Физические основы дистанционного зондирования реферат

Обновлено: 04.07.2024

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

С тех пор количество дистанционных наблюдений растет лавинообразно; появились разнообразные фотографические и нефотографические системы, в том числе многозональные фотокамеры, телевизионные камеры со специальной передающей электронно-лучевой трубкой, инфракрасные сканирующие радиометры, микроволновые радиометры для радиотепловой съемки, различные радары для активного зондирования. Значительно возросло и количество космических летательных аппаратов – искусственные спутники, орбитальные станции и пилотируемые корабли.

Где и как используются космические снимки Земли, а также какими они бывают я и хочу рассказать в данной работе.

2.Что такое дистанционное зондирование Земли?

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) является методом получения информации об объекте или явлении без непосредственного физического контакта с данным объектом [1]. Дистанционное зондирование является подразделом географии . В современном понимании, термин в основном относится к технологиям воздушного или космического зондирования местности с целью обнаружения, классификации и анализа объектов земной поверхности, а также атмосферы и океана, при помощи распространяемых сигналов (например, электромагнитной радиации). Разделяют на активное (сигнал сначала излучается самолетом или космическим спутником) и пассивное дистанционное зондирование (регистрируется только сигнал других источников, например, солнечный свет).

Пассивные сенсоры дистанционного зондирования регистрируют сигнал, излучаемый или отраженный объектом либо прилегающей территорией. Отраженный солнечный свет – наиболее часто используемый источник излучения, регистрируемый пассивными сенсорами. Примерами пассивного дистанционного зондирования являются цифровая и пленочная фотография, применение инфракрасных, приборов с зарядовой связью и радиометров .

Активные приборы, в свою очередь, излучают сигнал с целью сканирования объекта и пространства, после чего сенсор имеет возможность обнаружить и измерить излучение, отраженное или образованное путём обратного рассеивания с целью зондирования. Примерами активных сенсоров дистанционного зондирования являются радар и лидар , которыми измеряется задержка во времени между излучением и регистрацией возвращенного сигнала, таким образом определяя размещение, скорость и направление движения объекта.

Дистанционное зондирование предоставляет возможность получать данные об опасных, труднодоступных и быстродвижущихся объектах, а также позволяет проводить наблюдения на обширных участках местности. Примерами применения дистанционного зондирования может быть мониторинг вырубки лесов (например, в бассейне Амазонки ), состояния ледников в Арктике и Антарктике , измерение глубины океана с помощью лота. Дистанционное зондирование также приходит на замену дорогостоящим и сравнительно медленным методам сбора информации с поверхности Земли, одновременно гарантируя невмешательство человека в природные процессы на наблюдаемых территориях или объектах. При помощи орбитальных космических аппаратов ученые имеют возможность собирать и передавать данные в различных диапазонах электромагнитного спектра, которые, в сочетании с более масштабными воздушными и наземными измерениями и анализом, обеспечивают необходимый спектр данных для мониторинга актуальных явлений и тенденций, таких как Эль-Ниньо и другие природные феномены, как в кратко-, так и в долгосрочной перспективе. Дистанционное зондирование также имеет прикладное значение в сфере геонаук, сельском хозяйстве, национальной безопасности [1].

3.Орбитальная группировка России по ДДЗ

Сегодня в России создана Единая территориально-распределительная информационная система дистанционного зондирования Земли (ЕТРИС ДЗЗ). Она уже прошла государственные испытания [2] .

Космические аппараты (КА) этой серии предназначены для многозонального дистанционного зондирования земной поверхности с целью получения в масштабе времени, близком к реальному, высокоинформативных изображений в видимом диапазоне спектра (рис. 2).

исследование природных ресурсов;

контроль загрязнения и деградации окружающей среды;

информационное обеспечение для поиска месторождений полезных ископаемых;

ценка состояния ледовой обстановки;

контроль состояния социально-экономической инфраструктуры;

информационное обеспечение для проведения инженерных изысканий;

создание и обновление кадастровых планов, топографических и навигационных карт;

определение вида и состояния растительности, состав пленки загрязнений на поверхности воды, идентификация минералов, почв;

обнаружение незаконных посевов наркосодержащих растений и контроль их уничтожения.

Данный спутник позволяет проводить мониторинг техногенных и природных чрезвычайных ситуаций (рис 4).

