ВИДЫ ДИСТАНЦИОННЫХ СЪЕМОК Приборы дистанционного зондирования можно разделить

ВИДЫ ДИСТАНЦИОННЫХ СЪЕМОК

Приборы дистанционного зондирования можно разделить на две группы: системы измерения спектров и системы, формирующие многозональные или гиперспектральные изображения поверхности исследуемых объектов. Приборы первой группы предназначены для получения детальной спектральной информации вдоль траектории полета или в наземных условиях натурного эксперимента. Системы второй группы, формирующие изображение, в свою очередь можно разделить на кадровые и сканирующие. В кадровых системах элементы изображения в пределах кадра («пиксели») регистрируются одновременно (фотографические и видеосистемы), а в сканирующих осуществляется последовательная регистрация строк изображения (многоспектральные сканеры и видеоспектрометры). По отношению к типу носителя приборы дистанционного зондирования можно разделить на спутниковые системы и авиационные.

Фотографическая съемка

Фотографическая съемка выполняется в видимом диапазоне в пределах Электромагнитного спектра от 0,4 – 0,9 мкм Для фотографической съемки используются различные виды фотоаппаратов

Космические аппараты являются модификациями аэрофотоаппаратов. Для проведения съемок из космоса в масштабах 1 : 2 000 000 – 1 : 3 000 000 Используется российский космический фотоаппарат КАТЭ-140 с размером кадра 18х18 см.

По формату получаемых снимков фотоаппараты подразделяются на малоформатные (размер снимка 6×8 см; 11,5×11,5 см; 13×18 см), нормальные (18×18 см) и крупноформатные (23×23 см; 24×24 см; 30×30 см). 6х8 23х23

Нормальные объективы применяются для проведения крупно- и среднемасштабной фотосъемки, широкоугольные - для мелкомасштабной. По количеству объективов существуют однообъективные и многообъективные фотокамеры.

В зависимости от фокусного расстояния объективов фотоаппараты подразделяются на : *короткофокусные (f=36-150мм) *среднефокусные (f =150-300мм) *длиннофокусные (f =300-500мм) *сверхдлиннофокусные (f =1000-3000мм)

По величине угла поля зрения объективов фотоаппараты различают: *узкоугольные (угол зрения <50°) *нормальные (50-70°), широкоугольные (>70°) *сверхширокоугольные (133, 137, 140 и 148°) Формат кадра и фокусное расстояние определяют угол поля зрения аэрофотоаппарата

Фотографирование земной поверхности с летательных аппаратов может проводиться при различных положениях оптической оси фотоаппарата относительно отвесной линии в момент фотографирования. В зависимости от этого различают плановую и перспективную съемки. При аэрофотосъемке, плановой считается съемка, если отклонение оптической оси фотоаппарата от отвесной линии не превышает 3°, а космической 5°, если более данных величин, то она называется перспективной. Фотоснимки, полученные при данных видах съемки называются плановыми и наклонными или перспективными.

Перспективный космический снимок

Плановый космический снимок

В зависимости от характера покрытия местности снимками фотографическую съемку подразделяют на выборочную, маршрутную и площадную. Выборочная фотосъемка заключается в фотографировании отдельных объектов или участков местности одиночными кадрами. Поселок нефтяников

Маршрутная фотосъемка представляет собой фотографирование полосы местности в виде отдельного маршрута. При воздушной съемке эти маршруты могут быть прямые, криволинейные и ломаные, при космической в виде прямых полос. Маршрутная съемка используется для съемки линейных объектов (дорожная сеть, поймы рек, береговая линия морей и т.д.), а также отдельных трасс земной поверхности.

Площадная фотосъемка применяется для съемки земной поверхности путем покрытия определенной площади параллельными и прямолинейными маршрутами. Степень перекрытия снимков в маршрутах и между ними рассчитывается в зависимости от целей, для которых проводится съемка. Схема аэросъемочного маршрута

Основной задачей фотографической съемки является повышение информативности изображений, что в свою очередь связано с увеличением разрешающей способности фотографий, выбором определенных спектральных зон, обеспечением высоких фотографических, фотометрических и фотограмметрических качеств. Решение данных вопросов требует комплексирования на борту летательных аппаратов различных типов фотоаппаратов.

Материалы фотографической съемки обладают высокими геометрическими, изобразительными и информационными свойствами. Их отличает высокая разрешающая способность, надежность и освоенность аппаратуры для получения и обработки снимков. Легкость зрительного восприятия изображения позволяет их использовать для визуального дешифрирования различных объектов. С целью улучшения дешифровочных свойств фотографическое изображение может быть подвергнуто различным видам преобразования (квантование, фильтрация, синтезирование). Для количественного и качественного анализа фотоснимков может быть применены фотометрические и фотограмметрические приборы, а также компьютерная техника. Ограничение в использовании фотографической съемки связано с невысокой оперативностью обуславливаемое необходимостью возвращения пленки на Землю для фотохимической обработки и получения снимков, а также ограниченностью ее запасов на борту летательного аппарата. Материалы фотографической съемки широко используются для изучения природных явлений, составления тематических и топографических карт.

Цифровые фотокамеры В настоящее время на смену обычным фотокамерам для аэро и космической съемки приходят цифровые камеры. Цифровые камеры имеют ряд преимуществ над традиционными фотографическими: отсутствуют затраты на пленку; возможность контроля качества снимков в полете; одновременная съемка в разных спектральных диапазонах; возможность получать неограниченное количество снимков соответствующие по качеству оригинала; возможность получать большое количество снимков за один залет; отсутствие деформации при хранении.

Цифровые камеры производят как зарубежные (KODAK, ROLLEI, Applanix и др.), так и российской (АНЩ «Космос-НТ») фирмы. Цифровая система ADS40 создана фирмой LH System, в основу технического решения которой положена концепция трехлинейного сканера. Исходя из этой концепции в фокальной плоскости объектива расположены 7 ПЗС линеек – 3 панхроматические расположены параллельно и отстоят друг от друга таким образом, что одна из них обеспечивает съемку в направлении «вперед», другая в направлении точки надира, а третья – в направлении «назад».

