МОДУЛЬ 1. АЭРО- И КОСМИЧЕСКИЕ СЪЕМКИ ЗЕМЛИ ЛЕКЦИЯ

МОДУЛЬ 1. АЭРО- И КОСМИЧЕСКИЕ СЪЕМКИ ЗЕМЛИ ЛЕКЦИЯ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АЭРО- И КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК ЗЕМЛИ Авторы: А. И. Обиралов, А. Н. Лимонов, Л. А. Гаврилова Лозовая Светлана Юрьевна, д. т. н. , профессор кафедры городского кадастра и инженерных изысканий Лозовой Николай Михайлович, ст. преподаватель кафедры городского кадастра и инженерных изысканий Богомазова Анна Ивановна ст. гр. ГК-41

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Аэро- и космические съемки (АКС) — первые технические этапы при решении фотограмметрических задач и дистанционного зондирования. При этом выполняют измерение отраженного или собственного электромагнитного излучения. Под съемочной системой понимают технические средства, с помощью которых регистрируют электромагнитное излучение. Измеряют и регистрируют излучение в наземных условиях, с воздушного или космического летательного аппарата. В зависимости от типа съемочной аппаратуры информация может быть представлена в различном виде. Например, в поэлементной цифровой записи на магнитном носителе или фотоснимки. С летательных аппаратов можно измерять электромагнитное излучение над объектом в дискретных точках, при этом определяют его различные характеристики. Результаты регистрации электромагнитного излучения, представленные в виде изображения изучаемого объекта в аналоговой или цифровой форме записи, называют видеоинформацией. Процедуру преобразования результатов аналоговой или цифровой записи сигналов в видимое изображение называют визуализацией.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли Аэро- и космические съемки Земли разделяют на пассивные и активные. При пассивной съемке информацию получают двумя способами: 1) путем регистрации отраженного от объекта солнечного светового потока; 2) измерением радиационного потока, излучаемого самим объектом. При активной съемке поверхность исследуемого объекта облучается с борта летательного аппарата с помощью искусственного облучателя, а отраженное излучение регистрируют соответствующие бортовые приемные устройства. Материалы аэро- и космических съемок имеют ряд преимуществ по сравнению с топографической съемкой. Преимущества материалы аэро- и космических съемок : • оперативность получения метрической и смысловой информа ции об изучаемой территории; • объективность и документальность этой информации, так как при АКС регистрируют фактическое состояние объектов на зем ной поверхности; • экономическую эффективность получения информации по ма териалам аэро- и космических съемок; • возможность регулярных наблюдений за изменениями, происходящими на изучаемой территории.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ ПРИ АЭРО- И КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКЕ

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли При съемке в отраженных лучах радиационный поток проходит путь от источника излучения до объекта через атмосферу, где происходят его энергетические изменения. Далее часть радиационного потока отражается в пространство и имеет иной спектральный состав, поляризацию и энергию. На пути от объекта до приемника съемочного устройства отраженное излучение объекта подвергается искажению под воздействием различных компонентов, входящих в состав атмосферы. В качестве приемников излучения в съемочных системах служат фотографические пленки, фотоэлектрические и термоэлектрические элементы. Материалы съемок поступают на пункты приема. При выполнении фотографических съемок здесь выполняют фотохимическую обработку фотопленки, изготавливают контактные снимки. При съемке нефотографическими съемочными системами, передающими результаты измерений излучения по радиоканалу, на пунктах приема записывают передаваемую информацию, проводят ее визуализацию и размножают цифровые изображения. После этого результаты дистанционного зондирования передают потребителю на фотографических или магнитных носителях.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ПРИ АЭРО- И КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМКАХ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ При проведении аэро- и космических съемок для создания картографических материалов, экологического изучения территорий, мониторинга земель используют наиболее информативные для этого диапазоны электромагнитного излучения : оптический диапазон(λ— 0, 1. . 1000 мкм) и радиодиапазон (более 1 мм). Оптический диапазон делят на области и зоны спектра. Основной естественный источник облучения земной поверхности — Солнце. Распределение энергии по спектру зависит от длины волны и характеризуется спектральной плотностью энергетической яркости. Суммарная энергия облучения, в некотором спектральном интервале λ 1 —λ 2, создаваемая Солнцем на верхней границе атмосферы , определяется интегралом: где спектральная интенсивность излучения.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли Электромагнитное излучение, поступающее на снимаемую поверхность, состоит из двух составляющих : прямое солнечное излучение и диффузное — рассеянное атмосферой и отраженное объектами земной поверхности. От соотношения доли прямой и диффузной радиации зависит освещенность объектов. Суммарная освещенность объекта зависит от высоты солнца, которая определяется широтой места наблюдения, датой и местным временем наблюдения. Объекты земной поверхности излучают в пространство собственную радиацию. Собственное излучение также относят к естественному. Собственное излучение в видимой зоне спектра практически отсутствует. В спектральной зоне от 2 до 5 мкм интенсивности собственного и отраженного излучения примерно одинаковы. Интенсивность самоизлучения зависит от температуры объекта и длины волны. Аналогично отраженному собственное излучение может быть диффузным и направленным

