Дистанционный мониторинг поверхности суши

Развитие съемок с пилотируемых космических средств зависит прежде всего от развития этих средств – от увеличения продолжительности полётов, от возможности поднимать в космос большие полезные грузы и от повышения числа и квалификации космонавтов. Продолжительность полёта человека постепенно возросла от нескольких секунд до года, появилась возможность поднимать в космос тяжёлую аппаратуру.

В 70 – 80 – е годы были освоены для получения изображений инфракрасные (ИК) – диапазоны и радиодиапазоны, появились сканеры [3].

В 70 – е годы с появлением специализированных ИСЗ для изучения Земли начали широко использоваться цифровые методы обработки космических изображений [3].

3 МЕТОДЫ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА

 

Одним из основных источников данных для экологического мониторинга являются материалы дистанционного зондирования. Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей [6]:

- космические (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового использования, автономные спутниковые съемочные системы), которые представлены на рисунке 3.1;

- авиационного базирования (самолеты, вертолеты и микроавиационные радиоуправляемые аппараты) и составляют значительную часть дистанционных данных как антонима контактных (прежде всего наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектом съемки (рис. 3.2);

- к неконтактным (дистанционным) методам съемки, помимо аэрокосмических, относятся разнообразные методы морского (наводного) и наземного базирования, включая, например, фототеодолитную съемку, сейсмо, электромагниторазведку и иные методы геофизического зондирования недр, основанные на регистрации собственного или отраженного сигнала волновой природы (рис. 3.3).

 

Рисунок 3.1 – Метод космического базирования.

Рисунок 3.2 – Метод авиационного базирования.

 

Рисунок 3.3 – Метод наводного базирования.

 

Дистанционное зондирование осуществляется специальными приборами – датчиками. Датчики могут быть пассивными и активными, причем пассивные датчики улавливают отраженное или испускаемое естественное излучение, а активные способны сами излучать необходимый сигнал и фиксировать его отражение от объекта [3].

К пассивным датчикам относятся оптические и сканирующие устройства, действующие в диапазоне отраженного солнечного излучения, включая ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны.

К активным датчикам относятся радарные устройства, сканирующие лазеры, микроволновые радиометры и др. В настоящее время в области разработки оперативных космических электронных систем дистанционного зондирования наметилась тенденция к комбинированному использованию различных многоканальных, многоцелевых датчиков с высоким разрешением, включая всепогодное оборудование [6].

Результаты дистанционных измерений, осуществляемых с помощью бортовой информационно – измерительной аппаратуры аэрокосмической системы, представляют собой регистрацию в аналоговой или цифровой форме характеристик электромагнитного излучения, отраженного от участков земной поверхности или собственного излучения этих участков.

В условиях облачности, покрывающей 70-80% поверхности Земли, зондирование в микроволновом диапазоне позволяет регистрировать излучение сквозь облака, при этом в миллиметровом и сантиметровом диапазонах еще необходимо учитывать влияние атмосферы, а в дециметровом диапазоне в этом нет необходимости [8].

Снимки в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах наиболее многочисленны и находят широкое применение. В 70-80 – х гг. фотоспутники «Ресурс-Ф», «Облик», «Комета» обеспечивали отечественных потребителей космическими снимками с лучшими в мире характеристиками и в достаточном объеме [3].

При высоком качестве изображения фотографические съемки выполняются не систематически; лишь в отдельных случаях возможно получение повторных снимков на одну и ту же территорию. Из-за эпизодичности съемок и трудностей, связанных с облачностью, регулярное покрытие территории таким видом съемки пока не обеспечивается. Поэтому приходится обращаться к снимкам других типов - телевизионным и сканерным снимкам со спутников двойного назначения и ресурсных спутников.

Съемки ведут в видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой зонах спектра. При этом снимки могут быть черно-белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже – для лучшей различимости некоторых объектов – ложноцветными. Существует таблица распределения спектральных каналов и область применения этих каналов (табл. 3.1) [3].

