Виды дистанционного зондирования земли. Дистанционное зондирование. Методы получения информации по снимкам: дешифрирование и фотограмметрические измерения

Эффективную работу современных ГИС трудно представить без спутниковых методов исследования территорий нашей планеты. Дистанционное спутниковое зондирование нашло широко применение в геоинформационных технологиях как в связи с быстрым развитием и совершенствованием космической техники, так и со свертыванием авиационных и наземных методов мониторинга.

Дистанционное зондирование (ДЗ) – научное направление, основанное на сборе информации о поверхности Земли без фактического контактирования с ней.

Процесс получения данных о поверхности включает в себя зондирование и запись информации об отраженной или испускаемой объектами энергии с целью последующей обработки, анализа и практического использования. Процесс ДЗ представлен на и состоит из следующих элементов:

Рис. . Этапы ДЗ.

Наличие источника энергии или освещения (A) – это первое требование дистанционного зондирования, т.е. должен иметься источник энергии, который освещает либо подпитывает энергией электромагнитного поля объекты, представляющие интерес для исследования.

Излучение и атмосфера (B) – излучение, распространяющееся от источника до объекта, часть пути проходит сквозь атмосферу Земли. Это взаимодействие необходимо учитывать, так как характеристики атмосферы оказывают влияние на параметры энергетических излучений.

Взаимодействие с объектом исследования (C) – характер взаимодействия падающего на объект излучения сильно зависит от параметров, как объекта, так и излучения.

Регистрация энергии сенсором (D) – излучение, испускаемая объектом исследования, попадает на удаленный высокочувствительный сенсор, и затем полученная информация записывается на носитель.

Передача, прием и обработка информации (E) – информация, собранная чувствительным сенсором передается в цифровом виде на принимающую станцию, где данные трансформируются в изображение.

Интерпретация и анализ (F) – обработанное изображение интерпретируется визуально либо с помощью ЭВМ, после чего из него извлекается информация относительно исследуемого объекта.

Применение полученной информации (G) – процесс дистанционного зондирования достигает завершения, когда мы получаем нужную информацию относительно объекта наблюдения для лучшего понимания его характеристик и поведения, т.е. когда решена какая-то практическая задача.

Выделяют следующие области применения спутникового дистанционного зондирования (СДЗ):

Получение информации о состоянии окружающей среды и землепользовании; оценка урожая сельхоз угодий;

Изучение флоры и фауны;

Оценка последствий стихийных бедствий (землетрясения, наводнения, пожары, эпидемии, извержения вулканов);

Оценка ущерба при загрязнении суши и водоемов;

Океанология.

Средства СДЗ позволяют получать сведения о состоянии атмосферы не только в локальном, но и в глобальном масштабе. Данные зондирования поступают в виде изображений, как правило, в цифровой форме. Дальнейшая обработка осуществляется компьютером. Поэтому проблематика СДЗ тесно связана с задачами цифровой обработки изображений.

Для наблюдения нашей планеты из космоса используют дистанционные методы, при которых исследователь имеет возможность на расстоянии получать информацию об изучаемом объекте. Дистанционные методы зондирования, как правило, являются косвенными, то есть с их помощью измеряют не интересующие наблюдателя параметры, а некоторые связанные с ними величины. Например, нам необходимо оценить состояние лесных массивов Уссурийской тайги. Аппаратура спутника, задействованная в мониторинге, будет регистрировать лишь интенсивность светового потока от изучаемых объектов в нескольких участках оптического диапазона. Чтобы расшифровать такие данные, требуются предварительные исследования, включающие в себя различные эксперименты по изучению состояния отдельных деревьев контактными методами. Затем необходимо определить, как выглядят те же объекты с самолета, и лишь после этого судить о состоянии лесов по спутниковым данным.

Методы изучения Земли из космоса не случайно относят к высокотехнологичным. Это связано не только с использованием ракетной техники, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, скоростных информационных сетей, но и с новым подходом к получению и интерпретации результатов измерений. Спутниковые исследования проводятся на небольшой площади, но они дают возможность обобщать данные на огромные пространства и даже на весь земной шар. Спутниковые методы, как правило, позволяют получать результат за сравнительно короткий интервал времени. К примеру, для бескрайней Сибири спутниковые методы наиболее приемлемы.

К числу особенностей дистанционных методов относится влияние среды (атмосферы), через которую проходит сигнал со спутника. Например, наличие облачности, закрывающей объекты, делает их невидимыми в оптическом диапазоне. Но даже и при отсутствии облачности атмосфера ослабляет излучение от объектов. Поэтому спутниковым системам приходится работать в так называемых окнах прозрачности, учитывая, что в них имеет место поглощение и рассеяние газами и аэрозолем. В радиодиапазоне возможно наблюдение Земли и сквозь облачность.

Информация о Земле и её объектах поступает со спутников в цифровом виде. Наземная цифровая обработка изображений проводится при помощи компьютеров. Современные спутниковые методы позволяют не только получать изображение Земли. Используя чувствительные приборы, удается измерять концентрацию атмосферных газов, в том числе вызывающих парниковый эффект. Спутник “Метеор-3” с установленным на нем прибором TOMS позволял за сутки оценить состояние всего озонового слоя Земли. Спутник NOAA кроме получения изображений поверхности дает возможность исследовать озоновый слой и изучать вертикальные профили параметров атмосферы (давление, температуру, влажность).

Дистанционные методы делятся на активные и пассивные. При использовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика), регистрирует его отражение, рис.3.4а. Пассивные методы подразумевают регистрацию отраженной от поверхности объектов солнечной энергии либо теплового излучения Земли.

Рис. . Активный (а) и пассивный (б) методы ДЗ.

При дистанционном зондировании Земли из космоса используются оптический диапазон электромагнитных волн и микроволновый участок радиодиапазона. Оптический диапазон включает в себя ультрафиолетовый (УФ) участок спектра; видимый участок – синюю (B), зеленую (G) и красную (R) полосы; инфракрасный участок (ИК) – ближний (БИК), средний и тепловой.

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

На волнах длиной более 4 мкм собственное тепловое излучение Земли превосходит излучение Солнца. Регистрируя интенсивность теплового излучения Земли из космоса, можно достаточно точно оценить температуру суши и водной поверхности, которая является важнейшей экологической характеристикой. Измерив температуру верхней границы облачности, можно определить её высоту, если учесть, что в тропосфере с высотой температура уменьшается в среднем на 6.5 o /км. 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 –50o , максимум излучения приходится на 12 мкм, при +50o – на 9 мкм.

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

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные понятия дистанционного зондирования Земли. Схема дистанционного зондирования

дистанционный зондирование земля геодезический

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.

Физическая основа дистанционного зондирования - функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта и его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением.

С помощью дистанционного зондирования изучают физические и химические свойства объектов.

В ДЗЗ выделяются два взаимосвязанных направления

Естественно-научное (дистанционные исследования)

Инженерно-техническое (дистанционные методы)

Remote sensing

Remote sensing techniques

Предмет ДЗЗ, как науки - пространственно-временные свойства и отношения природных и социально-экономических объектов, проявляющиеся прямо или косвенно в собственном или отраженном излучении, дистанционно регистрируемом из космоса или с воздуха в виде двумерного изображения - снимка.

Методы ДЗ основаны на использовании сенсоров, которые размещаются на космических аппаратах и регистрируют электромагнитное излучение в форматах, существенно более приспособленных для цифровой обработки, и в существенно более широком диапазоне электромагнитного спектра.

В ДЗ используют инфракрасный диапазон отраженного излучения, тепловой инфракрасный и радиодиапазон электромагнитного спектра.

Процесс сбора данных дистанционного зондирования и их использование в географических информационных системах (ГИС).

2. Виды космических съемок

Космосъемка занимает одно из ведущих мест среди различных методов дистанционного зондирования. Она осуществляется с помощью:

* искусственные спутники Земли (ИЗС),

* межпланетные автоматические станции,

* долговременные орбитальные станции,

* пилотируемые космические корабли.

Табл. Основные космодромы, используемые для запусков спутников-съемщиков.

Космические системы (комплексы) мониторинга окружающий среды включают в себя (и выполняют):

1. Спутниковые системы на орбите (центр управления полетами и съемкой),

2. Прием информации наземными пунктами приема, спутниками-ретрансляторами,

3. Хранение и распространение материалов (центры первичной обработки, архивы снимков). Разработана информационная поисковая система, обеспечивающая накопление и систематизацию материалов, получаемых с искусственных спутников Земли.

Орбиты космических летательных аппаратов.

Орбиты носителей делятся на 3 типа:

* экваториальные,

* полярные (полюсные),

* наклонные.

Орбиты подразделяют на:

* круговые (точнее, близкие к круговым). Космоснимки, полученные с космического носителя, который двигался по круговой орбите, имеют примерно одинаковый масштаб.

* эллиптические.

Орбиты различают также по положению относительно Земли или Солнца:

* геосинхронные (относительно Земли)

* гелиосинхронные (относительно Солнца).

Геосинхронные - космический летательный аппарат движется с угловой скоростью, равной скорости вращения Земли. Это создает эффект “зависания” космического носителя в одной точке, что удобно для постоянных съемок одного и того же участка земной поверхности.

Гелиосинхронные (или солнечно-синхронные) - космический аппарат проходит над определенными участками земной поверхности в одно и то же местное время, что используется при производстве многократных съемок при одинаковых условиях освещения. Гелиосинхронные орбиты -- орбиты, при съемке с которых солнечная освещенность земной поверхности (высота Солнца) остается практически неизменной достаточно продолжительное время (почти в течение Сезона). Это достигается следующим путем. Поскольку плоскость любой орбиты под влиянием несферичности Земли немного разворачивается (прецессирует), то оказывается возможным, подбирая определенное соотношение наклонения и высоты орбиты, добиться, чтобы величина прецессии была равной суточному повороту Земли вокруг Солнца, т. е. около 1° в сутки. Среди околоземных орбит удается создать лишь несколько солнечно-синхронных, наклонение которых всегда обратное. Например, при высоте орбиты 1000 км наклонение должно быть 99°.

Виды съемок.

Космическую съемку ведут разными методами (рис. «Классификация космических снимков по спектральным диапазонам и технологии съемки»).

По характеру покрытия земной поверхности космическими снимками можно выделить следующие съемки:

* одиночное фотографирование,

* маршрутную,

* прицельную,

* глобальную съемку.

Одиночное (выборочное) фотографирование выполняется космонавтами ручными камерами. Снимки обычно получаются перспективными со значительными углами наклона.

Маршрутная съемка земной поверхности производится вдоль трассы полета спутника. Ширина полосы съемки зависит от высоты полета и угла обзора съемочной системы.

Прицельная (выборочная) съемка предназначена для получения снимков специально заданных участков земной поверхности в стороне от трассы.

Глобальную съемку производят с геостационарных и полярно- орбитальных спутников. спутников. Четыре-пять геостационарных спутников на экваториальной орбите обеспечивают практически непрерывное получение мелкомасштабных обзорных снимков всей Земли (космическое патрулирование) за исключением полярных шапок.

Аэрокосмический снимок

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.

Космический снимок по своим геометрическим свойствам принципиально не отличается от аэрофотоснимка, но имеет особенности, связанные с:

* фотографированием с больших высот,

* и большой скоростью движения.

Аэрокосмическая съемка выполняются в видимом и невидимом диапазонах электромагнитных волн, где:

1. фотографический - видимый диапазон;

2. нефотографический - видимый и невидимый диапазоны, где:

· видимый диапазон - спектрометрический основан на различии спектральных коэффициентов отражения геологических объектов. Результаты записываются на магнитную ленту и отмечаются на карте. Возможно использование кино- и фотокамер;

· невидимый диапазон: радарная (радиотепловая РТ и радиолокационная РЛ), ультрафиолетовая УФ, инфракрасный ИК, оптико-электронный (сканерный), лазерный (лидарный).

Видимая и ближняя инфракрасная область. Самый полный объем информации получается в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях. Аэро- и космосъемки в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн осуществляются с помощью следующих систем:

* Телевизионных,

* фотографических,

* оптико-электронных сканирующих,

3. Фотографические системы

В настоящее время существует широкий класс систем ДЗЗ

формирующих изображение исследуемой подстилающей поверхности- В рамках данного класса аппаратуры можно выделить несколько подклассов различающихся по спектральному диапазону используемого электромагнитного излучения и по типу приёмника регистрируемого излучения также по методу активный или пассивный(зондирования фотографические и фототелевизионные системы: сканирующие системы видимого и ИК-диапазона телевизионные оптико-механические и оптико-электронные сканирующие радиометры и многоспектральные сканеры телевизионные оптические системы: радиолокационные системы бокового обзора (РЛСБО) сканирующие СВЧ-радиометры.

Фотографические снимки поверхности Земли получают с пилотируемых кораблей и орбитальных станций или с автоматических спутников- Отличительной чертой космических снимков (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 18х18см, 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 0,1мм 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.

4. Телевизионные системы

Телевизионные и сканерные снимки. Телевизионная и сканерная съемка позволяет систематически получать изображения и передавать их на Землю на приемные станции. Используются кадровые и сканирующие системы. В первом случае, это миниатюрная телевизионная камера в которой оптическое изображение, построенное объективом на экране переводится в форму электросигналов и по радиоканалам передается на землю--Во втором случае качающееся зеркало сканера на борту улавливает отраженный от Земли световой поток, поступающий на фотоумножитель. Преобразованные сигналы сканера по радиоканалам передаются на Землю. На приемных станциях записываются в виде изображений. Колебания зеркала формирует строки изображения, движение носителя позволяет накапливать строки и формировать снимок. Телевизионные и сканерные снимки могут передаваться в реальном масштабе времени, т.е. во время прохождения спутника над объектом съемки. Оперативность, это отличительная черта данного метода. Однако качество снимков несколько уступает фотографическим снимкам. Разрешение сканерных снимков определяется элементом сканирования и в настоящий момент составляет 80-30 м. Снимки этого типа отличаются строчно-сетчатой структурой заметной только при увеличении на снимках высокого разрешения. Сканерные снимки большого охвата имеют существенные геометрические искажения. Сканерные снимки поступаю в цифровой форме, что облегчает компьютерную обработку.

Телевизионная и сканерная съемка выполняется с метеоспутников и ресурсных спутниво LandSat, «Метеор-Природа», Ресрурс 0. В многозональном варианте.

Околоземные орбиты высотой 600-1400 км., масштабы от 1:10 000 000 до 1:1 000 000 и 1:100 000 при разрешении от 1-2 км до 30 м. LandSat, например, имеет 4 спектральных диапазона съемки в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне с разрешением 30 м. «Метеор-Природа» сканеры позволяют получать малое (1.5 км), среднее (230 м) и высокое разрешение до 80-40 м, Ресурс -0 сканеры среднего (170 м) и высокого (40м).

Многоэлементные ПЗС снимки. Дальнейшее повышение разрешения при оперативности съемки связано с внедрением электронных камер. В них используются многоэлементные линейные и матричные приемники излучения, состоящие из приборов с зарядовой связью (светочувствительные элементы-детекторы). Линейный ряд детекторов реализует строку снимка, накопление строк за счет движения носителя. (как у сканера)., но нет качающихся зеркал и более высокое разрешение. Ресурсные снимки высокого разрешения (40м) Ресурс и Французский спутник SPOT, до 10 м. Такая технология на K`mcR`s,6- Фототелевизионные снимки- У телевизионных снимков малое разрешение. У фототелевизионных, фотографирование с помощью фотокамеры (в результате хорошее качество), а передача по телевизионным каналам- Таким образом, объединяются преимущества фотографии с его высоким разрешением и оперативная доставка изображений.

