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.
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.
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, его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением. Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства.
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.
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, 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.
В Советском Союзе, а затем в России космические программы развивались параллельно космическим программам США. Полет Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года, ставший первым полетом человека в космос, запуски космических кораблей «Восток» (1961-1963 гг.), «Восход» (1964-1965 гг.) и «Союз», работа на орбите космических станций «Салют» (впервые 19 апреля 1971 года).
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.
Методы дистанционного зондирования основаны на том, что любой объект излучает и отражает электромагнитную энергию в соответствии с особенностями его природы. Различия в длинах волн и интенсивности излучения могут быть использованы для изучения свойств удаленного объекта без непосредственного контакта с ним.
Дистанционное зондирование сегодня - это огромное разнообразие методов получения изображений практически во всех диапазонах длин волн электромагнитного спектра (от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной) и радиодиапазона, самая различная обзорность изображений - от снимков с метеорологических геостационарных спутников, охватывающих практически целое полушарие, до детальных аэросъемок участка в несколько сот квадратных метров.
Фотосъемки
Фотографические снимки поверхности Земли получают с пилотируемых кораблей и орбитальных станций или с автоматических спутников. Отличительной чертой КС является высокая степень обзорности, охват одним снимком больших площадей поверхности. В зависимости от типа применяемой аппаратуры и фотопленок, фотографирование может производиться во всем видимом диапазоне электромагнитного спектра, в отдельных его зонах, а также в ближнем ИК (инфракрасном) диапазоне.
Масштабы съемки зависят от двух важнейших параметров: высоты съемки и фокусного расстояния объектива. Космические фотоаппараты в зависимости от наклона оптической оси позволяют получать плановые и перспективные снимки земной поверхности.
В настоящее время используется фотоаппаратура с высоким разрешением, позволяющая получать КС с перекрытием 60% и более. Спектральный диапазон фотографирования охватывает видимую часть ближней инфракрасной зоны (до 0,86 мкм).
Известные недостатки фотографического метода связаны с необходимостью возвращения пленки на Землю и ограниченным ее запасом на борту. Однако фотографическая съемка - в настоящее время самый информативный вид съемки из космического пространства. Оптимальный размер отпечатка 18х18 см, который, как показывает опыт, согласуется с физиологией человеческого зрения, позволяя видеть все изображение одновременно.
Для удобства пользования из отдельных КС, имеющих перекрытия, монтируются фотосхемы (фотомозаики) или фотокарты с топографической привязкой опорных точек с точностью 0,1 мм и точнее. Для монтажа фотосхем используются только плановые КС.
Для приведения разномасштабного, обычно перспективного КС к плановому используется специальный процесс, называемый трансформированием. Трансформированные КС с успехом используются для составления космофотосхем и космофотокарт и обычно легко привязываются к географической сетке координат.
Сканерные съемки
В настоящее время для съемок из космоса наиболее часто используются многоспектральные оптико-механические системы - сканеры, установленные на ИСЗ различного назначения. При помощи сканеров формируются изображения, состоящие из множества отдельных, последовательно получаемых элементов. Термин «сканирование» обозначает развертку изображения при помощи сканирующего элемента (качающегося или вращающегося зеркала), поэлементно просматривающего местность поперек движения носителя и посылающего лучистый поток в объектив и далее на точечный датчик, преобразующий световой сигнал в электрический. Этот электрический сигнал поступает на приемные станции по каналам связи. Изображение местности получают непрерывно на ленте, составленной из полос - сканов, сложенных отдельными элементами - пикселами. Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, но особенно эффективным является видимый и ИК-диапазоны. При съемке земной поверхности с помощью сканирующих систем формируется изображение, каждому элементу которого соответствует яркость излучения участка, находящегося в пределах мгновенного поля зрения. Сканерное изображение - упорядоченный пакет яркостных данных, переданных по радиоканалам на Землю, которые фиксируются на магнитную ленту (в цифровом виде) и затем могут быть преобразованы в кадровую форму.
