2 курс / 2 семестр / Методы дистанционных исследований / Шалькевич Курс лекций

душной съемке эти маршруты могут быть прямые, криволинейные и ломаные, при космической в виде прямых полос. Маршрутная съемка используется для съемки линейных объектов (дорожная сеть, поймы рек, береговая линия морей и т. д.), а также отдельных трасс земной поверхности.

Площадная фотосъемка применяется для съемки земной поверхности путем покрытия определенной площади параллельными и прямолинейными маршрутами. Степень перекрытия снимков в маршрутах и между ними рассчитывается в зависимости от целей, для которых проводится съемка.

Фотографическая съемка проводится с самолетов, пилотируемых кораблей и орбитальных станций, картографических спутников и т. д., кадровыми, панорамными и щелевыми фотокамерами, работающими в автоматическом, полуавтоматическом и руч- ном режиме.

Основной задачей фотографической съемки является повышение информативности изображений, что в свою очередь связано с увеличением разрешающей способности фотографий, выбором определенных спектральных зон, обеспечением высоких фотографических, фотометрических и фотограмметрических качеств. Решение данных вопросов требует комплексирования на борту летательных аппаратов различных типов фотоаппаратов.

Материалы фотографической съемки обладают высокими геометрическими, изобразительными и информационными свойствами. Их отличает высокая разрешающая способность, надежность и освоенность аппаратуры для получения и обработки снимков. Легкость зрительного восприятия изображения позволяет их использовать для визуального дешифрирования различ- ных объектов. С целью улучшения дешифровочных свойств фотографическое изображение может быть подвергнуто различным видам преобразования (квантование, фильтрация, синтезирование). Для количественного и качественного анализа фотоснимков могут быть применены фотометрические и фотограмметрические приборы, а также компьютерная техника.

Ограничение в использовании фотографической съемки связано с невысокой оперативностью, обусловливаемое необходимостью возвращения пленки на Землю для фотохимической обработки и получения снимков, а также ограниченностью ее запасов на борту летательного аппарата.

Материалы фотографической съемки широко используются для изучения природных явлений, составления тематических и топографических карт.

62

6.1.2. Многозональная фотографическая съемка

Фотографическое изображение объекта на аэрокосмическом снимке формируется в зависимости от его способности поглощать или отражать электромагнитные волны определенной длины. В этом можно убедиться, наблюдая местность через разные цветные стекла — светофильтры. Например, если наблюдать ель и березу через синий светофильтр, их яркость будет одинаковой, а через красный — кроны ели будут темнее, чем у березы. Еще больше различия между лиственными и хвойными породами в инфракрасных лучах. При наблюдении через красный светофильтр мутная и чистая вода будут иметь одинаковую спектральную яркость, а через сине-голубой — мутная вода выглядит значительно светлее. Таким образом, если получить черно-белые снимки в различных зонах спектра, то на них можно распознать объекты и их свойства по различиям их спектральной яркости. Такой вид съемки получил название многозональной.

Сущность многозональной фотографической съемки заключа- ется в том, что одна и та же территория или участок местности одновременно фотографируются в нескольких узких зонах электромагнитного спектра, при одних и тех же технических и погодных условиях съемки.

Впервые одновременное фотографирование в двух зонах видимого спектра было выполнено русским астрономом Г. А. Тиховым в 1911 г. При помощи 30-дюймового Пулковского рефрактора была произведена съемка Марса и Сатурна с различными светофильтрами. В результате были получены цветные изображения.

Âконце 1920-х гг. Г. А. Тихов предложил, а в 1930 г.

Â.А. Фаас реализовал двухцветный метод фотографирования. С помощью двух аэрофотоаппаратов путем одновременного фотографирования проводилась аэрофотосъемка через различные светофильтры на две различные пленки.

Â1955—1956 гг. А. Н. Иорданским был предложен метод двухзонального цветного фотографирования, получивший название спектрозональной фотографии.

Â1960-õ гг. многозональная съемка начала производиться из космоса. На первых этапах разработки многозональных съемоч- ных систем велся поиск оптимального количества спектральных каналов, и шел он в ряде стран разными путями. Иногда для эксперимента использовались блоки из 48 и 24 отдельных камер. Однако столкнулись со сложностью и трудоемкостью обработки большого количества изображений. В итоге широкое практиче-

63

ское применение нашли фотосистемы, обеспечивающие фотографирование от 3 до 6 спектральных каналов.

На космическом корабле «Союз-22», подготовленном совместно специалистами СССР и ГДР по программе «Интеркосмос», для многозональной съемки использовались многообъективные камеры. Наиболее широкое применение получили многозональные камеры МКФ-6 и МК-4.