Действующий комплекс АDS-40 «Тройная» съемка комплексом АDS

Существенной особенностью ADS40 является то, что вместо одной линейки используются пары линеек, смещенные одна относительно другой на 0,5 элемента. Число элементов в ПЗС-линейке равно 12000, а в результате использования сдвоенной линейки со смещением обеспечивается результирующие разрешение как при использовании линейки состоящей из 24000 элементов. Кроме панхроматических линеек, в фокальной плоскости расположены четыре одинарные линейки по 12000 элементов в каждой для мультиспектральной съемки в четырех узких зонах спектра: красный (610-660 нм), зеленого (535-585 нм), синего (430-490 нм) и ближней инфракрасной (835 -885 нм).

Основные технические характеристики камеры ADS40: угол поля зрения (поперек направления полета) – 64°; ширина полосы захвата съемкой – 3000 м; фокусное расстояние объекта – 62,77; размер элемента ПЗС-линейки – 6,5 мкм; радиометрическое разрешение – 8bit; разрешение на местности -0,25 м;

Многозональная съемка

Сущность многозональной фотографической съемки заключается в том, что одна и та же территория или участок местности одновременно фотографируются в нескольких узких зонах электромагнитного спектра, при одних и тех же технических и погодных условиях съемки. Впервые одновременное фотографирование в двух зонах видимого спектра было выполнено русским астрономом Г.А. Тиховым в 1911г. При помощи 30-дюймового Пулковского рефрактора была произведена съемка Марса и Сатурна с различными светофильтрами. В результате были получены цветные изображения. В конце 20-х Г.А. Тихов предложил, а в 1930г. В.А. Фаас реализовал двухцветный метод фотографирования. С помощью двух аэрофотоаппаратов путем одновременного фотографирования проводилась аэрофотосъемка через различные светофильтры на две различные пленки. В 1955-1956гг. А.Н. Иорданским был предложен метод двухзонального цветного фотографирования, получивший название спектрозональной фотографии.

В 60-х гг. многозональная съемка начала производится из космоса. На первых этапах разработки многозональных съемочных систем, велся поиск оптимального количества спектральных каналов и шел он в ряде стран разными путями. Иногда для эксперимента использовались блоки из 48 и 24 отдельных камер. Однако столкнулись со сложностью и трудоемкостью обработки большого количества изображений. В итоге широкое практическое применение нашли фотосистемы, обеспечивающие фотографирование от 3 до 6 спектральных каналов. На космическом корабле «Союз-22», подготовленном совместно специалистами СССР и ГДР по программе «Интеркосмос» для многозональной съемки использовались многообъективные камеры. Наиболее широкое применение получили многозональные камеры МКФ-6 и МК-4. Для съемки на корабле «Союз-22» использовалась шестизональная камера МКФ-6. Многозональный космический фотоаппарат МКФ-6 и его модификация МКФ-6м имеет шесть фотокамер, объединенных в едином литом корпусе, снабженных высококачественными объективами с фокусным расстоянием 125 мм и имеющими формат кадра 81×56 мм. Каждая камера обеспечена отдельной кассетой. Перед объективами устанавливаются светофильтры, обеспечивающие фотографирование в шести узких зонах спектра, охватывающий спектральный интервал от 475 до 840 нм.

Основные характеристики многозональных камер МКФ-6 и МК-4 Российский космический аппарат типа «Ресурс-Ф» (серии «Космос») оснащен многозональной четырехканальной съемочной камерой МК-4 производства белорусского предприятия АО «Пеленг». Аппаратура МК-4 обеспечивает фотографирование земной поверхности в четырех зонах спектра электромагнитного излучения, выбираемые для данного комплекта аппаратуры из шести заданных зон в диапазоне длин волн от 400 до 900 нм.

Методика визуального дешифрирования многозональных снимков При визуальном дешифрировании многозональных снимков применяют три основных методических приема: дешифрирование одного зонального снимка; дешифрирование серии зональных снимков; дешифрирование цветного синтезированного снимка.

Дешифрирование одного зонального снимка проводится в том случае, если одна из съемочных зон в наибольшей степени удовлетворяет поставленной задаче. Часто таким оказывается снимок в ближней ин-фракрасной зоне. Вследствие свойства водной поверхности поглощать излучение этой части спектра водные объекты изображаются самыми темными, что облегчает дешифрирование элементов гидрографии — рек и ручьев, береговой линии озер и морей.

При дешифрировании макрорельефа (горных хребтов, сети линеаментов) также иногда используют снимки в этой зоне, так как растительность и горные породы изображаются на них светлыми, исчезает «пестрота» ландшафта, типичная для снимков в видимой части спектра, что облегчает изучение рельефа. Однако чаще всего в качестве единственного из серии зональных используется снимок в красной зоне спектра, прежде всего потому, что на нем достаточно уверенно распознаются границы растительного покрова.

Серия зональных снимков представляет спектральный образ объектов и благодаря этому может быть использована для выявления их сущности. Этот методический прием можно применять и при визуальном дешифрировании экранного изображения цифрового снимка, и при работе с фотоотпечатками.

Для большинства съемочных систем характерны относительно широкие зоны видимого участка спектра, поэтому даже у наиболее спектрально селективных объектов, например растительности, различия яркости невелики и глазом улавливаются не всегда. Изображения же в ближней инфракрасной зоне при сравнении с одной из зон видимой части спектра всегда существенно отличаются. Как следствие, во многих случаях для распознавания объектов используют только два снимка: в одной из зон видимой части спектра, чаще красной, и ближней инфракрасной.

Сопоставление снимков в видимой и ближней инфракрасной частях спектра дает хорошие результаты при дешифрировании переувлажненных почв и грунтов, особенно в случае, если их поверхность маскируется растительным покровом, при разделении тающего и сухого снега в высокогорье и других случаях.

Для наглядного представления спектральных образов объектов при дешифрировании фотоотпечатков иногда используют простейшие измерения фототона с помощью эталонированной шкалы оптических плотностей, а затем представляют их аналогично спектральной яркости в виде графиков. При этом важно иметь в виду, что вследствие многих факторов, связанных с фотографическим процессом, нарушается соотношение яркостей в зонах, спектральный образ оказывается искаженным, а вид кривых на графике — не похожим на кривые спектральной яркости. Такие графики можно ис-пользовать для распознавания объектов только в пределах данной серии зональных снимков. Простой, но надежный способ работы с серией фотографических зональных снимков — их последовательное дешифрирование путем наложения прозрачного пластика.

