Дистанционное зондирование Земли

 

Появившиеся в середине прошлого столетия мощные средства вычислительной техники, космические аппараты, оптические и электронные съемочные системы, а также достижения в области накопления, хранения и обработки цифровой информации привели к революционным технологическим преобразованиям в области традиционной аэро­фотосъемки.

Это нашло свое отражение в появлении и широком рас­пространении обобщающего термина remote sensing, который можно перевести как дистанционное восприятие (распознавание, считывание), или дистанционное зондирование, относя его преимущественно к космическим съемкам, обладающим, в сравнении с аэрофотосъемкой, огромными преимуществами.

Дистанционным зондированием называют получение информации о пространственном положении и свойствах объектов и явлений без непосредственного контакта с ними, путем регистрации исходящего от них электромагнитного излучения. Это излучение характеризуются интенсивностью, спектральным составом, поляризацией и иными биогеофизическими параметрами, которые, в свою очередь, зависят от свойств, состояния, пространственного размещения объекта и др.

Это позволяет не только изучать объекты косвенно (что и составляет сущность методов дистанционного зондирования), но и использовать полученные результаты в различных приложениях, тем более, что излучение, регистрируемое в различных спектральных диапазонах, содержит взаимодополняющую информацию.

Таким образом, физической основой дистанционного зондирования является прием и регистрация электромагнитных волн, содержащих наиболее полную информацию об объектах.

Регистрировать можно как собственное излучение объектов, так и отраженное ими излучение других источников, в качестве которых может быть Солнце или сама съемочная аппаратура. Во втором случае используется когерентное излучение (радары, сонары, лазеры), что позволяет регистрировать не только интенсивность отраженного сигнала, но и его поляризацию, фазу, доплеровское смещение и др. Работа как излучающей, так и регистрирующей аппаратуры не зависит от времени дня, но требует значительных затрат энергии.

Важнейшая особенность дистанционного зондирования состоит в том, что между регистрирующей аппаратурой и объектом (местностью) всегда находится слой атмосферы, которая, в общем, не является прозрачной. Поэтому съемка выполняется только в отдельных окнах прозрачности спектра электромагнитных волн соответствующих видимому (0,4–0,76 мкм), а также ближнему (0,76–3,0 мкм), среднему (3–5 мкм) и дальнему (8–14 мкм) инфракрасным диапазонам.

Результаты дистанционного зондирования представляются в виде снимков (рисунок 4.17), построенных путем регистрации яркостей объектов в том или ином спектральном диапазоне и различающихся формой представления, изобразительными, геометрическими и иными свойствами.

Изобразительные свойства характеризуют способность снимков воспроизводить мелкие детали, цвета и тоновые градации; радиометрические свойства характеризуют точность регистрации яркостей объектов; геометрические свойства снимков зависят от способа их формирования (кадровые, сканерные, панорамные и др.) и определяют возможности выполнения по ним измерительных действий.

Полученные в результате дистанционного зондирования снимки дешифрируют и подвергают фотограмметрической обработке. Задачей дешифрирования является распознавание изображенных на снимке объектов местности с учетом как дешифровочных признаков, так и специфики отображения объектов в зарегистрированном диапазоне волн. В результате дешифрирования должен быть получен ответ на вопрос «что за объект изображен на снимке и каковы его свойства».

Задачей фотограмметрической обработки является преобразование изображения в заданную проекцию одним из известных методов, что позволяет ответить на вопрос «где расположен объект, какова его форма и размеры». Технология фотограмметрических преобразований во многом определяется метрическими характеристиками изображений и формой их представлений.

Методы дистанционного зондирования базируются на использовании спутниковых систем, которые включают достаточно сложную инфра­структуру, обеспечивающую функционирование спутников на орбите, прием информации от спутников, ее первичную обработку, хранение и распространение. Первыми системами природо-ресурсного направления были системы первого поколения «Ресурс» (1970-е годы, СССР), «Landsat» (1972 г., США) и «SPOT» (1986 г., Франция).

В настоящее время на космических орбитах находятся десятки космических систем различного назначения, различающиеся точностными и иными характеристиками формируемых изображений, используемыми физическими принципами, назначением и др., которые в значительной степени определяют специфику их дальнейшей обработки.

Космический снимок, являющийся результатом дистанционного зондирования исследуемой поверхности, представляет собой изображение объекта, построенное путем его проектирования из одной или нескольких точек пространства на ту или иную поверхность по заданному закону.

Задача обработки изображений сводится к установлению связи между координатами отдельных точек в системах местности и изображения. Технология установления такой связи определяется техническими характеристиками съемочной аппаратуры, способом формирования изображения и параметрами орбиты космического аппарата.

В зависимости от физического принципа формирования изображения съемочные системы делятся на фотографические, радиолокационные, сканирующие и иные устройства различного типа.

Фотографическое изображение в большинстве случаев строится в центральной проекции и фиксируется на фотопленке, которая после экспонирования возвращается на Землю для фотохимической обработки в стационарных условиях. Для съемки используются кадровые, щелевые или панорамные фотокамеры, характеризующиеся повышенной автоматизацией, возможностью использования нескольких объективов и др.

