Современная концепция аэрокосмических съемок и дистанционного зондирования

Устройства формирования изображений, регистрирующая среда и база. Приборы, формирующие изображения, делятся  на четыре основные категории: фото- и  кинокамеры, многоспектральные сканеры, радиометры и активные радиолокаторы. Современные однообъективные зеркальные фотокамеры создают изображение, фокусируя ультрафиолетовое, видимое или инфракрасное излучение, приходящее от объекта, на фотопленке. После проявления пленки получается постоянное (способное сохраняться длительное время) изображение. Видеокамера позволяет получать изображение на экране; постоянной записью в этом случае будет соответствующая запись на видеоленте или фотоснимок, сделанный с экрана. Во всех других системах визуализации изображений используются детекторы или приемники, обладающие чувствительностью на определенных длинах волн спектра. Фотоэлектронные умножители и полупроводниковые фотоприемники, используемые в сочетании с оптико-механическими сканерами, позволяют регистрировать энергию ультрафиолетового, видимого, а также ближнего, среднего и дальнего ИК-участков спектра и преобразовывать ее в сигналы, которые могут давать изображения на пленке. Энергия микроволн (диапазон сверхвысоких частот, СВЧ) подобным же образом трансформируется радиометрами или радиолокаторами. В сонарах для получения изображений на фотопленке используется энергия звуковых волн.

Приборы, используемые для визуализации изображений, размещают на различных  базах, в том числе на земле, судах, самолетах, воздушных шарах и  космических летательных аппаратах. Специальные камеры и телевизионные системы повседневно используются для съемки представляющих интерес физических и биологических объектов на земле, на море, в атмосфере и космосе. Специальные камеры замедленной киносъемки применяются для регистрации таких изменений земной поверхности, как эрозия морских берегов, движение ледников и эволюция растительности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2.Аэрофотограмметрические  методы съемки

2.1 Материалы аэрокосмических  съемок.

Возможности получения  нужной и качественной информации с использованием аэрокосмических снимков в существенной степени зависят от используемых материалов. В настоящее время арсенал аэрокосмической информации велик по количеству и разнообразен по составу. Возможна систематизация данных дистанционного зондирования по нескольким основаниям:

■=> по высоте, с которой  выполнена съемка, различают аэроснимки, полученные с высоты преимущественно от 500 до 10 000 м, но не более 30 000 м; космические снимки —- с высоты более 150 км;

■=>   по масштабу и  пространственному разрешению;

 ■=>  по диапазону регистрируемого излучения;

■=>   по технологическим  способам получения снимков.

Аэросъемка выполняется  в основном с самолетов. Для съемки с малых высот (100—1000 м), предназначенной только для дешифрирования, иногда используют вертолеты, а также радиоуправляемые модели. Последние годы предпочтение отдается легким самолетам. Благодаря оснащению современным оборудованием, позволяющим определять координаты каждого снимка, появилась возможность использовать полученные снимки не только для дешифрирования, но и для фотограмметрической обработки. Основной объем аэросъемочных работ в нашей стране выполняется с самолета-аэросъемщика АН-30 в интервале высот 3000—6000 м. Для съемки с высот около 10 000 м используют переоборудованные пассажирские самолеты.

Космические снимки получают с автоматических спутников, космических  кораблей и пилотируемых орбитальных  станций с высот 180—400 км и с автоматических искусственных спутников, орбиты которых располагаются на высоте около 600 и 900 км (ресурсные спутники), 900—1400 км (метеорологические) и 36 000— 40 000 км (стационарные) от поверхности Земли.

Аэроснимки и космические  снимки имеют важные различия. Аэроснимки в настоящее время получают в основном так же, как и в течение полутора столетий, — способом фотографирования. Их преимущества — очень высокая детальность и оперативность, когда речь идет о небольших по площади территориях.

Космические снимки со времени  их появления приобретают все большее значение, что связано с их особыми свойствами. Большая обзорность дает возможность изучать Землю не только в региональном, но и в зональном глобальном масштабе, обеспечивает одновременную фиксацию состояния объектов на обширных территориях. Комплексное отображение компонентов геосферы (включая атмосферу) обеспечивает изучение взаимосвязей процессов и явлений, происходящих в ней. Более высокая по сравнению с аэроснимками генерализация изображения позволяет увидеть объекты, которые из-за большой протяженности не находят отражения на аэроснимках. Регулярная повторяемость космических съемок важна для изучения объектов и явлений в их динамике.

