Спутники дистанционного зондирования земли. Метод дистанционного зондирования Земли: характеристики и достоинства Технические средства дистанционного зондирования

Технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса — незаменимый инструмент изучения и постоянного мониторинга нашей планеты, помогающий эффективно использовать и управлять ее ресурсами. Современные технологии ДЗЗ находят применение практически во всех сферах нашей жизни.

Сегодня разработанные предприятиями Роскосмоса технологии и методики использования данных ДЗЗ позволяют предложить уникальные решения для обеспечения безопасности, повышения эффективности разведки и добычи природных ресурсов, внедрения новейших практик в сельское хозяйство, предупреждения чрезвычайных ситуаций и устранении их последствий, охраны окружающей среды и контроля над изменением климата.

Изображения, передаваемые спутниками дистанционного зондирования Земли, находят применение во многих отраслях — сельском хозяйстве, геологических и гидрологических исследованиях, лесоводстве, охране окружающей среды, планировке территорий, образовательных, разведывательных и военных целях. Космические системы ДЗЗ позволяют за короткое время получить необходимые данные с больших площадей (в том числе труднодоступных и опасных участков).

В 2013 году Роскосмос присоединился к деятельности Международной Хартии по космосу и крупным катастрофам. Для обеспечения его участия в деятельности Международной Хартии был создан специализированный Центр Роскосмоса по взаимодействию с Хартией и МЧС России.

Головной организацией Госкорпорации «Роскосмос» по организации приема, обработки и распространения информации дистанционного зондирования Земли является Научный центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) холдинга «Российские космические системы» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»). НЦ ОМЗ выполняет функции наземного комплекса планирования, приема, обработки и распространения космической информации с российских космических аппаратов ДЗЗ.

Сферы применения данных дистанционного зондирования Земли

• Обновление топографических карт
• Обновление навигационных, дорожных и других специальных карт
• Прогноз и контроль развития наводнений, оценка ущерба
• Мониторинг сельского хозяйства
• Контроль гидротехнических сооружений на каскадах водохранилищ
• Реальное местонахождение морских судов
• Отслеживание динамики и состояния рубок леса
• Природоохранный мониторинг
• Оценка ущерба от лесных пожаров
• Соблюдение лицензионных соглашений при освоении месторождений полезных ископаемых
• Мониторинг разливов нефти и движения нефтяного пятна
• Наблюдение за ледовой обстановкой
• Контроль несанкционированного строительства
• Прогнозы погоды и мониторинг опасных природных явлений
• Мониторинг чрезвычайных ситуаций, связанных с природными и техногенными воздействиями
• Планирование аварийно-спасательных работ в районах стихийных бедствий и антропогенных катастроф
• Мониторинг экосистем и антропогенных объектов (расширение городов, промзон, транспортных магистралей, пересыхающих водоемов и т.п.)
• Мониторинг строительства объектов дорожно-транспортной инфраструктуры

Нормативные документы, определяющие порядок получения и использования геопространственной информации

• «Концепция развития российской космической системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025 года »
• Постановление Правительства РФ № 370 от 10 июня 2005 г. с изменениями от 28.02.2015 № 182 «Об утверждении Положения о планировании космических съемок, приеме, обработке и распространении данных дистанционного зондирования Земли высокого линейного разрешения на местности с космических аппаратов типа «Ресурс-ДК »
• Постановление Правительства РФ № 326 от 28 мая 2007 г. «О порядке получения, использования и предоставления геопространственной информации »
• Поручение Президента РФ № Пр-619ГС от 13 апреля 2007 г. и поручение Правительства РФ № СИ-ИП-1951 от 24 апреля 2007г. «О разработке и реализации комплекса мер по формированию в РФ системы федеральных, региональных и иных операторов услуг, оказываемых с использованием данных ДЗЗ из космоса »
• План реализации этих поручений, утвержденный Руководителем Роскосмоса 11 мая 2007 г. «О реализации комплекса мер по формированию в РФ системы федеральных, региональных и иных операторов услуг, оказываемых с использованием данных ДЗЗ из космоса »
• Государственная программа Российской Федерации «Космическая деятельность России на 2013 — 2020 годы » утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2014 г. № 306
• Основы государственной политики Российской Федерации в области космической деятельности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу, утвержденных Президентом Российской Федерации от 19 апреля 2013 г. № Пр-906
• Федеральный закон от 27 июля 2006 г. N 149-ФЗ «Об информации, информационных технологиях и о защите информации » с изменениями и дополнениями от: 27 июля 2010 г., 6 апреля, 21 июля 2011 г., 28 июля 2012 г., 5 апреля, 7 июня, 2 июля, 28 декабря 2013 г., 5 мая 2014 г.

Федеральным, региональным и местным органам исполнительной власти для обеспечения государственных нужд материалы космической съёмки первого уровня стандартной обработки (космические изображения, прошедшие радиометрическую и геометрическую коррекцию) предоставляются на безвозмездной основе. В случае необходимости получения указанными органами материалов космической съемки высших уровней стандартной обработки, за услуги по их изготовлению взимается плата в соответствии с утверждённым прейскурантом цен.

Эффективную работу современных ГИС трудно представить без спутниковых методов исследования территорий нашей планеты. Дистанционное спутниковое зондирование нашло широко применение в геоинформационных технологиях как в связи с быстрым развитием и совершенствованием космической техники, так и со свертыванием авиационных и наземных методов мониторинга.

Дистанционное зондирование (ДЗ) – научное направление, основанное на сборе информации о поверхности Земли без фактического контактирования с ней.

Процесс получения данных о поверхности включает в себя зондирование и запись информации об отраженной или испускаемой объектами энергии с целью последующей обработки, анализа и практического использования. Процесс ДЗ представлен на и состоит из следующих элементов:

Рис. . Этапы ДЗ.

Наличие источника энергии или освещения (A) – это первое требование дистанционного зондирования, т.е. должен иметься источник энергии, который освещает либо подпитывает энергией электромагнитного поля объекты, представляющие интерес для исследования.

