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

приемниками. Ряд (линейка) светоприемнико-детекторов вклю- чает 6000 элементов, дающих строку ширины полосы охвата 60 км. Ведется многозональная съемка в трех спектральных диапазонах 0,50—0,59; 0,61—0,68; 0,70—0,89 мкм с разрешением 20 м или монохроматическая в интегральной зоне 0,51—0,75 мкм с разрешением 10 м. Снимки со спутника SPOT используются для решения задач топографического и крупномасштабного темати- ческого картографирования.

Снимки, получаемые аппаратурой МСУ-М, используются в геологических, гидрологических, гляциологических и лесохозяйственных исследованиях. Снимки, получаемые с помощью системы «Фрагмент», обладают высоким разрешением и используются для среднемасштабного тематического картографирования.

6.4. Инфракрасная и инфракрасная тепловая съемки

Данные виды съемок выполняются с использованием инфракрасных сканирующих радиометров, однако различаются диапазоном спектра, в котором они проводятся.

Инфракрасная съемка ведется в длинноволновой зоне оптиче- ской части спектра с длиной волн в пределах от 0,76 до 1,75 мкм. В этих сканирующих системах в качестве приемников применяются фотонные детекторы, чаще кремневые (0,4—1,1 мкм) и германиевые (1,1—1,75 мкм).

Источником инфракрасного излучения является земная поверхность, нагретая Солнцем, внутренним теплом Земли или искусственными источниками тепла.

Сканерная съемка в инфракрасном диапазоне ведется со спутников «Ландсат», «Метеор», «Космос», «Ресурс», SPOT и др.

Сканерные инфракрасные снимки используются при изуче- нии влажности почвогрунтов и видового состава растительности.

Инфракрасная тепловая съемка может выполняться в диапазоне от 3 до 30 мкм. Однако успешное проведение дистанционных наблюдений земной поверхности со спутников и самолетов в данном диапазоне во многом зависит от правильного выбора окон прозрачности атмосферы, т. е. участков электромагнитного спектра, на которых влияние паров воды, атмосферных газов и аэрозолей на излучение Земли минимально. В инфракрасном тепловом диапазоне выделяются два окна прозрачности: 3,0—4,5 мкм и 8,5—14,0 мкм. На второе окно прозрачности

72

приходится максимум теплового излучения, абсолютный максимум приходится на 10 мкм. Однако в окрестностях полосы 9,6 мкм находится участок сильного поглощения атмосферой, которое связано со стратосферным слоем озона. Поэтому с этим необходимо считаться при съемке из КЛА.

Практически в основном используются окна прозрачности 3—5 мкм, 8—12 или 10—14 мкм.

В диапазоне 3—5 мкм теп-

ловую съемку целесообразно про- водить в ночное время, так как Ðèñ. 17. Инфракрасный тепловой

снимок (лето)

в дневное время существенные помехи вносит солнечная радиация. Кроме того, учитывая, что

рассеяние в инфракрасном диапазоне меньше, чем в видимом, тепловую съемку можно проводить в условиях сильной дымки (обусловленной пожарами или промышленными выбросами) или слабого тумана, в данном случае она имеет существенное преимущество перед телевизионной и фотографической съемкой и позволяет получать снимки с изображением хорошего ка- чества (рис. 17).

С 1978 г. для проведения тепловой съемки с самолета используется серийный тепловизор «Вулкан», имеющий два спектральных диапазона 3—5 и 8—13 мкм.

Для существующих типов летательных аппаратов такая система записи строк обеспечивает получение тепловых аэроснимков масштабов от 1:3000 до 150 000, причем оптико-технические показатели позволяют использовать вертолеты Ми-8 и КА-26 для съемок масштаба 1:3000—1:25 000, самолеты АН-2, Л-410 — для съемки масштаба 1:20 000—1:100 000 и АН-30 — для съемок масштаба 1:50 000—1:100 000.

Для тепловой космической съемки используются специальные сканирующие радиометры или же оптико-механические сканеры, которые в отдельных каналах ведут тепловую съемку. В ка- честве приемников инфракрасного теплового излучения используются фотонные детекторы, принцип работы которых основан на фотографическом эффекте (фотодиоды) и явлении фотопроводи-

73

мости (фоторезисторы) в твердых телах. Следует отметить, что максимально достигаемая разрешающая способность по спектру зависит от степени охлаждения детектора. Для получения высокой разрешающей способности в диапазоне 8—13 мкм требуется охлаждение до –77 С и ниже. Для охлаждения приемников излу- чения применяют жидкий и газообразный азот. Наиболее перспективный метод охлаждения до –195 С на основе термоэлектри- ческого эффекта при трехкаскадных термоэлектрических охладителях.