Использование цветных синтезированных снимков — наиболее эффективный прием визуального дешифрирования многозональных снимков. Цветное изображение лучше воспринимается зрением, чем черно-белое, а иметь дело с одним снимком проще, чем с несколькими. На фотографическом синтезированном снимке находят отображение все особенности спектральных различий объектов местности, если синтезирование и последующее изготовление цветного отпечатка выполнены качественно.

Лучшие результаты можно получить при работе не с фотоотпечатком, а с изображением на экране синтезирующего прибора. В этом случае есть возможность подобрать такие параметры синтеза, при которых наиболее контрастно и четко выделяются объекты, интересующие дешифровщика.

В случае визуального дешифрирования на компьютере возможности выбора наиболее подходящего варианта синтеза значительно шире, поэтому многозональные снимки используются чаще именно в этом виде. Наиболее целесообразно использование цветных синтезированных снимков для дешифрирования растительного покрова — как естественной растительности, так и посевов сельскохозяйственных культур.

Синтезирование многозональных снимков МСП-4

Преобразование исходных снимков носит характер специализированной обработки, направленной по повышению информационных свойств изображений применительно к решению определенных задач. Варианты преобразования многообразны. Эти операции выполняются как при помощи аналоговых средств, так и на базе цифровых комплексов. Проводимые преобразования предназначены для выделения на снимке необходимой информации, отвечающей задачам картографирования. К ним относится, прежде всего, синтез многозональных изображений. Для изготовления цветных синтезированных изображений используются многозональные синтезирующие проекторы.

ЗОНА 700-840Нм Цветное изображение ЗОНА 500-600Нм Зона 600-700нМ

Построение карт вегетационных индексов полученных на основе многозональных космических снимков Как известно, отражение растительного покрова в красной и ближней инфракрасной областях электромагнитного спектра тесно связано с его зеленой фитомассой. Для того, чтобы качественно оценить состояние растительности широко применяется нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI. NDVI характеризует также плотность растительности позволяя растениеводам оценить всхожесть и рост растений, продуктивность угодий. Индекс рассчитывается как разность значений отражения в ближней инфракрасной и красной областях спектра, делнная на их сумму.

Например, КО для разреженной растительности в красной зоне составляет 0,1, в ИК зоне 0,3, т.е. 0,3-0,1=0,2; 0,2:0,4=0,5, значит NDVI=0,5. В результате значения NDVI меняются в диапазоне от -1 до 1. Для зеленной растительности отражение в красной области всегда меньше, чем в ИК, за счет погашения света хлорофиллом, поэтому значения NDVI для растительности не могут быть меньше 0. Расчет индекса для каждого пиксела космического снимка по красной и ближней инфракрасной спектральным зонам позволяет получить производное изображение – карту NDVI. NDVI позволяет выявить зоны угнетенной растительности. Участки с различным состоянием растительности или объемом зеленой фитомассы могут быть изображены различными цветами. При помощи статистической обработки карт NDVI можно выделить площади посевов различных сельскохозяйственных культур.

Основные достоинства многозональной съемки: 1. Снимки получаются в один момент времени, что позволяет проводить сравнительный анализ объектов. 2. Снимки обладают высокой геометрической точностью и высокой разрешающей способностью. 3. По снимкам можно проводить стереоскопические наблюдения. 4. Снимки обладают высокими изобразительными и информационны­ми свойствами. 5. Можно проводить синтезирование многозональных снимков с целью преобразования аэрокрсмического изображения. К недостаткам следует отнести: 1. Зависимость съемки от состояния атмосферы и высоты Солнца над горизонтом. 2. Необходимость доставлять на орбиту и возвращать на Землю значи­тельное количество фотоматериалов. 3. Большой вес аппаратуры, необходимой для проведения съёмки.

Телевизионная съемка

Телевизионная съемка ведется телевизионными камерами в оптическом диапазоне электромагнитного спектра (0,4-1,1 мкм). Сущность телевизионной съемки заключается в том, что оптическое изображение местности преобразуется в электрический видеосигнал. Телевизионные приемники относятся к оптико-электронным системам дистанционного зондирования. Телевизионные камеры состоят из объектива, фокусирующего изображение на светочувствительную поверхность, электронно-лучевой трубки, блоков считывания информации и формирования сигналов для трансляции на наземные приемные пункты. Основной составной частью телевизионной камеры является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), которая и является приемником электромагнитного излучения.

Принципиальное отличие телевизионной камеры от фотоаппарата заключается в том, что оптическое изображение местности через объектив проектируется не на фотопленку, а на светочувствительный экран, на котором формируется электронное изображение, которое преобразуется в электрический видеосигнал. Кроме того, ресурс элементов оптико-электронной регистрации на много больше, чем возможный запас фотопленки на борту носителя, а значит, спутник с телевизионной системой может годами функционировать на орбите и оперативно постоянно передавать информацию на наземные приемные станции.

К достоинствам оптико-электронных приемников следует отнести то, что они обладают гораздо большей чувствительностью, чем фотоматериалы, что важно при съемке в условиях малой освещенности невысокой отражательной способностью объектов местности. Однако они имеют значительно меньшую разрешающую способность, чем фотопленка, а также имеют значительные геометрические искажения.

В телевизионных камерах используются два вида передающих телевизионных трубок диссекторные и видиконовые. Рис. Передающие телевизионные трубки

Первые телевизионные камеры оснащены широкоугольным объективом, что позволяет фиксировать в пределах кадра значительные территории. В качестве светочувствительного элемента в этих трубках используется фотокатод, работа которого основана на внешнем фотоэффекте Фотокатод диссектора, на который проектируется оптическое изображение, испускает электроны с плотностью, пропорциональной освещенности. Так создается электронное изображение, элементарные участки (элементы) которого помощью отклоняющей системы последовательно подводятся к входному отверстию-фотоэлектронного умножителя, вырабатывающего электрический видеоигаал. В результате развертки двумерное изображение, преобразованное в одномерную функцию изменения напряжения во времени, можно передать по одному каналу связи.

Эти телевизионные камеры используются для глобальных съемок с геостационарных спутников. Впервые такая камера была установлена на спутнике «Молния-1». Недостатком таких телевизионных камер является невысокая разрешающая способность при широком угле зрения и громоздкость аппаратуры.

Более широкое применение при дистанционном зондировании получили телевизионные камеры с видиконовыми передающими трубками, где в качестве светочувствительного экрана используется полупроводниковый фотоэлемент, работа которого основана на внутреннем фотоэффекте. Современные трубки космических телевизионных систем обеспечивают 500—1000 строк развертки при размерах мишени 0,5—5 см. Высокая чувствительность мишеней с внутрен­ним фотоэффектом, применяемых в видиконе, позволила упростить трубку и уменьшить ее размеры, что очень важно для орбиталь­ной съемки. В видиконе, в отличие от диссектора, электрическое изображение в виде зарядов образуется (накапливается) в тече­ние (всего времени между очередными циклами считывания потен­циального рельефа электронным лучом. Этот принцип повышает эффективность работы трубки и позволяет формировать телеви­зионное изображение в виде отдельных кадров.

В этих камерах наряду с высококачественными ЭЛТ используются узкоугольные длиннофокусные объективы, что позволило значительно повысить разрешающую способность снимков в 5-6 раз по сравнению с первыми снимками с ИСЗ типа «Метеор-Природа». Телевизионная съемка для метеорологических целей проводилась с советских ИСЗ «Метеор», российского «Ресурс-0», американских «Тайрос» и «Нимбус». Разрешение телевизионных снимков составляет несколько километров (по краям от 6 до 8 км). Эти снимки используются для дешифрирования облачного покрова, составления карт облачности, которые используются для прогноза погоды. Также они используются для изучения снежного покрова в целях гидрологических прогнозов и анализа ледовой обстановки на морях. Кроме метеорологических целей и исследования земной поверхности телевизионная съемка используется при изучении планет Солнечной системы и их спутников.

Основные достоинства телевизионных съемок : оперативность (получение изображений в реальном или близком к реальному масштабу времени); технологичность в обработке; обеспечение быстрой и многократной повторности съемок одних и тех же территории.

Сканерная съемка

Сканерная съемка в отличие от фотографической и телевизионной может выполняться от видимого диапазона до инфракрасного теплового с длиной волны в единицы и десятки микрометров. Для съемки используются оптико-механическое сканирующее устройство, которое состоит из вращающегося зеркала, устанавливаемого под углом 45° к направлению вращения, перпендикулярному к плоскости орбиты и детекторов, чувствительных к излучению определенных длин волн

Рис. Схема функционирования сканирующей системы

Рис. Схема сканерной съемки Принцип работы оптико-механического сканирующего устройства заключается в следующем: сканирующий элемент (вращающееся зеркало), поэлементно просматривая местность поперек движения носителя, посылает лучистый поток в объектив и далее на точечный фотоприемник (детектор), который преобразует его в электрический сигнал, передаваемый с носителя по каналам связи на наземные приемные станции

Детекторы сканирующего приемника выбираются в зависимости от требуемого диапазона зондирования. При съемке в диапазоне 0,4 - 1,1 мкм. используются кремневые, в окне прозрачности атмосферы 7-14 мкм. применяют детекторы из ртуть-кадмий-теллурида или германия с включениями ртути.

Отличительная особенность сканерных снимков состоит в том, что их изображение состоит из полос (сканов), которые в свою очередь состоят из отдельных элементов (пикселов). Спектральная яркость объектов в пределах элемента изображения усредняется и детали не различаются. Разрешающая способность изображений, получаемых сканирующими системами и ширина охвата съемкой полосы, зависят от угла сканирования (обзора) и мгновенного (элементарного) угла зрения. Угол сканирования и мгновенный угол зрения, а следовательно, охват съемкой и разрешение на местности - взаимосвязанные величины. Чем выше разрешение сканера, тем меньше охват съемкой местности. Например, при разрешении 1-2 км, из космоса снимают полосу шириной в несколько тысяч километров; при разрешении в 200-300м до 1000км, а при разрешении в 50-80м ширина полосы съемки не превосходит первые сотни метров.

По своим геометрическим свойствам сканерный снимок, состоящий из отдельных элементов, уступает фотографическому. Однако, сканерная съемка, в отличие от фотографической, имеет большие возможности по использованию узких съемочных зон для получения изображения во всех спектральных диапазонах. Кроме того, она обеспечивает быструю передачу информации на наземные приемные станции и возможность представления снимка в цифровом виде, что позволяет использовать компьютерные технологии для его тематической обработки.

Оптико-механические сканеры с вращающимся зеркалом достаточно сложны в изготовлении и эксплуатации. В последнее время широко начали использоваться для сканирования многоэлемептные приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые отличаются простотой и надежностью сканирования. В качестве светочувствительного элемента в этих системах используются линейки, которые смонтированы из нескольких тысяч кристаллических детекторов. На линейку проецируется изображение местности и с каждого детектора снимается электрический сигнал, характеризующий спектральную яркость снимаемого объекта . Для сканирования в различных зонах спектра применяют несколько линеек, регистрирующих каждая свой спектральный интервал. Такое сканирование проводится в оптическом диапазоне.

Впервые сканерная съемка начала проводиться с советских метеорологических спутников серии «Метеор» и американских серии «Нимбус», получаемые снимки имели разрешение 1-3 км в центре и 5-8км по краям. Впервые сканерный метод съемки для изучения земной поверхности был выполнен с американского ресурсного спутника ERTS, впоследствии переименованный в «Ландсат». Для съемки использовалась многоспектральная сканирующая система МSS, дающая изображение полосы шириной 185 км в зеленом, красном и ближнем инфракрасном диапазонах спектра в интервалах 0,5-0,6; 0,6-0,7; 0,7-0,8; 0,8-1,1мкм. Элемент разрешения на местности 59×79м

Многоэлементные ПЗС-снимки с разрешением 45м в полосе обзора 45км, в трех спектральных диапазонах: 0,5-0,6; 0,6-0,7; 0,8-0,9 мкм получают с российских спутников серии «Ресурс 0-1». На французском спутнике SPOT установлены две идентичные съемочные камеры с многоэлементными линейными светоприемниками. Ряд (линейка) светоприемнико-детекторов включает 6000 элементов, дающих строку ширины полосы охвата 60км. Ведется многозональная съемка в трех спектральных диапазонах 0,50-0,59; 0,61-0,68; 0,70-0,89мкм с разрешением 20м или монохроматическая в интегральной зоне 0,51-0,75мкм с разрешением 10м. Снимки со спутника SPOT используются для решения задач топографического и крупномасштабного тематического картографирования. Снимки получаемые аппаратурой МСУ-М, используются в геологических, гидрологических, гляциологических и лесохозяйственных исследованиях. Снимки получаемые с помощью системы «Фрагмент» обладают высоким разрешением и используются для среднемасштабного тематического картографирования.

Гиперспектральная съемка

Гиперспектральная съемка также как и многозональная съемка ведется в отдельных узких зонах спектра. Однако если у многозональной съемки количество спектральных каналов колеблется от 3 до 25 и охватывают широкие области спектра от 500 до 560, красная от 620 до 800 нм и т.д. Для гиперспектральной съемки используются спектрометры, позволяющие вести съемку одновременно в нескольких сотнях спектральных каналов в пределах от 0,4 до 2,4 мкм с шириной области спектра менее 20 нм. Каждый пиксел гиперспектрального изображения содержит достаточно информации об объекте и его свойствах выражающийся в его спектральной яркости.

В отличии от многоспектральных, гиперспектральные съемочные системы производят измерения в сотнях смежных и перекрывающихся областях спектра. Большинство гиперспектральных как и многозональных съемочных систем являются пассивными оптическими. Это означает, что они производят измерения отраженного солнечного излучения земной поверхности в видимой и ближней ИК областях спектра.

Гиперспектральное изображение имеют хорошее спектральное разрешение, однако его объем является слишком большим. Например, изображение гиперспектральной съемочной аппаратуры AVIRIS имеет размер 512*614 пикселей. Однако из-за 224 каналов и градаций яркости 16 бит на канал объем изображения составляет более 140 М байт. Обработка такого изображения требует больших размеров оперативной памяти и жесткого диска. Первый проект гиперспектральной съемки был реализован с запуском КА «Terra» системы ЕОS и коммерческого КА OrbView-4, в осуществлении которого активные финансовое участие принимало Министрество обороны США. Данная аппаратура позволяет получать гипперспектральные снимки с разрешением 4 м и понхраматических 1 м. По условиям контракта Министерством обороны аппаратура обеспечивает съемку в 250 диапазонах с пространственным разрешением 8м.

До недавнего времени гиперспекральная съемка представляла только теоретический интерес по следующим причинам: -технический уровень приборостроения не позволял создавать съемочные системы с высоким пространственным разрешением и спектральным разрешением одновременно. - особую трудность при практической реализации представляло получение и передача огромных информационных потоков, а затем наземная обработка этих гигантских массивов информации. К настоящему времени эти трудности в основном преодолены. Для съемок используются съемочные системы высокого пространственного разрешения, имеющих несколько сотен спектральных зон. Для обработки большого объема информации используется современная компьютерная техника и технологии.

Инфракрасная и инфракрасная тепловая съемки Данные виды съемок выполняются с использованием инфракрасных сканирующих радиометров, однако различаются диапазоном спектра, в которых они проводятся.

Инфракрасная съемка ведется в длинноволновой зоне оптической части спектра с длинной волн в пределах от 0,76 до 1,75мкм. В этих сканирующих системах в качестве приемников применяются фотонные детекторы, чаще кремневые (0,4-1,1мкм) и германиевые (1,1-1,75мкм). Источником инфракрасного излучения является земная поверхность, нагретая Солнцем, внутренним теплом Земли или искусственными источниками тепла. Сканерная съемка в инфракрасном диапазоне ведется со спутников «Ландсат», «Метеор», «Космос», «Ресурс», SPOT и др. Сканерные инфракрасные снимки используются при изучении влажности почвогрунтов и видового состава растительности.

Инфракрасная тепловая съемка может выполняться в диапазоне от 3 до 30мкм. Однако успешное проведение дистанционных наблюдений земной поверхности со спутников и самолетов, в данном диапазоне, во многом зависит от правильного выбора окон прозрачности атмосферы, т.е. участков электромагнитного спектра, на которых влияние паров воды, атмосферных газов и аэрозолей на излучение Земли минимально. В инфракрасном тепловом диапазоне выделяются два окна прозрачности 3.0-4,5мкм и 8,5-14,0мкм. На второе окно прозрачности приходится максимум теплового излучения, абсолютный максимум приходится на 10мкм. Однако в окрестностях полосы 9,6мкм находится участок сильного поглощения атмосферой, которое связано со стратосферным слоем озона. Поэтому с этим необходимо считаться при съемке из КЛА. Практически в основном используются окна прозрачности 3-5 мкм, 8-12 или 10-14 мкм.

Инфракрасный тепловой снимок (лето)

В диапазоне 3-5 мкм тепловую съемку целесообразно проводить в ночное время, так как в дневное время существенные помехи вносит солнечная радиация. Кроме того, учитывая, что рассеяние в инфракрасном диапазоне меньше, чем в видимом, тепловую съемку можно проводить в условиях сильной дымки (обусловленной пожарами или промышленными выбросами) или слабого тумана, в данном случае она имеет существенное преимущество перед телевизионной и фотографической съемкой и позволяет получать снимки с изображением хорошего качества.

С 1978г. для проведения тепловой съемки с самолета используется серийный тепловизор «Вулкан», имеющий два спектральных диапазона 3-5 и 8-13 мкм.

Для существующих типов летательных аппаратов такая система записи строк обеспечивает получение тепловых аэроснимков масштабов от 1:3 000 до 150 000, причем оптико-технические показатели позволяют использовать вертолеты Ми-8 и КА-26 для съемок масштаба 1:3 000 - 1:25 000, самолеты АН-2, Л-410 – для съемки масштаба 1:20 000 - 1:100 000 и АН-30 – для съемок масштаба 1:50 000- 1:100 000.

Для тепловой космической съемки используются специальные сканирующие радиометры или же оптико-механические сканеры, которые в отдельных каналах ведут тепловую съемку. В качестве приемников инфракрасного теплового излучения используются фотонные детекторы. Принцип работы которых основан на фотографическом эффекте (фотодиоды) и явлении фотопроводимости (фоторезисторы) в твердых телах. Следует отметить, что максимально достигаемая разрешающая способность по спектру зависит от степени охлаждения детектора.