Различные методы сканирования поверхности Земли
Важнейшей характеристикой сканера являются угол сканирования (обзора) и мгновенный угол зрения, от величины которого зависят ширина снимаемой полосы и разрешение. В зависимости от величины этих углов сканеры делят на точные и обзорные. У точных сканеров угол сканирования уменьшают до ±5°, а у обзорных увеличивают до ±50°. Величина разрешения при этом обратно пропорциональна ширине снимаемой полосы.
Хорошо зарекомендовал себя сканер нового поколения, названный «тематическим картографом», которым были оснащены американские ИСЗ Landsat 5 и Landsat 7. Сканер типа «тематический картограф» работает в семи диапазонах с разрешением 30 м в видимом диапазоне спектра и 120 м в ИК-диапазоне. Этот сканер дает большой поток информации, обработка которой требует большего времени; в связи с чем замедляется скорость передачи изображения (число пикселов на снимках достигает более 36 млн. на каждом из каналов). Сканирующие устройства могут быть использованы не только для получения изображений Земли, но и для измерения радиации - сканирующие радиометры, и излучения - сканирующие спектрометры.
Радарные съемки
Радиолокационная (РЛ) или радарная съемка - важнейший вид дистанционных исследований. Используется в условиях, когда непосредственное наблюдение поверхности планет затруднено различными природными условиями: плотной облачностью, туманом и т.п. Она может проводиться в темное время суток, поскольку является активной.
Особенности оптической и радарной съёмки
Для радарной съемки обычно используются радиолокаторы бокового обзора (ЛБО), установленные на самолетах и ИСЗ. С помощью ЛБО радиолокационная съемка осуществляется в радиодиапазоне электромагнитного спектра. Сущность съемки заключается в посылке радиосигнала, отражающегося по нормали от изучаемого объекта и фиксируемого на приемнике, установленном на борту носителя. Радиосигнал вырабатывается специальным генератором. Время возвращения его в приемник зависит от расстояния до изучаемого объекта. Этот принцип работы радиолокатора, фиксирующего различное время прохождения зондирующего импульса до объекта и обратно, используется для получения РЛ-снимков. Изображение формируется бегущим по строке световым пятном. Чем дальше объект, тем больше времени надо на прохождение отражаемого сигнала до его фиксации электронно-лучевой трубкой, совмещенной со специальной кинокамерой.
При дешифрировании радарных снимков следует учитывать тон изображения и его текстуру. Тоновые неоднородности РЛ-снимка зависят от литологических особенностей пород, размера их зернистости, устойчивости процессам выветривания. Тоновые неоднородности могут варьировать от черного до светлого цвета. Опыт работы с РЛ-снимками показал, что черный тон соответствует гладким поверхностям, где, как правило, происходит почти полное отражение посланного радиосигнала. Крупные реки всегда имеют черный тон. Текстурные неоднородности РЛ-изображения зависят от степени расчлененности рельефа и могут быть тонкосетчатыми, полосчатыми, массивными и др. Полосчатая текстура РЛ-изображения, например, характерна для горных районов, сложенных часто чередующимися слоями осадочных или метаморфических пород, массивная - для районов развития интрузивных образований. Особенно хорошо получается на РЛ-снимках гидросеть. Она дешифрируется лучше, чем на фотоснимках. Высокое разрешение РЛ-съемки в районах, покрытых густой растительностью, открывает широкие перспективы ее использования.
Радарные системы бокового обзора с конца 70-х годов стали устанавливать на ИСЗ. Так, например, первый радиолокатор был установлен на американском спутнике "Сисат", предназначенном для изучения динамики океанических процессов. Позднее был сконструирован радар, испытанный во время полетов космического корабля "Шаттл". Информация, полученная с помощью этого радара, представляется в виде черно-белых и ложноцветных синтезированных фото-, телеизображений или записей на магнитную ленту. Разрешающая способность 40 м. Информация поддается числовой и аналоговой обработке, такой же, что и сканерные снимки системы Landsat. Это в значительной мере способствует получению высоких результатов дешифрирования. Во многих случаях РЛ-снимки оказываются геологически более информативными, чем снимки спутников Landsat или других оптических сенсоров. Наилучший результат достигается и при комплексном дешифрировании материалов того и другого видов. РЛ-снимки успешно используются для изучения трудно- или недоступных территорий Земли - пустынь и областей, расположенных в высоких широтах, а также поверхность других планет.
