1. Предмет и задачи аэрокосмического метода. Главная задача аэрокосмических методов географических исследований заключается в разработке методов картографирования и изучения географических объектов, явлений, процессов по аэрофотоматериалам и материалам, полученных в результате космической съемки. К основным достоинствам аэрокосмических методов можно отнести: 1. Глобальный характер наблюдений. По космическим снимкам можно изучать различные объекты, явления в планетарном масштабе (например, планетарные атмосферные циркуляции, течения, крупнейшие морфоструктуры) 2. Оперативность 3. Регулярная повторяемость (дает возможность проследить динамику процессов)4. Для труднодоступных районов (высокогорий, некоторых участков пустынь, болотных массивов) - основной метод исследования. 5. Аэрокосмические снимки более информативны, чем топокарты такого же масштаба, и дают возможность проследить некоторые закономерности распределения природных компонентов. В настоящее время аэрокосмические методы очень широко применяют в гидрометеорологических исследованиях (для определения полей распределения температуры, влажности, ветра, уточнения запасов озерных и речных вод, объемов снега и льда, при прогнозировании катастрофических явлений (лавин, селей, паводков)), в экологических исследованиях (для определения полей, источников загрязнений), геолого-геоморфологических, ландшафтных, геоботанических, а также в исследованиях других отраслей географической науки. Основное содержание спецкурса составляет учение о снимке, получаемом в результате дистанционной регистрации их собственного или отраженного излучения и предназначенном для измерения и дешифрирования. Иногда информация может быть получена не в форме снимка. При изложении аэрокосмических методов принято выделять две части. В первой части, которую условно можно назвать «Основы метода», рассматриваются технические средства и технология получения снимков, их свойства, а также общие способы извлечения со снимка необходимой информации. Во второй части курса, которую условно можно назвать «Дешифрирование снимков», рассматриваются особенности конкретного применения аэрокосмических методов и физико-географических, геолого-геоморфологических, экологических и экономико-географических исследованиях.
--------------------------------------------------------------------------------------
2. Способы и виды аэрокосмических, съемок. Существуют несколько видов аэрокосмических съемок:1 Аэрокосмофотографическая (АФС и КФС)2. Инфракрасно-тепловая3 Радиолокационная 4. Геофизическая
В зависимости от направления главной оптической оси различают плановую иперспективную съемку. При вертикально расположенной оптической оси съемка называетсяплановой. В точке пересечения лучей т. О находится объектив фотоаппарата. Расстояние отобъектива до поверхности земли - высота съемки (Н). Расстояние от объектива до негатива(пленки) называется фокусным расстоянием камеры (f). Линия перпендикулярная плоскости негатива и проходящая через центр объектива называется главной оптической осью камеры съемки. В процессе съемки, в результате различных причин зачастую происходят колебания самолета, а значит и фотоаппаратуры. Поэтому к плановым следует относить снимки,умеющие угол наклона не более 3°. Если главная оптическая ось направлена не вертикально вниз, а под некоторым углом к земной поверхности, то такой вид съемки называется перспективным (рис. 1). На снимке, полученном таким способом местность, находящаяся непосредственно под самолетом можетне попасть, а изобразится территория лежащая впереди. Перспективную АФС производят, восновном, с невысоко летящего вертолета. Крупные формы переднего плана могут сильнозаслонить ситуацию заднего плана.
-------------------------------------------------------------------------------------
3. Определение координат точек на плановом снимке. Элементами внутреннего ориентирования являются - фокусное расстояние камеры и координаты главной точки, которые определяют положение снимка относительно центра проектирования. За начало координат на плановом фотоснимке принимают главную точку снимка (точку пересечения главной оптической оси с плоскостью негатива). Осью абсцисс будем считать прямую линию, соединяющую две координатные метки ц совпадающую с направлением полета, а осью ординат - линию перпендикулярную к ней.
Тогда положение какой-либо точкиа на снимке определяется на снимке отрезкам и: aax=ya
aay=xaЕсли на снимке измерить координаты какой-либо точки, то можно определить
координаты, соответствующей ей точки местности. Если известны геодезические координаты проекций на местности главной точкиО (Хо, УО) и оси геодезической системы координат параллельны осям координат на снимке, то измерив на нем абсциссы и ординаты точек можно определить геодезические координаты местности по формулам: У= Уо Х=Хо масштаб планового снимка равен М = f/Н. Если известен масштаб топографической карты, то масштаб снимка можно определить также по формуле М=МК*(Lk/LСН), где Lk- длина отрезка на карте, Lси-длина этого же отрезка на снимке, Мк- масштаб карты. В качестве отрезков берут расстояния между четкими контурными точками, надежно отождествляемые на снимке и на карте. Значение масштаба будет тем точнее, чем длиннее отрезок.
-------------------------------------------------------------------------------------
4. Покрытие местности съемкой. В зависимости от характера покрытия местности снимками АФС делят на выборочную, одномаршрутную, многомаршрутную (площадную). Выборочная АФС производится в том случае, когда объект местности невелик и размещается на одном или нескольких снимках. Одномаршрутная АФС применяется при исследовании речных долин, прибрежной полосы, при дорожных изысканиях, т.е. когда объект исследования имеет линейную вытянутую на большие расстояния форму. Наибольшее распространение получила площадная съемка, при которой снимаемый участок сплошь покрывается серией параллельных прямолинейных аэросъемочных маршрутов.. При прокладывании маршрута съемки, часть местности зафиксированная на одном снимке, фотографируется и на другом, т.е. снимок получается с продольным перекрытием, которое обычно выражается в процентах. Аэрофотосъемочные маршруты прокладывают обычно так, чтобы снимки маршрутов имели и поперечное перекрытие (рис. 3). В среднем перекрытие составляет 65% (min 58%), а поперечное 35% (min 20%).По характеру покрытия местности съемкой космическую съемку, т. е. Съемку с высоты более 100 км можно разделить на одиночное фотографирование, маршрущую и глобальную съемку. - Одиночное (выборочное) фотографирование выполняется космонавтами ручными камерами. Снимки обычно получаются перспективными с о значительными углами на клона. Маршрутная (одновитковая) съемка земной поверхности выполняется вдоль трассы. Ширина снимаемой полосы зависит от высоты полета и угла обзора съемочной системы. При глобальной съемке с околоземных орбит снимки, полученные с соседних витков, должны перекрываться между собой.
