Космические съемки территорий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

На сегодняшний день наиболее широко применяется геоинформационные системы ГИС в сфере информационного обеспечения и автоматизации землеустроительных работ, земельного кадастра и оценке земельных ресурсов. Особое значение для мониторинга земель и пространственного отображения негативных процессов и явлений играет картографическая информация. Данную информацию человек может получить посредствам различных видов съемки.

Космическая фотосъемка - технологический процесс фотографирования земной поверхности с летательного аппарата с целью получения фотографических изображений местности (фотоснимков) с заданными параметрами и характеристиками. Такой вид съемки представляет актуальность в наше время, т.к. информация предоставляется не только на печатные носители, а также и на электронные, что позволяет иметь всегда актуальную информацию и быть человеку более мобильным. В век информационных технологий такие съемки происходят не только какое-то время назад, а даже «здесь и сейчас», так человек может в любое время ознакомится с картами той или иной местности в онлайн или офлайн режиме, т.к. спутники передают информацию на электронные носители через регулярный промежуток времени.

Космические снимки служат основой для проработки традиционных карт по материалам фотоснимков из космоса, так же они помогают при создании карт, отражающих современное состояние поверхности земли (лесной фонд, водный фонд и т.д.). Появление космической съемки помогла удешевить и упростить процесс картографирования.

Сегодня картографические материалы представлены в цифровом виде на базе ГИС, которая является системой для обеспечения сбора данных, его сохранности, обработки, отображения и передачи отработанных данных.

Созданные людьми и запущенные в космос искусственные спутники Земли передают на Землю фотографии нашей планеты, сделанные с больших высот.

Таким образом, в наше время можно говорить о космической геодезии или, как ее еще называют спутниковой геодезии. Мы являемся свидетелями зарождения нового раздела картографии, который можно было бы назвать космической картографией.

Цель курсовой работы - анализ космической съемки территорий и ее применение в практической части.

Объектом курсовой работы является территория Земли.

Предмет курсовой работы - исследование с помощью космической съемки территорий Земли.

Задачи:

1) исследовать теоретические основы «Космической съемки территории»;

2) раскрыть практическое использование «Космической съемки территории»;

3) на примере дать оценку исследуемой теме.



1. Технология космической съемки

1.1 Съемка территории и ее виды

Все измерительные работы, которые проводят на местности для определения положения точек, называют съемкой.

Одной из основных задач геодезии является съемка местности - комплекс полевых и камеральных работ, в результате которых получается план или карта.

Все съемочные работы, выполняемые в поле (на земле, под землей, над землей), называются полевыми, а все вычислительные и графические работы, выполняемые в кабинетах или лабораториях - камеральными.

Если в результате съемки создается план или карта без изображения рельефа, то съемка называется горизонтальной (ситуационной); если же изображается и ситуация и рельеф, то съемка называется топографической.

Съемки различают по видам применяемых приборов:

Глазомерная съемка (рекогносцировка) может производиться для предварительного ознакомления с местностью.

Нивелирование поверхности выполняется с помощью нивелира и рейки. По результатам съемки вычерчивается план местности, на котором рельеф изображен точно, а изображение ситуации либо отсутствует, либо выполнено с невысокой точностью. Так же к этому относится такой вид съемки, как нивелирование трассы - это съемка узкой полосы местности, по оси которой проложен теодолитный ход. По результатам такого вида съемки строят различные профили трасс.

Мензульная съемка выполняется с помощью мензулы и кипрегеля. В результате съемки именно на местности получают план с изображением рельефа.

Теодолитная съемка выполняется теодолитом и мерной лентой. В итоге получают контурный или ситуационный план. Такой вид съемки применяют на равнинной местности, населенных пунктов, в сельском и лесном хозяйстве. При применении в горной местности используют фототеодолитную съемку. Такой вид съемки выполняется с помощью фототеодолита, а камеральная обработка и рисовка плана выполняется на стереоприборах.

Тахеометрическая съемка выполняется с помощью тахеометра, получают план с изображением рельефа. Применяют на пересеченной местности, особенно при изыскании линейных сооружений, при съемке малых строительных площадок.

Буссольная съемка выполняется с помощью буссоли и как самостоятельную применяют лишь при съемке небольших лесных участков, а также в качестве дополнительной при других видах съемок.

По способу выполнения съемки местности подразделяются на наземные, дистанционные и комбинированные.

Наземные съемки делятся на: плановую (горизонтальную); высотную (вертикальную); планово-высотную (комбинированную).

Дистанционные съемки делятся на аэросъемку и космическую съемку, обе из которых бывают фотографические и нефотографические.

