Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджектное образовательное учреждение высшего пРофессионального образования

российский государственный аграрный университет - МСха имени К.А. Тимирязева

(ФГБОУ ВПО ргау - МСХА имени К.А. Тимирязева )

Факультет почвоведения, агрохимии и экологии

Кафедра почвоведения, геологии и ландшафтоведения

РЕФЕРАТ

по «Картографии почв»

на тему «Данные дистанционного зондирования земли»

Преподаватель

Минаев Николай Викторович

Исполнитель

студент гр. 302

Триьельгорн Виолетта Владимировна

Москва, 2014

Данные дистанционного зондирования

Данные дистанционного зондирования - данные о поверхности Земли, объектах, расположенных на ней или в ее недрах, полученные в процессе съемок любыми неконтактными, т.е. дистанционными методами. По сложившейся традиции, к ДДЗ относят данные, полученные с помощью съемочной аппаратуры наземного, воздушного или космического базирования, позволяющей получать изображения в одном или нескольких участках электромагнитного спектра. Характеристики такого изображения зависят от многих природных условий и технических факторов. К природным условиям относятся сезон съемки, освещенность снимаемой поверхности, состояние атмосферы и т.д. К основным техническим факторам - тип платформы, несущей съемочную аппаратуру, тип сенсора; метод управления процессом съемки; ориентация оптической оси съемочного аппарата; метод получения изображения. Главные характеристики ДДЗ определяются числом и градациями спектральных диапазонов; геометрическими особенностями получаемого изображения (вид проекции, распределение искажений), его разрешением.

Дистанционное зондирование -- не новый метод. В течение многих десятилетий человек поднимался над Землей, чтобы наблюдать ее с большого расстояния и узнать, таким образом, еще больше о ней. Для этой цели широко использовалась аэрофотосъемка, а со временем появились новые виды съемки, использующие для дистанционного зондирования фотографические датчики.

Благодаря последним достижениям в области искусственных спутников, несущих системы датчиков слежения за Землей, стало возможным использование огромного количества фотографий и других видов информации о поверхности Земли, которые помогут в решении таких задач, как снижение острой нехватки продуктов, управление и контроль за загрязнением окружающей среды, увеличение запасов естественных ресурсов и планирование роста городов. С точки зрения этих задач спутниковые данные имеют большое значение при условии, что их большой объем быстро и экономично будет сведен к полезной информации. Современные быстродействующие цифровые ЭВМ хорошо приспособлены для решения задач сокращения данных, а слияние таких вычислительных методов с новыми системами наблюдения уже позволило получать точную текущую информацию об окружающем нас мире. Результат синтеза -- количественный метод дистанционного зондирования.

Для анализа данных дистанционного зондирования наиболее удобны географические информационные системы (ГИС), позволяющие эффективно работать с пространственно-распределенной информацией (картами, планами, аэрокосмическими изображениями, схемами в сочетании с текстом, таблицами и др.). С данными такого рода приходится иметь дело практически в любой сфере деятельности. Это может быть карта природных ресурсов, результаты экологического мониторинга территории, атлас земельного кадастра, план городских кварталов, схема движения транспорта и др. ГИС позволяет накапливать, интегрировать и анализировать информацию, оперативно находить нужные сведения и отображать их в удобной для использования форме, оценивать геометрические характеристики объектов (длину улицы, расстояние между городами).

Большую часть данных дистанционного зондирования составляют снимки, которые дают возможность получения сведений об объекте в виде изображений в цифровой (данные, передаваемые на наземную станцию по радиоканалам или фиксируемые на борту на магнитных носителях) или аналоговой (фотографии) формах. Цифровые данные представляют интегральное излучение площадки на земной поверхности, соответствующей элементу изображения - пикселу. Результаты измерения переводятся в дискретные безразмерные цифровые значения, соответствующие характеристикам отражательной способности. Записанные посредством регистрирующего устройства цифровые значения изменяются в пределах радиометрического битового диапазона, ширина которого зависит от характеристик датчика - обычно это интервал 0 - 255. На изображении эти значения соответствуют оттенкам серой шкалы: 0 представляет абсолютно черный объект, 255 - абсолютно белый объект, а промежуточные значения соответствуют различным оттенкам серого цвета. Всё многообразие объектов ландшафта Е.Л. Кринов разделил на четыре класса, каждый из которых отличается своеобразной кривой спектральной яркости (например, 1 класс - горные породы и почвы, характеризуется увеличением спектральной яркости по мере приближения к красной области спектра). Изображения, полученные сканированием. Фотографические снимки необходимо для обработки переводить в цифровую форму. Для этого используют сканеры. В большинстве случаев для обработки аэрокосмических снимков используют растровые ГИС-пакеты, зональные изображения рассматривают в них как слои информации наряду с другими слоями БД.

ДДЗ - важнейший источник оперативной и современной информации о природной среде для тематических слоёв в ГИС, для поддержания данных в актуальном состоянии.

Подробно: виды орбит искусственных спутников Земли. Параметры орбит. Для каких целей та или иная орбита ИСЗ будет давать преимущества.