 

Таблица 3.1 – Основные характеристики спектральных каналов

Номер канала	Диапазон спектра (мкм)	Разрешение (м/пиксель)	Название
1	0,45-0,515	30	Голубой
2	0,525-0,605	30	Зеленый
3	0,63-0,69	30	Красный
4	0,775-0,90	30	Ближний инфракрасный
5	1,55-1,75	30	Средний (коротковолновый) инфракрасный
6	10,40-12,5	60	Длинноволновый инфракрасный (тепловой)
7	2,09-2,35	30	Средний (коротковолновый) инфракрасный
8	0,525-0,90	15	Панхроматический (4,3,2)

 

 

Из таблицы видно, что существует 8 спектральных каналов, все каналы имеют своё название, диапазон спектра и разрешение. Каждый из этих каналов в зависимости от своих характеристик имеет свою область применения.

Таким образом первый канал (голубой) наиболее чувствителен к атмосферным газам, по этому изображение может быть малоконтрастным. Этот канал имеет наибольшую водопроницаемость (длинные волны больше поглощаются), т.е. оптимален для выявления подводной растительности, мутности воды и водных осадков; полезен для выявления дымовых факелов (т.к. короткие волны легче рассеиваются маленькими частицами); хорошо отличает облака от снега и горных пород, а также голые почвы от участков с растительностью.

Второй канал (зелёный) чувствителен к различиям в мутности воды, осадочным шлейфам и факелам выбросов, он охватывает пик отражательной способности поверхностей листьев, может быть полезен для различения обширных классов растительности, также полезен для выявления подводной растительности.

Третий канал (красный) хорошо распознает почвы и растительность в связи с тем что чувствителен в зоне сильного поглощения хлорофилла, так же он чувствителен в зоне высокой отражательной способности для большинства почв и полезен для оконтуривания снежного покрова.

Четвёртый канал (ближний инфракрасный) различает растительное многообразие, может быть использован для оконтуривания водных объектов и разделения сухих и влажных почв, т.к. вода сильно поглощает ближние инфракрасные волны.

Пятый канал (средний или коротковолновый инфракрасный) чувствителен к изменению содержания воды в тканях листьев (набухаемости), чувствителен к варьированию влаги в растительности и почвах (отражательная способность уменьшается при возрастании содержания воды). Особенно чувствителен к наличию / отсутствию трехвалентного железа в горных породах (отражательная способность возрастает при увеличении количества трехвалентного железа), отличает лед и снег (светлый тон) от облаков (темный тон).

 

Шестой канал (длинноволновый инфракрасный или тепловой) подходит для дневного и ночного использования. Применяется в тепловой съемке при анализе влажности почв, типов горных пород, выявления теплового загрязнения воды, бытового скопления тепла, источников городского производства тепла, выявления геотермальных зон.

Седьмой канал (средний, или коротковолновый инфракрасный) совпадает с полосой поглощения излучения гидроминералами (глинистые сланцы, некоторые оксиды и сульфаты), благодаря чему они выглядят темными, он полезен для литологической съемки. Как и пятый канал, чувствителен к варьированию влаги в растительности и почвах.

Восьмой канал (панхроматический - 4,3,2) – это наиболее типичная комбинация каналов, используемая в дистанционном зондировании для анализа растительности, зерновых культур, землепользования и водно-болотных угодий.

Многозональная съемка ведется многие годы, и исследователи накопили большой объем эмпирических данных. Уже хорошо известно, какие соотношения яркости в различных зонах спектра соответствуют растительности, обнаженной почве, водным поверхностям, урбанизированным территориям и другим распространенным типам ландшафта, существуют библиотеки спектров различных природных образований [3].

 

3.1 Аэрокосмические методы

 

Под аэрокосмическим мониторингом понимается система планомерных повторных наблюдений и оценок среды, выполняемых на основе материалов полученных аэрокосмическими методами, с определенными целями.

Аэрокосмические (дистанционные) методы экологического мониторинга включают систему наблюдения при помощи самолётных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем, а также систему обработки данных дистанционного зондирования.

