Лекция. Введение в ДЗ

Обработка и дешифрирование аэрокосмических изображений является актуальным и перспективным направлением научно-практической деятельности человечества. Происходит это потому, что оперативное получение материалов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса позволяет решать целый круг весьма сложных и важных задач, находить ответы на многие интересующие вопросы. Эти вопросы охватывают практически все сферы повседневной жизни людей. К ним относятся, например, такие важные, как проблемы экологии и мониторинга окружающей среды, природопользование и эффективное управление земельными ресурсами, военное дело, борьба с терроризмом, картографирование и другие.

Обработка и дешифрирование аэрокосмических изображений являются неотъемлемой составляющей дистанционного зондирования (ДЗ). Дадим несколько наиболее известных определений ДЗ.

Дистанционное зондирование - получение и измерение данных о некоторых характеристиках явления, объекта или материала записывающим устройством, не находящимся в физическом, непосредственном контакте с объектом исследования; технические приемы, включающие в себя накопление знаний о свойствах окружения путем измерения силовых полей, электромагнитного излучения или акустической энергии с применением камер, лазеров, радиоприемников, радарных систем, сонаров, теплорегистрирующих устройств, сейсмографов, магнетометров, гравиметров, сцинтиллометров и других инструментальных средств.

Дистанционное зондирование – это технология, базирующаяся на распознавании электромагнитных и силовых полей с целью получения и интерпретации геопространственных данных для выявления информации о характерных особенностях, объектах и классах на Земной поверхности, в океанах и атмосфере, а также (если это возможно) на других космических объектах.

Дистанционное зондирование связано с регистрацией и измерением фотонов различной энергии, исходящих из удаленных материалов, с целью обеспечения возможности идентификации и категоризации по классу/типу, веществу и пространственному распределению.

Дистанционное зондирование – получение информации об объекте по данным измерений, сделанных на расстоянии от объекта, т. е. без прямого контакта с объектом.

Понятие ДЗ появилось в XIX веке вслед за изобретением фотографии.
В одной из первых областей, в которых стали применять этот метод, стала астрономия. Впоследствии, ДЗ начали использовать в военной области для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений. Фактически ДЗ начало свой путь в 1840-х годах, когда пилоты воздушных шаров получили картинки земной поверхности, используя новейшее изобретение – фотокамеру.

4 октября 1957 года СССР осуществил вывод на орбиту первого искусственного спутника Земли – Спутник-1.

12 апреля 1961 года в 9 часов 7 минут по московскому времени с космодрома Байконур стартовал космический корабль “Восток” с пилотом-космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным на борту. Первый полет человека длился 108 минут – космонавт приземлился неподалеку от деревни Смеловки в Саратовской области.

Возможности ДЗ США в военной области были очень значительны и еще более возросли после 1960 года в результате запуска разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON и LANYARD

Первый метеорологический спутник был запущен в США 1 апреля 1960 года. Он использовался для прогноза погоды, наблюдения за перемещением циклонов и других подобных задач. Первым среди спутников, которые применялись для регулярной съемки больших участков земной поверхности, стал TIROS-1 (Television and Infrared Observation Satellite).

Первый специализированный спутник для целей ДЗ был запущен в 1972 году. Он назывался ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) и использовался, в основном, для целей сельского хозяйства. В настоящее время спутники этой серии носят название Landsat. Они предназначены для регулярной многозональной съемки территорий со средним разрешением.

Дистанционное зондирование включает использование инструментов, или сенсоров, для «захвата» спектральных и пространственных отношений между объектами и материалами, наблюдаемыми с расстояния – обычно, находясь над ними. Как правило, мы обозреваем наш мир с более или менее горизонтальной точки зрения, поскольку живем на его поверхности. Но, при этих условиях, то, что мы видим, ограничено областью в несколько квадратных километров по причине наличия различных препятствий – зданий, деревьев, складок местности. Видимая нами область значительно увеличивается, если мы смотрим вниз, например, с высокого здания или вершины горы. Она увеличивается еще больше – до сотен квадратных километров, если мы бросаем взгляд вниз с авиалайнера, летящего на высоте 10 километров. С вертикальной или значительно возвышенной перспективы, наши впечатления о поверхности под нами заметно отличается от того, когда мы осматриваем окружающий мир, находясь в некоторой точке этой поверхности. В этом случае мы наблюдаем множество объектов и особенностей на поверхности такими, какими бы они выглядели на тематической карте в их действительных пространственных и контекстных взаимосвязях. Именно поэтому дистанционное зондирование очень часто осуществляется с платформ, таких как самолеты или космические аппараты, имеющих бортовые датчики, регистрирующие и анализирующие с высоты объекты и особенности территории на больших площадях. Это практичный, упорядоченный и эффективный в отношении цены путь получения и обновления информации об окружающем нас мире.

Далее приведён краткий список космических аппаратов, которые использовались, а некоторые и используются, для ДЗ земной поверхности, океанов и наблюдения за погодой. В скобках указан год запуска первого из спутников серии.

Группа 1 – в основном наблюдения земной поверхности:

Landsat (1973); Seasat (1978); HCMM (1978); SPOT (France) (1986);

RESURS (Russia) (1985); IRS (India) (1986); ERS (1991); JERS (Japan) (1992); Radarsat (Canada) (1995); ADEOS (Japan) (1996). Современные: WorldView, EO-1, QuickBird, OrbView, Сич-2, EgypetSat, Ikonos, Terra, TerraSAR-X, TanDEM-X и др.

Группа 2 – в основном метеорологические наблюдения:

TIROS (1960); Nimbus (1964); ESSA (1966); ATS (g) (1966);

Российские Kosmos (1968) и Meteor (1969); ITOS (1970); SMS (g) (1975);

NOAA (1-5) (1976); Meteosat (1978); NOAA (6-14) (1982);

Группа 3 – в основном океанографические наблюдения:

Seasat (1978); Nimbus 7 (1978) включал CZCS (Coastal Zone Color Scanner), который измерял концентрацию хлорофилла в морской воде; Topex-Poseidon (1992); SeaWiFS (1997). Современные: Океан-О, Terra, Aqua.

Этот очень небольшой (перечислены одни из самых известных) и постоянно пополняющийся список убеждает в том, что дистанционное зондирование стало широко используемым технологическим и научным инструментом, используемым для мониторинга планетных поверхностей и атмосферы. Расходы на наблюдение Земли и других планет, начиная с первых дней космических программ по настоящее время, превысили 150 миллиардов долларов. Большая часть этих денег была направлена на практические приложения, в основном фокусирующиеся на управлении природными ресурсами и окружающей средой.

На данный момент сложно найти передовую отрасль, направление деятельности людей, где не применялись технологии ДЗ. Рассмотрим кратко основные области применения данных ДЗ.

Сельское, лесное и охотничье хозяйство . В данной области данные ДЗ применяют для различения типов вегетации и их состояния, оценки площадей посевов, лесных и охотничьих угодий по типам культур, определяют состояние почв и площади выгоревших участков.

Картография и землепользование . При решении различных задач землепользования с использованием данных ДЗ важнейшими являются классификация, картографирование и обновление карт, категоризация земель, разделение урбанизированных и сельских районов, региональное планирование, картирование транспортных сетей, картирование границ вода‑суша.

Геология . Это одна из первых областей, при изучении которой активно использовалась съемка с воздушных шаров, самолетов и, впоследствии, с космических платформ. Наиболее часто данные ДЗ используют в этой области для различения типов пород, картирования больших геологических образований, обновления геологических карт и поиска указаний на определенные минералы.

Водные ресурсы . При исследовании водных ресурсов с использованием данных ДЗ чаще всего специалисты определяют границы водных объектов, их площади и объемы, исследуют мутность и турбулентность, проводят картирование областей затопления и границ снежного покрова, динамику их изменения.

Океанография и морские ресурсы . При решении задач в этой области актуальными являются обнаружение живых морских организмов, исследование течений, картирование береговой линии, картирование отмелей и мелей, картирование льдов для целей судовождения, а также исследование морских волн.