Траектория движения искусственного спутника Земли называется его орбитой. Эллиптическая орбита, по которой вращается спутник (в точке S находится спутник, а в точке G-- Земля), характеризуется следующими параметрами: а = АО и b = ОС -- большая и малая полуоси эллипса; е= (1 - b2/а2)1/2 -- эксцентриситет орбиты; угол HGS -- угловая координата н радиуса-вектора (так называемая истинная аномалия); фокальный параметр р = b2/а; р = К2/ут2М, где К-- момент количества движения спутника; т -- масса спутника; М=5,976*1027 г -- масса Земли, у = 6,67-10 -14 м3/гс3 -- гравитационная постоянная. К параметрам орбиты спутника относится также период обращения Т -- время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты.

В общем случае плоскость орбиты пересекается с плоскостью экватора Земли по так называемой линии узлов. Точка В, в которой орбита пересекает плоскость экватора при движении спутника с юга на север, называется восходящим узлом орбиты, точка пересечения при движении спутника с севера на юг -- нисходящим узлом. Положение восходящего узла определяется долготой восходящего узла, т.е. углом Q, между восходящим узлом и точкой весеннего равноденствия, отсчитываемым против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса. Для линии узлов задают два угла в плоскости орбиты. Угол щ -- угловое расстояние, отсчитываемое от восходящего узла в плоскости орбиты до перигея орбиты H, т.е. ближайшей к Земле точки орбиты спутника; со называют аргументом перигея. Угол i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора, называемый наклонением орбиты, отсчитывается от плоскости экватора с восточной стороны восходящего узла орбиты, против движения часовой стрелки. По наклонению различают экваториальные (i= 0°), полярные (i=90°) и наклонные (0° < i < 90°, 90° < i < 180°) орбиты.

Спутники для дистанционного зондирования Земли запускают в основном на круговые орбиты. Такой спутник пролетает над различными участками Земли на одинаковой высоте, что обеспечивает равенство условий съемки. зондирование дистанционный спутник метеорологический

Круговую орбиту, расположенную над экватором Земли (0° широты), находясь на которой искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси, и постоянно находится над одной и той же точкой на земной поверхности, называют геостационарной орбитой (ГСО). Орбита геостационарного ИСЗ -- это круговая (эксцентриситет е = 0), экваториальная (наклонение i = 0°). Низкоорбитальные спутники (H < 1000 км) обычно выводятся на приполярные солнечно-синхронные орбиты. Эти орбиты имеют наклонение относительно экватора, близкое к 90°, обеспечивают съемку всей поверхности Земли, включая полярные области. Поворот орбиты относительно Земли синхронизован с вращением Земли относительно Солнца, так что в течение всего времени угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце постоянен. Это позволяет производить съемку приблизительно в один и тот же час местного времени в течение всего года. Наиболее удобное время для съемки -- около 12 ч местного времени.

Каждая орбита обладает своими преимуществами и недостатками. Например, полярная и наклонная орбиты имеют существенный недостаток: так как спутник движется по этим орбитам, то для того, чтобы отслеживать положение спутника антенну нужно обязательно подстраивать для получения спутникового сигнала, для этого требуется специальное оборудование, которое стоит немалых денег: их очень сложно устанавливать и обслуживать.

Спутник же двигающийся по геостационарной орбите кажется неподвижным и как будто находится постоянно в одной точке. Это очень удобно для ретрансляции сигналов, так как не нужно регулировать положение рефлекторов антенн, направляя их на уходящий спутник. Именно геостационарную орбиту используют большинство спутников коммерческого назначения, также достоинствами этой орбиты являются возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты. Экваториальная орбита (или геостационарная орбита) помимо положительных имеет и отрицательные характеристики: - невозможно передавать сигнал на приполярные районы Земли, так как угол местности очень мал; - из-за того, что несколько спутников на одной орбите могут находиться только на небольшом расстоянии друг от друга, то происходит перенасыщение геостационарной орбиты. Большая высота геостационарной орбиты также является недостатком, так как требуется много средств для вывода спутника на орбиту. Как уже было замечено ранее, спутник на геостационарной орбите неспособен обслуживать земные станции в приполярной области. Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.

Для каких целей используются различные орбиты ИСЗ? Спутниковое телевидение является новым и качественным форматом скоростной передачи данных с помощью специального оборудования, к которому подключается обычный телевизор. Вся информация, как визуальная (видео), так и аудио, синхронно передаются от передающего центра к потребителю через искусственный спутник Земли, расположенный на геостационарной орбите от станции вещания на космический спутник. Посредством него вся информация равномерно распределяется между приемниками абонентов. Для передачи сигнала используется цифровой стандарт, что позволяет многократно увеличить количество транслируемых каналов и избавится от помех. Для спутниковой ретрансляции телевизионных передач в основном используют два вида спутников: спутники, обращающиеся на вытянутых эллиптических орбитах, и спутники, размещенные на геостационарной орбите. Использование ИСЗ, расположенный на геостационарной орбите, исключает необходимость непрерывного наведения приемной антенны на спутник. Благодаря неизменному расстоянию до спутника стабилизируется уровень входного сигнала. Связь может осуществляться круглосуточно и без перерывов, необходимых для перехода с одного ИСЗ на другой(в 1965 году в СССР для этих целей использовали три спутника, движущихся по эллиптической орбите). Наконец, облегчается энергоснабжение аппаратуры, так как спутник почти постоянно освещается Солнцем. К недостаткам геостационарной орбиты относятся плохое обслуживание приполярных областей Земли и необходимость расположения космодрома на экваторе, иначе для выведения спутника на такую орбиту требуется значительное увеличение мощности ракеты-носителя. Тем не менее эти недостатки окупаются простотой и дешевизной большого числа земных станций. Но самое главное - это возможность осуществления непосредственного приема телевизионных передач телезрителями с геостационарного спутника без промежуточного наземного ретранслятора.