Комбинированная съемка является комбинацией дистанционной и наземной съемок. Плановая ситуация рисуется по аэроснимкам, а рельеф снимают на фотоплан в полевых условиях.

Аэрофотосъемка и комбинированная съемка являются основными методами создания карт и планов на большие территории. Наземную съемку применяют при создании крупномасштабных планов небольших участков, когда применение аэрофотосъемки либо невозможно, либо экономически невыгодно.

Таким образом для съемки разных видов территорий необходимо разного вида оборудование, которое обеспечивает точную съемку для плана местности.



1.2 Космическая съемка. Понятие и методы

Аэрофотосъемка - это определенный вид съемки территории с определенной высоты от поверхности Земли с помощью аэрофотоаппарата, установленном на летательном аппарате(самолёте, вертолёте, дирижабле и др. или их беспилотном аналоге) с целью получения, изучения и представления объективных пространственных данных на участках произведенной съемки. Данный вид съемки косвенно относится к космическим съемкам, но перед появлением космических аппаратов, таких как «спутник» - это был первый вид съемок, происходящих над поверхностью земли (рис. 1).

Рисунок 1 Аэрофотосъемка

Космическая съемка или спутниковая съемка - это вид съемки, производимый с помощью космических аппаратов (КА)с высоты более 150 км., а также съемка Земли или других планет с помощью спутников.

Изображения земной поверхности, полученные таким образом, отличаются тем, что целостный характер изображения местности, охватывает огромные площади (на одном снимке от 10000 до всего земного шара). Это позволяет изучить основные структурные, региональные, зональные и глобальные особенности атмосферы, литосферы, гидросферы, биосферы и ландшафты Земли в целом. Во время космической съёмки может быть повторная съёмка местности в течение одного и того же полёта носителя, т. е. через небольшие промежутки времени, что позволяет изучить динамику как природных явлений (периодических и эпизодических), так и различных проявлений хозяйственной деятельности (рис. 2).

Рисунок 2 Спутниковая съемка

Методами космической съёмки нашей планеты являются:

1) съёмки с высот 150-300 км современных носителей и возвращением экспонированных плёнок на Землю;

2) съёмки с высот 300-950 км с постоянных носителей и передачей изображений на Землю с помощью радиотелевизионных систем;

3) съёмки с высоты около 36000 км со стационарных спутников с доставкой информационного изображения на Землю путём применения тех же систем;

4) съёмки с пилотируемых космических кораблей и пилотируемых орбитальных станций (первая -- советская станция «Салют»).

5) съёмки Земли с поверхности Луны и ближайших планет, автоматически выполняемые доставленной туда регистрирующей фотоэлектронной и передающей радиотелевизионной аппаратурой;



1.3 Системы и виды космических съемок

Существует несколько разновидностей космических съемок, обусловленных различным назначением спутников и разнообразием съемочных систем.

Из систем, предназначенных для съемок из космоса, наиболее перспективными признаются оптико-электронные многозональные стереосканеры и радиолокаторы с синтезированной длиной антенны. При этом, при радиолокационной съемке многозональный принцип, являющийся в современном аэрокосмическом зондировании основным, реализуется использованием нескольких длин радиоволн (частот) СВЧ - диапазона (многочастотная съемка) и разной поляризации зондирующего излучения (поляризационная съемка). Кроме того, детальные стереоскопические снимки, получаемые с космических высот длиннофокусными оптико-электронными сканерами, оказались пригодными для метрической характеристики рельефа земной поверхности, представляемой в виде изолинейных карт или цифровых моделей рельефа.

По характеру покрытия земной поверхности космическими снимками выделяют несколько видов космической съемки, такие как одиночное фотографирование, маршрутную, прицельную и глобальную съемки:

1) Одиночное(выборочное) фотографирование выполняется космонавтами ручными камерами. Снимки получаются перспективными со значительными углами наклона.

2) Маршрутная съемка земной поверхности производится вдоль орбитального полета спутника. Ширина полосы съемки зависит от высоты полета и угла обзора съемочной системы. Для увеличения полосы обзора практикуют «веерную» съемку - поперек направления полета двумя или тремя съемочными системами высокого разрешения.

3) Прицельная (выборочная) съемка предназначена для получения снимков специально заданных участков земной поверхности в стороне от трассы.

4) Глобальную съемку производят с геостационарных и полярно-орбитальных спутников. От 4 до 5 геостационарных спутников на экваториальной орбите обеспечивают практически непрерывное получение мелкомасштабных обзорных снимков всей Земли за исключением полярных шапок.

Более детальная глобальная съемка производится с полярно-орбитальных спутников.

Космические снимки - собирательное название данных, получаемых посредством КА в различных диапазонах электромагнитного спектра, затем визуализируемых по определенному алгоритму.

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 (рис. 3).

