Lektsia_DZZ

1

ЛЕКЦИЯ «АНАЛИЗ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО

ЗОНДИРОВАНИЯ»

1.Характеристики материалов дистанционного зондирования

2.Свойства космических снимков и их классификация по отдельным показателям

3.Основные типы космических снимков

4.Типы космических спутников

1. Характеристики материалов дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) — это получение информации с использованием аппаратуры, установленной на борту аэроили космических аппаратов.

Дистанционные методы характеризуются значительным удалением регистрируемого прибора от исследуемого объекта, расстояние может измеряться сотнями и тысячами километров.

При дистанционных исследованиях получают информацию об объектах в разных спектральных диапазонах: рентгеновском, ультрафиолетовом,

видимом и инфракрасном. Различные отражательные свойства исследуемого объекта и состояние окружающей среды влияют на характеристики излучения и фиксируются приборами дистанционного зондирования.

На качественные характеристики материалов дистанционного зондирования оказывают влияние: 1) форма орбиты космических носителей; 2) наклонение; 3) высота; 4) период обращения; 5) положение по отношению к Солнцу установленной аппаратуры.

Космические носители с установленной на них съемочной аппаратурой движутся по круговым или эллиптическим орбитам. Для наблюдения из космоса целесообразнее использовать круговые орбиты, поскольку на них спутник движется примерно на одинаковом расстоянии от Земли, некоторые колебания расстояния обусловлены тем, что реальная форма земной

2

поверхности имеет неправильную геометрическую форму. Для эллиптичес-

ких орбит расстояние до земной поверхности изменяется от минимального в перигее до максимального в апогее.

Наклонение орбиты (i) — это важная характеристика, которая определяется углом между плоскостью орбиты и плоскостью экватора.

Различают орбиты экваториальные, где отклонение отсутствует,

полярные (с наклоном 90°) и наклонные, занимающие промежуточное положение. Наклонные орбиты могут быть прямыми (имеют северо-

восточное направление восходящего витка) и обратными (имеют северо-

западное направление восходящего витка).

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)

36000 – 40000 км — орбиты для геостационарных спутников. Скорость движения таких спутников равна скорости вращения Земли, поэтому они постоянно находятся над одной ее точкой.

Период обращения (Т) — время обращения спутника вокруг Земли, от которого зависит число витков в сутки. Обычно спутники на околоземных орбитах движутся со скоростью 11 км/с и один оборот вокруг Земли делают за 1,5 ч, следовательно, в сутки получается около 16 витков.

Геостационарные спутники помещают на экваториальную орбиту. Они как бы зависают над одной точкой, поэтому несколько таких спутников,

расположенных на равных расстояниях друг от друга, обеспечивают постоянный обзор всей поверхности Земли, за исключением полярных областей.

3

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 и направлением на Солнце. Для получения снимков при постоянных условиях освещенности используют солнечно-синхронные орбиты. У таких орбит угловая скорость смещения относительно Солнца соответствует скорости вращения Земли вокруг Солнца (360° в год).

Находясь на солнечно-синхронной орбите, спутник появляется над одним и тем же местом в одно и то же время, и условия освещенности зависят только от времени года.

Влияние атмосферы. Съемка из космоса производится через толщу атмосферы, состояние и свойства которой оказывают влияние на получаемые материалы дистанционного зондирования. Здесь необходимо учитывать экранирующее влияние облачности, поглощение солнечных лучей,

рассеивание, влияние атмосферной дымки и др.

Обычно съемке в оптическом диапазоне мешает облачность, которая в каждый момент времени закрывает более 50% поверхности земного шара.

Некоторые области остаются закрытыми облачностью большую часть времени года, следовательно, при планировании исследований необходимо располагать сведениями об облачности в данном районе. Но даже при безоблачном небе часть лучей поглощается. Это поглощение избирательное и зависит от длины волны. Атмосфера задерживает большую часть гамма-

излучения, рентгеновского и УФ излучений, а также ряд участков видимой и ИК-зоны, в том числе фиолетовый, сине-зеленый участки видимой части спектра. Поэтому съемку обычно выполняют в тех участках спектра, где электромагнитное излучение не поглощается. Такие участки называются

«окнами прозрачности».

Рассеивание лучей неодинаково в различных зонах. Атмосферная дымка снижает контрастность изображения объектов на космических снимках,

4

искажает цвет объектов. Наиболее сильно сказывается влияние атмосферной

дымки в синей и голубой зонах спектра.

2. Свойства космических снимков и их классификация по

отдельным показателям

Снимок – двумерное изображение, полученное в результате дистанционной регистрации техническими средствами собственного или отраженного излучения и предназначаемое для обнаружения, качественного и количественного изучения объектов, явлений и процессов путем дешифрирования, измерения и картографирования.