2.2   Масштаб и пространственное разрешение

На протяжении всей истории  развития аэросъемки показателем детальности изображения на снимках служил масштаб. Аэроснимки, как правило, подвергаются обработке (дешифрированию или измерительной обработке) в масштабе съемки, т.е. используются оригинальные негативы или позитивы на бумаге и пленке, изготовленные способом контактной печати. Увеличенные отпечатки аэроснимков используются редко, в то же время применяемые для обработки аэроснимков приборы рассчитаны на рассматривание с увеличением. Как правило, соотношение между масштабами аэроснимков и составляемой карты не превышает 3:1, а чаще масштаб снимка в 2 раза крупнее масштаба карты или близок к нему. Масштабный ряд аэрофотоснимков в зависимости от характера использования можно разделить на несколько групп (табл. 1).

В противоположность аэроснимкам  большинство космических снимков дешифрируется не в масштабе съемки, а со значительным увеличением: оригинальный масштаб космического снимка может быть в три—пять и даже 10 раз мельче масштаба составляемой по нему карты. При космической съемке кроме традиционного фотографического широкое развитие получили оптико-электронные способы. По отношению к снимкам, полученным такого рода съемочными системами, понятие масштаба весьма условно,

Классификация аэрофотоснимков по масштабу

Классификация	Аэроснимки
Сверхкрупномасштабные	Крупнее 1:5000
Крупномасштабные	1:10 000- 1:25 000
Среднемасштабные	1:50 000- 1:60 000
Мелкомасштабные	1:100 000- 1:200 000

так как преобразование электронного сигнала в изображение  на экране монитора или в оптическую плотность негатива (фотоотпечатка) в принципе возможно в разных масштабах.

Вследствие этого для космических снимков важен не столько масштаб, сколько пространственное разрешение.

Для характеристики детальности  аэрокосмических материалов широко используется величина пространственного разрешения, т.е. размер на местности самой малой детали, воспроизведенной на снимке. Разрешение аэроснимков очень высокое и практически никогда не лимитирует распознавание географических объектов. По отношению же к космическим снимкам эта характеристика является очень важной, так как их разрешение варьирует от нескольких дециметров до нескольких километров (табл. 2) и объясняется различием требований, предъявляемых к снимкам при решении разных задач.

Пространственное разрешение фотографических снимков зависит от высоты съемки, свойств объектива съемочной камеры, разрешающей способности негативной пленки и фотобумаги. Разрешение снимков, полученных оптико-электронными съемочными системами (сканерами), определяется размером элемента изображения, пиксела:

R=s , где s — размер пиксела в метрах.

Изображение на снимке малых объектов зависит от нескольких факторов. Один из них — контраст изображения. Резко выделяющиеся на фоне соседних объекты на снимке воспроизводятся даже при меньших размерах, чем малоконтрастные. Для изображения на снимке малоконтрастные объекты должны иметь гораздо большие размеры.

Объекты разной формы по-разному воспроизводятся на снимке. Поясним это примером. Если на мелкомасштабном (относительно низкого разрешения) снимке изобразились линейные объекты

Классификация космических снимков по пространственному разрешению

                                                                                                              Таблица 2

Классификация снимков	Разрешение, м
Очень высокого разрешения	0,3-0,9
Высокого разрешения	1- 40
Среднего разрешения	50-200
Низкого разрешения	300-1000
Очень низкого разрешения	Более 10 000

некоторой ширины, то площадные  объекты такой же ширины видны не будут. Их изображение можно различить только в случае, если масштаб снимков будет крупнее (или разрешение лучше) в два—четыре раза. Примерно так же обстоит дело по отношению к площадным объектам компактной и сложной формы.

Размеры очень ярких  малых объектов на фотографических  снимках изображаются преувеличенными за счет так называемого пограничного эффекта, т.е. засвечивания соседних зерен эмульсии. Это особенно хорошо иллюстрируется на примере линейных объектов: очень светлые дороги или реки в области блика на темном фоне оказываются шире своего истинного размера, а темные такой же ширины могут пропадать на ярком фоне.