-----------------------------------------------------------------------------------
5. Электромагнитное излучение и солнечное излучение. Классификация электромагнитных волн по длинам (или по частотам) называется спектром электромагнитных волн. Используемые в дистанционных методах электромагнитные колебания относятся к участкам оптических (<1 мм) и ультракоротких (> 1 мм) радиоволн. Участок оптических волн (0,001-1000 мкм) включает ультрафиолетовый (<0,4 мкм)видимый (0,4-0,8 мкм) и инфракрасный (0,8-1000мкм) -диапазоны зоны.
При дистанционных методах исследования информация об объекте исследованияпереносится к регистрирующему прибору с помощью различных .излучений, обычнопредставляющих собой электромагнитные волны, которые имеют разную длину, нораспространяются с одинаковой скоростью - скоростью света и подчиняются общимфизическим законам преломления, отражения.
Из природных источников электромагнитного излучения наиболее распространены иизучены тепловые.Солнечное излучение и его отражение объектами земной поверхности.Солнце посылает на Землю очень широкий сплошной спектр электромагнитных волн, ноземная атмосфера пропускает только некоторые из них спектральном интервале 0,3микрометров до 20 м. Излучения Солнца попадая на какое либо объект определенным образомвзаимодействует с ним: одна его доля отражается, другая -поглощается, третья – рассеиваетсявнутри объекта, четвертая - пропускается.Для изучения объектов суши дистанционными методами наибольший интереспредставляет отраженная радиация, определяющая их оптические свойства, благородяразличиям которых мы отличаем объект друг от друга и судим о их свойствах и состояниях.Из оптических характеристик объектов земной поверхности для получения снимковнаболее важный:а) коэффициент интегральной яркости;б) яркостный контраст;в) коэффициент спектральной яркости; г) индикатриса отражения.
Коэффициент интегральной яркости rя, характеризующий величин отраженногопотока излучения в заданном направлении по сравнению с упавшим потоком, определяетсякак отношение яркости объекта Вя , к яркости идеального рассеивателя ВяоВ таблице приведены ориентировочные значения коэффициентов интегральной яркостинекоторых объектов. Средние значения rя , для нашей зоны летом составляет 0,15, зимой -0,5.Яркость объекта складывается из освещенности прямым солнечным светом,рассеянным светом небосвода и светом, отраженным от соседних объектов.Яркостный контраст - различие яркости объекта Вя1>Вя2 Относительный контрастК=Вя1 /ВЯ2Контраст между наиболее светлыми Вя max и темными Вя minо объектами определяетинтервал яркости ландшафта U -Вя тах/ Вя min Наименьшее значение яркостный контраст имеетстепные районы, наибольшее – высокогорныеИндикатриса отражения (рассеяния)Большинство природных объектов по разному отражает лучистый поток в разныхнаправлениях, поэтому их яркость в одном направлении может быть больше, а в другом меньше. Совокупность коэффициентов яркости объектов по разным направления называют индикатрисой отражения и изображает графически. Различают три основных видаиндикатрисы отражения. Для объектов с гладкой (зеркальной) поверхностью индикатриса отражения имеет формукак на рисунке А. Характерные объекты - спокойная водная поверхность, ледяной покров, такыры, накатанные грунтовые дороги. Наибольшую яркость такие объекты имеют принаблюдении против Солнца.Слабо шероховатые поверхности отражают свет равномерно во все стороны (Рис.б) Характерные объекты - плоские песчаные поверхности.Объекты с расчлененной поверхностью имеют индикатрису отражения вытянутые кисточнику света. Максимальная яркость таких объектов (вспаханные почвы, растительныйпокров) наблюдается со стороны падающих лучей.
Коэффициент спектральной яркости.На земной поверхности наиболее распространены окрашенные объекты, яркость которыхв разных спектральных зонах неодинаково и характеризуется коэффициентом спектральнойяркости rх. Спектральная яркость объектов определяется экспериментальным путем спомощью фотоэлектрических приборов путём сравнения двух отраженных лучистых потоков:от исследуемого объекта и от эталона.
--------------------------------------------------------------------------------------
6. Естественное и искусственное излучение Земли и Влияние атмосферы на излучение. Все объекты имеющие температуру выше -273° излучают электромагнитные волны.
Земля, в целом поглощая солнечную энергию, сама является источником радиации. Максимум энергии земного излучения приходится на инфракрасные лучи с длиной волны ≈ 10 мкм.