Основными свойствами, характеризующими космические снимки являются: обзорность, детальность, разрешение, повторяемость во времени.

Обзорность снимков обеспечивается охватом больших площадей. При этом обширные регионы покрываются съемкой единовременно при одних и тех же условиях.

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 исчис-

ляется 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 тысяч км.

По масштабу космические снимки делятся на следующие группы.

•Мелкомасштабные (1:10000000 до 1:100000000). Их получают с геостационарных и метеоспутников на околоземных орбитах.

•Среднемасштабные (1:1000000 до 1:10000000). Получают с пилотируемых кораблей и орбитальных станций.

5

• Крупномасштабные (крупнее 1:1000000). Получают со специальных картографических спутников.

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.

Разрешение – минимальная линейная величина объекта, которая отображается на снимке. По разрешению снимки классифицируются следую-

щим образом.

•Снимки очень низкого разрешения (десятки километров).

•Снимки низкого разрешения (несколько километров).

•Снимки среднего разрешения (сотни метров).

•Снимки высокого разрешения (десятки метров). 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.

Рассмотренные выше классификации касаются пространственных характеристик космического изображения. Однако для исследования географических объектов в их динамике важны также временные параметры съемки.

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.

6

Отечественные ресурсные спутники с аппаратурой среднего разрешения,

имеют периодичность съемки 5 суток. Ресурсные спутники, поставляющие снимки высокого разрешении, имеют небольшой охват территории, а

повторяемость их съемки составляет 16— 18 суток.

Получение разновременных снимков на одну и ту же территорию при одинаковых условиях имеет особое значение при организации мониторинговых исследований.

3. Основные типы космических снимков

Осуществление космической съемки возможно благодаря способности объектов излучать или отражать электромагнитное излучение.

По спектральному диапазону космические снимки подразделяются на три основные группы:

•снимки в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне,

•снимки в тепловом инфракрасном диапазоне,

•снимки в радиодиапазоне.

Вид съемки определяет и технологию формирования изображения. По виду съемки снимки делятся на: фотографические, фототелевизионные,

сканерные, многоэлементные ПЗС-снимки (снимки в световом диапазоне);

тепловые инфракрасные (в тепловом); радиометрические,

радиолокационные, микроволновые радиометрические (в радиодиапазоне).

Снимки в световом диапазоне

Фотографические снимки — снимки, полученные с помощью фотоаппарата, находящегося на борту авиационного или космического носителя и обработанные после приземления спускаемого аппарата. В

зависимого от использования фотоматериалов фотоснимки подразделяются на черно-белые, цветные, спектрозональные, многозональные,

синтезированные.

Спектрозональные снимки также получают на двухтрехслойных фотоматериалах, но на таких пленках отсутствует слой, чувствительный к синей зоне спектра, поскольку коротковолновые лучи сильно рассеиваются

7

атмосферой, вместо него помещен слой, чувствительный к ИК-лучам. Такие снимки позволяют подчеркнуть различия предметов, которые отличаются по яркости в ближней ИК-области, обеспечивают хорошее цветовое разделение изучаемых объектов, но они дают изображение в преднамеренно искаженных

(ложных) цветах.

Черно-белая фотография. Эти снимки еще можно назвать однозональными. Излучение регистрируется в одной, но достаточно широкой зоне спектра. Обычно съемка ведется в видимой части спектра.

Многозональные снимки получают с помощью специальных фотоаппаратов, имеющих от 4-х до 6-ти объективов. Каждый объектив снабжен определенным светофильтром и ведет съемку в определенной зоне спектра. В результате на одну и ту же территорию приходится 6 зональных снимков, каждый из которых содержит изображение в заданном спектраль-

ном диапазоне, что облегчает анализ и интерпретацию фотоизображения.

Из многозональных снимков можно получить цветные снимки, которые называют синтезированными. При этом каждому зональному снимку с по-

мощью светофильтра придают определенный цвет, а затем соединяют изображения. Цвета на снимке могут соответствовать реальности либо быть ложными.

Телевизионные снимки получают с помощью телевизионной камеры,

установленной на борту носителя, в интервалах между экспозициями изображение считывается электромагнитным лучом, и передается по радиоканалам на Землю, что обеспечивает оперативное получение снимков пользователем одновременно с процессом съемки.

Геометрические искажения телевизионных снимков зависят от наклона оси съемочной камеры относительно поверхности земли, а разрешающая способность определяется освещенностью местности и техническими параметрами съемки.

Телевизионные снимки могут охватывать полосу местности шириной от

1 до 2 тыс. км, в зависимости от высоты полета и фокусного расстояния

8

объектива. Изображение всей планеты получают с высокоорбитальных спутников, но они содержат мало подробностей и по своему разрешению сильно уступают фотографическим снимкам.

Сканерная съемка обеспечивает, как и телесъемка, оперативное слежение за объектами. Сканирующим элементом является качающееся зеркало. Оно просматривает местность поперек движения космического аппарата. Зеркало посылает излучение в объектив, далее — на фотоприемник, где луч преобразуется в электрический импульс, который по радиоканалам передается на Землю. Наземная аппаратура преобразует полученный сигнал в изображения на фотопленках или магнитных носителях.

Важная особенность сканерной съемки — поступление информации со спутника в цифровой форме, что облегчает ее компьютерную обработку. По качеству сканерная съемка уступает фотографической, так как разрешение сканерных снимков несколько меньше.

Чаще всего используют многозональную сканерную съемку. В этом случае применяется несколько зеркал, при этом каждое зеркало воспринимает определенную зону спектра.

Многоэлементные ПЗС-снимки. Дальнейшее повышение разрешения при оперативной съемке связано с внедрением приборов с зарядовой связью

(ПЗС); сканеры, которые используют ПЗС, называют еще электронными сканерами.

ПЗС представляет собой линейку или матрицу, состоящую из нескольких тысяч миниатюрных (10 — 20 мкм) светочувствительных элементов-детекторов. Их малые размеры обеспечивают высокое разрешение подобных снимков. Линейный ряд детекторов (линейка ПЗС) обеспечивает строку снимка, накопление строк происходит за счет движения носителя аппаратуры. Такая аппаратура, по сравнению со сканерной съемкой, не имеет колеблющегося или вращающегося элемента конструкции, поэтому позволя-

ет получать снимки с лучшими геометрическими свойствами.

9

Снимки в тепловом ИК диапазоне

Пространственное разрешение снимков первоначально измерялось в километрах, сейчас — до сотен метров. Температурное разрешение составляет десятые доли градусов.

В результате съемки холодные объекты выглядят светлыми, а теплые — темными.

Она используется при изучении различных явлений, связанных с выделением тепловой энергии, например, при мониторинге лесных пожаров,

тепловых или атомных электростанций.

Снимки в радиодиапазоне

Для дистанционного зондирования может быть использован ультракоротковолновый диапазон радиоволн. Он называется сверхвысокочастотным (СВЧ) в отечественной литературе и микроволновым в американской. Этот диапазон в значительной степени свободен от влияния атмосферы.

Различают пассивную радиометрию, при которой фиксируется собственное излучение Земли (получают радиометрические снимки) и

активную радиометрию, когда фиксируется отраженное искусственное излучение (получают радиолокационные снимки).

Пассивная радиометрическая съемка осуществляется с помощью микроволновых радиометров, которые регистрируют микроволновое излучение. По сигналам радиоизлучения строится радиометрический снимок,

на котором изображаются объекты, характеризующиеся различными излучательными свойствами в заданном диапазоне. Например, излучение металлов очень незначительно, излучение растительности и сухой почвы характеризуется коэффициентом 0,9, воды — 0,3. Радиометрические снимки позволяют выявить почвы с различной влажностью, воды с разной степенью солености, определить степень промерзания грунтов, возраст морских льдов и т. п.

10

Для получения радиолокационных снимков на носителе устанавливается активный источник радиоизлучения с антенной, действующий по принципу просмотра местности поперек маршрута. Посылаемый к Земле сигнал по-

разному отражается поверхностью и улавливается регистрирующей аппаратурой. На полученных снимках отражается шероховатость поверхно-

сти, микрорельеф, состав пород.

Пассивная и активная радиосъемка отличается от остальных видов съемки своей всепогодностью в силу того, что атмосфера абсолютно прозрачна для волн этого диапазона. Она может проводиться в любое время суток.

Помимо фотографических, сканирующих, радиолокационных и др.

устройств в настоящее время используются лазерные приборы ДЗ окружающей среды, которые получили название — лидары (аббревиатура английских слов Light Detection Ranging, что означает «световой локатор»).

Основной физический процесс, определяющий действие лазеров — это вынужденное испускание излучения.

Лазеры разделяют на импульсные и непрерывные; работающие в ИК,

видимой или УФ области спектра; высокой и низкой мощности и т. д.

Одним из первых лидаров был оптический дальномер. В настоящее время дальномеры позволяют определять расстояние до предмета с точностью до сантиметров на дистанции в сотни километров и широко используются в геодезии, метеорологии, астрономии, навигации.

4. Типы космических спутников

Глобальный обзор Земли в настоящее время обеспечивают несколько одновременно работающих геостационарных спутников на удаленных орбитах (высотой около 36 000 км). К ним относятся космические аппараты:

GOES (США), GOMS (Россия), INSAT (Индия), GMS (Япония), FY-2 (Китай)

и METEOSAT (Европейское космическое агентство). Они обеспечивают непрерывное наблюдение за поверхностью Земли; получаемые изображения обрабатываются в реальном времени и передаются на Землю в