).

Благодаря быстрой обработке данных космические снимки относительно низкого разрешения предоставляются пользователям уже через несколько часов после выполнения съемки. Такие снимки применяются, в частности, для контроля за ледовой обстановкой во время арктической навигации. Другим примером является съемка в инфракрасном диапазоне, которая используется для борьбы с лесными Данные дистанционного зондирования

Данные дистанционного зондирования называют по традиции снимками, хотя это может привести к некоторой путанице. Традиционный фотоснимок -- это представление объекта или сцены на пленке, которое получают с помощью фотокамер. При современном дистанционном зондировании используют сканирующие системы, которые работают в очень узком диапазоне электромагнитного спектра и регистрируют информацию об определенных свойствах объекта в цифровом виде.

Вместе с тем, следует отметить, что, несмотря на изначально цифровой характер данных ДЗ, они предоставляются пользователям как в цифровой, так и в аналоговой форме. Подробное обсуждение форматов цифровых данных приводится далее.

Цифровые данные

В процессе сканирования сенсором генерируется электрический сигнал, интенсивность которого изменяется в зависимости от яркости участка земной поверхности. При многозональной съемке различным спектральным диапазонам соответствуют отдельные независимые сигналы. Каждый такой сигнал непрерывно изменяется во времени, и для последующего анализа его необходимо преобразовать в набор числовых значений. Для преобразования непрерывного аналогового сигнала в цифровую форму его разделяют на части, соответствующие равным интервалам дискретизации (Рисунок 11). Сигнал в пределах каждого интервала описывается только сред ним значением его интенсивности, поэтому вся информация о вариациях сигнала на этом интервале теряется. Таким образом, величина интервала дискретизации является одним из параметров, от которого напрямую зависит разрешающая способность сенсора. Следует также отметить, что для цифровых данных обычно выбирают не абсолютную, а относительную шкалу яркостей, поэтому эти данные не отражают истинных радиометрических значений, полученных для данной сцены.

Рисунок 9. Схематичное представление преобразования исходных данных в значения пикселей

Еще одним параметром, от которого зависит разрешение снимка, является способ записи числовых значений. Для записи каждого числа используется ряд двоичных ячеек, которые называются битами. Рассмотрим в качестве примера семибитовую форму записи.