обнаружение очагов лесных пожаров, крупных выбросов загрязняющих веществ в природную среду;

регистрация аномальных явлений для исследования возможности прогнозирования землетрясений;

мониторинг сельскохозяйственной деятельности, водных и прибрежных ресурсов;

высокооперативное наблюдение заданных районов земной поверхности.

На рисунке 5 показан снимок столицы Кубы Гаваны, полученный со спутника.

Данный комплекс предназначен для оперативного получения глобальной гидрометеорологической информации в целях прогноза погоды, контроля озонового слоя и радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве, а также для мониторинга морской поверхности, включая ледовую обстановку, с целью обеспечения судоходства в полярных районах (рис. 6).

глобальное наблюдение атмосферы и поверхности Земли;

мониторинг состояния окружающей среды;

мониторинг чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера;

решения задач сельского и лесного хозяйства;

Спутники данной серии предназначены для получения изображений облачности и подстилающей поверхности Земли (рис. 8).

получение данных о гелиогеофизической обстановке на высоте орбиты КА для решения задач гелиогеофизического обеспечения;

выполнение телекоммуникационных функций по распространению, обмену гидрометеорологическими и гелиогеофизическими данными и ретрансляции информации с платформ сбора данных;

сбор и ретрансляция гидрометеорологической и служебной информации.

4.Развитие картографии с использованием ДЗЗ

Особенно широкое применение снимки из космоса нашли в картографии [3]. И это понятно, потому что космический фотоснимок точно и с достаточной подробностью запечатлевает поверхность Земли, и специалисты могут легко перенести изображение на карту.

Внедрение в технологический процесс создания карт данных ДЗЗ позволило ускорить процесс картографирования практически всех направлений (топографического, тематическое) и повысить качество картографической продукции.

До последнего времени мелкомасштабные физические карты мира, континентов, отдельных государства или крупных регионов создавались путем сведения и преобразования материалов топографических карт крупных и средних масштабов, основанных на данных аэросъемочных и наземных топографо-геодезических работ. Благодаря региональным и глобальным космическим снимкам автоматически удалось получить новые объективные физические карты и сопоставить эти реальные изображения лика планеты со старыми сводными. Оказалось, что они не схожи: на прежних отсутствуют следы движения ледников, границы ландшафтных зон, ряд вулканов, русла древних рек и высохшие озера.

К числу важнейших задач картографии, решаемых с помощью данных ДЗЗ, можно отнести:

создание и обновление топографических карт всего масштабного ряда;

обновление кадастровых планов;

создание тематических карт, как природно-ресурсных, так и социально-экономических.

Составление картосхемы

Чтение космических снимков, основано на опознавательных (дешифровочных) признаках. Основными из них служат форма объектов, их размеры и тон. Реки, озера и другие водоемы изображаются на снимках темными тонами (черным цветом) с четким выделением береговых линий. Для лесной растительности характерны менее темные тона мелкозернистой структуры. Подробности горного рельефа хорошо выделяются резкими контрастными тонами, которые получаются на фотографии в результате различной освещенности противоположных склонов. Населенные пункты и дороги также можно опознать по своим дешифровочным признакам, но только под большим увеличением.

Использование космических снимков в картографических целях начинают с определения их масштаба и привязки к карте. Эту работу обычно выполняют по карте более мелкого масштаба, чем масштаб снимка, так как на нее приходится наносить границы не одного, а целого ряда снимков.

Сличая снимок с картой, можно узнать, что и как изображено на снимке, как это показано на карте и какие дополнительные сведения о местности дает фотоизображение земной поверхности из космоса. И даже в том случае, если карта будет того же масштаба, что и фотоснимок, все равно по снимку можно получить более обширную и главное – свежую информацию о местности по сравнению с картой.

Составление карт по космическим снимкам выполняют так же как и по аэрофотоснимкам. В зависимости от точности и назначения карт применяют различные методы их составления с использованием соответствующих фотограмметрических приборов. Наиболее легко изготовить карту в масштабе снимка. Именно такие карты и помещают обычно рядом со снимками в альбомах и книгах. Для их составления достаточно скопировать на кальку со снимка изображения местных предметов, а затем с кальки перенести их на бумагу.

Такие картографические чертежи называют картосхемами. Они отображают только контуры местности (без рельефа), имеют произвольный масштаб и не привязаны к картографической сетке. На рисунке 10 изображена картосхема функциональных зон г. Перми.