Для получения высокой разрешающей способности в диапазоне 8-13мкм требуется охлаждение до -77°С и ниже. Для охлаждения приемников излучения применяют жидкий и газообразный азот. Наиболее перспективный метод охлаждения до -195°С на основе термоэлектрического эффекта при трехкаскадных термоэлектрических охладителях. В основном ИК радиометры поперечного сканирования имеют разрешающую способность по температуре порядка 0,25°С и позволяют различать до 10-12 градаций температур их контрастов поверхности с точностью менее 1°С при аэросъемке и 2-3° с ИСЗ.

Впервые космическая съемка в тепловом инфракрасном диапазоне начала выполняться с метеорологических спутников. Первые снимки с космических спутников «Метеор» были получены в масштабе 1:15 000 000 с разрешением 17км. Несколько с более высоким пространственным расширением в 6км и температурном разрешении 1°С были получены снимки со спутника НОАА. Совершенствование аппаратуры для съемок, позволило даже с геостационарных спутников получить инфракрасные тепловые снимки с пространственным разрешением 5км, а у спутников «Метеосат» нового поколения – 2,5 км. Так, на тепловом снимке Африки хорошо различаются экваториальная и тропическая природные зоны, что обуславливается температурным режимом, наличием облачности и влажностью.

В последнее время отмечена тенденция по разработке систем, где совмещены функции радиометра, спектрорадиометра и тепловизора. Это так называемые видиоспектрорадиометры, позволяющие получать тепловые изображения земной поверхности в нескольких спектральных каналах и одновременно измерять спектральное распределение энергии излучения. Однако на возможность измерения в инфракрасном диапазоне сильно влияют метеорологические условия (облака, дождь), и поэтому обзор всей поверхности часто оказывается невозможным.

Таким образом, при наличии облаков приборы, предназначенные для работы в окнах прозрачности атмосферы ИК диапазона, регистрируют верхнюю поверхность облаков как источник излучения. Поэтому есть специальные радиометры для установления распределения водяного пара работающих на волне 6,7мкм и облаков на волне 10-12мкм.

Установлено, что в среднем любой район Земли полностью свободен от облаков только лишь 10-14% времени. В Европе процент дней с облачностью менее 2 баллов колеблется от 20% на северо-западе до 50% на юго-востоке. В связи с этим проявляется все больший интерес к использованию микроволновой радиометрии. Особенно большое внимание уделяется этому вопросу в Канаде.

Основные направления использования ИК тепловой съемки: - поиски и изучение термальных вод;

- использование энергетической службой для обнаружения «горячих точек» в силовых линиях электросетей;

- для изучения состояния теплосетей;

- поиски скопления грунтовых вод;

- изучение уровенного режима грунтовых вод;

- оценка влажности почв на массивах орошения и осушения;

- выявление очагов заболевания лесной и культурной растительности;

- учет животных;

- тепловые инфракрасные снимки используются для компьютерного составления карт температуры водной поверхности океанов;

- оценка степени загрязнения рек и водоемов сточными водами и т.д.

-Использование для изучения температурного режима водной и земной поверхности

Радиотепловая съемка

Микроволновые радиометры имеют направленную антенну, приемник и детектор. При микроволновом зондировании очень важно достигнуть возможно большей разрешающей способности на местности. Этот показатель связан с мгновенным углом зрения зондирующей системы. Диаметр зондирующего луча зависит от длины волны и размера приемной антенны. Антенна микроволновой зондирующей системы включает параболический рефлектор, в центре которого работает сканирующая антенна значительно меньших габаритов, аккумулирующая принимаемую энергию и направляющая ее через волновод в усилитель. Повышение пространственного разрешения снимков связано с увеличением скорости сканирования, однако это связано с возрастанием габаритов и массы антенных систем, что усложняет решение данного вопроса при съемке из космоса.

Отдельные природные образования имеют естественное микроволновое излучение в диапазоне длин волн от единиц до десятков миллиметров и частот от десятых гегагерц (ГГц) и более. Технология регистрации микроволнового излучения относится к области радиотехники и связана с использованием антенных систем. Радиотепловая съемка или микроволновая радиометрия основана на пассивном измерении излучения в диапазоне длин волн 1-100 мм. Интенсивность излучения любого объекта земной поверхности зависит от диэлектрической постоянной, температуры, размера и ее шероховатости. Например, диэлектрическая постоянная большинства природных объектов составляет от 2 до 10, а для воды при +20°С – около 80 при частоте 1 ГГц. Это указывает на то, что особенно эффективно применение микроволновой радиометрии для зондирования природных объектов и явлений, содержащих влагу.

К основным характеристикам микроволновых радиометров следует отнести следующие: низкая пространственная разрешающая способность (более 1 км); широкий диапазон волн фиксируемого излучения; а также возможность проникновения высокочастотных электромагнитных волн соответствующей длины через непрозрачную для оптического диапазона атмосферу, т.е. через туман, дымку и облака. Это позволяет считать, что микроволновое пассивное зондирование является одним из важных средств изучения природных явлений. К основным направлениям использования радиотепловой съемки относятся изучение влажности и засоления почв, разведка залегания пресных вод, определение оптимальных сроков начала посевных работ, состояние ледовой обстановки в полярных морях для судовождения.

Метод пассивной микроволновой съемки находится в стадии отработки и используется в основном для зондирования с самолета. В космосе работали микроволновые радиометры, регистрирующие излучение только вдоль линии полета, на орбитальной станции «Скайлаб». Со спутников «Нибус -5,6» получены снимки с разрешением 25 км, а с «Нибус-7» – 12 км. С этих спутников были получены ареалы распространения многолетних и однолетних льдов в пределах полушария, что представляет интерес для судовождения. Микроволновые радиометры для съемок использовались на спутнике «Сисат» для исследования океана. С 1991г. они используются на первом европейском ресурсно-океанологическом спутнике ЕRS-1.

Радиолокационная съемка

Радиолокационная съемка проводится в зоне электромагнитного спектра с длинами волн от нескольких миллиметров до метров. Она относится к активным методам дистанционного зондирования. Впервые РЛС в США и Советском Союзе была использована в 60-е годы для военных и метеорологических целей и для проводки судов в высоких широтах. С 1968 года в СССР для нужд геологии Лабораторией аэрометодов Министерства геологии СССР были начаты исследования по разработке методики площадной радиолокационной аэросъемки. Для этих целей применялись отечественные радиолокационные системы бокового обзора (РЛСБО) "Торос" и "Нить". Впервые радиолокационная съемка из космоса выполнена в 1978г. со спутника «Сиасат» с разрешением 25м, а в 1981г. с корабля многоразового использования «Шаттл» с разрешением 40м.

