Дистанционный мониторинг поверхности суши

С помощью ЛБО радиолокационная съемка осуществляется в радиодиапазоне электромагнитного спектра. Сущность съемки заключается в посылке радиосигнала, отражающегося по нормали от изучаемого объекта и фиксируемого на приемнике, установленном на борту носителя. Радиосигнал вырабатывается специальным генератором. Время возвращения его в приемник зависит от расстояния до изучаемого объекта. Этот принцип работы радиолокатора, фиксирующего различное время прохождения зондирующего импульса до объекта и обратно, используется для получения РЛ – снимков. Изображение формируется бегущим по строке световым пятном. Чем дальше объект, тем больше времени надо на прохождение отражаемого сигнала до его фиксации электронно – лучевой трубкой, совмещенной со специальной кинокамерой [11].

Радарные системы бокового обзора с конца 70 – х годов стали устанавливать на ИСЗ. Так, например, первый радиолокатор был установлен на американском спутнике "Сисат", предназначенном для изучения динамики океанических процессов. Позднее был сконструирован радар, испытанный во время полетов космического корабля "Шатл". Информация, полученная с помощью этого радара, представляется в виде черно-белых и ложноцветных синтезированных фото-, телеизображений или записей на магнитную ленту. Информация поддается числовой и аналоговой обработке, такой же, что и сканерные снимки системы "Лэндсат". Это в значительной мере способствует получению высоких результатов дешифрирования. Во многих случаях РЛ – снимки оказываются геологически более информативными, чем снимки "Лэндсат". Наилучший результат достигается и при комплексном дешифрировании материалов того и другого видов. РЛ – снимки успешно используются для изучения труднодоступных или недоступных территорий Земли – пустынь и областей, расположенных в высоких широтах, а также поверхность других планет [8].

 

 

3.4 Тепловые съемки

 

Инфракрасная, или тепловая съемка основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным теплом или солнечным излучением. Температурные неоднородности поверхности Земли возникают в результате неодинакового нагрева различных ее участков. ИК - диапазон спектра электромагнитных колебаний условно делится на три части (в мкм) [6]:

- ближний (0,74 – 1,35);

- средний (1,35 – 3,50);

- дальний (3,50 – 1000)

Солнечное (внешнее) и эндогенное (внутреннее) тепло нагревает объекты Земли по-разному в зависимости от тепловой инерции, влажности, и многих других причин. ИК – излучение, проходя через атмосферу, избирательно поглощается, в связи с чем тепловую съемку можно вести только в зоне расположения так называемых "окон прозрачности" – местах пропускания ИК – лучей.

В некоторых окнах прозрачности работают измерительные приборы - тепловизоры, преобразующие невидимое ИК – излучение в видимое с помощью электроннолучевых трубок, фиксируя тепловые аномалии. На ИК – изображениях светлыми тонами фиксируются участки с низкими температурами, темными – с относительно более высокими. Яркость тона прямо пропорциональна интенсивности тепловой аномалии [7].

На ИК – снимках, полученных с ИСЗ, четко вырисовывается береговая линия, гидрографическая сеть, ледовая обстановка, вулканическая деятельность и т. п. Особенно ценной считается информация, полученная в районах активной вулканической деятельности. ИК – снимки используются для составления тепловых карт Земли. ИК – съемка в настоящее время применяется для решения специальных задач, особенно при экологических исследованиях, поисках подземных вод и в инженерной геологии [6].

3.5 Спектрометрическая съемка

 

Спектрометрическая (СМ) съемка проводится с целью измерения отражательной способности горных пород. Знание значений коэффициента спектральной яркости горных пород расширяет возможности дешифрирования, придает ему большую достоверность. Горные породы имеют различную отражательную способность, поэтому отличаются величиной коэффициента спектральной яркости. СМ съемка делится на три вида [8]:

1. Микроволновая (0,3 см – 1,0 м), являющаяся универсальной, Так как исключает влияние атмосферы;

2. ИК или тепловая (0,30 – 1000 мкм), выявляющая температурные неоднородности по энергетической яркости изучаемых объектов;

3. Спектрометрия видимого и близкого ИК – спектра излучения (0,30 –1,40 мкм), фиксирующая спектральное распределение отражательного радиационного излучения.

