Современная концепция аэрокосмических съемок и дистанционного зондирования

Отраженный радиосигнал  зависит от диэлектрической проницаемости объекта, которая, как правило, напрямую связана с влагосодержанием (чем влагосодержание выше, тем сильнее сигнал, выше яркость на снимке), и геометрических свойств объекта, таких как шероховатость, ориентация основных отражающих элементов (чем больше шероховатость, тем сильнее сигнал, т.е. выше яркость на снимке). Высокая чувствительность сигнала к геометрическим характеристикам поверхности позволяет с высокой точностью определять топографические и геологические структуры, а также измерять рельеф земной поверхности. В зависимости от параметров зондирующего излучения (длины волны, поляризации), направления зондирования, которое задается углом зондирования и азимутом, возрастает влияние той или иной характеристики земных объектов на величину фиксируемого сигнала.

Для визуализации радиолокационных снимков можно использовать синтез трех черно-белых изображений, аналогично синтезу каналов в многозональной съемке. В качестве трех исходных изображений можно использовать снимки, выполненные как в разных диапазонах и поляризациях (при условии что они имеют одинаковое разрешение), так и в различные временные отрезки.

Большой эффект применение радиолокационной съемки дает при выявлении геологических структур и при изучении волнения, в частности внутренних волн в океане и решении других океанографических задач.

Дешифрирование радиолокационных снимков требует специальных подходов, так как на них находят отражение свойства объектов, отличающиеся от привычных для нашего зрения оптических. В особенности это относится к снимкам горных территорий из-за очень больших искажений рельефа.

2.4  Технологические способы получения снимков

Существуют три основных способа аэрокосмической съемки:

■=>   фотографический;

■=>   оптико-электронный;

■=>   радиолокационный.

При фотографическом  способе снимки получают с помощью системы объектив—фотопленка. Аэрофотопленка состоит из подложки (основы), эмульсионного (светочувствительного), защитного и противоореольного слоев. В качестве подложки чаще используются лавсановая и эстаровая пленки. Основным компонентом светочувствительной эмульсии служит галоидное серебро. В результате воздействия светового потока на зерна галоидного серебра в эмульсионном слое образуется почернение. Его называют оптической плотностью и представляют как десятичный логарифм освещенности:

D=lgH

График зависимости  оптической плотности от логарифма  яркости (экспозиции) называют характеристической кривой (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Характеристическая кривая. Элементы кривой:

АБ  — область недодержек; БВ — прямолинейный отрезок; ВГ — область передержек

На ней выделяют три участка: область недодержек (вуали), область передержек и прямолинейный участок. Интервал оптической плотности между начальной и конечной точками прямолинейного участка характеризует фотографическую широту пленки или бумаги.

Именно в этом интервале  сохраняется правильное соотношение между яркостями объектов на местности и оптической плотностью. Градиент (тангенс угла наклона к оси lgH) прямолинейного участка

характеристической кривой называется коэффициентом контрастности (г). Он связан с фотографической широтой, т.е. способностью фотоматериала передавать различия в яркостях на местности: чем больше значение коэффициента, тем больше широта, интервал оптических плотностей. На малоконтрастных снимках разные по классу объекты имеют одинаковое изображение, и дешифрирование в таком случае не может дать надежных результатов.

Из фотографических  материалов наилучшим воспроизведением обладают негативные и позитивные материалы на прозрачной основе (пленке, реже стекле). Фотобумаги значительно хуже передают соотношение яркостей в натуре: во-первых, из-за их меньшей фотографической широты, во-вторых, из-за отсутствия прямой зависимости между оптической плотностью и освещенностью.

Распространено фотографирование на черно-белую, цветную и цветную спектрозональную пленки.

Эмульсия черно-белых аэрофотопленок может быть очувствлена к разным участкам видимой области спектра. Наиболее широкий участок охватывают панхроматические и изопанхроматические пленки. Инфрахроматические пленки очувствлены к лучам в диапазоне длин волн от 0,68 до 0,90 мкм.

Цветная негативная фотопленка имеет не один, а три светочувствительных слоя, что позволяет после позитивного процесса (печати на бумагу или позитивную пленку) получить правильную цветопередачу. На таких снимках растительность изображается зеленой, почва коричневатой и т.д.

Спектрозональные  пленки имеют два, а чаще три светочувствительных слоя. В последнем случае один из слоев чувствителен к ближнему инфракрасному участку спектра. Наш глаз не воспринимает такое излучение, поэтому введение этого слоя приводит к искаженной цветопередаче на спектрозональных снимках, например, растительность на них может иметь красный, сиреневый или голубой цвет.

При фотопечати со спектрозональной пленки путем подбора соответствующих светофильтров можно изготовить отпечатки с близкой к натуральной цветопередачей. Спектрозональные снимки в большинстве случаев имеют преимущества перед цветными по количеству раздельно воспринимаемых цветов и их оттенков. Благодаря этим свойствам съемка на цветную спектрозональную пленку находит широкое применение: и в аэросъемке, и при фотографировании из космоса.

Многозональная  фотографическая съемка обеспечивается использованием черно-белой пленки, обычно изопанхроматической и светофильтров, разделяющих световой поток на отдельные участки спектра. Для съемки в ближней инфракрасной части спектра используется инфрахроматическая пленка. Таким образом, многозональный фотографический снимок представляет собой серию из нескольких черно-белых снимков. Существуют приборы, синтезирующие проекторы, с помощью которых можно совмещать зональные изображения аддитивным путем и получать цветное синтезированное изображение в натуральных или искаженных цветах.

Принцип многозональной съемки в последние  десятилетия стал преобладающим. Известная фотографическая съемочная камера МКФ-6 обеспечивала синхронное получение шести снимков: четырех в видимой области и двух в ближней инфракрасной. Фотографическая камера МК-4, одна из используемых в настоящее время для съемки из космоса, имеет четыре канала: в трех из них получают зональные черно-белые снимки в участках спектра 0,515—0,565, 0,635-0,690 и 0,810—0,900 мкм, а в четвертом — снимок на цветной спектрозональной пленке в широкой зоне 0,570-0,810 мкм.

Преимуществом фотографического способа съемки является возможность получать снимки с очень высоким разрешением, высокими геометрическими и фотометрическими свойствами. Кроме того, фотографические пленки — экономичный способ хранения информации.

В аэросъемке преобладает  применение фотографических съемочных систем. При съемке из космоса недостатком метода становится его не оперативность: контейнер с пленкой спускается на Землю не чаще, чем один раз в несколько недель. Поэтому фотографические космические снимки редко используются для оперативных целей, а представляют информацию долговременного использования. Снимки могут быть переведены в цифровую форму для последующей компьютерной обработки.

Фотографические съемочные  системы постоянно совершенствуются. Разрешение современных фотографических систем, используемых для космической съемки, составляет 2—5 м при масштабе около 1 : 300 000 и 10-12 м при масштабе около   1 : 800 000. При этом съемка организуется таким образом, чтобы обеспечивалась достаточно большая обзорность.

Оптико-электронный  способ съемки насчитывает всего несколько десятилетий своего существования. Необходимость оперативной передачи материалов съемки из космоса привела к интенсивному развитию оптико-электронных, сканерных съемочных систем. При значительном разнообразии конструктивных решений они основаны на общем принципе. Принцип сканерной съемки заключается в поэлементном считывании вдоль узкой полосы отраженного земной поверхностью излучения, а развертка изображения идет за счет движения носителя, поэтому оно принимается непрерывно. Излучение, поступившее от источника, преобразуется в электрический сигнал, затем в виде радиосигнала сбрасывается на Землю, где снова преобразуется в электрический сигнал и фиксируется на магнитных носителях. При такой съемке появляется возможность в течение длительного времени непрерывно получать информацию и оперативно (в режиме реального времени или с задержкой на несколько часов) передавать ее на приемную станцию.

Основное отличие снимков, полученных сканирующими съемочными системами, от фотографических — их дискретный характер (рис. 2.2). Благодаря ему и записи в виде электрического сигнала сканерные снимки имеют преимущество перед

 

 

 

 

 

Рис. 2.2. Дискретный характер изображения, полученного сканирующей съемочной системой

фотографическими при автоматизированной обработке с применением компьютеров или специальных систем обработки изображений. Сканерные снимки могут быть предоставлены потребителям как в виде цифровой записи на магнитном носителе, так и преобразованными в фотографическое изображение. По геометрическим свойствам они уступают фотографическим снимкам.

В пределах каждого элемента сканерного изображения (пиксела) яркости  земной поверхности осредняются, поэтому  разрешение сканерного снимка зависит от размера пиксела. Первые сканирующие системы для съемки в оптическом диапазоне спектра имели разрешение 1—2 км, но их совершенствование идет очень быстро, и в настоящее время достигнуто разрешение в первые метры.

Сканерная съемка чаще выполняется в многозональном варианте. Большинство сканеров, работающих в оптическом диапазоне, как отечественных, так и зарубежных, имеют три одинаковых канала: 0,5—0,6 мкм, 0,6—0,7 мкм и 0,8—1,1 мкм. К ним в разных конструкциях добавляются каналы в других участках спектра: в ближнем и тепловом инфракрасных, а также так называемый панхроматический канал, обеспечивающий получение снимков с более высоким разрешением. В последние годы появилась тенденция создания гиперспектральных съемочных систем, ведущих съемку в более чем 10 каналах.

Сканирующие системы создаются  для разных целей, поэтому различаются не только по количеству и спектральной чувствительности каналов, но и по разрешению. В оптическом диапазоне кроме

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3. Изображение водной поверхности и небольшого острова на радиолокационном снимке

сканеров сверхвысокого и высокого разрешения (1—40 м) находят применение системы среднего (50—200 м) и низкого (300—1000 м) разрешения, позволяющие охватить значительно большую территорию. Каждый из уровней разрешения обеспечивает изучение определенного иерархического уровня природно-территориальных комплексов.

Принцип сканирования используется и при создании приемников излучения, работающих в других диапазонах спектра: тепловом инфракрасном и микроволновом.

Радиолокационная съемка заключается в зондировании земной поверхности радиосигналом. На борту носителя — самолета или спутника устанавливается радиолокатор — активный микроволновый датчик, способный передавать и принимать поляризованные радиоволны в заданном диапазоне частот. Развертка сигнала производится по принципу сканера, т.е. переход от одной строки к другой идет за счет перемещения носителя. Количество энергии, возвращенной на антенну локатора, называется «обратным рассеянием». Каждый пиксел радиолокационного снимка показывает суммарный коэффициент отражения данного участка поверхности, или мощность возвратившегося к антенне сигнала. Значения яркости пиксела могут быть преобразованы в удельную эффективную поверхность рассеяния (УЭПР) — величину, использующуюся в различных физических моделях отраженных радиоволн. Высокая яркость пиксела означает, что большая часть сигнала вернулась к антенне, низкая — наоборот.

Отличительная особенность  радиолокационных изображений — наличие так называемого спекл-шума (рис. 2.3).

По типу конструкции  различают радиолокационные системы  бокового обзора (РЛС БО) и с синтезированием апертуры антенны (РСА), обеспечивающие получение снимков с разным пространственным разрешением. В первом случае из космоса могут быть получены снимки с разрешением порядка 1—2 км, во втором 10— 25 м. В последнее время на космических носителях работают только системы с синтезированием апертуры. Высокое разрешение достигается за счет излучения когерентного сигнала короткими импульсами. Излучаемый радиосигнал может иметь разную частоту и поляризацию, поэтому в результате съемки можно получать набор из нескольких снимков, что повышает дешифрируемость объектов земной поверхности. Пользователю радиолокационные снимки могут быть предоставлены в цифровом виде или как изображение на фотопленке.

В последние годы появились  и приобретают все большее значение видеосъемка и съемка цифровыми камерами, основанные на использовании волоконной оптики.

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Геометрические принципы спутникового зондирования

3.1 Общие принципы устройства  и действия спутниковой системы  позиционирования

В конце XX столетия для местоопределения точек были развернуты две глобальные радионавигационные спутниковые системы NAVSTAR GPS (США) и ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система (Россия).

Обе системы включают в  себя три сектора технических средств: космический, наземный сектор контроля и управления и сектор пользователей.

Космический сектор. У обеих систем он состоит из 24 геодезических ИСЗ с тремя запасными спутниками, вращающихся вокруг Земли по круговым орбитам на высотах около 20000 км с полусуточным периодом обращения. Некоторые параметры этих систем приведены в табл. 3.1.

Параметры систем глобального позиционирования

Параметры	Тип систем
	ГЛОНАСС	GPS
Число ИСЗ в системе	24	24
Число орбит	3 (через 120°)	6 (через 60°)
Число ИСЗ на орбите	8 (через 45°)	4 (через 90°)
Тип орбиты	Круговая	Круговая
Высота орбиты	19100 км	20145 км
Наклонение к экватору	64,8°	55°
Период обращения	11 ч 15 мин 44 с	11 ч 57 мин 58 с
Система координат	ПЗ-90	WGS-84