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли Схема деления спектра электромагнитного излучения

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли РОЛЬ АТМОСФЕРЫ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ АЭРО-И КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК Все виды излучения частично рассеиваются, поглощаются и отражаются атмосферой. При этом изменяются поляризация, спектр несущих и модулированных частот, происходит рефракция лучей и т. п. Атмосфера состоит из газов, водяного пара и различных примесей, так называемых аэрозолей. Основная масса атмосферы (99, 9 %) сосредоточена в слое ниже 50 км, поэтому здесь и происходят основные искажения проходящего через нее излучения. Атмосфера представляет собой фильтр с достаточно нестабильными пропускными характеристиками. Для описания оптических свойств используют критерий, называемый пропускной способностью атмосферы. Этот критерий зависит от оптической плотности, наличия механических частиц, водяных паров, длины волны излучения, толщины слоя атмосферы, через который проходит излучение, и т. д. Искажению подвергается отраженное и собственное излучение объектов. Чем больше оптическая толщина атмосферы между объектом и съемочной аппаратурой, тем больше искажение.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли Съемки поверхности Земли необходимо выполнять в спектральных интервалах, прозрачных для прохождения лучей. Такими в оптическом диапазоне являются видимая область спектра и некоторые спектральные зоны в инфракрасной (ИК) области: ∆ λ= 0, 95. . . 1, 05; …. 10, 0. . . 14, 0 мкм. Спектральные интервалы ∆ λ = 3. . . 5 мкм и ∆ λ = 8. . . 14 мкм называют соответственно «ближним» и «дальним» тепловым окном прозрачности атмосферы. Механические частицы и водяной пар в атмосфере образуют так называемую атмосферную дымку, которая снижает контраст изображения. Возникновение атмосферной дымки обусловлено рассеянием излучения частицами и аэрозолями, размер которых значительно меньше длины волны λ. Рассеяние излучения пропорционально толщине слоя атмосферы, через который оно проходит, что учитывают при расчетах интенсивности рассеяния. Интенсивность рассеяния за висит от угла между направле нием падающего и отраженного потока График пропускной способности атмосферы