Рисунок 3 Аэрокосмический снимок

Космический снимок по своим геометрическим свойствам принципиально не отличается от аэрофотоснимка, но имеет особенности, связанные с:

- фотографированием с больших высот,

- и большой скоростью движения.

Так как спутник по сравнению с самолетом движется значительно быстрее, то требует коротких выдержек при съемке.

Космическая съемка различается по:

- масштабам,

- пространственному разрешению,

- обзорности,

- спектральным характеристикам.

Эти параметры определяют возможности дешифрирования на космических снимках различных объектов и решения тех геологических задач, которые целесообразно решать с их помощью.

1.4 Области использования космической съемки

В настоящее время с развитием современных технологий мы можем разделить области использования космической съемки на разные виды, т.к. охват спутниками поверхность земли очень велик.

Современные области использования Космической съёмки:

- метеорология (изучение облачности, снежного покрова и др.);

- океанология (изучение течений, дна, мелководий и др.);

- геология и геоморфология (в особенности образований большой протяжённости);

- исследования ледников, болот, пустынь, лесов;

- учёт культурных земель, природно-хозяйственное районирование территорий;

- создание и обновление мелкомасштабных тематических и общегеографических карт.

Данные областей использования, полученные путем космической съемки, мы используем ежедневно, будь то метеорология с помощью которой специалисты делают прогнозы о погоде на определенный промежуток времени или же создание разного рода карт, которые стали неотъемлемой частью жизни каждого человека. Для специалистов в области изучения строения земли, необходимы «свежие» карты, чтобы определить изменения той или иной области поверхности земли, что с помощью космической съемки возможно, т.к. спутники передают более четкое и точное изображение, новую информацию с определенной периодичностью. Это позволяет специалистам изучить более точно не только изменения в поверхности земли, а также и изменения в других сферах, таких как изучение поверхности океана, исследования различного рода поверхностей, учет территорий и т.д..

1.5 Вывод

Таким образом, завершая теоретическую часть работы, мы делаем вывод о том, что космические съемки территорий улучшают и облегчают жизнь людей, т.к. информация передаваемая с помощью спутников является более точной за счет большего охвата территорий, что облегчает работу для картографов и дает возможность изучать карты во многих научных сферах, а еще получать информацию электронным путем. Так же мы изучили основы различных видов съемок, которые являются неотъемлемой частью изучения данной темы.



2. Использование материалов космической съемки для практического применения

космический съемка земля аэрокосмический

2.1 Аэрокосмические снимки, их типы и масштабы

Как было представлено в пункте 1.3. - 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.

Космический снимок по своим геометрическим свойствам принципиально не отличается от аэрофотоснимка, но имеет особенности, связанные с:

- фотографированием с больших высот,

- и большой скоростью движения.

Так как спутник по сравнению с самолетом движется значительно быстрее, то требует коротких выдержек при съемке.

Космическая съемка различается по:

1) масштабам

- мелкомасштабные снимки (1:100 000 000-1:10 000 000),

- среднемасштабные (1:10 000 000-1:1 000 000) и

- крупномасштабные (1:1 000 000 и крупнее).

2) пространственному разрешению,

3) обзорности,

4) спектральным характеристикам.

Эти параметры определяют возможности дешифрирования на космических снимках различных объектов и решения тех геологических задач, которые целесообразно решать с их помощью.

Масштаб и обзорность (форма, размер) космических снимков позволяют выявить объекты разного ранга, снятые в одно время и в одном режиме съемки.

Обзорность снимка зависит от размеров участков земной поверхности, отображенной на космоснимке, и измеряется в единицах площади. Наиболее распространенный размер кадра космического снимка 18х18 см позволяет видеть все изображение одновременно, не “переводя взгляда”, без последовательного обзора.

При увеличении масштаба снимка проекционным путем обзорность снимка сохраняется, а уровень генерализации снижается.

По обзорности (охвату территории одним снимком) снимки разделяют:

- Глобальные, охватывающие всю планету. Ширина зоны охвата более 10 тыс. км, а территориальный охват составляет сотни миллионов квадратных километров.

- Крупнорегиональные, отображающие материки, их части и крупные регионы, -- снимки с метеорологических спутников на околоземных орбитах, а также снимки малого и среднего разрешения с ресурсных спутников. Ширина зоны охвата варьирует от З тыс. км у снимков малого разрешения до 500 км у снимков среднего разрешения, территориальный охват составляет миллионы квадратных километров. На одном снимке этого типа изобразится Западная Европа, почти вся Австралия, Средняя Азия, Тибет.