Геологические объекты отражаются на КС с разной степенью контраста, зависящего от их спектральных особенностей. Работа по составлению банка данных о спектральных характеристиках горных пород чрезвычайно трудоемка. Для того чтобы ее выполнить, необходимо произвести спектрометрические измерения горных пород, а также иных ландшафтных объектов, на разных расстояниях, в различные времена года, на участках с различной степенью обнаженности. Эти данные, однако, являются совершенно необходимыми для систем автоматического поиска и распознавания объектов, в том числе и экологического содержания. В настоящее время увеличение пограничных контрастов достигается использованием многозональных снимков, полученных в относительно узких зонах спектра [11].

 

 

3.6 Лидарные съемки

 

Лидарная съемка является активной и основана на непрерывном получении отклика от отражающей поверхности, подсвечиваемой лазерным монохроматическим излучением с фиксированной длиной волны [8].

Лидары — зондирующие устройства, состоящие из импульсного источника излучения (лазера) и высокоточного приемного устройства, обеспечивающего анализ спектрального состава принятого эхосигнала. Лидары оборудуются на низковысотных носителях. В схеме работы лидаров можно используется такое физическое явление как резонансное рассеяние.

Сущность метода резонансного рассеяния заключается в том, что приемное спектральное устройство лидара настраивают на одну из характеристик полос поглощения элемента, входящего в состав исследуемого объекта. Луч лазера вызывает свечение приповерхностных слоев воздуха, что позволяет определить наличие элемента. Принимаемый на борту аэроносителя лидарный эхосигнал зависит от концентрации определенных веществ в поверхностном слое земной коры, формирующих геохимический облик слоя воздуха над поверхностью земли, а также от геохимической активности разрывных нарушений [11].

Качественное и количественное выявление геохимических характеристик приповерхностного слоя атмосферы представляет собой активный метод дистанционных исследований [11]. Фактически – лидарная спектрометрия это геохимическая съемка приповерхностных слоев атмосферы, ориентированная на обнаружение микроэлементов или их соединений, концентрирующихся над современно активными геоэкологическими объектами. Лидарную съемку можно использовать для поисков месторождений полезных ископаемых [8].

 

 

4 КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ

 

Целью обработки данных дистанционного зондирования является получение снимков или изображений с требуемыми радиометрическими и геометрическими характеристиками.

Радиометрическая точность обеспечивается системами внутренней и внешней калибровки. Информация, необходимая для окончательной калибровки данных, должна содержаться в структуре передаваемого на землю сигнала и учитываться при последующей обработке. Наземная система обработки данных предназначена для извлечения полезной информации из мультиспектральных данных ДЗ и передачи ее потребителям. Система обработки является промежуточным звеном между датчиком ДЗ и пользователем. Поэтому ее характеристики во многом зависят как от характера данных, так и в значительной степени от требований потребителей информации ДЗ [3].

Обработка данных ДЗ в соответствии с мировой практикой подразумевает несколько уровней обработки, представленных в таблице 4.1 [9].

 

Таблица 4.1 – Уровни обработки спутниковых данных

Уровень	Описание
1	2
0	первичные данные, дополненные орбитальной информацией
1	радиометрически откорректированное и географически привязанное изображение (дополнительно устраняются искажения, вносимые аппаратурой и вращением Земли)
2	преобразованное в заданную картографическую проекцию изображение с учетом координат опорных точек

 

 

Продолжение таблицы 4.1

1	2
3	геометрически преобразованное изображение с учетом цифровой модели местности (для суши)
4	мультиспектральная обработка, включающая в себя совместную обработку разновременных данных или данных, полученных с различных датчиков

 

 

В общем случае обработка данных дистанционного зондирования включает три этапа: предварительную обработку, первичную обработку и вторичную (тематическую) обработку [9].