Окружающая среда . Пожалуй, наиболее актуальными для использования данных ДЗ является именно эта область. Вопросы безопасности и мониторинга окружающей среды стоят перед современным человечеством наиболее остро. Данные ДЗ активно используются для мониторинга разработок полезных ископаемых, картирования и мониторинга загрязнения поверхностных вод, обнаружения атмосферного загрязнения, определения последствий стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций, а также мониторинга воздействия человеческой активности на окружающую среду в целом.

Таким образом, одними из наиболее распространенных задач в представленных областях, использующих данные ДЗ, являются задачи мониторинга и наблюдения за определенными территориями земной поверхности и атмосферы, обновление и составление карт, а также составление тематических карт и атласов .

Как известно топографические карты дают человеку представление об окружающем мире и позволяют легко ориентироваться даже на незнакомой местности. Однако топографические карты крупных масштабов, таких как 1:10 000 – 1:50 000, достаточно редко доступны простому потребителю, в то время, как с развитием сети Internet и картографического сервиса Google Earth, доступны космические изображения поверхности Земли с высоким пространственным разрешением. Это дает возможность не только использовать их для ориентировки на местности, но и помогает вносить коррективы в имеющиеся старые топографические карты. Городские службы, активно занимающиеся обновлением топографических карт населенных пунктов, наиболее заинтересованы в получении периодической съемки с высоким разрешением определенных участков земной поверхности.

В качестве первичного материала для топографических карт традиционно использовались аэрофотоснимки. Космические цифровые снимки открывают новые возможности: удешевление повторных съемок, увеличение площади охвата местности и снижение искажений, вызванных рельефом. Кроме того, упрощается генерализация изображения на мелкомасштабных картах: вместо трудоемкого упрощения крупномасштабных карт можно сразу использовать космические снимки среднего разрешения. Поэтому съемки из космоса используют все шире и в перспективе могут стать основным методом обновления топографических карт .

При выборе снимков для составления карт определенного масштаба учитывают графическую точность рисовки и печати карт (0,1 мм). Например, снимки должны иметь пространственное разрешение не хуже 100 м для карт масштаба 1:1 000 000 и не хуже 10 м для карт масштаба 1:100 000.

При обновлении карт наносятся лишь изменения контуров элементов, а при составлении карт необходимо определить точное положение этих элементов. Поэтому для составления топографических карт требуются снимки более высокого разрешения, чем для их обновления. Следует также учитывать, что при составлении и обновлении топографических карт определенного масштаба одни и те же типы космических снимков могут быть пригодны или непригодны для различных элементов содержания топографических карт .

На основе материалов издания в табл. 1.3 представлены рекомендуемые масштабы для составления и обновления топографических, обзорно-топографических и обзорных карт по космическим снимкам.

и пространственного разрешения для составления (С) и обновления (О) карт

Пр.*

Масштаб

10 000 – 25 000

25 000 – 50 000

50 000 – 100 000

100 000 – 200 000

200 000 – 500 000

500 000 – 1 000 000

Мельче 1 000 000

250 – 1000 м

С

О

140 м

О

С

О

35 – 45 м

С

О

С

О

С

О

30 м

О

С

О

С

О

15 м

О

С

О

С

О

10 м

С

О

С

О

5 м

О

С

О

Выше 1 м

С

О

С

О

Пр.* – пространственное разрешение космической съемки

Космические снимки широко используются для обновления геологических, геоморфологических, гидрологических, океанологических, метеорологических, геоботанических, почвенных, ландшафтных карт. Для каждого типа тематических карт имеется своя методика их составления обновления по космическим снимкам, использующая в определенном сочетании рисунок снимка и значения яркости в каждой его точке (соответствующие спектральной отражательной способности поверхности, ее температуре или другим характеристикам, в зависимости от типа снимка). Использование космических снимков при составлении тематических карт способствует увеличению детальности карты и рисовке контуров, в большей мере соответствующих природному рисунку.

При тематическом картографировании требования к точности нанесения положения объекта обычно несколько ниже, чем для топографических карт. Поэтому по одним и тем же снимкам можно составлять тематические карты более крупного масштаба.

Следует отметить, что использование космических снимков, в сочетании с полевыми исследованиями, позволяет оперативно обновлять различные серии государственных карт, в том числе карты лесной таксации, карты почв, геоботанические карты.

Получение и обработка данных для ГИС - наиболее важный и трудоемкий этап создания подобных информационных систем. В настоящее время самым перспективным и экономически целесообразным считается метод получения данных об объектах на основе данных дистанцион­ного зондирования Земли (ДЗЗ) и GPS-измерений.

В широком смысле дистанционное зондирование - это получение любыми неконтактными методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах. Традиционно к данным дистанционного зондирования относят только те методы, которые позволяют получить из космоса или с воздуха изображение земной поверхности в каких-либо участках электромаг­нитного спектра.

Существует несколько видов съемки, использующих специфические свойства излучений с различными длинами волн. При проведении географического анализа, помимо собственно ДЗЗ, обязательно используются пространственные данных из других источников - цифровые топо­графические и тематические карты, схемы инфраструктуры, внешние базы данных. Снимки поз­воляют не только выявлять различные явления и объекты, но и оценивать их количественно.

Достоинства метода дистанционного зондирования Земли заключается в следующем:

Актуальность данных на момент съемки (большинство картографических материалов безнадежно устарели);

Высокая оперативность получения данных;

Высокая точность обработки данных за счет применения GPS технологий;

Высокая информативность (применение спектрозональной, инфракрасной и радарной съемки позволяет увидеть детали, не различимые на обычных снимках);

Экономическая целесообразность (затраты на получение информации посредством ДЗЗ существенно ниже наземных полевых работ);

Возможность получение трехмерной модели местности (матрицы рельефа) за счет ис­пользования стереорежима или лидарных методов зондирования и, как следствие, воз­можность проводить трехмерное моделирование участка земной поверхности (системы виртуальной реальности).

Дистанционные методы характеризуются тем, что регистрирующий прибор значительно удален от исследуемого объекта. При таких исследованиях явлений и процессов на земной по­верхности расстояния до объектов могут измеряться от единиц до тысяч километров. Это обстоя­тельство обеспечивает необходимый обзор поверхности и позволяет получать максимально генерализованные изображения.

Существуют различные классификации ДЗЗ. Отметим наиболее важные с точки зрения практического сбора данных в нефтегазовой отрасли.

Регистрироваться может собственное излучение объектов и отраженное излучение дру­гих источников. Этими источниками могут быть Солнце или сама съемочная аппаратура. В по­следнем случае используется когерентное излучение (радары, сонары и лазеры), что позволяет регистрировать не только интенсивность излучения, но также и его поляризацию, фазу и допле- ровское смещение, что дает дополнительную информацию. Понятно, что работа самоизлучающих (активных) сенсоров не зависит от времени суток, но зато требует значительных затрат энер­гии. Таким образом, виды зондирования по источнику сигнала:

Активное (вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источ­ником направленного действия);

Пассивное (собственное, естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью).

Съемочная аппаратура может размещаться на различных платформах. Платформой мо­жет быть космический аппарат (КА, спутник), самолет, вертолет и даже простая тренога. В по­следнем случае мы имеем дело с наземной съемкой боковых сторон объектов (например, для ар­хитектурных и реставрационных задач) или наклонной съемкой с естественных или искусствен­ных высотных объектов. Третий вид платформы не рассматривается в силу того, что он относит­ся к специальностям, далеким от той, для которой написаны данные лекции.

На одной платформе может размещаться несколько съемочных устройств, называемых инструментами или сенсорами, что обычно для КА. Например, спутники Ресурс-О1 несут сенсо­ры МСУ-Э и МСУ-СК, а спутники SPOT - по два одинаковых сенсора HRV (SPOT-4 - HRVIR). Понятно, что чем дальше находится платформа с сенсором от изучаемого объекта, тем больший охват и меньшую детализацию будут иметь получаемые изображения.

Поэтому в настоящее время выделяют следующие виды съемки для получения дан­ных дистанционного зондирования:

1. Космическая съемка (фотографическая или оптико-электронная):

Панхроматическая (чаще в одном широком видимом участке спектра) - простейший пример черно-белая съемка;

Цветная (съемка в нескольких, чаще реальных цветах на одном носителе);

Многозональная (одновременная, но раздельная фиксация изображения в разных зонах спектра);

Радарная (радиолокационная);

2. Аэрофотосъемка (фотографическая или оптико-электронная):

Те же виды ДЗЗ, что и в космической съемке;

Лидарная (лазерная).