Классичесими уже стали результаты картирования поверхности Венеры - планеты, покрытой мощным облачным слоем. Совершенствование РЛ-аппаратуры должно повлечь за собой дальнейшее повышение роли радиолокации в дистанционных исследованиях Земли, особенно при изучении ее геологического строения.
Тепловые съемки
Инфракрасная (ИК), или тепловая, съемка основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным теплом или солнечным излучением. Она широко применяется в геологии. Температурные неоднородности поверхности Земли возникают в результате неодинакового нагрева различных ее участков. Инфракрасный диапазон спектра электромагнитных колебаний условно делится на три части (в мкм):
ближний (0,74-1,35)
средний (1,35-3,50)
дальний (3,50-1000)
Солнечное (внешнее) и эндогенное (внутреннее) тепло нагревает геологические объекты по-разному в зависимости от литологических свойств пород, тепловой инерции, влажности, альбедо и многих других причин.
ИК-излучение, проходя через атмосферу, избирательно поглощается, в связи с чем тепловую съемку можно вести только в зоне расположения так называемых "окон прозрачности" - местах пропускания ИК-лучей. Опытным путем выделено четыре основных окна прозрачности (в мкм): 0,74-2,40; 3,40-4,20; 8,0-13,0; 30,0-80,0. Некоторые исследователи выделяют большее число окон прозрачности. в первом окне (до 0,84 мкм) используется отраженное солнечное излучение. Здесь можно применять специальные фотопленки и работать с красным фильтром. Съемка в этом диапазоне называется ИК-фотосъемкой.
В других окнах прозрачности работают измерительные приборы - тепловизоры, преобразующие невидимое ИК-излучение в видимое с помощью электроннолучевых трубок, фиксируя тепловые аномалии. На ИК-изображениях светлыми тонами фиксируются участки с низкими температурами, темными - с относительно более высокими. Яркость тона прямо пропорциональна интенсивности тепловой аномалии. ИК-съемку можно проводить в ночное время. На ИК-снимках, полученных с ИСЗ, четко вырисовывается береговая линия, гидрографическая сеть, ледовая обстановка, тепловые неоднородности водной среды, вулканическая деятельность и т.п. ИК-снимки используются для составления тепловых карт Земли. Линейно-полосовые тепловые аномалии, выявляемые при ИК-съемке, интерпретируются как зоны разломов, а площадные и концентрические - как тектонические или орографические структуры. Например, наложенные впадины Средней Азии, выполненные рыхлыми кайнозойскими отложениями, на ИК-снимках дешифрируются как площадные аномалии повышенной интенсивности. Особенно ценна информация, полученная в районах активной вулканической деятельности.
В настоящее время накоплен опыт использования ИК-съемки для изучения дна шельфа. Этим методом по разнице температурных аномалий поверхности воды получены данные о строении рельефа дна. При этом использован принцип, согласно которому при одинаковом облучении поверхности воды на более глубоких участках водных масс энергии на нагревание расходуется больше, чем на более мелких. В результате температура поверхности воды над более глубокими участками будет ниже, чем над мелкими. Этот принцип позволяет на ИК-изображениях выделять положительные и отрицательные формы рельефа, подводные долины, банки, гряды и т.п. ИК-съемка в настоящее время применяется для решения специальных задач, особенно при экологических исследованиях, поисках подземных вод и в инженерной геологии.
Дистанционное зондирование охватывает теоретические исследования, лабораторные работы, полевые наблюдения и сбор данных с борта самолетов и искусственных спутников Земли. Теоретические, лабораторные и полевые методы важны также для получения информации о Солнечной системе, и когда-нибудь их начнут использовать для изучения других планетных систем Галактики. Некоторые наиболее развитые страны регулярно запускают искусственные спутники для сканирования поверхности Земли и межпланетные космические станции для исследований дальнего космоса. См. также ОБСЕРВАТОРИЯ; СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА; ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ; КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ.
Системы дистанционного зондирования.
В системе такого типа имеются три основных компонента: устройство для формирования изображения, среда для регистрации данных и база для проведения зондирования. В качестве простого примера такой системы можно привести фотографа-любителя (база), использующего для съемки реки 35-мм фотоаппарат (прибор-визуализатор, формирующий изображение), который заряжен высокочувствительной фотопленкой (регистрирующая среда). Фотограф находится на некотором расстоянии от реки, однако регистрирует информацию о ней и затем сохраняет ее на фотопленке.
Устройства формирования изображений, регистрирующая среда и база.
Приборы, формирующие изображения, делятся на четыре основные категории: фото- и кинокамеры, многоспектральные сканеры, радиометры и активные радиолокаторы. Современные однообъективные зеркальные фотокамеры создают изображение, фокусируя ультрафиолетовое, видимое или инфракрасное излучение, приходящее от объекта, на фотопленке. После проявления пленки получается постоянное (способное сохраняться длительное время) изображение. Видеокамера позволяет получать изображение на экране; постоянной записью в этом случае будет соответствующая запись на видеоленте или фотоснимок, сделанный с экрана. Во всех других системах визуализации изображений используются детекторы или приемники, обладающие чувствительностью на определенных длинах волн спектра. Фотоэлектронные умножители и полупроводниковые фотоприемники, используемые в сочетании с оптико-механическими сканерами, позволяют регистрировать энергию ультрафиолетового, видимого, а также ближнего, среднего и дальнего ИК-участков спектра и преобразовывать ее в сигналы, которые могут давать изображения на пленке. Энергия микроволн (диапазон сверхвысоких частот, СВЧ) подобным же образом трансформируется радиометрами или радиолокаторами. В сонарах для получения изображений на фотопленке используется энергия звуковых волн. СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН; РАДИОЛОКАЦИЯ; ГИДРОЛОКАТОР.
Приборы, используемые для визуализации изображений, размещают на различных базах, в том числе на земле, судах, самолетах, воздушных шарах и космических летательных аппаратах. Специальные камеры и телевизионные системы повседневно используются для съемки представляющих интерес физических и биологических объектов на земле, на море, в атмосфере и космосе. Специальные камеры замедленной киносъемки применяются для регистрации таких изменений земной поверхности, как эрозия морских берегов, движение ледников и эволюция растительности.
Архивы данных.
Фотоснимки и изображения, сделанные в рамках программ аэрокосмической съемки, надлежащим образом обрабатываются и сохраняются. В США и России архивы для таких информационных данных создаются правительствами. Один из основных архивов такого рода в США, EROS (Earth Resources Obsevation Systems) Data Center, подчиненный Министерству внутренних дел, хранит ок. 5 млн. аэрофотоснимков и ок. 2 млн. изображений, полученных со спутников «Лендсат», а также копии всех аэрофотоснимков и космических снимков поверхности Земли, хранящихся в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). К этой информации имеется открытый доступ. Обширные фотоархивы и архивы других изоматериалов имеются у различных военных и разведывательных организаций.
Анализ изображений.
Самая важная часть дистанционного зондирования анализ изображений. Такой анализ может выполняться визуально, визуальными методами, усиленными применением компьютера, и целиком и полностью компьютером; последние два включают в себя анализ данных в цифровой форме.
Первоначально большинство работ по анализу данных, полученных дистанционным зондированием, выполнялось визуальным исследованием индивидуальных аэрофотоснимков или путем использования стереоскопа и наложения фотоснимков с целью создания стереомодели. Фотоснимки были обычно черно-белыми и цветными, иногда черно-белыми и цветными в ИК-лучах или в редких случаях многозональными.
Основные пользователи данных, получаемых при аэрофотосъемке, это геологи, географы, лесоводы, агрономы и, конечно, картографы. Исследователь анализирует аэрофотоснимок в лаборатории, чтобы непосредственно извлечь из него полезную информацию, нанести ее затем на одну из базовых карт и определить области, в которых надо будет побывать во время полевых работ. После проведения полевых работ исследователь еще раз оценивает аэрофотоснимки и использует полученные из них и в результате полевых съемок данные для окончательного варианта карты. Такими методами подготавливают к выпуску множество разных тематических карт: геологических, карт землепользования и топографических, карт лесов, почв и посевов.
Геологи и другие ученые ведут лабораторные и полевые исследования спектральных характеристик различных природных и цивилизационных изменений, происходящих на Земле. Идеи таких исследований нашли применение в конструкции многоспектральных сканеров MSS, которые используются на самолетах и КЛА. Искусственные спутники Земли «Лендсат» 1, 2 и 4 имели на борту MSS с четырьмя спектральными полосами: от 0,5 до 0,6 мкм (зеленая); от 0,6 до 0,7 мкм (красная); от 0,7 до 0,8 мкм (ближняя ИК); от 0,8 до 1,1 мкм (ИК). На спутнике «Лендсат 3» используется, кроме того, полоса от 10,4 до 12,5 мкм. Стандартные составные изображения с применением метода искусственного окрашивания получаются при комбинированном использовании MSS с первой, второй и четвертой полосами в сочетании с синим, зеленым и красным фильтрами соответственно. На спутнике «Лендсат 4» c усовершенствованным сканером MSS тематический картопостроитель позволяет получать изображения в семи спектральных полосах: трех в области видимого излучения, одной в ближней ИК-области, двух в средней ИК-области и одной в тепловой ИК-области. Благодаря этому прибору пространственное разрешение было улучшено почти втрое (до 30 м) по сравнению с тем, что давал спутник «Лендсат», на котором использовался только сканер MSS.
Поскольку чувствительные датчики спутников не предназначались для стереоскопической съемки, дифференцировать те или иные особенности и явления в пределах одного конкретного изображения пришлось, используя спектральные различия. Сканеры MSS позволяют различать пять широких категорий земных поверхностей: вода, снег и лед, растительность, обнаженная порода и почва, а также объекты, связанные с деятельностью человека. Научный работник, хорошо знакомый с исследуемой областью, может выполнить анализ изображения, полученного в одной широкой полосе спектра, каким, например, является черно-белый аэрофотоснимок, который в типичном случае получается при регистрации излучений с длинами волн от 0,5 до 0,7 мкм (зеленая и красная области спектра).
Однако с увеличением числа новых спектральных полос глазам человека становится все труднее проводить различия между важными особенностями похожих тонов в различных участках спектра. Так, например, только один съемочный план, снятый со спутника «Лендсат» с помощью MSS в полосе 0,50,6 мкм, содержит ок. 7,5 млн. пикселов (элементов изображения), у каждого из которых может быть до 128 оттенков серого в пределах от 0 (черный цвет) до 128 (белый цвет). При сравнении двух изображений одной и той же области, сделанных со спутника «Лендсат», приходится иметь дело с 60 млн. пикселов; одно изображение, полученное с «Лендсат 4» и обработанное картопостроителем, содержит около 227 млн. пикселов. Отсюда с очевидностью следует, что для анализа таких изображений необходимо использовать компьютеры.
Цифровая обработка изображений.
При анализе изображений компьютеры используются для сравнения значений шкалы серого (диапазона дискретных чисел) каждого пиксела снимков, сделанных в один и тот же день либо в несколько разных дней. Системы анализа изображений выполняют классификацию специфических особенностей съемочного плана в целях составления тематической карты местности.
Современные системы воспроизведения изображений позволяют воспроизводить на цветном телевизионном мониторе одну или несколько спектральных полос, отработанных спутником со сканером MSS. Подвижный курсор устанавливают при этом на один из пикселов или на матрицу пикселов, находящихся в пределах некоторой конкретной особенности, например водоема. Компьютер выполняет корреляцию всех четырех MSS-полос и классифицирует все другие части изображения, полученного со спутника, которые характеризуются аналогичными наборами цифровых чисел. Исследователь может затем пометить цветным кодом участки «воды» на цветном мониторе, чтобы составить «карту», показывающую все водоемы на спутниковом снимке. Эта процедура, известная под названием регулируемой классификации, позволяет систематически классифицировать все части анализируемого снимка. Имеется возможность идентификации всех основных типов земной поверхности.
Описанные схемы классификации с помощью компьютера довольно просты, однако окружающий нас мир сложен. Вода, например, совсем не обязательно имеет единственную спектральную характеристику. В пределах одного съемочного плана водоемы могут быть чистыми или грязными, глубокими или мелкими, частично покрытыми водорослями или замерзшими, и каждый из них обладает собственной спектральной отражательной способностью (а значит, и своей цифровой характеристикой). В системе интерактивного анализа цифрового изображения IDIMS используется схема нерегулируемой классификации. IDIMS автоматически помещает каждый пиксел в один из нескольких десятков классов. После компьютерной классификации сходные классы (например, пять или шесть водных классов) могут быть собраны в один. Однако многие участки земной поверхности имеют довольно сложные спектры, что затрудняет однозначное установление различий между ними. Дубовая роща, например, может оказаться на изображениях, полученных со спутника, спектрально неотличимой от кленовой рощи, хотя на земле эта задача решается очень просто. По спектральным же характеристикам дуб и клен относятся к широколиственным породам.
Компьютерная обработка алгоритмами идентификации содержания изображения позволяет заметно улучшить MSS-изображение по сравнению со стандартным.
ПРИМЕНЕНИЯ
Данные дистанционного зондирования служат основным источником информации при подготовке карт землепользования и топографических карт.
Данные дистанционного зондирования с самолетов и искусственных спутников во все более широких масштабах используются для наблюдения за природными пастбищами. Аэрофотоснимки очень эффективны в лесоводстве благодаря достигаемому на них высокому разрешению, а также точному измерению растительного покрова и его изменения со временем.
И все же именно в геологических науках дистанционное зондирование получило наиболее широкое применение. Данные дистанционного зондирования используются при составлении геологических карт с указанием типов пород, а также структурных и тектонических особенностей местности. В экономической геологии дистанционное зондирование служит ценным инструментом для поиска месторождений полезных ископаемых и источников геотермальной энергии. Инженерная геология пользуется данными дистанционного зондирования для выбора мест строительства, отвечающих заданным требованиям, определения мест залегания строительных материалов, контроля за проведением горных работ с поверхности и за рекультивацией земель, а также для проведения инженерных работ в приморской зоне. Кроме того, эти данные используются при оценках сейсмической, вулканической, гляциологической и других опасностей геологического происхождения, а также в таких ситуациях, как лесные пожары и промышленные аварии.
Данные, полученные дистанционным зондированием, составляют важную часть исследований в гляциологии (имеющих отношение к характеристикам ледников и снегового покрова), в геоморфологии (формы и характеристики рельефа), в морской геологии (морфология дна морей и океанов), в геоботанике (ввиду зависимости растительности от лежащих под ней месторождений полезных ископаемых) и в археологической геологии. В астрогеологии данные дистанционного зондирования имеют первостепенное значение для изучения других планет и лун Солнечной системы, а также в сравнительной планетологии для изучения истории Земли.
Однако наиболее захватывающий аспект дистанционного зондирования состоит в том, что спутники, выведенные на околоземные орбиты, впервые предоставили ученым возможность наблюдать, отслеживать и изучать нашу планету как целостную систему, включая ее динамичную атмосферу и облик суши, изменяющийся под влиянием природных факторов и деятельности человека. Изображения, получаемые со спутников, возможно, помогут найти ключ к предсказанию изменений климата, вызванных в том числе естественными и техногенными факторами.
Хотя США и Россия с 1960-х годов ведут дистанционное зондирование, другие страны также вносят свой вклад. Японское и Европейское космические агентства планируют вывести на околоземные орбиты большое число спутников, предназначенных для исследования суши, морей и атмосферы Земли.