Схема кругового (а) и бокового (б) способов обзора поверхности Круговой или секторный обзор применяют как в стационарных, так и в подвижных РЛС, если скорость носителя относительно невелика (рис.). Боковой обзор используют только в бортовых РЛС на быстро перемещающихся платформах – самолетах, вертолетах, космических аппаратах. Неподвижный антенный луч ориентируется в сторону от направления полета и перемещается поступательно за счет собственного движения РЛС.

Зона бокового обзора имеет вид полосы. В двумерных РЛС (при обзоре земной поверхности) обычно используется веерообразный луч, так как разным дальностям соответствуют разные углы места. Оконечными устройствами РЛС бокового обзора обычно являются специальные фоторегистраторы, которые фиксируют на фотопленке изображение полосы обзора. В настоящее время для этой цели все чаще используются бортовые компьютеры.

Формирование РЛ-изображения. РЛ-изображение местности является результатом взаимодействия электромагнитных колебаний, генерируемых РЛС, с земной поверхностью. При достижении сигналом земной поверхности происходит отражение и рассеяние волн, а также проникновение вглубь земной поверхности. Интенсивность отраженного сигнала определяется свойствами поверхности (шероховатость, влажность, ориентация в пространстве, крутизна склонов, диэлектрическая проницаемость и др.) и длиной волны излучения.

Суть механизма взаимодействия электромагнитных колебаний с подстилающей поверхностью, обуславливающего тон радиолокационного изображения, состоит в следующем: - радиолокационный сигнал при падении на зеркальную поверхность, например воды, отражается в сторону от радиолокатора и в приемник не попадает. Следовательно, при фиксации его на пленке, почернение определяется только уровнем собственных шумов РЛС, поэтому водные объекты изображаются темным тоном; - при падении луча на поверхность под углом 900 отражение будет происходить в обратном направлении и величина отраженного сигнала будет максимальной, т.е. чем больше крутизна склонов, тем более светлым тоном они изображаются на снимках; - при взаимодействии сигнала РЛС с шероховатой поверхностью происходит явление диффузного рассеяния электромагнитных колебаний во всех направлениях, и поэтому только часть отраженных волн попадает в приемник РЛС. Интенсивность принятого отраженного сигнала в этом случае имеет очень широкий диапазон.

Исследование влияния физических свойств поверхности на формирование радиолокационного изображения выявили зависимость тона радиолокационного изображения от увлажненности поверхности горных пород, их плотности и других свойств, вызывающих поглощение радиоволн, что приводит к уменьшению интенсивности сигнала, пришедшего в приемник станции. Благодаря особенностям формирования радиолокационного изображения, на радиолокационных снимках можно получать дополнительную информацию о разрывных тектонических нарушениях, изучении закрытых структур, состоянии сельскохозяйственных культур, увлажненности почвогрунтов и т.д.

Радиолокационная съемка (активная радиолокация) по отношению к фотографической и телевизионной съемке обладает рядом преимуществ, а именно: - возможностью проведения съемки в любое время суток и при любых погодных условиях (кроме грозовой облачности); - независимостью разрешающей способности станции от дальности объекта; - возможностью съемки без непосредственного полета над объектом; - большой полоса захвата на местности при малой высоте полета; - возможностью обнаружения объектов по их радиолокационным, а не оптическим контрастам; - возможностью передачи полученной информации с борта носителя на наземные пункты по радиоканалу на значительные расстояния.

Отличительной особенностью электромагнитных волн радиодиапазона является способность их проникать вглубь объекта, а глубина их проникновения зависит от свойств подстилающей поверхности и длины волны. Чем больше длина волны, тем больше глубина ее проникновения, которая приблизительно равна половине ее длины. В песчаные отложения и пресную воду радиоволны проникают глубже, чем в глинистые породы и соленую воду.

Исходя из особенностей радиолокационной съемки, вытекают возможности практического использования информации в следующих случаях: - получение изображения поверхности Земли в труднодоступных районах в т.ч. там, где фотосъемка затруднена из-за постоянного облачного покрова. - оперативное получение в любое время суток и в любых, кроме грозовой облачности, погодных условиях достоверной информации при определении масштабов стихийных бедствий: наводнений, тайфунов, извержения вулканов и др. - контроль загрязнения морской поверхности при работе бурильных установок (платформ), нефтяных терминалов и других мест возможных выбросов, определение границ загрязнений при авариях танкеров и др. - оценка состояния ледового покрова и проводка судов в тяжелой ледовой обстановке и др.

Масштабы радиолокационных аэроснимков являются жесткими значениями и определяются конструкцией радиолокационной станции. РЛСБО "Торос", "Нить" позволяют получать изображение очень трудно добиться постоянства масштаба как по азимуту (по оси х), так и по дальности (по оси у). Развертка и направление полета (по азимуту) осуществляется за счет движения самолета по маршруту. Принцип работы РЛСБО "Торос" предполагает получение изображения местности не под самолетом, что присуще плановой аэрофотосъемке, а слева и справа от линии полета, а под носителем образуется так называемая "мертвая зона", т.е. не охватываемая съемкой. Масштаб по азимуту зависит от постоянства отношения скорости развертки по оси х (скорость лентопротяжки перед ЭЛТ) к скорости самолета. При отсутствии автоматического согласования этих элементов возникает искажение масштаба.

Масштаб изображения по дальности также может быть неравномерным и изменяться в зависимости от угла облучения. Это связано с тем, что, например, в системе "Торос" применяется линейная развертка наклонной дальности, т.е. скорость развертки по оси и на экране ЭЛТ постоянна по всей длине строки. В системах с компьютерным управлением эти недостатки легко устраняются. Пространственное разрешение изображений, полученных РЛСБО, зависит от размеров импульса, сформированных в направлениях полета и зондирования. Чем меньше эти величины, тем выше разрешающая способность радиолокационной съемки.

Радиолокационный снимок Белорусского Полесья масштаб 1 : 90 000 (04. 06.1974г.)

Аэрофотоснимок масштаб, 1 : 50 000 Радиолокационный снимок, масштаб 1 : 90 000 (25. 10.1970г.) Радиолокационный снимок масштаб, 1 : 90 000 (04. 06.1974г.)