Оба вида съемки находят широкое применение в нефтегазовой отрасли при создании ГИС предприятия, при этом каждый из них занимает свою нишу. Космическая съемка (КС), имеет более низкое разрешение (от 30 до 1 м в зависимости от типа съемки и типа космического аппарата), но за счет этого охватывает большие пространства. Космическая съемка используется для съемки больших площадей в целях получения оперативной и актуальной информации о рай­оне предполагаемых геологоразведочных работ, базовой подосновы для создания глобальной ГИС на район разработки полезных ископаемых, экологического мониторинга нефтяных разли­вов и т.п. При этом используется как обычная монохромная (черно-белая съемка), так и спектро­зональная.

Аэрофотосъемка (АФС), позволяет получать изображение более высокого разрешения (от 1-2 м до 5-7 см). Аэрофотосъемка используется для получения высоко детальных материалов для решения задач земельного кадастра применительно к арендуемым участкам добычи полезных ископаемых, учета и управления имуществом. Кроме того, использование аэрофотосъемки на се­годняшний день представляется оптимальным вариантом получения данных для создания ГИС на линейно-протяженные объекты (нефте-, газопроводы и т.д.) за счет возможности применения «коридорной» съемки.

Характеристики получаемых снимков (и АФС, и КС), т.е. возможность обнаружить и из­мерить то или иное явление, объект или процесс зависят от характеристик сенсоров соответ­ственно. Главной характеристикой является разрешающая способность.

Системы ДЗЗ характеризуются несколькими видами разрешений: пространствен­ным, спектральным, радиометрическим и временным. Под термином «разрешение» обычно под­разумевается пространственное разрешение.

Пространственное разрешение (рисунок 1) характеризует размер наименьших объектов, различимых на изображении. В зависимости от решаемых задач, могут использоваться данные низкого (более 100 м), среднего (10 - 100 м) и высокого (менее 10 м) разрешений. Снимки низко­го пространственного разрешения являются обзорными и позволяют одномоментно охватывать значительные территории - вплоть до целого полушария. Такие данные используются чаще всего в метеорологии, при мониторинге лесных пожаров и других масштабных природных бедствий. Снимки среднего пространственного разрешения на сегодня - основной источник данных для мониторинга природной среды. Спутники со съемочной аппаратурой, работающей в этом диапа­зоне пространственных разрешений, запускались и запускаются многими странами - Россией, США, Францией и др., что обеспечивает постоянство и непрерывность наблюдения. Съемка вы­сокого разрешения из космоса до недавнего времени велась почти исключительно в интересах военной разведки, а с воздуха - с целью топографического картографирования. Однако сегодня уже есть несколько коммерчески доступных космических сенсоров высокого разрешения (КВР- 1000, IRS, IKONOS), позволяющих проводить пространственный анализ с большей точностью или уточнять результаты анализа при среднем или низком разрешении.

Спектральное разрешение указывает на то, какие участки спектра электромагнитных волн (ЭМВ) регистрируются сенсором. При анализе природной среды, например, для экологиче­ского мониторинга, этот параметр - наиболее важный. Условно весь диапазон длин волн, исполь­зуемых в ДЗЗ, можно поделить на три участка - радиоволны, тепловое излучение (ИК-излучение) и видимый свет. Такое деление обусловлено различием взаимодействия электромагнитных волн и земной поверхности, различием в процессах, определяющих отражение и излучение ЭМВ.

Наиболее часто используемый диапазон ЭМВ - видимый свет и примыкающее к нему коротковолновое ИК-излучение. В этом диапазоне отражаемая солнечная радиация несет в себе информацию, главным образом, о химическом составе поверхности. Подобно тому, как челове­ческий глаз различает вещества по цвету, сенсор дистанционного зондирования фиксирует «цвет» в более широком понимании этого слова. В то время как человеческий глаз регистрирует лишь три участка (зоны) электромагнитного спектра, современные сенсоры способны различать десятки и сотни таких зон, что позволяет надежно выявлять объекты и явления по их заранее из­вестным спектрограммам. Для многих практических задач такая детальность нужна не всегда. Если интересующие объекты известны заранее, можно выбрать небольшое число спектральных зон, в которых они будут наиболее заметны. Так, например, ближний ИК-диапазон очень эффек­тивен в оценке состояния растительности, определении степени ее угнетения. Для большинства приложений достаточный объем информации дает многозональная съемка со спутников LANDSAT (США), SPOT (Франция), Ресурс-О (Россия). Для успешного проведения съемки в этом диапазоне длин волн необходимы солнечный свет и ясная погода.

Обычно оптическая съемка ведется либо сразу во всем видимом диапазоне (панхромати­ческая), либо в нескольких более узких зонах спектра (многозональная). При прочих равных условиях, панхроматические снимки обладают более высоким пространственным разрешением. Они наиболее пригодны для топографических задач и для уточнения границ объектов, выделяе­мых на многозональных снимках меньшего пространственного разрешения.

Тепловое ИК-излучение (рисунок 2) несет информацию, в основном, о температуре по­верхности. Помимо прямого определения температурных режимов видимых объектов и явлений (как природных, так и искусственных), тепловые снимки позволяют косвенно выявлять то, что скрыто под землей - подземные реки, трубопроводы и т.п. Поскольку тепловое излучение созда­ется самими объектами, для получения снимков не требуется солнечный свет (он даже, скорее, мешает). Такие снимки позволяют отслеживать динамику лесных пожаров, нефтяные и газовые факелы, процессы подземной эрозии. Следует отметить, что получение космических тепловых снимков высокого пространственного разрешения технически затруднительно, поэтому сегодня доступны снимки с разрешением около 100 м. Много полезной информации дает также тепловая съемка с самолетов.

Сантиметровый диапазон радиоволн используется для радарной съемки. Важнейшее преимущество снимков этого класса - в их всепогодности. Поскольку радар регистрирует собственное, отраженное земной поверхностью, излучение, для его работы не требуется солнечный
свет. Кроме того, радиоволны этого диапазона свободно проходят через сплошную облачность и даже способны проникать на некоторую глубину в почву. Отражение сантиметровых радиоволн от поверхности определяется ее текстурой («шероховатостью») и наличием на ней всевозможных пленок. Так, например, радары способны фиксировать наличие нефтяной пленки толщиной 50 мкм и более на поверхности водоемов даже при значительном волнении. В принципе, радарная съемка с самолетов способна обнаруживать подземные объекты, например, трубопроводы и утечки из них.

Радиометрическое разрешение определяет диапазон различимых на снимке яркостей. Большинство сенсоров обладают радиометрическим разрешением 6 или 8 бит, что наиболее близко к мгновенному динамическому диапазону зрения человека. Но есть сенсоры и с более вы­соким радиометрическим разрешением (10 бит для AVHRR и 11 бит для IKONOS), позволяющим различать больше деталей на очень ярких или очень темных областях снимка. Это важно в случа­ях съемки объектов, находящихся в тени, а также когда на снимке одновременно находятся большие водные поверхности и суша. Кроме того, такие сенсоры, как AVHRR имеют радиомет­рическую калибровку, что позволяет проводить точные количественные измерения.

Наконец, временное разрешение определяет, с какой периодичностью один и тот же сен­сор может снимать некоторый участок земной поверхности. Этот параметр весьма важен для мо­ниторинга чрезвычайных ситуаций и других быстро развивающихся явлений. Большинство спут­ников (точнее, их семейств) обеспечивают повторную съемку через несколько дней, некоторые - через несколько часов. В критических случаях для ежедневного наблюдения могут использовать­ся снимки с различных спутников, однако, нужно иметь в виду, что заказ и доставка сами по себе могут потребовать немалого времени. Одним из вариантов решения является приобретение при­емной станции, позволяющей принимать данные непосредственно со спутника. Это удобное ре­шение для ведения постоянного мониторинга используется некоторыми организациями на терри­тории России, обладающими приемными станциями данных со спутников Ресурс-О. Для отсле­живания изменений на какой-либо территории важна также возможность получения архивных (ретроспективных) снимков.