Для съемки на корабле «Союз-22» использовалась шестизональная камера МКФ-6. Многозональный космический фотоаппарат МКФ-6 и его модификация МКФ-6м имеют шесть фотокамер, объединенных в едином литом корпусе, снабженных высококачественными объективами с фокусным расстоянием 125 мм и имеющих формат кадра 81 56 мм. Каждая камера обеспечена отдельной кассетой. Перед объективами устанавливаются светофильтры, обеспе- чивающие фотографирование в шести узких зонах спектра, охватывающих спектральный интервал от 475 до 840 нм.

Российский космический аппарат типа «Ресурс-Ф» (серии «Космос») оснащен многозональной четырехканальной съемоч- ной камерой МК-4 производства белорусского предприятия АО «Пеленг».

Аппаратура МК-4 обеспечивает фотографирование земной поверхности в четырех зонах спектра электромагнитного излуче- ния, выбираемые для данного комплекта аппаратуры из шести заданных зон в диапазоне длин волн от 400 до 900 нм.

Многозональная съемка является одним из перспективнейших направлений в вопросах изучения различных природных явлений. Отличительной особенностью данного вида съемки от обычной является то, что одновременное фотографирование одного и того же объекта в нескольких узких зонах спектра дает дополнительный дешифровочный признак, т. е. различие в спектральной яркости одного и того же объекта в разных зонах спектра, обусловленное определенными его свойствами. Например, если на снимках, полученных в красной зоне спектра, контрастно светлым тоном выделяются горные хребты, покрытые снегом и льдом, то на снимках, полученных в инфракрасной зоне спектра, очень четко темным тоном изображаются гидрографические объекты (реки, озера), а также переувлажненные участки.

Синтезирование многозональных снимков. Преобразование исходных снимков носит характер специализированной обработки, направленной на повышение информационных свойств изображений применительно к решению определенных задач. Вари-

64

анты преобразования многообразны. Эти операции выполняются как при помощи аналоговых средств, так и на базе цифровых комплексов. Проводимые преобразования предназначены для выделения на снимке необходимой информации, отвечающей зада- чам картографирования. К ним относится прежде всего синтез многозональных изображений. Для изготовления цветных синтезированных изображений используются многозональные синтезирующие проекторы.

Чтобы получить цветное синтезированное изображение с помощью проектора, для этого три зональных черно-белых изображения проектируются соответственно через зеленый, синий и красный светофильтры на экран многоканального проектора. В результате на экране проектора формируется цветное изображение. Кроме того, цветное изображение можно зафиксировать на цветную фотобумагу или пленку. Подбор цветной гаммы синтезированных снимков производится так, чтобы обеспечить наилучшую дешифрируемость снимков. Хотя цветное изображение на синтезированных снимках формируется в ложных цветах, однако это повышает выразительность изображения и дешифрируемость объектов. В отли- чие от черно-белых зональных снимков, синтезированные изображения обеспечивают большую наглядность фотоинформации, что облегчает процесс визуального дешифрирования.

Исходя из вышеизложенного, можно отметить следующие основные достоинства многозональной съемки:

1.Снимки получаются в один момент времени, что позволяет проводить сравнительный анализ объектов.

2.Снимки обладают высокой геометрической точностью и высокой разрешающей способностью.

3.По снимкам можно проводить стереоскопические наблюдения.

4.Снимки обладают высокими изобразительными и информационными свойствами.

5.Можно проводить синтезирование многозональных снимков с целью преобразования аэрокосмического изображения.

К недостаткам следует отнести:

1.Зависимость съемки от состояния атмосферы и высоты Солнца над горизонтом.

2.Необходимость доставлять на орбиту и возвращать на Землю значительное количество фотоматериалов.

3.Большой вес аппаратуры, необходимой для проведения съемки.

65

6.2. Телевизионная съемка

Телевизионная съемка ведется телевизионными камерами в оптическом диапазоне электромагнитного спектра (0,4—1,1 мкм). Сущность телевизионной съемки заключается в том, что оптиче- ское изображение местности преобразуется в электрический видеосигнал. Телевизионные приемники относятся к оптико-элек- тронным системам дистанционного зондирования. Телевизионные камеры состоят из объектива, фокусирующего изображение на светочувствительную поверхность, электронно-лучевой трубки, блоков считывания информации и формирования сигналов для трансляции на наземные приемные пункты. Основной составной частью телевизионной камеры является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), которая и является приемником электромагнитного излучения.

Принципиальное отличие телевизионной камеры от фотоаппарата заключается в том, что оптическое изображение местности через объектив проектируется не на фотопленку, а на светочувствительный экран, на котором формируется электронное изображение, которое преобразуется в электрический видеосигнал. Кроме того, ресурс элементов оптико-электронной регистрации намного больше, чем возможный запас фотопленки на борту носителя, а значит, спутник с телевизионной системой может годами функционировать на орбите и постоянно передавать информацию на наземные приемные станции.