5. Сканерные системы

В настоящее время для съемок из космоса наиболее часто используются многоспектральные (мультиспектральные). 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. 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 30м в видимом диапазоне спектра и 120м 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.

6. Лазерные сканирующие системы

Еще буквально десять лет назад было очень сложно даже представить, что создадут прибор, который сможет производить до полумиллиона сложных измерений в одну секунду. Сегодня же, такие приборы не только созданы, но и очень широко используются.

Лазерные сканирующие системы - без них уже трудно обойтись во многих отраслях, таких как горная отрасль, промышленность, топографическая съемка, архитектура, археология, гражданское строительство, мониторинг, моделирование городов и прочее.

Основополагающими техническими параметрами наземных лазерных сканеров считаются скорость, точность и дальность измерений. Выбор модели во многом зависит от видов работ и объектов, на которых сканеры будут использоваться. К примеру, на больших карьерах лучше применять устройства с повышенной точностью и дальностью. Для архитектурных работ вполне хватит 100-150 метров дальности, но потребуется прибор с точностью до 1 см. Если говорить о скорости работы, то в этом случае, чем выше, тем, конечно, лучше.

В последнее время технология наземного лазерного сканирования все шире используется для решения задач инженерной геодезии в различных областях строительства и промышленности. Растущая популярность лазерного сканирования обусловлена целым рядом преимуществ, которые дает новая технология по сравнению с другими методами измерений. Среди преимуществ хочется выделить главные: повышение скорости работ и уменьшение трудозатрат. Появление новых более производительных моделей сканеров, совершенствование возможностей программного обеспечения, позволяет надеяться на дальнейшее расширение сфер применения наземного лазерного сканирования.

Первым результатом сканирования является облако точек, которое и несет максимум информации об исследуемом объекте, будь то здание, инженерное сооружение, памятник архитектуры и т.п. По облаку точек в дальнейшем, возможно, решать различные задачи:

· получение трехмерной модели объекта;

· получение чертежей, в том числе, чертежей сечений;

· выявление дефектов и различных конструкций посредством сравнения с проектной моделью;

· определение и оценка значений деформации посредствам сравнения с ранее произведенными измерениями;

· получение топографических планов методом виртуальной съемки.

При топосъемке сложных промышленных объектов традиционными методами, исполнители часто сталкиваются с тем, что во время полевых работ бывают пропущены отдельные измерения. Обилие контуров, большое количество отдельных объектов приводят к неизбежным ошибкам. Материалы, получаемые при лазерном сканировании, несут более полную информации об объекте съемки. Перед началом процесса сканирования лазерный сканер производит панорамную фотосъемку, которая значительно повышает информативности получаемым результатов.

Технология наземного лазерного сканирования, используемая для создания трехмерных моделей объектов, топографических планов сложных загруженных территорий, значительно повышает производительность труда и уменьшает затраты времени. Разработка и внедрение новых технологий производства геодезических работ, всегда велись с целью сокращения сроков полевых работ. Можно с уверенностью сказать, что лазерное сканирование полностью отвечает этому принципу.

Технология наземного лазерного сканирования находится в постоянном развитии. Это касается и совершенствования конструкции лазерных сканеров, и развития функций программного обеспечения, используемого для управления приборами и обработки полученных результатов.

7. Закон Стефана-Больцмана

Нагретые тела излучают энергию в виде электромагнитных волн различной длины. Когда мы говорим, что тело «раскалено докрасна», это значит, что его температура достаточно высока, чтобы тепловое излучение происходило в видимой, световой части спектра. На атомарном уровне излучение становится следствием испускания фотонов возбужденными атомами. Закон, описывающий зависимость энергии теплового излучения от температуры, был получен на основе анализа экспериментальных данных австрийским физиком Йозефом Стефаном и теоретически обоснован также австрийцем Людвигом Больцманом.

Чтобы понять, как действует этот закон, представьте себе атом, излучающий свет в недрах Солнца. Свет тут же поглощается другим атомом, излучается им повторно -- и таким образом передается по цепочке от атома к атому, благодаря чему вся система находится в состоянии энергетического равновесия. В равновесном состоянии свет строго определенной частоты поглощается одним атомом в одном месте одновременно с испусканием света той же частоты другим атомом в другом месте. В результате интенсивность света каждой длины волны спектра остается неизменной.

Температура внутри Солнца падает по мере удаления от его центра. Поэтому, по мере движения по направлению к поверхности, спектр светового излучения оказывается соответствующим более высоким температурам, чем температура окружающий среды. В результате, при повторном излучении, согласно закону Стефана--Больцмана, оно будет происходить на более низких энергиях и частотах, но при этом, в силу закона сохранения энергии, будет излучаться большее число фотонов. Таким образом, к моменту достижения им поверхности спектральное распределение будет соответствовать температуре поверхности Солнца (около 5 800 К), а не температуре в центре Солнца (около 15 000 000 К). Энергия, поступившая к поверхности Солнца (или к поверхности любого горячего объекта), покидает его в виде излучения. Закон Стефана--Больцмана как раз и говорит нам, какова излученная энергия. Этот закон записывается так:

где Т -- температура (в кельвинах), а у -- постоянная Больцмана. Из формулы видно, что при повышении температуры светимость тела не просто возрастает -- она возрастает в значительно большей степени. Увеличьте температуру вдвое, и светимость возрастет в 16 раз!

Итак, согласно этому закону любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию. Так почему, спрашивается, все тела давно не остыли до абсолютного нуля? Почему, скажем, лично ваше тело, постоянно излучая тепловую энергию в инфракрасном диапазоне, характерном для температуры человеческого тела (чуть больше 300 К), не остывает?

Ответ на этот вопрос, на самом деле, состоит из двух частей. Во-первых, с пищей вы получаете энергию извне, которая в процессе метаболического усвоения пищевых калорий организмом преобразуется в тепловую энергию, восполняющую потери вашим телом энергии в силу закона Стефана--Больцмана. Умершее теплокровное весьма быстро остывает до температуры окружающей среды, поскольку энергетическая подпитка его тела прекращается.

Еще важнее, однако, тот факт, что закон распространяется на все без исключения тела с температурой выше абсолютного нуля. Поэтому, отдавая свою тепловую энергию окружающей среде, не забывайте, что и тела, которым вы отдаете энергию, -- например, мебель, стены, воздух, -- в свою очередь излучают тепловую энергию, и она передается вам. Если окружающая среда холоднее вашего тела (как чаще всего бывает), ее тепловое излучение компенсирует лишь часть тепловых потерь вашего организма, и он восполняет дефицит за счет внутренних ресурсов. Если же температура окружающей среды близка к температуре вашего тела или выше нее, вам не удастся избавиться от избытка энергии, выделяющейся в вашем организме в процессе метаболизма посредством излучения. И тут включается второй механизм. Вы начинаете потеть, и вместе с капельками пота через кожу покидают ваше тело излишки теплоты.

В вышеприведенной формулировке закон Стефана--Больцмана распространяется только на абсолютно черное тело, поглощающее всё попадающее на его поверхность излучение. Реальные физические тела поглощают лишь часть лучевой энергии, а оставшаяся часть ими отражается, однако закономерность, согласно которой удельная мощность излучения с их поверхности пропорциональна Т 4, как правило, сохраняется и в этом случае, однако постоянную Больцмана в этом случае приходится заменять на другой коэффициент, который будет отражать свойства реального физического тела. Такие константы обычно определяются экспериментальным путем.

8. История развития методов ДЗЗ

Рисованные снимки - Фотоснимки - наземная фототеодолитная съемка-Аэрофотоснимки - аэрометоды.-Понятие ДЗ появилось в XIX веке.-Впоследствии, ДЗ начали использовать в военной области для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений.-После Второй мировой войны ДЗ 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.-1960 год - запуск разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON и LANYARD. -Программа Mercury - получены снимки Земли. Проект Gemini (1965-1966 гг.) - систематический сбор данных дистанционного зондирования. Программа Apollo (1968-1975 гг.) - дистанционное зондирование земной поверхности и высадка человека на Луну-Запуск космической станции Skylab (1973-1974 гг.), - исследования земных ресурсов. Полеты космических кораблей многоразового использования(1981г.). Получение многозональных снимков с разрешением 100 метров в видимом и близком инфракрасном диапазоне с использованием девяти спектральных каналов.

9. Элементы ориентирования космических снимков

Положение снимка в момент фотографирования определяют три элемента внутреннегоориентирования-фокусное расстояние фотокамеры f, координаты x0, y0 главной точки о (рис. 1) и шестьэлементов внешнего ориентирования - координаты центра проекции S - XS, YS, ZS, продольный ипоперечный углы наклона снимка б и щ и угол поворота ч.

Между координатами точки объекта и её изображения на снимке существует связь:

где X, Y, Z и XS, YS, ZS - координаты точек М и S в системе OXYZ; X", Y", Z" - координаты точки m всистеме SXYZ, параллельной OXYZ, вычисляемые по плоским координатам х и у:

a1 = cos бcosч - sinбsinщsinч

a2 = - cosбsinч - sinбsin щcosч

a3 = - sinбcos щ

b2 = cosщcosч (3)

c1 = sinбcosч + cosбsinщsinч,

c2 = - sinбcosч + cosбsinщcosч,

Направляющие косинусы.

Формулы связи между координатами точки М объекта (рис. 2) и координатами её изображений m1 и m2на стереопаре P1 - P2 имеют вид:

BX, BY и BZ - проекции базиса В на оси координат. Если элементы внешнего ориентирования стереопары известны, то координаты точки объекта можно определить по формуле (4) (метод прямой засечки). По одиночному снимку положение точки объекта можно найти в частном случае, когда объект плоский, например равнинная местность (Z = const). Координаты х и у точек снимков измеряются намонокомпараторе или Стереокомпараторе. Элементы внутреннего ориентирования известны из результатов калибровки фотоаппарата, а элементы внешнего ориентирования можно определить при фотографировании объекта или в процессе фототриангуляции (См. Фототриангуляция). Если элементы внешнего ориентирования снимков неизвестны, то координаты точки объекта находят с использованием опорных точек (метод обратной засечки). Опорная точка - опознанная на снимке контурная точка объекта, координаты которой получены в результате геодезических измерений или из фототриангуляции. Применяя обратную засечку, сначала определяют элементы взаимного ориентирования снимков P1 - P2 (рис. 3) - б"1, ч"1, a"2, щ"2,ч"2 в системе S1X"Y"Z"; ось Х которой совпадает с базисом, а ось Z лежит в главной базисной плоскости S1O1S2снимка P1. Затем вычисляют координаты точек модели в той же системе. Наконец, используя опорные точки, переходят. от координат точек модели к координатам точек объекта.

Элементы взаимного ориентирования позволяют установить снимки в то положение относительно друг друга, которое они занимали при фотографировании объекта. В этом случае каждая пара соответственных лучей, например S1m1 и S2m2, пересекается и образует точку (m) модели. Совокупность лучей, принадлежащих снимку, называется связкой, а центр проекции - S1 или S2 - вершиной связки. Масштаб модели остаётся неизвестным, т.к. расстояние S1S2 между вершинами связок выбирается произвольно. Соответственные точки стереопары m1 и m2 находятся в одной плоскости, проходящей через базис S1S2.Поэтому

Полагая, что приближённые значения элементов взаимного ориентирования известны, можно представить уравнение (6) в линейном виде:

a дб1" + b дб2" + с дщ2" + d дч1" + e дч2" + l = V, (7)

где дб1",... e дм2" - поправки к приближённым значениям неизвестных, а,..., е - частные производные от функции (6) по переменным б1",... ч2", l - значение функции (6), вычисленное по приближённым значения мне известных. Для определения элементов взаимного ориентирования измеряют координаты не менее пяти точек стереопары, а затем составляют уравнения (7) и решают их способом последовательных приближений. Координаты точек модели вычисляют по формулам (4), выбрав произвольно длину базиса В и полагая

Xs1 = Ys1 = Zs1 = 0, BX = В, BY = BZ = 0.

При этом пространственные координаты точек m1 и m2находят по формулам (2), а направляющие косинусы - по формулам (3): для снимка P1 по элементам б1",

а для снимка P2 по элементам б2", щ2", ч2".

По координатам X" Y" Z" точки модели определяют координаты точки объекта:

где t - знаменатель масштаба модели. Направляющие косинусы получают по формулам (3),подставляя вместо углов б, щ и ч продольный угол наклона модели о, поперечный угол наклона модели з иугол поворота модели и.

Для определения семи элементов внешнего ориентирования модели - Размещено на http://www.allbest.ru/

О, з, и, t - составляют уравнения (8) для трёх или более опорных точек и решают их. Координаты опорных точек находят геодезическими способами или методом фототриангуляции. Совокупность точек объекта, координаты которых известны, образует цифровую модель объекта, служащую для составления карты и решения различных инженерных задач, например для изыскания оптимальной трассы дороги. Кроме аналитических методов обработки снимков, применяются аналоговые, основанные на использовании фотограмметрических приборов - Фототрансформатора, Стереографа, Стереопроектора и др.

Щелевые и панорамные фотоснимки, а также снимки, полученные с применением радиолокационных, телевизионных, инфракрасных-тепловых и других съёмочных систем, существенно расширяют возможности Ф., особенно при космических исследованиях. Но они не имеют единого центра проекции, и элементы внешнего ориентирования их непрерывно изменяются в процессе построения изображения, что осложняет использование таких снимков для измерительных целей.

10. Свойства аэрокосмических снимков

Аэрокосмические снимки -- основной результат аэрокосмических съемок, для выполнения которых используют разнообразные авиационные и космические носители. 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. Аэрокосмические съемки делят на пассивные, которые предусматривают регистрацию отраженного солнечного или собственного излучения Земли; активные, при которых выполняют регистрацию отраженного искусственного излучения. Диапазон масштабов аэрокосмических снимков: от 1:1000 до 1:100 000 000

Наиболее распространенные масштабы: аэрофотоснимков 1:10 000--1:50 000, космических -- 1:200 000--1:10 000 000.

Аэрокосмические снимки: аналоговые (обычно фотографические),цифровые (электронные). Изображение цифровых снимков образовано из отдельных одинаковых элементов -- пикселов (от англ. picture element -- рixel); яркость каждого пиксела характеризуется одним числом. Свойства аэрокосмических снимков: Изобразительные, Радиометрические (фотометрические) ,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.

11. Смещение точек на космическом снимке

Достоинства космосъемки. Летящий спутник не испытывает вибраций и резких колебаний, поэтому космические снимки удается получать с более высокой разрешающей способностью и высоким качеством изображения, чем аэроснимки. Снимки могут быть переведены в цифровую форму для последующей компьютерной обработки.

Недостатки космосъемки: информация не поддается автоматизированной обработке без предварительных преобразований. При космофотосъемке происходит смещение точек (под влиянием кривизны Земли), их величина на краях снимка достигает 1,5 мм. В пределах снимка нарушено постоянство масштаба, различие которого на краях и в центре снимка может составлять выше 3%.