Регистрируемая тепловая энергия излучения сильно зависящая от температуры, позволяет дистанционно измерять температуру объектов. Даже в случае регистрации только температурных контрастов, возможно выделение объектов и характеристика их свойств по температурным аномалиям. По температурному режиму объекты на земной поверхности можно разделить на 2
группы: 1) объекты с температурой обусловленной их внутренним теплом (вулканы, термальные воды, промышленные объекты) 2) объекты, нагреваемые Солнцем. В течении суток температурные контрасты меняются mах- полдень, min- ночью. Излучение зависит также от отражательной способности, экспозиции и крутизны склонов, силы ветра и т.д. Нагреваемые объекты излучают энергию не только в инфракрасном, но и в радиодиапазоне. В аэрокосмических методах помимо естественного излучения используется и искусственное. В настоящее время широко используется радиоизлучение СВЧ (сверхвысотные частоты) диапазона. Снимаемая местность облучается импульсом радиоволн, вырабатываемых генератором, установленном на- носителях. Отраженные радиоволны несущие информацию о излучаемых объектах, регистрируются приемником, находящемся на носителе. Влияние атмосферы на излучение. Излучение прежде чем попасть в регистрирующий прибор, находящийся на некоторой высоте, должно пройти сквозь атмосферу - мутную полупрозрачную среду. Основная часть атмосферы (смеси газов, водяного пара со взвешенными инородными частицами) сосредоточена в нижних приземных (до 10 км) слоях. Атмосфера, взаимодействуя с излучением преобразует его. Характер преобразования зависит от содержания водяного пара, углекислого газа, озона, электронной концентрации ионосферы. Излучение проходя через атмосферу, испытывает рефракцию и ослабление (поглощение и рассеяние). Рефракция (искривление лучей) связано с коэффициентом преломления в различных слоях атмосферы, что обусловлено различной их температурой, давлением, влажностью. Влияние рефракции невелико - искажение углов визирования составляет н есколько угловых секунд. Поглощение - электромагнитное излучение испытывает избирательное поглощение в газах и частицах аэрозоля. Главная роль в поглощении играют пары воды, полосы поглощения которых в приземном слое воздуха перекрывают полосы поглощения других газообразных веществ. Рассеяние - характер рассеяния в значительной степени зависит от замутненности атмосферы и длины волны падающего излучения. Различают 2 основных вида рассеяния: рассеяние молекулами газа и частицами аэрозоля. Первое влияет на коротковолновое излучение, второе - на длинноволновое. На рис. 6 показано пропускание атмосферой излучений различных длин волн.
-------------------------------------------------------------------------------------
7. Искажение на снимках, вызванные наклоном съемки и Искажения вызванные рельефом.
За идеальный снимок принимается снимок полученный при съемке, когда оптическая оси камеры направлена строго по отвесной линии вниз, а снимаемая местность принимается за горизонтальную плоскость. Для нахождения по идеальному снимку длин, площадей, углов используют обычные картометрические приемы Так например, длина линии определяется по формуле: L = 1Сh*М, площадь по формуле: S = SСН*М2, координаты X = Хo*М и У = Уo*М Точность измерений по идеальным снимкам будет зависеть только от погрешностей измерения по снимкам и определения масштаба. Однако реальным снимкам присущи различного рода геометрические искажения, называемые фотограмметрическими, причиной которых является несовершенство съемочной аппаратуры, условия съемки, характер снимаемой местности. Величины этих искажений превосходят погрешности собственных измерений по снимкам, поэтому реальная точность определения геометрических величин зависит от них. Геометрические искажения снимка, обусловленные его наклоном. В отличии от горизонтального , у наклонного (перспективного) снимка Масштаб не одинаков в разных его частях и по разным направлениям. На заднем плане масштаб становится все мельче и для определения масштаба такого снимка уже нельзя применять формулу М = f/Н
Рассмотрим рис., где изображены горизонтальный и перспективный АФС, полученные с одной точки. Перспективный АФС имеет угол наклона а. По линии пересечения плоскостей снимков масштаб их будет одинаков. Эта линия делит перспективный снимок на две части на одной из них (верхней) масштаб мельче, на другой (нижней) крупнее, чем на горизонтальном АФС и называется линией неискаженного масштаба (hchc) В связи с непостоянством масштаба углы, измеренные по перспективному снимку, не будут равны углам на местности. Не искажены будут любые углы с вершиной в единственной точке лежащей на линии неискаженных масштабов это точка нулевых искажений. Точка нулевых искажений - точка пересечения плоскости снимка с биссектрисой угла
отклонения оптической оси АФC от отвесной линии. Это точка является центром направлений по которым происходит смещение изображения за наклон снимка. Она находится от главной точки т.О на расстоянии ОС=f*tg(а/2), где а - угол отклонения оптической оси от отвесной линии.
Для плановых снимков, имеющих угол наклона не более 3°, точка нулевых искажений расположена в центре снимка рядом с главной точкой. Ожидаемые искажения 6а за перспективу резко возрастают к краям снимка. Знак искажения зависит от того выше или ниже линии неискаженных масштабов находится точка. И отсюда, можно сделать вывод, который часто используют на практике: длина отрезка проходящая через центр снимка и симметричного относительно него, не искажается наклоном снимка. Геометрические искажения снимков обусловленные рельефом местности. Если сфотографированная местность не плоская, а расчлененная, то положительные формы рельефа, расположенные ближе к съемочной камере, изобразятся на снимке и более крупном масштабе, чем отрицательные, т.е. рельеф оказывает влияние на масштаб снимка. Для вычисления масштаба Мь изображения на снимке участков местности, имеющих превышения h относительно начальной плоскости, применяют формулу Мh=MCH*(H/H-h) Влияние рельефа принято также выражать смещением т. 1,2 на снимке относительно их ортографического положения 1о и 2о. План местности представляет собою ортогональную проекцию контуров, линий, отдельных точек на горизонтальную поверхность. Если теперь посмотреть, как примерно такая же местность изображается на АФС, то можно заметить что изображение точек, линий, контуров и других объектов земной поверхности на АФС не совпадет с их положением на плане. Между ними получатся некоторые расстояния аао, вво и т.д., которые будут выражать ошибки изображения местности на плановом АФС благодаря наличию рельефа. Единственная точка которая лежит в отвесном направлении под объективом, не будет иметь этой ошибки, это точка называется точкой надира. Искажения аэроснимка, вызываемые рельефом. VV - средняя уровенная поверхность, Н - высота съемки. Точка надира - точка пересечения плоскости снимка с отвесной линией, проведенной из центра проектирования. Это точка является центром направлений, по которым происходит смещение изображения за рельеф местности. Точка надира находится от главной точки АФС на расстоянии ОN = f*tga. Величину искажения за рельеф вычисляют по формуле bh = ±h*, где r - расстояние от центра снимка (от т. надира до точки величину искажения, которой надо определить). Чем больше относительное превышение Ь тем больше искажение, вызываемых рельефом, чем дальше сфотографированная местность отстоит от центральной части снимка, тем больше bh. Минимальные искажения в центральной части АФС.