Спектрометрическая съемка

Наземные системы Спектрозональный видеополяриметр предназначен для обнаружения и выделения на фоне местности различных объектов путем регистрации изображений в нескольких спектральных зонах в области 0,4―1,05 мкм с учетом поляризационных характеристик отраженного объектами излучения и дальнейшей автоматизированной обработкой исходных изображений.

Спектрометры и спектрорадиометры Переносной высокоточный спектрорадиометр ПВС-02 предназначен для высокоточной передачи единиц СПЭЯ от комплекса для калибровки спектрометрической аппаратуры «Камелия–М» калибровочной лаборатории НИИПФП БГУ, аккредитованной в Госстандарте РБ, к комплексам фотометрической калибровки съемочных систем в диапазоне 0,4–2,5 мкм. ПВС–02 может быть использован для регистрации спектров излучения, отражения и поглощения различных объектов.

Спектрорадиометр ПСР-02 предназначен для проведения измерения в лабораторных и полевых условиях спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ, Вт/(см²·мкм·ср)), а также поляризационных характеристик отраженного растительными элементами или другими объектами излучения в диапазоне длин волн от 0,35 до 2,5 мкм.

Спектрорадиометры серии МС – это современные малогабаритные модели спектрорадиометров на УФ, видимую и ближнюю ИК области спектра 0,35 - 1,05 мкм в сочетании со стандартным компьютером (notebook) обеспечивающие высокоточные абсолютные измерения яркости излучения и экспресс-анализ характеристик излучения, рассеяния, пропускания, поглощения и люминесценции разнообразных природных и искусственных объектов и сред в любых натурных и лабораторных условиях.

Системы авиационного базирования Авиационная система контроля за обстановкой в зоне чрезвычайных ситуаций и последствий от АСК–ЧС предназначена для реализации технологий дистанционной диагностики оптических излучений при проведении авиационных съемок районов ЧС в видимом и ИК диапазонах длин волн с целью получения спектрозональных, спектрополяризационных и тепловых изображений местности, их оперативной тематической обработки для выявления особенностей изучаемого объекта, построения картосхем обследуемых территорий, определения масштабов и оценки последствий от чрезвычайных ситуаций различного уровня.

Авиационный аппаратно-программный видеоспектральный комплекс ВСК-2 предназначен для дистанционного контроля за состоянием лесных насаждений с борта авиационных носителей. Видеоспектральный комплекс осуществляет регистрацию, обработку и представление пространственной и спектрополяризационной информации в виде телевизионных, спектрозональных и спектрополяризационных изображений контролируемого участка территории, а также в виде спектров высокого разрешения объектов, которые повышают информативность получаемых данных.

Системы космического базирования Фотоспектральная система ФСС предназначена для проведения измерений спектров отраженного излучения подстилающих поверхностей в диапазоне длин волн от 350 до 1050 нм и фотоизображений в видимом диапазоне длин волн на Российском сегменте Международной космической станции (РС МКС) в космическом эксперименте «Ураган» (экспериментальная отработка наземно-космической системы мониторинга и прогноза развития природных и техногенных катастроф).

Спектрофотометрический комплекс СФК предназначен для проведения исследований пространственно-временных и спектральных характеристик оптических свечений верхних слоев атмосферы Земли с борта многоцелевого лабораторного модуля Российского сегмента Международной космической станции с целью разработки эмпирической модели мезосферы для прогнозирования геофизических катастроф (шифр космического эксперимента (КЭ)– «Гидроксил»).

Видеофотоспектральная система ВФС-3М предназначена для автоматической дистанционной регистрации оптических излучений в атмосфере и ионосфере Земли, связанных с грозовой активностью и сейсмическими процессами, в спектральной области 390―900 нм с борта пилотируемых и непилотируемых аппаратов, в частности, Российского сегмента Международной космической станции.

Лазерная съемка

Создание лазера положило начало разработки различных лазерных систем дистанционного зондирования, которые получили различные названия. Наиболее широкое применение получило название лидар, который состоит из передатчика и приемника. Лазерное зондирование относится к активным видам съемок, которое может вестись от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона. Ввиду поглощения атмосферой коротких волн, используемых в лидаре, он эффективно работает только при ясном небе. В настоящее время созданы лидары трех типов: высотомер, который позволяет строить профили; сканирующий лидар, который можно использовать как инструмент для картографирования и третий тип лидара – для спектроскопических исследований и создания карты распределения загрязняющих атмосферу веществ.

Основные области применения лазерной съемки следующие: - измерение концентрации веществ, содержащихся в атмосфере, связанных с ее загрязнением; - определение термических, структурных и динамических характеристик атмосферы, океана и подстилающей поверхности; - обнаружение порогового (критического) содержания различных веществ в атмосфере (углекислого газа, окиси азота и двуокиси серы); - наблюдение за динамикой шлейфов промышленных выбросов; - распознавание и выделение в океане зон распространения фитопланктона с целью обнаружения косяков рыб, а так же обнаружение нефтяных пятен.

В зависимости от характера покрытия местности снимками фотографическую съемку подразделяют на выборочную, маршрутную и площадную. Выборочная фотосъемка заключается в фотографировании отдельных объектов или участков местности одиночными кадрами. Маршрутная фотосъемка представляет собой фотографирование полосы местности в виде отдельного маршрута. При воздушной съемке эти маршруты могут быть прямые, криволинейные и ломаные, при космической в виде прямых полос. Маршрутная съемка используется для съемки линейных объектов (дорожная сеть, поймы рек, береговая линия морей и т.д.), а также отдельных трасс земной поверхности. Площадная фотосъемка применяется для съемки земной поверхности путем покрытия определенной площади параллельными и прямолинейными маршрутами. Степень перекрытия снимков в маршрутах и между ними рассчитывается в зависимости от целей, для которых проводится съемка.

Виды орбит космических летательных аппаратов Классификация орбит низкоорбитальные – 100 – 500км По высоте: среднеорбитальные 500-2000км высокоорбитальные 3000-4000км круговые эллиптические По форме гиперболические параболические экваториальные полярные По наклону плоскости орбиты К плоскости экватора: прямые обратные

геосинхронно периодические суточные геосинхронно периодические несуточные По периоду обращения квазипериодические геостационарные солнечно-синхронные