Дистанционная съемка местности

Оглавление

 

Введение          3

1. Общая характеристика дистанционных 

методов исследования       4

2. Съемочная аппаратура дистанционного 

зондирования Земли                        10

3. Специфика аэрокосмических исследований 

местности                  12

4. Технологии получения и основные  типы 

          аэрокосмических снимков             17

5. Преимущества и недостатки спутниковых

систем                   19

Заключение                 21

Список  литературы               22

Приложение                 23

 

Введение

 

На сегодняшний день сложно себе представить, что полвека назад  люди могли обходиться без использования аэрокосмической техники. Аэрокосмические технологии нашли свое применение во многих науках, в первую очередь географических дисциплинах.

Первый снимок земной поверхности с высоты 120 км был получен в результате запуска ракеты немецкого производства с установленным на ней фотоаппаратом в 1945 году. До конца 50-х годов космическая съемка поверхности Земли осуществлялась с высоты до 200 км. Началом нового этапа развития аэрокосмической техники можно считать запуск американского метеорологического спутника 1 апреля 1960 года.

''Космологизация наук  о Земле, происходящая в последнее  время, и становление космического  землеведения обязаны прежде  всего новой информации о нашей планете, которую стали получать благодаря космическим съемкам''.

Аэрокосмические методы исследования приобрели большую  популярность, благодаря тому, что отражают динамическую картину исследуемого объекта.

''Современный этап  развития науки, когда осознаны ограниченность земных ресурсов и опасность чрезмерных антропогенных изменений окружающей среды, должен стать этапом усиленного внимания к системному изучению географических явлений, их взаимосвязи и взаимодействия в динамике''.

 

1. Общая характеристика дистанционных методов исследования

Основой для решения  тех или иных экологических задач  глобального, регионального и даже локального плана могут служить дистанционные (аэрокосмические) съемки, с помощью которых с той или иной детальностью картируются суша и акватории Земли для военных и гражданских целей. Поскольку данные этих съемок можно приобрести, например, в организациях "Природа", их применение для экологических целей становится не только необходимым, но и возможным.

Под дистанционными аэрокосмическими методами понимается комплекс исследований физических полей Земли, выполняемых при помощи приборов, находящихся на космических и воздушных носителях. С их помощью можно получать информацию о строении земной поверхности, верхней части литосферы, о природных и техногенных объектах и процессах, проводить повторные наблюдения для организации мониторинга.

В большинстве дистанционных  методов автоматически регистрируются параметры собственного или отраженного электромагнитного излучения природных ландшафтов и искусственных (техногенных) объектов¹ ().

В зависимости от используемых полей, а также длины электромагнитных волн λ выделяются следующие виды дистанционных съемок: космофотосъемка (КФС) и аэрофотосъемка (АФС); телевизионная (ТС), инфракрасная (ИК) и радиотепловая (РТ), радиолокационная (РЛ), многоспектральная (МС), ультрафиолетовая (УФ), лазерная (лидарная) (ЛС).

К дистанционным относятся  также аэромагнитные и аэрорадиометри-ческие съемки².

Важнейшей особенностью дистанционных съемок является возможность различной степени генерализации объектов и изменения обзорности (ширины полосы исследований), которые зависят от высоты орбиты космического носителя (от 180 до 1000 км) или от высоты полета воздушного носителя (0,5 - 10 км), а также от типа аппаратуры, ее разрешающей способности, масштаба съемки. Во многих видах съемок уровень генерализации и разрешающая способность исследований взаимно обратны: чем больше генерализация, тем меньше разрешение на местности.

Таким образом, при интерпретации данных дистанционных съемок имеется возможность направленно генерализовать изучаемую эколого-геологическую ситуацию, выделять региональные или даже локальные объекты, видеть их пространственное соотношение, трудно фиксируемое обычными наземными съемками.

При дистанционных исследованиях  удается реализовать "эффект прозрачности": как бы заглянуть внутрь литосферного пространства, получив структурные планы объектов, фрагменты которых только частично выделяются наземными съемками.