- Региональные, на которых изображаются регионы и их части, -- это снимки с ресурсных и картографических спутников, а также с пилотируемых кораблей и орбитальных станций. Наиболее характерный охват 350 х 350 км2, 180 х 180 км2, 60 х 60 км2. На снимке подобного охвата изобразится такое государство, как Бельгия, небольшая область, например Московская, крупные мегаполисы.

- Локальные, на которых изображаются относительно небольшие участки местности, -- снимки со спутников для детального наблюдения и крупномасштабного топографического картографирования с охватом порядка 10 х 10 км2. На таком снимке изобразится промышленный комплекс, крупное хозяйство, небольшой город, а для Москвы потребуется несколько снимков.

Масштабы космоснимков разные: от 1:1000 до 100 000 000, т.е. он может меняться в сто тысяч раз. Самые распространенные масштабы космических снимков: от 1:200 000 до 1:10 000 000.

Масштабы космоснимков зависят от:

- высоты фотографирования,

- фокусного расстояния аппарата,

- коэффициента увеличения,

- углов наклона,

- кривизны земной поверхности.

Пространственное разрешение (или разрешение на местности) определяется размером наименьшего объекта (Д), воспроизводимого на снимке, и определяется по формуле:

Д = m/2N

где:

m -- масштаб снимка;

N -- разрешающая способность снимка, т.е. число раздельно фотографически воспроизводимых черно-белых штрихов на отрезке длиной 1 мм.

По пространственному разрешению (размеру на местности минимального изображающегося элемента ) снимки разделяют так:

1) снимки низкого разрешения (измеряется километрами, более или равно 1000м). Такое разрешение характерно для сканерных и тепловых инфракрасных снимков с метеоспутников, включая геостационарные, и для снимков, получаемых сканерами малого разрешения с ресурсных спутников, где основные изображающиеся объекты -- облачность, тепловая структура вод океана, крупнейшие геологические структуры суши;

2) снимки среднего разрешения (сотни метров, 100-1000м), на которых отображаются многие природные объекты, но в большинстве случаев не воспроизводятся объекты, связанные с хозяйственной деятельностью. Это снимки, получаемые сканерами среднего разрешения, и тепловые инфракрасные снимки с ресурсных спутников;

3) снимки высокого разрешения (десятки метров, 10-100 м), на которых изображаются не только природные, но и многие хозяйственные объекты. Высокое разрешение характерно для наиболее широко используемых сканерных снимков с ресурсных спутников и фотографических снимков с пилотируемых кораблей, орбитальных станций, автоматических картографических спутников. Эта группа подразделяется на две подгруппы:

- снимки относительно высокого разрешения (30-100м.), получаемые главным образом сканирующей аппаратурой с ресурсных спутников для решения оперативных задач и обзорного тематического картографирования;

- снимки высокого разрешения (10-30м.) - это фотографические, сканерные снимки с ресурсно-картографических и ресурсных спутников, используемые для детального тематического картографирования.

4) снимки очень высокого разрешения (единицы метров, 1- 10 м), на которых отображается весь комплекс природных и хозяйственных объектов, включая населенные пункты и транспортные сети. Снимки получают длиннофокусной фотографической и оптико-электронной сканерной аппаратурой. С картографических спутников для решения задач топографического картографирования.

5) снимки сверхвысокого разрешения (доли метра, менее или равно 1 м), детально отображающие населенные пункты, промышленные, транспортные и другие хозяйственные объекты. Эти снимки получают со специализированных спутников для детальной съемки и крупномасштабного топографического картографирования. К данной группе относится и весь огромный массив аэрофотоснимков.

2.2 Распознавание объектов на снимках

Распознавание объектов на снимках зависит от масштаба съемки и разрешающей способности. По соотношению масштабного ряда космических снимков с масштабным рядом геологических карт, принятых в России, космические снимки разделяются по уровням естественной генерализации на:

- глобальные,

- континентальные,

- региональные,

- локальные,

- детальные.

Для сканирующих систем разрешения по маршруту и вдоль строки (края снимка) отличаются и могут изменяться в несколько раз зависимости от угла сканирования, поэтому при дешифрировании используют только центральную (рабочую) полосу. В некоторых случаях при увеличении снимков до минимального разрешения (до 5 линий на 1 мм) они могут охватывать несколько уровней распознавания (генерализации).

Снимки глобального уровня. Космические снимки глобального уровня генерализации получают с высот 20--30 тыс. км.:

- с межпланетных автоматических станций,

- высокоорбитальных ИСЗ (“Молния” и др.)

Масштаб ряда карт: 1:5 000 000.

Космические снимки глобального уровня генерализации охватывают всю или большую часть полушария. Они позволяют:

- выявлять наиболее протяженные глубинные разломы и зоны разломов,

- гигантские кольцевые структуры,

- выяснять характер сочленения крупных структурных элементов земной коры,

- связь поверхностной геологии с глубинным строением литосферы.

Разработки NАSА Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (англ. National Aeronautics and Space Administration, сокр. NASA) -- ведомство, относящееся к федеральному правительству США и подчиняющееся непосредственно Президенту США. Осуществляет гражданскую космическую программу страны, а также научные исследования воздушного и космического пространств и научно-технологические исследования в области авиации, воздухоплавания и космонавтики (по терминологии, принятой в США -- астронавтики). космической системы глобального мониторинга EOS Система наблюдения Земли (ЭОС)-это программа НАСА, включающая в себя серию миссий искусственных спутников и научных приборов на околоземной орбите , предназначенных для долгосрочных глобальных наблюдений за земной поверхностью , биосферой, атмосферой и океанами. Спутниковый компонент программы был запущен в 1997 году. Программа является центральным элементом НАСА науки о Земле предприятия (ESE) . уже действует в наше время. Система предназначена для комплексного планетарного дистанционного изучения Земли как единой системы (химический состав атмосферы, движение волн цунами в океане и т.д.). Предусматривается работа нескольких ИСЗ, передающих информацию каждые 10 мин. в реальном масштабе времени.

Снимки континентального уровня. Космические снимки континентального уровня генерализации имеют малое разрешение. Их получают телевизионными сканирующими системами с ИСЗ “Метеор” и др.

Космические снимки этого уровня генерализации позволяют:

- устанавливать структурно-геологические особенности крупных областей земного шара,

- выделять вещественно-структурные комплексы горных пород,

- глубинные разломы,

- проводить или уточнять тектоническое районирование.

Масштаб ряда карт: 1:5 000 000.

Снимки регионального уровня. Космические снимки регионального уровня генерализации отличаются средним разрешением. Их получают фотографическими и сканирующими системами с ресурсных ИЗС “Метеор”, “Лэндсат”, а также с пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций.

Масштаб ряда карт: 1:1 000 000 и 1:500 000.

Снимки локального уровня. Космические снимки локального уровня генерализации получают фотографическими системами с пилотируемых космических кораблей долговременных орбитальных станций с помощью высококачественной аппаратуры типа МКФ-6 и с ресурсного ИСЗ “Лэндсат”.

Снимки локального уровня генерализации позволяют:

- существенно уточнить геологическую структуру различных регионов,

- представляют основной материал для геологического картирования в масштабах 1:500 000 и:1 000 000,

- для составления специализированных тематических карт геологического содержания, в том числе прогнозно-минералогических.

Эта съемка использует цифровые сканеры, дающие высокое трехмерное изображение. Получаемые снимки пригодны для кадастра и инвентаризации, для изготовления среднемасштабных и крупномасштабных карт.

Масштаб ряда карт: 1:200 000 и 1:100 000.

Снимки детального уровня. Космические снимки детального уровня генерализации масштаба 1:100 000 и крупнее по своим свойствам близки к высотным аэрофотоснимкам и снимкам мелкого масштаба. Получают снимки при фотографировании высококачественными длиннофокусными съемочными камерами с орбит высотой около 200 км. Космические снимки детального уровня генерализации используют (как и аэрофотоматериалы) при космофотогеологических исследованиях.

Масштаб ряда карт: 1:50 000 и 1:25 000.

В результате выполнения аэрокосмических съемок накоплен многомиллионный фонд снимков, в котором насчитывается более 100 их разновидностей. В основу классификации аэрокосмических снимков положена два основных признака: спектральный диапазон съемки, который определяет геофизические характеристики объектов, передаваемые снимками и технология получения изображения, от которой зависят изобразительные, радиометрические и геометрические свойства снимков. Эти два признака, представляющие основу классификации аэрокосмических снимков, учитывают возможности их дешифрирования.

Спектральный диапазон съемки определяет первый, фундаментальный, уровень этой классификации, учитывающий отражательные и излучательные характеристики объектов, воспроизводимые на снимках. По этому признаку выделяются три основные группы снимков:

- в видимом, ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, который называют также световым;

- в тепловом инфракрасном диапазоне;

- в радиодиапазоне.

Цифровые снимки. Изображение цифровых снимков образовано из отдельных одинаковых элементов - пикселов. Яркость каждого пиксела характеризуется одним числом. Аэрокосмический снимок состоит из миллионов пикселов. Технологические способы получения снимков разные (рис. 4).



Рисунок 4 Классификация снимков по спектральному диапазону съемки

По технологии получения снимки в световом диапазоне делятся на фотографические и сканерные.

Поскольку снимки в тепловом инфракрасном диапазоне в настоящее время получают в основном по единой технологии, то они представлены одним типом - это тепловые инфракрасные снимки.