Фотокарты

Наглядно, выразительное отображение местности на снимках вызывает естественное стремление использовать аэрокосмическое изображение в дополнение к карте, а иногда и вместо нее. Это привело к созданию нового вида картографической продукции – фотокарт [4] .

Фотокарты начали создавать в 1950-х годах, используя материалы аэросъемки. Тогда их изготовливали только в сравнительно крупных масштабах, до
1:50000. Построить высококачественные фотокарты более мелких масштабов не удавалось, так как мозаичное фотоизображение, смонтированное из многих снимков, было неоднородным, пестрым. Появление космических снимков, с большим пространственным охватом, получаемых в широком диапазоне масштабов и разрешения, вызвало к жизни быстрое развитие этого нового вида картографических произведений, весьма разнообразных по содержанию и форме. Высококачественные фотокарты начали составлять в масштабах 1:100000 и мельче. Производственное изготовление фотокарт стало возможным лишь после накопления фондов снимков на обширные территории.

Тематическое картографирование

В настоящее время по космическим снимкам созданы разнообразные тематические карты. В ряде случаев характеристики некоторых явлений можно определить только по космическим снимкам, а получить их другими методами невозможно. По результатам космического фотографирования обновлены и детализированы многие тематические карты, созданы новые типы геологических ландшафтных и других карт [4]. При составлении тематических карт особенно полезными являются снимки, полученные в различных зонах спектра, так как они содержат богатую и разностороннюю информацию. На практике, при использовании данных дистанционного зондирования Земли, тематическое картографирование выполняется непосредственно после дешифрирования изображения. На рисунке 12 показаны исходный космический снимок и полученная на его основе тематическая карта преобладающих эрозионных процессов.

Создание и обновление топографических карт

Технология составления топографических карт предусматривает выполнение полного цикла работ– от предварительной обработки данных ДДЗ до получения готовой карты в векторном виде и необходимом формате. На рисунке 13 исходная фотография с КА. На рисунке 14 на исходной фотографии произвели векторизацию объектов, а на рисунок 15 демонстрирует полученную векторную карту данной местности.

5.Применение ДЗЗ в сельском хозяйстве

При помощи спутников можно с определенной цикличностью получать изображения отдельных полей, регионов и округов. Пользователи могут получать ценную информацию о состоянии угодий, в том числе идентификацию культур, определение посевных площадей сельскохозяйственных культур и состояние урожая. Спутниковые данные используются для точного управления и мониторинга результатов ведения сельского хозяйства на различных уровнях. Эти данные могут быть использованы для оптимизации фермерского хозяйства и пространственно-ориентированного управления техническими операциями. Изображения могут помочь определить местоположение урожая и степень истощения земель, а затем могут быть использованы для разработки и реализации плана лечения, для локальной оптимизации использования сельскохозяйственных химикатов [5].

6.Мониторинг лесных пожаров с помощью ДЗЗ

Дистанционное зондирование также применяется для мониторинга лесного покрова и идентификации видов [6]. Полученные таким способом карты могут покрывать большую площадь, одновременно отображая детальные измерения и характеристики территории (тип деревьев, высота, плотность). Используя данные дистанционного зондирования, возможно определить и разграничить различные типы леса, что было бы трудно достичь, используя традиционные методы на поверхности земли. Данные доступны в различных масштабах и разрешениях, что вполне соответствует локальным или региональные требованиям. Требования к детальности отображения местности зависит от масштаба исследования. Для отображения изменений в лесном покрове (текстуры, плотности листьев) применяются:

мультиспектральные изображения: для точной идентификации видов необходимы данные с очень высоким разрешением;

многоразовые снимки одной территории, используются для получения информации о сезонных изменениях различных видов;

стереофотографии – для разграничения видов, оценки плотности и высоты деревьев. Стереофотографии предоставляют уникальный вид на лесной покров, доступный только через технологии дистанционного зондирования.

Спутниковая информация позволяет оценить масштабы лесных пожаров, а также вызванную ими неблагоприятную экологическую обстановку. Поскольку спутниковая информация порой является единственным источником, за этим направлением науки – будущее оперативного наблюдения и контроля природных процессов и явлений [6].

Таким образом, область применения космических снимков трудно переоценить. И, казалось бы, ДЗЗ открывает большие перспективы для частных компаний, занимающихся сельским хозяйством, перевозом грузов морским или сухопутным путями и т.д. Но, к сожалению, в отличии от западных корпораций, российские не приучены тратить деньги за получение информации с космических спутников. И за это, порой, приходится дорого платить. В частности, 20 сентября 2002 года в горах Северной Осетии произошла трагедия: в Кармадорском ущелье сошел ледник Колка, унесший жизни более 100 человек, в том числе членов съемочной группы Сергея Бодрова. То, что ледник движется было хорошо видно из космоса. Этой информацией поделился Герой России космонавт-испытатель Валерий Корзун на встрече со школьниками в г. Лыткарино.

Тем не менее, я надеюсь, что в ближайшем будущем космические технологии в области ДЗЗ будут нам всем доступнее и мы сможем получать практическую выгоду не только на государственном уровне, но и в частной жизни.

Список использованных источников

В последнее десятилетие для России важное значение приобрели спутниковые методы исследования ее территории. Это связано как с дальнейшим совершенствованием космической техники, так и со свертыванием авиационных и наземных методов мониторинга.

Основные области применения спутникового дистанционного зондирования - получение информации о состоянии окружающей среды и землепользовании, изучение растительных сообществ, оценка урожая сельскохозяйственных культур, оценка последствий стихийных бедствий. Средства дистанционного зондирования эффективны при изучении загрязнения почвы и водоемов, льдов на суше и на воде, и океанологии. Эти средства позволяют получать сведения о состоянии атмосферы, в том числе глобальном масштабе. Данные зондирования поступают в виде растровых изображений земли из космоса. Они и являются моим объектом исследования в данной работе. А предметом исследования - любые аномальные области (вырубки, гари…) на снимках. Обнаружение и обработка таких областей является важным процессом и занимает достаточно большое количество времени и системных ресурсов. В данной работе создано программное обеспечение в качестве одной из разновидностей геоинформационных систем, позволяющей проводить классификацию по цветам, оконтуривать классы и производить тематическую обработку для оптимизации процесса обработки космической информации на снимках при минимальной потере качества. Написанное программное обеспечение позволяет проводить эффективное оконтуривание областей, представлять границы в векторном формате для экспортирования в мировые геоинформационные системы. Результаты данной работы являются актуальными и востребованными в сфере работ наземных служб по контролю растительного покрова Земли.

Литературный обзор

Физические основы дистанционного зондирования

При дистанционном зондировании Земли из космоса используется оптический диапазон электромагнитных волн и микроволновый участок радиодиапазона. На рис.1.1 представлен оптический диапазон, включающий в себя ультрафиолетовый (УФ) участок спектра, видимый участок - синяя полоса (С), зеленая (З), красная (К); инфракрасный участок (ИК) - ближний ИК (БИК), средний ИК (СИК) и тепловой ИК (ТИК) [1].

В пассивных методах зондирования в оптическом диапазоне источниками электромагнитной энергии являются разогретые до достаточно высокой температуры твердые, жидкие, газообразные тела.

При термодинамическом равновесии с окружающей средой все тела с одинаковой температурой Т излучают одинаково (первый закон Кирхгофа).

В состоянии термодинамического равновесия поглощаемая в секунду участком поверхности энергия равна энергии, излучаемой в тот же промежуток времени той же поверхностью (второй закон Кирхгофа).

Интенсивность излучения I в заданном направлении, характеризуемом углом a от нормали к излучающей поверхности абсолютно черного тела, определяется законом Ламберта: I = I₀ cosa, где I₀ - интенсивность излучения при a = 0, которая максимальна; при a = 90°, т.е. по касательной к поверхности, интенсивность излучения равна нулю.

По формуле Планка плотность потока мощности, излучаемой в состоянии термодинамического равновесия единицей поверхности абсолютно черного тела с температурой T в интервале длин волн l, l + dl в телесный угол 2p стерадиан (ср)

B (l,T) = × × (1.1)

Здесь с₁ = 1, 1911×10 8 Вт×мкм 4 /м 2 ср; c₂ = 14388 мкм×К; Максимум излучения приходится на l = 2898/T мкм.

Полная энергия во всем интервале длин волн описывается формулой Стефана-Больцмана:

ò B (l,T) dl = a ×T 4 , a = 5,67*10 -8 Вт×м - 2 ×К -4 . (1.2)

При наблюдении Земли из космоса на длине волны короче 2-3 мкм регистрируется энергия Солнца, отраженная и рассеянная поверхностью суши, воды и облаков.

Температура поверхности (фотосферы) Солнца равна 5785 К, максимум излучения приходится на 0,5 мкм. На рис.1.2 приведено распределение энергии в спектре Солнца согласно формуле Планка. Озон, содержащийся в атмосфере в небольшом количестве, сильно поглощает ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче 0,3 мкм, так что при наблюдении Солнца с поверхности Земли отсутствует коротковолновый скат кривой B (l,T) (заштрихован на рис.1.2).

В остальном реальный спектр Солнца мало отличается от рис.1.2.

Рис 1.2. Распределение энергии в спектре Солнца согласно закону Планка

На длинах волн более 4 мкм собственное тепловое излучение Земли превосходит излучение Солнца. Регистрируя интенсивность теплового излучения Земли из космоса, можно достаточно точно оценивать температуру суши и водной поверхности, которая является важнейшей экологической характеристикой [2].

При регистрации теплового излучения со спутников используется интервал длин волн 10-14 мкм, в котором поглощение в атмосфере невелико. При температуре земной поверхности (облаков), равной минус 50° С, максимум излучения согласно (1.1) приходится на 12 мкм, при 50° С - на 9 мкм.

Если с помощью датчика, установленного на спутнике, измерено значение плотности потока мощности B =B (λ, Т) от некоторого объекта, то из (1.1) получаем: T = λ/c₂ ln (c₁/λ 5 B + 1). Определенная по интенсивности В теплового излучения (радиации) температура Т носит название радиационной, в отличие от термодинамической температуры, характеризующей интенсивность теплового движения молекул вещества и измеряемой контактным термометром [3].

Целью курсовой работы является раскрытие темы и ее основных моментов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Рассмотреть понятие дистанционного зондирования;
2. Изучить физические основы дистанционного зондирования;

Содержание работы

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….…..3
1. Общие сведения о дистанционном зондировании……………………………4
1.1. Понятие о дистанционном зондировании………………………………. …4
1.2. Принципы дистанционного зондирования……………………….……..…..6
1.3. Преимущества и недостатки данных дистанционного зондирования………………………………………………………………….…. 7
1.4. История развития методов дистанционного зондирования……………. 8
2. Физические основы дистанционного зондирования…………………..…. 11
2.1. Электромагнитное излучение и его характеристики……………….…..…11
2.2. Взаимодействие излучения с поверхностью Земли…………………..…. 13
2.3. Влияние атмосферы на регистрируемое излучение……………………….16
3. Космические системы изучения природных ресурсов и мониторинга окружающей среды………………………………………………………….…. 18
3.1. Классификация ресурсных спутников……………………………….…. 18
3.2. Система изучения природных ресурсов Земли Landsat……………..……20
3.3. Система изучения природных ресурсов Земли Spot………………. …….24
3.4. Российская космическая система Ресурс………………………….….…. 29
4. Применение данных дистанционного зондирования……………..…….…..33
4.1. Использование материалов космических съемок в области землеустройства, кадастра и мониторинга земель…………………………….33
4.2. Составление и обновление карт с помощью космических снимков…………………………………………………………………………. 36
4.3. Задачи, решаемые с помощью космических снимков в сельском хозяйстве………………………………………………………………….………38
4.4. Космические снимки: решения для лесного хозяйства………….….……40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………….….….…. 43
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ…………………………..……..44

Файлы: 1 файл

Курсовая работа АКС.doc

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Кафедра геоиженерии и кадастра

1. Общие сведения о дистанционном зондировании……………………………4

1.1. Понятие о дистанционном зондировании………………………………. …4

1.2. Принципы дистанционного зондирования……………………….……..…..6

1.3. Преимущества и недостатки данных дистанционного зондирования……………………………………………… ………………….…. 7

1.4. История развития методов дистанционного зондирования……………. 8

2. Физические основы дистанционного зондирования…………………..…. 11

2.1. Электромагнитное излучение и его характеристики……………….…..…11

2.2. Взаимодействие излучения с поверхностью Земли…………………..…. 13

2.3. Влияние атмосферы на регистрируемое излучение……………………….16

3. Космические системы изучения природных ресурсов и мониторинга окружающей среды………………………………………………………….…. ..18

3.1. Классификация ресурсных спутников……………………………….…. 18

3.2. Система изучения природных ресурсов Земли Landsat……………..……20

3.3. Система изучения природных ресурсов Земли Spot………………. …….24

3.4. Российская космическая система Ресурс………………………….….…. 29

4. Применение данных дистанционного зондирования……… ……..…….…..33

4.1. Использование материалов космических съемок в области землеустройства, кадастра и мониторинга земель…………………………….33

4.2. Составление и обновление карт с помощью космических снимков…………………………………………………………… ……………. 36

4.3. Задачи, решаемые с помощью космических снимков в сельском хозяйстве……………………………………………………… ………….………38

4.4. Космические снимки: решения для лесного хозяйства………….….……40

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ…………………………..……..44

В последние десятилетия дистанционное зондирование Земли является интенсивно развивающейся областью исследований. Данные дистанционного зондирования дают колоссальные возможности для исследования процессов, происходящих на планете, для решения проблем комплексного изучения, освоения и рационального использования природных ресурсов. Потребность в них увеличивается из года в год. Особенно быстро развиваются космические технологии: совершенствуются спутники, съемочная аппаратура, методы съемки и обработки снимков. Еще несколько лет назад космические снимки использовались лишь узким кругом специалистов. Сейчас современные технические средства позволяют принимать изображения с искусственных спутников Земли на персональный компьютер, а новейшие программные средства дают возможность быстро обрабатывать эту информацию, вести ее электронные архивы, что делает ее доступной для самого широкого круга пользователей.

Целью курсовой работы является раскрытие темы и ее основных моментов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассмотреть понятие дистанционного зондирования;

2. Изучить физические основы дистанционного зондирования;

3. Ознакомиться с основными системами изучения природных ресурсов;

4. Рассмотреть применение данных дистанционного зондирования в области мониторинга окружающей среды и ведения кадастра.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ

1.1. Понятие о дистанционном зондировании

Под дистанционным зондированием понимают процесс или метод получения информации об объекте, участке поверхности или явлении путем анализа данных, собранных без контакта с изучаемым объектом. Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства. Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) – наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. [6]

Примером естественных форм дистанционного зондирования являются зрение, обоняние и слух человека. К методам дистанционного зондирования относят фотографическую съемку, существенным недостатком которой является то, что эмульсионный слой фотопленки чувствителен только к излучению в видимой либо близкой к ней части электромагнитного спектра.

Методы дистанционного зондирования, описанные в данной курсовой работе, основаны на использовании сенсоров, которые размещаются на космических аппаратах и регистрируют электромагнитное излучение в форматах, существенно более приспособленных для цифровой обработки, и в более широком диапазоне электромагнитного спектра: инфракрасный диапазон отраженного излучения, тепловой инфракрасный и радиодиапазон.

Идеальная схема дистанционного зондирования показана на рис. 1. Ее составляющими являются источник электромагнитного излучения, процесс распространения излучения и его взаимодействие с веществом объекта, ответный сигнал, регистрация данных и предоставление их потребителям. В этой модели источник генерирует электромагнитное излучение с высоким уровнем энергии во всем диапазоне длин волн, причем интенсивность излучения является известной величиной, которая не зависит от длины волны. Излучение не взаимодействует с атмосферой и распространяется через нее без потери энергии. Падающее излучение взаимодействует с веществом объекта, в результате чего возникает отраженное либо собственное вторичное излучение, однородное во всем диапазоне длин волн.

Рис.1 Идеальная схема дистанционного зондирования

На практике идеальной системы дистанционного зондирования не существует в силу следующих причин:

1. Ни один источник не способен обеспечить однородность потока излучения как в пространстве, так и во времени;

2. Из-за взаимодействия излучения с газами атмосферы, молекулами водяного пара и атмосферными частицами изменяется интенсивность излучения и его спектр;

3. Одно и то же вещество при разных условиях может иметь разную спектральную чувствительность;

4. На практике не существует идеального сенсора, с помощью которого можно было бы регистрировать все длины волн электромагнитного спектра;

5. Из-за технических ограничений передача данных и их интерпретация иногда выполняются с задержкой по времени. Формат передаваемых данных также может отличаться от того, который требуется потребителю;

6. Потребители могут не обладать необходимой информацией о параметрах сбора данных ДЗ и не иметь достаточного опыта для их анализа и дешифрирования. [16]

1.2. Принципы дистанционного зондирования Земли

В этом документе отмечается, что деятельность по дистанционному зондированию Земли должна осуществляться на благо и в интересах всех стран независимо от уровня их экономического, социального или научно-технического развития. Государства, осуществляющие ДЗЗ, должны содействовать международному сотрудничеству в этой деятельности и предоставлять другим государствам возможность участия в ней. Такое участие в каждом случае должно основываться на справедливых и взаимоприемлемых условиях.

Для получения максимальных выгод от деятельности по дистанционному зондированию государства поощряются к тому, чтобы в соглашениях или иных договоренностях предусматривались создание и эксплуатация станций по приему и накоплению данных и установок по их обработке и интерпретации, в частности в рамках региональных соглашений и договоренностей, когда это возможно.

Дистанционное зондирование должно содействовать охране природной среды Земли. С этой целью участвующие в деятельности по дистанционному зондированию государства, которые установили, что в их распоряжении имеется информация, способная предотвратить любое вредное для природной среды Земли явление, сообщают эту информацию соответствующим государствам. Дистанционное зондирование должно также содействовать защите человечества от стихийных бедствий. [1]

1.3. Преимущества и недостатки данных дистанционного зондирования

Преимущества. Данные спутниковой съемки содержат полезную информацию, полученную в различных спектральных диапазонах, и, кроме того, сохраняются в цифровом виде. Поскольку космические снимки охватывают большие области, их можно использовать для тематических региональных исследований и идентификации крупных пространственных объектов, в частности, структур рельефа. Регулярная съемка территорий позволяет проводить мониторинг водных ресурсов, агротехнического состояния сельскохозяйственных культур, эродированности почв, развития инфраструктуры городов и других процессов, объектов и явлений, которые изменяются под воздействием природных и антропогенных факторов. С помощью космической съемки достаточно просто получить данные о труднодоступных областях. Еще одним преимуществом ДЗ является возможность получения снимков разного разрешения, что позволяет применять данные ДЗ для решения различных задач в разных предметных областях. Поскольку анализ материалов ДЗ выполняется камерально, требуется меньше полевых исследований, что окупает затраты на приобретение данных. Экономически эффективным является и применение космических снимков для оперативного обновления средне- и мелкомасштабных карт. Цветные изображения, формируемые на основе данных ДЗ в трех спектральных каналах, несут больше информации, чем отдельные наземные или аэрофотоснимки, а стереопары снимков дают возможность проводить трехмерный анализ пространственных объектов. И, наконец, цифровой формат материалов ДЗ и использование компьютеров для их обработки и анализа обеспечивают быстрое получение результатов.

Недостатки. Для их обработки и анализа требуются очень высокая квалификация и большой практический опыт. Использование таких данных становится экономически неэффективным при единичных исследованиях небольших территорий. Космические снимки нельзя использовать для создания планов в инженерных целях. Программное обеспечение, которое применяется для обработки цифровых снимков, также имеет высокую стоимость. Кроме того, если результаты дешифрирования материалов ДЗ не подтверждены полевыми исследованиями, к ним надо относиться с большой осторожностью. [14]

1.4. История развития методов дистанционного зондирования

Понятие дистанционного зондирования появилось в XIX веке вслед за изобретением фотографии, а одной из первых областей, в которых стали применять этот метод, стала астрономия. Впоследствии, дистанционное зондирование начали использовать в военной области для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений. Во время Гражданской войны в США фотоснимки, полученные с помощью неуправляемых летательных аппаратов, служили для наблюдения за перемещением войск, подвозом припасов, ходом фортификационных работ и для оценки эффекта артиллерийских обстрелов. В результате исследований, которые финансировались различными государствами, были разработаны технологии, позволившие создать сенсоры сначала для военных целей, а затем и для гражданского применения этого метода. После Второй мировой войны метод дистанционного зондирования стали использовать для наблюдения за окружающей средой и оценки развития территорий, а также в гражданской картографии. В 60-х годах XX века, с появлением космических ракет и спутников, дистанционное зондирование вышло в космос.

Новая эра дистанционного зондирования связана с пилотируемыми космическими полетами, разведывательными, метеорологическими и ресурсными спутниками.

Возможности ДЗ в военной области значительно возросли после 1960 года в результате запуска разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON и LANYARD, целью которых было получение фотоснимков с низких орбит. Вскоре были получены стереопары снимков с разрешением 2 метра. Первые спутники работали на орбите от семи до восьми дней, но уже следующие поколения этих аппаратов были способны поставлять данные в течение нескольких месяцев.

В результате осуществления программ пилотируемых полетов, которые были начаты в США в 1961 году, человек впервые высадился на поверхность Луны (1969 г.). Следует отметить программу Mercury, в рамках которой были получены снимки Земли, систематический сбор данных дистанционного зондирования во время проекта Gemini (1965 – 1966 гг.), программу Apollo (1968 – 1975 гг.), в ходе которой велось дистанционное зондирование земной поверхности (ДЗЗ), запуск космической станции Skylab (1973 – 1974 гг.), на которой проводились исследования земных ресурсов, полеты космических кораблей многоразового использования, которые начались в 1981 году, а также получение многозональных снимков с разрешением 100 метров в видимом и близком инфракрасном диапазоне с использованием девяти спектральных каналов.

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.

Возможности ДЗ в военной области значительно возросли после 1960 года в результате запуска разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON, LANYARD, целью которых было получение фотоснимков с низких орбит. Вскоре были получены стереопары снимков с разрешением 2 метра. Первые спутники работали на орбите от семи до восьми дней, но уже следующие поколения этих аппаратов были способны поставлять данные в течение нескольких месяцев.

В результате осуществления программ пилотируемых полетов, которые были начаты в США в 1961 году, человек впервые высадился на поверхность Луны (1969 г.). Следует отметить программу Mercury, в рамках которой были получены снимки Земли, систематический сбор данных дистанционного зондирования во время проекта Gemini (1965–1966 гг.), программу Apollo (1968–1975 гг.), в ходе которой велось дистанционное зондирование земной поверхности (ДЗЗ) и состоялась высадка человека на Луну, запуск космической станции Skylab (1973–1974 гг.), на которой проводились исследования земных ресурсов, полеты космических кораблей многоразового использования, которые начались в 1981 году, а также получение многозональных снимков с разрешением 100 метров в видимом и близком инфракрасном диапазоне с использованием девяти спектральных каналов.

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

Первый специализированный спутник был запущен в 1972 году. Он назывался ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) и использовался, в основном, для целей сельского хозяйства. В настоящее время спутники этой серии носят название Landsat.

Они предназначены для регулярной многозональной съемки территорий со средним разрешением. Позже, в 1978 году, был запущен первый спутник со сканирующей системой SEASAT, но он передавал данные всего три месяца. Первый французский спутник серии SPOT, с помощью которого можно было получать стереопары снимков, был выведен на орбиту в 1985 году. Запуск первого индийского спутника дистанционного зондирования, названного IRS (Indian Remote Sensing), состоялся в 1988 году. Япония также вывела на орбиту свои спутники JERS MOS.

Начиная с 1975 года, Китай периодически запускал собственные спутники, но полученные ими данные до сих пор находятся в закрытом доступе. Европейский космический консорциум вывел на орбиту свои радарные спутники ERS в 1991 и 1995 годах, а Канада-спутник RADARSAT в 1995 году.

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).

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 – пикселей (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.

Оптимальный способ использования данных наблюдения поверхности Земли со спутников заключается в том, чтобы анализировать их совместно с информацией из других источников.

Получение снимков с перекрытием из нескольких последовательных точек орбиты (стереосъёмка) позволяет получить более точное представление о трехмерных объектах и повысить отношение сигнал/шум.

Использование многозональных снимков основано на уникальности тоновых характеристик различных объектов. Объединение яркостных данных из снимков в различных спектральных диапазонах позволяет безошибочно выделять определенные пространственные структуры. Съемку с использованием большого числа (более 10) узких съемочных зон называют гиперспектральной. При гиперспектральной съемке увеличивается возможность выделения объектов, характеризующихся наличием полос поглощения, что характерно, например, для загрязнений. Многозональная и гиперпектральная съемки позволяют более эффективно использовать различия в спектральной яркости объектов съемки для их дешифрирования.

К этому виду снимков можно отнести также радиолокационные снимки, получаемые как при регистрации отраженных радиоволн разной длины, так и при разной их поляризации.

Многовременная съемка – это плановая съемка в заранее определенные даты, которая позволяет выполнять сравнительный анализ снимков тех объектов, характеристики которых изменяются во времени.

Многоуровневая съемка – съемка с различными уровнями дискретизации используется для получения более подробной информации об изучаемой территории.

Как правило, весь процесс сбора данных подразделяют на три уровня: космическая съемка, аэросъемка и наземные исследования.

Снимки, полученные методом многополяризационной съёмки, используют для проведения границ между объектами на основе различий в поляризационных свойствах отраженного излучения. Так, например, отраженное излучение от водной поверхности обычно более сильно поляризовано, чем отраженное излучение от растительного покрова.

Комбинированный метод заключается в использовании многовременной, многозональной и многополяризационной съемок.

Читайте также: