Современные концепции дистанционного зондирования земли

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное

учреждение высшего  профессионального образования 

«Тульский государственный  университет»

Кафедра геоиженерии  и кадастра

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Аэрокосмические съемки»

 

на тему:

«СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ  ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тула 2012

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….…..3

1. Общие сведения о дистанционном зондировании……………………………4

1.1. Понятие о дистанционном зондировании………………………………...…4

1.2. Принципы дистанционного зондирования……………………….……..…..6

1.3. Преимущества и недостатки данных дистанционного зондирования………………………………………………………………….…...7

1.4. История развития методов дистанционного зондирования……………......8

2. Физические основы дистанционного зондирования…………………..….....11

2.1. Электромагнитное излучение и его характеристики……………….…..…11

2.2. Взаимодействие излучения с поверхностью Земли…………………..…...13

2.3. Влияние атмосферы на регистрируемое излучение……………………….16

3. Космические системы изучения природных ресурсов и мониторинга окружающей среды………………………………………………………….…...18

3.1. Классификация ресурсных спутников……………………………….….....18

3.2. Система изучения природных ресурсов Земли Landsat……………..……20

3.3. Система изучения  природных ресурсов Земли Spot………………...…….24

3.4. Российская космическая система Ресурс………………………….….…...29

4. Применение данных  дистанционного зондирования……………..…….…..33

4.1. Использование материалов космических съемок в области землеустройства, кадастра и мониторинга земель…………………………….33

4.2. Составление и обновление карт с помощью космических снимков…………………………………………………………………………...36

4.3. Задачи, решаемые с помощью  космических снимков в сельском  хозяйстве………………………………………………………………….………38

4.4. Космические снимки: решения  для лесного хозяйства………….….……40

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………….….….…...43

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ…………………………..……..44

Приложение А

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В последние десятилетия  дистанционное зондирование Земли является интенсивно развивающейся областью исследований. Данные дистанционного зондирования дают колоссальные возможности для исследования процессов, происходящих на планете, для решения проблем комплексного изучения, освоения и рационального использования природных ресурсов. Потребность в них увеличивается из года в год. Особенно быстро развиваются космические технологии: совершенствуются спутники, съемочная аппаратура, методы съемки и обработки снимков. Еще несколько лет назад космические снимки использовались лишь узким кругом специалистов. Сейчас современные технические средства позволяют принимать изображения с искусственных спутников Земли на персональный компьютер, а новейшие программные средства дают возможность быстро обрабатывать эту информацию, вести ее электронные архивы, что делает ее доступной для самого широкого круга пользователей.

Тема курсовой работы «Современные концепции дистанционного зондирования». Данная тема очень актуальна т.к. в настоящее время средства дистанционного зондирования становятся основным источником оперативных пространственных данных для информационного обеспечения важных государственных задач, в том числе ведения кадастровых работ.

Целью курсовой работы является раскрытие темы и ее основных моментов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассмотреть понятие дистанционного зондирования;

2.  Изучить физические основы дистанционного зондирования;

3. Ознакомиться с основными системами изучения природных ресурсов;

4. Рассмотреть применение данных дистанционного зондирования в области мониторинга окружающей среды и ведения кадастра.

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ

 

1.1. Понятие о дистанционном зондировании

 

Под дистанционным зондированием понимают процесс или метод получения информации об объекте, участке поверхности или явлении путем анализа данных, собранных без контакта с изучаемым объектом. Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства. Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) – наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. [6]

Примером естественных форм дистанционного зондирования являются зрение, обоняние и слух человека. К методам дистанционного зондирования относят фотографическую съемку, существенным недостатком которой является то, что эмульсионный слой фотопленки чувствителен только к излучению в видимой либо близкой к ней части электромагнитного спектра.

Методы дистанционного зондирования, описанные в данной курсовой работе, основаны на использовании сенсоров, которые размещаются на космических аппаратах и регистрируют электромагнитное излучение в форматах, существенно более приспособленных для цифровой обработки, и в более широком диапазоне электромагнитного спектра: инфракрасный диапазон отраженного излучения, тепловой инфракрасный и радиодиапазон.

