1. Космические системы дзз.

Получения изображения поверхности Земли из космоса насчитывает чуть более полувека. Первый снимок земной поверхности был получен при помощи фотоаппарата, установленного на баллистической ракете Fau-2 немецкого производства, запущенной в 1945 г., с американского ракетного полигона White Sands. Ракета достигла высоты 120 км, после чего фотоаппарат с отснятой пленой был возвращен на Землю в специальной капсуле. До конца 50-х годов космическая съемка поверхности Земли осуществлялась с высот до 200 км исключительно с использованием аппаратуры, устанавливаемой на баллистических ракетах и зондах. Началом систематического обзора поверхности Земли из космоса можно считать запуск 1 апреля 1960 г., американского метеорологического спутника Tiros-1. Первый советский ИСЗ аналогичного назначения «Космос-122», был выведен на орбиту 25 июня 1966 г.

С тех пор область применения данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса многократно расширилась. Задачи оперативного спутникового контроля природных ресурсов, исследования динамики протекания возможных последствий и выбора способов предупреждения чрезвычайных ситуаций являются на современном этапе неотъемлемым атрибутом методологии сбора информации о состоянии интересующей территории (страны, края, города), необходимой для принятия правильных и своевременных управленческих решений.

Особая роль отводится спутниковой информации в геоинформационных системах (ГИС), где результата дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса являются регулярно обновляемым источником данных, необходимых для формирования природоресурсных кадастров и других приложений, охватывая весьма широкий спектр масштабов (от 1:10000 до 1:10000000). При этом информация ДЗЗ позволяет оперативно оценивать достоверность и, в случае необходимости, проводить обновление использующихся графических слоев (карт дорожной сети, коммуникаций и т.п.), а также может быть использована в качестве растровой «подложки» в целом ряде ГИС-прило- жений, без которых сегодня уже немыслима современная хозяйственная и военная деятельность.

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) — наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны).

* Системы получения и распространения данных оперативного мони­торинга держатся на «четырех китах»:

1. носителях съемочной аппаратуры, в данном случае — ИСЗ;

2. собственно аппаратуре дистанционного зондирования;

3. бортовых средствах передачи данных на Землю по радиоканалу;

4. наземных комплексах приема этой информации, ее обработки и предоставления потребителям.

Методы зондирования могут быть: пассивные - использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью; активные - использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия.

Данные ДЗЗ, полученные с космического аппарата (КА), характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в различных диапазонах.

Аппаратура ДЗЗ первых КА, запущенных в 1960-70-х гг. была трассового типа - проекция области измерений на поверхность Земли представляла собой линию. Позднее появилась и широко распространилась аппаратура ДЗЗ панорамного типа - сканеры, проекция области измерений на поверхность Земли которых представляет собой полосу.

Космические аппараты дистанционного зондирования Земли используются для изучения природных ресурсов Земли и решения задач метеорологии. КА для исследования природных ресурсов оснащаются в основном оптической или радиолокационной аппаратурой. Преимущества последней заключаются в том, что она позволяет наблюдать поверхность Земли в любое время суток, независимо от состояния атмосферы.

Основные характеристики, определяющие возможности и особенности функционирования систем дистанционного зондирования.

Для ДЗЗ обычно используются два основные типа спутников (рис.1): геостационарные и полярноорбитальные. Если первые ИСЗ постоянно обеспечивают обзор одной и той же части планеты, сохраняя неизмен­ное положение относительно определенной точки на экваторе, то вто­рые, находясь на орбите, плоскость которой примерно перпендикулярна плоскости вращения Земли, через определенный период времени, про­должительность которого зависит от ширины полосы обзора ИСЗ, ока­зываются над заданным районом наблюдения. Соответственно, зона обзора со спутника на геостационарной орбите ограничивается широт­ным районом 50°СШ — 50° ЮШ; полярноорбитальная же система наблю­дения сталкивается с иной трудностью: спутник может оказаться над одним и тем же районом различные периоды «местного» или солнечного времени. При этом сопоставление данных, полученных при различных условиях солнечного освещения, оказывается весьма затруд­нительным, поэтому такие спутники выводят, как правило, на так назы­ваемые «солнечно синхронные» орбиты.