Недостатком фотосъемки является его неоперативность, т.к. контейнер с пленкой спускается на Землю не чаще, чем один раз в несколько недель. Поэтому фотографические космические снимки редко используются для оперативных целей, а представляют информацию долговременного использования.

Как известно, снимок - это центральная проекция местности, а топографическая карта - ортогональная. Горизонтальный снимок плоской местности соответствует ортогональной проекции, т. е. проекции ограниченного участка топографической карты. В связи с этим, если преобразовать наклонный снимок в горизонтальный снимок заданного масштаба, то положение контуров на снимке будет соответствовать положению контуров на топографической карте заданного масштаба. Рельеф местности также вызывает смещение точек на снимке относительно их положения на ортогональной проекции соответствующего масштаба.

12. Этапы дистанционного зондирования и анализа данных

Стереосъемка.

Многозональная съемка. Гиперспектральная съемка.

Многовременная съемка.

Многоуровневая съемка.

Многополяризационная съемка.

Комбинированный метод.

Междисциплинарный анализ.

Техника получения материалов дистанционного зондирования

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

Фотосъемка

Высокая степень обзорности, охват одним снимком больших площадей поверхности.

Фотографирование во всем видимом диапазоне электромагнитного спектра, в отдельных его зонах, а также в ближнем ИК (инфракрасном) диапазоне.

Масштабы съемки зависят от

Высоты съемки

Фокусного расстояния объектива.

В зависимости от наклона оптической оси получение плановых и перспективных снимков земной поверхности.

КС с перекрытием 60% и более. Спектральный диапазон фотографирования охватывает видимую часть ближней инфракрасной зоны (до 0,86 мкм).

Сканерная съемка

Наиболее часто используются многоспектральные оптико-механические системы - сканеры, установленные на ИСЗ различного, назначения.

Изображения, состоящие из множества отдельных, последовательно получаемых элементов.

«сканирование» - развертка изображения при помощи сканирующего элемента, 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.

Сканерная съемка

Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, но особенно эффективным является видимый и ИК-диапазоны.

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.

Радиолокационная съемка

Получение изображений земной поверхности и объектов, расположенных на ней, независимо от погодных условий, в дневное и ночное время благодаря принципу активной радиолокации.

Технология была разработана в 1930-х гг.

Радиолокационная съемка Земли ведется в нескольких участках диапазона длин волн (1 см - 1 м) или частот (40 ГГц- 300 МГц).

Характер изображения на радиолокационном снимке зависит от соотношения между длиной волны и размерами неровностей местности: поверхность может быть в разной степени шероховатой или гладкой, что проявляется в интенсивности обратного сигнала и, соответственно, яркости соответствующего участка на снимке. Тепловые съемки

Основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным теплом или солнечным излучением.

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. 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.

Космические снимки

Три основных способа передачи данных со спутника на Землю.

Прямая передача данных на наземную станцию.

Полученные данные сохраняются на спутнике, а затем передаются с некоторой задержкой по времени на Землю.

Использование системы геостационарных спутников связи TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System).

13. Комплекты поставки ERDAS IMAGINE

ERDAS IMAGINE - один из самых популярных в мире программных продуктов в области работы с геопространственными данными. ERDAS IMAGINE сочетает в мощном и удобном программном обеспечении возможности обработки и анализа разнообразной растровой и векторной геопространственной информации, позволяя создавать такие продукты, как прошедшие улучшающие преобразования геопривязанные снимки, ортомозаики, карты классификации растительности, ролики полёта в «виртуальном мире», векторные карты, полученные в результате обработки аэро- и космических изображений.

IMAGINE Essentials - продукт начального уровня, содержит базовые инструменты для визуализации, коррекции, составления карт. Позволяет использовать пакетную обработку.

IMAGINE Advantage включает в себя все возможности IMAGINE Essentials. Помимо этого, предоставляет расширенные возможности спектральной обработки, анализа изменений, ортокоррекции, мозаики, анализа изображений. Позволяет проводить параллельную пакетную обработку.

IMAGINE Professional включает в себя все возможности IMAGINE Advantage. Кроме того, предлагает набор передовых инструментов для обработки спектральных, гиперспектральных и радиолокационных данных, а также пространственного моделирования. Включает ERDAS ER Mapper.

Дополнительные модули, такие как SAR Interferometry, IMAGINE Objective и другие, расширяют функциональность программного комплекса, делая его универсальными инструментом работы с геопространственной информацией.

14. Цифровые данные. Схематичное представление преобразования исходных данных в значения пикселей

Цифровые данные в процессе сканирования сенсором генерируется электрический сигнал, интенсивность которого изменяется в зависимости от яркости участка земной поверхности. При многозональной съемке различным спектральным диапазонам соответствуют отдельные независимые сигналы. Каждый такой сигнал непрерывно изменяется во времени, и для последующего анализа его необходимо преобразовать в набор числовых значений. Для преобразования непрерывного аналогового сигнала в цифровую форму его разделяют на части, соответствующие равным интервалам дискретизации (Рисунок 11). Сигнал в пределах каждого интервала описывается только сред ним значением его интенсивности, поэтому вся информация о вариациях сигнала на этом интервале теряется. Таким образом, величина интервала дискретизации является одним из параметров, от которого напрямую зависит разрешающая способность сенсора. Следует также отметить, что для цифровых данных обычно выбирают не абсолютную, а относительную шкалу яркостей, поэтому эти данные не отражают истинных радиометрических значений, полученных для данной сцены.

15. Проектирование техногенной системы

При проектировании любой техногенной системы, включая информационные, в первую очередь определяют цели, достижение которых необходимо обеспечить, и первоочередные задачи, решаемые при эксплуатации системы.

Определим основную цель проекта ГИС «Каспий» следующим образом: создать многоцелевую, многопользовательскую систему оперативного информационного обслуживания центральных и местных органов власти, государственных органов экологического контроля, агентства и его подразделений по чрезвычайным ситуациям, компаний нефтегазовой промышленности, а также других официальных или частных организаций и лиц. заинтересованных в решении территориальных проблем региона.

Первоочередные задачи можно сформулировать, исходя из краткой характеристики территории. На наш взгляд, эти задачи следующие:

картирование природных структур и объектов с анализом и описанием геологических, ландшафтных и других территориальных закономерностей;

тематическое картирование инфраструктуры нефтегазовой промышленности с достаточно точной привязкой к топооснове и ландшафтным, геомофологическим, экологическим картам побережья;

оперативный контроль и прогноз динамики береговой линии с анализом возникающих при этом территориальных проблем (разрушение дамб, затопление нефтяных скважин, вынос нефтяных разливов в море, замазучивание прибрежных районов и др.);

слежение за ледовой обстановкой, особенно в районах шельфа, где добыча нефти осуществляется с морских платформ.

Исходя из списка первоочередных задач, сформулируем содержательные требования к системе:

на первом этапе реализации системы использовать доступные космические средства NOAA/AVHRR и TERRA/MODIS и соответственно осуществлять мониторинг процессов крупного и среднего масштабов - тепловые поля, ледовые покрытия, водные поверхности. Предусмотреть возможность развития системы с использованием активных (RADARSAT-1, 2 ERS-1) и пассивных (Landsat-7. SPOT-4,1RS) съемок высокого разрешения;

в системе должны быть предусмотрены прием, архивация и обработка данных наземных наблюдений, полученных как на сети агрометеостанций, так и на подспутниковых полигонах и тестовых участках. Состав аппаратуры определяется в зависимости от решаемой задачи;

*дополнительным источником информации могут служить также экспедиционные наземные и самолетные наблюдения. В зависимости от оснащенности этих экспедиций информация может поступать в оперативном режиме или после камеральной обработки.

Системные соглашения по доступу к информации, срокам ее хранения, ценообразованию первичных и обработанных данных и др. должны вырабатываться совместно с заинтересованными министерствами, областными и районными акиматами и другими государственными потребителями данных мониторинга. В проекте системы должна быть предусмотрена возможность включения соответствующие управляющих и сервисных программ.

Эти базовые требования определяют рамки, выходить за которые проектировщик не имеет права. Однако отметим, что чем уже эти рамки, чем жестче ограничения, тем легче проектировать и программировать. Поэтому грамотный проектировщик стремится к тесному взаимодействию с заказчиком при выработке технического задания.

Целесообразность создания такой системы доказана многочисленными примерами эффективного использования ГИС при решении самых различных территориальных задач. Особенность данной работы состоит в проектировании и реализации ГИС мониторинга и моделирования территориальных процессов на рассматриваемой территории с учетом существующей, на данный момент, инфраструктуры информационных технологий.

На первом этапе сформулируем тот минимум обязательных условий, который предъявляется к информационной (вернее, к любой техногенной) системе для обеспечения ее “жизнестойкости”. Система может эффективно функционировать и эволюционировать, если:

ее функциональное назначение отвечает потребностям среды (как правило, тоже системы), в которую она погружена;

ее структура не противоречит архитектуре систем, с которыми она взаимодействует;

ее структура внутренне не противоречива и обладает высокой степенью гибкости и модифицируемости;

процедуры, вшитые в нее, эффективным способом объединяются в технологические цепочки, соответствующие общей технологической схеме функционирования системы;

ее сокращение или расширение не приводит к разрушению структуры, и каждый этап "жизненного цикла” системы, каждая ее версия используется для выполнения

соответствующих функций.

Перечисленные условия эффективности техногенных систем можно

проиллюстрировать многими примерами. Осооенно наглядно демонстрируют эти условия, так называемые, системы мониторинга. Среди них ярким примером служит мощная мониторинговая система - всемирная метеорологическая служба.

16. Методы дешифрирования

При дешифрировании радиолокационного аэрокосмоизображения, независимо от выбранною метода, необходимо:

обнаружить цель или объект местности на изображении;

опознать цель или объект местности;

проанализировать обнаруженную цель или объект местности и определить их количественные и качественные характеристики;

оформить результаты дешифрирования в виде графического или текстового документа.

В зависимости от условий и места выполнения дешифрирование радиолокационных снимков может быть подразделено на полевое, аэровизуальное, камеральное и комбинированное.

Нулевое дешифрирование

Мри полевом дешифрировании дешифровщик непосредственно на местности ориентируется по характерным и легко опознаваемым объектам местности и, сравнивая контуры объектов с их радиолокационными изображениями, наносит результаты опознавания условными знаками на снимок или топографическую карту.

При полевом дешифрировании попутно, непосредственными измерениями, определяются числовые и качественные характеристики объектов (характеристики растительности, водоемов, сооружений при них, характеристики населенных пунктов и т. д.). При этом на снимок или карту могут быть нанесены объекты, не изобразившиеся на снимке вследствие своих малых размеров или потому, что они не существовали в момент съемки. При полевом дешифрировании специально или попутно создаются эталоны (ключи), с помощью которых в дальнейшем в камеральных условиях облегчается опознавание объектов однотипной местности.

Недостатками полевого дешифрирования снимков являются его трyдоемкость по времени и затратам и сложность его организации.

Аэровизуальное дешифрирование аэрокосмоснимков

В последнее время в практике аэрофотографических работ все большее применение пол\ чает аэровизуальный метод дешифрирования аэрофотоснимков. Этот метод с успехом можег быть применен при дешифрировании радиолокационных изображений местности.

Сущность аэровизуального метода заключается в опознавании изображений объекта с самолета или вертолета. Наблюдение может вестись через оптические и инфракрасные приборы. Аэровизуальное дешифрирование радиолокационных изображений позволяет увеличить производительность и снизить стоимость работ полевого дешифрирования.

Полученные в результате дешифрирования данного снимка данные позволят определить местоположение источников загрязнений и оценить их интенсивность (рис. 12).

Камеральное дешифрирование аэрокосмоснимков

При камеральном дешифрировании снимков опознавание объектов и их интерпретация производится без сличения изображений с натурой, путем изучения изображений объектов по их дешифровочным признакам. Камеральное дешифрирование снимков широко применяется при составлении контурных радиолокационных карт, обновлении топографических карт, геологических исследованиях, при исправлении и дополнении картографических материалов в труднодоступных районах.

Однако камеральное дешифрирование обладает существенным недостатком - невозможно полностью получить все необходимые сведения о местности. Кроме того, результаты камерального дешифрирования снимков соответствуют не времени выполнения дешифрирования, а моменту съемки. Поэтому представляется весьма целесообразным сочетание камерального и полевого или аэровизуального дешифрирования снимков, т. е. их комбинирование.

При комбинированном дешифрировании снимков основная работа по обнаружению и опознаванию объектов выполняется в камеральных условиях, а в поле или в полете выполняются и опознаются те объекты или их характеристики которые невозможно опознать камерально.

Камеральное дешифрирование делится на два метода:

непосредственное или полуинструментальное дешифрирование;

инструментальное дешифрирование.

Непосредственный метод дешифрирования

При непосредственном методе дешифрирования исполнитель зрительно, без приборов или с помощью увеличительных приборов, рассматривает снимок и, основываясь на дешифровочных признаках изображения и своем опыте, опознает и интерпретирует объекты.

При непосредственном методе дешифрировании снимков применяемые приборы являются вспомогательными, улучшающими условия наблюдения. Некоторые приборы позволяют дешифровщику определять количественные характеристики дешифрируемых объектов. Но основную роль в обнаружении, распознавании и интерпретации играет человек.

К вспомогательным приборам и инструментам относятся наборы луп с различным увеличением, измерительные шкалы, стереоскопы, параллактические линейки, параллаксометры, специальные приборы для дешифрирования, проекционные экраны, телевизионные и электронно-оптические замкнутые системы, улучшающие условия дешифрирования снимков.

17. Искажение космических снимков

Анализ подсистемы реального космического снимка приводит к выводу о том, что источники искажений (шумов) при космической съемке могут быть представлены тремя подсистемами искажающих факторов:

погрешности работы съемочной и регистрирующей аппаратуры;

«шумы» среды распространения электромагнитного излучения и особенности поверхности объекта съемки;

изменение ориентации носителя во время съемки.

Такая систематизация позволяет выработать стратегию изучения и коррекции искажений космических снимков, поскольку она приводит к следующим выводам:

характер искажений, вызываемых источниками второго и третьего типа с небольшими модификациями, связанными в основном с используемым спектральным диапазоном, будет одинаков для любых съемочных систем. По этой причине такие искажения можно изучать, абстрагируясь в определенной степени от конкретного типа съемочной аппаратуры;

характер искажений, вызываемых источниками первой группы, устанавливается путем всестороннего исследования аппаратуры, при этом необходима разработка методов ее калибровки и контроля во время работы на орбите, что должно позволить производить коррекцию большинства искажений, вызванных несовершенством функционирования аппаратуры.

Искажающие факторы могут быть подразделены также по способу учета искажений, вызываемых тем пли иным источником шумов:

факторы, влияние которых можно сравнительно просто и с достаточной точностью учесть путем введения поправок в координаты точек на снимке, причем эти поправки рассчитываются по конечным математическим формулам;

факторы, учет которых требует применения современных методов математической статистики и теории обработки измерений.

В зарубежных публикациях о космической съемке указанные подсистемы искажающих факторов называют соответственно предсказуемыми и измеряемыми, т. е. требующими производства измерений и математико-статистической обработки их результатов.

...

Подобные документы

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

дипломная работа , добавлен 15.02.2017


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

курсовая работа , добавлен 07.05.2015


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

курсовая работа , добавлен 15.03.2016


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

реферат , добавлен 24.04.2012


Дешифрирование - анализ материалов аэро- и космических съемок с целью извлечения из них информации о поверхности Земли. Получение информации путем непосредственных наблюдений (контактный способ), недостатки способа. Классификация дешифрирования.

презентация , добавлен 19.02.2011


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

контрольная работа , добавлен 21.08.2015


Причины использования метода дешифрирования снимков. Влияние ледников на природу планеты. Оценка снежно-ледовых ресурсов Земли из космоса. Значение космических снимков. Этапы программы "космической помощи". Необходимость применения рекреационных карт.

реферат , добавлен 17.11.2011


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

курсовая работа , добавлен 06.06.2014


Аэросъемка и космическая съемка - получение изображений земной поверхности с летательных аппаратов. Схема получения первичной информации. Влияние атмосферы на электромагнитное излучение при съемках. Оптические свойства объектов земной поверхности.

презентация , добавлен 19.02.2011


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

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 0,5–0,6 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.

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) – наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные , то есть использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные – использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. Данные ДЗЗ, полученные с КА, характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в различных диапазонах.

Аппаратура ДЗЗ первых КА, запущенных в 1960-70-х гг. была трассового типа – проекция области измерений на поверхность Земли представляла собой линию. Позднее появилась и широко распространилась аппаратура ДЗЗ панорамного типа – сканеры, проекция области измерений на поверхность Земли которых представляет собой полосу.

Космические аппараты дистанционного зондирования Земли используются для изучения природных ресурсов Земли и решения задач метеорологии. КА для исследования природных ресурсов оснащаются в основном оптической или радиолокационной аппаратурой. Преимущества последней заключаются в том, что она позволяет наблюдать поверхность Земли в любое время суток, независимо от состояния атмосферы.

Обработка данных

Качество данных, получаемых в результате дистанционного зондирования, зависит от их пространственного, спектрального, радиометрического и временного разрешения.

Пространственное разрешение. Характеризуется размером пикселя (на поверхности Земли), записываемого в растровую картинку – может варьироваться от 1 до 1000 м.

Спектральное разрешение. Данные Landsat включают семь полос, в том числе инфракрасного спектра, в пределах от 0.07 до 2.1 мкм. Сенсор Hyperion аппарата Earth Observing-1 способен регистрировать 220 спектральных полос от 0.4 до 2.5 мкм, со спектральным разрешением от 0.1 до 0.11 мкм.

Радиометрическое разрешение. Число уровней сигнала, которые сенсор может регистрировать. Обычно варьируется от 8 до 14 бит, что дает от 256 до 16 384 уровней. Эта характеристика также зависит от уровня шума в инструменте.

Временное разрешение. Частота пролета спутника над интересующей областью поверхности. Имеет значение при исследовании серий изображений, например при изучении динамики лесов. Первоначально анализ серий проводился для нужд военной разведки, в частности для отслеживания изменений в инфраструктуре, передвижений противника.

Для создания точных карт на основе данных дистанционного зондирования, необходима трансформация, устраняющая геометрические искажения. Снимок поверхности Земли аппаратом, направленным точно вниз, содержит неискаженную картинку только в центре снимка. При смещении к краям расстояния между точками на снимке и соответствующие расстояния на Земле все более различаются. Коррекция таких искажений производится в процессе фотограмметрии. С начала 1990-х большинство коммерческих спутниковых изображений продается уже скорректированными.

Кроме того, может требоваться радиометрическая или атмосферная коррекция. Радиометрическая коррекция преобразует дискретные уровни сигнала, например от 0 до 255, в их истинные физические значения. Атмосферная коррекция устраняет спектральные искажения, внесенные наличием атмосферы.

В рамках программы NASA Earth Observing System были сформулированы уровни обработки данных дистанционного зондирования:

Уровень	Описание
	Данные, поступающие непосредственно от устройства, без служебных данных (синхронизационные фреймы, заголовки, повторы).
1a	Реконструированные данные устройства, снабженные маркерами времени, радиометрическими коэффициентами, эфемеридами (орбитальными координатами) спутника.
1b	Данные уровня 1a, преобразованные в физические единицы измерения.
	Производные геофизические переменные (высота океанических волн, влажность почвы, концентрация льда) с тем же разрешением, как у данных уровня 1.
	Переменные, отображенные в универсальной пространственно-временной шкале, возможно дополненные интерполяцией.
	Данные, полученные в результате расчетов на основе предыдущих уровней.

Рис. 9. . Электромагнитный спектр его деление с указанием длин волн, устанавливаемых различными приборами

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.

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 около 5 млн. аэрофотоснимков и около 2 млн. изображений, полученных со спутников «Лендсат», а также копии всех аэрофотоснимков и космических снимков поверхности Земли, хранящихся в 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 (Multi-Spectral-Scanners), которые используются на самолетах и КА. Искусственные спутники Земли «Лендсат-1, -2 и -4» (Landsat -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 0,5-0,6 мкм, содержит около 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.

Примечание. Данные дистанционного зондирования служат основным источником информации при подготовке карт землепользования и топографических карт. Метеорологические и геодезические спутники NOAA и GOES используются для наблюдения за изменением облачности и развитием циклонов, в том числе таких, как ураганы и тайфуны. Изображения, получаемые со спутников NOAA, используются также для картирования сезонных изменений снегового покрова в северном полушарии в целях климатических исследований и изучения изменений морских течений, знание которых позволяет сократить продолжительность морских перевозок. Микроволновые приборы на спутниках «Нимбус» используются для картирования сезонных изменений в состоянии ледового покрова в морях Арктики и Антарктики.

Данные ДЗЗ 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.

Инфракрасная аэротермография из космоса позволяет различить области локальных течений Гольфстрима.

И все же именно в геологических науках ДЗЗ 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 гг. 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.

Первый советский спутник «Зенит-2» был создан в ОКБ-1. С 1965 по 1982 год на базе спутника «Зенит» в ЦСКБ-Прогресс было создано семь модификаций спутников дистанционного зондирования Земли. Всего к настоящему времени в ЦСКБ-Прогресс создано 26 типов автоматических КА для наблюдения земной поверхности, решающих весь спектр задач в интересах национальной безопасности, науки и народного хозяйства.

С 1988 по 1999 год произведено 19 успешных запусков космических аппаратов «Ресурс-Ф1» и «Ресурс-Ф1М». С 1987 по 1995 год произведено 9 успешных запусков КА «Ресурс-Ф2».

Космический комплекс «Ресурс-Ф2» предназначен для проведения многозонального и спектрозонального фотографирования поверхности Земли в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра электромагнитного излучения с высокими геометрическими и фотометрическими характеристиками в интересах различных отраслей народного хозяйства и наук о Земле.

Космический комплекс «Ресурс-ДК» – уникальная разработка ЦСКБ-Прогресс, сочетающая в себе испытанные временем технические решения и передовые достижения конструкторской мысли. Космический комплекс «Ресурс-ДК» обеспечивает многозональное дистанционное зондирование земной поверхности и оперативную доставку высокоинформативных изображений по радиоканалу на Землю.

В ноябре 2010 г. из строя вышел ряд систем «Ресурса-ДК», после чего аппарат уже не мог быть использован по назначению.

«Ресурс-П» призван заменить старый спутник «Ресурс-ДК».

Уникальность нового аппарата зондирования Земли «Ресурс-П» – в наборе сканеров – на нем будет установлено четыре-пять съемочных систем. Это позволит получать информацию с Земли не в трех цветах, как сейчас, а в полной цветовой гамме и ближнем инфракрасном диапазоне.

Новый комплекс спутник будет точнее и оперативнее своего предшественника. По замыслу разработчиков, «Ресурс-П» позволит изучать эволюцию климата, получать космические данные о крупномасштабных процессах в атмосфере и на поверхности Земли, вести мониторинг чрезвычайных ситуаций, прогнозировать землетрясения, оповещать о цунами, пожарах, разливах нефтепродуктов и многое другое.

Рис. Ресурс-ДК

«Космос-1076» - первый советский специализированный океанографический спутник. Это один из двух спутников, участвовавших в эксперименте «Океан-Э» (второй - «Космос-1151»). Оба сделаны на базе космического аппарата типа АУОС-3. Главные конструкторы:В.М.Ковтуненко, Б.Е.Хмыров, С.Н.Конюхов, В.И.Драновский. Данные, полученные спутником позволили создать первую советскую базу космических данных о Мировом океане:18 Спутник оснащался аппаратурой дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) трассового типа.

КБ «Южное»

океанографические исследования

Ракета-носитель

11К68 («Циклон-3»)

Стартовая площадка

Плесецк, стартовый комплекс №32/2

Сход с орбиты

Технические характеристики

Элементы орбиты

Тип орбиты

Приполярная

Наклонение

Период обращения

Апоцентр

Перицентр

Монитор - серия малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли созданная в ГКНПЦ им. М. В. Хруничева на базе унифицированной космической платформы «Яхта». Предполагалось что серия будет состоять из спутников «Монитор-Э», «Монитор-И», «Монитор-С», «Монитор-О» оснащенных различной оптико-электронной аппаратурой и «Монитор-Р» оснащенного радиолокационными системами". На настоящий момент в федеральной космической программе спутники серии "Монитор" отсутствуют.

Монитор-Э

Первый из спутников серии - Монитор-Э (экспериментальный) предназначен для отработки новой целевой аппаратуры и служебных систем платформы «Яхта». На спутнике весом 750 кг установлены две камеры с разрешением 8 м в панхроматическом режиме (один канал) и 20 м в многоканальном режиме (3 канала). Снимки «Монитора-Э» будут покрывать территорию размерами 90 на 90 км и 160 на 160 км. Объём бортовой памяти 50 гигабайт (2×25). Спутник разработан в негерметичном исполнении, по модульному принципу, что позволяет при необходимости расширять возможности КА за счет дополнительной аппаратуры. Целевая аппаратура способна обеспечить передачу информации в масштабе времени, близком к реальному. Спутник оснащен электрореактивной двигательной установкой (ЭРДУ), в качестве рабочего тела ЭРДУ используется ксенон. Предполагаемый срок активного существования аппарата составляет 5 лет.

«Монитор-Э» был запущен 26 августа 2005 года с космодрома Плесецк с использованием ракеты-носителя Рокот. Спутник был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 550 км. После выхода на орбиту связь с аппаратом установить не удалось из-за отказа наземного оборудования радиолинии управления бортовой аппаратурой. Удалось наладить связь со спутником только через сутки. Однако уже 18 октября на аппарате возникли серьезные проблемы, связанные с его управлением, после чего он вошел в неориентированный режим. Это произошло из-за временного отказа одного из каналов гироскопического измерителя вектора угловой скорости (ГИВУС). Вскоре эту проблему удалось решить и уже 23 ноября 2005 года была проведена проверка работоспособности радиолиний передачи изображений с борта КА. 26 ноября 2005 года были получены первые изображения земной поверхности с камеры разрешением 20 метров, а 30 ноября была опробована камера разрешением 8 метров. Таким образом, можно утверждать, что работа космического аппарата «Монитор-Э» полностью восстановлена.

В 2011 году эксплуатация КА приостановлена.

Программа «Лендсат» – наиболее продолжительный проект по получению спутниковых фотоснимков планеты Земля. Первый из спутников в рамках программы был запущен в 1972; последний, на настоящий момент, «Лендсат-7» – 15 апреля 1999. Оборудование, установленное на спутниках «Лендсат» сделало миллиарды снимков. Снимки, полученные в США и на станциях получения данных со спутников по всему миру, являются уникальным ресурсом для проведения множества научных исследований в области сельского хозяйства, картографии, геологии, Лесоводства, разведки, образования и национальной безопасности. К примеру, «Лендсат-7» поставляет снимки в 8 спектральных диапазонах с пространственным разрешением от 15 до 60 м на точку; периодичность сбора данных для всей планеты изначально составляла 16 сут.

В 1969 г., в год полёта человека на Луну, в исследовательском центре Hughes Santa Barbara начали разработку и производство первых трех мультиспектральных сканеров (MSS). Первые прототипы MSS были изготовлены в течение 9 месяцев, к осени 1970, после чего они были протестированы на гранитном куполе Хаф-Доум в национальном парке Йосемити.

Изначальная оптическая схема MSS создана Jim Kodak, инженером по разработке опто-механических систем, который также спроектировал оптическую камеру КА программы Пионер, ставшую первым оптическим прибором, покинувшем Солнечную систему.

В момент создания в 1966 г. программа называлась Earth Resources Observation Satellites (Спутники наблюдения за ресурсами Земли), но в 1975 программу переименовали. В 1979 г., Президентской Директивой № 54, президент США Джимми Картер передал управление программой из NASA в NOAA, рекомендовав разработку долговременной системы с 4 дополнительными спутниками после «Лендсат-3», а также передачу программы в частный сектор. Это произошло в 1985, когда группа из Earth Observation Satellite Company (EOSAT), Hughes Aircraft и RCA, были выбраны NOAA для управления системой «Лендсат» в рамках десятилетнего контракта. EOSAT управляла «Лендсат-4 и -5», имела эксклюзивные права на продажу данных, полученный в программе и построила «Лендсат-6 и -7».

Спутниковая фотография Калькутты в симулированных цветах (simulated-color). Снято спутником NASA «Лендсат-7».

В 1989, когда передача программы еще не была окончательно завершена, у NOAA были исчерпаны бюджетные фонды для программы Landsat (NOAA не запрашивала финансирования, и конгресс США выделил финансирование лишь на половину финансового года) и NOAA решило закрыть «Лендсат-4 и -5». Глава нового Национального Космического комитета (National Space Council, вице-президент Джеймс Куэйл, обратил внимание на сложившуюся ситуацию и помог программе получить внеочередное финансирование.

В 1990 и 1991 годах конгресс снова предоставлял NOAA финансирование лишь на половину года, требуя, чтобы другие агентства, использующие данные собранные в программе «Лендсат», предоставили оставшуюся половину необходимых денег. В 1992, принимались усилия восстановить финансирование, однако к концу года EOSAT прекратил обработку данных «Лендсат». «Лендсат-6» был запущен 5 октября 1993, но потерян в результате аварии. Обработка данных от «Лендсат-4 и -5» была возобновлена EOSAT в 1994. «Лендсат-7» был запущен NASA 15 апреля 1999.

Важность программы «Лендсат» была признана конгрессом в октябре 1992, при принятии закона Land Remote Sensing Policy Act (Public Law 102-555), позволившего продолжить работу «Лендсат-7», и гарантирующего доступность данных и изображений с «Лендсат» по наиболее низким ценам, как текущим, так и новым пользователям.

Хронология запусков

«Лендсат-1» (изначально ERTS-1, Earth Resources Technology Satellite -1) - запущен 23 июля 1972, прекратил работу 6 января 1978

«Лендсат-7» - запущен 15 апреля 1999, функционирует. С мая 2003 произошел сбой модуля Scan Line Corrector (SLC). С сентября 2003 используется в режиме без коррекции линий сканирования, что уменьшает количество получаемой информации до 75 % от изначальной.

Технические детали

Следующим спутником в рамках программы должен стать Landsat Data Continuity Mission. Запуск запланирован на 2012 г. Новый спутник строится в Аризоне фирмой Orbital Sciences Corporation.

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.