Идеальная схема дистанционного зондирования показана на рис. 1. Ее составляющими являются источник электромагнитного излучения, процесс распространения излучения и его взаимодействие с веществом объекта, ответный сигнал, регистрация данных и предоставление их потребителям. В этой модели источник генерирует электромагнитное излучение с высоким уровнем энергии во всем диапазоне длин волн, причем интенсивность излучения является известной величиной, которая не зависит от длины волны. Излучение не взаимодействует с атмосферой и распространяется через нее без потери энергии. Падающее излучение взаимодействует с веществом объекта, в результате чего возникает отраженное либо собственное вторичное излучение, однородное во всем диапазоне длин волн.

Излучение от объекта попадает на сенсор, который регистрирует пространственную информацию. Данные, зарегистрированные сенсором, передаются на наземную станцию, где мгновенно преобразуются в интерпретируемую форму, которая позволяет идентифицировать все части изучаемого объекта по их физическим, химическим и биологическим свойствам. В этом виде данные предоставляются потребителям.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Идеальная  схема дистанционного зондирования

 

На практике идеальной  системы дистанционного зондирования не существует в силу следующих причин:

1. Ни один источник не способен обеспечить однородность потока излучения как в пространстве, так и во времени;

2. Из-за взаимодействия излучения с газами атмосферы, молекулами водяного пара и атмосферными частицами изменяется интенсивность излучения и его спектр;

3. Одно и то же вещество при разных условиях может иметь разную спектральную чувствительность;

4. На практике не существует идеального сенсора, с помощью которого можно было бы регистрировать все длины волн электромагнитного спектра;

5. Из-за технических ограничений передача данных и их интерпретация иногда выполняются с задержкой по времени. Формат передаваемых данных также может отличаться от того, который требуется потребителю;

6. Потребители могут не обладать необходимой информацией о параметрах сбора данных ДЗ и не иметь достаточного опыта для их анализа и дешифрирования. [16]

 

1.2. Принципы дистанционного зондирования Земли

 

В резолюции № 41/65 Генеральной  Ассамблеи ООН от 3 декабря 1986 г. были одобрены «Принципы, касающиеся дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космического пространства». Принципы определяют применимость международного права к деятельности по дистанционному зондированию Земли. Такая деятельность осуществляется в соответствии с международным правом, включая Устав ООН, Договор по космосу (1967 г.) и соответствующие документы Международного союза электросвязи.

В этом документе отмечается, что деятельность по дистанционному зондированию Земли должна осуществляться на благо и в интересах всех стран независимо от уровня их экономического, социального или научно-технического развития. Государства, осуществляющие ДЗЗ, должны содействовать международному сотрудничеству в этой деятельности и предоставлять другим государствам возможность участия в ней. Такое участие в каждом случае должно основываться на справедливых и взаимоприемлемых условиях.

Для получения максимальных выгод от деятельности по дистанционному зондированию государства поощряются к тому, чтобы в соглашениях  или иных договоренностях предусматривались  создание и эксплуатация станций  по приему и накоплению данных и установок по их обработке и интерпретации, в частности в рамках региональных соглашений и договоренностей, когда это возможно.

Дистанционное зондирование должно содействовать охране природной  среды Земли. С этой целью участвующие в деятельности по дистанционному зондированию государства, которые установили, что в их распоряжении имеется информация, способная предотвратить любое вредное для природной среды Земли явление, сообщают эту информацию соответствующим государствам. Дистанционное зондирование должно также содействовать защите человечества от стихийных бедствий. [1]

 

1.3. Преимущества и недостатки данных дистанционного зондирования

Преимущества. Данные спутниковой съемки содержат полезную информацию, полученную в различных спектральных диапазонах, и, кроме того, сохраняются в цифровом виде. Поскольку космические снимки охватывают большие области, их можно использовать для тематических региональных исследований и идентификации крупных пространственных объектов, в частности, структур рельефа. Регулярная съемка территорий позволяет проводить мониторинг водных ресурсов, агротехнического состояния сельскохозяйственных культур, эродированности почв, развития инфраструктуры городов и других процессов, объектов и явлений, которые изменяются под воздействием природных и антропогенных факторов. С помощью космической съемки достаточно просто получить данные о труднодоступных областях. Еще одним преимуществом ДЗ является возможность получения снимков разного разрешения, что позволяет применять данные ДЗ для решения различных задач в разных предметных областях. Поскольку анализ материалов ДЗ выполняется камерально, требуется меньше полевых исследований, что окупает затраты на приобретение данных. Экономически эффективным является и применение космических снимков для оперативного обновления средне- и мелкомасштабных карт. Цветные изображения, формируемые на основе данных ДЗ в трех спектральных каналах, несут больше информации, чем отдельные наземные или аэрофотоснимки, а стереопары снимков дают возможность проводить трехмерный анализ пространственных объектов. И, наконец, цифровой формат материалов ДЗ и использование компьютеров для их обработки и анализа обеспечивают быстрое получение результатов.

Недостатки. Для их обработки и анализа требуются очень высокая квалификация и большой практический опыт. Использование таких данных становится экономически неэффективным при единичных исследованиях небольших территорий. Космические снимки нельзя использовать для создания планов в инженерных целях. Программное обеспечение, которое применяется для обработки цифровых снимков, также имеет высокую стоимость. Кроме того, если результаты дешифрирования материалов ДЗ не подтверждены полевыми исследованиями, к ним надо относиться с большой осторожностью. [14]

 

1.4. История развития методов дистанционного зондирования

 

Понятие дистанционного зондирования появилось в XIX веке вслед  за изобретением фотографии, а одной  из первых областей, в которых стали  применять этот метод, стала астрономия. Впоследствии, дистанционное зондирование начали использовать в военной области для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений. Во время Гражданской войны в США фотоснимки, полученные с помощью неуправляемых летательных аппаратов, служили для наблюдения за перемещением войск, подвозом припасов, ходом фортификационных работ и для оценки эффекта артиллерийских обстрелов. В результате исследований, которые финансировались различными государствами, были разработаны технологии, позволившие создать сенсоры сначала для военных целей, а затем и для гражданского применения этого метода. После Второй мировой войны метод дистанционного зондирования стали использовать для наблюдения за окружающей средой и оценки развития территорий, а также в гражданской картографии. В 60-х годах XX века, с появлением космических ракет и спутников, дистанционное зондирование вышло в космос.

Новая эра дистанционного зондирования связана с пилотируемыми космическими полетами, разведывательными, метеорологическими и ресурсными спутниками.

Возможности ДЗ в военной области  значительно возросли после 1960 года в результате запуска разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON и LANYARD, целью которых было получение фотоснимков с низких орбит. Вскоре были получены стереопары снимков с разрешением 2 метра. Первые спутники работали на орбите от семи до восьми дней, но уже следующие поколения этих аппаратов были способны поставлять данные в течение нескольких месяцев.

В результате осуществления программ пилотируемых полетов, которые были начаты в США в 1961 году, человек впервые высадился на поверхность Луны (1969 г.). Следует отметить программу Mercury, в рамках которой были получены снимки Земли, систематический сбор данных дистанционного зондирования во время проекта Gemini (1965 – 1966 гг.), программу Apollo (1968 – 1975 гг.), в ходе которой велось дистанционное зондирование земной поверхности (ДЗЗ), запуск космической станции Skylab (1973 – 1974 гг.), на которой проводились исследования земных ресурсов, полеты космических кораблей многоразового использования, которые начались в 1981 году, а также получение многозональных снимков с разрешением 100 метров в видимом и близком инфракрасном диапазоне с использованием девяти спектральных каналов.

В Советском Союзе, а затем в России космические программы развивались параллельно космическим программам США. Полет Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года, ставший первым полетом человека в космос, запуски космических кораблей «Восток» (1961 – 1963 гг.), «Восход» (1964 – 1965 гг.) и «Союз», работа на орбите космических станций «Салют» (впервые 19 апреля 1971 года), – это лишь небольшая часть достижений нашей страны в области дистанционного зондирования Земли из космоса. [8]