---------------------------------------------------------------------------------------
8. Искажения вызванные кривизной Земли и трансформирование снимков.
Влияние кривизны земли на положение точки на АФС и КФС схожи с влиянием рельефа и вызвано тем, что точки снимаемой местности вследствие сферичности Земли не лежат в одной плоскости. Смещение точки на снимке из-за кривизны Земли определяется по формуле:
bR = r3* (H/2R3f2), где r - расстояние от центра снимка до точки искажения которой требуется определить, R3- радиус Земли.Трансформирование снимков.Для удобства пользования многими плановыми АФС их обычно соединяют в фотосхемы.Фотосхемы монтируют из частей АФС, используя только полезную площадь и обрезая ихперекрывающиеся края. При этом стремятся, чтобы расхождение соответствующих контуровпо порезам были минимальны. Фотосхемы монтируют только для районов с нерезковыраженным рельефом. Контурные точки АФС горного р-1мона имеют большие смешения зарельеф, что расхождение контуров по порезам достигает сантиметра и более. Фотосхемуможно рассматривать как схематически приближенный план местности. Фотосхемы -одномаршрутные и многомаршрутные используются, в первую очередь, как топографическаяоснова при полевых работах, дешифрировании, длясоставлении тематических карт и.т.д
При монтаже фотосхем из контактных отпечатков наблюдается иногда большиерасхождения контуров по порезам. Причиной которых является рассмотренные вышеискажения АФС, а также разномасштабность соседних снимков. При прокладкеаэросъемочного маршрута пилот не может выдержать только одну высоту полета. Считаетсядопустимым, если высота полета колеблется в пределах 50 метров. Поскольку ФОРМУЛА, тоснимки в маршруте получаются разномасштабными. Для получения точности фотосхем АФСпреобразуют, трансформируют. Если поместить аэронегатив в специальный фотоувеличитель,так называемый фототрансформатор, то меняя увеличение, мы можем получить отпечатокнаперед заданного масштаба. Кроме того, в отличие от обычного фотоувеличителя, экранфототрансформатора, на которое проектируется изображение аэронегатива, можетнаклоняться. Это позволяет исключить искажения за перспективу. Фототрансформаторсостоит из осветительного устройства кассету для негатива, объектива наклоняющегосяэкрана и специальных механизмов - инверсоров, которые автоматически обеспечиваютрезкости изображения при изменении увеличения и наклона экрана.Для снимков для горных районов используют ортофототрансформаторы. По частямсканируется снимок, автоматически меняется масштаб в зависимости от рельефа местности.Из таких снимков монтирую ортофотопланы.
---------------------------------------------------------------------------------------
9. Физиологические особенности стереоскопического зрения. Стереоскопическая модель местности. Понятие о параллаксе. Два снимка одного и того же участка, выполненные с разных точек, имеют по сравнению с одним снимком новое качество - они позволяют получить объемную модель местности. Стереоскопическая пара снимков дает трехмерную характеристику объекта Физиологические особенности стереоскопического зрения. Стереоскопическое бинокулярное зрение играет исключительно важную роль при обработке снимков. Когда наблюдатель фиксирует взгляд на какой-либо точке, зрительные оси пересекаются под углом конвергенции, по величине которой человек судит об абсолютном удалении предмета. Если немного ближе или дальше точки фиксации находится другая точка, то на ее сетчатке возникает смещение ее изображения, которое называют физиологическим параллаксом. Рельефность, пластичность изображения воспринимается при определенной величине физиологического параллакса. Если он больше критической величины 0,4 мм. То точка воспринимается двоящейся и стереоэффект нарушается. Наименьшее значение физиологического параллакса еще вызывающее ощущение, что другая точка находится ближе или дальше точки фиксации, т.е. ощущение глубины пространства, равно в среднем 0,002 мм. Эта величина называется остротой стереоскопического зрения. Стереоэффект после небольшой тренировки можно получить, наблюдая снимки невооруженными глазами но значительно удобно пользоваться стереоскопом. Стереоскопическая модель местности. Вертикальный масштаб наблюдаемой стереоскопической модели Мв не одинаков с горизонтальным и для аэрофотоснимка размером 18см* 18см с 65% перекрытием составляет приблизительно Мв =Д3/Н, где Д3- расстояние наилучшего зрения, равное в среднем 250 мм. Если Мr не равен Мв, то наблюдаемая модель будет деформирована. Степень деформации можно определить по формуле С=250/f.. Понятие о параллаксе. Полученную с помощью стереоскопа модель местности можно обмерить и определить превышения между отдельными точками земной поверхности, а также
высоты различных объектов.
Предположим, что из положения S1 была сфотографирована точка местности А, ее изображение получилось в точке a1. Второй снимок был снят из положения S2 и изображение той же точки А на правом снимке получилось в точке а2. Проектирующие лучика пересекаются в точке А под углом YA, который называется угловым параллаксом т. А. Другая точка местности Е, расположённая на другой высоте, чем т. А, будет видна под другим параллаксическим углом YE. Отсюда, угловой параллакс точек местности, лежащих на разных высотных уровнях отличается друг от друга. Если измерить разность угловых параллаксов можно определить превышение (h) между точками А и Е
На практике измерение угловых параллаксов заменяют измерением линейных параллаксов непосредственно на плоскости стереопары. На рисунке переместим правую часть чертежа параллельно самой себе так, чтобы т. S2 совпала ст. S1 а т. О2 с т. О1. В треугольнике a1Sa2, угол a1Sa2 - является угловым параллаксом т. А, которому соответствует отрезок а1a2, находящийся на плоскости стереопары. Примем главные т. O1 и O2 за начало координат на аэрофотоснимках. Тогда отрезок o1a1+xa1, а отрезок o2а2 = -ха2, а весь отрезок a1a2=xa1-xa2=PA Линейным продольным параллаксом точки называется разность абсцисс изображений этой точки на правом и на левом снимках стереопары. Измерение линейных параллаксов производят различными методами. Измерение циркулем - измерителем самый неточный.