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли Также на построение снимка влияет рефракция светового луча. Атмосферная рефракция — это искривление светового луча, направленного к объективу съемочной системы. Объясняется это тем, что в атмосфере происходит уменьшение плотности воздуха с увеличением высоты относительно земной поверхности. При прохождении светового луча из области с большей плотностью в область с меньшей плотностью происходит его отклонение. Вертикальная рефракция атмосферы, ее называют фотограмметрической , рассчитывается для стандартного состояния атмосферы, зенитного расстояния луча Z, угла, под которым луч проходит атмосферу, длины волны излучения, давления и т. п. Рефракцию атмосферы R измеряют в минутах. График вертикальной Рассмотренные оптические свойства атмосферы рефракции атмосферы оказывают влияние при производстве аэро - и космических съемок.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли ОБЪЕКТЫ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ КАК ОТРАЖАТЕЛИ И ИЗЛУЧАТЕЛИ ЭНЕРГИИ При съемке земной поверхности объект местности представляется энергетическим полем, несущим информацию. Энергетическое излучение съемочная система регистрирует в определенном угловом интервале и с определенной точки пространства. При этом поверхность объекта представляется суммой элементарных площадок. В зависимости от расположения центра наблюдения и элементарной площадки объекта регистрируемое излучение изменяется по интенсивности и спектральному составу. Результаты измерений отображаются на снимке в виде полей яркости. Изменяется излучение вследствие множества причин, которые можно разделить на две группы: 1)факторы, определяющие свойства самого объекта (физические, химические и др. ), 2)внешние условия формирования энергетического поля, например условия освещения объекта.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли Критериями отражательной способности служат коэффициенты интегральной яркости, спектральной яркости, интегральные и спектральные индикатрисы рассеяния. Коэффициентом интегралъной яркости r (КЯ) называют отношение интегральной яркости объекта В в данном направлении к интегральной яркости идеально отражающей поверхности В 0, определяемых при одинаковых условиях освещения и наблюдения. Идеально отражающей считают поверхность, которая полно стью и равномерно по всем направлениям отражает падающую на нее радиацию. Коэффициент интегральной яркости определяется в широкой спектральной зоне, и вычисляют его по формуле r= B/ В 0. Если яркости измеряли в узких спектральных зонах, то их называют монохроматическими яркостями. Отношение монохроматических яркостей объекта Вλ и идеально отражающей поверхнос ти. В 0λ , измеряемых при одинаковых условиях освещения и наблюдения, называют коэффициентом спектральной яркости rλ (КСЯ): r λ = Вλ /В 0λ.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли Коэффициенты интегральной и спектральной яркости могут определяться для различных направлений отражения излучения. Коэффициенты интегральной и спектральной яркости зависят от многих факторов: r λ = f (λ, h 0, А 0, D/Q, A, ϕ, …) где λ — длина волны, на которой определяют КСЯ; h 0 — высота солнца; А 0 — азимут солнца относительно структуры поверхности объекта; D — поток рассеянной радиации; Q — поток суммарной радиации; A — азимут направления наблюдения относительно плоскости главного вертикала; ϕ — угол отклонения направления наблюдения от отвесного направления. Коэффициенты спектральной яркости объекта определяют одновременно в нескольких зонах спектра. Используя полученные данные, строят кривые КСЯ , показывающие зависимость коэффициентов от длины волны излучения. Различные классы объектов имеют свои специфичные формы кривых КСЯ. По форме кривых КСЯ принято разделять объекты на четыре класса: растительность; почвы и горные породы; водные поверхности; снега и облака. При выполнении съемок для целей картографирования наибольший интерес для изучения объектов поверхности Земли

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли 1)Кривые КСЯ объектов с растительными покровами (а) имеют повышение в зеленой зоне спектра на длине волны около 0, 55 им, понижение на длине волны 0, 66 нм, вызванное поглощением солнечной радиации хлорофиллом растений, резкое повышение в инфракрасной области. В зависимости от фазы вегетации, фитопатологии и иных факторов форма кривых КСЯ объектов данного класса изменяется в значительных пределах. 2)Кривые КСЯ почв и горных пород имеют незначительный подъем при увеличении длины волны (б). Влажность, химический состав, содержание гумуса, минеральных солей и т. п. определяют уровень и крутизну подъема кривых. 3)Кривые КСЯ водных объектов при увеличении длин волн ( в) понижаются плавно и монотонно. Степень засоленности, тип иловых отложений, биологический и растительный состав воды обусловливают значения КСЯ водных поверхностей. Графики КСЯ основных классов природных образований

