Современные концепции дистанционного зондирования земли

Телевизионные системы работают в том же спектральном диапазоне (0.4 – 0.9 мкм), что и фотографические камеры. Системы такого типа применялись для проведения съемки с высоким пространственным разрешением преимущественно на первых искусственных спутниках Земли ДЗ типа Landsat первого поколения. На современных космических аппаратах телевизионные камеры используются редко и в основном для получения изображений со средним разрешением.

Преимуществом оптических камер с механическим сканированием по сравнению с телевизионными датчиками является более широкий спектральный диапазон съемки: от ультрафиолетового до теплового инфра-красного (0.3–14мкм). При этом развертка вдоль строки изображения обеспечивается качающимся или вращающимся зеркалом, а в поперечном направлении – за счет движения спутника. Оптико-механические сканеры размещаются, например, на ИСЗ Landsat-4,5 (аппаратура MSS, ТМ, ЕТМ). Основным недостатком устройств такого типа является наличие механического сканирующего зеркала, ограничивающего точность географической привязки получаемых изображений и снижающего долговечность и надежность устройства в целом.

В оптико-электронных камерах на приборах с зарядовой связью (ПЗС), получивших наименование «push-broom scanner», элементы с механическим сканированием не используются. Строка изображения в одном спектральном диапазоне формируется при помощи линейной матрицы (линейки) детекторов на ПЗС, ориентированной перпендикулярно направлению полета спутника. Строчная развертка изображения производится путем последовательного электронного включения детекторов, причем сигнал с каждого детектора накапливается в течение определенного интервала времени, определяющего ширину элемента разрешения на местности и чувствительность камеры. Период опроса всей линейки выбирается таким образом, чтобы обеспечить непрерывный переход от одной полосы сканирования к другой. Высокая геометрическая точность изображения поперек направления полета достигается выравниванием расположения ПЗС на линейке. Оптико-электронные камеры на ПЗС находят широкое применение как в многофункциональных спутниках дистанционного зондирования типа Spot, Irs, Adeos, «Ресурс-О» и других, так и в «малых» космических аппаратах дистанционного зондирования Земли.

Данные, получаемые при помощи оптических датчиков с высоким пространственным разрешением, используются при решении большого числа тематических задач, включая, например, измерение протяженности и классификация растительного покрова, определение состояния сельскохозяйственных культур, геологическое картирование, контроль эрозии почв и т.д. Однако область применимости этих данных несколько ограничивается тем, что получение качественных оптических снимков возможно только на освещенной части поверхности Земли в ясную, безоблачную погоду [5].

Наиболее известными космическими системами природно-ресурсного направления  являются российская система Ресурс, американская – Landsat и французская – Spot.

 

3.2. Система изучения природных ресурсов Земли LANDSAT

 

Космические аппараты серии LANDSAT разрабатываются и изготавливаются американской корпорацией General Electric (впоследствии Electric Astro Space) с участием фирм RCA Astro Electronics, Computer Scientist Corp и других организаций.

Первый спутник LANDSAT-1 (первоначальное название ERTS-1 – Earth Resources Technology Satellite) был запущен Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) 23 мая 1972 года. В 1983 году программа LANDSAT была передана в ведение Национального управления по исследованию океана и атмосферы (НОАА), а с 1985 года снимки из фонда LANDSAT стали предоставляться потребителям на коммерческой основе.

Все спутники LANDSAT выводились на субполярные солнечно- синхронные орбиты. Высота орбит первых трех спутников составляла 900 км, а период повторяемости съемки равнялся 18 дням. Следующие спутники этой серии выводились на орбиты высотой 705 км с периодом повторной съемки 16 дней. За это время спутник может покрыть сканерной многозональной съемкой всю поверхность Земли. Цифровая информация со спутников по радиоканалам передается на наземные пункты приема, которые оборудованы во многих странах. Результаты съемок, прошедшие предварительную компьютерную обработку, представляют в цифровом виде. Служба распространения архивированных снимков через сеть Интернет делает их доступными потребителям разных стран. Снимки со спутников LANDSAT, на которых отчетливо изображаются природно-территориальные комплексы – сельскохозяйственные поля, городские населенные пункты, применяются во многих странах мира для геологических, географических, экологических исследований и тематического картографирования. [16]

Структура системы LANDSAT представлена на рис. 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5 Структура системы Landsat

 

Характеристики спутников  серии LANDSAT представлены в таблице 1.

 

 

 

 

Таблица 1- Характеристики спутников серии LANDSAT

Характеристики	Спутник
	Landsat-1	Landsat-2	Landsat-3	Landsat-4	Landsat-5	Landsat-6	Landsat-7
Дата запуска	23 июля 1972 г.	22 января 1975 г.	5 марта 1978 г.	16 июля 1982 г.	1 января 1984 г.	5 октября 1993 г.	15 апреля 1999 г.
Высота орбиты, км	901	900	900	705	705	705	705
Тип орбиты	Солнеч-но-син-хронная	Солнеч-но-син-хронная	Солнеч-но-син-хронная	Солнеч-но-син-хронная	Солнеч-но-син-хронная	Солнеч-но-син-хронная	Солнеч-но-син-хронная
Наклонение, град.	91	91	91	98,2	98,2	98,2	98,2
Период обращения,мин	103	103	103	99	98,8	98,9	98,9
Время пересечения плоскости  экватора	9:42	9:42	9:42	9:45	9:45	10:00	10:00
Период повторяемости  съемки, дни	18	18	18	16	16	16	16
Сенсор	MSS, RBV	MSS, RBV	MSS, RBV	MSS, TM	MSS, TM	PAN, TM (ETM)	ETM+ TM Thermal PAN
Размер сцены, км	185	185	185	185	185	185	185
Разрешение, м	80	80	40, 80, 120	30, 80, 120	30, 80, 120	15, 30, 120	15, 30, 60
Кол-во спектральных каналов	7	7	6	11	11	8	8

 

В настоящее время на орбите остались только 2 спутника – LANDSAT-5 и LANDSAT-7, которые продолжают обеспечивать высококачественные изображения поверхности Земли. LANDSAT-7 – последний из спутников дистанционного зондирования Земли, запущенный в 1999 году в рамках программы Landsat (рис.6). [9]

 

 

 

 

 

 

Рис. 6 Спутник Landsat - 7: 1 – антенны для передачи радиосигнала;

2 – калибровочное  устройство; 3 – многозональный сканер ETM+

 

 

В качестве целевой аппаратуры на ИСЗ Landsat-7 установлена многоспектральная камера ЕТМ+ со следующими техническими характеристиками:

• спектральные диапазоны: 8 диапазонов в интервале длин волн 0.45 – 12.5 мкм, включая один панхроматический диапазон 0.52 – 0.9 мкм;
• пространственное разрешение: 15 м в панхроматическом диапазоне; 30 м в видимом, ближнем ИК и ИК диапазонах; 60 м в тепловом ИК диапазоне;
• радиометрическая точность: 5%;
• ширина полосы обзора: 185 км;
• периодичность обзора: 16 суток;
• масса: 424 кг;
• потребляемая мощность: 720 Вт;
• скорость передачи информации: 150 Мбит/с.

Наземный сегмент системы  включает в себя следующие элементы:

1. Центр управления SOCC (Spacecraft Operations Control Center, шт. Мэриленд), обеспечивающий планирование работы бортовой аппаратуры, а также обработку данных ДЗЗ и телеметрии с ИСЗ системы LANDSAT.

2. Станции управления космическими аппаратами.

3. Центры приема заявок от потребителей и обработки поступающих данных ДЗЗ, находящиеся в Центре им. Годдарда, и при штаб-квартире фирмы EOSAT (шт. Мэриленд).

4. Станции сбора данных на территории США и зарубежные приемные станции.

5. Центр хранения и учета данных ДЗЗ, полученных системой LANDSAT, EROS Data Center (шт. Южная Дакота).

Всего в системе EOSAT используется 21 станция приема информации со спутников Landsat. Значительная часть станций может также принимать информацию дистанционного зондирования с французских космических аппаратов серии Spot. Станции, расположенные в Италии, Швеции и на Канарских островах, обслуживают страны, входящие в Европейское космическое агентство ESA: Австрию, Бельгию, Великобританию, Данию, Исландию, Испанию, Италию, Нидерланды, Норвегию, Францию, Швейцарию, Швецию, а также Венгрию, Израиль, Польшу и Финляндию [5].

 

3.3. Система изучения природных ресурсов Земли SPOT

 

Французская космическая система изучения природных ресурсов Земли SPOT (Systeme Probatoire d'Observation de la Terre) активно функционирует с февраля 1986 г. Система преимущественно используется для получения информации дистанционного зондирования, необходимой для решения задач картографирования, землепользования, сельского и лесного хозяйства, планирования градостроительства, для составления цифровых карт местности и контроля за изменениями состояния окружающей среды.

Структура системы SPOT представлена на рис. 7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7 Структура  системы SPOT

 

Спутники SPOT создаются и выводятся на орбиту Национальным центром космических исследований Франции (CNES) в сотрудничестве с Бельгией и Швецией. Спутники этой серии открыли новую эпоху в области дистанционного зондирования благодаря использованию линейки сенсоров, обеспечивающей широкую полосу съемки. [8]

Установленные на спутниках SPOT сенсоры позволяют осуществлять прицельную съемку. Это дает возможность выполнять стереосъемку земной поверхности с соседних витков, что позволяет создавать модели рельефа и имеет огромное значение для дешифрирования и картографирования. Еще одним преимуществом оптической системы сенсора с отклонением оси съемки на 27° от направления в надир является возможность проводить съемку одного и того же участка с наибольшей частотой (рис. 8). Это важно при мониторинге динамических явлений. В результате, период съемки в экваториальных областях сокращается до трех дней. В интервале широт от 40° до 45°, количество повторных съемок увеличивается в 11 раз. Все спутники SPOT выводились на солнечно-синхронные орбиты высотой 822 км с периодом съемки 26 дней и местным временем пересечения экваториальной плоскости 10 ч 30 мин. К настоящему моменту на орбиту выведено пять спутников серии SPOT. [9]

 

 

 

 

 

 

Рис. 8 Космическая съемка земной поверхности со спутника SPOT:

a – в надир; б – с отклонением направления съемки

 

Первые три спутника этой серии были полностью идентичны. Они оснащались съемочной оптической системой HRV (Visible High Resolution), устройствами записи данных на магнитную ленту и системой передачи данных на наземные станции. Каждый сенсор HRV можно использовать для получения как снимков во всей видимой части спектра (режим Р), так и многоспектральных снимков в зеленом, красном и инфракрасном диапазонах (режим XS). Пространственное разрешение панхроматических снимков составляет 10 м, многоспектральных – 20 м. Главным элементом оптической системы сенсора HRV является плоское зеркало, которое может поворачиваться на угол ±27° (45 угловых положений с интервалом 0,6°). В результате, каждый сенсор способен вести съемку в полосе 475 км по обе стороны от трассы.

На спутнике второго  поколения, SPOT-4, была установлена усовершенствованная съемочная система, состоящая из двух оптических сенсоров HRVIR (Visible and Infrared High-Resolution) и сенсора VEGETATION. Сенсоры HRVIR обеспечивают то же пространственное разрешение и те же возможности отклонения угла съемки, что аппаратура HRV. Различие между ними состоит в том, что у сенсора HRVIR есть дополнительный канал регистрации излучения в среднем инфракрасном диапазоне (1,980 – 1,730 мкм). Этот канал используют для мониторинга растительного покрова, оценки содержания различных минералов и картографирования влажности почв. Новый сенсор VEGETATION оснащен широкоугольной радиометрической камерой для получения снимков в четырех спектральных диапазонах: синем, красном, ближнем и среднем инфракрасном. Благодаря широкой полосе охвата в 2250 км можно провести съемку практически всей поверхности Земли всего за один день.

На спутнике SPOT-5 вместо сенсоров HRVIR были установлены два сенсора HRG (High Resolution Geometric), которые регистрируют данные в тех же спектральных диапазонах, что и сенсоры HRVIR. Одно из отличий новых сенсоров состоит в увеличении разрешения снимков с 20 до 10 м в диапазонах Bl, В2 и ВЗ (табл.2). Кроме того, спектральный диапазон панхроматического канала стал снова таким же, как и у первых трех спутников серии SPOT, но разрешение черно-белых снимков увеличилось при этом до 5 и даже 2,5 м. Таким образом, все снимки HRG можно разделить в зависимости от их разрешения на четыре категории:

1. Снимки в коротковолновом инфракрасном диапазоне (канал SWIR) с разрешением 20 м;

2. Многозональные снимки в зеленом, красном и ближнем инфракрасном диапазонах с разрешением 10 м;

3. Панхроматические снимки с разрешением 5 м;

4. Искусственно синтезированные панхроматические снимки с разрешением 2,5 м.

С помощью нового сенсора HRS (High Resolution Stereoscopic) получают стереопары снимков (с отклонением оси съемки вперед-назад) с разрешением 10 м при ширине полосы охвата 120 км и полосе съемки 600 км. Эти снимки используются для построения цифровых моделей. Максимальный угол отклонения оси съемки у сенсоров HRS составляет 20 градусов. Сенсоры VEGETATION, установленные на спутнике SPOT-5, ничем не отличаются от своего аналога на спутнике SPOT-4. [16]

 

Таблица 2- Параметры орбиты и характеристики сенсоров спутника SPOT-5

Параметры орбиты		Характеристики  сенсоров
Тип орбиты	Субполярная солнечно- синхронная	HRG
Высота орбиты	822 км
Наклонение	98,7°	Режим съемки	Канал		Спектральный диапазон, мкм	Разреше-ние, м
Период обращения	101 мин	Многозо-нальный	В1		0,50 – 0,59	10
			В2		0,61 – 0,68	10
Время пересечения экватора	10:30 (местное стандартное  время США)		В3		0,78 – 0,89	10
Период повторного выхода на точку	26 дней		SWIR		1,58 – 1,75	20
Ширина полосы съемки	117 км (60 км на каждый HRG, 3 км перекрытие)	Панхрома-тический	PAN		0.548 – 0.710	5, 2,5
		HRS
		Панхрома-тический	PAN	0,51 – 0,73		10
		Сенсор VEGETATION такой же, как на спутнике SPOT-4