Снимки в радиодиапазоне делятся в зависимости от выполнения пассивной или активной съемки на микроволновые радиометрические снимки, получаемые при регистрации собственного излучения исследуемых объектов, и радиолокационные снимки, получаемые при регистрации отраженного радиоизлучения, посылаемого с носителя.

Каждый из выделенных типов снимков далее может быть под разделен с учетом показателей, определяющих их дешифровочные возможности, обзорности, масштаба и пространственного разрешения (территориального охвата), которые зависят от конкретных параметров съемки: высоты орбиты, характеристик съемочной аппаратуры и др. (рис. 5).



Рисунок 5 Орбиты ИСЗ

2.3 Процесс обработки информации

По материалам космической съемки детального разрешения разрабатываются:

- цифровые культуризображения районов земной поверхности с линейным разрешением 1м и 2 м.;

- цифровые модели рельефа;

- ортотрансформированные цифровые изображения (фотопланы);

- топографические карты различных масштабов;

- специальные и тематические карты различных масштабов;

- векторные геоинформационные слои (используются при создании специальных геоинформационных систем);

- тематически обработанные материалы (оценка экологической обстановки, обстановки в районах экологических и техногенных катастроф, урожайности сельскохозяйственных, состояния лесов и т.д.).

Комплекс тематической обработки. Тематическая обработка космической информации позволяет оценивать состояние окружающей среды и природных объектов. Многофункциональный комплекс тематической обработки позволяет проводить комплексную обработку данных от различных систем. Совместная обработка данных проводится с помощью разработанного в НЦ ОМЗ специального программно-алгоритмического обеспечения и ГИС программных пакетов: ERDAS ERDAS IMAGINE -- растровый графический редактор и программный продукт, первоначально разработанный компанией ERDAS Inc., и предназначенный для обработки данных дистанционного зондирования (в основном, данных ДЗЗ). В настоящее время продукт выпускает корпорация Intergraph. Продукт предназначен для работы с растровыми данными., ENVI ENVI -- программный продукт для визуализации и обработки данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), который включает в себя набор инструментов для проведения полного цикла обработки данных от ортотрансформирования и пространственной привязки изображения до получения необходимой информации и её интеграции с данными ГИС., ArcGIS ArcGIS -- семейство геоинформационных программных продуктов американской компании ESRI. Применяются для земельных кадастров, в задачах землеустройства, учёта объектов недвижимости, систем инженерных коммуникаций, геодезии и недропользования и других областях..

Обработку данных дистанционного зонирования Земли (ДЗЗ) разделяют на два этапа: предварительную обработку и тематическую обработку. При этом под предварительной обработкой обычно понимают набор действий (процессов), преобразующих исходную информацию, полученную наземной станцией приема, в некоторые продукты ДЗЗ стандартных уровней обработки, пригодных для архивации и дальнейшего использования. Как правило, предварительная обработка включает в себя такие процессы, как радиометрическую коррекцию, географическую привязку и геометрическую коррекцию изображений.

Радиометрическая коррекция - первый этап предварительной обработки данных ДЗЗ, предназначенный для исключения искажений, вызванных разницей в чувствительности сенсоров оптической системы (матрицы ПЗС). При радиометрической коррекции также удаляются дефекты изображения, наблюдаемые как сбойные пиксели изображения, выпадающие строки, чересполосица и т.д. Пропущенные пиксели восстанавливают с помощью интерполяции с определенной погрешностью. Радиометрическая коррекция обычно выполняется поставщиком данных ДЗЗ.

Геометрическая коррекция - устранение систематических ошибок, вызванных вращением и кривизной Земли, колебанием высоты орбиты спутника, панорамными искажениями и т.д. Например, при удалении от центральной линии сканирования (если съемка ведется в надире) искажение формы и размера объектов увеличивается. Неровности рельефа вызывают те же искажения, что и кривизна поверхности, Земли, но задача устранения их сложнее, так как формы рельефа сложнее, чем форма Земли, которая близка к сфере. Поскольку космические снимки делают с большой высоты, то влияние форм рельефа незначительно, поэтому данный тип искажений учитывают лишь для холмистых и горных областей и при больших углах съемки.

Географическая привязка заключается в установлении взаимно однозначного соответствия между координатами пикселей на снимке, выбранной системой координат и картографической проекцией. Данная процедура может выполняться как поставщиком, так и пользователем данных. Если есть опорные точки с заранее известными координатами, то желательно воспользоваться ими для обеспечения более точной геопривязки. В других случаях можно привязать методом изображение к изображению. В любом случае точность геопривязки ограничивается пространственным разрешением съемочной аппаратуры (размерами пикселя).