В основном ИК радиометры поперечного сканирования имеют разрешающую способность по температуре порядка 0,25 С и позволяют различать до 10—12 градаций температур их контрастов поверхности с точностью менее 1 С при аэросъемке и 2—3 С с ИСЗ.

Впервые космическая съемка в тепловом инфракрасном диапазоне начала выполняться с метеорологических спутников. Первые снимки с космических спутников «Метеор» были получены в масштабе 1:15 000 000 с разрешением 17 км. Несколько с более высоким пространственным расширением в 6 км и при температурном разрешении 1 С были получены снимки со спутника NОАА. Совершенствование аппаратуры для съемок позволило даже с геостационарных спутников получить инфракрасные тепловые снимки с пространственным разрешением 5 км, а у спутников «Метеостат» нового поколения — 2,5 км. Так, на тепловом снимке Африки хорошо различаются экваториальная и тропическая природные зоны, что обуславливается температурным режимом, наличием облачности и влажностью.

Â1982 г. в США для изучения природных ресурсов Земли создан сканирующий радиометр (ТIМЗ), который имеет шесть спектральных каналов: 8,2—8,6; 8,6—9,0; 9,0—9,4; 9,4—10,2; 10,2—12,2 ìêì.

Âпоследнее время отмечена тенденция по разработке систем, где совмещены функции радиометра, спектрорадиометра и тепловизора. Это так называемые видиоспектрорадиометры, позволяющие получать тепловые изображения земной поверхности в нескольких спектральных каналах и одновременно измерять спектральное распределение энергии излучения.

Однако на возможность измерения в инфракрасном диапазоне сильно влияют метеорологические условия (облака, дождь), и поэтому обзор всей поверхности часто оказывается невозможным.

74

Таким образом, при наличии облаков приборы, предназначенные для работы в окнах прозрачности атмосферы ИК-диапазона, регистрируют верхнюю поверхность облаков как источник излуче- ния. Поэтому есть специальные радиометры для установления распределения водяного пара, работающие на волне 6,7 мкм и облаков на волне 10—12 мкм.

Установлено, что в среднем любой район Земли полностью свободен от облаков только лишь 10—14 % времени. В Европе процент дней с облачностью менее 2 баллов колеблется от 20 % на северо-западе до 50 % на юго-востоке.

В связи с этим проявляется все больший интерес к использованию микроволновой радиометрии. Особенно большое внимание уделяется этому вопросу в Канаде.

Основные направления использования ИК тепловой съемки:

поиски и изучение термальных вод;

использование энергетической службой для обнаружения «горячих точек» в силовых линиях электросетей;

для изучения состояния теплосетей;

поиски скопления грунтовых вод;

изучение уровенного режима грунтовых вод;

оценка влажности почв на массивах орошения и осушения;

выявление очагов заболевания лесной и культурной растительности;

учет животных;

тепловые инфракрасные снимки используются для компьютерного составления карт температуры водной поверхности океанов;

оценка степени загрязнения рек и водоемов сточными водами и т. д.

6.5. Радиотепловая съемка

Микроволновые радиометры имеют направленную антенну, приемник и детектор. При микроволновом зондировании очень важно достигнуть возможно большей разрешающей способности на местности. Этот показатель связан с мгновенным углом зрения зондирующей системы. Диаметр зондирующего луча зависит от длины волны и размера приемной антенны. Антенна микроволновой зондирующей системы включает параболический рефлектор, в центре которого работает сканирующая антенна значительно меньших габаритов, аккумулирующая принимаемую энергию и

75

направляющая ее через волновод в усилитель. Повышение пространственного разрешения снимков связано с увеличением скорости сканирования, однако это связано с возрастанием габаритов и массы антенных систем, что усложняет решение данного вопроса при съемке из космоса.

Отдельные природные образования имеют естественное микроволновое излучение в диапазоне длин волн от единиц до десятков миллиметров и частот от десятых гигагерц (ГГц) и более. Технология регистрации микроволнового излучения относится к области радиотехники и связана с использованием антенных систем.

Радиотепловая съемка, или микроволновая радиометрия, основана на пассивном измерении излучения в диапазоне длин волн 1—100 мм.

Интенсивность излучения любого объекта земной поверхности зависит от диэлектрической постоянной, температуры, размера и ее шероховатости. Например, диэлектрическая постоянная большинства природных объектов составляет от 2 до 10, а для воды при +20 С — около 80 при частоте 1 ГГц. Это указывает на то, что особенно эффективно применение микроволновой радиометрии для зондирования природных объектов и явлений, содержащих влагу.

Êосновным характеристикам микроволновых радиометров следует отнести следующие: низкая пространственная разрешающая способность (более 1 км); широкий диапазон волн фиксируемого излучения; а также возможность проникновения высокочастотных электромагнитных волн соответствующей длины через непрозрачную для оптического диапазона атмосферу, т. е. через туман, дымку и облака. Это позволяет считать, что микроволновое пассивное зондирование является одним из важных средств изучения природных явлений.

Êосновным направлениям использования радиотепловой съемки относятся: изучение влажности и засоления почв, разведка залегания пресных вод, определение оптимальных сроков на- чала посевных работ, состояние ледовой обстановки в полярных морях для судовождения.

Метод пассивной микроволновой съемки находится в стадии отработки и используется в основном для зондирования с самолета. В космосе работали микроволновые радиометры, регистрирующие излучение только вдоль линии полета, на орбитальной станции «Скайлэб». Со спутников «Нибус-5, 6» получены снимки

76

с разрешением 25 км, а с «Нибус-7» — 12 км. С этих спутников были получены ареалы распространения многолетних и однолетних льдов в пределах полушария, что представляет интерес для судовождения. Микроволновые радиометры для съемок использовались на спутнике «Сисат» для исследования океана. С 1991 г. они используются на первом европейском ресурсно-океанологи- ческом спутнике ЕRS-1.

6.6. Радиолокационная съемка

Радиолокационная съемка (РЛС) проводится в зоне электромагнитного спектра с длинами волн от нескольких миллиметров до метров. Она относится к активным методам дистанционного зондирования.

Впервые РЛС в США и Советском Союзе была использована в 1960-е гг. для военных и метеорологических целей и для проводки судов в высоких широтах. С 1968 г. в СССР для нужд геологии Лабораторией аэрометодов Министерства геологии СССР были на- чаты исследования по разработке методики площадной радиолокационной аэросъемки. Для этих целей применялись отечественные радиолокационные системы бокового обзора (РЛСБО) «Торос» и «Нить». Впервые радиолокационная съемка из космоса выполнена в 1978 г. со спутника «Сиасат» с разрешением 25 м, а в 1981 г. с корабля многоразового использования «Шаттл» с разрешением 40 м.

Круговой, или секторный, обзор применяют как в стационарных, так и в подвижных РЛС, если скорость носителя относительно невелика (рис. 18). Боковой обзор используют только в бортовых РЛС на быстро перемещающихся платформах — самолетах, вертолетах, космических аппаратах. Неподвижный антенный луч ориентируется в сторону от направления полета и перемещается поступательно за счет собственного движения РЛС.

Зона бокового обзора имеет вид полосы. В двумерных РЛС (при обзоре земной поверхности) обычно используется веерообразный луч, так как разным дальностям соответствуют разные углы места. Оконечными устройствами РЛС бокового обзора обычно являются специальные фоторегистраторы, которые фиксируют на фотопленке изображение полосы обзора. В настоящее время для этой цели все чаще используются бортовые компьютеры.

На рис. 19 приведена структура РЛС.

77

Ðèñ. 18. Схема кругового (à) и бокового (á) способов обзора поверхности

затор (3), устройство цифровой обработки сигналов (7), бортовой компьютер (4) и устройство отображения радиолокационной информации — световой индикатор на электронно-лучевой трубке (5), монитор компьютера, вторичный источник питания (6).

Формирование РЛ-изображения. РЛ-изображение местности является результатом взаимодействия электромагнитных колебаний, генерируемых РЛС, с земной поверхностью.

При достижении сигналом земной поверхности происходит отражение и рассеяние волн, а также проникновение вглубь земной поверхности. Интенсивность отраженного сигнала определяется свойствами поверхности (шероховатость, влажность, ориентация в пространстве, крутизна склонов, диэлектрическая проницаемость и др.) и длиной волны излучения. Суть механизма взаи-

78

модействия электромагнитных колебаний с подстилающей поверхностью, обуславливающего тон радиолокационного изображения, состоит в следующем:

радиолокационный сигнал при падении на зеркальную поверхность, например воды, отражается в сторону от радиолокатора и в приемник не попадает. Следовательно, при фиксации его на пленке, почернение определяется только уровнем собственных шумов РЛС, поэтому водные объекты изображаются темным тоном;

при падении луча на поверхность под углом 90 отражение будет происходить в обратном направлении и величина отраженного сигнала будет максимальной, т. е. чем больше крутизна склонов, тем более светлым тоном они изображаются на снимках;

при взаимодействии сигнала РЛС с шероховатой поверхностью происходит явление диффузного рассеяния электромагнитных колебаний во всех направлениях, и поэтому только часть отраженных волн попадает в приемник РЛС. Интенсивность принятого отраженного сигнала в этом случае имеет очень широкий диапазон.

Исследования влияния физических свойств поверхности на формирование радиолокационного изображения выявили зависимость тона радиолокационного изображения от увлажненности поверхности горных пород, их плотности и других свойств, вызывающих поглощение радиоволн, что приводит к уменьшению интенсивности сигнала, пришедшего в приемник станции.

Благодаря особенностям формирования радиолокационного изображения, на радиолокационных снимках можно получать дополнительную информацию о разрывных тектонических нарушениях, изучении закрытых структур, состоянии сельскохозяйственных культур, увлажненности почвогрунтов и т. д.

Радиолокационная съемка (активная радиолокация) по отношению к фотографической и телевизионной съемке обладает рядом преимуществ, а именно:

возможностью проведения съемки в любое время суток и при любых погодных условиях (кроме грозовой облачности);

независимостью разрешающей способности станции от дальности объекта;

возможностью съемки без непосредственного полета над объектом;

большой полосой захвата на местности при малой высоте полета;

79

возможностью обнаружения объектов по их радиолокационным, а не оптическим контрастам;

возможностью передачи полученной информации с борта носителя на наземные пункты по радиоканалу на значительные расстояния.

Отличительной особенностью электромагнитных волн радиодиапазона является способность их проникать вглубь объекта, а глубина их проникновения зависит от свойств подстилающей поверхности и длины волны. Чем больше длина волны, тем больше глубина ее проникновения, которая приблизительно равна половине ее длины. В песчаные отложения и пресную воду радиоволны проникают глубже, чем в глинистые породы и соленую воду.

Исходя из особенностей радиолокационной съемки, вытекают возможности практического использования информации в следующих случаях:

получение изображения поверхности Земли в труднодоступных районах, в т. ч. там, где фотосъемка затруднена из-за постоянного облачного покрова;

оперативное получение в любое время суток и в любых, кроме грозовой облачности, погодных условиях достоверной информации при определении масштабов стихийных бедствий: наводнений, тайфунов, извержения вулканов и др.;

контроль загрязнения морской поверхности при работе бурильных установок (платформ), нефтяных терминалов и других мест возможных выбросов, определение границ загрязнений при авариях танкеров и др.;

оценка состояния ледового покрова и проводка судов в тяжелой ледовой обстановке и др.

Масштабы радиолокационных аэроснимков являются жесткими значениями и определяются конструкцией радиолокационной станции. РЛСБО «Торос», «Нить» позволяют получать изображение, но очень трудно добиться постоянства масштаба как по азимуту (по оси õ), так и по дальности (по оси y).

Развертка и направление полета (по азимуту) осуществляется за счет движения самолета по маршруту.

Принцип работы РЛСБО «Торос» предполагает получение изображения местности не под самолетом, что присуще плановой аэрофотосъемке, а слева и справа от линии полета, а под носителем образуется так называемая мертвая зона, т. е. не охватываемая съемкой (см. рис. 18).

80

Масштаб по азимуту зависит от постоянства отношения скорости развертки по оси õ (скорость лентопротяжки перед ЭЛТ) к скорости самолета. При отсутствии автоматического согласования этих элементов возникает искажение масштаба.

Масштаб изображения по дальности также может быть неравномерным и изменяться в зависимости от угла облучения. Это связано с тем, что, например, в системе «Торос» применяется линейная развертка наклонной дальности, т. е. скорость развертки по оси и на экране ЭЛТ постоянна по всей длине строки.

В системах с компьютерным управлением эти недостатки легко устраняются.

Пространственное разрешение изображений, полученных РЛСБО, зависит от размеров импульса, сформированных в направлениях полета и зондирования. Чем меньше эти величины, тем выше разрешающая способность радиолокационной съемки.

6.7. Спектрометрическая съемка

Этот вид съемки позволяет получать данные о спектральных отражательных свойствах природных объектов. Спектрометрирование может выполняться в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра электромагнитного излучения. Для спектрометрической съемки используются специальные приборы, которые называются спектрометрами. В Институте физики НАН Беларуси создана микропроцессорная спектрометрическая система «Скиф», а в НИИ ПФП им. Севченко под руководством доктора физико-математических наук Б. И. Беляева создана бортовая модульная микропроцессорная спектрометрическая система «Гемма», аэрокосмическая интерактивная видеоспектрополяриметри- ческая система «Гемма-2», а также авиационный аппаратно-про- граммный комплекс ВСК-2, которые и в настоящее время используются для проведения аэрокосмических съемок.

При спектрометрировании местности одновременно ведется ее фотографическая или телевизионная съемка для привязки результатов спектрометрирования. Результаты спектрометриче- ской съемки получаются в виде кривых хода яркости по спектру — регистрограммы, либо сразу на экране электронно-лучевой трубки. Обработка результатов спектрометрических съемок довольно трудоемкий процесс, поэтому ведутся исследования по их автоматизации.

81