Аэрокосмическое картографирование

Введение

 

Тема «Аэрокосмическое картографирование» весьма актуальна и интересна для рассмотрения, ведь на протяжении нескольких последних десятилетий топографическое картографирование, включая крупномасштабное, выполняется преимущественно аэрофототопографическим методом. Этот метод завоевал всеобщее признание в силу его экономичности, высокой точности и производительности.

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

Материалы аэрокосмической  фотосъемки широко используются как в процессе создания карт, так и при их обновлении.

Общегеографические и  тематические карты также используют в качестве источников при составлении карт. Однако их значение не ограничивается использованием их для привязки тематического содержания. Они обеспечивают географическую достоверность картографирования, играя роль основы, т.е. того каркаса, относительно которого производится нанесение и последующая увязка тематического содержания составляемой карты и взаимное согласование карт разной тематики.

В данной работе большое  внимание уделяется аэрокосмическому картографированию, в частности таким вопросам, дешифрование аэроснимков и космических снимков, создание фотокарт и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

1. Источники для создания карт

 

1.1 Картографические материалы

 

Общегеографические карты используют в качестве источников при составлении любых тематических карт. Они служат основой для нанесения тематического содержания. Топографические, обзорно-топографические и обзорные карты — это надежные и достоверные источники, которые создают по государственным инструкциям, в стандартной системе условных знаков с определенными, строго фиксированными требованиями к точности.

Значение общегеографических карт не ограничивается использованием

их для привязки тематического  содержания. Они обеспечивают географическую достоверность картографирования, играя роль основы, т.е. того каркаса, относительно которого производится нанесение и последующая увязка тематического содержания составляемой карты и взаимное согласование карт разной тематики.

Тематические картографические материалы — основной источник для составления тематических карт. К ним относятся результаты полевых тематических съемок (крупномасштабные планы, схемы, абрисы, маршрутные и стационарные съемки и т.п.), собственно тематические карты разного масштаба и назначения, а также разного рода специальные материалы, такие как схемы землепользовании, лесоустроительные планы и др.

Тематические карты  крупных масштабов всегда служат источниками для мелкомасштабных  карт, но особенно важно, что карты  одной тематики часто используют при составлении карт смежной тематики. Так, при почвенном картографировании привлекают карты растительности и геоморфологические, при создании геоморфологических карт — геологические и тектонические, при составлении карт транспорта совершенно необходимо использование карт расселения и т.д. А для составления синтетических карт районирования и оценки территории в качестве источников часто берут серии карт разной тематики. Современное обилие тематических материалов ставит задачу оптимизации их выбора при создании любой карты, а это требует от картографа глубоких географических знаний.

Особый вид источников — кадастровые карты и планы. Они с документальной точностью отражают размещение, качественные и количественные характеристики явлений и природных ресурсов, дают их экономическую или социально-экономическую оценки, содержат рекомендации по рациональному использованию и охране. Таковы карты кадастра земельного, городского, полезных ископаемых, лесного, водного, промыслового и др.

 

1.2 Материалы дистанционного зондирования

 

Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных  воздушных и космических аппаратов, судов и подводных лодок, наземных фото теодолитных станций.

Наиболее широко применяются  в картографии материалы аэрокосмического зондирования, в особенности — космической съемки, которая, будучи более экономичной, по детальности теперь приближается к аэросъемке. Эти материалы разнообразны по масштабу, охвату, разрешению и другим свойствам .

Они имеют важные преимущества перед другими источниками для составления карт.

• Обзорность космических  изображений — от глобального  охвата до десятков километров при  детальной съемке — обеспечивает экономичное картографирование  обширных пространств.

• Съемка из космоса одной  и той же территории с разным разрешением и генерализацией позволяет параллельно создавать и обновлять карты разных масштабов, избавляя от необходимости составлять карты более мелких масштабов по крупномасштабным, что неизбежно удлиняло процесс картографирования.

• Центральная проекция, в которой строится изображение, при большой высоте центра проектирования близка к ортогональной, что упрощает фотограмметрическую обработку при создании карт.

• Повторные съемки с  заданной периодичностью обеспечивают динамическое картографирование и мониторинг быстро меняющихся во времени процессов и явлений.

• Обеспечивается картографирование  труднодоступных районов — пустынь, маршей, высокогорий, полярных островов, Антарктиды. Мало того, решается проблема съемки других планет и их спутников.

• Выразительность и наглядность космических снимков обусловили появление новых видов картографической продукции — фотокарт и спутниковых карт биофизических характеристик земной поверхности.

• Комплексное отображение  на одном снимке всех компонентов  земных ландшафтов способствует наиболее правильной передаче пространственных взаимосвязей картографируемых объектов.

Благодаря этому аэрокосмические  снимки нашли в картографии разнообразное  применение при составлении и  оперативном обновлении топографических  карт, создании тематических карт и фотокарт, картографировании малоизученных и труднодоступных районов.

Съемки ведут в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном (ИК), среднем ИК, тепловом ИК, радиоволновом диапазонах спектра. Съемка в видимом и ближнем ИК диапазонах регистрирует солнечное излучение, отраженное объектами в соответствии с их спектральной отражательной способностью. На снимках отображаются оптические характеристики объектов — их спектральная яркость. Для съемки необходимо освещение, а облачность в этом случае мешает съемке. В тепловом ИК диапазоне регистрируется собственное излучение Земли и температурные характеристики объектов. Съемка в этом диапазоне не зависит от освещения, может выполняться ночью, но облачность и здесь является помехой. При съемке в радиодиапазоне радиоволны, почти не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман, съемку ведут при любой погоде и в любое время суток. На снимках хорошо видны рельеф и шероховатость поверхности, ее влажность, иногда — под поверхностные структуры. При съемке в разных спектральных диапазонах используют различные технологии и получают снимки разных типов.