Излучение и атмосфера (B) – излучение, распространяющееся от источника до объекта, часть пути проходит сквозь атмосферу Земли. Это взаимодействие необходимо учитывать, так как характеристики атмосферы оказывают влияние на параметры энергетических излучений.

Взаимодействие с объектом исследования (C) – характер взаимодействия падающего на объект излучения сильно зависит от параметров, как объекта, так и излучения.

Регистрация энергии сенсором (D) – излучение, испускаемая объектом исследования, попадает на удаленный высокочувствительный сенсор, и затем полученная информация записывается на носитель.

Передача, прием и обработка информации (E) – информация, собранная чувствительным сенсором передается в цифровом виде на принимающую станцию, где данные трансформируются в изображение.

Интерпретация и анализ (F) – обработанное изображение интерпретируется визуально либо с помощью ЭВМ, после чего из него извлекается информация относительно исследуемого объекта.

Применение полученной информации (G) – процесс дистанционного зондирования достигает завершения, когда мы получаем нужную информацию относительно объекта наблюдения для лучшего понимания его характеристик и поведения, т.е. когда решена какая-то практическая задача.

Выделяют следующие области применения спутникового дистанционного зондирования (СДЗ):

Получение информации о состоянии окружающей среды и землепользовании; оценка урожая сельхоз угодий;

Изучение флоры и фауны;

Оценка последствий стихийных бедствий (землетрясения, наводнения, пожары, эпидемии, извержения вулканов);

Оценка ущерба при загрязнении суши и водоемов;

Океанология.

Средства СДЗ позволяют получать сведения о состоянии атмосферы не только в локальном, но и в глобальном масштабе. Данные зондирования поступают в виде изображений, как правило, в цифровой форме. Дальнейшая обработка осуществляется компьютером. Поэтому проблематика СДЗ тесно связана с задачами цифровой обработки изображений.

Для наблюдения нашей планеты из космоса используют дистанционные методы, при которых исследователь имеет возможность на расстоянии получать информацию об изучаемом объекте. Дистанционные методы зондирования, как правило, являются косвенными, то есть с их помощью измеряют не интересующие наблюдателя параметры, а некоторые связанные с ними величины. Например, нам необходимо оценить состояние лесных массивов Уссурийской тайги. Аппаратура спутника, задействованная в мониторинге, будет регистрировать лишь интенсивность светового потока от изучаемых объектов в нескольких участках оптического диапазона. Чтобы расшифровать такие данные, требуются предварительные исследования, включающие в себя различные эксперименты по изучению состояния отдельных деревьев контактными методами. Затем необходимо определить, как выглядят те же объекты с самолета, и лишь после этого судить о состоянии лесов по спутниковым данным.

Методы изучения Земли из космоса не случайно относят к высокотехнологичным. Это связано не только с использованием ракетной техники, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, скоростных информационных сетей, но и с новым подходом к получению и интерпретации результатов измерений. Спутниковые исследования проводятся на небольшой площади, но они дают возможность обобщать данные на огромные пространства и даже на весь земной шар. Спутниковые методы, как правило, позволяют получать результат за сравнительно короткий интервал времени. К примеру, для бескрайней Сибири спутниковые методы наиболее приемлемы.

К числу особенностей дистанционных методов относится влияние среды (атмосферы), через которую проходит сигнал со спутника. Например, наличие облачности, закрывающей объекты, делает их невидимыми в оптическом диапазоне. Но даже и при отсутствии облачности атмосфера ослабляет излучение от объектов. Поэтому спутниковым системам приходится работать в так называемых окнах прозрачности, учитывая, что в них имеет место поглощение и рассеяние газами и аэрозолем. В радиодиапазоне возможно наблюдение Земли и сквозь облачность.

Информация о Земле и её объектах поступает со спутников в цифровом виде. Наземная цифровая обработка изображений проводится при помощи компьютеров. Современные спутниковые методы позволяют не только получать изображение Земли. Используя чувствительные приборы, удается измерять концентрацию атмосферных газов, в том числе вызывающих парниковый эффект. Спутник “Метеор-3” с установленным на нем прибором TOMS позволял за сутки оценить состояние всего озонового слоя Земли. Спутник NOAA кроме получения изображений поверхности дает возможность исследовать озоновый слой и изучать вертикальные профили параметров атмосферы (давление, температуру, влажность).

Дистанционные методы делятся на активные и пассивные. При использовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика), регистрирует его отражение, рис.3.4а. Пассивные методы подразумевают регистрацию отраженной от поверхности объектов солнечной энергии либо теплового излучения Земли.

Рис. . Активный (а) и пассивный (б) методы ДЗ.

При дистанционном зондировании Земли из космоса используются оптический диапазон электромагнитных волн и микроволновый участок радиодиапазона. Оптический диапазон включает в себя ультрафиолетовый (УФ) участок спектра; видимый участок – синюю (B), зеленую (G) и красную (R) полосы; инфракрасный участок (ИК) – ближний (БИК), средний и тепловой.

При пассивных методах зондирования в оптическом диапазоне источниками электромагнитной энергии являются разогретые до достаточно высокой температуры твердые, жидкие, газообразные тела.

На волнах длиной более 4 мкм собственное тепловое излучение Земли превосходит излучение Солнца. Регистрируя интенсивность теплового излучения Земли из космоса, можно достаточно точно оценить температуру суши и водной поверхности, которая является важнейшей экологической характеристикой. Измерив температуру верхней границы облачности, можно определить её высоту, если учесть, что в тропосфере с высотой температура уменьшается в среднем на 6.5 o /км. При регистрации теплового излучения со спутников используется интервал длин волн 10-14 мкм, в котором поглощение в атмосфере невелико. При температуре земной поверхности (облаков), равной –50o , максимум излучения приходится на 12 мкм, при +50o – на 9 мкм.

Эффективную работу современных ГИС трудно представить без спутниковых методов исследования территорий нашей планеты. Дистанционное спутниковое зондирование нашло широко применение в геоинформационных технологиях как в связи с быстрым развитием и совершенствованием космической техники, так и со свертыванием авиационных и наземных методов мониторинга.

Дистанционное зондирование (ДЗ) – научное направление, основанное на сборе информации о поверхности Земли без фактического контактирования с ней.

Процесс получения данных о поверхности включает в себя зондирование и запись информации об отраженной или испускаемой объектами энергии с целью последующей обработки, анализа и практического использования. Процесс ДЗ представлен на и состоит из следующих элементов:

Рис. . Этапы ДЗ.

Наличие источника энергии или освещения (A) - ϶ᴛᴏ первое требование дистанционного зондирования, ᴛ.ᴇ. должен иметься источник энергии, который освещает либо подпитывает энергией электромагнитного поля объекты, представляющие интерес для исследования.

Излучение и атмосфера (B) – излучение, распространяющееся от источника до объекта͵ часть пути проходит сквозь атмосферу Земли. Это взаимодействие крайне важно учитывать, так как характеристики атмосферы оказывают влияние на параметры энергетических излучений.

Взаимодействие с объектом исследования (C) – характер взаимодействия падающего на объект излучения сильно зависит от параметров, как объекта͵ так и излучения.

Регистрация энергии сенсором (D) – излучение, испускаемая объектом исследования, попадает на удаленный высокочувствительный сенсор, и затем полученная информация записывается на носитель.

Передача, прием и обработка информации (E) – информация, собранная чувствительным сенсором передается в цифровом виде на принимающую станцию, где данные трансформируются в изображение.

Интерпретация и анализ (F) – обработанное изображение интерпретируется визуально либо с помощью ЭВМ, после чего из него извлекается информация относительно исследуемого объекта.

Применение полученной информации (G) – процесс дистанционного зондирования достигает завершения, когда мы получаем нужную информацию относительно объекта наблюдения для лучшего понимания его характеристик и поведения, ᴛ.ᴇ. когда решена какая-то практическая задача.

Выделяют следующие области применения спутникового дистанционного зондирования (СДЗ):

Получение информации о состоянии окружающей среды и землепользовании;
‣‣‣ оценка урожая сельхоз угодий;

Изучение флоры и фауны;

Оценка последствий стихийных бедствий (землетрясения, наводнения, пожары, эпидемии, извержения вулканов);

Оценка ущерба при загрязнении суши и водоемов;

Океанология.

Средства СДЗ позволяют получать сведения о состоянии атмосферы не только в локальном, но и в глобальном масштабе. Данные зондирования поступают в виде изображений, как правило, в цифровой форме. Дальнейшая обработка осуществляется компьютером. По этой причине проблематика СДЗ тесно связана с задачами цифровой обработки изображений.

Стоит сказать, что для наблюдения нашей планеты из космоса используют дистанционные методы, при которых исследователь имеет возможность на расстоянии получать информацию об изучаемом объекте. Дистанционные методы зондирования, как правило, являются косвенными, то есть с их помощью измеряют не интересующие наблюдателя параметры, а некоторые связанные с ними величины. К примеру, нам крайне важно оценить состояние лесных массивов Уссурийской тайги. Аппаратура спутника, задействованная в мониторинге, будет регистрировать лишь интенсивность светового потока от изучаемых объектов в нескольких участках оптического диапазона. Чтобы расшифровать такие данные, требуются предварительные исследования, включающие в себя различные эксперименты по изучению состояния отдельных деревьев контактными методами. Далее крайне важно определить, как выглядят те же объекты с самолета͵ и лишь после этого судить о состоянии лесов по спутниковым данным.

Методы изучения Земли из космоса не случайно относят к высокотехнологичным. Это связано не только с использованием ракетной техники, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, скоростных информационных сетей, но и с новым подходом к получению и интерпретации результатов измерений. Спутниковые исследования проводятся на небольшой площади, но они дают возможность обобщать данные на огромные пространства и даже на весь земной шар.
Размещено на реф.рф
Спутниковые методы, как правило, позволяют получать результат за сравнительно короткий интервал времени. К примеру, для бескрайней Сибири спутниковые методы наиболее приемлемы.

К числу особенностей дистанционных методов относится влияние среды (атмосферы), через которую проходит сигнал со спутника. К примеру, наличие облачности, закрывающей объекты, делает их невидимыми в оптическом диапазоне. Но даже и при отсутствии облачности атмосфера ослабляет излучение от объектов. По этой причине спутниковым системам приходится работать в так называемых окнах прозрачности, учитывая, что в них имеет место поглощение и рассеяние газами и аэрозолем. В радиодиапазоне возможно наблюдение Земли и сквозь облачность.

Информация о Земле и её объектах поступает со спутников в цифровом виде. Наземная цифровая обработка изображений проводится при помощи компьютеров. Современные спутниковые методы позволяют не только получать изображение Земли. Используя чувствительные приборы, удается измерять концентрацию атмосферных газов, в т.ч. вызывающих парниковый эффект. Спутник “Метеор-3” с установленным на нем прибором TOMS позволял за сутки оценить состояние всœего озонового слоя Земли. Спутник NOAA кроме получения изображений поверхности дает возможность исследовать озоновый слой и изучать вертикальные профили параметров атмосферы (давление, температуру, влажность).

Дистанционные методы делятся на активные и пассивные. При использовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика), регистрирует его отражение, рис.3.4а. Пассивные методы подразумевают регистрацию отраженной от поверхности объектов солнечной энергии либо теплового излучения Земли.

Рис. . Активный (а) и пассивный (б) методы ДЗ.

При дистанционном зондировании Земли из космоса используются оптический диапазон электромагнитных волн и микроволновый участок радиодиапазона. Оптический диапазон включает в себя ультрафиолетовый (УФ) участок спектра; видимый участок – синюю (B), зелœеную (G) и красную (R) полосы; инфракрасный участок (ИК) – ближний (БИК), средний и тепловой.

При пассивных методах зондирования в оптическом диапазоне источниками электромагнитной энергии являются разогретые до достаточно высокой температуры твердые, жидкие, газообразные тела.

На волнах длиной более 4 мкм собственное тепловое излучение Земли превосходит излучение Солнца. Регистрируя интенсивность теплового излучения Земли из космоса, можно достаточно точно оценить температуру суши и водной поверхности, которая является важнейшей экологической характеристикой. Измерив температуру верхней границы облачности, можно определить её высоту, в случае если учесть, что в тропосфере с высотой температура уменьшается в среднем на 6.5 o /км. При регистрации теплового излучения со спутников используется интервал длин волн 10-14 мкм, в котором поглощение в атмосфере невелико. При температуре земной поверхности (облаков), равной –50o , максимум излучения приходится на 12 мкм, при +50o – на 9 мкм.

Получение и обработка данных для ГИС - наиболее важный и трудоемкий этап создания подобных информационных систем. В настоящее время самым перспективным и экономически целесообразным считается метод получения данных об объектах на основе данных дистанцион­ного зондирования Земли (ДЗЗ) и GPS-измерений.

В широком смысле дистанционное зондирование - это получение любыми неконтактными методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах. Традиционно к данным дистанционного зондирования относят только те методы, которые позволяют получить из космоса или с воздуха изображение земной поверхности в каких-либо участках электромаг­нитного спектра.

Существует несколько видов съемки, использующих специфические свойства излучений с различными длинами волн. При проведении географического анализа, помимо собственно ДЗЗ, обязательно используются пространственные данных из других источников - цифровые топо­графические и тематические карты, схемы инфраструктуры, внешние базы данных. Снимки поз­воляют не только выявлять различные явления и объекты, но и оценивать их количественно.

Достоинства метода дистанционного зондирования Земли заключается в следующем:

Актуальность данных на момент съемки (большинство картографических материалов безнадежно устарели);

Высокая оперативность получения данных;

Высокая точность обработки данных за счет применения GPS технологий;

Высокая информативность (применение спектрозональной, инфракрасной и радарной съемки позволяет увидеть детали, не различимые на обычных снимках);

Экономическая целесообразность (затраты на получение информации посредством ДЗЗ существенно ниже наземных полевых работ);

Возможность получение трехмерной модели местности (матрицы рельефа) за счет ис­пользования стереорежима или лидарных методов зондирования и, как следствие, воз­можность проводить трехмерное моделирование участка земной поверхности (системы виртуальной реальности).

Дистанционные методы характеризуются тем, что регистрирующий прибор значительно удален от исследуемого объекта. При таких исследованиях явлений и процессов на земной по­верхности расстояния до объектов могут измеряться от единиц до тысяч километров. Это обстоя­тельство обеспечивает необходимый обзор поверхности и позволяет получать максимально генерализованные изображения.

Существуют различные классификации ДЗЗ. Отметим наиболее важные с точки зрения практического сбора данных в нефтегазовой отрасли.

Регистрироваться может собственное излучение объектов и отраженное излучение дру­гих источников. Этими источниками могут быть Солнце или сама съемочная аппаратура. В по­следнем случае используется когерентное излучение (радары, сонары и лазеры), что позволяет регистрировать не только интенсивность излучения, но также и его поляризацию, фазу и допле- ровское смещение, что дает дополнительную информацию. Понятно, что работа самоизлучающих (активных) сенсоров не зависит от времени суток, но зато требует значительных затрат энер­гии. Таким образом, виды зондирования по источнику сигнала:

Активное (вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источ­ником направленного действия);

Пассивное (собственное, естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью).

Съемочная аппаратура может размещаться на различных платформах. Платформой мо­жет быть космический аппарат (КА, спутник), самолет, вертолет и даже простая тренога. В по­следнем случае мы имеем дело с наземной съемкой боковых сторон объектов (например, для ар­хитектурных и реставрационных задач) или наклонной съемкой с естественных или искусствен­ных высотных объектов. Третий вид платформы не рассматривается в силу того, что он относит­ся к специальностям, далеким от той, для которой написаны данные лекции.

На одной платформе может размещаться несколько съемочных устройств, называемых инструментами или сенсорами, что обычно для КА. Например, спутники Ресурс-О1 несут сенсо­ры МСУ-Э и МСУ-СК, а спутники SPOT - по два одинаковых сенсора HRV (SPOT-4 - HRVIR). Понятно, что чем дальше находится платформа с сенсором от изучаемого объекта, тем больший охват и меньшую детализацию будут иметь получаемые изображения.

Поэтому в настоящее время выделяют следующие виды съемки для получения дан­ных дистанционного зондирования:

1. Космическая съемка (фотографическая или оптико-электронная):

Панхроматическая (чаще в одном широком видимом участке спектра) - простейший пример черно-белая съемка;

Цветная (съемка в нескольких, чаще реальных цветах на одном носителе);

Многозональная (одновременная, но раздельная фиксация изображения в разных зонах спектра);

Радарная (радиолокационная);

2. Аэрофотосъемка (фотографическая или оптико-электронная):

Те же виды ДЗЗ, что и в космической съемке;

Лидарная (лазерная).

Оба вида съемки находят широкое применение в нефтегазовой отрасли при создании ГИС предприятия, при этом каждый из них занимает свою нишу. Космическая съемка (КС), имеет более низкое разрешение (от 30 до 1 м в зависимости от типа съемки и типа космического аппарата), но за счет этого охватывает большие пространства. Космическая съемка используется для съемки больших площадей в целях получения оперативной и актуальной информации о рай­оне предполагаемых геологоразведочных работ, базовой подосновы для создания глобальной ГИС на район разработки полезных ископаемых, экологического мониторинга нефтяных разли­вов и т.п. При этом используется как обычная монохромная (черно-белая съемка), так и спектро­зональная.

Аэрофотосъемка (АФС), позволяет получать изображение более высокого разрешения (от 1-2 м до 5-7 см). Аэрофотосъемка используется для получения высоко детальных материалов для решения задач земельного кадастра применительно к арендуемым участкам добычи полезных ископаемых, учета и управления имуществом. Кроме того, использование аэрофотосъемки на се­годняшний день представляется оптимальным вариантом получения данных для создания ГИС на линейно-протяженные объекты (нефте-, газопроводы и т.д.) за счет возможности применения «коридорной» съемки.

Характеристики получаемых снимков (и АФС, и КС), т.е. возможность обнаружить и из­мерить то или иное явление, объект или процесс зависят от характеристик сенсоров соответ­ственно. Главной характеристикой является разрешающая способность.

Системы ДЗЗ характеризуются несколькими видами разрешений: пространствен­ным, спектральным, радиометрическим и временным. Под термином «разрешение» обычно под­разумевается пространственное разрешение.

Пространственное разрешение (рисунок 1) характеризует размер наименьших объектов, различимых на изображении. В зависимости от решаемых задач, могут использоваться данные низкого (более 100 м), среднего (10 - 100 м) и высокого (менее 10 м) разрешений. Снимки низко­го пространственного разрешения являются обзорными и позволяют одномоментно охватывать значительные территории - вплоть до целого полушария. Такие данные используются чаще всего в метеорологии, при мониторинге лесных пожаров и других масштабных природных бедствий. Снимки среднего пространственного разрешения на сегодня - основной источник данных для мониторинга природной среды. Спутники со съемочной аппаратурой, работающей в этом диапа­зоне пространственных разрешений, запускались и запускаются многими странами - Россией, США, Францией и др., что обеспечивает постоянство и непрерывность наблюдения. Съемка вы­сокого разрешения из космоса до недавнего времени велась почти исключительно в интересах военной разведки, а с воздуха - с целью топографического картографирования. Однако сегодня уже есть несколько коммерчески доступных космических сенсоров высокого разрешения (КВР- 1000, IRS, IKONOS), позволяющих проводить пространственный анализ с большей точностью или уточнять результаты анализа при среднем или низком разрешении.

Спектральное разрешение указывает на то, какие участки спектра электромагнитных волн (ЭМВ) регистрируются сенсором. При анализе природной среды, например, для экологиче­ского мониторинга, этот параметр - наиболее важный. Условно весь диапазон длин волн, исполь­зуемых в ДЗЗ, можно поделить на три участка - радиоволны, тепловое излучение (ИК-излучение) и видимый свет. Такое деление обусловлено различием взаимодействия электромагнитных волн и земной поверхности, различием в процессах, определяющих отражение и излучение ЭМВ.

Наиболее часто используемый диапазон ЭМВ - видимый свет и примыкающее к нему коротковолновое ИК-излучение. В этом диапазоне отражаемая солнечная радиация несет в себе информацию, главным образом, о химическом составе поверхности. Подобно тому, как челове­ческий глаз различает вещества по цвету, сенсор дистанционного зондирования фиксирует «цвет» в более широком понимании этого слова. В то время как человеческий глаз регистрирует лишь три участка (зоны) электромагнитного спектра, современные сенсоры способны различать десятки и сотни таких зон, что позволяет надежно выявлять объекты и явления по их заранее из­вестным спектрограммам. Для многих практических задач такая детальность нужна не всегда. Если интересующие объекты известны заранее, можно выбрать небольшое число спектральных зон, в которых они будут наиболее заметны. Так, например, ближний ИК-диапазон очень эффек­тивен в оценке состояния растительности, определении степени ее угнетения. Для большинства приложений достаточный объем информации дает многозональная съемка со спутников LANDSAT (США), SPOT (Франция), Ресурс-О (Россия). Для успешного проведения съемки в этом диапазоне длин волн необходимы солнечный свет и ясная погода.

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.

Тепловое ИК-излучение (рисунок 2) несет информацию, в основном, о температуре по­верхности. 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. Поскольку тепловое излучение созда­ется самими объектами, для получения снимков не требуется солнечный свет (он даже, скорее, мешает). Такие снимки позволяют отслеживать динамику лесных пожаров, нефтяные и газовые факелы, процессы подземной эрозии. Следует отметить, что получение космических тепловых снимков высокого пространственного разрешения технически затруднительно, поэтому сегодня доступны снимки с разрешением около 100 м. Много полезной информации дает также тепловая съемка с самолетов.

Сантиметровый диапазон радиоволн используется для радарной съемки. Важнейшее преимущество снимков этого класса - в их всепогодности. Поскольку радар регистрирует собственное, отраженное земной поверхностью, излучение, для его работы не требуется солнечный
свет. Кроме того, радиоволны этого диапазона свободно проходят через сплошную облачность и даже способны проникать на некоторую глубину в почву. Отражение сантиметровых радиоволн от поверхности определяется ее текстурой («шероховатостью») и наличием на ней всевозможных пленок. Так, например, радары способны фиксировать наличие нефтяной пленки толщиной 50 мкм и более на поверхности водоемов даже при значительном волнении. В принципе, радарная съемка с самолетов способна обнаруживать подземные объекты, например, трубопроводы и утечки из них.

Радиометрическое разрешение определяет диапазон различимых на снимке яркостей. Большинство сенсоров обладают радиометрическим разрешением 6 или 8 бит, что наиболее близко к мгновенному динамическому диапазону зрения человека. Но есть сенсоры и с более вы­соким радиометрическим разрешением (10 бит для AVHRR и 11 бит для IKONOS), позволяющим различать больше деталей на очень ярких или очень темных областях снимка. Это важно в случа­ях съемки объектов, находящихся в тени, а также когда на снимке одновременно находятся большие водные поверхности и суша. Кроме того, такие сенсоры, как AVHRR имеют радиомет­рическую калибровку, что позволяет проводить точные количественные измерения.

Наконец, временное разрешение определяет, с какой периодичностью один и тот же сен­сор может снимать некоторый участок земной поверхности. Этот параметр весьма важен для мо­ниторинга чрезвычайных ситуаций и других быстро развивающихся явлений. Большинство спут­ников (точнее, их семейств) обеспечивают повторную съемку через несколько дней, некоторые - через несколько часов. В критических случаях для ежедневного наблюдения могут использовать­ся снимки с различных спутников, однако, нужно иметь в виду, что заказ и доставка сами по себе могут потребовать немалого времени. Одним из вариантов решения является приобретение при­емной станции, позволяющей принимать данные непосредственно со спутника. Это удобное ре­шение для ведения постоянного мониторинга используется некоторыми организациями на терри­тории России, обладающими приемными станциями данных со спутников Ресурс-О. Для отсле­живания изменений на какой-либо территории важна также возможность получения архивных (ретроспективных) снимков.

По высоте орбиты спутника можно выделить три группы: 1) Малые высоты : 100-500 км (пилотируемые корабли и орбитальные станции); 2) Средние высоты : 500-2000 км (ресурсные и метеорологические спутники); 3) Большие высоты : 36000-40000 км (геостационарные спутники - скорость движения спутника равна скорости вращения Земли - постоянное наблюдение за определенным районом на поверхности).

Положение орбиты по отношению к Солнцу. Для космических съемок большое значение имеет способность орбиты сохранять постоянную ориентацию на Солнце. Орбиты, у которых угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце остается постоянным, называются солнечно-синхронными. Достоинство таких орбит состоит в том, что они обеспечивают одинаковую освещенность земной поверхности вдоль трассы полета космического аппарата.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ДИСТАНЦИОННОЕ

ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ ПРИ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЯХ

Учебное пособие для вузов

Составители: А. И. Трегуб, О. В. Жаворонкин

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета

Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры полезных ископаемых и недропользования Ю. Н. Стрик

Учебное пособие подготовлено на кафедре общей геологии и геодинамики геологического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов очной и заочной форм обучения геологического факультета Воронежского государственного университета при изучении курсов: «Дистанционное зондирование Земли», «Аэрокосмические исследования литосферы», «Аэрокосмические методы».

Для направления: 020300 – Геология

ВВЕДЕНИЕ

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) – это изучение нашей планеты с помощью воздушных и космических летательных аппаратов, на которых установлены различные сенсоры (датчики), позволяющие получить информацию о характере поверхности Земли, состоянии ее воздушной и водной оболочек, о ее геофизических полях. Материалы дистанционного зондирования используются в самых разных отраслях народного хозяйства. Важнейшее значение они имеют и при геологических исследованиях.

Историю развития методов дистанционного зондирования

(МДЗ) обычно начинают с 1783 года, с первого запуска аэростата братьев Монгольфье, положившего начало аэровизуальным наблюдениям поверхностиЗемли. В1855 годупервыефотографиисвоздушногошара, полученные с высоты около 300 м, были использованы для составления точного плана г. Парижа. Для геологических целей фотографирование Альп с высоких вершин впервые применил французский геолог Эмме Цивилье (1858–1882).

Начало использования аэрофотосъемки в России датируется

1866 годом, когда поручик А. М. Ковалько с воздушного шара на высотах от 600 до 1000 метров произвел съемку Санкт-Петербурга и Кронштадта. Систематические съемки в России для составления топографических карт и исследований природных ресурсов начались с 1925 года, с момента зарождения гражданской авиации. В этих целях в 1929 году

в Ленинграде был образован институт аэрофотосъемки. Инициатором его создания и первым директором был академик Александр Евгеньевич Ферсман. С 1938 года использование материалов аэрофотосъемки стало обязательным при проведении геолого-съемочных работ. В сороковых годах при Геологическом комитете была создана Аэрофотогеологическая экспедиция, преобразованная в 1949 году во Всесоюзный аэрогеологический трест (ВАГТ), который позднее был реорганизован

в научно-производственное геологическое объединение «Аэрогеология» (ныне ФГУНПП «Аэрогеология»). Параллельно в то же время была образована Лаборатория аэрометодов «ЛАЭМ» (ныне «Науч- но-исследовательский институт космоаэрогеологических методов» – ГУП «ВНИИКАМ»). В результате их деятельности к 1957 году была проведена мелкомасштабная съемка всей территории СССР и составлена Государственная геологическая карта в масштабе 1: 1 000 000. В шестидесятые-семидесятые годы разработаны и внедрены в произ-

водство новые виды региональных исследований: групповая геологическая съемка (ГГС) и аэрофотогеологическое картирование (АФГК); появились спектрозональная, тепловая, радиолокационная съемки. Развитие аэрометодов предопределило переход дистанционного зондирования Земли на новый качественный уровень – изучение Земли из космоса.

Развитие космонавтики начиналось с разработки баллистических ракет, которые использовались, в частности, для производства фотосъемки поверхности Земли с больших (около 200 км) высот. Первые снимки были получены 24 октября 1946 года с помощью ракеты V-2 (немецкой ракеты Fau-2), запущенной с полигона White Sands (США) на суборбитальную траекторию. Была произведена съемка земной поверхности 35-миллиметровой кинокамерой на черно-белую фотопленку с высоты около 120 км. До конца пятидесятых годов фотосъемка земной поверхности преимущественно в военных целях проводилась разными странами с помощью баллистических ракет.

былзапущенпервыйвмиреискусственныйспутникЗемли(ИСЗ) – ПС-1 (Простейший спутник – 1). Для выведения на орбиту была использована баллистическая ракета Р-7 («Спутник»). Масса спутника составляла 83,6 кг, диаметр– 0,58 м, периодобращения96,7 мин. Перигей– 228 км, апогей – 947 км. Спутник имел форму шара, был снабжен двумя антеннами и радиопередатчиком – маяком. Он совершил 1440 витков вокруг Земли, а 4 января 1958 г. вошел в плотные слои атмосферы и прекратил существование. За время его полета была получена новая информация о структуре верхних слоев атмосферы.

ПерваяпопытказапускаИСЗVangard-1 спомощьюракетыJpiter-C в США 6 декабря 1957 года закончилась аварией. Со второй попытки (1 февраля 1958 года) такой же ракетой на орбиту был выведен ИСЗ Explorer-1. Спутник имел форму сигары, весил 13 кг. На борту имел оборудование для регистрации микрометеоритов и уровня радиации. С его помощью были открыты радиационные пояса Земли. Спутник совершил 58 тысяч витков вокруг Земли и сгорел в атмосфере 31 марта 1970 года. Параметрыего орбиты: апогей– 2548 км, перигей 356 км. В активном режиме работал до 23 мая 1958 г. 7 августа 1959 г. в США был запущен «Explorer-6», который передал первое телевизионное изображение Земли из космоса. Первый ИСЗ для метеонаблюдений (Tiros-1) был запущен в США 1 апреля 1960 года. Спутник с аналогич-

26 ноября 1965 г. Франция запустила свой ИСЗ «Астерикс-1». 11 февраля 1970 г. вывела на орбиту ИСЗ «Осуми» Япония. 24 апреля того же года космической державой стал Китай (ИСЗ «Дунфанхун»). Англия запустила свой первый ИСЗ «Просперо» 28 октября 1971 г., а 18 июля 1980 г. – Индия (ИСЗ «Рохини»).

Началопилотируемыхполетоввкосмосположено12 апреля1961 года Юрием Алексеевичем Гагариным на корабле «Восток», а 6 августа того же года Герман Степанович Титов впервые произвел фотосъемку Земли с пилотируемого космического корабля «Восток». В отечественной космонавтике большое значение имели спутники серии «Космос». Первый запуск ИСЗ этой серии был произведен 16 марта 1962 года, а к 2007 году уже было запущено 2400 спутников различного назначения. Примерно каждые три года выводилось на орбиту по 250 ИСЗ серии «Космос». Значительнаячастьизнихбыласнабженаоборудованиемдля выполнения ресурсных исследований. С их помощью для всей территория СССР были получены космические фотоснимки высокого качества. Современная группировка Российских спутников насчитывает более 110 аппаратов различного назначения. Экономический эффект только от применения ИСЗ серии «Ресурс-0» составил около 1,2 млрд руб. в год, а спутников серий «Метеор» и «Электро» – 10 млрд руб. в год.

В настоящее время свои спутниковые системы, кроме России и США, имеют Франция, Германия, Европейский Союз, Индия, Китай, Япония, Израиль и другие страны.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И ТЕХНОЛОГИИ АЭРОКОСМОСЪЕМКИ

Технологии аэросъемок в развитии дистанционных исследований Земли предшествовали технологиям космических съемок. На начальных этапах развития дистанционного зондирования Земли из космоса в негоперешлимногиетехнологическиеприемыпроведенияаэросъемки, нопомереразвитиякосмическихисследованийвозникалииновыеприборы, а также новые технологии. При этом важнейшее значение имело становление и бурное развитие компьютерных технологий, направленных на обработку данных дистанционного зондирования.

1.1. Аэросъемка

Аэросъемка земной поверхности может выполняться в зависимости от поставленных задач с помощью самолетов и вертолетов, аэростатов и даже мотодельтапланов, а также беспилотных летательных аппаратов. Различают фотографическую, тепловую, радиолокационную и многозональную аэросъемки. Фотографическая съемка (аэрофотосъемка) для целей геологического картирования является наиболее важной, не только потому, что обладает наибольшей информативностью, но и потому, что за время ее проведения накоплено значительное количество аэрофотоматериалов различных масштабов и по различным регионам. Поэтому при проведении геолого-съемочных работ бывает экономическиболеецелесообразнымиспользоватьужеимеющиесявфондахаэрофотоматериалы, чем заказывать производство новой аэрофотосъемки.

Аэрофотосъемка местностииспользуетсявразличныхцелях, важнейшими из них являются составление и корректировка топографических карт, геологические исследования. Аэрофотосъемка может быть точечной, маршрутной и площадной. Точечная съемка выполняется при изученииточечныхобъектов. Маршрутнаясъемкапроводитсяпозаданной линии (линии берега, вдоль русла реки и т. п.). Площадная съемка выполняется в пределах заданных площадей, которые обычно определяются рамками топографических планшетов. Важным требованием к съемке является требование об обязательном перекрытии площадей соседних снимков. По линии маршрута – продольное перекрытие, оно должно составлять не менее 60 %, а между маршрутами (поперечное перекрытие) – не менее 30 %. Должна также выдерживаться заданная высота полета. Соблюдение этих параметров необходимо для возможности получения стереоэффекта (объемного изображения местности).

Аэрофотосъемка может быть плановой и перспективной. Плановая аэрофотосъемка, предназначенная для решения топографических задач, отличается повышенными требованиями к предельным отклонениям плоскостиснимкаотгоризонтальнойплоскости. Перспективныеснимки в комплекте с плановыми снимками весьма полезны при изучении геологического строения высокогорных территорий с крутыми склонами.

Для аэрофотосъемки в пределах территории России чаще всего используются самолеты Ан-2, Ан-28 ФК, Ан-30, Ту-134 СХ.

На протяжении более чем 60 лет (рекорд в «Книге Гиннеса»!) основным самолетом был (остается и сейчас) Ан-2 (его аэрофотосъемочная модификация Ан–2Ф). Он отличается высокой надежностью,

техническими параметрами, отвечающими условиям проведения аэрофотосъемки: возможность использования грунтовых аэродромов с длиной полосы разбега при взлете не более 200 м, а при посадке – 120 м; предельная высота полета 5200 м (при практическом потолке 4500 м); экономичный поршневой двигатель мощностью 1000 л. с.; скорость полетавпределахот150 до250 км/часидальностьполета(990 км), достаточная для выполнения съемки на больших площадях; большой объем фюзеляжа, позволяющий свободно размещать оборудование и экипаж из трех человек (вместе с оператором).

С 1974 г. используется специализированный самолет Ан-30. Его силовая установка состоит из двух турбовинтовых двигателей, мощностью по 2820 л. с., и дополнительного реактивного двигателя мощностью 500 л. с. Крейсерская скорость самолета – 435 км/час, максимальная высота полета – 8300 м. Дальность действия – 1240 км, длина разбега по взлетно-посадочной полосе с бетонным покрытием – 720 м, средний расход топлива – 855 кг/час. Максимальный взлетный вес самолета – 23 т. Вес фотооборудования – 650 кг. Экипаж (включая оператора) состоит из 7 человек. Аэрофотосъемка выполняется в масштабах от 1: 3 000 до 1: 200 000. В настоящее время в распоряжении военновоздушных сил (ВВС) осталось не более 10 машин этого типа. Сходными характеристиками обладают самолеты Ан-28 ФК.

Сельскохозяйственный самолет Ту-134 СХ разработан в 1984 г. На самолете установлена радиолокационная станция бокового обзора (РЛСБО). Специальный навигационный комплекс «Маяк» и система автоматического управления поддерживают заданный курс и осуществляют фотосъемку местности в соответствии с заданной программой. Пять бортовых фотоаппаратов позволяют проводить съемку в радиочастотном, видимом и инфракрасном диапазонах. В салоне – 9 рабочих мест соспециальнойаппаратурой, пультамиуправленияифотолабораторией (дляобработкифотоматериаловвполете). Заодинрейс(4,5 часа) может быть заснята территория 100 × 100 км (10 000 км² – примерная площадь двух топографических планшетов в масштабе 1: 200 000).

Аэрофотосъемкавыполняетсяспомощьюспециальныхшироко-

угольных фотоаппаратов , которые устанавливаются в люке фюзеляжа самолета. Для фиксации фотоаппарата в горизонтальной плоскости используются гиросистемы. Фотопленка помещается в специальных кассетах емкостью по 30 или 60 м. Ширина пленки, в зависимости от параметров фотоаппарата, составляет 18 см или 30 см. В комплект обо-

рудования входит также реле времени (часовой механизм), обеспечивающий заданную экспозицию съемки и режим перемотки пленки. В настоящее время чаще всего используются фотоаппараты с объективами серии «Уран»: с фокусными расстояниями 250 мм, углом поля зрения 54º, размером кадра 180 × 180 мм («Уран-9»), а также с фокусным расстоянием 750 мм и размером кадра 300 х 300 мм («Уран-16»).

В последние годы для производства аэрофотосъемки все чаще применяются цифровые съемочные системы. В целом цифровые ка-

меры более надежны в эксплуатации, существенно сокращают длительность технологического процесса, цифровые снимки свободны от «зернистости». Они обеспечивают возможность получения панхроматических, цветных и спектрозональных снимков в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Интервал фотографирования составляет менее одной секунды, что позволяет выполнять крупномасштабную съемку с продольным перекрытием до 80–90 %. Среди общих свойств цифровых аэрофотоаппаратов различных систем следует указать на использование приемников излучения матричного или линейного типа; синтезированный кадр (для широкоформатных камер) – результирующий кадр системы формируется из набора субкадров, соответствующих матриц или линейных приемников; GPS/INS поддержка – пространственные и угловые координаты систем координат аэрофотоаппаратов (элементы внешнего ориентирования) определяются с использованием средств инерциальной навигации и систем спутникового геопозиционирования GPS или ГЛОНАС.

Радарная (радиолокационная) аэросъемка выполняется с помо-

щью радиолокационных систем бокового обзора (РЛСБО), установленных на борту самолета. От источника микроволнового излучения сигнал направляется к земной поверхности, отражается от нее и возвращается на приемную антенну. С помощью специальных программ запись отраженных сигналов преобразуется в фотографическое изображение земной поверхности.

1.2. Космическая съемка

Космическаясъемказемнойповерхностивпоследниегодыпревратилась в самостоятельную ветвь дистанционного зондирования Земли. Системы космического зондирования включают несколько важнейших элементов: транспортные средства доставки необходимого оборудования на околоземную орбиту, космические платформы – носители

средств наблюдения, сенсоры (датчики), средства передачи информации и наземные центры приема, обработки этой информации, доставки ее потребителю.

Основными транспортными средствами доставки необходимо-

го оборудования на околоземные орбиты являются ракеты различного класса. В СССР наиболее ранними из них были трехступенчатые ракеты легкого класса «Восток». С их помощью осуществлялись пилотируемые полеты, запускались искусственные спутники Земли (ИСЗ) серии «Космос», лунные станции. Кроме того, в этом классе широко применяются многие носители, снятые с вооружения, в частности ракета «Зенит», предназначенная также в качестве элемента разгонного блока системы «Энергия – Буран».

Трехступенчатая ракета среднего класса «Союз», грузоподъемностью около 7 тонн с успехом используется, равно как и созданная на ее основе четырехступенчатая ракета «Молния», для запусков ИСЗ «Прогноз», «Молния».

Созданная почти полвека назад многоступенчатая ракета тяжелого класса «Протон» грузоподъемностью более 20 тонн использовалась и используется сейчас в различных целях: для исследования Луны, планет Солнечной системы, для выведения на околоземную орбиту обитаемых станций «Салют», «Мир», на геостационарные орбиты спутников «Горизонт», «Радуга», «Экран» и др.

В мае 1987 года в связи с разработкой программы по созданию многоразового космического корабля «Энергия – Буран» была введена

в эксплуатацию двухступенчатая ракета сверхтяжелого класса «Энергия» со стартовой массой более 2000 тонн и грузоподъемностью около 200 тонн. Помимо применения этой ракеты для выведения на околоземную орбиту многоразовых кораблей, она может быть использована и для доставки других грузов. Это выгодно отличает систему «Энергия – Буран» от похожей по назначению американской системы «Space Shuttle».

Наиболее часто применяемыми зарубежными ракетами являются ракеты серии «Delta» (США) и «Arian» (Франция).

Кроме ИСЗ для ресурсных исследований в России использовались орбитальные станции («Салют-4, 5, 6», «Мир»), а также пилотируемые корабли серии «Союз».

В СШАважнаярольвкосмическихисследованияхотводиласьпроекту «Space Shuttle». Проект изначально разрабатывался в военных це-