ЕГЭ
Дистанционное зондирование земли при геологической съемке. Дистанционное зондирование земли. История и современное состояние аэрокосмического зондирования

Дистанционное зондирование земли при геологической съемке. Дистанционное зондирование земли. История и современное состояние аэрокосмического зондирования

6.1. Понятие дистанционного зондирования Земли

Под дистанционным зондированием Земли (ДЗЗ) понимают неконтактное изучение Земли, ее поверхности, близповерхностного пространства и недр, отдельных объектов, динамических процессов и явлений путем регистрации и анализа их собственного или отраженного электромагнитного излучения. Регистрацию можно выполнять с помощью технических средств, установленных на аэро- и космических летательных аппаратах, а также на земной поверхности, например при исследовании динамики эрозионных и оползневых процессов и др. .

Дистанционное зондирование, интенсивно развиваясь, выделилось в самостоятельное направление использования снимков. Взаимосвязь основных направлений использования снимков и наименования направлений могут быть представлены схемой (рис. 34).

Рис. 34. Схема взаимосвязи основных процессов получения и обработки снимков

В настоящее время большую часть данных дистанционного зондирования Земли получают с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Данные ДЗЗ – это аэрокосмические снимки, которые представляются в цифровой форме в виде растровых изображений, поэтому проблематика обработки и интерпретации данных ДЗЗ тесно связана с цифровой обработкой изображений.

Данные космических съемок стали доступны широкому кругу пользователей и активно применяются не только в научных, но и в производственных целях. ДЗЗ является одним из основных источников актуальных и оперативных данных для геоинформационных систем (ГИС). Научно-технические достижения в области создания и развития космических систем, технологий получения, обработки и интерпретации данных многократно расширили круг задач, решаемых с помощью ДЗЗ. Основные области применения ДЗЗ из космоса – изучение состояния окружающей среды, землепользование, изучение растительных сообществ, оценка урожая сельскохозяйственных культур, оценка последствий стихийных бедствий и т. д.

6.2. Области применения данных дистанционного зондирования

Применение космических снимков может осуществляться для решения пяти задач.

1. Использование снимка в качестве простейшей карты или, точнее, основы, на которую можно наносить данные из других источников в отсутствие более точных карт, отображающих современную обстановку.

2. Определение пространственных границ и структуры объектов для определения их размеров и измерения соответствующих площадей.

3. Инвентаризация пространственных объектов на определенной территории.

4. Оценка состояния территории.

5. Количественная оценка некоторых свойств земной поверхности.

Дистанционное зондирование является перспективным методом формирования баз данных, пространственное, спектральное и временное разрешение которых будет достаточным для решения задач рационального использования природных ресурсов. Дистанционное зондирование является эффективным методом инвентаризации природных ресурсов и мониторинга их состояния. Поскольку ДЗЗ позволяет получать информацию о любых областях Земли, включая поверхность морей и океанов, сферы применения этого метода действительно безграничны. Основой для эксплуатации природных ресурсов служит анализ информации о землепользовании и состоянии земных покровов. Помимо сбора такой информации дистанционное зондирование используют также для изучения таких природных катастроф, как землетрясения, наводнения, оползни и оседания почвы .

Преимущества дистанционного зондирования

Дистанционным зондированием называют получение информации об объектах без вхождения с ними в физический контакт. Однако это определение является слишком широким.

Поэтому введем некоторые ограничения, позволяющие конкретизировать особенности понятия «дистанционное зондирование», и в частности, важного для обеспечения безопасности авиации понятия дистанционного зондирования атмосферы. Во-первых, предполагают, что информацию получают с помощью технических средств.

Во-вторых, речь идет об объектах, находящихся на значительных расстояниях от технических средств, что принципиально отличает ДЗ от других научно-технических направлений, таких как неразрушающий контроль материалов и изделий, медицинская диагностика и т. п. Добавим, что ДЗ использует косвенные методы измерения.

Дистанционное зондирование включает исследования атмосферы и земной поверхности, в последнее время развились и подповерхностные методы ДЗ. Применение методов и средств дистанционного неконтактного получения информации о состоянии и параметрах тропосферы способствует безопасности авиации.