К достоинствам оптико-электронных приемников следует отнести то, что они обладают гораздо большей чувствительностью, чем фотоматериалы, что важно при съемке в условиях малой освещенности и невысокой отражательной способности объектов местности. Однако они имеют значительно меньшую разрешающую способность, чем фотопленка, а также имеют значительные геометрические искажения.

В телевизионных камерах используются два вида передающих телевизионных трубок — диссекторные и видиконовые. Первые телевизионные камеры оснащены широкоугольным объективом, что позволяет фиксировать в пределах кадра значительные территории. В качестве светочувствительного элемента в этих трубках используется фотокатод, работа которого основана на внешнем фотоэффекте (рис. 13). Фотокатод диссектора, на который проектируется оптическое изображение, испускает электроны с плотностью, пропорциональной освещенности.

66

Ðèñ. 13. Передающие телевизионные трубки

Так создается электронное изображение, элементарные участки (элементы) которого с помощью отклоняющей системы последовательно подводятся к входному отверстию фотоэлектронного умножителя, вырабатывающего электрический видеосигнал. В результате развертки двумерное изображение, преобразованное в одномерную функцию изменения напряжения во времени, можно передать по одному каналу связи.

Эти телевизионные камеры используются для глобальных съемок с геостационарных спутников. Впервые такая камера была установлена на спутнике «Молния-1». Недостатком таких телевизионных камер является невысокая разрешающая способность при широком угле зрения и громоздкость аппаратуры. Более широкое применение при дистанционном зондировании полу- чили телевизионные камеры с видиконовыми передающими трубками, где в качестве светочувствительного экрана используется полупроводниковый фотоэлемент, работа которого основана на внутреннем фотоэффекте.

На плоскую поверхность прозрачного в требуемом спектральном интервале баллона трубки напыляется тончайшая пленка металла — сигнальный электрод, на которую наносится слой полупроводника (фотосопротивление). Если спроектировать изображение на светочувствительную мишень, то отдельные ее участки вследствие внутреннего фотоэффекта изменят электрическое сопротивление обратно пропорционально их освещенности. В результате оптическое изображение создает на светочувствительной мишени электрическое изображение (потенциальный рельеф) из положительных зарядов. Видеосигнал формируется на сигналь-

67

ном электроде в процессе разряда мишени электронным лучом, быстро обегающим всю мишень. Движение луча по мишени обеспечивает отклоняющая система трубки, а образование узкого лу- ча — фокусирующая. Чем меньше диаметр луча и, следовательно, больше строк сканирования, тем более мелкие детали разли- чаются в телевизионном изображении. Современные трубки космических телевизионных систем обеспечивают 500—1000 строк развертки при размерах мишени 0,5—5 см. Высокая чувствительность мишеней с внутренним фотоэффектом, применяемых в видиконе, позволила упростить трубку и уменьшить ее размеры, что очень важно для орбитальной съемки. В видиконе, в отличие от диссектора, электрическое изображение в виде зарядов образуется (накапливается) в течение всего времени между очередными циклами считывания потенциального рельефа электронным лу- чом. Этот принцип повышает эффективность работы трубки и позволяет формировать телевизионное изображение в виде отдельных кадров.

В этих камерах наряду с высококачественными ЭЛТ используются узкоугольные длиннофокусные объективы, что позволило значительно повысить разрешающую способность снимков в 5—6 раз по сравнению с первыми снимками с ИСЗ типа «Мете- ор—Природа». Кроме того, в видиконе, в отличие от диссектора, электрическое изображение в виде зарядов образуется в течение всего времени между очередными циклами считывания потенциального рельефа на светочувствительном экране электронным лу- чом, что позволяет формировать телевизионное изображение в виде отдельных кадров.

Телевизионная съемка для метеорологических целей проводилась с советских ИСЗ «Метеор», российского «Ресурс-0», американских «Тайрос» и «Нимбус». Разрешение телевизионных снимков составляет несколько километров (по краям от 6 до 8 км). Эти снимки используются для дешифрирования облачного покрова, составления карт облачности, которые используются для прогноза погоды. Также они используются для изучения снежного покрова в целях гидрологических прогнозов и анализа ледовой обстановки на морях.

Кроме метеорологических целей и исследования земной поверхности, телевизионная съемка используется при изучении планет Солнечной системы и их спутников.

68

Основные достоинства телевизионных съемок — оперативность (получение изображений в реальном или близком к реальному масштабу времени), технологичность в обработке, обеспече- ние быстрой и многократной повторности съемок одних и тех же территорий.

