Принципы современного подхода к использованию данных дистанционного зондирования Земли

Вся обработка и практически все использование ДЦЗ производится в цифровом виде с помощью компьютеров. Все материалы дешифрирования ДДЗ и другие получаемые из них данные готовятся для использования в составе пространственных баз данных геоинформационных систем.

В процессе использования ДДЗ дополнительно привлекаются самые различные данные другого типа, организованные в виде баз данных ГИС. Это могут быть данные полевых обследований, различные карты, другие данные дистанционного зондирования, геофизические и геохимические поля, характеризующие те или иные природные среды, и т. д. Эти данные используются непосредственно в процессе дешифрирования ДЦЗ или вовлекаются в совместную обработку с ними. Дешифрирование и процесс использования ДДЗ сегодня следует рассматривать не как отдельный изолированный процесс, а как часть процесса комплексной интерпретации и использования данных.

Как правило, работа с ДДЗ производится не с отдельными снимками, а с виртуальной мозаикой многих кадров.

Улучшающая обработка изображения — не отдельный процесс, оторванный от процесса тематической обработки и дешифрирования ДДЗ, а обработка прямо в процессе дешифрирования или другого использования.

В основном тематическая обработка и дешифрирование ДДЗ ведется или с трансформированными и привязанными снимками в реальных координатных системах, или при установленной такой связи с реальными координатами с возможностью выполнения отложенного трансформирования.

Картографические проекции и системы координат более не трактуются как нечто навсегда заданное для изображения; они преобразуются по мере необходимости как для отдельных точек или объектов, так и для целого изображения ДДЗ.

Широко применяются методы автоматизации тематической обработки, автоматизации дешифрирования, которые, однако, не рассматриваются обычно как методы получения окончательного результата, а как подручные, многократно применяемые методы получения чернового результата, как метод исследования данных. Главные и окончательные решения чаще всего принимает человек.

Для комплексного анализа данных, включающих ДДЗ, часто применяются технологии экспертных систем и им подобные, объединяющие неформальные знания экспертов и формальные методы анализа.

Из процесса использования ДДЗ исключен как самостоятельная стадия процесс сбора результатов дешифрирования от дельных снимков и перенос их на единую топооснову.

Значительная часть обработки, особенно улучшающих преобразований, проводится без внесения изменений в файлы данных на диске (в оперативной памяти или временных файлах), поэтому не происходит накопления промежуточных результатов обработки и возможна отмена выполненных преобразований.

Поскольку трансформирование и привязка снимков могут занимать различное положение в цепи обработки и использования снимков, их нельзя более считать поставщиком данных или специальной группой подготовки (предварительной обработки) снимков. В ряде ситуаций она выполняется конечным пользователем ДДЗ, занятым их тематическим использованием.

Фотограмметрические методики, обеспечивающие выполнение точных геометрических измерений на снимках, ранее малодоступные из-за необходимости использования очень дорогого, сложного в эксплуатации и немобильного оптико-механического оборудования и высококвалифицированного персонала, сегодня, с внедрением методов цифровой фотограмметрии и, особенно, в связи с ее переходом на использование персональных компьютеров, стали доступны даже конечному пользователю ДДЗ.

Далее мы подробно остановимся на космическом мониторинге окружающей среды как наиболее объективном и современном методе отражения процессов и явлений, происходящих в окружающей среде. Космические методы удачно дополняют традиционные наземные и аэрометоды. Их совместное использование обеспечивает исследования одновременно на локальном, региональном и глобальном уровнях.

Основной продукт космического мониторинга — снимок — двумерное изображение, полученное в результате дистанционной регистрации техническими средствами собственного или отраженного излучения и предназначаемое для обнаружения, качественного и количественного изучения объектов, явлений и процессов путем дешифрирования, измерения и картографирования.

Космические снимки имеют большую познавательную ценность, усиленную их особыми свойствами, такими как большая обзорность, генерализованность изображения, комплексное отображение всех компонентов геосферы, регулярная повторяемость через определенные интервалы времени, оперативность поступления информации, возможность ее получения для объектов, недоступных изучению другими средствами.

Генерализация изображения на космических снимках включает геометрическое и тоновое обобщение рисунка изображения и зависит от ряда факторов — технических (масштаба и разрешения снимков, метода и спектрального диапазона съемки) и природных (влияния атмосферы, особенностей территории). В результате такой генерализации изображение многих черт земной поверхности на снимках освобождается от частностей, в то же время разрозненные детали объединяются в единое целое, поэтому более четко выступают объекты высших таксономических уровней, крупные региональные и глобальные структуры, зональные и планетарные закономерности.

Влияние генерализации изображения на дешифровку космических снимков — двойственное. Во-первых, сильно обобщенное изображение уменьшает возможность высокоточного и детального картографирования, влечет ошибки дешифрирования. Недаром стремятся к использованию снимков высокого разрешения. Однако обобщенность изображения космического снимка относится к его достоинствам. Это свойство позволяет также использовать космические снимки для непосредственного составления тематических карт в средних и мелких масштабах без трудоемкого детального многоступенчатого перехода от крупных масштабов карт к мелким, что обеспечивает экономию времени и средств. Во-вторых, оно дает преимущества смыслового, содержательного, плана: на космических снимках выявляются важные объекты, скрытые на снимках более крупных масштабов.

Классификация космических снимков. Космические снимки можно классифицировать по разным признакам: в зависимости от выбора регистрируемых излучательных и отражательных характеристик, что определяется спектральным диапазоном съемки;

от технологии получения изображений и передачи их на Землю, во многом обусловливающей качество снимков; от параметров орбиты космического носителя и съемочной аппаратуры, определяющих масштаб съемки, обзорность, разрешение снимков и т. п.

По спектральному диапазону космические снимки делятся на три основные группы:

  • 1) в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне;
  • 2) в тепловом инфракрасном диапазоне;
  • 3) снимки в радиодиапазоне.

По технологии получения изображения, способам получения снимков и передачи на Землю снимки в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне подразделяют на:

  • — фотографические;
  • — телевизионные и сканерные;
  • — многоэлементные ПЗС-снимки на основе приборов с зарядовой связью;
  • — фототелевизионные.

Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне представляют собой тепловые инфракрасные радиометрические снимки. Снимки в радиодиапазоне делятся в зависимости от использования активного или пассивного принципа съемки на микроволновые радиометрические, получаемые при пассивной регистрации излучения, и радиолокационные, получаемые при активной локации.

По масштабу космические снимки делятся на три группы:

  • 1) мелкомасштабные (1:10 000 000—1:100 000 000);
  • 2) среднемасштабные (1:1 000 000—1:10 000 000);
  • 3) крупномасштабные (крупнее 1:1 000 000).

По обзорности (площадному охвату территории одним снимком) подразделяются на:

  • — глобальные (охватывающие всю планету, точнее, освещенную часть одного полушария);
  • — региональные, на которых изображаются части материков или крупные регионы;
  • — локальные, на которых изображаются части регионов.

По разрешению (минимальной линейной величине на местности изображающихся объектов) различаются на снимки:

  • — очень низкого разрешения, измеряющееся десятками километров;
  • — низкого разрешения, измеряющегося километрами;
  • — среднего разрешения, измеряющегося сотнями метров;
  • — снимки высокого разрешения, измеряющегося десятками метров (которые, в свою очередь, делят на снимки относительно высокого разрешения (50—100 м); снимки высокого разрешения (20—50 м); снимки очень высокого разрешения (10—20 м);

— сверхвысокого разрешения, на которых изображаются объекты размером менее 10 м.

По детальности изображения, определяемой размерами элементов изображения и их количеством на единицу площади, выделяют снимки малой, средней, большой и очень большой детальности.

По повторяемости съемки снимки подразделяются на снятые через несколько минут, часов, суток или лет. Бывают и разовые съемки.

Рассмотрим основные типы космических снимков.

Снимки в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне. Видимый и ближний инфракрасные диапазоны, включающие волны длинами 0,4—0,75 и 0,75—3 мкм, образуют в совокупности световой диапазон. На этот спектральный диапазон, лучи которого почти полностью пропускаются атмосферой, приходится почти вся энергия солнечного излучения. Солнечные лучи, падая на земную поверхность, по-разному отражаются ею в соответствии со спектральной отражательной способностью объектов. Отраженная солнечная радиация воспринимается глазом, чувствительным именно к излучению видимого диапазона от 0,4 до 0,75 мкм; благодаря избирательному отражению различают цвет наблюдаемых объектов.

При съемке в этом диапазоне приемник излучения воспринимает солнечное излучение, избирательно отражаемое земной поверхностью. На снимках в световом диапазоне оказываются зафиксированными оптические свойства объектов — интегральная или спектральная яркость, зависящая от спектральной отражательной способности.

Возможность съемки в световом диапазоне обусловливается прозрачностью атмосферы для волн этой части спектра (окно прозрачности 0,4—1,3 мкм). Однако серьезное препятствие для съемки образует облачность, оказывающая экранирующее влияние. Кроме того, при съемке сквозь толщу атмосферы сказывается избирательное рассеивание лучей атмосферой, которое наиболее сильно для коротковолновой голубой части видимого диапазона спектра и вызывает снижение контрастов изображения при съемке в этой зоне.

Обычно оптическая съемка ведется либо сразу во всем видимом диапазоне (панхроматическая), либо в нескольких более узких зонах спектра (многозональная). При прочих равных условиях панхроматические снимки обладают более высоким пространственным разрешением. Они наиболее пригодны для топографических задач и для уточнения границ объектов, выделяемых на многозональных снимках меньшего пространственного разрешения.

Качество снимков, получаемых в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, их геометрические и фотометрические свойства зависят от технологии получения снимков и передачи их на Землю.

Фотографические снимки в этом диапазоне получают с пилотируемых кораблей, орбитальных станций или с автоматических спутников. Известные недостатки фотографического метода связаны с необходимостью возвращения пленки на Землю и ограниченным ее запасом на борту. Однако этот метод дает снимки наиболее высокого качества, с хорошими геометрическими и фотометрическими характеристиками. Разрешение фотографических снимков с околоземных орбит высотой 100—400 км может быть доведено до десятков сантиметров, но такие снимки не обладают большой обзорностью. Фотографические снимки, сделанные первыми советскими космонавтами с корабля «Восток», представлены в альбоме «Наша планета из космоса» (1964). На них различались береговые линии морей, реки, леса. Однако возможности их использования были весьма ограниченны. Затем в нашей стране фотографическая съемка производилась с космических кораблей серии «Союз», с орбитальных станций «Салют» и сменивших их в 1986 г. станций «Мир». Основной объем фотографической информации поступает в нашей стране со специальных автоматических спутников серии «Космос». Система этих спутников получила теперь наименование «Ресурс-Ф» (как фотографическая подсистема общегосударственной космической системы исследования природных ресурсов).

Телевизионная и сканерная съемка в этом диапазоне дает возможность систематического получения изображения всей поверхности Земли с искусственных спутников в течение длительного времени при быстрой передаче его на приемные станции. При выполнении съемки этим методом используются кадровые и сканирующие системы. В первом случае на борту спутника имеется миниатюрная телевизионная камера (видикон), в которой оптическое изображение, построенное объективом на экране при считывании электронным лучом, переводится в форму электросигналов и по радиоканалам передается на Землю. Во втором случае качающееся зеркало сканера на борту носителя улавливает отраженный от Земли световой поток, поступающий на фотоумножитель. Преобразованные сигналы сканера также по радиоканалам передаются на Землю, где на приемных станциях они принимаются и записываются в виде изображений. При этом каждый сигнал относится к определенной площадке — элементу изображения, — для которой передается интегральная яркость. Колебание зеркала реализует строки изображения, а благодаря движению носителя происходит накопление строк и формируется снимок, что обусловливает строчно-сетчатую поэлементную структуру изображения.

Телевизионные и сканерные снимки могут передаваться на Землю в реальном масштабе прохождения спутника над объектом съемки. Оперативность получения снимков составляет отличительную черту этого метода. Телевизионная и сканирующая аппаратура устанавливается на полярно-орбитальных спутниках Земли.

Важной особенностью сканерной съемки является поступление информации со спутника в цифровой форме, что облегчает ее обработку.