Главные преимущества ДЗ - это высокая скорость получения данных о больших объемах атмосферы (или о больших площадях земной поверхности), а также возможность получения информации об объектах, практически недоступных для исследования другими способами. С традиционными метеорологическими измерениями в верхней атмосфере, выполняемыми с помощью шаров-зондов, широко и систематически применяются сложные методы ДЗ.

Дистанционное зондирование стоит довольно дорого, особенно космическое. Несмотря на это, сравнительный анализ затрат и получаемых результатов доказывает высокую экономическую эффективность зондирования. Кроме того, использование данных зондирования, в частности, метеорологических спутников, наземных и бортовых радиолокационных средств, сохранило тысячи человеческих жизней за счет предупреждения стихийных бедствий и избежания опасных метеорологических явлений. Поэтому научно-исследовательская. экспериментальная, конструкторская и оперативная деятельность в области ДЗ, которая интенсивно развивается в ведущих странах мира, является полностью оправданной.

Объекты и применение дистанционного зондирования

Основными объектами ДЗ являются:

погода и климат (осадки, облака, ветер, турбулентность, излучения);

элементы окружающей среды (аэрозоли, газы, электричество атмосферы, перенос, т. е. перераспределение в атмосфере той или иной субстанции);

океаны и моря (морское волнение, течения, количество воды, лед);

земная поверхность (растительность, геологические исследования, изучения ресурсов, высото-метрия).

Информация, получаемая средствами ДЗ, необходима для многих отраслей науки, техники и экономики. Количество потенциальных потребителей этой информации постоянно растет.

С целью обеспечения безопасности полетов ДЗ используется:

метеорологией, климатологией и физикой атмосферы (оперативные данные для прогноза погоды, определения профиля температуры, давления и содержания водяного пара в атмосфере, измерения скорости ветра и т. п.);

спутниковой навигацией, связью, в радиолокационных наблюдениях и радионавигации (эти области требуют данных об условиях распространения радиоволн, которые оперативно получаются средствами ДЗ);

авиацией, например, прогноз метеоусловий в аэропортах и на авиатрассах, оперативное обнаружение опасных метеорологических явлений, таких как град, гроза, турбулентность, сдвиг ветра, микровзрыв и обледенение.

Кроме того, важными являются такие области, в которых летательные аппараты используются в качестве носителей средств ДЗ:

гидрология, включая оценку и управление водными ресурсами, прогнозирование таяния снегов, предупреждения о паводках;

аграрные области (прогноз и управление погодой, контроль типа, распространения и состояния растительного покрова, построение карт типов грунтов, определение влажности, предупреждение градобитий, прогноз урожая);

экология (контроль загрязнения атмосферы и земной поверхности);

океанография (например, измерение температуры морской поверхности, исследования океанических течений и спектров морского волнения);

гляциология (например, отображение распространения и движения ледовых щитов и морского льда, определения возможности морского судоходства в ледовых условиях);

геология, геоморфология и геодезия (например, идентификация типа горных пород, локализация геологических дефектов и аномалий, измерение

параметров Земли и наблюдение тектонического движения);

топография и картография (в частности, получение точных данных о высоте и привязке их к данной системе координат, производство карт и внесение изменений в них);

контроль стихийных бедствий (в том числе контроль объема паводков, предупреждение о песчаных и пылевых бурях, лавинах, оползнях, определение маршрутов лавин и т. п.);

планирование в других технических приложениях (например, инвентаризация землепользования и контроль изменений, оценка земельных ресурсов, наблюдение за движением транспорта);

военные применения (контроль передвижения техники и воинских формирований, оценка местности).

