Современные концепции дистанционного зондирования земли

Первый метеорологический спутник  был запущен в США 1 апреля 1960 года. Он использовался для прогноза погоды, наблюдения за перемещением циклонов и других подобных задач. Первым среди спутников, которые применялись для регулярной съемки больших участков земной поверхности, стал TIROS-1 (Television and Infrared Observation Satellite).

Первый специализированный спутник был запущен в 1972 году. Он назывался ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) и использовался, в основном, для целей сельского хозяйства. В настоящее время спутники этой серии носят название Landsat. Они предназначены для регулярной многозональной съемки территорий со средним разрешением. Позже, в 1978 году, был запущен первый спутник со сканирующей системой SEASAT, но он передавал данные всего три месяца. Первый французский спутник серии SPOT, с помощью которого можно было получать стереопары снимков, был выведен на орбиту в 1985 году. Запуск первого индийского спутника дистанционного зондирования, названного IRS (Indian Remote Sensing), состоялся в 1988 году. Япония также вывела на орбиту свои спутники JERS и MOS. Начиная с 1975 года, Китай периодически запускал собственные спутники, но полученные ими данные до сих пор находятся в закрытом доступе. Европейский космический консорциум вывел на орбиту свои радарные спутники ERS в 1991 и 1995 годах, а Канада – спутник RADARSAT в 1995 году. [11]

 

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСТАНЦИОННОГО  ЗОНДИРОВАНИЯ

 

 

Основу дистанционного зондирования составляет измерение  энергии электромагнитного излучения от различных источников, важнейшим из которых является Солнце. Спектр солнечного излучения содержит все длины волн. В частности, к ним относится диапазон видимого света и ультрафиолетовый диапазон, излучение в котором может быть опасно для здоровья человека.

Множество сенсоров, которые  используются в дистанционном зондировании, предназначены для измерения параметров отраженного солнечного света. Другие регистрируют собственное излучение Земли либо сами являются источниками излучения. Для понимания принципов работы этих сенсоров необходимо знание физических основ электромагнитного излучения, его характеристик и того, как происходит взаимодействие излучения с веществом. Эти знания важны и для правильной интерпретации данных дистанционного зондирования. [16]

 

 

2.1. Электромагнитное  излучение и его характеристики

 

Электромагнитное  излучение можно представить в виде волн или в виде потока фотонов – частиц, каждая из которых несет определенную долю энергии. Для понимания физических основ дистанционного зондирования особенно важным является понятие длины волны . Эту величину определяют как расстояние между двумя последовательными волновыми гребнями и измеряют в метрах или долях метра. Электромагнитные волны (ультрафиолетовые, световые, инфракрасные, радиоволны) имеют разную длину, но распространяются прямолинейно с одинаковой скоростью – скоростью света – и при взаимодействии с веществом подчиняются одинаковым физическим законам.

Все тела при температуре  выше абсолютного нуля излучают электромагнитные волны. Последовательность электромагнитных волн, классифицированная по их длинам (или частотам), называется электромагнитным спектром (рис. 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 Диапазоны  электромагнитного спектра

 

При дистанционном зондировании используют несколько диапазонов электромагнитного  спектра. Ту его часть, в которой применимы законы оптики, называют оптическим диапазоном. [14]

Участок оптических волн (0,001–1000мкм) включает ультрафиолетовый (0,001– 0,4 мкм), видимый (0,4 – 0,8 мкм) и инфракрасный (0,8 – 1000 мкм) диапазоны. Видимый диапазон, в котором глаз способен выделять цветовые различия, делят на семь цветовых зон со следующими названиями цветов и границами, нм: фиолетовый (380 – 450), синий (450 – 480), голубой (480 – 500), зеленый (500 – 560), желтый (560 – 590), оранжевый (590 – 620) и красный (620 – 750). Диапазон инфракрасного (ИК) излучения разделяют на поддиапазоны, мкм: ближний (0,8 – 1,3), средний (1,3 – 3) и дальний (3 – 1000). В ближнем и среднем поддиапазонах преобладает отраженное (солнечное) излучение, а в дальнем, называемом тепловым, собственное излучение Земли. Волны длиной 0,1 – 1 мм часто называют субмиллиметровыми.

Часть спектра, охватывающую ультракороткие радиоволны (1 – 10000 мм), разбивают на диапазоны миллиметровых, сантиметровых, дециметровых и метровых радиоволн. Сантиметровые и дециметровые волны часто объединяют в диапазон радиоволн сверхвысоких частот (СВЧ), в котором выделяют участки, обозначаемые латинскими буквами К, X, С, S, L, Р. Именно в этих участках работает различная радиоэлектронная аппаратура спутников, но каждая на строго фиксированных международными соглашениями длинах волн (или частот). Например, передачу видеоинформации со спутников на наземные пункты приема наиболее часто производят по радиоканалам в так называемых Х- и S-диапазонах на длинах волн соответственно 3 и 11 см, а L-диапазон (длина волны 22 см) отведен для глобальных систем спутникового позиционирования – отечественной ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) и американской GPS (Global Positioning System). Нередко миллиметровые, сантиметровые и дециметровые радиоволны собственного излучения Земли относят к одному диапазону, называемому микроволновым.

Наибольшие длины волн, которые используют при дистанционном  зондировании, принадлежат тепловому  инфракрасному и микроволновому диапазонам. Тепловое инфракрасное излучение содержит информацию о температуре поверхности, которая может быть связана, например, с минеральным составом пород или с определенной растительностью. Микроволновый диапазон используют для получения информации о шероховатости и других свойствах поверхности, в частности о содержании влаги. [9]

 

 

 

 

 

 

2.2. Взаимодействие излучения  с поверхностью Земли

 

Основным естественным источником освещения земной поверхности  является Солнце, которое излучает различные электромагнитные волны – от ультрафиолетовых до радиоволн. Основная энергия приходится на излучение с длинами волн 0,3 – 3 мкм, причем максимум энергии – на волны длиной около 0,5 мкм.

Различают три основных типа взаимодействия падающего электромагнитного излучения с объектами на поверхности Земли: отражение, поглощение и пропускание (рис. 3).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3 Взаимодействие излучения с поверхностью Земли

 

Свойства отраженного, поглощенного и пропущенного излучения различаются для разных объектов на поверхности Земли и зависят от вещества объекта и физических условий, в которых он находится. Эти различия и позволяют идентифицировать объекты на снимке. Даже у объектов одного типа соотношение между поглощенным, отраженным и пропущенным излучением зависит от длины волны.

Поскольку множество  систем дистанционного зондирования работает в тех спектральных диапазонах, где  доминирует отраженное излучение, отражательные свойства различных объектов играют очень важную роль при их идентификации.

Отражательные свойства земной поверхности можно охарактеризовать, измерив относительную долю энергии отраженного излучения как функцию длины волны. Эта функция называется спектральной отражательной способностью и определяется как отношение энергии отраженного излучения к энергии падающего излучения. [5]

По спектральной яркости в видимом диапазоне все объекты земной поверхности делят на несколько классов, каждый из которых отличается по характеру спектральной отражательной способности.

 

I. Горные породы  и почвы характеризуются увеличением коэффициентов спектральной яркости по мере приближения к красной зоне спектра. Спектральная яркость горных пород зависит от входящих в их состав минералов и элементов, а почв – от содержания соединений железа и гумуса. На отражательную способность горных пород влияют также запыленность, различные поверхностные выцветы и корки. При повышении влажности почв их яркость уменьшается (при полном насыщении водой – в два раза), но характер кривой спектральной отражательной способности не меняется.

II. Растительный покров отличается характерным максимумом отражательной способности в зеленой (0,55 мкм), минимумом – в красной (0,66 мкм) и резким увеличением отражения в ближней инфракрасной зоне. Низкая отражательная способность вегетирующих растений в красной зоне связана с поглощением, а ее увеличение в зеленой зоне – с отражением этих лучей хлорофиллом. Большие коэффициенты яркости в ближней инфракрасной зоне объясняются пропусканием этих лучей хлорофиллом и отражением их от внутренних тканей листа. Спектральная яркость растений меняется с их возрастом: она выше у молодых растений и ниже у находящихся в стадии полной зрелости. Из всех объектов суши растительный покров имеет наиболее информативные спектральные характеристики, которые чутко реагируют на его изменчивость.

 

 

 

III. Водные поверхности характеризуются самыми низкими значениями и монотонным уменьшением отражательной способности от сине-фиолетовой к красной зоне спектра, поскольку длинноволновое излучение сильнее поглощается водой. Отражательная способность водных объектов сильно зависит от содержания в воде фитопланктона и ее загрязнения – наличия взвешенных частиц, нефтяной пленки и т.д.

IV. Снежный покров обладает наиболее высокими значениями коэффициентов спектральной яркости с небольшим их понижением в ближней инфракрасной зоне спектра. Загрязнение снега и содержание в нем воды также приводят к изменениям отражательной способности. При насыщении снега водой отражение ближнего и среднего инфракрасного излучения резко падает. Близки к этому классу по характеру отражения облачные образования, которые имеют несколько узких полос поглощения в длинноволновой части спектра.

Таким образом, спектральная отражательная способность зависит от свойств объектов, их состояния, а также от сезона. [9]

 

 

2.3. Влияние атмосферы на регистрируемое излучение

 

 

Излучение, прежде чем  попасть на регистрирующий прибор, расположенный на некоторой высоте над земной поверхностью, должно пройти сквозь атмосферу – смесь газов, в которой взвешены твердые и  жидкие частицы. Основная масса атмосферы сосредоточена в нижних приземных слоях (до 10 км). Выделяют три основных типа взаимодействия излучения с атмосферой: поглощение, перенос и рассеивание. Излучение, прошедшее через атмосферу, затем отражается или поглощается земной поверхностью.

 

При распространении  электромагнитного излучения через  атмосферу оно частично поглощается  молекулами различных газов. Наибольшей способностью к поглощению солнечного излучения обладают озон (О₃), пары воды (Н₂О) и углекислый газ (СО₂). Для дистанционного зондирования используют только те диапазоны длин волн, которые лежат вне основных интервалов поглощения. Такие диапазоны называются окнами прозрачности атмосферы (рис. 4). К ним относятся окно прозрачности в видимом и инфракрасном диапазоне от 0,4 до 2,0 мкм, в котором «работают» оптические сенсоры и человеческое зрение, а также три окна прозрачности в тепловом инфракрасном диапазоне: два узких окна вблизи 3 и 5 мкм и одно относительно широкое в интервале приблизительно от 8 до 14 мкм. [12]

 

 

 

 

 

Рис. 4 Прозрачность атмосферы для оптических и радиоволн

 

Большое окно прозрачности в зоне 50 мкм в аэрокосмическом зондировании пока не используется из-за отсутствия приемников излучения. В микроволновом диапазоне при длинах волн свыше 1 – 2 мм атмосфера опять становится прозрачной. Метровые радиоволны беспрепятственно проходят всю толщу атмосферы. С дальнейшим увеличением длины радиоволн усиливается их отражение от ионизирующих слоев атмосферы и волны с длиной волны свыше 10 м уже не могут проникнуть сквозь ионосферу. Для радиоволн этих длин атмосфера полностью непрозрачна.

Причиной рассеивания  является изменение направления  распространения электромагнитных волн из-за их взаимодействия с молекулами газов и присутствующих в атмосфере  частиц. Величина рассеивания зависит от длины волны электромагнитного излучения, количества частиц и концентрации атмосферных газов, а также длины пути распространения излучения через атмосферу. В диапазоне видимого света доля рассеянного излучения при регистрации сенсором составляет от 100% при сплошной облачности, до 5% при абсолютно ясном небе. Выделяют три типа рассеивания в атмосфере. Интенсивность избирательного рассеяния молекулами атмосферных газов (так называемое рассеяние Релея) очень быстро возрастает с уменьшением длины волны излучения. Наиболее сильно молекулами рассеивается коротковолновое оптическое излучение (этим объясняется голубизна неба). Аэрозольное рассеяние (рассеяние Ми) при размерах частиц больше длины волны неизбирательно рассеивает все падающее излучение. Оно оказывает значительно большее влияние на результаты аэрокосмических съемок, чем молекулярное. [9]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

 

Информацию о расположенных  на земной поверхности объектах и их свойствах можно получить, измеряя параметры собственного излучения Земли и отраженного электромагнитного излучения Солнца, которые зависят от физических, химических и биологических свойств изучаемых объектов. Измерения проводят с помощью сенсоров, которые устанавливают на стационарных или движущихся платформах. Для решения разных прикладных задач используют разные сенсоры, а платформами для их размещения могут служить искусственные спутники Земли.

Космические платформы, в качестве которых используют искусственные спутники Земли, предназначены, прежде всего, для периодической съемки изучаемой территории. В данный момент работает около 15 спутников. Съемка производится в широком спектральном диапазоне и с различным пространственным разрешением от долей метра до нескольких километров. Благодаря этому космические снимки нашли широкое применение в самых разных областях научной и хозяйственной деятельности. [8]

 

3.1. Классификация ресурсных спутников

 

В космических системах изучения природных ресурсов Земли в качестве основных сенсоров дистанционного зондирования используются оптические камеры, обеспечивающие высокое пространственное разрешение получаемых снимков в полосе обзора около 100 км. Различают три основных типа оптических датчиков ДЗЗ: телевизионные камеры, оптические камеры с механическим сканированием, оптико-электронные камеры на ПЗС.