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли При выполнении аэро- и космических съемок и последующем анализе изображений необходимы сведения о пространственном распределении отраженной световой энергии. Это распределение характеризуется индикатрисой рассеяния, представляющей собой поверхность, проходящую через концы векторов КЯ и КСЯ, определенных для различных углов отражения, которую соответствен но называют интегральной или спектральной. Для описания индикатрисы рассеяния используют два ее сечения: в плоскости главного вертикала солнца (А = 0. . 180°) и пер пендикулярной ему (А = 90. . . 270°). Неравномерность пространственного отражения объекта зависит от размеров, формы, пространственной ориентации элементов его поверхности, высоты солнца и его азимутального положения относительно объекта и т. п.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли По направленности пространственного отражения объекты разделяют : - на отражающие равномерно по всем направлениям падающее на поверхность излучение ( а). Такие поверхности называют а ортотропными. К ним относят поверхности с мелкой структурой, например различные ровные песчаные поверхности; - зеркально отражающие излучение по направлению от источни ка света ( б). К ним относят водные поверхности без ряби и волн, снежный наст, влажные солончаки, такыры и пр. ; б - отражающие световой поток преимущественно в сторону источника излучения (в), такими мот быть поверхности с крупной структурой — вспаханная пашня , сухая широколиственная растительность и др. ; в

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли - смешанная форма отражения, как в сторону источника освещения, так и в противоположном направлении (г), —увлажненные газоны, сенокосы. пастбища и др. Неравномерность пространственного отражения в различных спектральных зонах неодинакова. Асферичность интегральных и спектральных индикатрис уменьшается с увеличением высоты г солнца.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли Определение критериев отражательной способности, исследование их динамики выполняют в результате проведения комплекса работ, называемого спектрометрированием. С помощью приборов по определенной методике измеряют яркости объектов и эталонной поверхности. В качестве эталонной поверхности используют любую, отражательные свойства которой известны и постоянны. По результатам измерений вычисляют критерии отражательной способности. Спектрометрирование выполняют в лабораториях и полевых условиях. Спектрометрирование в лаборатории позволяет с высокой точностью и в необходимом количестве измерять образцы почв, растительности и иных материалов. Недостаток, снижающий возможность использования получаемых результатов в дистанционном зондировании, — отличие в освещении образца и объекта в естественных условиях .

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли Полевое наземное спектрометрирование проводят при непосредственном нахождении на объекте исследования. Наземный способ имеет свои особенности и преимущества : - небольшое расстояние между объектом и измерительным прибором исключает влияние атмосферы на отраженное от объекта излучение; - возможность полного и достоверного описания объекта, его физических и химических свойств, условий освещения; - возможность исследования влияния какого-либо фактора при исключении других, моделирование некоторых факторов; - простота организации и относительно небольшие затраты.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли Небольшая высота, с которой выполняют наземные измерения, обусловливает ряд недостатков: - крупноструктурные объекты имеют значительные вариации отраженного излучения. В поле зрения спектрометра попадают различные сочетания элементов, слагающих поверхность, что не позволяет получить интегри рованный отраженный поток. Для получения значения КЯ или КСЯ крупноструктурного объекта необходимо измерить некото рое множество отдельных площадок с последующим вычислением их среднего значения; - сложность или невозможность наблюдений высоких объектов, например леса; - трудоемкость производства работ.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Физические основы Аэро- и Космических съемок Земли Спектрометрирование с летательных аппаратов существенно отличается от наземного способа организацией измерений, сложностью приборов и обработкой результатов измерений. Его достоинства: - возможность регистрации интегрального сигнала при наблюдении крупноструктурных объектов; - возможность наблюдения высоких или труднодоступных объектов - наблюдение большого числа объектов или получение большой выборки на определенном типе объекта за короткий период, в те чение которого освещение практически не изменяется. Основные недостатки: - сложность привязки результатов определений критериев отражательной способности к объектам наблюдений и, как следствие, затруднение привязки наземного описания характеристик изучаемого объекта; - сложность процесса эталонирования; - высокая стоимость и сложность организации работ.

МОДУЛЬ 1. АЭРО- И КОСМИЧЕСКИЕ СЪЕМКИ ЗЕМЛИ ЛЕКЦИЯ 2. АЭРО- И КОСМИЧЕСКИЕ СЪЕМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ Авторы: А. И. Обиралов, А. Н. Лимонов, Л. А. Гаврилова Лозовая Светлана Юрьевна, д. т. н. , профессор кафедры городского кадастра и инженерных изысканий Лозовой Николай Михайлович, ст. преподаватель кафедры городского кадастра и инженерных изысканий Богомазова Анна Ивановна ст. гр. ГК-41

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Аэро- и Космические съемочные системы КЛАССИФИКАЦИЯ СЪЕМОЧНЫХ СИСТЕМ Классифицировать съемочные системы можно по различным критериям. Съемочные системы разделяют: - на воздушные и космические; - пассивные и активные; - работающие в оптическом или радиодиапазоне; - однозональные и многозональные. При выполнении многозональных съемок получают одновременно несколько изображений одной и той же территории; - фотографические и нефотографические съемочные системы. Фотографирование можно выполнять на черно-белых или цветных фотоматериалах; - оперативные и неоперативные в зависимости от способа и сроков доставки видеоинформации. Фотографические съемочные системы являются неоперативными, так для доставки экспонированной пленки требуется посадка летательного аппарата или спуск на Землю специального контейнера. Нефотографические системы относят к оперативным. С их помощью видеоинформация передается но радиоканалу в реальном времени съемки или записывается на магнитном носителе с последующей передачей в эфир;

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Аэро- и Космические съемочные системы ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ СЪЕМОЧНЫХ СИСТЕМ Основные критерии, применяемые для оценки информационных возможностей съемочных систем: линейная разрешающая способность, спектральная разрешающая способность, фотограмметрическая точность, фотометрическая точность. Линейной разрешающей способностью съемочной системы называют ее возможность раздельно воспроизводить на снимке мелкие детали снимаемого объекта. Разрешающая способность R определяется числом раздельно воспроизводимых черных линий в 1 мм изображения при таком же белом интервале между ними. Для числа воспроизводимых линий R и ширины линии рс справедлива следующая зависимость ρc=1/2 R Величину ρc называют разрешением на снимке. Размер соответствующего элемента на поверхности снимаемого объекта называют разрешением съемочной системы. Разрешающая способность съемочной системы определяется путем съемки миры — специального тест-объекта, представляющего собой основу, на которую нанесен рисунок в виде черных и белых полос.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Аэро- и Космические съемочные системы В первом случае миру называют штриховой, во втором — радиальной. Среди штриховых наиболее часто применяют пятишпальную миру. Она представляет собой тридцать решеток, каждая из которых содержит пять светлых полос на черном фоне. Длина полос в десять раз больше их ширины. а б В каждой последующей решетке ширина полос уменьшается на 1/10. Размер миры должен обеспечивать воспроизведение ее деталей на реальном снимке. Линейная разрешающая способность—наиболее в употребимый критерий при опенке Тест- объекты (миры) качества съемочных систем . а – штриховая, б- радиальная, в - П-образная мира с постоянным изменением штрихов Разрешающая способность съемочных систем, в которых приемниками излучения служат ПЗС-линейки или ПЗС-матрицы, выражается числом элементов или линий в одном дюйме изображения - dpi или Ipi.

Фотограмметрия и дистанционное зондирование. Аэро- и Космические съемочные системы Под термином спектральная разрешающая способность съемочной системы понимают минимальную ширину спектральной зоны, в которой проводят съемку. Ширина спектральной зоны определяется возможностью используемого сенсора воспринимать интегральный сигнал, создаваемый в данной зоне. Для фотографических систем она приблизительно равна 40. . . 50 нм, для нефотографических систем — 10. . . 20 нм и менее. Фотограмметрическая точность съемочных систем — критерий геометрического искажения получаемого снимка. Степень геометрического искажения определяется позиционной точностью построения оптического изображения и последующей деформацией данного оптического изображения приемником излучения. Существуют топографические и нетопографические съемочные системы. Под топографическими понимают такие системы, геометрические искажения в которых минимальны и практически не влияют на точность фотограмметрических преобразований. Для нетопографических съемочных систем главным является получение изображения с высокими изобразительными свойствами.