При визуальном дешифрировании цветных снимков нужно иметь в виду, что зрительные анализаторы различают самые малые объекты как ахроматичные, поэтому цвет объекта на снимке определяется при размере в два-три раза большем, чем тот, при котором возможно его обнаружение. Так, на аэроснимке относительно крупные объекты, например отдельные сельскохозяйственные поля, хорошо различаются по оттенкам цвета. На космическом снимке размеры тех же объектов, если они близки к величине разрешения, изображаются без различий в цвете.

2.3 Диапазон регистрируемого излучения

Аэрокосмические снимки фиксируют  излучение в разных частях оптического, теплового инфракрасного и радиодиапазонов спектра.

В видимой (0,4—0,7 мкм) и ближней инфракрасной (0,7—3,0 мкм) областях спектра регистрируется отраженная солнечная радиация. Основное количество выполненных съемок относится к участку спектра 0,4-1,3 мкм, характеризующемуся большой прозрачностью атмосферы. Фотографические снимки получают в интервале 0,4-0,9 мкм, а применение оптико-электронных систем позволяет расширить его до 1,3 мкм. В настоящее время конструкция некоторых съемочных систем, работающих в оптическом диапазоне, предусматривает регистрацию отраженной радиации и в участке спектра 1,5—3,0 мкм.

В тепловом инфракрасном диапазоне (3-1000 мкм) регистрируется собственное излучение Земли. На снимках, получаемых инфракрасными (тепловыми) радиометрами, изображаются температурные различия объектов. Из-за экранирующего влияния атмосферы съемка возможна лишь в нескольких участках этого широкого диапазона: 3-5, 8-14 и 30-80 мкм. На интервал 10-12 мкм приходится максимум теплового излучения Земли, поэтому он чаще всего используется для съемок.

Пространственное разрешение этих снимков различно: от 1-5 км при  съемке с метеорологических спутников до 60-600 м — с ресурсных. Температурное разрешение составляет десятые доли градуса.

Преимущественное использование  снимков в тепловом инфракрасном диапазоне — изучение температурного режима Мирового океана и температуры облачного покрова, знание которой необходимо для метеорологических прогнозов.

По космическим снимкам  высокого пространственного разрешения и по аэроснимкам определяют:

■=>   термальные источники;

■=>проявления вулканической активности;

■=>   очаги возгорания в лесах и на торфяниках;

■=>термальные загрязнения: утечки тепла в сооружениях и теплопроводах, сброс промышленных вод.

На снимках в тепловом инфракрасном диапазоне через температурные различия находят отражение различия во влажности почв или грунтов, что обусловило все более широкое применение съемки

в этом диапазоне. Такие снимки, дополняя снимки в оптическом диапазоне, повышают надежность дешифрирования объектов.

В радиодиапазоне (1 мм —10 м) фиксируется как собственное излучение Земли, так и отраженное земной поверхностью искусственное излучение, создаваемое радиолокационной станцией. В наиболее коротковолновом участке радиодиапазона (1 мм—1 м), называемом микроволновым, регистрируются радиояркостные температуры. Радиотепловой (или микроволновый) снимок регистрирует собственное излучение земной поверхности, его получают методом сканирования. На таких снимках различаются объекты с разными излучательными свойствами, в частности, почвы отличаются по влажности, воды по степени солености и т.д. Уверенно различается при радиотепловой съемке возраст морских льдов. Пространственное разрешение микроволновых снимков очень низкое — 10—20 км, широкого применения они пока не нашли.

Радиолокационная  съемка прочно вошла в арсенал средств, используемых при изучении природных ресурсов. Ее преимущества заключаются, во-первых, во всепогодности: качество съемки не зависит от уровня естественной освещенности, времени суток, метеорологических условий, что является основным условием для организации регулярного мониторинга, особенно районов, постоянно закрытых облачностью. Во-вторых, радиосигнал в зависимости от его частоты и характера грунта частично проникает на глубину. Пространственное разрешение радиолокационных снимков близко к разрешению снимков в видимом и ближнем инфракрасном участках спектра.