6.3. Сканерная съемка

Сканерная съемка, в отличие от фотографической и телевизионной, может выполняться от видимого диапазона до инфракрасного теплового с длиной волны в единицы и десятки микрометров. Для съемки используются оптико-механическое сканирующее устройство, которое состоит из вращающегося зеркала, устанавливаемого под углом 45 к направлению вращения, перпендикулярному к плоскости орбиты, и детекторов, чувствительных к излучению определенных длин волн (рис. 15).

Принцип работы оптико-механического сканирующего устройства заключается в следующем: сканирующий элемент (вращающееся зеркало), поэлементно просматривая местность поперек движения носителя (рис. 14), посылает лучистый поток в объектив и далее на точечный фотоприемник (детектор), который преобразует его в электрический сигнал, передаваемый с носителя по каналам связи на наземные приемные станции (см. рис. 15).

Детекторы сканирующего приемника выбираются в зависимости от требуемого диапазона зондирования. При съемке в диапазоне 0,4—1,1 мкм используются кремневые, в окне прозрач- ности атмосферы 7—14 мкм применяют детекторы из ртуть-кад- мий-теллурида или германия с включениями ртути.

Отличительная особенность сканерных снимков состоит в том, что их изображение состоит из полос (сканов), которые в свою очередь состоят из отдельных элементов (пикселов). Спектральная яркость объектов в пределах элемента изображения усредняется и детали не различаются.

Разрешающая способность изображений, получаемых сканирующими системами, и ширина охвата съемкой полосы зависят от угла сканирования (обзора) и мгновенного (элементарного) угла зрения. Угол сканирования и мгновенный угол зрения, а

69

Ðèñ. 15. Схема функционирования сканирующей системы

следовательно, охват съемкой и разрешение на местности — взаимосвязанные величины. Чем выше разрешение сканера, тем меньше охват съемкой местности. Например, при разрешении 1—2 км из космоса снимают полосу шириной в несколько тысяч километров; при разрешении в 200—300 м до 1000 км, а при разрешении в 50—80 м ширина полосы съемки не превосходит первые сотни метров.

По своим геометрическим свойствам сканерный снимок, состоящий из отдельных элементов, уступает фотографическому. Однако сканерная съемка, в отличие от фотографической, имеет большие возможности по использованию узких съемочных зон для получения изображения во всех спектральных диапазонах. Кроме того, она обеспечивает быструю передачу информации на наземные приемные станции и возможность представления снимка в цифровом виде, что позволяет использовать компьютерные технологии для его тематической обработки.

Оптико-механические сканеры с вращающимся зеркалом достаточно сложны в изготовлении и эксплуатации. В последнее время широко начали использоваться для сканирования много-

элементные приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые отлича- ются простотой и надежностью сканирования. В качестве свето- чувствительного элемента в этих системах используются линейки, которые смонтированы из нескольких тысяч кристалличе- ских детекторов. На линейку проецируется изображение местно-

70

сти и с каждого детектора снимается электрический сигнал, характеризующий спектральную яркость снимаемого объекта (рис. 16). Для сканирования в различных зонах спектра применяют несколько линеек, регистрирующих каждая свой спектральный интервал. Такое сканирование проводится в оптическом

советских метеорологических спутников серии «Метеор» и американских серии «Нимбус», получаемые снимки имели разрешение 1—3 км в центре и 5—8 км по краям.

К 1970-м гг. техника сканерной съемки существенно усовершенствовалась, что позволило получать снимки более высокого разрешения и использовать ее для изучения природных ресурсов.

Впервые сканерный метод съемки для изучения земной поверхности был выполнен с американского ресурсного спутника ERTS, впоследствии переименованный в «Ландсат». Для съемки использовалась многоспектральная сканирующая система МSS, дающая изображение полосы шириной 185 км в зеленом, красном и ближнем инфракрасном диапазонах спектра в интервалах 0,5—0,6; 0,6—0,7; 0,7—0,8; 0,8—1,1 мкм. Элемент разрешения на местности 59 79 м.

С 1974 по 1980 г. в СССР проводились запуски спутников серии «Метеор» и «Космос» с экспериментальной аппаратурой для сканерной съемки в целях изучения природных ресурсов. Основная съемочная аппаратура, общая для всех этих спутников, — многозональное сканирующее устройство малого разрешения (МСУ-М), работающее в тех же спектральных диапазонах, что и многозональная сканирующая система МSS на спутнике «Ландсат».

Многоэлементные ПЗС-снимки с разрешением 45 м в полосе обзора 45 км, в трех спектральных диапазонах 0,5—0,6; 0,6—0,7; 0,8—0,9 мкм получают с российских спутников серии «Ресурс 0-1». На французском спутнике SPOT установлены две идентич- ные съемочные камеры с многоэлементными линейными свето-

71