2. Съемочная аппаратура ДЗЗ, устанавливаемая на спутнике, может работать в четырех основных диапазонах: ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и микроволновом – только в этих областях спектра земная атмосфера прозрачна для электромагнит­ных волн. В видимом диапазоне датчики (фотоэлементы, матрицы при­боров с зарядовой связью и т.п.) регистрируют отраженное от земных покровов и прошедшее через атмосферу солнечное излучение; в ИК - диапазоне превалирует собственное тепловое излучение поверхности Зем­ли; в микроволновом диапазоне используют собственное излучение пла­неты, либо отраженные сигналы искусственных источников облучения, установленных на борту ИСЗ. Возможности аппаратуры дистанционно­го зондирования в различных спектральных диапазонах существенно раз­личаются: оптические дают наиболее качественные, привычные для на­блюдателя цветные изображения с высоким пространственным разре­шением, синтезированные из нескольких монохроматических снимков: инфракрасную съемку можно проводить в темное время суток, наблюдая температурные аномалии поверхности; а для специфических случаев зондирования в микроволновом диапазоне не является помехой даже облачный покров.

Важнейшими характеристиками формируемого изображения явля­ются пространственная (r) и радиометрическая (яркостная, температур­ная) (l) разрешающие способности съемочной аппаратуры. Простран­ственное разрешение зависит от длины волны принимаемого излучения , диаметра объектива (в случае радиолокационного наблюдения – разме­ров апертуры антенны) D и высоты орбиты H следующим образом:

(1)

Радиометрическая разрешающая способность определяется прежде всего шириной динамического диапазона используемого датчика, то есть количеством уровней дискретизации, соответствующих переходу от яр­кости абсолютно «черного» к абсолютно «белому» телу.

Так, для широко распространенного прибора АYНRR, применяемою на спутниках серии Noaa, пространственное разрешение r (физический размер одного пиксела на поверхности Земли) составляет около I км, а радиометрический диапазон соответствует 1024 уровням яркости. Для об­наружения элементарного объекта должно выполняться условие:

(2)

где I_Об – яркость объекта, S – его площадь.

С учетом (2) получим, что минимальный размер наблюдаемого объек­та на поверхности Земли, например лесного пожара, для которого I_Об=1024, составляет около 30 х 30 м².

Из приведенного соотношения (1) также видно, что при установке аппаратуры дистанционного зондирования на геостационарном косми­ческом аппарате, находящемся на орбите высотой 36 тыс. км, сложно реализовать пространственное разрешение, типичное для полярноорби-тального ИСЗ с высотой орбиты около 1000 км.

3. Пространственное и радиометрическое разрешение аппаратуры вме­сте с шириной полосы, в которой проводится съемка, и общим числом монохроматических каналов определяют скорость передаваемого на Зем­лю информационного потока:

' (3)

где V– скорость перемещения подспутниковой точки по трассе ИСЗ, I – число бит на пиксел изображения, N – число каналов, L – ширина полосы обзора, К>= 1 – коэффициент, зависящий от типа применяемо­го в канале помехоустойчивого кодирования. .

Например, для r=10 м, L = 100 км, V= 8 км/с, N= 3,7= 8 бит и К= 1 скорость передачи информации С составит 192 Мбит/с или 24 МБ/с'.

4. В свою очередь, необходимая для передачи этого информационно­го потока ширина полосы пропускания радиоканала «борт–Земля» за­висит от энергетических характеристик как приемного (наземного), так и передающего (бортового) комплексов. Пропускная способность кана­ла связи возрастает с увеличением мощности бортового передатчика, ди­аметра приемной антенны наземного комплекса и с уменьшением рас­стояния до ИСЗ. Так, для приведенного выше примера диаметр прием­ной антенны должен быть не менее 10 м.