Выясним зависимость между превышениями точек на местности и их линейнымипараллаксами на снимке. Пусть т. N на местности была сфотографирована из т. S1 проведемчерез т. N плоскость. Отрезок S1 o1 – является f, S1 O1 - Н. Изображение т. N получится в n1, аизображение другой т. А местности, расположенной выше т. N, получится в т. a1Приняв главную точку аэрофотоснимка о1 за начало координат, запишемо1а1=+ха1Второй снимок стереопары получен из т. S2 и т. местности N и А соответственно получились в т. n2 и а2, главная т. 02 - начало координат.o2n2=+xn2
o2a2=+xa2Продолжим лучи, проходящие через т. А до пересечения с плоскостью N и получим на ней т. А1 и А2. Из подобия треугольников S1 S2A и А2АА1 следуетh/H-H=A2A1/B, где B = S1S2 - базис фотографирования.Из чертежа видно A2A1 = O1A1+O2A2-(O1N=O2N),а также O1A1=o1a1*m=m*xa1O2A2=o2a2*m=m*xa2O1N=o1n1*m=m*xn1O2N2=o2n2*m=m*xn2где т - знаменатель масштаба аэрофотоснимка. Можно записатьA2 A1 =m•[(xa1 - xa2)-(xn1 - xn2)]Разность абсцисс точек левого и правого снимков стереопары является линейнымпродольным параллаксом. ПоэтомуА2 А1 =m• (РA– РN )= m• ΔPВыразим базис фотографирования в масштабе снимка В=b•m Перепишем пропорцию,введя в нее полученные величины.h/H-h=ΔP/b,Решая эту пропорцию относительно h получимh=[(H/b+ΔP)] • ΔPДля равнинных районов эту формулу можно упростить, считая, что по сравнению сбазисом Ь разность параллаксов Р является величиной малойh=(H/b) •ΔPС приближением можно считать, что отношение высоты фотографирования к базису дляданной стереопары является величиной постоянной Н/b=КВ этом случае получим простую формулу превышений h=K•ΔP,где К = Н/b - называется параллаксическим коэффициентом.
---------------------------------------------------------------------------------------
10. Стереофотограмметрические приборы. Для стереоскопического рассматривания и простейших измерений снимков широко применяются стереоскопы. По назначению они разделяются на такие, которые предназначены для простого стереоскопического рассматривания пары снимков и стереоскопы, позволяющие производить измерения как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, и вычерчивать по аэроснимкам план местности в горизонталях. Простейший линзово - зеркальный стереоскоп (ЛЗ) имеет две пары зеркал. Положительные линзы между зеркалами обеспечивают 1,5* увеличение рассматриваемых снимков. Интерпретоскоп - стационарный стереоскоп. Имеет переменное увеличение до 15*, удобный обзор, возможность измерения параллаксов с помощью бинокуляра с измерительной маркой (параллаксомера). Стереокомпаратор - один из основных стереофотограмметрических приборов. Он пре;в1азначен для измерения плоских координат и паралллаксов. Точность измерения координат и параллаксов на этом приборе 0,01 мм. Числовые величины, полученные и в результате измерений на этом приборе используют для вычисления превышений, длин линий, координат точек. Топографический стереометр конструкции проф. Ф.В. Дробышева предназначен для рисовки горизонталей поплановым аэроснимкам, но может быть использован также для измерения продольных параллаксов с точностью до 0,01 мм. В отличие от параллаксометра, стереометр позволяет измерять разности продольных параллаксов, свободные от искажений за углы наклона снимков и их разномасштабность. Геологический стереометр - модификация топографического, соединяющая возможности стереокомпаратора и стереометра. Прибор имеет дополнительное устройство для определения по снимкам элементов залегания и мощности пластов горных пород. В настоящее время для стереофотограмметрической обработки снимков широко используются различные графические и специальные ГИС - программы.
--------------------------------------------------------------------------------------
11. Дистанционное зондирование Земли. Дистанционное зондирование Земли (ДЗ) — это получение информации с использованиемаппаратуры, установленной на борту аэро- или космических аппаратов. ДЗ — основнойисточник для поддержания оперативности и актуальности ГИС. Одним из самых современныхнаправлений развития ГИС является сближение ГИС-технологий и обработки данных дистанционного зондирования.Дистанционные методы характеризуются значительным удалением регистрируемого прибораот исследуемого объекта, расстояние может измеряться сотнями и тысячами километров. Этосоздает максимальный обзор поверхности и позволяет получать максимальногенерализованное изображение поверхности. При дистанционных исследованиях получают информацию об объектах в разныхспектральных диапазонах: рентгеновском, ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном.Различные отражательные свойства исследуемого объекта и состояние окружающей средывлияют на характеристики излучения и фиксируются приборами дистанционногозондирования. Таким образом собираются и накапливаются дистанционные данные,составляющие различные базы ГИС. На качественные характеристики материалов дистанционного зондирования оказываютвлияние форма, наклонение, высота, период обращения, положение по отношению к Солнцуустановленной аппаратуры.
---------------------------------------------------------------------------------------
12. Влияние параметров орбит и атмосферы на качество снимков.