Получение многоэлементных ПЗС-снимков связано с применением электронных камер (иногда их называют электронными сканерами). В них используются многоэлементные линейные и матричные приемники излучения, состоящие из нескольких тысяч миниатюрных (размером 10—20 мкм) светочувствительных элементов-детекторов — так называемых приборов с зарядовой связью (ПЗС). Их малые размеры обеспечивают высокое разрешение подобных снимков. Линейный ряд детекторов (так называемая линейка ПЗС) реализует сразу целую строку снимка, а накопление строк обеспечивается за счет движения носителя аппаратуры. Эта аппаратура не имеет колеблющихся или вращающихся элементов конструкции, что вместе с высоким разрешением обусловливает лучшие геометрические свойства снимков.

Снимки этого типа впервые были получены в 1980 г. с помощью экспериментальной системы МСУ-Э на спутнике «Метеор-30». На спутнике «Ресурс-01» с 1988 г. аппаратура МСУ-Э дает снимки в трех спектральных зонах с разрешением 45 м при охвате 45 км; для расширения полосы охвата используются два сканера. Информация с этих спутников поступает в цифровой форме и предназначена для автоматизированной обработки.

Фототелевизионные снимки получают с помощью фотокамеры, обеспечивающей хорошее качество изображения. Передача экспонированного и проявленного на борту изображения на Землю идет по телевизионным каналам связи. Фототелевизионный метод съемки сыграл важную роль при съемке планет.

Применение фототелевизионных снимков относится к первым годам космических исследований, когда качество телевизионных изображений заставляло обращаться к фотографированию с борта космических носителей даже при невозможности доставки отснятой пленки на Землю, используя телевизионный метод для передачи снимков. Использование этих снимков было особенно важно при исследованиях Луны и Марса.

Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне. Тепловой инфракрасный диапазон охватывает длины волн от 3 до 1000 мкм, однако большая часть его лучей не пропускается атмосферой. Имеются только три окна прозрачности с длинами волн 3—5, 8—14 и 30—80 мкм, первые два из которых используются для съемки. Интенсивность излучения Солнца в этом диапазоне незначительна, но зато на волны длиной 10—12 мкм приходится максимум собственного теплового излучения Земли. Поскольку у различных объектов земной поверхности (суши, воды, по-разному увлажненных почв и т. п.) оно неодинаково, появляется возможность по данным регистрации этого излучения судить о характере излучающих объектов. Регистрирующие приборы, работающие в этом диапазоне (тепловые инфракрасные радиометры), дают сигналы разной силы для объектов с различной температурой. При построении по этим сигналам изображения — теплового инфракрасного снимка — получают зафиксированные температурные различия объектов съемки в пространстве. Обычно на таких снимках наиболее холодные объекты выглядят светлыми, теплые — темными со всей гаммой температурных переходов. Съемку можно вести ночью — на затененной стороне Земли, а также в условиях полярной ночи. Съемке мешает облачность, так как в этом случае регистрируются температуры не земной поверхности, а верхней кромки облаков.

Помимо прямого определения температурных режимов видимых объектов и явлений (как природных, так и искусственных) тепловые снимки позволяют косвенно выявлять то, что скрыто под землей — подземные реки, трубопроводы и т. п. Снимки позволяют отслеживать динамику лесных пожаров, нефтяные и газовые факелы, процессы подземной эрозии.

Дистанционное зондирование в тепловой инфракрасной области спектра — более сложная задача, чем в видимой и ближней инфракрасной областях. Это обусловлено тем, что в тепловой области измерения чувствительны к температуре, которая характеризуется следующими свойствами для соответствующих природных объектов:

  • — эти объекты могут запасать и через какое-то время высвобождать сохраненное тепло, т. е. фактическая температура определяется не только текущими условиями измерений, но и предысторией нагревания того или иного объекта;
  • — на земной поверхности тепловая энергия зависит не только от солнечной радиации, но и от турбулентного теплообмена поверхности и испарения влаги.