Системы и методы дистанционного зондирования

Классификация систем ДЗ основывается на привычных для специалистов по радиолокации отличиях между активными и пассивными системами. Активные системы облучают исследуемую среду электромагнитным излучением (ЭМИ), которое обеспечивает система ДЗ, т. е. в этом случае средство ДЗ генерирует электромагнитную энергию и излучает ее в направлении исследуемого объекта. Пассивные системы воспринимают ЭМИ от исследуемого объекта естественным образом. Это может быть, как собственное ЭМИ, возникающее в самом объекте зондирования, например, тепловое излучение, так и рассеянное ЭМИ какого-либо естественного внешнего источника, например, солнечного излучения. Преимущества и недостатки каждого из двух указанных типов систем ДЗ (активные и пассивные) определяются рядом факторов. Например, пассивная система практически неприменима в тех случаях, когда отсутствует достаточно интенсивное собственное излучение исследуемых объектов в заданном диапазоне длин волн. С другой стороны, активная система становится технически невыполнимой, если излучаемая мощность, необходимая для получения достаточного отраженного сигнала, оказывается слишком большой.

В ряде случаев для получения необходимой информации желательно знать точные параметры излучаемого сигнала, чтобы обеспечить какие-то специальные возможности анализа, например, измерение доплеровского сдвига частоты отраженного сигнала для оценки движения цели по отношению датчика (приемника) или изменения поляризации отраженного сигнала относительно зондирующего сигнала. Как и любые информационно-измерительные системы, которые используют ЭМИ, системы ДЗ различаются по диапазонам частот электромагнитных колебаний, например, ультрафиолетовые, видимого света, инфракрасные, миллиметровые, сантиметровые, дециметровые.

Рассмотрим ДЗ атмосферы, в частности, тропосферы - той части земной атмосферы, которая непосредственно прилегает к поверхности Земли. Тропосфера простирается до высот 10-15 км, а в тропических широтах - до 18 км. Использование ДЗ с целью метеорологического обеспечения безопасности полетов требует внимания к системам, которые рассматривают атмосферу как трехмерный, объемно распределенный объект, и позволяют получать профили атмосферы в разных направлениях зондирования.

Объектами зондирования, или целями, могут быть флюктуации, которые естественно происходят в атмосфере, а также фиксированные объекты на определенном расстоянии от средства ДЗ. Важно понять суть разных видов взаимодействия между ЭМИ и атмосферой. Разные виды такого взаимодействия - это удобный способ классификации методов ДЗ. Они основываются на затухании, рассеянии и излучении электромагнитных колебаний объектами зондирования. Схемы основных процессов взаимодействия электромагнитных колебаний с атмосферными неоднородностями применительно к задачам ДЗ.

В первом случае излучение от заданного известного источника (передатчика) поступает на вход приемника после того, как оно прошло через исследуемый объект. Оценивается величина ослабления излучения на трассе распространения от передатчика к приемнику, при этом предполагается, что величина потерь электромагнитной энергии при прохождении через объект связана со свойствами этого объекта. Причиной потерь может быть поглощение или комбинация поглощения и рассеяния, что лежит в основе получения информации об объекте. Много методов ДЗ по сути основаны на таком подходе.

Во втором случае, когда источник сам является источником излучения, обычно возникает задача измерения инфракрасной или/и микроволновой эмиссии, что используется для получения информации о тепловой структуре атмосферы и других ее свойствах. Кроме того, такой подход характерен для исследования молниевого разряда на основе его собственного радиоизлучения и для обнаружения грозы на больших расстояниях.

Третий случай состоит в использовании рассеяния электромагнитных колебаний атмосферным образованием для получения информации о нем. На свойстве рассеяния основаны различные способы ДЗ. Один из них характеризуется тем, что исследуемая среда освещается каким-то источником некогерентного излучения, например, солнечным светом или инфракрасным излучением, которое исходит от поверхности Земли, а датчик средства ДЗ принимает рассеянное объектом излучение. Другой - тем, что объект облучается специальным искусственным (когерентным или некогерентным) источником, например, лазером или источником с длиной волны от дециметров до миллиметров (как в случае радиолокатора). Это излучение рассеивается объектом, обнаруживается приемником и используется для извлечения информации о рассеивающем объекте.

Заметим, что первый из рассмотренных случаев соответствует активной системе зондирования, второй - пассивной, а третий реализуется как в пассивном, так и в активном вариантах.

Активная система ДЗ может быть моно-статической, когда передатчик и приемник средства ДЗ размещаются на одной позиции, бистатической, или даже мульти-статической, когда система состоит из одного или нескольких передатчиков и нескольких приемников, расположенных в разных позициях.

Классификация не будет достаточно полной, если не указать основные технические средства ДЗ: радиолокаторы, радиометры, лидеры и другие устройства или системы, используемые в качестве датчиков ДЗ.

Изучение атмосферы с помощью ДЗ включает использования приборов, устанавливаемых на искусственных спутниках Земли и орбитальных станциях, самолетах, ракетах, воздушных шарах, а также средствами, размещенными на земле. Чаще всего носителями средств ДЗ являются спутники, самолеты и платформы наземного базирования.

Обратные задачи

Задачи ДЗ - это обратные задачи, т. е. такие, при решении которых вынуждены идти от результата к причине. К ним относятся все задачи обработки и интерпретации данных наблюдений. Теория обратных задач - самостоятельная математическая дисциплина, а ДЗ атмосферы - лишь одно из научно-технических направлений, для которых теория обратных задач является важной. В прикладном аспекте необходимо хорошо понимать, как ЭМИ взаимодействует с исследуемыми атмосферными объектами, формируя сигналы, которые используются для получения информации об атмосфере. В идеальном случае между измеренным параметром сигнала и оцениваемой характеристикой атмосферы существует взаимно однозначное соответствие. Но в реальных ситуациях всегда возникают характерные для обратных задач проблемы.

Рассмотрим простой пример, который относится к пассивному зондированию атмосферы. Предположим, что поглощающий газ в атмосфере характеризуется собственным излучением, зависящим от температуры газа. Это излучение воспринимается датчиком, расположенным на спутнике. Предположим также, что существует связь между длиной волны излучения и температурой, а температура зависит от высоты слоя атмосферы. Тогда знание взаимосвязи между интенсивностью излучения, длиной волны излучения и температурой газа дает способ оценки температуры атмосферного газа как функции длины волны и, следовательно, высоты. На самом деле ситуация намного сложнее по сравнению с описанным идеальным случаем. Излучение на заданной длине волны не исходит из одного слоя на соответствующей высоте, а распределено по толще атмосферы, поэтому нет взаимно однозначного соответствия между длиной волны и высотой, как это предполагалось для идеального случая, что вызывает размытость этой связи. Этот пример является типичным для многих обратных задач, где границы интегрирования зависят от особенностей конкретной задачи. Это уравнение известно, как интегральное уравнение Фредгольма первого рода. Оно характеризуется тем, что границы интеграла фиксированные, появляется только в подынтегральном выражении. Функция называется ядром или функцией ядра уравнения.

Разные задачи ДЗ сводятся к уравнению или к подобным уравнениям. Для решения таких задач необходимо выполнить обратное преобразование, чтобы по результатам измерений g. получить распределение. Такие обратные задачи называются некорректными, или некорректно поставленными задачами. Их решение ассоциировано с преодолением трех следующих трудностей. В принципе решение некорректной задачи может оказаться математически несуществующим, неоднозначным или неустойчивым. Отсутствие решения

С точки зрения ДЗ, опасные метеорологические явления (ОМЯ) можно рассматривать как объемно распределенные объекты, которые занимают определенные пространственные зоны в облачности или в безоблачной атмосфере (ясном небе). Физические признаки внешнего проявления ОМЯ, как правило, описываются параметрами, характеризующими интенсивность ОМЯ и которые в принципе можно измерять, например, параметры скорости ветра, напряженности электрического и магнитного полей, интенсивность осадков. Физические параметры ОМЯ рассмотрены.

Районы атмосферы, в которых параметры, характеризующие интенсивность ОМЯ, превышают некоторый заданный уровень, называются зонами ОМЯ. Процесс обнаружения ОМЯ и отнесение их зон к определенным пространственным координатам в заданное время на основании результатов ДЗ называется локализацией зон ОМЯ.

Таким образом, в процессе локализации средствами микроволнового ДЗ атмосферы обнаруживают зоны ОМЯ и определяют их местоположение в заданной системе координат. В ряде случаев можно оценить также степень интенсивности ОМЯ.

Локализация опасных для полетов зон бортовыми радиолокационными средствами - это оперативное обнаружение и определение местоположения с помощью метео-навигационных радиолокаторов (МНРЛС) и других боровых устройств, которые могут быть сопряжены с МНРЛС.

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

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

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

История и современное состояние аэрокосмического зондирования

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

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

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

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

Принципиальная технологическая схема дистанционных исследований Земли

Рис. 1

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

Снимок - основное понятие аэрокосмического зондирования

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

Рис. 2

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

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

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

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

Технологии получения и основные типы аэрокосмических снимков

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

Рис. 3

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

Рис.4

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

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

Методы получения информации по снимкам: дешифрирование и фотограмметрические измерения

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

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

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

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

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

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

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

Применение аэрокосмического зондирования в картографировании и исследованиях Земли

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

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

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

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

Рекомендуемая литература

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

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

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

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

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

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

Атласы аэрокосмических снимков:

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

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

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

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.

О том, что такое дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) и какое оно имеет практическое применение, мы поговорили с доктором технических наук, заместителем директора Института космических исследований РАН Евгением Лупяном .

Время спутников-шпионов прошло?

— Евгений Аркадьевич, сколько сейчас в космосе аппаратов, которые ведут наблюдения за поверхностью Земли? И сколько из них российских?

— Всего на орбитах летает около 400 спутников, занятых именно дистанционным зондированием. Планируется, что к 2020 году их будет 1200-1300. К сожалению, российских аппаратов среди них очень мало: всего 9 штук. Согласитесь, это не очень хорошая ситуация. Было время, когда наша страна занимала одну из лидирующих позиций в этой области, но потом сдала её. Сейчас мы пытаемся её восстановить.

Дистанционное зондирование Земли — очень перспективное направление, ведь возможности систем наблюдения за планетой из космоса постоянно растут. Несколько лет назад в этой сфере произошла революция. Американская компания PlanetLab запустила в космос целый рой малых аппаратов: более 200 спутников! Они производят съёмку с разрешением порядка 3-4 метров, при этом за сутки фактически покрывают всю поверхность планеты. Для сравнения: чтобы выполнить такую съёмку нашими аппаратами серии «Канопус» (в настоящее время их на орбите 6 штук), понадобится несколько месяцев.

Канопус-В на «МАКСе»-2013. Фото: Commons.wikimedia.org / Vitaly V. Kuzmin

Другое важное событие, повлиявшее на развитие дистанционного зондирования Земли, произошло несколько лет назад. Тогда американские и европейские космические агентства открыли свободный доступ к значительным объёмам своих данных, которые имеют разрешение хуже 10 метров. Это существенно расширило возможности по созданию новых методов и технологий работы с данными. В первую очередь — для проведения постоянного мониторинга различных объектов и явлений. До этого решение подобных задач, как правило, было нерентабельным из-за больших затрат на приобретение данных.

— Похоже, что на поверхности Земли уже трудно что-то скрыть. Неужели время спутников-шпионов безвозвратно прошло?

— Не совсем так. Задачи у таких спутников, безусловно, остались. Технически они также совершенствуются. Но появились совершенно новые области, в которых стало возможно использовать данные дистанционного зондирования.

80% прогноза погоды — из космоса

— На какой высоте летают спутники дистанционного зондирования?

— Так называемые низкоорбитальные обычно располагаются на орбитах с высотами от 400 до 800 км. Один оборот вокруг Земли у них занимает около 90 минут.

Есть геостационарные спутники, которые летают на высоте 36 тыс. км. Точнее, они не летают, а всё время висят в одной точке. Их разрешение не очень велико: у лучших аппаратов оно может составлять 500 метров. Но зато они позволяют проводить наблюдения каждые 10 минут, а в некоторых случаях — каждые 2 минуты. Это очень важно, когда мы следим за быстро развивающимися процессами. Например, за извержениями вулканов и движением выброшенных ими пепловых облаков.

— Спутники запускают, чтобы следить за вулканами? Это так важно?

— Людям, живущим в Москве, пепловые выбросы вулканов, наверное, кажутся чем-то несущественным. Но это ровно до того момента, пока им не понадобится покупать билет на самолёт, чтобы лететь куда-то в другой район Земли. Напомню, что в 2010 году из-за извержения вулкана в Исландии воздушное пространство Европы было на несколько дней закрыто для авиаперелётов.

У дистанционного зондирования Земли огромное количество прикладных применений. Это мониторинг и предсказание природных бедствий: не только извержений вулканов, но и пожаров, наводнений, ураганов и др. Это прогнозы погоды: 80% информации, которая используется для этих целей, получена из космоса.

Это, например, сельское хозяйство. С помощью спутников оценивают состояние посевов, характеристики почвы (влажность, эрозию), анализируют, каким образом нужно вести обработку посевов, чтобы достичь максимальных урожаев на конкретном поле (так называемые задачи точного земледелия). Спутники помогают понять, как развиваются во времени те или иные сельхозкультуры в разных регионах Земли. К примеру, пшеница. Глядя на серию спутниковых снимков и сравнивая их с наблюдениями предыдущих лет, мы, в частности, можем получить заблаговременную оценку урожая в конкретном году.

А возьмём лесное хозяйство. Его уже и представить нельзя без спутникового мониторинга. Наверное, не стоит напоминать, что значит для нашей страны лес. Современные спутниковые методы позволяют составлять карты лесов, следить за пожарами, оперативно обнаруживать их и оптимизировать работы по тушению. Система, которая решает подобные задачи на всей территории страны, была создана ещё 2005 году. И с той поры постоянно работает.

И от сердечного приступа спасёт

— Мне доводилось слышать, что со спутников даже косяки рыб в океане отслеживают. Это так?

— Напрямую не отслеживают. Там используется такая схема. Рыба, как известно, питается планктоном. Со спутника хорошо видно, где сколько планктона, какой у него цвет и прочие характеристики. И по этим данным можно предположить, придёт ли в этот район рыба. Соответственно, можно послать уведомление рыболовным судам.

Технологии дистанционного зондирования Земли уже дошли до того, что позволяют измерять энергопотери жилых домов. На детальном уровне! А это открывает новые возможности энергетикам и коммунальщикам. Используя полученные сведения, они могут менять структуру утепления зданий.

Как раз недавно наши коллеги из Научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН получили очень интересные факты по Питеру. Там были сделаны замеры выделений тепла по разным районам. Потом взяли различные сценарии климатических изменений и получили прогноз повышения смертности от сердечно-сосудистых заболеваний в тех или иных городских районах. Вот вам пример того, как на основе дистанционного зондирования Земли можно получать информацию для планирования медицинского обслуживания. Вовремя принятые меры помогут спасти жизни конкретным людям.

— Их переселят из районов, где слишком тепло, в более прохладные?

— Есть менее радикальные меры. Можно посадить там деревья, покрасить крыши домов специальной отражающей краской. Или просто в белый цвет.

— Мы сильно отстаём от США и Китая по количеству спутников ДЗЗ. Вы сами сказали, что их у нас только 9. Но в чём-то мы имеем приоритет в этой области?

— Имеем. Как я уже сказал, многие иностранные компании сейчас открыли доступ к своим данным, сделали информацию бесплатной. А в России очень хорошая школа программирования и обработки данных. Мы сделали алгоритмы, которые получают из этих находящихся в открытом доступе данных определённые характеристики, анализируют их и позволяют использовать для решения различных задач.

В стране очень быстро развиваются новые технологии, благодаря которым можно эффективно работать со сверхбольшими потоками данных от различных систем ДЗЗ. Есть успехи в создании центров, обеспечивающих возможности распределённой работы с архивами этих данных. Например, такой центр коллективного пользования создан в нашем Институте космических исследований РАН. Около 80 научных организаций, находящихся в разных городах нашей (да и не только нашей) страны, пользуются его возможностями.

По своей функциональности наш центр входит если не в тройку, то уж точно в пятёрку подобных мировых центров. Конечно, в чисто аппаратном плане нам трудно конкурировать с компаниями Google и Amazon. В первую очередь — из-за несопоставимости финансовых ресурсов, которые они выделяют своим центрам на развитие. Но это заставляет нас искать новые подходы и решения. И мы их находим.