По высоте орбиты спутника можно выделить три группы: 1) Малые высоты : 100-500 км (пилотируемые корабли и орбитальные станции); 2) Средние высоты : 500-2000 км (ресурсные и метеорологические спутники); 3) Большие высоты : 36000-40000 км (геостационарные спутники - скорость движения спутника равна скорости вращения Земли - постоянное наблюдение за определенным районом на поверхности).

Положение орбиты по отношению к Солнцу. Для космических съемок большое значение имеет способность орбиты сохранять постоянную ориентацию на Солнце. Орбиты, у которых угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце остается постоянным, называются солнечно-синхронными. Достоинство таких орбит состоит в том, что они обеспечивают одинаковую освещенность земной поверхности вдоль трассы полета космического аппарата.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ДИСТАНЦИОННОЕ

ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ ПРИ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЯХ

Учебное пособие для вузов

Составители: А. И. Трегуб, О. В. Жаворонкин

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета

Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры полезных ископаемых и недропользования Ю. Н. Стрик

Учебное пособие подготовлено на кафедре общей геологии и геодинамики геологического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов очной и заочной форм обучения геологического факультета Воронежского государственного университета при изучении курсов: «Дистанционное зондирование Земли», «Аэрокосмические исследования литосферы», «Аэрокосмические методы».

Для направления: 020300 – Геология

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................
1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И ТЕХНОЛОГИИ
АЭРОКОСМОСЪЕМКИ ................................................................................
1.1. Аэросъемка.........................................................................................
1.2. Космическая съемка...........................................................................
1.3. Краткая характеристика космических съемочных систем
некоторых стран......................................................................................
2. МАТЕРИАЛЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
ЗЕМЛИ В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ............................
2.1. Физические основы дистанционного зондирования Земли.........
2.2. Материалы дистанционного зондирования Земли........................
2.3. Обработка и преобразование материалов дистанционного
зондирования Земли................................................................................
2.4. Обработка и преобразование цифрового рельефа........................
2.5. Пакеты программ для обработки и анализа материалов
дистанционного зондирования Земли...................................................
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕШИФРИРОВАНИЯ
МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
ЗЕМЛИ .............................................................................................................
3.1. Общие принципы дешифрирования материалов
дистанционного зондирования..............................................................
3.2. Дешифровочные признаки..............................................................
3.3. Методы дешифрирования................................................................
4. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕШИФРИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ...............................................
4.1. Дешифрирование коренных пород.................................................
4.2. Дешифрирование четвертичных образований..............................
4.3. Геоморфологическое дешифрирование..........................................
5. ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ПРИ ГЕОЛОГИЧЕСКОМ
КАРТИРОВАНИИ И ПОИСКОВЫХ РАБОТАХ .....................................
5.1. Материалы дистанционного зондирования при геологическом
картировании...........................................................................................
5.2. Материалы дистанционного зондирования
при прогнозно-поисковых исследованиях............................................
ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) – это изучение нашей планеты с помощью воздушных и космических летательных аппаратов, на которых установлены различные сенсоры (датчики), позволяющие получить информацию о характере поверхности Земли, состоянии ее воздушной и водной оболочек, о ее геофизических полях. Материалы дистанционного зондирования используются в самых разных отраслях народного хозяйства. Важнейшее значение они имеют и при геологических исследованиях.

Историю развития методов дистанционного зондирования

(МДЗ) обычно начинают с 1783 года, с первого запуска аэростата братьев Монгольфье, положившего начало аэровизуальным наблюдениям поверхностиЗемли. В1855 годупервыефотографиисвоздушногошара, полученные с высоты около 300 м, были использованы для составления точного плана г. Парижа. Для геологических целей фотографирование Альп с высоких вершин впервые применил французский геолог Эмме Цивилье (1858–1882).

Начало использования аэрофотосъемки в России датируется

1866 годом, когда поручик А. М. Ковалько с воздушного шара на высотах от 600 до 1000 метров произвел съемку Санкт-Петербурга и Кронштадта. Систематические съемки в России для составления топографических карт и исследований природных ресурсов начались с 1925 года, с момента зарождения гражданской авиации. В этих целях в 1929 году

в Ленинграде был образован институт аэрофотосъемки. Инициатором его создания и первым директором был академик Александр Евгеньевич Ферсман. С 1938 года использование материалов аэрофотосъемки стало обязательным при проведении геолого-съемочных работ. В сороковых годах при Геологическом комитете была создана Аэрофотогеологическая экспедиция, преобразованная в 1949 году во Всесоюзный аэрогеологический трест (ВАГТ), который позднее был реорганизован

в научно-производственное геологическое объединение «Аэрогеология» (ныне ФГУНПП «Аэрогеология»). Параллельно в то же время была образована Лаборатория аэрометодов «ЛАЭМ» (ныне «Науч- но-исследовательский институт космоаэрогеологических методов» – ГУП «ВНИИКАМ»). В результате их деятельности к 1957 году была проведена мелкомасштабная съемка всей территории СССР и составлена Государственная геологическая карта в масштабе 1: 1 000 000. В шестидесятые-семидесятые годы разработаны и внедрены в произ-

водство новые виды региональных исследований: групповая геологическая съемка (ГГС) и аэрофотогеологическое картирование (АФГК); появились спектрозональная, тепловая, радиолокационная съемки. Развитие аэрометодов предопределило переход дистанционного зондирования Земли на новый качественный уровень – изучение Земли из космоса.

Развитие космонавтики начиналось с разработки баллистических ракет, которые использовались, в частности, для производства фотосъемки поверхности Земли с больших (около 200 км) высот. Первые снимки были получены 24 октября 1946 года с помощью ракеты V-2 (немецкой ракеты Fau-2), запущенной с полигона White Sands (США) на суборбитальную траекторию. Была произведена съемка земной поверхности 35-миллиметровой кинокамерой на черно-белую фотопленку с высоты около 120 км. До конца пятидесятых годов фотосъемка земной поверхности преимущественно в военных целях проводилась разными странами с помощью баллистических ракет.

былзапущенпервыйвмиреискусственныйспутникЗемли(ИСЗ) – ПС-1 (Простейший спутник – 1). Для выведения на орбиту была использована баллистическая ракета Р-7 («Спутник»). Масса спутника составляла 83,6 кг, диаметр– 0,58 м, периодобращения96,7 мин. Перигей– 228 км, апогей – 947 км. Спутник имел форму шара, был снабжен двумя антеннами и радиопередатчиком – маяком. Он совершил 1440 витков вокруг Земли, а 4 января 1958 г. вошел в плотные слои атмосферы и прекратил существование. За время его полета была получена новая информация о структуре верхних слоев атмосферы.

ПерваяпопытказапускаИСЗVangard-1 спомощьюракетыJpiter-C в США 6 декабря 1957 года закончилась аварией. Со второй попытки (1 февраля 1958 года) такой же ракетой на орбиту был выведен ИСЗ Explorer-1. Спутник имел форму сигары, весил 13 кг. На борту имел оборудование для регистрации микрометеоритов и уровня радиации. С его помощью были открыты радиационные пояса Земли. Спутник совершил 58 тысяч витков вокруг Земли и сгорел в атмосфере 31 марта 1970 года. Параметрыего орбиты: апогей– 2548 км, перигей 356 км. В активном режиме работал до 23 мая 1958 г. 7 августа 1959 г. в США был запущен «Explorer-6», который передал первое телевизионное изображение Земли из космоса. Первый ИСЗ для метеонаблюдений (Tiros-1) был запущен в США 1 апреля 1960 года. Спутник с аналогич-

26 ноября 1965 г. Франция запустила свой ИСЗ «Астерикс-1». 11 февраля 1970 г. вывела на орбиту ИСЗ «Осуми» Япония. 24 апреля того же года космической державой стал Китай (ИСЗ «Дунфанхун»). Англия запустила свой первый ИСЗ «Просперо» 28 октября 1971 г., а 18 июля 1980 г. – Индия (ИСЗ «Рохини»).

Началопилотируемыхполетоввкосмосположено12 апреля1961 года Юрием Алексеевичем Гагариным на корабле «Восток», а 6 августа того же года Герман Степанович Титов впервые произвел фотосъемку Земли с пилотируемого космического корабля «Восток». В отечественной космонавтике большое значение имели спутники серии «Космос». Первый запуск ИСЗ этой серии был произведен 16 марта 1962 года, а к 2007 году уже было запущено 2400 спутников различного назначения. Примерно каждые три года выводилось на орбиту по 250 ИСЗ серии «Космос». Значительнаячастьизнихбыласнабженаоборудованиемдля выполнения ресурсных исследований. С их помощью для всей территория СССР были получены космические фотоснимки высокого качества. Современная группировка Российских спутников насчитывает более 110 аппаратов различного назначения. Экономический эффект только от применения ИСЗ серии «Ресурс-0» составил около 1,2 млрд руб. в год, а спутников серий «Метеор» и «Электро» – 10 млрд руб. в год.

В настоящее время свои спутниковые системы, кроме России и США, имеют Франция, Германия, Европейский Союз, Индия, Китай, Япония, Израиль и другие страны.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И ТЕХНОЛОГИИ АЭРОКОСМОСЪЕМКИ

Технологии аэросъемок в развитии дистанционных исследований Земли предшествовали технологиям космических съемок. На начальных этапах развития дистанционного зондирования Земли из космоса в негоперешлимногиетехнологическиеприемыпроведенияаэросъемки, нопомереразвитиякосмическихисследованийвозникалииновыеприборы, а также новые технологии. При этом важнейшее значение имело становление и бурное развитие компьютерных технологий, направленных на обработку данных дистанционного зондирования.

1.1. Аэросъемка

Аэросъемка земной поверхности может выполняться в зависимости от поставленных задач с помощью самолетов и вертолетов, аэростатов и даже мотодельтапланов, а также беспилотных летательных аппаратов. Различают фотографическую, тепловую, радиолокационную и многозональную аэросъемки. Фотографическая съемка (аэрофотосъемка) для целей геологического картирования является наиболее важной, не только потому, что обладает наибольшей информативностью, но и потому, что за время ее проведения накоплено значительное количество аэрофотоматериалов различных масштабов и по различным регионам. Поэтому при проведении геолого-съемочных работ бывает экономическиболеецелесообразнымиспользоватьужеимеющиесявфондахаэрофотоматериалы, чем заказывать производство новой аэрофотосъемки.

Аэрофотосъемка местностииспользуетсявразличныхцелях, важнейшими из них являются составление и корректировка топографических карт, геологические исследования. Аэрофотосъемка может быть точечной, маршрутной и площадной. Точечная съемка выполняется при изученииточечныхобъектов. Маршрутнаясъемкапроводитсяпозаданной линии (линии берега, вдоль русла реки и т. п.). Площадная съемка выполняется в пределах заданных площадей, которые обычно определяются рамками топографических планшетов. Важным требованием к съемке является требование об обязательном перекрытии площадей соседних снимков. По линии маршрута – продольное перекрытие, оно должно составлять не менее 60 %, а между маршрутами (поперечное перекрытие) – не менее 30 %. Должна также выдерживаться заданная высота полета. Соблюдение этих параметров необходимо для возможности получения стереоэффекта (объемного изображения местности).

Аэрофотосъемка может быть плановой и перспективной. Плановая аэрофотосъемка, предназначенная для решения топографических задач, отличается повышенными требованиями к предельным отклонениям плоскостиснимкаотгоризонтальнойплоскости. Перспективныеснимки в комплекте с плановыми снимками весьма полезны при изучении геологического строения высокогорных территорий с крутыми склонами.

Для аэрофотосъемки в пределах территории России чаще всего используются самолеты Ан-2, Ан-28 ФК, Ан-30, Ту-134 СХ.

На протяжении более чем 60 лет (рекорд в «Книге Гиннеса»!) основным самолетом был (остается и сейчас) Ан-2 (его аэрофотосъемочная модификация Ан–2Ф). Он отличается высокой надежностью,

техническими параметрами, отвечающими условиям проведения аэрофотосъемки: возможность использования грунтовых аэродромов с длиной полосы разбега при взлете не более 200 м, а при посадке – 120 м; предельная высота полета 5200 м (при практическом потолке 4500 м); экономичный поршневой двигатель мощностью 1000 л. с.; скорость полетавпределахот150 до250 км/часидальностьполета(990 км), достаточная для выполнения съемки на больших площадях; большой объем фюзеляжа, позволяющий свободно размещать оборудование и экипаж из трех человек (вместе с оператором).

С 1974 г. используется специализированный самолет Ан-30. Его силовая установка состоит из двух турбовинтовых двигателей, мощностью по 2820 л. с., и дополнительного реактивного двигателя мощностью 500 л. с. Крейсерская скорость самолета – 435 км/час, максимальная высота полета – 8300 м. Дальность действия – 1240 км, длина разбега по взлетно-посадочной полосе с бетонным покрытием – 720 м, средний расход топлива – 855 кг/час. Максимальный взлетный вес самолета – 23 т. Вес фотооборудования – 650 кг. Экипаж (включая оператора) состоит из 7 человек. Аэрофотосъемка выполняется в масштабах от 1: 3 000 до 1: 200 000. В настоящее время в распоряжении военновоздушных сил (ВВС) осталось не более 10 машин этого типа. Сходными характеристиками обладают самолеты Ан-28 ФК.

Сельскохозяйственный самолет Ту-134 СХ разработан в 1984 г. На самолете установлена радиолокационная станция бокового обзора (РЛСБО). Специальный навигационный комплекс «Маяк» и система автоматического управления поддерживают заданный курс и осуществляют фотосъемку местности в соответствии с заданной программой. Пять бортовых фотоаппаратов позволяют проводить съемку в радиочастотном, видимом и инфракрасном диапазонах. В салоне – 9 рабочих мест соспециальнойаппаратурой, пультамиуправленияифотолабораторией (дляобработкифотоматериаловвполете). Заодинрейс(4,5 часа) может быть заснята территория 100 × 100 км (10 000 км² – примерная площадь двух топографических планшетов в масштабе 1: 200 000).

Аэрофотосъемкавыполняетсяспомощьюспециальныхшироко-

угольных фотоаппаратов , которые устанавливаются в люке фюзеляжа самолета. Для фиксации фотоаппарата в горизонтальной плоскости используются гиросистемы. Фотопленка помещается в специальных кассетах емкостью по 30 или 60 м. Ширина пленки, в зависимости от параметров фотоаппарата, составляет 18 см или 30 см. В комплект обо-

рудования входит также реле времени (часовой механизм), обеспечивающий заданную экспозицию съемки и режим перемотки пленки. В настоящее время чаще всего используются фотоаппараты с объективами серии «Уран»: с фокусными расстояниями 250 мм, углом поля зрения 54º, размером кадра 180 × 180 мм («Уран-9»), а также с фокусным расстоянием 750 мм и размером кадра 300 х 300 мм («Уран-16»).

В последние годы для производства аэрофотосъемки все чаще применяются цифровые съемочные системы. В целом цифровые ка-

меры более надежны в эксплуатации, существенно сокращают длительность технологического процесса, цифровые снимки свободны от «зернистости». Они обеспечивают возможность получения панхроматических, цветных и спектрозональных снимков в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Интервал фотографирования составляет менее одной секунды, что позволяет выполнять крупномасштабную съемку с продольным перекрытием до 80–90 %. Среди общих свойств цифровых аэрофотоаппаратов различных систем следует указать на использование приемников излучения матричного или линейного типа; синтезированный кадр (для широкоформатных камер) – результирующий кадр системы формируется из набора субкадров, соответствующих матриц или линейных приемников; GPS/INS поддержка – пространственные и угловые координаты систем координат аэрофотоаппаратов (элементы внешнего ориентирования) определяются с использованием средств инерциальной навигации и систем спутникового геопозиционирования GPS или ГЛОНАС.

Радарная (радиолокационная) аэросъемка выполняется с помо-

щью радиолокационных систем бокового обзора (РЛСБО), установленных на борту самолета. От источника микроволнового излучения сигнал направляется к земной поверхности, отражается от нее и возвращается на приемную антенну. С помощью специальных программ запись отраженных сигналов преобразуется в фотографическое изображение земной поверхности.

1.2. Космическая съемка

Космическаясъемказемнойповерхностивпоследниегодыпревратилась в самостоятельную ветвь дистанционного зондирования Земли. Системы космического зондирования включают несколько важнейших элементов: транспортные средства доставки необходимого оборудования на околоземную орбиту, космические платформы – носители

средств наблюдения, сенсоры (датчики), средства передачи информации и наземные центры приема, обработки этой информации, доставки ее потребителю.

Основными транспортными средствами доставки необходимо-

го оборудования на околоземные орбиты являются ракеты различного класса. В СССР наиболее ранними из них были трехступенчатые ракеты легкого класса «Восток». С их помощью осуществлялись пилотируемые полеты, запускались искусственные спутники Земли (ИСЗ) серии «Космос», лунные станции. Кроме того, в этом классе широко применяются многие носители, снятые с вооружения, в частности ракета «Зенит», предназначенная также в качестве элемента разгонного блока системы «Энергия – Буран».

Трехступенчатая ракета среднего класса «Союз», грузоподъемностью около 7 тонн с успехом используется, равно как и созданная на ее основе четырехступенчатая ракета «Молния», для запусков ИСЗ «Прогноз», «Молния».

Созданная почти полвека назад многоступенчатая ракета тяжелого класса «Протон» грузоподъемностью более 20 тонн использовалась и используется сейчас в различных целях: для исследования Луны, планет Солнечной системы, для выведения на околоземную орбиту обитаемых станций «Салют», «Мир», на геостационарные орбиты спутников «Горизонт», «Радуга», «Экран» и др.

В мае 1987 года в связи с разработкой программы по созданию многоразового космического корабля «Энергия – Буран» была введена

в эксплуатацию двухступенчатая ракета сверхтяжелого класса «Энергия» со стартовой массой более 2000 тонн и грузоподъемностью около 200 тонн. Помимо применения этой ракеты для выведения на околоземную орбиту многоразовых кораблей, она может быть использована и для доставки других грузов. Это выгодно отличает систему «Энергия – Буран» от похожей по назначению американской системы «Space Shuttle».

Наиболее часто применяемыми зарубежными ракетами являются ракеты серии «Delta» (США) и «Arian» (Франция).

Кроме ИСЗ для ресурсных исследований в России использовались орбитальные станции («Салют-4, 5, 6», «Мир»), а также пилотируемые корабли серии «Союз».

В СШАважнаярольвкосмическихисследованияхотводиласьпроекту «Space Shuttle». Проект изначально разрабатывался в военных це-

Преимущества дистанционного зондирования

Дистанционным зондированием называют получение информации об объектах без вхождения с ними в физический контакт. Однако это определение является слишком широким.

Поэтому введем некоторые ограничения, позволяющие конкретизировать особенности понятия «дистанционное зондирование», и в частности, важного для обеспечения безопасности авиации понятия дистанционного зондирования атмосферы. Во-первых, предполагают, что информацию получают с помощью технических средств.

Во-вторых, речь идет об объектах, находящихся на значительных расстояниях от технических средств, что принципиально отличает ДЗ от других научно-технических направлений, таких как неразрушающий контроль материалов и изделий, медицинская диагностика и т. п. Добавим, что ДЗ использует косвенные методы измерения.

Дистанционное зондирование включает исследования атмосферы и земной поверхности, в последнее время развились и подповерхностные методы ДЗ. Применение методов и средств дистанционного неконтактного получения информации о состоянии и параметрах тропосферы способствует безопасности авиации.

Главные преимущества ДЗ - это высокая скорость получения данных о больших объемах атмосферы (или о больших площадях земной поверхности), а также возможность получения информации об объектах, практически недоступных для исследования другими способами. С традиционными метеорологическими измерениями в верхней атмосфере, выполняемыми с помощью шаров-зондов, широко и систематически применяются сложные методы ДЗ.

Дистанционное зондирование стоит довольно дорого, особенно космическое. Несмотря на это, сравнительный анализ затрат и получаемых результатов доказывает высокую экономическую эффективность зондирования. Кроме того, использование данных зондирования, в частности, метеорологических спутников, наземных и бортовых радиолокационных средств, сохранило тысячи человеческих жизней за счет предупреждения стихийных бедствий и избежания опасных метеорологических явлений. Поэтому научно-исследовательская. экспериментальная, конструкторская и оперативная деятельность в области ДЗ, которая интенсивно развивается в ведущих странах мира, является полностью оправданной.

Объекты и применение дистанционного зондирования

Основными объектами ДЗ являются:

погода и климат (осадки, облака, ветер, турбулентность, излучения);

элементы окружающей среды (аэрозоли, газы, электричество атмосферы, перенос, т. е. перераспределение в атмосфере той или иной субстанции);

океаны и моря (морское волнение, течения, количество воды, лед);

земная поверхность (растительность, геологические исследования, изучения ресурсов, высото-метрия).

Информация, получаемая средствами ДЗ, необходима для многих отраслей науки, техники и экономики. Количество потенциальных потребителей этой информации постоянно растет.

С целью обеспечения безопасности полетов ДЗ используется:

метеорологией, климатологией и физикой атмосферы (оперативные данные для прогноза погоды, определения профиля температуры, давления и содержания водяного пара в атмосфере, измерения скорости ветра и т. п.);

спутниковой навигацией, связью, в радиолокационных наблюдениях и радионавигации (эти области требуют данных об условиях распространения радиоволн, которые оперативно получаются средствами ДЗ);

авиацией, например, прогноз метеоусловий в аэропортах и на авиатрассах, оперативное обнаружение опасных метеорологических явлений, таких как град, гроза, турбулентность, сдвиг ветра, микровзрыв и обледенение.

Кроме того, важными являются такие области, в которых летательные аппараты используются в качестве носителей средств ДЗ:

гидрология, включая оценку и управление водными ресурсами, прогнозирование таяния снегов, предупреждения о паводках;

аграрные области (прогноз и управление погодой, контроль типа, распространения и состояния растительного покрова, построение карт типов грунтов, определение влажности, предупреждение градобитий, прогноз урожая);

экология (контроль загрязнения атмосферы и земной поверхности);

океанография (например, измерение температуры морской поверхности, исследования океанических течений и спектров морского волнения);

гляциология (например, отображение распространения и движения ледовых щитов и морского льда, определения возможности морского судоходства в ледовых условиях);

геология, геоморфология и геодезия (например, идентификация типа горных пород, локализация геологических дефектов и аномалий, измерение

параметров Земли и наблюдение тектонического движения);

топография и картография (в частности, получение точных данных о высоте и привязке их к данной системе координат, производство карт и внесение изменений в них);

контроль стихийных бедствий (в том числе контроль объема паводков, предупреждение о песчаных и пылевых бурях, лавинах, оползнях, определение маршрутов лавин и т. п.);

планирование в других технических приложениях (например, инвентаризация землепользования и контроль изменений, оценка земельных ресурсов, наблюдение за движением транспорта);

военные применения (контроль передвижения техники и воинских формирований, оценка местности).

Системы и методы дистанционного зондирования

Классификация систем ДЗ основывается на привычных для специалистов по радиолокации отличиях между активными и пассивными системами. Активные системы облучают исследуемую среду электромагнитным излучением (ЭМИ), которое обеспечивает система ДЗ, т. е. в этом случае средство ДЗ генерирует электромагнитную энергию и излучает ее в направлении исследуемого объекта. Пассивные системы воспринимают ЭМИ от исследуемого объекта естественным образом. Это может быть, как собственное ЭМИ, возникающее в самом объекте зондирования, например, тепловое излучение, так и рассеянное ЭМИ какого-либо естественного внешнего источника, например, солнечного излучения. Преимущества и недостатки каждого из двух указанных типов систем ДЗ (активные и пассивные) определяются рядом факторов. Например, пассивная система практически неприменима в тех случаях, когда отсутствует достаточно интенсивное собственное излучение исследуемых объектов в заданном диапазоне длин волн. С другой стороны, активная система становится технически невыполнимой, если излучаемая мощность, необходимая для получения достаточного отраженного сигнала, оказывается слишком большой.

В ряде случаев для получения необходимой информации желательно знать точные параметры излучаемого сигнала, чтобы обеспечить какие-то специальные возможности анализа, например, измерение доплеровского сдвига частоты отраженного сигнала для оценки движения цели по отношению датчика (приемника) или изменения поляризации отраженного сигнала относительно зондирующего сигнала. Как и любые информационно-измерительные системы, которые используют ЭМИ, системы ДЗ различаются по диапазонам частот электромагнитных колебаний, например, ультрафиолетовые, видимого света, инфракрасные, миллиметровые, сантиметровые, дециметровые.

Рассмотрим ДЗ атмосферы, в частности, тропосферы - той части земной атмосферы, которая непосредственно прилегает к поверхности Земли. Тропосфера простирается до высот 10-15 км, а в тропических широтах - до 18 км. Использование ДЗ с целью метеорологического обеспечения безопасности полетов требует внимания к системам, которые рассматривают атмосферу как трехмерный, объемно распределенный объект, и позволяют получать профили атмосферы в разных направлениях зондирования.

Объектами зондирования, или целями, могут быть флюктуации, которые естественно происходят в атмосфере, а также фиксированные объекты на определенном расстоянии от средства ДЗ. Важно понять суть разных видов взаимодействия между ЭМИ и атмосферой. Разные виды такого взаимодействия - это удобный способ классификации методов ДЗ. Они основываются на затухании, рассеянии и излучении электромагнитных колебаний объектами зондирования. Схемы основных процессов взаимодействия электромагнитных колебаний с атмосферными неоднородностями применительно к задачам ДЗ.

В первом случае излучение от заданного известного источника (передатчика) поступает на вход приемника после того, как оно прошло через исследуемый объект. Оценивается величина ослабления излучения на трассе распространения от передатчика к приемнику, при этом предполагается, что величина потерь электромагнитной энергии при прохождении через объект связана со свойствами этого объекта. Причиной потерь может быть поглощение или комбинация поглощения и рассеяния, что лежит в основе получения информации об объекте. Много методов ДЗ по сути основаны на таком подходе.

Во втором случае, когда источник сам является источником излучения, обычно возникает задача измерения инфракрасной или/и микроволновой эмиссии, что используется для получения информации о тепловой структуре атмосферы и других ее свойствах. Кроме того, такой подход характерен для исследования молниевого разряда на основе его собственного радиоизлучения и для обнаружения грозы на больших расстояниях.

Третий случай состоит в использовании рассеяния электромагнитных колебаний атмосферным образованием для получения информации о нем. На свойстве рассеяния основаны различные способы ДЗ. Один из них характеризуется тем, что исследуемая среда освещается каким-то источником некогерентного излучения, например, солнечным светом или инфракрасным излучением, которое исходит от поверхности Земли, а датчик средства ДЗ принимает рассеянное объектом излучение. Другой - тем, что объект облучается специальным искусственным (когерентным или некогерентным) источником, например, лазером или источником с длиной волны от дециметров до миллиметров (как в случае радиолокатора). Это излучение рассеивается объектом, обнаруживается приемником и используется для извлечения информации о рассеивающем объекте.

Заметим, что первый из рассмотренных случаев соответствует активной системе зондирования, второй - пассивной, а третий реализуется как в пассивном, так и в активном вариантах.

Активная система ДЗ может быть моно-статической, когда передатчик и приемник средства ДЗ размещаются на одной позиции, бистатической, или даже мульти-статической, когда система состоит из одного или нескольких передатчиков и нескольких приемников, расположенных в разных позициях.

Классификация не будет достаточно полной, если не указать основные технические средства ДЗ: радиолокаторы, радиометры, лидеры и другие устройства или системы, используемые в качестве датчиков ДЗ.

Изучение атмосферы с помощью ДЗ включает использования приборов, устанавливаемых на искусственных спутниках Земли и орбитальных станциях, самолетах, ракетах, воздушных шарах, а также средствами, размещенными на земле. Чаще всего носителями средств ДЗ являются спутники, самолеты и платформы наземного базирования.

Обратные задачи

Задачи ДЗ - это обратные задачи, т. е. такие, при решении которых вынуждены идти от результата к причине. К ним относятся все задачи обработки и интерпретации данных наблюдений. Теория обратных задач - самостоятельная математическая дисциплина, а ДЗ атмосферы - лишь одно из научно-технических направлений, для которых теория обратных задач является важной. В прикладном аспекте необходимо хорошо понимать, как ЭМИ взаимодействует с исследуемыми атмосферными объектами, формируя сигналы, которые используются для получения информации об атмосфере. В идеальном случае между измеренным параметром сигнала и оцениваемой характеристикой атмосферы существует взаимно однозначное соответствие. Но в реальных ситуациях всегда возникают характерные для обратных задач проблемы.

Рассмотрим простой пример, который относится к пассивному зондированию атмосферы. Предположим, что поглощающий газ в атмосфере характеризуется собственным излучением, зависящим от температуры газа. Это излучение воспринимается датчиком, расположенным на спутнике. Предположим также, что существует связь между длиной волны излучения и температурой, а температура зависит от высоты слоя атмосферы. Тогда знание взаимосвязи между интенсивностью излучения, длиной волны излучения и температурой газа дает способ оценки температуры атмосферного газа как функции длины волны и, следовательно, высоты. На самом деле ситуация намного сложнее по сравнению с описанным идеальным случаем. Излучение на заданной длине волны не исходит из одного слоя на соответствующей высоте, а распределено по толще атмосферы, поэтому нет взаимно однозначного соответствия между длиной волны и высотой, как это предполагалось для идеального случая, что вызывает размытость этой связи. Этот пример является типичным для многих обратных задач, где границы интегрирования зависят от особенностей конкретной задачи. Это уравнение известно, как интегральное уравнение Фредгольма первого рода. Оно характеризуется тем, что границы интеграла фиксированные, появляется только в подынтегральном выражении. Функция называется ядром или функцией ядра уравнения.

Разные задачи ДЗ сводятся к уравнению или к подобным уравнениям. Для решения таких задач необходимо выполнить обратное преобразование, чтобы по результатам измерений g. получить распределение. Такие обратные задачи называются некорректными, или некорректно поставленными задачами. Их решение ассоциировано с преодолением трех следующих трудностей. В принципе решение некорректной задачи может оказаться математически несуществующим, неоднозначным или неустойчивым. Отсутствие решения

С точки зрения ДЗ, опасные метеорологические явления (ОМЯ) можно рассматривать как объемно распределенные объекты, которые занимают определенные пространственные зоны в облачности или в безоблачной атмосфере (ясном небе). Физические признаки внешнего проявления ОМЯ, как правило, описываются параметрами, характеризующими интенсивность ОМЯ и которые в принципе можно измерять, например, параметры скорости ветра, напряженности электрического и магнитного полей, интенсивность осадков. Физические параметры ОМЯ рассмотрены.

Районы атмосферы, в которых параметры, характеризующие интенсивность ОМЯ, превышают некоторый заданный уровень, называются зонами ОМЯ. Процесс обнаружения ОМЯ и отнесение их зон к определенным пространственным координатам в заданное время на основании результатов ДЗ называется локализацией зон ОМЯ.

Таким образом, в процессе локализации средствами микроволнового ДЗ атмосферы обнаруживают зоны ОМЯ и определяют их местоположение в заданной системе координат. В ряде случаев можно оценить также степень интенсивности ОМЯ.

Локализация опасных для полетов зон бортовыми радиолокационными средствами - это оперативное обнаружение и определение местоположения с помощью метео-навигационных радиолокаторов (МНРЛС) и других боровых устройств, которые могут быть сопряжены с МНРЛС.

ДЗЗ:

Что такое ДЗЗ?

Дистанционное зондирование Земли(ДЗЗ) - это наблюдение и измерение энергетических и поляризационных характеристик собственного и отраженного излучения элементов суши, океана и атмосферы Земли в различных диапазонах электромагнитных волн, способствующие описанию местонахождения, характера и временной изменчивости естественных природных параметров и явлений, природных ресурсов Земли, окружающей среды, а также антропогенных объектов и образований.

При изучении земной поверхности дистанционными методами источником информации об объектах служит их излучение (собственное и отраженное) .
Излучение также делится на естественное и искусственное. Под естественным излучением понимают естественное освещение земной поверхности Солнцем либо тепловое – собственное излучение Земли. Искусственное излучение, это излучение, которое создается при облучении местности источником, расположенным на носителе регистрируемого устройства.

Излучение представляет собой электромагнитные волны разной длины, спектр которых изменяется в диапазоне от рентгеновского до радиоизлучения. Для исследований окружающей среды используют более узкую часть спектра от оптических волн до радиоволн в диапазоне длин 0,3мкм – 3 м.
Важной особенностью ДЗЗ является наличие между объектами и регистрирующими приборами промежуточной среды, влияющей на излучение: это толща атмосферы и облачность.

Атмосфера поглощает часть отраженных лучей. В атмосфере есть несколько “окон прозрачности”, которые пропускают электромагнитные волны с минимальной степенью искажений.

По этой причине, логично предположить, что все съемочные системы работают только в тех спектральных диапазонах, которые соответствуют окнам прозрачности.

Системы ДЗЗ

В настоящее время существует широкий класс систем ДЗЗ , формирующих изображение исследуемой подстилающей поверхности. В рамках данного класса аппаратуры можно выделить несколько подклассов, различающихся по спектральному диапазону используемого электромагнитного излучения и по типу приёмника регистрируемого излучения, а также по методу (активный или пассивный) зондирования:

• фотографические и фототелевизионные системы;
• сканирующие системы видимого и ИК–диапазона (телевизионные оптико-механические и оптико-электронные, сканирующие радиометры и многоспектральные сканеры);
• телевизионные оптические системы;
• радиолокационные системы бокового обзора (РЛСБО) ;
• сканирующие СВЧ–радиометры .

В то же время продолжается эксплуатация и разработка аппаратуры ДЗЗ, ориентированной на получение количественных характеристик электромагнитного излучения, пространственно-интегральных или локальных, но не формирующих изображение. В данном классе систем ДЗЗ можно выделить несколько подклассов: несканирующие радиометры и спектрорадиометры, лидары.

Разрешение данныых ДЗЗ: пространственное, радиометрическое, спектральное, временное

Этот тип классификации данных ДЗ связан с характеристиками, зависящими от типа и орбиты носителя, съемочной аппаратуры и обусловливающими масштаб, охват территории и разрешение снимков.
Существует пространственное, радиометрическое, спектральное, временное разрешение, на основе которых происходит классификация данных ДЗ.

Спектральное разрешение определяется характерными интервалами длин волн электромагнитного спектра, к которым чувствительный датчик.
Наиболее широкое применение в методах ДЗЗ из космоса находит окно прозрачности, соответствующее оптическому диапазону (он также называется световым), объединяющему видимую (380...720 нм), ближнюю инфракрасную (720...1300 нм) и среднюю инфракрасную (1300...3000 нм) области. Использование коротковолнового участка видимой области спектра затруднено вследствие значительных вариаций пропускания атмосферы на этом спектральном интервале в зависимости от параметров ее состояния. Поэтому практически при ДЗЗ из космоса в оптическом диапазоне применяют спектральный интервал длин волн, превышающих 500 нм. В дальнем инфракрасном (ИК) диапазоне (3...1000 мкм) имеются только три относительно узких окнах прозрачности: 3...5 мкм, 8...14 мкм и 30...80 мкм, из которых пока в методах ДЗЗ из космоса используют только первые два. В ультракоротковолновом диапазоне радиоволн (1мм...10м) имеется относительно широкое окно прозрачности от 2 см до 10 м. В методах ДЗЗ из космоса применяют его коротковолновую часть (до 1м), называемую сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазоном.

Характеристики спектральных диапазонов

Область спектра

Ширина области спектра
Видимая область,мкм
цветовые зоны
фиолетовая	0.39-0.45
синия	0.45-0.48
голубая	0.48-0.51
зеленая	0.51-0/55
желто-зеленая	0.55-0.575
желтая	0.575-0.585
оранжевая	0.585-0.62
красная	0.62-0.80
Область ИК излучения,мкм
ближняя	0.8-1.5
средняя	1.5-3.0
дальняя	>3.0
Радиволновая область,см
X	2.4-3.8
C	3.8-7.6
L	15-30
P	30-100

Пространственное разрешение - величина, характеризующая размер наименьших объектов, различимых на изображении.

Классификация снимков по пространственному разрешению:

• снимки очень низкого разрешения 10 000 - 100 000 м.;
• снимки низкого разрешения 300 - 1 000 м.;
• снимки среднего разрешения 50 - 200 м.;
• снимки высокого разрешения :
  1. относительно высокого 20 - 40 м.;
  2. высокого 10 - 20 м.;
  3. очень высокого 1 - 10 м.;
  4. снимки сверхвысокого разрешения меньше 0,3 - 0,9 м.

Соотношение масштаба карт с пространственным разрешением снимков.

Датчик

Размер пиксела

Возможный масштаб

Landsat 7 ETM+

15 м

1:100 000

SPOT 1-4

10 м

1:100 000

IRS-1C и IRS-1D

6 м

1:50 000

SPOT 5

5 м

1:25 000

EROS

1,8 м

1:10 000

OrbView-3 pan

4 м

1:20 000

OrbView-3

1 м

1:5 000

IKONOS pan

4 м

1:20 000

IKONOS*

1 м

1:5 000

QUICKBIRD pan

2.44 м

1:12 500

QUICKBIRD

0.61 м

1:2 000

Радиометрическая разрешающая способность определяется количеством градаций значений цвета, соответствующих переходу от яркости абсолютно «черного» к абсолютно «белому», и выражается в количестве бит на пиксел изображения. Это означает, что в случае радиометрического разрешения 6 бит на пиксел мы имеем всего 64 градации цвета (2(6) = 64); в случае 8 бит на пиксел - 256 градаций (2(8) = 256), 11 бит на пиксел - 2048 градаций (2(11) = 2048).

Временное разрешение определяется частотой получения снимков конкретной области.

Методы обработки космических снимков

Методы обработки космических снимков подразделяют на методы предварительной и тематической обработки.
Предварительная обработка космических снимков - это комплекс операций со снимками, направленный на устранение различных искажений изображения. Искажения могут быть обусловлены: несовершенством регистрирующей аппаратуры; влиянием атмосферы; помехами, связанными с передачей изображений по каналам связи; геометрическими искажениями, связанными с методом космической съёмки; условиями освещения подстилающей поверхности; процессами фотохимической обработки и аналого-цифрового преобразования изображений (при работе с материалами фотографической съёмки) и другими факторами.
Тематическая обработка космических снимков - это комплекс операций со снимками, который позволяет извлечь из них информацию, представляющую интерес с точки зрения решений различных тематических задач.

Уровни обработки спутниковых данных.

Вид обработки

Уровни обработки

Содержание операций

Предварительная обработка

Распаковка битового потока по приборам и каналам

Привязка бортового времени к наземному

Нормализация

Разделение на кадры

Радиометрическая коррекция по паспортным данным датчика

Оценка качества изображений (% сбойных пикселей)

Геометрическая коррекция по паспортным данным датчика

Географическая привязка по орбитальным данным и угловому положению КА

Географическая привязка по информации БД опорных точек (ЦКМ)

Оценка качества изображений (% облачности)

Стандартная межотраслевая обработка

Преобразование в заданную картографическую проекцию

Полная радиометрическая коррекция

Полная геометрическая коррекция

Заказная тематическая обработка

Редактирование изображений (сегментация, сшивка, повороты, связывание и др.)

Улучшение изображений (фильтрация, гистограммные операции, контрастирование и др.)

Операции спектральной обработки и синтез многоканальных изображений

Математические преобразования изображений

Синтез разновременных изображений и изображений с разным разрешением

Конвертация изображений в пространство дешифровочных признаков

Ландшафтная классификация

Выделение контуров

Пространственный анализ, формирование векторов и тематических слоев

Измерение и расчет структурных признаков (площади, периметр, длины, координаты)

Формирование тематических карт