Тем самым при определении температуры земной поверхности по данным дистанционного зондирования с точки зрения идентификации тепловых свойств объектов исследования необходимо учитывать обмен и изменения энергетических потоков и эволюцию температуры поверхности во времени. Обычно поверхность суши и океаны поглощают солнечную энергию в дневное время суток и переизлучают часть запасенной энергии в тепловой области спектра в ночное время. Вместе с тем атмосфера имеет собственное тепловое излучение, что определяет сложный характер баланса радиационных и тепловых потоков. В ночное время суток эта «усложненная» тепловая энергия переизлучается до следующего цикла солнечного нагревания неодинаково для разных горных пород, почвенно-растительного покрова и водных поверхностей вследствие их разной теплоинерционной способности.

Снимки в радиодиапазоне. Для дистанционного изучения Земли используется ультракоротковолновый диапазон радиоволн с длинами 1 мм—10 м, точнее его наиболее коротковолновая часть (1 мм—1 м), называемая сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазоном (в зарубежной литературе его называют микроволновым). Он в значительной мере свободен от влияния атмосферы: окно прозрачности охватывает длины волн от 1 см до 10 м. При съемке в ультракоротковолновом диапазоне фиксируется либо собственное излучение Земли этого диапазона (пассивная радиометрия), либо отраженное искусственное излучение (активная радиолокация).

При пассивной съемке получают микроволновые радиометрические снимки. С помощью микроволновых радиометров регистрируется микроволновое излучение различных объектов — так называемые радиояркостные температуры. Такая съемка называется радиотепловой или микроволновой радиометрической. По сигналам излучения строится пространственное изображение — микроволновый радиометрический снимок, на котором по-разному изображаются объекты, обладающие неодинаковыми излучательными свойствами. Излучательные характеристики различных природных и искусственных объектов в этом диапазоне неодинаковы. Так, излучение металлов минимально, практически равно 0; излучение растительности и сухой почвы определяется коэффициентом 0,9, а воды — 0,3. Это позволяет разделять на снимках объекты с различными излучательными свойствами, в частности разные по влажности почвы, воды с разной степенью солености, объекты с разной кристаллической структурой, промерзание грунтов. На таких снимках по-разному выглядят морские льды различного возраста — однолетние и многолетние, — которые могут не различаться на обычных снимках в оптическом диапазоне.

При активной радиолокационной съемке получают собственно радиолокационные снимки. На носителе устанавливается активный источник радиоизлучения с антенной, действующий по принципу просмотра местности поперек линии маршрута. Посылаемый к Земле узконаправленный сигнал по-разному отражается поверхностью и улавливается регистрирующей аппаратурой. Из таких построчных сигналов формируются радиолокационные снимки, на которых отображаются шероховатость поверхности, ее микрорельеф, особенности структуры и состав пород.

При размерах неровностей поверхности меньше полудлины волны поверхность объекта для радиоволн как бы гладкая (зеркалит) и изображается на радиолокационных снимках наиболее темным тоном (песчаные пляжи, солончаки, такыры, гладкая водная поверхность). При размере неровностей больше полудлины волны происходит рассеивание и диффузное отражение энергии, зависящее от величины неровностей, их формы, ориентировки по отношению к радиолучу. Они изображаются серым тоном разной плотности. Растительность увеличивает поглощение радиоволн, ее изображают светлым тоном. Такое радиолокационное поверхностное зондирование ведут, используя волны сантиметрового диапазона. Генерируя излучение различных длин волн, можно получать информацию об объектах на некоторой глубине. Радиолокаторы подповерхностного зондирования работают в дециметровом и метровом диапазоне (1—30 м). Они обнаруживают подповерхностные неоднородности грунтов, позволяя определять глубину их залегания и мощность. Например, в диапазоне 0,5—1 м фиксируются пресные грунтовые воды в песках на глубине до 20 м.

Радиолокационные снимки могут применяться для изучения волнения и приповерхностных ветров, исследования поверхностных и подповерхностных структур, поисков линз подземных вод, изучения растительности, картографирования использования земель, изучения городов и решения других задач.

Пассивная и активная съемка в радиодиапазоне отличается от остальных видов съемки своей всепогодностью, обусловленной абсолютной прозрачностью атмосферы для волн этого диапазона спектра. Она может производиться ночью, при сплошной облачности, тумане, дожде. Именно поэтому важно применение данного диапазона для космических съемок, в особенности для оперативных целей.

Тема 13

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >