1.3. Фізична сутність аерокосмічних методів зондування

У розвитку ДЗЗ виділяють два взаємопов’язаних напрямки – природно-наукове (дистанційні дослідження) і інженерно-технічне (дистанційні методи), що знайшло відображення в широко поширених англомовних термінах remote sensing і remote sensing techniques.

Терміни ”віддалений носій” або ”дистанційне зондування” позначають аеро- і космічне знімання і запозичені з англійської мови: ”віддалений” або ”дистанційний” – remote, ”знімання з віддалених платформ” – remote sensing⁴ (RS). Однак цей термін не є загальновизнаним у світі, що й призвело до неоднозначного тлумачення сутності дистанційного зондування у різних країнах, наприклад, у Болгарії вживається термін ”Дистанційне зондування Землі”; в Німеччині – ”Fernerkundung der Erde” (Дистанційна розвідка Землі); в Польщі – ”Interpretacja zdiięć lotnicyzch”, ”Teledetekcja” (Дистанційне виявлення); в Росії – ”Аэрокосмические методы исследований”, ”Дистанционное зондирование”. В Україні найбільш поширеними є словосполучення ”дистанційне зондування Землі” (ДЗЗ) і ”Аерокосмічні дослідження”. Проте, як відзначають деякі дослідники, поняття ”Дистанційні дослідження Землі” або ”Дистанційне зондування Землі” є більш універсальним, оскільки не наголошує на розмежуванні між атмосферою і космічним простором, не фокусується визначенням конкретики в поняттях аеро- та космічних досліджень, що різняться головним чином, носіями знімальної апаратури.

Щодо розбіжностей в поняттях ”Дистанційне зондування” і ”Дистанційні дослідження” (”Аерокосмічні методи дослідження”), то на думку авторів, це викликано тим, що перша назва акцентує увагу на технічних умовах аерокосмічних знімань, параметрах космічних носіїв і знімальної апаратури, тоді як друге поняття зосереджує більшу увагу на дешифруванні та інтерпретації наземних об’єктів.

Перенесення інформації про об’єкти дослідження в просторі забезпечується речовинно-енергетичними потоками.

НПС, що оточує нас, пронизане потоками різних за своїми властивостями хвиль (механічних, гравітаційних, сейсмічних, звукових, вітрових та електромагнітних), що несуть інформацію про об’єкти, джерела і причини свого виникнення, про свою трансформацію на шляху від джерела до приймача. Потрібно лише мати можливість сприймати ці хвилі і вміти інтерпретувати їх (зчитувати з них інформацію).

Дистанційні методи є непрямими методами вимірів. За їх допомогою вимірюють не параметри, що безпосередньо цікавлять дослідника, а певні, пов’язані (корельовані) з ними величини. Інформація про віддалений об’єкт (місцевість) передається за допомогою ЕМВ, яке характеризується такими параметрами, як інтенсивність, спектральний склад, поляризація і напрямок поширення.

Інформацію можна отримувати одночасно в багатьох спектральних діапазонах і реєструвати на аерокосмічних знімках з різною просторовою розрізненністю. При цьому утворюється множина спектральних знімків об'єктів, причому просторова розрізненність певного знімка – зрізу, задає дозволений рівень розгляду геометричних (просторових) деталей об'єктів на відповідному зображенні. ЕМВ різних спектральних діапазонів містить взаємодоповнюючу інформацію про об’єкти і явища на земній поверхні. Одночасна реєстрація випромінювання в декількох спектральних зонах (багатозональний принцип) дозволяє отримувати більше різних характеристик місцевості [75]. Наприклад, є необхідність оцінити стан сільськогосподарських посівів. Але апаратура супутника реєструє лише інтенсивність світлового потоку від цих об’єктів у певних ділянках оптичного діапазону. Щоб ”розшифрувати” такі дані потрібно виконати попередні дослідження, що включають в себе різні експерименти з вивчення стану рослин контактними методами; з вивчення відбивної здатності в різних ділянках спектру і при різних взаємних розташуваннях джерела світла (Сонця), листового покриву (вегетації) і вимірювального приладу. Далі необхідно визначити, як виглядають ті ж об’єкти з супутника, і лише після цього робити висновки про стан посівів за супутниковими даними.