Существуют различные уровни предварительной обработки данных ДЗЗ, нумерация и перечень которых у различных операторов ДЗЗ может отличаться. На практике чаще всего встречается следующая система уровней предварительной обработки данных:

- Уровень - 0 - необработанные первичные данные ДЗЗ;

- Уровень - 1A - данные, прошедшие радиометрическую коррекцию и калибровку;

- Уровень - 1B - радиометрически скорректированные и географически привязанные данные;

- Уровень - 2A - радиометрически и геометрически скорректированные данные, представленные в картографической проекции.

В отличие от стандартных уровней обработки, процесс создания тематических продуктов уже мало зависит от типа обрабатываемых данных. Эти продукты распространяются обычно в общедоступных форматах хранения, например, GeoTIFF или одном из форматов популярных программ обработки изображений, таких как ERDAS, ENVI, PCI и др. Это объясняется тем, что такие продукты в большинстве случаев представляют собой картографически привязанные изображения и для их дальнейшего использования уже не требуется специфическая информация о модели движения космического аппарата в момент съемки, его ориентации, параметрах съемочной аппаратуры и прочей служебной информации. Единственное предъявляемое требование - чтобы формат позволял хранить параметры географической привязки растра (например, в виде описания картографической проекции). Продукты же стандартных уровней обработки обязаны содержать всю необходимую служебную информацию (метаданные), которая в дальнейшем используется для генерации продуктов более высоких уровней обработки.

Тематическая обработка.

Тематические продукты можно разделить на 2 класса:

- базовые, которые могут использоваться как самостоятельно, так и в составе предметно-ориентированных (прикладных) технологий;

- прикладные технологии, ориентированные на получение конечных результатов в узко- специализированных областях.

Базовые технологии охватывают следующие основные виды обработки ДЗЗ:

- контрастирование изображения;

- пространственная фильтрация Пространственная фильтрация - это преобразование, которое позволяет усилить воспроизведение тех или иных объектов, подавить нежелательное вуалирование, устранить другие случайные помехи (шум). Один из самых простых способов фильтрации - преобразование в скользящем окне. При таком преобразовании пересчитываются значения яркости всех пикселов изображения. Пересчет происходит для каждого пиксела таким образом: когда данный пиксел является центральным в окне, которое "движется" по снимку, ему дается новое значение, которое является функцией от значений окружающих его в окне пикселов. Размер окна может быть, например 3х3 или 5х5 пикселов. Для всех пикселов окна исследователь устанавливает весовые коэффициенты исходя из целей дешифрирования.;

- ортотрансформирование Ортотрансформирование - одна из основных задач обработки космических снимков. Она выполняется в том случае, если качество геометрической коррекции и точность геопривязки исходных данных не устраивает потребителя. Ортотрансформирование позволяет устранить практически все искажения, источниками которых могут быть: рельеф местности, выбранная картографическая проекция, дисторсия объектива, ненадирная съёмка и т.д. Ортотрансформированное изображение имеет одинаковый масштаб по всему снимку и в геометрическом отношении подобен карте или плану. Измерения, проводимые по ортоизображению, соответствуют измерениям на местности.;

- удаление дымки;

- автоматическая дешифрация (классификация).

Классификация - это компьютерное дешифрирование снимков или процесс автоматизированного разделения всех пикселов снимка на группы (классы), которые соответствуют разным объектам.

Существуют два основных типа классификации:

- классификация с обучением (управляемая);

- классификация без обучения (неуправляемая).

Классификация с обучением - это процесс, при котором происходит сравнение значения яркости каждого пиксела с эталонами, в результате, каждый пиксел относится к наиболее подходящему классу объектов.

Классификацию с обучением можно применять, если:

- заранее известно, какие объекты есть на снимке;

- на снимке имеется небольшое количество (до 30) классов;

- эти классы четко различаются на снимке;

Этапы классификации с обучением;

- определение задач обработки снимка и выбор метода классификации;

- выбор эталонных участков;

- проведение классификации и оценка качества результатов.

Классификации без обучения это процесс, при котором распределение пикселов изображения происходит автоматически, на основе анализа статистического распределения яркости пикселов. Следует отметить, что перед началом классификации неизвестно сколько и каких объектов имеется на снимке, а после проведения классификации необходимо дешифрирование полученных классов, то есть определить каким объектам они соответствуют.

Таким образом, классификацию без обучения применяют в случае если:

- заранее неизвестно какие объекты есть на снимке;

- на снимке большое количество объектов (более30) со сложными границами;

- также можно применять, как предварительный этап перед классификацией с обучением.

Наиболее распространенный метод классификации без обучения (ISODATA) основан на кластерном анализе, заключающемся в распределении пикселей по классам (кластерам). При этом к каждому кластеру относятся пикселы, значения яркости которых наиболее близки в пространстве спектральных признаков.

Процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное (заранее установленное) количество итераций или достигнут максимальный процент пикселов не изменивших свой класс во время последней итерации (этот параметр тоже задается заранее). Итеративная часть алгоритма не предусматривает регулирование количества кластеров. Поэтому сначала лучше предположить завышенное число допустимых кластеров, а в заключении суммировать излишние кластеры после окончания итеративной части алгоритма. Это можно сделать путем вычисления межкластерных расстояний и объединения тех кластеров, разделимость которых не превосходит некоторую, предварительно заданную величину.

Для завершения анализа спектральные классы должны быть преобразованы в информационные классы путем идентификации типа поверхностного покрытия земли или РП, соответствующего каждому спектральному классу. Ввиду ограниченного контроля РП со стороны исследователя неконтролируемая классификация менее эффективна чем контролируемая. Это особенно справедливо когда информационные классы лишь частично разделимы в пространстве измерений (например, два вида сельскохозяйственных культур, имеющие слабые спектральные различия). Поэтому на практике обычно происходит совмещение контролируемой и неконтролируемой классификации.

Прикладные технологии создаются, как правило, на основе базовых технологий под отдельные специфические задачи, в частности, для сельского хозяйства это: дистанционный зондирование растительный покров

- мониторинг состояния растительности и почв;

- моделирование содержания питательных веществ в почве и растительности;

- создание карт-заданий для реализации технологий точного земледелия;

- инвентаризация сельхозугодий, контроль темпов уборки урожая;

- прогнозирование урожайности и т.д.

В каждой прикладной технологии имеются свои особенности, требования к исходным данным и результатам обработки.

2.4 Достоинства и недостатки космосъемки

Достоинства космосъемки: летящий спутник не испытывает вибраций и резких колебаний, поэтому космические снимки удается получать с более высокой разрешающей способностью и высоким качеством изображения, чем аэроснимки. Снимки могут быть переведены в цифровую форму для последующей компьютерной обработки.

Недостатки космосъемки: информация не поддается автоматизированной обработке без предварительных преобразований. При космофотосъемке происходит смещение точек (под влиянием кривизны Земли), их величина на краях снимка достигает 1,5 мм. В пределах снимка нарушено постоянство масштаба, различие которого на краях и в центре снимка может составлять выше 3%.

Недостатком фотосъемки является его неоперативность, т.к. контейнер с пленкой спускается на Землю не чаще, чем один раз в несколько недель. Поэтому фотографические космические снимки редко используются для оперативных целей, а представляют информацию долговременного использования.

Недостатками космического метода являются также:

- затруднительность обеспечения высокопериодического наблюдения объектов - с периодичностью лучше 1-2 часов, особенно для низкоширотных регионов, расположенных южнее 30-40° с.ш. наблюдения детального и высокодетального наблюдения, при работе 1-2 КА на орбите обычно не удается достичь периодичности лучше 6-12 часов;

- для оптико-электронной съемки большой проблемой является облачность. Период повторного посещения того же объекта наблюдения тем же самым КА - от 3 дней и более;

- затруднительность модернизации систем: запущенные КА, как правило, не обслуживаются, и новые образцы датчиков могут работать только при новых запусках новых аппаратов;

- в условиях космоса труднореализуемо размещение некоторых типов средств зондирования, работающих в интересных диапазонах электромагнитного спектра (например, РСА с длиной волны не менее 1-2 м для подповерхностного зондирования);

- часто недостаточная оперативность выполнения заявок, вызванная строгой зависимостью времени выхода КА на район съемки баллистическими параметрами рабочей орбиты. Для большинства народнохозяйственных систем средний срок поставки изображения после заказа составляет 7 дней. Для некоторых облачных/дождливых районов срок может увеличиваться до месяца;

- съемка маршрута возможна главным образом в направлениях, заданных баллистикой. Из-за распространенности околополярных спутниковых орбит более предпочтительным является направление получения изображений с Севера на Юг, чем с Востока на Запад;

- высокие затраты на создание и развертывание КС, связанные со сложностью космической техники и необходимостью проведения запусков дорогостоящих РН для достижения рабочей орбиты КА.

2.3 Вывод

В данной главе, мы определили, как на практике применяется космическая съемка, какое оборудование и средства применяются в столь трудоемком методе съемки, что такое аэрокосмические снимки, на какие типы они разделяются и их масштабы. Так же мы узнали о различных методах распознавания объектов на снимках и их типах. На примере дистанционного зондирования Земли, рассмотрели ряд технических классификаций, а так же узнали о многих методах обработки информации применяемых в наше время.