На первом этапе, после приема спутниковых данных, записи их на магнитный носитель и выполнения необходимых декодирующих и корректирующих операций происходит преобразование данных (с учетом калибровок), переданных с космических аппаратов, непосредственно в изображение или космический снимок (например, синтез радиолокационных изображений из радиоголограмм, переданных по радиолинии), а также преобразование их в форматы, удобные для последующих видов обработки.

 На втором этапе  проводят радиометрические и  геометрические преобразования (коррекцию) для исправления радиометрических  и геометрических искажений, вызванных  нестабильностью работы космического аппарата и датчика, а также географическую привязку изображения с наложением на него сетки координат, изменение масштаба изображения и представление изображения в необходимой географической проекции (геокодирование). Первый и второй этапы обработки в настоящее время могут быть выполнены на борту КА.

 Третий этап – тематическая  обработка, она включает как цифровой анализ с применением статистических методов обработки (кластерный анализ, методы выделения признаков и классификацию для количественных оценок и т. п.), так и визуальное дешифрирование и интерпретацию. Тематическую обработку целесообразно проводить в интерактивном или полностью автоматизированном режиме. Для этих целей разработаны различные виды программного обеспечения тематической обработки с использованием специализированной компьютерной техники, в основном зарубежного производства [9].

Радиометрические преобразования используются для перевода необработанных мультиспектральных данных в радиометрически корректное и совместимое множество измерений. Часто эти преобразования используются для коррекции определенных типов искажений в системе сбора данных, таких как некомпенсированная нестабильность электронных устройств. Иногда вводится поправка на изменения параметров среды во время зондирования (состояние атмосферы, изменение освещенности и т.п.). Радиометрические преобразования используются также для абсолютной калибровки данных, т.е. для преобразования интенсивности изображения, измеренной датчиком, в значение измеряемых физических параметров (например, перевод цвета изображения в значения содержания хлорофилла) [3].

 С помощью геометрических  преобразований изменяют геометрию  изображения либо корректируют  геометрические искажения, вносимые  аппаратурой ДЗ. Искажения возникают  в результате ограниченности  разрешения каждой системы ДЗ, а также вследствие дефектов  или погрешностей в системе  регистрации данных. Геометрические  искажения могут быть устранены  или существенно уменьшены с  помощью соответствующей обработки, если имеются данные, характеризующие  положение датчика в пространстве  в момент съемки и геометрию  подстилающей поверхности. Совмещение и наложение данных – это термины, которыми обозначаются процессы геометрического выравнивания одного множества данных относительно другого. Масштабирование, преобразование проекций, исправление систематических искажений – процедуры, необходимые для получения изображения в нужном масштабе или географической проекции и для устранения различных искажений, возникших из – за нестабильности платформы КА [3].

 Представление данных  – один из важных видов обработки и анализа данных. Формы представления данных в значительной степени зависят от характера приложений и от используемой процедуры обработки.

 Сжатие и архивация  данных является наиболее важным  элементом обработки, так как  в процедуре ДЗ приходится  обрабатывать огромные потоки  данных и хранить обработанную  информацию. Путем уменьшения формата  или объема данных в коммуникационных  системах возможно понизить требования к передаче, хранению и обработке данных, что в конечном итоге приводит к снижению стоимости системы обработки в целом [4].

 Статистические методы  применяют для распознавания  тех или иных объектов ДЗ  и классификации данных с помощью  численных методов. Эти методы  эффективны для количественных  оценок в процедуре дистанционного  зондирования.

 Результаты, полученные  после обработки и анализа  данных ДЗ, представляются конечным  потребителям в определенном, строго  оговоренном виде и формате (таблицы, массивы данных, графики, схемы, карты).

 На сегодня в системах  обработки данных ДЗ стали  стандартом рабочие станции и  персональные компьютеры с высокоскоростными  процессорами и накопителями  большой емкости, что предъявляет  соответствующие требования к  процедурам обработки данных. В  настоящее время разработано  множество пакетов прикладных  программ различного уровня для  обработки данных ДЗ и изображений, начиная от распространяемых бесплатно и заканчивая дорогими высокопрофессиональными [9].

 

 

5 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