Фотографические снимки — это результат по кадровой регистрации на фотопленку солнечного излучения, отраженного земными объектами. Аэрофотоснимки получают с самолетов и вертолетов, космические снимки — со спутников, космических кораблей и орбитальных станций, подводные — фотокамерами, опускаемыми на глубину, а наземные — с помощью фототеодолитов.

Кроме одиночных плановых снимков картографическими источниками

служат стереопары, фотосхемы  и фотопланы, фронтальные (вертикальные) фотоснимки и др.

Космические фотоснимки отличаются хорошими геометрическими  свойствами и высоким качеством  изображения. Разрешение снимков, доступных  гражданскому пользователю, — до 2 м (с разведывательных спутников получают снимки с разрешением до 0,2 м), что достаточно для создания топографических карт масштаба 1:50 000 с точностью 10 м по высоте и 15 м в плане. Недостаток этого вида съемки — необходимость доставки отснятой пленки на Землю для обработки.

Основной объем информации дают сканерные снимки — результат поэлементной и построчной регистрации излучения объектов земной поверхности и передачи информации по радиоканалам. Само слово «сканирование» означает управляемое перемещение светового (лазерного и др.) луча с целью последовательного обзора какого-либо участка. В ходе съемки с самолета или спутника сканирующее устройство (качающееся зеркало) последовательно, полоса за полосой, просматривает местность поперек направления движения носителя. Световой сигнал поступает на фотоэлектрический приемник, преобразуется в электрический, по радиоканалу передается на наземное приемное устройство в цифровой форме, а затем записывается в виде изображения. В результате получают снимки со строчной структурой, причем строки состоят из небольших элементов — пикселов, т.е. элементарных ячеек сканерного изображения. Каждый пиксел отражает интегральную яркость участка местности, соответствующего мгновенному угловому полю зрения сканера; детали внутри этого участка неразличимы.

В полете съемку ведут  постоянно, сканируя широкую непрерывную  полосу местности. В целом качество сканерных изображений уступает фотоснимкам, но оперативность и  цифровая форма передачи в реальном режиме времени дают этому методу неоценимые преимущества.

ПЗС-снимки. Кроме механического сканирования в 1980-х годах начали использовать новый вариант сканирования, когда приемником излучения служит линейка, состоящая из множества миниатюрных (размером в несколько мкм) приемников излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Это дает изображение сразу целой строки, а движение носителя аппаратуры — накопление строк. Отсутствие подвижных элементов конструкции обеспечивает хорошие геометрические качества изображения, а малые размеры приемников — получение изображения очень высокого разрешения (менее 1 м).

Обычно под сканерными снимками имеют в виду снимки в  видимом и ближнем ИК диапазонах, но принцип сканирования применяется  и при съемке в других диапазонах спектра.

Тепловые инфракрасные радиометрические снимки (или тепловые снимки) получают в результате съемки в тепловом ИК диапазоне. ИК радиометры механически сканируют собственное тепловое излучение Земли. Снимки имеют не очень высокое разрешение, в лучшем случае — десятки метров.

Микроволновые радиометрические снимки получают в коротковолновом (СВЧ — сверхвысокочастотном) радиодиапазоне также с использованием принципа механического сканирования. Приемниками излучения служат антенны, разрешение снимков ограничено несколькими километрами.

Радиолокационные снимки получают при активном методе съемки, когда антенна съемочной системы генерирует радиоизлучение, оно отражается поверхностью и улавливается регистрирующей аппаратурой. Отражение сигнала зависит от рельефа поверхности, ее шероховатости, структуры и состава слагающих пород, характера растительности и влажности почв. При определенных длинах радиоволн они способны проникать под поверхность и отражать, например, линзы подземных вод. Разрешение снимков зависит от размера антенны и при антенне длиной в несколько метров составляет 1-2 км. Искусственно удлиняя антенну (так называемая синтезированная апертура), выполняют съемку с разрешением порядка 20 м. На самолетах и космических носителях используют радиолокаторы бокового обзора, они ведут съемку поперек направления движения носителя. Поэтому пересеченный рельеф дает радиотени, что обеспечивает выразительное изображение. Основное достоинство радиолокационной съемки — ее всепогодность: очень удобна для исследования океана — его волнения, загрязнения. Радиолокацию применяют и при изучении планет, в частности, Венеры, постоянно закрытой плотными облаками.

Принцип бокового обзора используют и для получения гидролокационных снимков с помощью аппаратуры, генерирующей и регистрирующей звуковые волны. Среди новых видов локационных изображений следует отметить снимки, получаемые с помощью лазерных локаторов — лидаров. Непрерывное совершенствование сканерных и локационных систем, множественность съемочных диапазонов, их широкое комбинирование — все это дает поистине неисчерпаемое разнообразие источников для тематического картографирования.

При этом особое значение имеют многозональные снимки, когда одна и та же территория (или акватория) одновременно фотографируется или сканируется в нескольких зонах спектра. Комбинируя зональные снимки, получают цветные синтезированные изображения, наилучшим образом представляющие леса разных пород, сельскохозяйственные угодья, увлажненные территории и т.п. Материалы многозональной съемки — ценнейший источник для составления тематических карт.

На рубеже веков появился еще  один вид съемки — гиперспектральная, когда излучение регистрируется в большом числе узких (до 10 нм) спектральных зон — от нескольких десятков до нескольких сотен. Это позволяет определять даже минералогический состав горных пород, расширяет возможности исследования атмосферы и океана, их загрязнения. Материалы гиперспектральной съемки особенно ценны для экологического мониторинга и картографирования.

 

1.3 Аэрокосмическое картографирование