На качественные характеристики материалов дистанционного зондирования оказываютвлияние форма, наклонение, высота, период обращения, положение по отношению к Солнцуустановленной аппаратуры.Форма орбит. Космические носители с установленной на них съемочной аппаратуройдвижутся по круговым или эллиптическим орбитам. Для наблюдения из космосацелесообразнее использовать круговые орбиты, поскольку на них спутник движется примернона одинаковом расстоянии от Земли, некоторые колебания расстояния обусловлены тем, чтореальная форма земной поверхности имеет неправильную геометрическую форму. Дляэллиптических орбит расстояние до земной поверхности изменяется от минимального вперигее до максимального в апогее.Наклонение орбиты — это важная характеристика, которая определяется углом междуплоскостью орбиты и плоскостью экватора.Различают орбиты экваториальные, где отклонение отсутствует, полярные (с «наклоном 90°) инаклонные, занимающие промежуточное положение. Наклонные орбиты могут быть прямыми(имеют северо-восточное направление восходящего витка) и обратными (имеют северо-западное направление восходящего витка).При движении по орбите спутник проделывает путь, который называется трассой, являющейсяпо сути проекцией орбиты на земную поверхность.Наклонение определяет широтный пояс, охватываемый съемкой. Например, спутники, имеющие наклон орбиты 30°, покрывают зону между 30° с.ш. и 30°ю.ш. В настоящее время в России для запуска ракет используются полигоны Байконур (опорная орбита 65°) , полигон Ледяная (Свободный) с опорной орбитой 54° и 65°, космодром Плесецк (наклонение орбит от 72° до полярных орбит)Высота. По высоте можно выделить три группы наиболее часто используемых орбит.100 — 500 км — орбиты для пилотируемых кораблей и орбитальных станций (чаще 200 —400)500 — 2000 км — орбиты для ресурсных и метеорологических спутников (ресурсные 600 —900, метеорологические 900-1400)36 000 — 40 000 км. — орбиты для геостационарных спутников. Скорость движения такихспутников равна скорости вращения Земли, поэтому они постоянно находятся над одной ееточкой.Период обращения — время обращения спутника вокруг Земли, от которого зависит числовитков в сутки. Обычно спутники на околоземных орбитах движутся со скоростью 11 км/с иодин оборот вокруг Земли делают за 1,5 ч, следовательно, в сутки получается около 16 витков.От периода обращения зависит межвитковое расстояние. Для указанного спутникамежвитковое расстояние составляет 22,5°, что на экваторе соответствует 2500 км. Охват жеснимков составляет 100—200 км. Следовательно, между снимками последовательных витковбудут разрывы. Если трасса рассчитана на ежесуточное повторение, то и разрывы будутповторяться. Поэтому обычно трассы рассчитывают так, чтобы было небольшое суточное смещение и можно было бы производить съемку с перекрытием. Тогда за счет ежесуточного смещения спутник за несколько суток сможет сфотографировать всю Землю. Это возможно на квазипериодических орбитах, которые имеют суточный сдвиг трассы на ширину зоны охвата съемкой с учетом необходимого перекрытия.Для постоянного наблюдения одного и того же участка земли используют геостационарныеорбиты (Т — 24 ч, высота 36 000 км). Геостационарные спутники помещают наэкваториальную орбиту. Они как бы зависают над одной точкой, поэтому несколько такихспутников, расположенных на равных расстояниях друг от друга, обеспечивают постоянныйобзор всей поверхности Земли, за исключением полярных областей.
Суточные геосинхронные периодические спутники находятся на наклонной орбите (Т — 24 ч).
Космический аппарат над одной и той же точкой будет появляться через каждые 24 часа.
Положение орбиты по отношению к Солнцу— это угол между плоскостью орбиты инаправлением на ._ Солнце. Для получения снимков при постоянных уело- ияхосвещенности используют солнечно-синхронные орбиты. У таких орбит угловая скоростьсмещения относительно Солнца соответствует скорости вращения Земли вокруг Солнца (360°в год). Находясь на солнечно-синхронной орбите, спутник появляется над одним и тем жеместом в одно и то же время, и условия освещенности зависят только от времени года.Влияние атмосферы. Съемка из космоса производится через толщу атмосферы, состояние исвойства которой оказывают влияние на получаемые материалы дистанционногозондирования. Здесь необходимо учитывать экранирующее влияние облачности, поглощениесолнечных лучей, рассеивание, влияние атмосферной дымки и др. .Обычно съемке в оптическом диапазоне мешает облачность, которая в каждый моментвремени закрывает более 50% поверхности земного шара. Некоторые области остаютсязакрытыми облачностью большую часть времени года, следовательно, при планированииисследований необходимо располагать сведениями об облачности в данном районе. Но дажепри безоблачном небе часть лучей поглощается. Это поглощение избирательное и зависит отдлины волны. Атмосфера задерживает большую часть гамма-излучения, рентгеновского и УФизлучений, а также ряд участков видимой и ИК-зоны, в том числе фиолетовый, сине-зеленыйучастки видимой части спектра. Поэтому съемку обычно выполняют в тех участках спектра,где электромагнитное излучение не поглощается. Такие участки называются «окнамипрозрачности».Рассеивание лучей неодинаково в различных зонах. Атмосферная дымка снижаетконтрастность изображения объектов на космических снимках, искажает цвет объектов. Наиболее сильно сказывается влияние атмосферной дымки в синей и голубой зонах спектра.
------------------------------------------------------------------------------------
13.Свойства космических снимков и их классификация по отдельным показателям.
Снимок — двумерное изображение, полученное в результте дистанционной регистрации техническими средствами собственного или отраженного излучения и предназначамое для обнаружения, качественного и количественного изучения объектов, явлений и процессов путем дешифрирования, измерения и картографирования.
Обзорность снимков обеспечивается охватом больших площадей. При этом обширные регионы покрываются съемкой единовременно при одних и тех же условиях. В результате появляется возможность вести исследования в глобальном и даже планетарном масштабе.
Комплексное отображение компонентов геосферы. На снимках одновременно отображаются различные компоненты геосферы —литосфера, гидросфера, биосфера, атмосфера, что позволяет изучать их взаимодействие и взаимосвязи.
Регулярная повторяемость съемки. Интервалы между съемками могут составлять годы, месяцы, часы, минуты. При этом обеспечивается получение снимков на одну и ту же территорию при одинаковых условиях, что очень важно при организации мониторинговых
исследований.
Генерализация изображения заключается в значительной обобщенности изображения.
Характер геометрического и тонового обобщения рисунка зависит от ряда факторов, как технических (масштаб, разрешение снимка, метод съемки, спектральный диапазон), так и природных (влияние атмосферы, особенности территории).
В результате генерализации спрямляются линии, происходит упрощение форм, обобщение цветов и тонов, черные и белые тона заменяются менее контрастными. Изображение многих объектов земной поверхности освобождается от частностей, в то же время разрозненные детали объединяются в единое целое, поэтому выступают на первый план наиболее важные свойства объектов. Это важно при ландшафтных исследованиях для выявления различных уровней ландшафтных структур.
Необходимая степень генерализации достигается специальными средствами. Например, подбором соответствующего масштаба снимка. Влияние генерализации на дешифрируемость
может быть как положительным, так и отрицательным. С одной стороны, сильное обобщение изображения уменьшает возможность точного картографирования и может привести к ошибкам. С другой стороны, это является важным достоинством снимков, так как в результате генерализации появляется новое содержание и космические снимки можно использовать непосредственно для тематического картографирования.
По масштабу космические снимки делятся на следующие группы.
• Мелкомасштабные (1:10 000 000 до 1:100 000 000). Их получают с геостационарных и метеоспутников на околоземных орбитах.
• Среднемасштабные (1:1000 000 до 1:10 000000). Получают с пилотируемых кораблей и орбитальных станций.
• Крупномасштабные (крупнее 1:1 000 000). Получают со специальных картографических спутников. Обзорность — это площадной охват территории одним снимком. По данному параметру различают снимки:
• глобальные, охватывающие освещенную часть одного полушария; получают с межпланетных космических кораблей и геостационарных спутников. Территориальный охват их составляет десятки и сотни млн км2;
• региональные, на которых изображается часть материка или крупный регион; получают с метеорологических и ресурсных спутников. Охват исчисляется млн. км2. Ширина зоны охвата варьирует от 500 км до 3 000 км;
• локальные, на которых изображается часть региона; получают с пилотируемых кораблей, орбитальных станций, ресурсных и картографических спутников. Снимки охватывают десятки тыс км.
Разрешение — это минимальная линейная величина объекта, которая отображается на снимке.
По данному параметру снимки классифицируются следующим образом.
• Снимки очень низкого разрешения (десятки километров). В настоящее время снимки с таким разрешением редки, в основном, это радиометрические снимки.
• Снимки низкого разрешения (несколько километров). Эти снимки широко распространены, к ним относятся телевизионные и сканерные снимки с метеоспутников, а также с ресурсных спутников.
• Снимки среднего разрешения (сотни метров). Такие снимки получают сканирующей аппаратурой среднего разрешения и тепловой инфракрасной аппаратурой ресурсных спутников.
• Снимки высокого разрешения (десятки метров). Такое разрешение характерно для широко используемых фотографических снимков с пилотируемых космических кораблей, автоматических картографических спутников и орбитальных станций, а также для сканерных
снимков с ресурсных спутников. Эта группа снимков делится еще на снимки относительно высокого разрешения (50—100 м); высокого (20 — 50 м); очень высокого (10 — 20 м); сверхвысокого разрешение меньше 1 м
Детальность — это количество информации на единицу площади снимка. По этому показателю выделяют снимки малой детальности — работа с ними возможна в масштабе оригинала; средней детальности, позволяющие работать при двойном увеличении; детальные
снимки, требующие для работы увеличения оригинального снимка от двух до десяти раз.
Рассмотренные выше классификации касаются пространственных характеристик космического изображения. Однако для исследования географических объектов в их динамике важны также временные параметры съемки. Их отражает следующая классификация.
Съемка с периодической повторяемостью выполняется со всех метеорологических спутников, которые работают на геостационарных и на околоземных орбитах, а также с ресурсных
спутников. Период повторения зависит от особенностей орбиты спутника, обычно остается неизменным все время функционирования спутника и составляет от 10 мин до 16—18 суток.
Многократные внутрисуточные снимки получают с геостационарных спутников, которые «зависают» над определенным районом Земли. Ежесуточная съемка выполняется со всех метеорологических спутников Земли, которые за сутки обеспечивают полный обзор земной поверхности. Отечественные ресурсные спутники с аппаратурой среднего разрешения, имеют периодичность съемки 5 суток. Ресурсные спутники, поставляющие снимки высокого раз-
решении, имеют небольшой охват территории, а повторяемость их съемки составляет 16—18 суток.
Периодическая, ограниченно регулируемая съемка выполняется с некоторых ресурсных спутников. Снимки выполняются с редкой повторяемостью, однако при необходимости могут быть выполнены с большей частотой.
Регулируемая съемка. Выполняется с орбитальных станций, фотографических автоматических спутников, которые запускаются на короткое время, а также с космических аппаратов, предназначенных для съемки других планет. Возможности регулирования и выбора сроков съемки здесь максимальны.
-----------------------------------------------
14. Снимки в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне.
1. Видимый и ближний инфракрасный диапазоны, включающие соответственно волны с длинами 0,4-0,75 в 0,75-3 мкм, образуют в совокупности световой диапазон. На этот спектральный диапазон, лучи которого почти полностью пропускаются атмосферой, приходится почти вся энергия солнечного излучения» Солнечные лучи, падая на земную поверхность, избирательно отражаются ею соответственно различной спектральной отражательной способности объектов. Отраженная солнечная радиация воспринимается глазом, чувствительным именно к излучению видимого диапазона от 0,4 до 0,75 мкм. Чтобы зафиксировать отражение солнечных лучей, используют приемники излучения, например фотографические, регистрирующие излучение не только видимого, но и ближнего инфракрасного диапазона /до 0,9 мкм/.
Таким образом, по отраженному земной поверхностью солнечному излучению в световом диапазоне спектра, регистрируемому фотографическими, телевизионными или сканерными системами, судят об отражательной способности, о яркости и других оптических характеристиках исследуемых объектов.
Фотографический метод космической съемки предполагает наличие на борту космического корабля или спутника фотографирующей системы /объектив + фотопленка Экспонирование фотопленки осуществляется в космосе, а фотографическую обработку она проходит на Земле.
Фотографирование производится с пилотируемая кораблей и орбитальных станций или с автоматических спутников и межпланетных станций с доставкой пленки на Земле при посадке или в сбрасываемых контейнерах.
Фотографическая съемка осуществляется в виде черно-белой, черно-белой спектрозональной, цветной, цветной спектрозональной и инфракрасной фотографией.
Несмотря на ограниченную область спектра, которая используется при фотографической съемке (видимая и ближняя инфракрасная части спектра), она является самым универсальным и эффективным методом по объему получаемой информации, широте ее применения в народном хозяйстве и научных исследованиях, связанных с изучением и использованием природных ресурсов.
Фотографии, полученные с космических кораблей и орбитальных станций не дают полного и систематического покрытия земной поверхности. При использовании другого метода съемки – телевизионной или сканерной – с исскуственных спутников Земли имеется возможность непрерывного получения изображения всей поверхности Земли и быстрой передачи его на приемные станции. При выполнении съемки этим методом используются кадровые и сканирующие системы. В первом случае на борту спутников имеется миниатюрная телевизионная камера (видикон), в которой оптическое изображение, построенное объективом на экране, при считывании электронным лучом переводится в форму электросигналов и по радиоканалам передается на Землю. Во втором случае качающееся зеркало сканера на борту носителя улавливает отраженный от Земли световой поток, поступающий на дистанционный
приемник - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ): сигналы сканера, также по радиоканалам, передаются на Землю, где на приемных станциях они принимаются и записываются в виде изображений. Таким образом, телевизионные и сканерные снимки могут передаваться на
Землю в реальном масштабе времени, т.е. во время прохождения спутника над объектом съемки. Оперативность получения снимков составляет отличительную этого метода.
Телевизионная и сканирующая аппаратура не громоздка, она устанавливается на легких и искусственных спутниках Земли, запускаемых на полярные орбиты, и таким образом, съемкой охватывается вся земная поверхность. Однако, при указанных преимуществах перед фотографической съемкой, этот метод дает снимки худшего качества. Разрешение телевизионных снимков измеряется километрами, в то время как на фотографических снимках обычно разрешение 20-50 м; по передаче тоновых градаций они также уступают фотографическим снимкам. Кроме того, снимкам этого типа свойственны наличие растровых полос, строчной структуры изображения, а также геометрические искажения, сбой полос. В некоторых сканирующих системах не соблюдается постоянство масштаба в пределах снимка и требуются системы его компенсации, однако в последние годы получаемые изображения
приближаются по качеству к фотографическим.
На телевизионных и сканерных снимках с метеорологических спутников изображается и открытая поверхность Земли, причем это изображение, регулярно повторяется, что делает такие снимки ценными для исследования некоторых изменчивых явлений, например снежного покрова и морских льдов. Вместе с тем при небольшом разрешении снимки дают сильно генерализованное изображение, привлекающее внимание геологов хорошей выраженностью крупных структурных элементов, в особенности глубинных структур. Поэтому снимки с метеорологических спутников входят в круг материалов космической съемки, используемых в географических исследованиях.
Телевизионная система имеет много преимуществ перед обычной фотографией: она не требует возвращения пленки на Землю, дает сигнал в форме, удобной для запоминания, хранения и автоматической обработки; затем это система длительно действующая.
Преимущества ТВ информационной системы состоят также в универсальной школьной и домашней аппаратуре.
Оптическая передаточная функция телевизионной системы весьма сложна. Ее световая характеристика зависимости между яркостью ТВ изображения В и яркость сюжета съемки складывается из трех характеристических кривых зависимостей: между яркостью сюжета и напряжением сигнала первичного изображения; между напряжением на входе канала связи и напряжением на выходе канала связи; между напряжением на входе вторичного преобразования и яркостью изображения.
Спектральная чувствительность телевизионных систем определяется сенсибилизацией употребляемых фотоэлектронных умножителей. Так, сенсибилизация сурьмяно-цезиевых ФЭУ приходится на диапазон 0.45-0.74 мкм с максимумом в оранжево-красной части спектра 0.59-0.64 мкм. Кроме того, использование светового фильтров отсекает коротковолновую часть видимого спектра короче 0.51-0.55 мкм, так что фактически чувствительность ТВ систем составляет интервал 0.50-0.75 (0.54-0.74) мкм.
---------------------------------------------------------------------------------------
15. Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне.
Тепловой инфракрасный диапазон очень широк – он охватывает длины волн от 3 до 1000 мкм (длинноволновое излучение инфракрасного диапазона называют иногда субмиллиметровыми), однако большая часть его лучей не пропускается атмосферой. Имеются только три окна прозрачности с динами волн 3-5 мкм, 8-14 мкм и 30-80 мкм. Интенсивность излучения Солнца в этом диапазоне нехначительна, но зато на длины волн 10-12 мкм приходится максимум собственного теплового излучения Земли. Поскольку это излучение для различных объектов земной поверхности – суши, воды, по-разному увлажненных почв, и т.д. – неодинаково, появляется возможность по данным регистрации этого излучения судить о
характере излучающих объектов. Приборы регистрирующие излучение этого диапазона – тепловые инфракрасные радиометры – дают сигналы разной силы для объектов с различной температурой; при построении по этим сигналам изображения – теплового инфракрасного снимка – получают пространственно зафиксированные температурные различия объектов съемки. Обычно на таких снимках наиболее холодные объекты выглядят светлыми, теплые – темными, со всей гаммой температурных переходов. Пространственное разрешение тепловых снимков значительно меньше по сравнению со снимками, получаемыми в световом диапазоне, и измеряется обычно километрами. Температурное разрешение инфракрасных радиометров около 1°С, однако задачи изучения земных ресурсов, в частности - океанологические, требуют разрешения в десятые доли градуса. Для съемки тепловыми радиометрами используются два окна прозрачности /3-5 и 10- 12 мкм/. Съемку можно вести ночью - на затененной стороне Земли, а также в условиях полярной ночи. Облачность мешает съемке, так как в этом случае регистрируются температуры не земной поверхности, а верхней кромки облаков.
---------------------------------------------------------------------------------------