Таким чином, під час ДЗЗ зокрема за допомогою багатоспектральних космічних засобів об'єкт відображується низкою іконічних моделей різної просторової детальності (розрізненності).

ДЗЗ – це процес одержання інформації про різні об’єкти та динамічні процеси і явища на поверхні Землі, в її надрах і атмосфері, шляхом реєстрації на прийомних чутливих елементах апаратури (сенсорах) відбитого або власного ЕМВ на відстані, з метою визначення місця розташування, виду, властивостей і часової зміни об’єктів навколишнього середовища без безпосереднього контакту з об’єктом.

Тобто, сутність ДЗЗ полягає в тому, щоб замість проведення вимірів за місцем розташування об’єкта, спромогтися виміряти його характеристики на відстані. Оскільки безпосередній контакт з об’єктом або неможливий, або недоцільний, залишається покладатися тільки на ту інформацію, яка міститься в зареєстрованому електромагнітному сигналі, наприклад в оптичному, акустичному або мікрохвильовому діапазоні.

Кінцевою метою ДЗЗ є розпізнавання об’єктів, явищ, процесів, що попадають у поле зору апаратури зондування, визначення їх положення в просторовій системі координат.

Дані ДЗЗ сьогодні – це аерокосмічні знімки, що подані в цифровій формі у вигляді растрових зображень, тому проблематика і інтерпретація даних ДЗЗ тісно пов’язана з цифровою обробкою зображень.

Аерокосмічний знімок – це двовимірне зображення реальних об'єктів, що отримане за певними геометричними і радіометричними (фотометричними) законами шляхом дистанційної реєстрації яскравості об'єктів і призначене для дослідження видимих і прихованих об'єктів, явищ і процесів навколишнього світу, а також для визначення їх просторового місця розташування.

Кожен аерокосмічний знімок є носієм двох видів інформації – вимірювальної і семантичної [141]. Точність вимірювальної інформації є похідною від фотограмметричної якості знімка, обсяг семантичної інформації залежить від просторової та радіометричної розрізненності зображення, розміру кадру зображення тощо. Перераховані чинники є причиною того, що точність, повнота, вірогідність аерокосмічної інформації про об'єкти зондування завжди є обмеженими. Безумовно, це ускладнює розв'язання тематичних задач ДЗЗ [140].

Діапазон масштабів сучасних аерокосмічних знімків величезний: він може змінюватися від 1:1000 до 1:100 000 000, тобто в сто тисяч разів. При цьому найбільш поширені масштаби аерофотознімків лежать в межах 1:10000–1:50000, а космічних – 1:200000–1:10000000.

Усі аерокосмічні знімки прийнято поділяти на аналогові (зазвичай фотографічні) і цифрові (електронні). Зображення цифрових знімків утворене з окремих однакових елементів – пікселів (від англ. picture element – рixel); яскравість кожного пікселя характеризується одним числом.

Аерокосмічні знімки як інформаційні моделі місцевості характеризуються низкою властивостей, серед яких виділяють образотворчі, радіометричні (фотометричні) і геометричні.

Образотворчі властивості характеризують здатність знімків відтворювати дрібні деталі, кольори і тонові градації об'єктів.

Радіометричні властивості свідчать про точність кількісної реєстрації знімком яскравостей об'єктів.

Геометричні властивості характеризують можливість визначення за знімками розмірів, довжин і площ об'єктів і їх взаємного положення.

Важливими показниками знімка слугують просторове охоплення і розрізнення. Як правило, для досліджень потрібні знімки великого охоплення і високого розрізнення. Однак задовольнити ці суперечливі вимоги в одному знімку не вдається. Зазвичай чим більше охоплення одержуваних знімків, тим нижче їх розрізнення. Тому доводиться йти на компромісні рішення або виконувати одночасне знімання декількома системами з різними параметрами.