Аэрокосмический мониторинг позволяет одновременно получать объективную информацию и оперативно выполнять картографирование территории практически на любом уровне территориального деления: страна – область – район – группа хозяйств (землепользование) – конкретное сельскохозяйственное угодье – культура [4].

Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных и космических аппаратов. Получаемые документы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида и высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также от природных особенностей местности, атмосферных условий и т. п. Главные качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления карт, это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков и изучения труднодоступных территорий. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализованное изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их структуру и связи. Благодаря этому данные дистанционного зондирования нашли в картографии разнообразное применение: их используют для составления и оперативного обновления топографических и тематических карт, картографирования малоизученных и труднодоступных районов (например, высокогорий). Наконец, аэро – и космические снимки служат источниками для создания общегеографических и тематических фотокарт [6].

Составление оперативных карт – это один из важных видов использования космических материалов. Для этого проводят быструю автоматическую обработку поступающих дистанционных данных и преобразование их в картографический формат. Наиболее известны оперативные метеорологические карты. В оперативном режиме и даже в реальном масштабе времени можно составлять карты лесных пожаров, наводнений, развития неблагоприятных экологических ситуаций и других опасных природных явлений. Космофотокарты применяют для слежения за созреванием сельскохозяйственных посевов и прогноза урожая, наблюдения за становлением и сходом снежного покрова на обширных пространствах и тому подобными ситуациями, сезонной динамикой морских льдов [5].

Аэрокосмический мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом или явлением, но также его оценку, прогноз распространения и развития, а кроме того - разработку системы мер по предотвращению опасных последствий или поддержанию благоприятных тенденций. Таким образом, оперативное картографирование становится средством контроля за развитием явлений и процессов и обеспечивает принятие управленческих решений.

 

3.2 Сканерные съемки

 

В настоящее время для съемок из космоса наиболее часто используются многоспектральные оптико – механические системы – сканеры, установленные на ИСЗ различного назначения. При помощи сканеров формируются изображения, состоящие из множества отдельных, последовательно получаемых элементов [8].

 Термин «сканирование»  обозначает развёртку изображения при помощи сканирующего элемента (качающегося или вращающегося зеркала), поэлементно просматривающего местность поперёк движения носителя и посылающего лучистый поток в объектив и далее на точечный датчик, преобразующий световой сигнал в электрический. Этот электрический сигнал поступает на приемные станции по каналам связи. Изображение местности получают непрерывно на ленте, составленной из полос – сканов, сложенных отдельными элементами – пикселями. Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, но особенно эффективным является видимый и ИК - диапазоны. При съемке земной поверхности с помощью сканирующих систем формируется изображение, каждому элементу которого соответствует яркость излучения участка, находящегося в пределах мгновенного поля зрения [7].

Сканерное изображение – упорядоченный пакет яркостных данных, переданных по радиоканалам на Землю, которые фиксируются на магнитную ленту (в цифровом виде) и затем могут быть преобразованы в кадровую форму.

Важнейшей характеристикой сканера являются угол сканирования (обзора) и мгновенный угол зрения, от величины которого зависят ширина снимаемой полосы и разрешение. В зависимости от величины этих углов сканеры делят на точные и обзорные [8].

Хорошо зарекомендовал себя сканер нового поколения, названный "тематическим картографом". Этот сканер дает большой поток информации, обработка которой требует большего времени; в связи с чем замедляется скорость передачи изображения. число пикселей на снимках достигает более 36 млн. на каждом из каналов. Сканирующие устройства могут быть использованы не только для получения изображений Земли, но и для измерения радиации – сканирующие радиометры, и излучения – сканирующие спектрометры [3].

 

3.3 Радарные съемки

 

Радиолокационная (РЛ) или радарная съемка – важнейший вид дистанционных исследований. Используется в условиях, когда непосредственное наблюдение поверхности планет затруднено различными природными условиями: плотной облачностью, туманом и т. п. Она может проводиться в темное время суток, поскольку является активной. Для радарной съемки обычно используются радиолокаторы бокового обзора (ЛБО), установленные на самолетах и ИСЗ [11].