Основные виды в характеристики дистанционных аэрокосмических методов

Метод съемки	Физические основы метода		Используемые длины воли λ	Чувствительный элемент	Форма получаемых материалов	Глубина получения информации	Условия применения в зависимости от метеорологической обстановки
1	2		3	4	5	6	7
Фотографическая (ФС)	Регистрация отраженного  излучения Солнца от поверхности  Земли		350 - 1000 нм	Различные типы светочувствительных пленок	Фотоснимки	Поверхность Земли	Дневное время, отсутствие облачности
Телевизионная (ТС)	То же		320 - 740 нм	Специальные сканирующие приемники	Телевизионное изображение	То же	То же
Инфракрасная (ИК)	Регистрация теплового  электромагнитного излучения объектов земной поверхности		1,5 - 14 мкм	Тепловизоры (система объективов, фотоэлементов и электронных схем)	Тепловое изображение	До нескольких сантиметров	Дневное и ночное время, почти при любых метеоусловиях
Радиотепловая (РТ)	То же		0,3 - 10 см	Узконаправленная антенна	Тепловое излучение, регистограммы	До 10 - 20 см	То же
Многоспектральная (МС)		Регистрация отраженного электромагнитного излучения от Солнца и от собственного теплового излучения Земли	0,41 - 12,5 мкм	Фильтр с фотоэлектронным умножителем	Регистограммы электромагнитных волн	До нескольких сантиметров	То же
Радиолокационная (РЛ)		Регистрация отраженного электромагнитного излучения от источника, установленного на борту носителя	1 - 100 см	Радиолокационная антенна	Радиоэхограммы отраженных сигналов, радиолокационное изображение местности	До 10 - 20 см	То же
Съемка, основанная на изучении электромагнитных полей длинноволновых радиостанций		Регистрация компонентов  электромагнитного поля	0,1 - 100 кГц	Индукционные катушки, антенны	Регистограммы измеряемых компонентов электромагнитного поля	Десятки метров	То же

 

Фотосъемки АФС, КФС (λ = 0,35 - 1,0 мкм) и многоспектральные съемки МС (λ = 0,41 - 12,5 мкм) в одном или нескольких диапазонах спектра расширяют возможности проведения дистанционных исследований, делают их более надежными и позволяют выявлять закономерности строения ландшафтов земной поверхности, которые ускользают из поля зрения исследователя при использовании только наземных методов.

Одним из главных достоинств космо- и аэрофотоснимков является их документальность, т.е. точное и объективное отображение естественных и искусственных объектов на земной поверхности. Физической основой фотосъемок является изучение отраженного электромагнитного излучения. Информация о строении ландшафтов и земной поверхности зависит от отражающей способности (альбедо), характера поглощения и рассеяния электромагнитного излучения, вида природных и техногенных объектов, растительности, типов горных пород, их электромагнитных и тепловых свойств. Для оценки указанных характеристик используются фотоматериалы с различной чувствительностью и фотофильтры, позволяющие проводить съемку в различных диапазонах светового спектра частот. Аэрокосмические фотосъемки имеют самую высокую разрешающую способность на местности: снимок КФС миллионного масштаба имеет разрешение от 30 до 2 м. При обработке подобные снимки можно увеличить в 10 и более раз. Разрешение меняется в зависимости от оптических свойств объектива, технических характеристик фотопленки, масштаба съемки, яркости освещения ландшафта, отражающих характеристик местности и объектов.

Многоспектральное фотографирование на разных длинах электромагнитных волн открывает дополнительные возможности при так называемых отраслевых исследованиях, т. е. использовании аэрокосмоснимков для целей топографического, геоботанического, геологического, гидрогеологического, эколого-геологического и других видов картирования.

Фотоизображения отличаются друг от друга по сумме признаков. К прямым дешифровочным признакам относятся размер, форма, структура (преобладающий характер рисунка), цвет, фототон (цветовая насыщенность) изображения. На них не оказывает существенного влияния степень освещенности земной поверхности солнцем. Внутри контуров отдельных объектов особенности строения рельефа определяются микрорисунком (текстурой) изображения, который также является устойчивым дешифровочным признаком и не зависит от времени проведения съемки.

Все перечисленные, а  также дополнительные интерпретационные  признаки (форма, размеры и взаимное расположение объектов) позволяют изучать как структурные особенности местности, так и современные физико-геологические явления и процессы, в том числе и техногенные, вызванные хозяйственной деятельностью человека.

Телевизионная съемка (ТС) (λ = 0,32 - 0,75 мкм) служит для изучения солнечного электромагнитного излучения, отраженного от земных ландшафтов. Она выполняется с помощью специального приемника с электронным сканированием телевизионного изображения местности. Получаемый растровый снимок большой обзорности или цифровую информацию можно визуализировать на экране дисплея. ТС имеет более низкое разрешение на местности, чем КФС или АФС, обычно не превышающее (при миллионном масштабе) 200 - 80 м. По сравнению с КФС телевизионная съемка обладает более высокой обзорностью и большей генерализацией объектов. Поэтому ТС используется как фоновая основа для выявления крупных региональных структур или объектов, определение которых затруднено по данным КФС.