Множество спутников располагается на наклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика не так высока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако такой подход требует не только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземных коммутаторов. Подобный метод используется операторами Iridiumи Globalstar. С операторами персональной спутниковой связи конкурируют операторы сотовой связи.

Главным недостатком экваториальных орбит является задержка сигнала. Спутники на экваториальных орбитах оптимальны для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс (в каждом направлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системы радиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарная задержка в системах данного класса составляет около 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техника эхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае "двойного скачка" (ретрансляции через наземную станцию-шлюз) задержка становится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей.

В соответствии с высотой орбиты системы спутниковой связи делятся на:

Низкоорбитальные - (700 -- 1 500) км;

Среднеорбитальные - (5 000 -- 15 000) км;

Высокоорбитальные -- от 15 000 и выше. Низкоорбитальные ССС используются для телефонной двусторонней связи, так как при этом происходит наименьшая задержка сигнала (не проявляется эффект реверберации). Кроме того, низкоорбитальные ССС используются для оптической разведки и связи с объектами малой энергетической емкости, например, с аварийными буями.

Среднеорбитальные ССС используются, в основном, для систем радиовещания и ТВ или для двусторонней факсимильной, ТЛГ, пейджинговой связи и обмена данными. Также для телеметрических систем слежения за автомобилями, поездами с передачей от них телеметрической информации. То есть, в тех системах, где задержка сигнала не оказывает существенного влияния на качество работы каналов связи.

Высокоорбитальные ССС, чаще всего, используются для передачи телевизионных и радиовещательных программ. Кроме того, данные системы связи используются для систем односторонней ТЛГ, ФАКС, пейджинговой связи и обмена данными.

Примеры спутников, использующих различные виды орбит.

Спутник NOAA (США)

Метеорологические и природоведческие спутники NOAA имеют длину 4,18 м, диаметр 1,88 м, массу на орбите 1030 кг Круговая орбита имеет высоту 870 км, один виток спутник совершает за 102 мин. Площадь солнечных батарей спутника 11,6 м2, мощность батарей не менее 1,6 кВт, но со временем батареи деградируют из-за воздействия космических лучей и микрометеоров. Для нормальной работы спутника необходима мощность не менее 515 Вт. Спутник движется по полярной орбите.

В настоящее время на орбите функционируют несколько спутников. Сканер AVHRR спутника NOAA-14 с цилиндрическим сканированием имеет 8-дюймовую (20 см) оптическую систему Кассегрена, сканирование осуществляется путем вращения с частотой 6 об/с зеркала из бериллия. Угол сканирования ±55°, полоса обзора около 3000 км. Из-за кривизны Земли зона радиовидимости спутника составляет ±3400 км, поэтому за один проход спутника удается получить информацию с поверхности около 3000x7000 км.

На спутнике установлена аппаратура НIRS для определения температуры в тропосфере на разных высотах (вертикальные профили атмосферы) в полосе обзора 2240 км. Для этого HIRS содержит автоматический сканирующий спектрофотометр ИК-диапазона, использующий свойство углекислого газа изменять положение и ширину линии поглощения на длинах волн порядка 14--15 мкм в зависимости от давления. Этот же прибор позволяет оценивать общее содержание озона ОСО в столбе атмосферы по поглощению теплового излучения от поверхности Земли и атмосферы на длине полны 9,59 мкм. И вертикальные профили, и ОСО вычисляются на приемном конце путем решения обратных задач.

Кроме указанной аппаратуры на спутник установлены: прибор SSU для исследования стратосферы; микроволновый прибор MSU для измерения температурных профилей стратосферы; аппаратура поиска и спасения по международной программе Kocnac/SARSAT; система ARGOS для сбора метеорологической и океанографической информации с автоматических метеостанций, морских буев и воздушных шаров; некоторые другие приборы. ARGOS позволяет следить за миграцией крупных животных и птиц, если к их телу прикреплены специальные малогабаритные передатчики.

В настоящее время в эксплуатации находятся спутники серии «Тирос-N» и «NOAA», которые являются ядром системы глобального сбора метеорологических данных со спутников. Они удовлетворяют потребности США, став надежной орбитальной системой, своевременно и регулярно передающей обзорную информацию.

Спутник «Pecypc-O1» (Россия)

Высота орбиты 650 км, период обращения 97,4 мин, угол наклонения орбиты 97°,97. Сканер МСУ-СК с конической разверткой имеетскоростьсканирования 12,5 дуг/с; разрешение 150x250 м; полоса обзора 600 км; спектральные каналы: 0,5-0,6 мкм (зеленый участок спектра), 0,6-0,7 мкм (красный участок), 0,7-0,8 мкм (красный и ближний ИК), 0,8-1,1 мкм (ближний ИК), 10,5-12,5 мкм (тепловой, в этом канале разрешение 500 м). Сигнал каждого канала квантуется на 256 уровней. Масса сканера 55 кг. Движется по геоцентрической орбите.

На спутнике «Ресурс-01» установлены также два сканера МСУ-Э с линейной разверткой, содержащие по 3 линейки на ПЗС по 1000 пикселов (по одной на каждый из 3 спектральных каналов). Разрешение 35x45 м, скорость сканирования 200 строк/с; полоса обзора каждого сканера 45 км; если включены оба сканера, то полоса обзора составляет 80 км, так как полосы обзора перекрываются. Над одной и той же точкой поверхности спутник пролетает один раз в 14 дней. Чтобы повысить регулярность приема, предусмотрено отклонение оси сканера на ±30° от надира в направлении, перпендикулярном направлению снижения спутника. Это позволяет смешать полосу обзора на ±400 км. Спектральные каналы сканера: 0,5-0,59; 0,61-0,69; 0,7-0,89 мкм. Масса прибора 23 кг. Результаты измерений передаются по радиоканалу на частоте около 8 ГГц со скоростью 7,68 Мбит/с, мощность бортового передатчика 10 Вт.

Используется для метеорологических целей, а также для обнаружения лесных пожаров.

Спутник LANDSAT-5 (США)

Высота орбиты 705 км, наклонение орбиты 98,2°, период обращения 98 мин. Нал одной и той же точкой поверхности пролетает один раз в 16дней приблизительно в9ч45 мин местного времени. Установлены 2 сканера с цилиндрической разверткой.

LandSat 7 -- последний из спутников дистанционного зондирования Земли, запущенный в 1999 году в рамках программы Landsat. Спутник находится на полярной орбите, и пролетает над всей поверхностью планеты.

Спутник SPOT-З (Франция)

Орбита почти круговая высотой 820 км с наклонением 98,7°, период обращения 101 мин. На спутнике установлены два сканера HVR с линейной разверткой, фотоприемниками служат 1728-элементные ПЗС-линейки, ориентированные перпендикулярно движению спутника, цветоделение осуществляется с помощью призм. Он находится на околополярной геостационарной орбите.

Долгосрочной целью этого проекта является инвентаризация невозобновляемых и медленно возобновляемых ресурсов, таких, как минералы и ископаемые топлива, водные запасы, наблюдение за состоянием сельского хозяйства и атмосферы. Программа ориентирована на возможность опознавать, прогнозировать и в ряде случаев контролировать некоторые процессы, относящиеся к океанографии, климатологии, эрозии почвы и загрязнению воды, а также следить за потенциально опасными природными явлениями, такими, как наводнения, засуха, штормы, землетрясения и извержения вулканов.

Спутник ERS (Европейское космическое агентство)

Высота орбиты 798x782 км с наклонением 98,54° и периодом обращения 100,67 мин. В состав бортовой аппаратуры включена радиолокационная станция микроволнового зондирования AMI (Active Microwave Instrument), которая обеспечивает три режима работы.

Хотя первоначально спутник ERS-1 был разработан для наблюдений за океаном и льдами, он очень быстро доказал свою многосторонность и по отношению к суше. В сельском и лесном хозяйстве, в рыболовстве, геологии и картографии специалисты работают с данными, представляемыми спутником. Поскольку ERS-1 после трех лет выполнения своей миссии он все еще работоспособен, ученые имеют шанс эксплуатировать его вместе с ERS-2 для общих заданий, как тандем. И они собираются получать новые сведения о топографии земной поверхности и оказывать помощь, например, в предупреждении о возможных землетрясениях.

Спутник «Океан-О» (Россия--Украина)

Высота орбиты 667 км, период обращения 97,98 мин, угол наклонения орбиты 98,03°. На спутнике установлены две некогерентные РЛС ВО, антенны которых направлены соответственно влево и вправо от направления движения спутника. Полоса обзора каждой РЛС 455 км, угол падения излучаемых электромагнитных волн на подстилающую поверхность 20,48°. Пространственное разрешение в среднем 1,3 км поперек направления движения спутника и 2,5 км вдоль него.

Метеорологические спутники

Ведут непрерывную трансляцию цифровых снимков очень низкого разрешения (несколько километров) всего полушария. Это геостационарные спутники Meteosat (Европейское космическое агенство), GMS (Япония), GOES (США), INSAT (Индия).

Большинство спутников дистанционного зондирования в настоящее время летает по полярным орбитам. Это означает, что спутник летит к северу на одной стороне Земли, пролетает вблизи полюса, а затем летит к югу на второй половине орбиты. Полярные орбиты существенно ниже чем геостационарные. Приборы размещаемые на полярноорбитальных носителях обеспечивают лучшее пространственное разрешение и позволяют получать высококачественные данные дистанционного зондирования.

Полярные орбиты в основном применяются для запуска на них спутников военного (разведывательные) и гражданского (научного, сельскохозяйственного) назначений, потому что космические аппараты на таких орбитах выполняют работы по дистанционному зондированию Земли и предназначены для получения информации о планете и припланетном атмосферном слое. Такие спутники при дистанционном зондировании из космоса используются для изучения и контроля природных ресурсов Земли, исследования динамики природных процессов и явлений, сбора информации о состоянии территорий на поверхности планеты и прочих задач.

Список использованной литературы

1. Баранов Ю.Б., Берлянт A.M., Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Серали-нас Б.Б., Филиппов Ю.А. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. - М.: ГИС-Ассоциация, 1999. -204 с.

2. Дейвис Ш.М., Ландгребе Д.А., Филлипс Т. Л. и др. Дистанционное зондирование: количественный подход. Под ред. Ф. Свейна и Ш. Дейвис. Пер. с англ. М., Недра, 1983, с. 415. --Пер. нзд. США, 1978, 396 с.

3. Кашкин В.Б., Сухинин А.И.Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений: Учебное пособие. - М.: Логос, 2001.-264 с.

4. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов I Под ред. Г С. Кондратенкова. -- М.: «Радиотехника», 2005. -- 368 с.

5. http://www.prosputnik.ru/ - http://www.radiomaster.net/

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Особенности дешифрования данных дистанционного зондирования для целей структурно-геоморфологического анализа. Генетические типы зон нефтегазонакопления и их дешифрирование. Схема структурно-геоморфологического дешифрирования Иловлинского месторождения.

реферат , добавлен 24.04.2012


Мониторинг объектов населенных пунктов: сущность и задачи, информационное обеспечение. Современные системы дистанционного зондирования: авиационные, космические, наземные. Применение аэро- и космических съемок при мониторинге объектов населенного пункта.

дипломная работа , добавлен 15.02.2017


Преимущества методов дистанционного зондирования Земли из космоса. Виды съемок, методы обработки снимков. Виды эрозионных процессов и их проявление на космических изображениях. Мониторинг процессов фильтрации и подтопления от промышленных отстойников.

курсовая работа , добавлен 07.05.2015


Методы изучения океанов и морей из космоса. Необходимость дистанционного зондирования: спутники и датчики. Характеристики океана, исследуемые из космоса: температура и соленость; морские течения; рельеф дна; биопродуктивность. Архивы спутниковых данных.

курсовая работа , добавлен 06.06.2014


Проведение исследований гидрографических объектов. Требования к аппаратуре дистанционного зондирования Земли при проведении геоэкологических исследований нефтегазового комплекса. Характеристика съемочной аппаратуры, установленной на космических аппаратах.

курсовая работа , добавлен 15.03.2016


Дешифровочные признаки основных геологических и геоморфологических элементов. Прямые дешифровочные признаки. Контрастно-аналоговый метод по сопоставлению с эталонными снимками и показателями и сопоставлению и сравнению объектов в пределах одного снимка.

реферат , добавлен 23.12.2013


Прикладные задачи, решаемые с помощью методов и средств дистанционного зондирования. Расчет параметров съемки в целях землеустройства и земельного кадастра. Основные требования к точности результатов дешифрирования при создании базовых карт земель.

контрольная работа , добавлен 21.08.2015


Особенности применения космического мониторинга для оценки стихийных природных явлений. Получение материалов дистанционного зондирования. Мониторинг для оценки паводковой ситуации, землетрясений, пожаров, изменений площади зеркала воды Аральского моря.

курсовая работа , добавлен 22.01.2014


Характеристика оболочек Земли. Тектоника литосферных плит и формирование крупных форм рельефа. Горизонтальное строение литосферы. Типы земной коры. Движение вещества мантии по мантийным каналам в недрах Земли. Направление и перемещение литосферных плит.

презентация , добавлен 12.01.2011


Внутреннее строение Земли. Понятие мантии как геосферы Земли, которая окружает ядро. Химический состав Земли. Слой пониженной вязкости в верхней мантии Земли (астеносфера), его роль и значение. Магнитное поле Земли. Особенности атмосферы и гидросферы.

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.

©2015-2017 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.

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.

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

Утверждено Ученым Советом геологического факультета 4 июля 2012 г., протокол № 12

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.

Началокосмическойэры– это4 октября1957 года, когдавСССР

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-

ными целями (Космос-122) в СССР был выведен на орбиту 25 июня

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 Титоввпервые 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-

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) - получение информации о поверхности Земли и объектах на ней, атмосфере, океане, верхнем слое земной коры бесконтактными методами, при которых регистрирующий прибор удален от объекта исследований на значительное расстояние. Общей физической основой дистанционного зондирования является функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта и его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением.

В современном облике дистанционного зондирования выделяются два взаимосвязанных направления - естественно-научное (дистанционные исследования) и инженерно-техническое (дистанционные методы), что нашло отражение в широко распространенных англоязычных терминах remote sensing и remote sensing techniques. Понимание сущности дистанционного зондирования неоднозначно. Аэрокосмическая школа Московского университета им. М.В.Ломоносова в качестве предмета дистанционного зондирования как научной дисциплины рассматривает пространственно-временные свойства и отношения природных и социально-экономических объектов, проявляющиеся прямо или косвенно в собственном или отраженном излучении, дистанционно регистрируемом из космоса или с воздуха в виде двумерного изображения - снимка. Эта существенная часть дистанционного зондирования названа аэрокосмическим зондированием (АКЗ) , что подчеркивает его преемственность с традиционными аэрометодами. Метод аэрокосмического зондирования основан на использовании снимков, которые, как свидетельствует практика, представляют наибольшие возможности для комплексного изучения земной поверхности.

Во всех странах действенным стимулом развития аэрокосмического зондирования служат запросы военных ведомств. С внедрением космических методов и современных цифровых технологий аэрокосмическое зондирование приобретает все более важное экономическое значение и становится обязательным элементом высшего образования в природоведческих вузах, превращается в мощное средство изучения Земли от локальных исследований отдельных компонентов до глобального изучения планеты в целом. Поэтому при изложении различных аспектов аэрокосмического зондирования целесообразно рассматривать его как метод исследований, результативно применяемый во всех науках о Земле, и, прежде всего в географии.

История и современное состояние аэрокосмического зондирования

Дистанционные методы применяются в исследованиях Земли очень давно. Вначале использовались рисованные снимки , которые фиксировали пространственное расположение изучаемых объектов. С изобретением фотографии возникла наземная фототеодолитная съемка, при которой по перспективным фотоснимкам составляли карты горных районов. Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством исследований — аэрометодами.

История развития аэрокосмических методов свидетельствует о том, что новые достижения науки и техники сразу же используются для совершенствования технологий получения снимков. Так произошло в середине XX в., когда такие новшества, как компьютеры, космические аппараты, радиоэлектронные съемочные системы, совершили революционные преобразования в традиционных аэрофотометодах - зародилось аэрокосмическое зондирование. Космические снимки предоставили геоинформацию для решения проблем регионального и глобального уровней.

В настоящее время отчетливо проявляются следующие тенденции поступательного развития аэрокосмического зондирования.

• Космические снимки, оперативно размещаемые в Интернете, становятся наиболее востребованной видеоинформацией о местности как для специалистов-профессионалов, так и для широких слоев населения.
• Разрешение и метрические свойства космических снимков открытого доступа быстро повышаются. Получают распространение орбитальные снимки сверхвысокого разрешения - метрового и даже дециметрового, которые успешно конкурируют с аэроснимками.
• Аналоговые фотографические снимки и традиционные технологии их обработки утрачивают свое прежнее монопольное значение. Основным обрабатывающим прибором стал компьютер, оснащенный специализированным программным обеспечением и периферией.
• Развитие всепогодной радиолокации превращает ее в прогрессивный метод получения метрически точной пространственной геоинформации, который начинает эффективно комплексироваться с оптическими технологиями аэрокосмического зондирования.
• Быстро формируется рынок разнообразной продукции аэрокосмического зондирования Земли. Неуклонно увеличивается число коммерческих космических аппаратов, функционирующих на орбитах, особенно зарубежных. Наибольшее применение находят снимки, получаемые ресурсными спутниковыми системами Landsat (США), SPOT (Франция), IRS (Индия), картографическими спутниками ALOS (Япония), Cartosat (Индия), спутниками сверхвысокого разрешения Ikonos, QiuckBird, GeoEye (США), в том числе радиолокационными TerraSAR-X и TanDEM-X (Германия), выполняющими тандемную интерферометрическую съемку. Успешно эксплуатируется система спутников космического мониторинга RapidEye (Германия).

Принципиальная технологическая схема дистанционных исследований Земли

Рис. 1

На рис.1 в обобщенном виде представлена принципиальная схема выполнения аэрокосмических исследований. Она включает основные технологические этапы: получение снимка объекта исследования и дальнейшую работу со снимками - их дешифрирование и фотограмметрическую обработку, а также конечную цель исследований - составленную по снимкам карту, геоинформационную систему, разработанный прогноз. Поскольку получить необходимые характеристики изучаемого объекта только по снимкам без каких-либо натурных определений, без обращения к «земной правде» в большинстве случаев невозможно, необходимо их эталонирование. Важным элементом исследований по снимкам является также оценка достоверности и точности полученных результатов. Для этого приходится привлекать другую информацию и обрабатывать ее иными методами, что требует дополнительных затрат.

Снимок - основное понятие аэрокосмического зондирования

Аэрокосмические снимки — основной результат аэрокосмических съемок, для выполнения которых используют разнообразные авиационные и космические носители (рис. 2). Аэрокосмические съемки делят на пассивные , которые предусматривают регистрацию отраженного солнечного или собственного излучения Земли, и активные , при которых выполняют регистрацию отраженного искусственного излучения.

Рис. 2

Аэрокосмический снимок — это двумерное изображение реальных объектов, которое получено по определенным геометрическим и радиометрическим (фотометрическим) законам путем дистанционной регистрации яркости объектов и предназначено для исследования видимых и скрытых объектов, явлений и процессов окружающего мира, а также для определения их пространственного положения.

Диапазон масштабов современных аэрокосмических снимков огромен: он может меняться от 1:1000 до 1:100 000 000, т. е. в сто тысяч раз. При этом наиболее распространенные масштабы аэрофотоснимков лежат в пределах 1:10 000—1:50 000, а космических — 1:200 000—1:10 000 000. Все аэрокосмические снимки принято делить на аналоговые (обычно фотографические) и цифровые (электронные). Изображение цифровых снимков образовано из отдельных одинаковых элементов — пикселов (от англ. picture element — рixel ); яркость каждого пиксела характеризуется одним числом.

Аэрокосмические снимки как информационные модели местности характеризуются рядом свойств, среди которых выделяют изобразительные, радиометрические (фотометрические) и геометрические. Изобразительные свойства характеризуют способность снимков воспроизводить мелкие детали, цвета и тоновые градации объектов, радиометрические свидетельствуют о точности количественной регистрации снимком яркостей объектов, геометрические характеризуют возможность определения по снимкам размеров, длин и площадей объектов и их взаимного положения.

Важными показателями снимка служат охват и пространственное разрешение . Обычно для исследований требуются снимки большого охвата и высокого разрешения. Однако удовлетворить эти противоречивые требования в одном снимке не удается. Обычно чем больше охват получаемых снимков, тем ниже их разрешение. Поэтому приходится идти на компромиссные решения либо выполнять одновременно съемку несколькими системами с различными параметрами.

Технологии получения и основные типы аэрокосмических снимков

Аэрокосмическую съемку ведут в окнах прозрачности атмосферы (рис.3), используя излучение в разных спектральных диапазонах - световом (видимом, ближнем и среднем инфракрасном), тепловом инфракрасном и радиодиапазоне.

Рис. 3

В каждом из них применяют разные технологии получения изображения и в зависимости от этого выделяются несколько типов снимков (рис.4).

Рис.4

Снимки в световом диапазоне делятся на фотографические и сканерные, которые в свою очередь подразделяются на полученные оптико-механическим сканированием (ОМ-сканерные) и оптико-электронным с использованием линейных приемников излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-сканерные). На таких снимках отображаются оптические характеристики объектов - их яркость, спектральная яркость. Применяя многозональный принцип съемки, получают в этом диапазоне многозональные снимки , а при большом числе съемочных зон - гиперспектральные , использование которых основано на спектральной отражательной способности объектов съемки, их спектральной яркости .

Проводя съемку с использованием приемников теплового излучения - тепловую съемку , - получают тепловые инфракрасные снимки. Съемку в радиодиапазоне ведут, применяя как пассивные, так и активные методы, и в зависимости от этого снимки делятся на микроволновые радиометрические, получаемые при регистрации собственного излучения исследуемых объектов, и радиолокационные снимки, получаемые при регистрации отраженного радиоизлучения, посылаемого с носителя - радиолокационной съемке .

Методы получения информации по снимкам: дешифрирование и фотограмметрические измерения

Необходимая для исследований информация (предметно-содержательная и геометрическая) извлекается из снимков двумя основными методами, это дешифрирование и фотограмметрические измерения

Дешифрирование, которое должно дать ответ на основной вопрос - что изображено на снимке, позволяет получать предметную, тематическую (в основном качественную) информацию об изучаемом объекте или процессе, его связях с окружающими объектами. В визуальном дешифрировании обычно выделяют чтение снимков и их интерпретацию (толкование). Умение читать снимки базируется на знании дешифровочных признаков объектов и изобразительных свойств снимков. Глубина же интерпретационного дешифрирования существенно зависит от уровня подготовки исполнителя. Чем лучше знает дешифровщик предмет своего исследования, тем полнее и достовернее информация, извлекаемая из снимка.

Фотограмметрическая обработка (измерения) призвана дать ответ на вопрос - где находится изучаемый объект и каковы его геометрические характеристики : размер, форма. Для этого выполняется трансформирование снимков, их изображение приводится в определенную картографическую проекцию. Это позволяет определять по снимкам положение объектов и их изменение во времени.

Современные компьютерные технологии получения информации по снимкам позволяют решать следующие группы задач:

• визуализация цифровых снимков;
• геометрические и яркостные преобразования снимков, включая их коррекцию;
• конструирование новых производных изображений по первичным снимкам;
• определение количественных характеристик объектов;
• компьютерное дешифрирование снимков (классификация).

Для выполнения компьютерного дешифрирования применяют наиболее распространенный подход, основанный на спектральных признаках, в качестве которых служит набор спектральных яркостей, зарегистрированных многозональным снимком. Формальная задача компьютерного дешифрирования снимков сводится к классификации — последовательной «сортировке» всех пикселов цифрового снимка на несколько групп. Для этого предложены алгоритмы классификации двух видов — с обучением и без обучения, или кластеризации (от англ. cluster — скопление, группа). При классификации с обучением пикселы многозонального снимка группируются на основе сравнения их яркостей в каждой спектральной зоне с эталонными значениями. При кластеризации же все пикселы разделяют на группы-кластеры по какому-либо формальному признаку, не прибегая к обучающим данным. Затем кластеры, полученные в результате автоматической группировки пикселов, дешифровщик относит к тем или иным объектам. Достоверность компьютерного дешифрирования формально характеризуется отношением числа правильно классифицируемых пикселов к их общему числу.

Вычислительные алгоритмы, основанные на спектральных признаках отдельных пикселов, обеспечивают надежное решение только самых простых классификационных задач; они рационально включаются в качестве элементов в сложный процесс визуального дешифрирования, которое пока остается основным методом извлечения природной и социально-экономической информации из аэрокосмических снимков.

Применение аэрокосмического зондирования в картографировании и исследованиях Земли

Аэрокосмические снимки применяются во всех направлениях изучения Земли, но интенсивность их использования и результативность применения в разных областях исследований различны. Они чрезвычайно важны в исследованиях литосферы, показывая раздробленность геологического фундамента линейными разломами и кольцевыми структурами и облегчая поиски месторождений полезных ископаемых; в исследованиях атмосферы, где снимки дали основу метеорологических прогнозов; благодаря снимкам из космоса открыта вихревая структура океана, зафиксировано состояние растительного покрова Земли на рубеже веков и его изменения в последние десятилетия. Пока космические снимки значительно меньше применяются при социально-экономических исследованиях. Различаются и типы задач, решаемых по снимкам в разных предметных областях. Так, решение инвентаризационных задач реализуется при изучении природных ресурсов, например при картографировании почв, растительности, поскольку снимки наиболее полно отображают сложную пространственную структуру почвенно-растительного покрова. Оценочные задачи, оперативная оценка состояния экосистем выполняются в рамках исследований биопродуктивности океанов, ледового покрова морей, контроля за пожароопасной ситуацией в лесах. Прогностические задачи, использование снимков для моделирования и прогнозирования наиболее развито в метеорологии, где их анализ является основой прогнозов погоды, в гидрологии — для прогноза талого стока рек, паводков и наводнений. Начинаются исследования по прогнозированию сейсмической активности, землетрясений на основе анализа состояния литосферы и верхней атмосферы.

При работе со снимками используются все виды их обработки, но наиболее широко развито дешифрирование снимков, прежде всего визуальное, которое теперь подкрепляется возможностями компьютерных улучшающих преобразований и классификации изучаемых объектов по снимкам. Большое развитие получило создание по снимкам различных производных изображений на основе спектральных индексов. С выполнением гиперспектральной съемки стали создаваться десятки видов таких индексных изображений. Разработка методов интерферометрической обработки материалов радиолокационной съемк и открыла возможность высокоточных определений смещений земной поверхности. Переход к цифровым методам съемки, развитие цифровой стереоскопической съемки и создание цифровых фотограмметрических систем расширили возможности фотограмметрической обработки космических снимков, используемой главным образом для создания и обновления топографических карт.

Хотя одно из основных достоинств космических снимков заключается в совместном отображении всех компонентов земной оболочки, обеспечивающем комплексность исследований, тем не менее применение снимков в различных областях изучения Земли шло пока разрозненно, так как везде требовалась углубленная разработка собственных методик. Идея комплексных исследований наиболее полно реализована при выполнении в нашей стране программы комплексной картографической инвентаризации природных ресурсов, когда по снимкам создавались серии взаимоувязанных и взаимосогласованных карт. Осознание на рубеже веков экологических проблем, нависших над человечеством, и парадигма изучения Земли как системы вновь активизировали комплексные межотраслевые исследования.

Анализ применения снимков в разных направлениях исследований четко показывает, что при всем многообразии решаемых задач магистральный путь практического использования аэрокосмических снимков лежит через карту, которая имеет самостоятельное значение и, кроме того, служит базовой основой ГИС.

Рекомендуемая литература

1. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В . Аэрокосмические методы географических исследований - М.:Изд.Центр Академия. 2004. 336 с.

3. Краснопевцев Б.В. Фотограмметрия. - М.:МИИГАиК, 2008. - 160 с.

2. Лабутина И.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков. - М.:Аспект Пресс. 2004. -184 с.

4. Смирнов Л.Е. Аэрокосмические методы географических исследований. - СПб.:Изд-во С-Петербургского ун-та, 2005. - 348 с.

5. Рис. Г.У. Основы дистанционного зондирования. -М.: Техносфера, 2006, 336 с.

6. Jensen J.R. Remote sensing of the environment: an Earth resource perspective. — Prentice Hall, 2000. — 544 p.

Атласы аэрокосмических снимков:

8. Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков. Методика и результаты. — М.: Наука; Берлин: Академи-Ферлаг. — Т. 1. — 1982. — 84 с.;

9. Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков. Система «Фрагмент». Методика и результаты. — М.: Наука; Берлин: Академи-Ферлаг. Т. 2. — 1988. — 124 с.

10. Космические методы геоэкологии. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. — 104 с.

---