Кадровые съемочные камеры формируют изображение одномоментно (в момент срабатывания затвора), из единого центра и по законам центрального проектирования. Принцип формирования изображения основан на проектировании точек местности через узкую щель, расположенную по ширине пленки.

Одна из конструкций щелевой камеры предполагает получение изображения через неподвижную щель при синхронном перемещении пленки и самой фотокамеры относительно неподвижного объекта. Вторая конструкция основана на применении шторно-щелевого затвора и проектировании изображение местности через подвижную щель; при этом в течение экспонирования камера и пленка остаются неподвижными, а протяжка пленки осуществляется по достижению щелью края рабочей зоны кадра.

Панорамные фотокамеры имеют различные конструкции, в одной из которых изображение формируется путем проектирования через жестко связанную с подвижным объективом щель на цилиндрическую поверхность, перпендикулярную к направлению полета.

К очевидным достоинствам фотографических съемочных систем относят высокие метрические и изобразительные свойства изображений, естественную для человека форму представления видеоинформации, возможность использования простых и хорошо отработанных способов и технических средств последующей фотограмметрической обработки материалов и т.д.

Принципиально важным недостатком фотографических систем является неоперативность, связанная с необходимостью доставки снимков на Землю.

Для получения радиолокационного снимка выполняется облучение поверхности с последующей регистрацией следующих параметров отраженных радиоволн:

– времени прохождения сигнала до объекта и обратно, определяющего наклонное расстояние от излучателя до объекта;

– интенсивности принятого сигнала, или радиояркости объектов;

– направления на объекты в системе координат локатора.

Из-за малого изменения дальностей до объектов, расположенных вблизи трассы полета, применение находят только радиолокационные системы бокового обзора, в которых сканирующие сигналы уклоняются от вертикали на 20–60°, а ближняя граница съемки устанавливается на расстоянии около 1/3 от высоты съемки.

С точки зрения использования радиолокационных снимков важны три обстоятельства, определяющие специфику их обработки:

– наличие спекл-шумов (мелкой пятнистости изображения), вызванных случайной интерференцией сигналов, отраженных от разных участков поверхности;

– масштаб снимка неоднороден: он мельче на переднем плане полосы обзора (когда угол визирования мал) и крупнее на дальнем плане, при увеличении угла.

– смещение точек снимка под влиянием рельефа местности обратно тому, что имеет место в центральной проекции.

Геометрические свойства радиолокационного изображения зависят от изменения высоты полета, угловых перемещений спутника по курсу и тангажу, рефракции, рельефа местности и др.; их влияние можно ослабить или устранить оптическими или цифровыми преобразованиями.

Преимущества радиолокационной съемки связаны с собственным излучением и регистрацией отраженного сигнала, и, следовательно, с всепогодностью и независимостью от освещенности объектов.

Важнейшей особенностью сканирующих систем является преобразование исходящего от объектов местности электромагнитного излучения в электрические сигналы. При этом регистрируется как отраженное солнечное излучение в видимой части спектра, так и собственное тепловое излучение объектов с длиной волны от единиц до десятков мкм (т.е. в диапазоне, наиболее информативном для выявления месторождений нефти, газа, термальных вод, источников загрязнения окружающей среды и др.).

Результатом сканирования является изображение, сформированное из последовательно регистрируемых строк (сканов), перпендикулярных направлению полета спутника, или составляющих эти строки оптически однородных элементов (пикселей). Каждая очередная строка формируется за счет перемещения носителя, а их совокупность создает кадр.

Важными характеристиками сканера являются угол сканирования, определяющий длину строки (ширину полосы съемки), и мгновенный угол зрения, соответствующий одному элементу строки и определяющий мгновенное поле зрения. Угол сканирования изменяется от ±2–5° у детальных сканеров и до ±50° у обзорных; мгновенный угол зрения обычно составляет несколько миллирадиан (1 миллирадиан «0,2'').

В общем случае сканирующая система состоит из сканера, датчиков и входящих в них детекторов. Датчик собирает отраженную от Земли солнечную энергию, преобразует ее в электрический сигнал и представляет его в виде кода, удобного для передачи по каналам связи. Детектор – это часть датчика, осуществляющее регистрацию электромагнитного излучения.

Одним из основных узлов съемочной системы является радиометр (фотометр, видеоспектрометр), с помощью которого измеряется интен­сивность излучения, зарегистрированного в пределах каждого пикселя. Конструкция многозонального сканера, предназначенного для получения снимков в нескольких спектральных зонах, дополняется светофильтрами или специальной системой, которая расщепляет лучистый поток на спектральные составляющие и направляет их на различные приемники. Разрабатываемые в США гиперспектральные радиометры способны осуществлять регистрацию излучений в 200 и более рабочих каналах.

В настоящее время используются два принципиально различных типа сканера: оптико-механический и оптико-электронный.

Обязательным условием получения метрически корректных сканерных снимков является использование спутниковых измерений и информации датчиков положения плоскости изображения (абсолютных углов ее наклона) в каждый момент времени не реже 100 раз в секунду; принципы работы таких датчиков не отличаются от используемых инерциальными приборами. Совместная обработка этих данных позволяет воссоздать точную траекторию движения спутника, а их синхронизация со временем получения каждой строки изображения – получить элементы ее внешнего ориентирования и воссоздать геометрически точное изображение, отнесенное к горизонтальной плоскости.