Система дистанционного мониторинга и ее устройство

Системы получения и распространения  данных оперативного мониторинга основываются на:

• Носитель съемочной аппаратуры;
• Собственно аппарат дистанционного зондирования;
• Бортовые средства передачи данных на Землю по радиолокатору;
• Наземный компонент приема информации.

Носители  съемочной аппаратуры

Для дистанционного зондирования Земли используют два основных типа спутников:

• геостационарные;
• полярноорбитальные;

Если первые искусственные  спутники Земли постоянно обеспечивают обзор одной и той же территории Земли, сохраняя неизменное положение  относительно определенной точки на экваторе, то вторые, находясь на орбите, плоскость которой примерно перпендикулярна плоскости вращения Земли, через определенный период времени, продолжительность которого зависит о ширины полосы обзора искусственного спутника Земли (ИСЗ), оказывается над заданным районом наблюдения, таким образом, зона обзора со спутника на геостационарной орбите ограничивается широтным районом 50^оС.Ш. – 50^оЮ.Ш.

Полярноорбитальная система наблюдения сталкивается с иной трудностью; спутник может оказаться над одним и тем же объектом съемки в различные периоды времени. При этом сопоставление данных, полученных при различных условиях освещенности, оказывается весьма затруднительным, поэтому такие спутники выводят на «солнечносинхронизированные орбиты».

 

2. Съемочная аппаратура дистанционного зондирования Земли

 

Съемочная аппаратура, устанавливаемая  на спутнике, может работать в четырех  основных диапазонах: УФ, видимое излучение, ИК, микроволновое – только в  этих областях спектра земная атмосфера  прозрачна для электромагнитных волн. В видимом диапазоне датчики (фотоэлементы, матрицы приборов с зарядовой связью) регистрируют отраженное от земных покровов и прошедшее через атмосферу солнечное излучение; в ИК диапазоне превалирует собственное тепловое излучение поверхности Земли; в микроволновом диапазоне используют собственное излучение планеты, либо отраженные сигналы искусственного источника облучения, установленного на борту ИСЗ.

Возможности аппаратуры дистанционного мониторинга (ДЗ) в различных спектральных диапазонах различны: оптические дают наиболее качественные, привычные для наблюдателя, цветные изображения с высоким пространственным разрешением, синтезированные из нескольких монохроматических снимков; ИК съемку можно проводить в темное время суток, наблюдая температурные аномалии поверхности; а для специфических случаев зондирование в микроволновом диапазоне не является помехой даже облачный покров.

Важнейшими характеристиками формирования изображения пространственные (r) и радиометрические (яркостные, температурные) ( I) разрешающие способности радиоаппаратуры. Пространственное разрешение зависит от длины волны принимаемого излучения, диаметр объектива D и высоты орбиты H:

Радиометрические разрешающие  способности определяются прежде всего  шириной динамического диапазона  используемого датчика, т. е. количеством уровней дискретизации, соответствующим переходу от яркости абсолютно «черного» к абсолютно «белому» телу. Таким образом, существует компромисс между разрешающей способностью аппаратуры и оперативностью получения информации о состоянии наблюдаемого объекта или участка местности.

Снимки содержат данные, получаемые от датчиков и съёмочных систем, размещённых на платформах Д.З. – спутниках, самолётах или вертолётах, т.е. различают космические снимки и аэроснимки.

 

3. Специфика аэрокосмических исследований  местности

Временные изменения отражательной способности объектов

 

Динамика географических объектов может проявляться по-разному  и характеризуется различными показателями. При аэрокосмических исследованиях изучают только те изменения, которые проявляются в вариационных отражателях – излучаемые способности объектов регистрируются повторными съёмками. Поэтому результаты исследований динамики спектральной яркости объектов представляют несомненный интерес для динамического аэрокосмического зондирования.

Горные породы и почвы

Отражательная особенность объектов этого класса относительно нестабильна. Спектральная яркость горных пород определяется как оптическими свойствами входящих в их состав минералов и химических элементов, так и свойствами поверхностных выцветов, налётов и корок, спектры отражения которых, могут существенно отличаться от аналогичных характеристик исходной породы (при химическом выветривании пород кривые спектральные яркости получают отчётливый максимум в оранжево-красной зоне).