Что такое зондирование земли. Научная электронная библиотека. Системы дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) -получение информации о поверхности Земли и объектах на ней, атмосфере, океане, верхнем слое земной коры бесконтактными методами, при которых регистрирующий прибор удален от объекта исследований на значительное расстояние . Общей физической основой дистанционного зондирования является функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта, его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением. Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства.

Дистанционные методы применяются в исследованиях Земли очень давно. Вначале использовались рисованные снимки, которые фиксировали пространственное расположение изучаемых объектов. С изобретением фотографии возникла наземная фототеодолитная съемка, при которой по перспективным фотоснимкам составляли карты горных районов. Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством исследований - аэрометодами.

Понятие дистанционного зондирования появилось в XIX веке вслед за изобретением фотографии, а одной из первых областей, в которых стали применять этот метод, стала астрономия. Впоследствии, дистанционное зондирование начали использовать в военной области для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений. Во время Гражданской войны в США фотоснимки, полученные с помощью неуправляемых летательных аппаратов, служили для наблюдения за перемещением войск, подвозом припасов, ходом фортификационных работ и для оценки эффекта артиллерийских обстрелов. В результате исследований, которые финансировались различными государствами, были разработаны технологии, позволившие создать сенсоры сначала для военных целей, а затем и для гражданского применения этого метода. После Второй мировой войны метод дистанционного зондирования стали использовать для наблюдения за окружающей средой и оценки развития территорий, а также в гражданской картографии. В 60-х годах XX века, с появлением космических ракет и спутников, дистанционное зондирование вышло в космос.

Новая эра дистанционного зондирования связана с пилотируемыми космическими полетами, разведывательными, метеорологическими и ресурсными спутниками.

Возможности ДЗ в военной области значительно возросли после 1960 года в результате запуска разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON, LANYARD, целью которых было получение фотоснимков с низких орбит. Вскоре были получены стереопары снимков с разрешением 2 метра. Первые спутники работали на орбите от семи до восьми дней, но уже следующие поколения этих аппаратов были способны поставлять данные в течение нескольких месяцев.

В результате осуществления программ пилотируемых полетов, которые были начаты в США в 1961 году, человек впервые высадился на поверхность Луны (1969 г.). Следует отметить программу Mercury, в рамках которой были получены снимки Земли, систематический сбор данных дистанционного зондирования во время проекта Gemini (1965-1966 гг.), программу Apollo (1968-1975 гг.), в ходе которой велось дистанционное зондирование земной поверхности (ДЗЗ) и состоялась высадка человека на Луну, запуск космической станции Skylab (1973-1974 гг.), на которой проводились исследования земных ресурсов, полеты космических кораблей многоразового использования, которые начались в 1981 году, а также получение многозональных снимков с разрешением 100 метров в видимом и близком инфракрасном диапазоне с использованием девяти спектральных каналов.

В Советском Союзе, а затем в России космические программы развивались параллельно космическим программам США. Полет Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года, ставший первым полетом человека в космос, запуски космических кораблей «Восток» (1961-1963 гг.), «Восход» (1964-1965 гг.) и «Союз», работа на орбите космических станций «Салют» (впервые 19 апреля 1971 года).

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

Первый специализированный спутник был запущен в 1972 году. Он назывался ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) и использовался, в основном, для целей сельского хозяйства. В настоящее время спутники этой серии носят название Landsat.

Они предназначены для регулярной многозональной съемки территорий со средним разрешением. Позже, в 1978 году, был запущен первый спутник со сканирующей системой SEASAT, но он передавал данные всего три месяца. Первый французский спутник серии SPOT, с помощью которого можно было получать стереопары снимков, был выведен на орбиту в 1985 году. Запуск первого индийского спутника дистанционного зондирования, названного IRS (Indian Remote Sensing), состоялся в 1988 году. Япония также вывела на орбиту свои спутники JERS MOS.

Начиная с 1975 года, Китай периодически запускал собственные спутники, но полученные ими данные до сих пор находятся в закрытом доступе. Европейский космический консорциум вывел на орбиту свои радарные спутники ERS в 1991 и 1995 годах, а Канада-спутник RADARSAT в 1995 году.

История развития аэрокосмических методов свидетельствует о том, что новые достижения науки и техники сразу же используются для совершенствования технологий получения снимков. Так произошло в середине XX в., когда такие новшества, как компьютеры, космические аппараты, радиоэлектронные съемочные системы, совершили революционные преобразования в традиционных аэрофотометодах - зародилось аэрокосмическое зондирование. Космические снимки предоставили геоинформацию для решения проблем регионального и глобального уровней.

В настоящее время отчетливо проявляются следующие тенденции поступательного развития аэрокосмического зондирования.

• Космические снимки, оперативно размещаемые в Интернете, становятся наиболее востребованной видеоинформацией о местности как для специалистов-профессионалов, так и для широких слоев населения.
• Разрешение и метрические свойства космических снимков открытого доступа быстро повышаются. Получают распространение орбитальные снимки сверхвысокого разрешения - метрового и даже дециметрового, которые успешно конкурируют с аэроснимками.
• Аналоговые фотографические снимки и традиционные технологии их обработки утрачивают свое прежнее монопольное значение. Основным обрабатывающим прибором стал компьютер, оснащенный специализированным программным обеспечением и периферией.
• Развитие всепогодной радиолокации превращает ее в прогрессивный метод получения метрически точной пространственной геоинформации, который начинает эффективно комплексироваться с оптическими технологиями аэрокосмического зондирования.
• Быстро формируется рынок разнообразной продукции аэрокосмического зондирования Земли. Неуклонно увеличивается число коммерческих космических аппаратов, функционирующих на орбитах, особенно зарубежных. Наибольшее применение находят снимки, получаемые ресурсными спутниковыми системами Landsat (США), SPOT (Франция), IRS (Индия), картографическими спутниками ALOS (Япония), Cartosat (Индия), спутниками сверхвысокого разрешения Ikonos, QiuckBird, GeoEye (США), в том числе радиолокационными TerraSAR-X и TanDEM-X (Германия), выполняющими тандемную интерферометрическую съемку. Успешно эксплуатируется система спутников космического мониторинга RapidEye (Германия).

Аэрокосмический снимок - это двумерное изображение реальных объектов, которое получено по определенным геометрическим и радиометрическим (фотометрическим) законам путем дистанционной регистрации яркости объектов и предназначено для исследования видимых и скрытых объектов, явлений и процессов окружающего мира, а также для определения их пространственного положения.

Диапазон масштабов современных аэрокосмических снимков огромен: он может меняться от 1:1000 до 1:100 000 000, т.е. в сто тысяч раз. При этом наиболее распространенные масштабы аэрофотоснимков лежат в пределах 1:10 000 - 1:50 000, а космических - 1:200 000 - 1:10 000 000. Все аэрокосмические снимки принято делить на аналоговые (обычно фотографические) и цифровые (электронные). Изображение цифровых снимков образовано из отдельных одинаковых элементов - пикселей (от англ. Picture element-рixel); яркость каждого пиксела характеризуется одним числом.

Аэрокосмические снимки как информационные модели местности характеризуются рядом свойств, среди которых выделяют изобразительные, радиометрические (фотометрические) и геометрические. Изобразительные свойства характеризуют способность снимков воспроизводить мелкие детали, цвета и тоновые градации объектов, радиометрические свидетельствуют о точности количественной регистрации снимком яркостей объектов, геометрические характеризуют возможность определения по снимкам размеров, длин и площадей объектов и их взаимного положения.

Оптимальный способ использования данных наблюдения поверхности Земли со спутников заключается в том, чтобы анализировать их совместно с информацией из других источников.

Получение снимков с перекрытием из нескольких последовательных точек орбиты (стереосъёмка) позволяет получить более точное представление о трехмерных объектах и повысить отношение сигнал/шум.

Использование многозональных снимков основано на уникальности тоновых характеристик различных объектов. Объединение яркостных данных из снимков в различных спектральных диапазонах позволяет безошибочно выделять определенные пространственные структуры. Съемку с использованием большого числа (более 10) узких съемочных зон называют гиперспектральной. При гиперспектральной съемке увеличивается возможность выделения объектов, характеризующихся наличием полос поглощения, что характерно, например, для загрязнений. Многозональная и гиперпектральная съемки позволяют более эффективно использовать различия в спектральной яркости объектов съемки для их дешифрирования.

К этому виду снимков можно отнести также радиолокационные снимки, получаемые как при регистрации отраженных радиоволн разной длины, так и при разной их поляризации.

Многовременная съемка - это плановая съемка в заранее определенные даты, которая позволяет выполнять сравнительный анализ снимков тех объектов, характеристики которых изменяются во времени.

Многоуровневая съемка - съемка с различными уровнями дискретизации используется для получения более подробной информации об изучаемой территории.

Как правило, весь процесс сбора данных подразделяют на три уровня: космическая съемка, аэросъемка и наземные исследования.

Снимки, полученные методом многополяризационной съёмки, используют для проведения границ между объектами на основе различий в поляризационных свойствах отраженного излучения. Так, например, отраженное излучение от водной поверхности обычно более сильно поляризовано, чем отраженное излучение от растительного покрова.

Комбинированный метод заключается в использовании многовременной, многозональной и многополяризационной съемок.

О том, что такое дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) и какое оно имеет практическое применение, мы поговорили с доктором технических наук, заместителем директора Института космических исследований РАН Евгением Лупяном .

Время спутников-шпионов прошло?

— Евгений Аркадьевич, сколько сейчас в космосе аппаратов, которые ведут наблюдения за поверхностью Земли? И сколько из них российских?

— Всего на орбитах летает около 400 спутников, занятых именно дистанционным зондированием. Планируется, что к 2020 году их будет 1200-1300. К сожалению, российских аппаратов среди них очень мало: всего 9 штук. Согласитесь, это не очень хорошая ситуация. Было время, когда наша страна занимала одну из лидирующих позиций в этой области, но потом сдала её. Сейчас мы пытаемся её восстановить.

Дистанционное зондирование Земли — очень перспективное направление, ведь возможности систем наблюдения за планетой из космоса постоянно растут. Несколько лет назад в этой сфере произошла революция. Американская компания PlanetLab запустила в космос целый рой малых аппаратов: более 200 спутников! Они производят съёмку с разрешением порядка 3-4 метров, при этом за сутки фактически покрывают всю поверхность планеты. Для сравнения: чтобы выполнить такую съёмку нашими аппаратами серии «Канопус» (в настоящее время их на орбите 6 штук), понадобится несколько месяцев.

Канопус-В на «МАКСе»-2013. Фото: Commons.wikimedia.org / Vitaly V. Kuzmin

Другое важное событие, повлиявшее на развитие дистанционного зондирования Земли, произошло несколько лет назад. Тогда американские и европейские космические агентства открыли свободный доступ к значительным объёмам своих данных, которые имеют разрешение хуже 10 метров. Это существенно расширило возможности по созданию новых методов и технологий работы с данными. В первую очередь — для проведения постоянного мониторинга различных объектов и явлений. До этого решение подобных задач, как правило, было нерентабельным из-за больших затрат на приобретение данных.

— Похоже, что на поверхности Земли уже трудно что-то скрыть. Неужели время спутников-шпионов безвозвратно прошло?

— Не совсем так. Задачи у таких спутников, безусловно, остались. Технически они также совершенствуются. Но появились совершенно новые области, в которых стало возможно использовать данные дистанционного зондирования.

80% прогноза погоды — из космоса

— На какой высоте летают спутники дистанционного зондирования?

— Так называемые низкоорбитальные обычно располагаются на орбитах с высотами от 400 до 800 км. Один оборот вокруг Земли у них занимает около 90 минут.

Есть геостационарные спутники, которые летают на высоте 36 тыс. км. Точнее, они не летают, а всё время висят в одной точке. Их разрешение не очень велико: у лучших аппаратов оно может составлять 500 метров. Но зато они позволяют проводить наблюдения каждые 10 минут, а в некоторых случаях — каждые 2 минуты. Это очень важно, когда мы следим за быстро развивающимися процессами. Например, за извержениями вулканов и движением выброшенных ими пепловых облаков.

— Спутники запускают, чтобы следить за вулканами? Это так важно?

— Людям, живущим в Москве, пепловые выбросы вулканов, наверное, кажутся чем-то несущественным. Но это ровно до того момента, пока им не понадобится покупать билет на самолёт, чтобы лететь куда-то в другой район Земли. Напомню, что в 2010 году из-за извержения вулкана в Исландии воздушное пространство Европы было на несколько дней закрыто для авиаперелётов.

У дистанционного зондирования Земли огромное количество прикладных применений. Это мониторинг и предсказание природных бедствий: не только извержений вулканов, но и пожаров, наводнений, ураганов и др. Это прогнозы погоды: 80% информации, которая используется для этих целей, получена из космоса.

Это, например, сельское хозяйство. С помощью спутников оценивают состояние посевов, характеристики почвы (влажность, эрозию), анализируют, каким образом нужно вести обработку посевов, чтобы достичь максимальных урожаев на конкретном поле (так называемые задачи точного земледелия). Спутники помогают понять, как развиваются во времени те или иные сельхозкультуры в разных регионах Земли. К примеру, пшеница. Глядя на серию спутниковых снимков и сравнивая их с наблюдениями предыдущих лет, мы, в частности, можем получить заблаговременную оценку урожая в конкретном году.

А возьмём лесное хозяйство. Его уже и представить нельзя без спутникового мониторинга. Наверное, не стоит напоминать, что значит для нашей страны лес. Современные спутниковые методы позволяют составлять карты лесов, следить за пожарами, оперативно обнаруживать их и оптимизировать работы по тушению. Система, которая решает подобные задачи на всей территории страны, была создана ещё 2005 году. И с той поры постоянно работает.

И от сердечного приступа спасёт

— Мне доводилось слышать, что со спутников даже косяки рыб в океане отслеживают. Это так?

— Напрямую не отслеживают. Там используется такая схема. Рыба, как известно, питается планктоном. Со спутника хорошо видно, где сколько планктона, какой у него цвет и прочие характеристики. И по этим данным можно предположить, придёт ли в этот район рыба. Соответственно, можно послать уведомление рыболовным судам.

Технологии дистанционного зондирования Земли уже дошли до того, что позволяют измерять энергопотери жилых домов. На детальном уровне! А это открывает новые возможности энергетикам и коммунальщикам. Используя полученные сведения, они могут менять структуру утепления зданий.

Как раз недавно наши коллеги из Научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН получили очень интересные факты по Питеру. Там были сделаны замеры выделений тепла по разным районам. Потом взяли различные сценарии климатических изменений и получили прогноз повышения смертности от сердечно-сосудистых заболеваний в тех или иных городских районах. Вот вам пример того, как на основе дистанционного зондирования Земли можно получать информацию для планирования медицинского обслуживания. Вовремя принятые меры помогут спасти жизни конкретным людям.

— Их переселят из районов, где слишком тепло, в более прохладные?

— Есть менее радикальные меры. Можно посадить там деревья, покрасить крыши домов специальной отражающей краской. Или просто в белый цвет.

— Мы сильно отстаём от США и Китая по количеству спутников ДЗЗ. Вы сами сказали, что их у нас только 9. Но в чём-то мы имеем приоритет в этой области?

— Имеем. Как я уже сказал, многие иностранные компании сейчас открыли доступ к своим данным, сделали информацию бесплатной. А в России очень хорошая школа программирования и обработки данных. Мы сделали алгоритмы, которые получают из этих находящихся в открытом доступе данных определённые характеристики, анализируют их и позволяют использовать для решения различных задач.

В стране очень быстро развиваются новые технологии, благодаря которым можно эффективно работать со сверхбольшими потоками данных от различных систем ДЗЗ. Есть успехи в создании центров, обеспечивающих возможности распределённой работы с архивами этих данных. Например, такой центр коллективного пользования создан в нашем Институте космических исследований РАН. Около 80 научных организаций, находящихся в разных городах нашей (да и не только нашей) страны, пользуются его возможностями.

По своей функциональности наш центр входит если не в тройку, то уж точно в пятёрку подобных мировых центров. Конечно, в чисто аппаратном плане нам трудно конкурировать с компаниями Google и Amazon. В первую очередь — из-за несопоставимости финансовых ресурсов, которые они выделяют своим центрам на развитие. Но это заставляет нас искать новые подходы и решения. И мы их находим.

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) - наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использующие естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные - использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. Данные ДЗЗ, полученные с космического аппарата (КА), характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы . Поэтому на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующее электромагнитное излучение в различных диапазонах.

Аппаратура ДЗЗ первых КА, запущенных в 1960-70-х гг. была трассового типа - проекция области измерений на поверхность Земли представляла собой линию. Позднее появилась и широко распространилась аппаратура ДЗЗ панорамного типа - сканеры, проекция области измерений на поверхность Земли которых представляет собой полосу.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Дистанционное зондироние Земли из космоса

✪ Дистанционное зондирование Земли

✪ Космический аппарат ДЗЗ "Ресурс-П"

✪ Дистанционное зондирование Земли из космоса

✪ [ИТ-лекторий]: Есть ли космос за геостационарной орбитой? Перспективы освоения Солнечной системы.

Субтитры

Общий обзор

Дистанционное зондирование является методом получения информации об объекте или явлении без непосредственного физического контакта с данным объектом. Дистанционное зондирование является подразделом географии . В современном понимании, термин в основном относится к технологиям воздушного или космического зондирования местности с целью обнаружения, классификации и анализа объектов земной поверхности, а также атмосферы и океана, при помощи распространяемых сигналов (например, электромагнитной радиации). Разделяют на активное (сигнал сначала излучается самолетом или космическим спутником) и пассивное дистанционное зондирование (регистрируется только сигнал других источников, например, солнечный свет).

Активные приборы, в свою очередь, излучают сигнал с целью сканирования объекта и пространства, после чего сенсор имеет возможность обнаружить и измерить излучение, отраженное или образованное путём обратного рассеивания целью зондирования. Примерами активных сенсоров дистанционного зондирования являются радар и лидар , которыми измеряется задержка во времени между излучением и регистрацией возвращенного сигнала, таким образом определяя размещение, скорость и направление движения объекта.

Дистанционное зондирование предоставляет возможность получать данные об опасных, труднодоступных и быстродвижущихся объектах, а также позволяет проводить наблюдения на обширных участках местности. Примерами применения дистанционного зондирования может быть мониторинг вырубки лесов (например, в бассейне Амазонки), состояния ледников в Арктике и Антарктике , измерение глубины океана с помощью лота. Дистанционное зондирование также приходит на замену дорогостоящим и сравнительно медленным методам сбора информации с поверхности Земли, одновременно гарантируя невмешательство человека в природные процессы на наблюдаемых территориях или объектах.

При помощи орбитальных космических аппаратов ученые имеют возможность собирать и передавать данные в различных диапазонах электромагнитного спектра, которые, в сочетании с более масштабными воздушными и наземными измерениями и анализом, обеспечивают необходимый спектр данных для мониторинга актуальных явлений и тенденций, таких как Эль-Ниньо и другие природные феномены, как в кратко-, так и в долгосрочной перспективе. Дистанционное зондирование также имеет прикладное значение в сфере геонаук (к примеру, природопользование) , сельском хозяйстве (использование и сохранение природных ресурсов), национальной безопасности (мониторинг приграничных областей).

Техники получения данных

Основная цель мультиспектральных исследований и анализа полученных данных – это объекты и территории, излучающие энергию, что позволяет выделять их на фоне окружающей среды. Краткий обзор спутниковых систем дистанционного зондирования находится в обзорной таблице .

Как правило, лучшим временем для получения данных методами дистанционного зондирования является летнее время (в частности, в эти месяцы наибольший угол солнца над горизонтом и наибольшая длительность дня). Исключением из этого правила является получение данных с помощью активных датчиков (например, Радар , Лидар), а также тепловых данных в длинноволновом диапазоне. В тепловидении, при котором датчики проводят измерения тепловой энергии, лучше использовать промежуток времени, когда разница температуры земли и температуры воздуха наибольшая. Таким образом, лучшее время для этих методов – холодные месяцы, а также несколько часов до рассвета в любое время года.

Кроме того, есть еще некоторые соображения, которые нужно учитывать. С помощью радара, например, нельзя получать изображение голой поверхности земли при толстом снежном покрове; то же самое можно сказать и о лидаре. Тем не менее, эти активные сенсоры нечувствительны к свету (или его отсутствию), что делает их отличным выбором для применения к высоких широтах (для примера). Кроме того, как радар, так и лидар способны (в зависимости от используемых длин волн) получать изображения поверхности под пологом леса, что делает их полезными для применения в сильно заросших регионах. С другой стороны, спектральные методы получения данных (как стереоизображения , так и мультиспектральные методы) применимы в основном солнечные дни; данные, собранные в условиях низкой освещенности, как правило, имеют низкий уровень сигнал / шум, что усложняет их обработку и интерпретацию. К тому же, в то время как стереоизображения способны отображать и идентифицировать растительность и экосистемы, при помощи этого метода (как и при мульти-спектральном зондировании) невозможно проникнуть под навес деревьев и получить изображения земной поверхности.

Применение дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование наиболее часто применяется в сельском хозяйстве, геодезии, картографировании, мониторинге поверхности земли и океана, а также слоев атмосферы.

Сельское хозяйство

При помощи спутников можно с определенной цикличностью получать изображения отдельных полей, регионов и округов. Пользователи могут получать ценную информацию о состоянии угодий, в том числе идентификацию культур, определение посевных площадей сельскохозяйственных культур и состояние урожая. Спутниковые данные используются для точного управления и мониторинга результатов ведения сельского хозяйства на различных уровнях. Эти данные могут быть использованы для оптимизации фермерского хозяйства и пространственно-ориентированного управления техническими операциями. Изображения могут помочь определить местоположение урожая и степень истощения земель, а затем могут быть использованы для разработки и реализации плана лечения, для локальной оптимизации использования сельскохозяйственных химикатов. Основными сельскохозяйственными приложениями дистанционного зондирования являются следующие:

• растительность:
  • классификация типа культур
  • оценка состояния посевов (мониторинг сельскохозяйственных культур, оценка ущерба)
  • оценка урожайности
• почва
  • отображение характеристик почвы
  • отображение типа почвы
  • эрозия почвы
  • влажность почвы
  • отображение практики обработки почвы

Мониторинг лесного покрова

Дистанционное зондирование также применяется для мониторинга лесного покрова и идентификации видов. Полученные таким способом карты могут покрывать большую площадь, одновременно отображая детальные измерения и характеристики территории (тип деревьев, высота, плотность). Используя данные дистанционного зондирования, возможно определить и разграничить различные типы леса, что было бы трудно достичь, используя традиционные методы на поверхности земли. Данные доступны в различных масштабах и разрешениях, что вполне соответствует локальным или региональные требованиям. Требования к детальности отображения местности зависит от масштаба исследования. Для отображения изменений в лесном покрове (текстуры, плотности листьев) применяются:

• мультиспектральные изображения: для точной идентификации видов необходимы данные с очень высоким разрешением
• многоразовые снимки одной территории, используются для получения информации о сезонных изменений различных видов
• стереофотографии - для разграничение видов, оценки плотности и высоты деревьев. Стереофотографии предоставляют уникальный вид на лесной покров, доступный только через технологии дистанционного зондирования
• Радары широко применяются в зоне влажных тропиков, благодаря их свойству получать изображения при любых погодных условиях
• Лидары позволяют получать 3-мерную структуру леса, обнаруживать изменения высоты поверхности земли и объектов на ней. Данные Лидара помогают оценить высоту деревьев, области корон и количество деревьев на единице площади.

Мониторинг поверхности

Мониторинг поверхности является одним из наиболее важных и типичных применений дистанционного зондирования. Полученные данные используются при определении физического состояния поверхности земли, например, леса, пастбища, дорожного покрытия и т.д., в том числе результатов деятельности человека, такие, как ландшафт в промышленных и жилых зонах, состояния сельскохозяйственных территорий и т.п. Первоначально должна быть установлена система классификации земельного покрова, которая обычно включает в себя уровни и классы земель. Уровни и классы должны быть разработаны с учётом цели использования (на национальном, региональном или местном уровне), пространственного и спектрального разрешения данных дистанционного зондирования, запросу пользователя и так далее.

Обнаружение изменения состояния поверхности земли необходимо для обновления карт растительного покрова и рационализации использования природных ресурсов. Изменения, как правило, обнаруживаются при сравнении нескольких изображений, содержащих несколько уровней данных, а также, в некоторых случаях, при сравнении старых карт и обновленных изображений дистанционного зондирования.

• сезонные изменения: сельскохозяйственные угодья и лиственные леса изменяются по-сезонно
• годовые изменения: изменения поверхности земли или территории землепользования, например, районы вырубки леса или разрастания городов

Информация о поверхности земли и изменения характера растительного покрова прямо необходимы для определения и реализации политики защиты окружающей среды и могут быть использованы совместно с другими данными для проведения сложных расчетов (например, определения рисков эрозии).

Геодезия

Сбор геодезических данных с воздуха впервые был использован для обнаружения подводных лодок и получения гравитационных данных, используемых для построения военных карт. Эти данные являют собой уровни мгновенных возмущений гравитационного поля Земли , которые могут быть использованы для определения изменений в распределении масс Земли , что в свою очередь может быть востребовано для проведения различных геологических исследований.

Акустические и около-акустические применения

• Сонар : пассивный гидролокатор , регистрирует звуковые волны, исходящие от других объектов (судно, кит и т.д.); активный гидролокатор , излучает импульсы звуковых волн и регистрирует отраженный сигнал. Используется для обнаружения, определения местоположения и измерения параметров подводных объектов и местности.
• Сейсмографы - специальный измерительный прибор, который используется для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн . При помощи сейсмограмм, снятых в разных местах определенной территории, можно определить эпицентр землетрясения и измерить его амплитуду (после того как оно произошло) путём сравнения относительных интенсивностей и точного времени колебаний.
• УЗИ : датчики ультразвукового излучения , которые испускают высокочастотные импульсы и регистрируют отраженный сигнал. Используется для обнаружения волн на воде и определения уровня воды.

При координации серий масштабных наблюдений, большинство систем зондирования зависят от следующих факторов: расположения платформы и ориентации датчиков . Высококачественные инструменты в настоящее время часто используют позиционную информацию от спутниковых систем навигации . Вращение и ориентация часто определяется электронными компасами с точностью около одного – двух градусов . Компасы могут измерять не только азимут (т.е. градусное отклонение от магнитного севера), но и высоты (значение отклонения от уровня моря), так как направление магнитного поля относительно Земли зависит от широты , на которой происходит наблюдение. Для более точного ориентирования необходимо применение инерциальной навигации , с периодическими поправками различными методами, включая навигацию по звездам или известным ориентирам.

Обзор основных приборов дистанционного зондирования

• Радары , в основном, применяются в системах контроля воздушного трафика, раннего оповещения, мониторинга лесного покрова, сельском хозяйстве и для получения метеорологических данных большого масштаба. Радар Допплера используется правоохранительными организациями для контроля скоростного режима автотранспорта, а также для получения метеорологических данных о скорости и направлении ветра, местоположении и интенсивности осадков. Другие типы получаемой информации включают в себя данные об ионизированном газе в ионосфере. Интерферометрический радар искусственной апертуры используется для получения точных цифровых моделей рельефа больших участков местности (см RADARSAT , TerraSAR-X , Magellan).
• Лазерные и радиолокационные высотомеры на спутниках обеспечивают получение широкого спектра данных. Измеряя отклонения уровня воды океана, вызванные гравитацией , данные приборы отображают особенности рельефа морского дна с разрешением порядка одной мили. Измеряя высоту и длину волны океанских волн при помощи высотомеров, можно узнать скорость и направление ветра, а также скорость и направление поверхностных океанических течений.
• Ультразвуковые (акустические) и радиолокационные датчики используются для измерения уровня моря, приливов и отливов, определения направления волн в прибрежных морских регионах.
• Технология светового обнаружения и определения дальности (ЛИДАР) хорошо известна своим применением в военной сфере, в частности, в лазерной навигации снарядов. ЛИДАР Ы используется также для обнаружения и измерения концентрации различных химических веществ в атмосфере, в то время как ЛИДАР на борту самолета может быть использован для измерения высоты объектов и явлений на земле с большей точностью, чем та, которая может быть достигнута при помощи радиолокационной техники. Дистанционное зондирование растительности также является одним из основных применений ЛИДАР а.
• Радиометры и фотометры являются наиболее распространенными используемыми инструментами. Они фиксируют отраженное и испускаемое излучение в широком диапазоне частот. Наиболее распространенными являются датчики видимого и инфракрасного диапазонов, затем идут микроволновые , датчики гамма-лучей и, реже, датчики ультрафиолета . Эти приборы также могут быть использованы для обнаружения эмиссионного спектра различных химических веществ, предоставляя данные об их концентрации в атмосфере.
• Стереоизображения , полученные при помощи аэрофотосъёмки часто используются при зондировании растительности на поверхности Земли, а также для построения топографических карт при разработке потенциальных маршрутов путём анализа изображений местности, в сочетании с моделированием особенностей окружающей среды, полученных наземными методами.
• Мультиспектральные платформы, такие как Landsat активно использовались начиная с 70-х годов. Эти приборы использовались для построения тематических карт путём получения изображений в нескольких длинах волн электромагнитного спектра (мульти-спектра) и, как правило, они применяются на спутниках наблюдения за Землей. Примерами таких миссий являются в том числе программа Landsat или спутник IKONOS . Карты растительного покрова и землепользования, полученные методом тематического картографирования могут быть использованы для разведки полезных ископаемых, обнаружения и мониторинга использования земель, вырубки лесов, и изучения здоровья растений и сельскохозяйственных культур, в том числе огромных участков сельскохозяйственных земель или лесных массивов. Космические снимки программы Landsat используются регулирующими органами для контроля параметров качества воды, включая глубину Секки , плотность хлорофилла и общее содержание фосфора . Метеорологические спутники используются в метеорологии и климатологии .
• Методом спектральной визуализации получают изображения, в которых каждый пиксель содержит полную спектральную информацию, отображая узкие спектральные диапазоны в пределах непрерывного спектра. Приборы спектральной визуализации используются для решения различных задач, в том числе применяются в минералогии , биологии , военном деле , измерениях параметров окружающей среды.
• В рамках борьбы с опустыниванием , дистанционное зондирование позволяет наблюдать за областями, которые находятся в зоне риска в долгосрочной перспективе, определять факторы опустынивания , оценивать глубину их воздействия, а также предоставлять необходимую информацию лицам, ответственным за принятие решений по принятию соответствующих мер охраны окружающей среды.

Обработка данных

При ДЗЗ, как правило, применяется обработка цифровых данных, т. к. именно в этом формате получают данные ДЗЗ в настоящее время. В цифровом формате проще производить обработку и хранение информации. Двумерное изображение в одном спектральном диапазоне можно представить в виде матрицы (двухмерного массива) чисел I (i, j) , каждое из которых представляет интенсивность излучения, принятого датчиком от элемента поверхности Земли, которому соответствует один пиксель изображения.

Изображение состоит из n x m пикселей, каждый пиксель имеет координаты (i, j) - номер строки и номер колонки. Число I (i, j) - целое и называется уровнем серого (или спектральной яркостью) пикселя (i, j) . Если изображение получено в нескольких диапазонах электромагнитного спектра, то его представляет трехмерная решетка, состоящая из чисел I (i, j, k) , где k - номер спектрального канала. С математической точки зрения нетрудно обработать цифровые данные, полученные в таком виде.

Для того чтобы правильно воспроизвести изображение по цифровым записям, поставляемым пунктами приема информации, необходимо знать формат записи (структуру данных), а также число строк и столбцов. Используют четыре формата, которые упорядочивают данные как:

• последовательность зон (Band Sequental, BSQ );
• зоны, чередующиеся по строкам (Band Interleaved by Line, BIL );
• зоны, чередующиеся по пикселям (Band Interleaved by Pixel, BIP );
• последовательность зон со сжатием информации в файл методом группового кодирования (например, в формате jpg).

В BSQ -формате каждый зональный снимок содержится в отдельном файле. Это удобно, когда нет необходимости работать сразу со всеми зонами. Одну зону легко прочитать и визуализировать, зональные снимки можно загружать в любом порядке по желанию.

В BIL -формате зональные данные записываются в один файл строка за строкой, при этом зоны чередуются по строкам: 1-ая строка 1-ой зоны, 1-ая строка 2-ой зоны, ..., 2-ая строка 1-ой зоны, 2-ая строка 2-ой зоны и т. д. Такая запись удобна, когда выполняется анализ одновременно всех зон.

В BIP -формате зональные значения спектральной яркости каждого пикселя хранятся последовательно: сначала значения первого пикселя в каждой зоне, затем значения второго пикселя в каждой зоне и т. д. Такой формат называют совмещенным. Он удобен при выполнении по-пиксельной обработки многозонального снимка, например, в алгоритмах классификации.

Групповое кодирование используют для уменьшения объема растровой информации. Такие форматы удобны для хранения больших снимков, для работы с ними необходимо иметь средство распаковки данных.

Файлы изображений обычно снабжаются следующей дополнительной информацией, относящейся к снимкам:

• описание файла данных (формат, число строк и столбцов, разрешение и т. д.);
• статистические данные (характеристики распределения яркостей - минимальное, максимальное и среднее значение, дисперсия);
• данные о картографической проекции.

Дополнительная информация содержится либо в заголовке файла изображения, либо в отдельном текстовом файле с именем, совпадающим с именем файла изображения.

По степени сложности различаются следующие уровни обработки КС, предоставляемых пользователям:

• 1А - радиометрическая коррекция искажений, вызванных разницей в чувствительности отдельных датчиков.
• 1В - радиометрическая коррекция на уровне обработки 1А и геометрическая коррекция систематических искажений сенсора, включая панорамные искажения, искажения, вызванные вращением и кривизной Земли, колебанием высоты орбиты спутника.
• 2А - коррекция изображения на уровне 1В и коррекция в соответствии с заданной геометрической проекцией без использования наземных контрольных точек. Для геометрической коррекции используется глобальная цифровая модель рельефа (ЦМР, DEM ) с шагом на местности 1 км. Используемая геометрическая коррекция устраняет систематические искажения сенсора и проектирует изображение в стандартную проекцию (UTM WGS-84 ), с использованием известных параметров (спутниковые эфемеридные данные, пространственное положение и т. д.).
• 2В - коррекция изображения на уровне 1В и коррекция в соответствии с заданной геометрической проекцией с использованием контрольных наземных точек;
• 3 - коррекция изображения на уровне 2В плюс коррекция с использованием ЦМР местности (ортотрансформирование).
• S - коррекция изображения с использованием контрольного изображения.

Качество данных, получаемых в результате дистанционного зондирования, зависит от их пространственного, спектрального, радиометрического и временного разрешения.

Пространственное разрешение

Характеризуется размером пикселя (на поверхности Земли), записываемого в растровую картинку - обычно варьируется от 1 до 4000 метров.

Спектральное разрешение

Данные Landsat включают семь полос, в том числе инфракрасного спектра, в пределах от 0.07 до 2.1 мкм. Сенсор Hyperion аппарата Earth Observing-1 способен регистрировать 220 спектральных полос от 0.4 до 2.5 мкм, со спектральным разрешением от 0.1 до 0.11 мкм.

Радиометрическое разрешение

Число уровней сигнала, которые сенсор может регистрировать. Обычно варьируется от 8 до 14 бит, что дает от 256 до 16 384 уровней. Эта характеристика также зависит от уровня шума в инструменте.

Временное разрешение

Частота пролёта спутника над интересующей областью поверхности. Имеет значение при исследовании серий изображений, например при изучении динамики лесов. Первоначально анализ серий проводился для нужд военной разведки, в частности для отслеживания изменений в инфраструктуре, передвижений противника.

Для создания точных карт на основе данных дистанционного зондирования, необходима трансформация, устраняющая геометрические искажения. Снимок поверхности Земли аппаратом, направленным точно вниз, содержит неискаженную картинку только в центре снимка. При смещении к краям расстояния между точками на снимке и соответствующие расстояния на Земле все более различаются. Коррекция таких искажений производится в процессе фотограмметрии . С начала 1990-х большинство коммерческих спутниковых изображений продается уже скорректированными.

Кроме того, может требоваться радиометрическая или атмосферная коррекция. Радиометрическая коррекция преобразует дискретные уровни сигнала, например от 0 до 255, в их истинные физические значения. Атмосферная коррекция устраняет спектральные искажения, внесенные наличием атмосферы.

В рамках программы NASA Earth Observing System были сформулированы уровни обработки данных дистанционного зондирования:

Обучение и образование

В большинстве высших учебных заведений обучение дистанционному зондированию осуществляется на кафедрах географии. Актуальность дистанционного зондирования постоянно увеличивается в современном информационном обществе. Данная дисциплина представляет собой одну из ключевых технологий аэрокосмической промышленности и представляет большое экономическое значение - например, новые датчики TerraSAR-X и RapidEye постоянно развиваются, и спрос на квалифицированную рабочую силу также непрерывно растет. Кроме того, дистанционное зондирование имеет чрезвычайно большое влияние на повседневную жизнь, начиная от сводки погоды до прогнозирования изменения климата и стихийных бедствий. В качестве примера, 80% немецких студентов пользуется услугами Google Earth; только в 2006 году программа была загружена 100 млн раз. Однако исследования показывают, что только незначительная часть этих пользователей имеет фундаментальные знания о данных, с которыми они работают. На данный момент существует огромный пробел в знаниях между использованием и пониманием спутниковых снимков. Обучение принципам дистанционного зондирования носит весьма поверхостный характер в подавляющем большинстве учебных заведений, вопреки наличию острой необходимости улучшить качество преподавания данного предмета. Многие из продуктов компьютерного программного обеспечения, специально разработанные для изучения дистанционного зондирования еще не были внедрены в образовательную систему, в основном, из-за своей сложности. Таким образом, во многих случаях данная дисциплина либо вовсе не включена в учебную программу, либо не включает в себя курс научного анализа аналоговых изображений. Практически, предмет дистанционного зондирования требует консолидации физики и математики, а также высокой компетенции в использовании средств и методов, отличных от простой визуальной интерпретации спутниковых изображений.

ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ
сбор информации об объекте или явлении с помощью регистрирующего прибора, не находящегося в непосредственном контакте с данным объектом или явлением. Термин "дистанционное зондирование" обычно включает в себя регистрацию (запись) электромагнитных излучений посредством различных камер, сканеров, микроволновых приемников, радиолокаторов и других приборов такого рода. Дистанционное зондирование используется для сбора и записи информации о морском дне, об атмосфере Земли, о Солнечной системе. Оно осуществляется с применением морских судов, самолетов, космических летательных аппаратов и наземных телескопов. Науки, ориентированные на полевые работы, к числу которых относятся такие, как геология, лесоводство и география, также обычно используют дистанционное зондирование для сбора данных в целях проведения своих исследований.
См. также
СПУТНИК СВЯЗИ ;
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ .

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Дистанционное зондирование охватывает теоретические исследования, лабораторные работы, полевые наблюдения и сбор данных с борта самолетов и искусственных спутников Земли. Теоретические, лабораторные и полевые методы важны также для получения информации о Солнечной системе, и когда-нибудь их начнут использовать для изучения других планетных систем Галактики. Некоторые наиболее развитые страны регулярно запускают искусственные спутники для сканирования поверхности Земли и межпланетные космические станции для исследований дальнего космоса.
См. также
ОБСЕРВАТОРИЯ ;
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА ;
ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ ;
КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ .
Системы дистанционного зондирования. В системе такого типа имеются три основных компонента: устройство для формирования изображения, среда для регистрации данных и база для проведения зондирования. В качестве простого примера такой системы можно привести фотографа-любителя (база), использующего для съемки реки 35-мм фотоаппарат (прибор-визуализатор, формирующий изображение), который заряжен высокочувствительной фотопленкой (регистрирующая среда). Фотограф находится на некотором расстоянии от реки, однако регистрирует информацию о ней и затем сохраняет ее на фотопленке.
Устройства формирования изображений, регистрирующая среда и база. Приборы, формирующие изображения, делятся на четыре основные категории: фото- и кинокамеры, многоспектральные сканеры, радиометры и активные радиолокаторы. Современные однообъективные зеркальные фотокамеры создают изображение, фокусируя ультрафиолетовое, видимое или инфракрасное излучение, приходящее от объекта, на фотопленке. После проявления пленки получается постоянное (способное сохраняться длительное время) изображение. Видеокамера позволяет получать изображение на экране; постоянной записью в этом случае будет соответствующая запись на видеоленте или фотоснимок, сделанный с экрана. Во всех других системах визуализации изображений используются детекторы или приемники, обладающие чувствительностью на определенных длинах волн спектра. Фотоэлектронные умножители и полупроводниковые фотоприемники, используемые в сочетании с оптико-механическими сканерами, позволяют регистрировать энергию ультрафиолетового, видимого, а также ближнего, среднего и дальнего ИК-участков спектра и преобразовывать ее в сигналы, которые могут давать изображения на пленке. Энергия микроволн (диапазон сверхвысоких частот, СВЧ) подобным же образом трансформируется радиометрами или радиолокаторами. В сонарах для получения изображений на фотопленке используется энергия звуковых волн.
См. также
СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН ;
РАДИОЛОКАЦИЯ ;
ГИДРОЛОКАТОР . Приборы, используемые для визуализации изображений, размещают на различных базах, в том числе на земле, судах, самолетах, воздушных шарах и космических летательных аппаратах. Специальные камеры и телевизионные системы повседневно используются для съемки представляющих интерес физических и биологических объектов на земле, на море, в атмосфере и космосе. Специальные камеры замедленной киносъемки применяются для регистрации таких изменений земной поверхности, как эрозия морских берегов, движение ледников и эволюция растительности.
Архивы данных. Фотоснимки и изображения, сделанные в рамках программ аэрокосмической съемки, надлежащим образом обрабатываются и сохраняются. В США и России архивы для таких информационных данных создаются правительствами. Один из основных архивов такого рода в США, EROS (Earth Resources Obsevation Systems) Data Center, подчиненный Министерству внутренних дел, хранит ок. 5 млн. аэрофотоснимков и ок. 2 млн. изображений, полученных со спутников "Лендсат", а также копии всех аэрофотоснимков и космических снимков поверхности Земли, хранящихся в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). К этой информации имеется открытый доступ. Обширные фотоархивы и архивы других изоматериалов имеются у различных военных и разведывательных организаций.
Анализ изображений. Самая важная часть дистанционного зондирования - анализ изображений. Такой анализ может выполняться визуально, визуальными методами, усиленными применением компьютера, и целиком и полностью компьютером; последние два включают в себя анализ данных в цифровой форме. Первоначально большинство работ по анализу данных, полученных дистанционным зондированием, выполнялось визуальным исследованием индивидуальных аэрофотоснимков или путем использования стереоскопа и наложения фотоснимков с целью создания стереомодели. Фотоснимки были обычно черно-белыми и цветными, иногда черно-белыми и цветными в ИК-лучах или - в редких случаях - многозональными. Основные пользователи данных, получаемых при аэрофотосъемке, - это геологи, географы, лесоводы, агрономы и, конечно, картографы. Исследователь анализирует аэрофотоснимок в лаборатории, чтобы непосредственно извлечь из него полезную информацию, нанести ее затем на одну из базовых карт и определить области, в которых надо будет побывать во время полевых работ. После проведения полевых работ исследователь еще раз оценивает аэрофотоснимки и использует полученные из них и в результате полевых съемок данные для окончательного варианта карты. Такими методами подготавливают к выпуску множество разных тематических карт: геологических, карт землепользования и топографических, карт лесов, почв и посевов. Геологи и другие ученые ведут лабораторные и полевые исследования спектральных характеристик различных природных и цивилизационных изменений, происходящих на Земле. Идеи таких исследований нашли применение в конструкции многоспектральных сканеров MSS, которые используются на самолетах и КЛА. Искусственные спутники Земли "Лендсат" 1, 2 и 4 имели на борту MSS с четырьмя спектральными полосами: от 0,5 до 0,6 мкм (зеленая); от 0,6 до 0,7 мкм (красная); от 0,7 до 0,8 мкм (ближняя ИК); от 0,8 до 1,1 мкм (ИК). На спутнике "Лендсат 3" используется, кроме того, полоса от 10,4 до 12,5 мкм. Стандартные составные изображения с применением метода искусственного окрашивания получаются при комбинированном использовании MSS с первой, второй и четвертой полосами в сочетании с синим, зеленым и красным фильтрами соответственно. На спутнике "Лендсат 4" c усовершенствованным сканером MSS тематический картопостроитель позволяет получать изображения в семи спектральных полосах: трех - в области видимого излучения, одной - в ближней ИК-области, двух - в средней ИК-области и одной - в тепловой ИК-области. Благодаря этому прибору пространственное разрешение было улучшено почти втрое (до 30 м) по сравнению с тем, что давал спутник "Лендсат", на котором использовался только сканер MSS. Поскольку чувствительные датчики спутников не предназначались для стереоскопической съемки, дифференцировать те или иные особенности и явления в пределах одного конкретного изображения пришлось, используя спектральные различия. Сканеры MSS позволяют различать пять широких категорий земных поверхностей: вода, снег и лед, растительность, обнаженная порода и почва, а также объекты, связанные с деятельностью человека. Научный работник, хорошо знакомый с исследуемой областью, может выполнить анализ изображения, полученного в одной широкой полосе спектра, каким, например, является черно-белый аэрофотоснимок, который в типичном случае получается при регистрации излучений с длинами волн от 0,5 до 0,7 мкм (зеленая и красная области спектра). Однако с увеличением числа новых спектральных полос глазам человека становится все труднее проводить различия между важными особенностями похожих тонов в различных участках спектра. Так, например, только один съемочный план, снятый со спутника "Лендсат" с помощью MSS в полосе 0,5-0,6 мкм, содержит ок. 7,5 млн. пикселов (элементов изображения), у каждого из которых может быть до 128 оттенков серого в пределах от 0 (черный цвет) до 128 (белый цвет). При сравнении двух изображений одной и той же области, сделанных со спутника "Лендсат", приходится иметь дело с 60 млн. пикселов; одно изображение, полученное с "Лендсат 4" и обработанное картопостроителем, содержит около 227 млн. пикселов. Отсюда с очевидностью следует, что для анализа таких изображений необходимо использовать компьютеры.
Цифровая обработка изображений. При анализе изображений компьютеры используются для сравнения значений шкалы серого (диапазона дискретных чисел) каждого пиксела снимков, сделанных в один и тот же день либо в несколько разных дней. Системы анализа изображений выполняют классификацию специфических особенностей съемочного плана в целях составления тематической карты местности. Современные системы воспроизведения изображений позволяют воспроизводить на цветном телевизионном мониторе одну или несколько спектральных полос, отработанных спутником со сканером MSS. Подвижный курсор устанавливают при этом на один из пикселов или на матрицу пикселов, находящихся в пределах некоторой конкретной особенности, например водоема. Компьютер выполняет корреляцию всех четырех MSS-полос и классифицирует все другие части изображения, полученного со спутника, которые характеризуются аналогичными наборами цифровых чисел. Исследователь может затем пометить цветным кодом участки "воды" на цветном мониторе, чтобы составить "карту", показывающую все водоемы на спутниковом снимке. Эта процедура, известная под названием регулируемой классификации, позволяет систематически классифицировать все части анализируемого снимка. Имеется возможность идентификации всех основных типов земной поверхности. Описанные схемы классификации с помощью компьютера довольно просты, однако окружающий нас мир сложен. Вода, например, совсем не обязательно имеет единственную спектральную характеристику. В пределах одного съемочного плана водоемы могут быть чистыми или грязными, глубокими или мелкими, частично покрытыми водорослями или замерзшими, и каждый из них обладает собственной спектральной отражательной способностью (а значит, и своей цифровой характеристикой). В системе интерактивного анализа цифрового изображения IDIMS используется схема нерегулируемой классификации. IDIMS автоматически помещает каждый пиксел в один из нескольких десятков классов. После компьютерной классификации сходные классы (например, пять или шесть водных классов) могут быть собраны в один. Однако многие участки земной поверхности имеют довольно сложные спектры, что затрудняет однозначное установление различий между ними. Дубовая роща, например, может оказаться на изображениях, полученных со спутника, спектрально неотличимой от кленовой рощи, хотя на земле эта задача решается очень просто. По спектральным же характеристикам дуб и клен относятся к широколиственным породам. Компьютерная обработка алгоритмами идентификации содержания изображения позволяет заметно улучшить MSS-изображение по сравнению со стандартным.
ПРИМЕНЕНИЯ
Данные дистанционного зондирования служат основным источником информации при подготовке карт землепользования и топографических карт. Метеорологические и геодезические спутники NOAA и GOES используются для наблюдения за изменением облачности и развитием циклонов, в том числе таких, как ураганы и тайфуны. Изображения, получаемые со спутников NOAA, используются также для картирования сезонных изменений снегового покрова в северном полушарии в целях климатических исследований и изучения изменений морских течений, знание которых позволяет сократить продолжительность морских перевозок. Микроволновые приборы на спутниках "Нимбус" используются для картирования сезонных изменений в состоянии ледового покрова в морях Арктики и Антарктики.
См. также
ГОЛЬФСТРИМ ;
МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ . Данные дистанционного зондирования с самолетов и искусственных спутников во все более широких масштабах используются для наблюдения за природными пастбищами. Аэрофотоснимки очень эффективны в лесоводстве благодаря достигаемому на них высокому разрешению, а также точному измерению растительного покрова и его изменения со временем.

И все же именно в геологических науках дистанционное зондирование получило наиболее широкое применение. Данные дистанционного зондирования используются при составлении геологических карт с указанием типов пород, а также структурных и тектонических особенностей местности. В экономической геологии дистанционное зондирование служит ценным инструментом для поиска месторождений полезных ископаемых и источников геотермальной энергии. Инженерная геология пользуется данными дистанционного зондирования для выбора мест строительства, отвечающих заданным требованиям, определения мест залегания строительных материалов, контроля за проведением горных работ с поверхности и за рекультивацией земель, а также для проведения инженерных работ в приморской зоне. Кроме того, эти данные используются при оценках сейсмической, вулканической, гляциологической и других опасностей геологического происхождения, а также в таких ситуациях, как лесные пожары и промышленные аварии.

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

К ним относятся например такие важные как проблемы экологии и мониторинга окружающей среды природопользование и эффективное управление земельными ресурсами военное дело борьба с терроризмом картографирование и другие. Фактически ДЗ начало свой путь в 1840х годах когда пилоты воздушных шаров получили картинки земной поверхности используя новейшее изобретение – фотокамеру. В этом случае мы наблюдаем множество объектов и особенностей на поверхности такими какими бы они выглядели на тематической карте в их действительных...

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

PAGE \* MERGEFORMAT 2

Лекция. Введение в ДЗ

Обработка и дешифрирование аэрокосмических изображений является актуальным и перспективным направлением научно-практической деятельности человечества. Происходит это потому, что оперативное получение материалов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса позволяет решать целый круг весьма сложных и важных задач, находить ответы на многие интересующие вопросы. Эти вопросы охватывают практически все сферы повседневной жизни людей. К ним относятся, например, такие важные, как проблемы экологии и мониторинга окружающей среды, природопользование и эффективное управление земельными ресурсами, военное дело, борьба с терроризмом, картографирование и другие.

Обработка и дешифрирование аэрокосмических изображений являются неотъемлемой составляющей дистанционного зондирования (ДЗ). Дадим несколько наиболее известных определений ДЗ.

Дистанционное зондирование — получение и измерение данных о некоторых характеристиках явления, объекта или материала записывающим устройством, не находящимся в физическом, непосредственном контакте с объектом исследования; технические приемы, включающие в себя накопление знаний о свойствах окружения путем измерения силовых полей, электромагнитного излучения или акустической энергии с применением камер, лазеров, радиоприемников, радарных систем, сонаров, теплорегистрирующих устройств, сейсмографов, магнетометров, гравиметров, сцинтиллометров и других инструментальных средств.

Дистанционное зондирование – это технология, базирующаяся на распознавании электромагнитных и силовых полей с целью получения и интерпретации геопространственных данных для выявления информации о характерных особенностях, объектах и классах на Земной поверхности, в океанах и атмосфере, а также (если это возможно) на других космических объектах.

Дистанционное зондирование связано с регистрацией и измерением фотонов различной энергии, исходящих из удаленных материалов, с целью обеспечения возможности идентификации и категоризации по классу/типу, веществу и пространственному распределению.

Дистанционное зондирование – получение информации об объекте по данным измерений, сделанных на расстоянии от объекта, т. е. без прямого контакта с объектом.

Понятие ДЗ появилось в XIX веке вслед за изобретением фотографии.
В одной из первых областей, в которых стали применять этот метод, стала астрономия. Впоследствии, ДЗ начали использовать в военной области для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений. Фактически ДЗ начало свой путь в 1840-х годах, когда пилоты воздушных шаров получили картинки земной поверхности, используя новейшее изобретение – фотокамеру.

4 октября 1957 года СССР осуществил вывод на орбиту первого искусственного спутника Земли – Спутник-1.

12 апреля 1961 года в 9 часов 7 минут по московскому времени с космодрома Байконур стартовал космический корабль “Восток” с пилотом-космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным на борту. Первый полет человека длился 108 минут – космонавт приземлился неподалеку от деревни Смеловки в Саратовской области.

Возможности ДЗ США в военной области были очень значительны и еще более возросли после 1960 года в результате запуска разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON и LANYARD

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

Первый специализированный спутник для целей ДЗ был запущен в 1972 году. Он назывался ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) и использовался, в основном, для целей сельского хозяйства. В настоящее время спутники этой серии носят название Landsat. Они предназначены для регулярной многозональной съемки территорий со средним разрешением.

Дистанционное зондирование включает использование инструментов, или сенсоров, для «захвата» спектральных и пространственных отношений между объектами и материалами, наблюдаемыми с расстояния – обычно, находясь над ними. Как правило, мы обозреваем наш мир с более или менее горизонтальной точки зрения, поскольку живем на его поверхности. Но, при этих условиях, то, что мы видим, ограничено областью в несколько квадратных километров по причине наличия различных препятствий – зданий, деревьев, складок местности. Видимая нами область значительно увеличивается, если мы смотрим вниз, например, с высокого здания или вершины горы. Она увеличивается еще больше – до сотен квадратных километров, если мы бросаем взгляд вниз с авиалайнера, летящего на высоте 10 километров. С вертикальной или значительно возвышенной перспективы, наши впечатления о поверхности под нами заметно отличается от того, когда мы осматриваем окружающий мир, находясь в некоторой точке этой поверхности. В этом случае мы наблюдаем множество объектов и особенностей на поверхности такими, какими бы они выглядели на тематической карте в их действительных пространственных и контекстных взаимосвязях. Именно поэтому дистанционное зондирование очень часто осуществляется с платформ, таких как самолеты или космические аппараты, имеющих бортовые датчики, регистрирующие и анализирующие с высоты объекты и особенности территории на больших площадях. Это практичный, упорядоченный и эффективный в отношении цены путь получения и обновления информации об окружающем нас мире.

Далее приведён краткий список космических аппаратов, которые использовались, а некоторые и используются, для ДЗ земной поверхности, океанов и наблюдения за погодой. В скобках указан год запуска первого из спутников серии.

Группа 1 – в основном наблюдения земной поверхности:

Landsat (1973); Seasat (1978); HCMM (1978); SPOT (France) (1986);

RESURS (Russia) (1985); IRS (India) (1986); ERS (1991); JERS (Japan) (1992); Radarsat (Canada) (1995); ADEOS (Japan) (1996). Современные : WorldView, EO-1, QuickBird, OrbView, Сич -2, EgypetSat, Ikonos, Terra, TerraSAR-X, TanDEM-X и др .

Группа 2 – в основном метеорологические наблюдения:

TIROS (1960); Nimbus (1964); ESSA (1966); ATS (g) (1966);

Российские Kosmos (1968) и Meteor (1969); ITOS (1970); SMS (g) (1975);

NOAA (1-5) (1976); Meteosat (1978); NOAA (6-14) (1982);

Группа 3 – в основном океанографические наблюдения:

Seasat (1978); Nimbus 7 (1978) включал CZCS (Coastal Zone Color Scanner), который измерял концентрацию хлорофилла в морской воде; Topex-Poseidon (1992); SeaWiFS (1997). Современные : Океан-О , Terra, Aqua.

Этот очень небольшой (перечислены одни из самых известных) и постоянно пополняющийся список убеждает в том, что дистанционное зондирование стало широко используемым технологическим и научным инструментом, используемым для мониторинга планетных поверхностей и атмосферы. Расходы на наблюдение Земли и других планет, начиная с первых дней космических программ по настоящее время, превысили 150 миллиардов долларов. Большая часть этих денег была направлена на практические приложения, в основном фокусирующиеся на управлении природными ресурсами и окружающей средой.

Области применения данных ДЗЗ

На данный момент сложно найти передовую отрасль, направление деятельности людей, где не применялись технологии ДЗ. Рассмотрим кратко основные области применения данных ДЗ.

Сельское, лесное и охотничье хозяйство . В данной области данные ДЗ применяют для различения типов вегетации и их состояния, оценки площадей посевов, лесных и охотничьих угодий по типам культур, определяют состояние почв и площади выгоревших участков.

Картография и землепользование . При решении различных задач землепользования с использованием данных ДЗ важнейшими являются классификация, картографирование и обновление карт, категоризация земель, разделение урбанизированных и сельских районов, региональное планирование, картирование транспортных сетей, картирование границ водасуша.

Геология . Это одна из первых областей, при изучении которой активно использовалась съемка с воздушных шаров, самолетов и, впоследствии, с космических платформ. Наиболее часто данные ДЗ используют в этой области для различения типов пород, картирования больших геологических образований, обновления геологических карт и поиска указаний на определенные минералы.

Водные ресурсы . При исследовании водных ресурсов с использованием данных ДЗ чаще всего специалисты определяют границы водных объектов, их площади и объемы, исследуют мутность и турбулентность, проводят картирование областей затопления и границ снежного покрова, динамику их изменения.

Океанография и морские ресурсы . При решении задач в этой области актуальными являются обнаружение живых морских организмов, исследование течений, картирование береговой линии, картирование отмелей и мелей, картирование льдов для целей судовождения, а также исследование морских волн.

Окружающая среда . Пожалуй, наиболее актуальными для использования данных ДЗ является именно эта область. Вопросы безопасности и мониторинга окружающей среды стоят перед современным человечеством наиболее остро. Данные ДЗ активно используются для мониторинга разработок полезных ископаемых, картирования и мониторинга загрязнения поверхностных вод, обнаружения атмосферного загрязнения, определения последствий стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций, а также мониторинга воздействия человеческой активности на окружающую среду в целом.

Таким образом, одними из наиболее распространенных задач в представленных областях, использующих данные ДЗ, являются задачи мониторинга и наблюдения за определенными территориями земной поверхности и атмосферы, обновление и составление карт, а также составление тематических карт и атласов .

Как известно топографические карты дают человеку представление об окружающем мире и позволяют легко ориентироваться даже на незнакомой местности. Однако топографические карты крупных масштабов, таких как 1:10 000 – 1:50 000, достаточно редко доступны простому потребителю, в то время, как с развитием сети Internet и картографического сервиса Google Earth , доступны космические изображения поверхности Земли с высоким пространственным разрешением. Это дает возможность не только использовать их для ориентировки на местности, но и помогает вносить коррективы в имеющиеся старые топографические карты. Городские службы, активно занимающиеся обновлением топографических карт населенных пунктов, наиболее заинтересованы в получении периодической съемки с высоким разрешением определенных участков земной поверхности.

В качестве первичного материала для топографических карт традиционно использовались аэрофотоснимки. Космические цифровые снимки открывают новые возможности: удешевление повторных съемок, увеличение площади охвата местности и снижение искажений, вызванных рельефом. Кроме того, упрощается генерализация изображения на мелкомасштабных картах: вместо трудоемкого упрощения крупномасштабных карт можно сразу использовать космические снимки среднего разрешения. Поэтому съемки из космоса используют все шире и в перспективе могут стать основным методом обновления топографических карт .

При выборе снимков для составления карт определенного масштаба учитывают графическую точность рисовки и печати карт (0,1 мм). Например, снимки должны иметь пространственное разрешение не хуже 100 м для карт масштаба 1:1 000 000 и не хуже 10 м для карт масштаба 1:100 000.

При обновлении карт наносятся лишь изменения контуров элементов, а при составлении карт необходимо определить точное положение этих элементов. Поэтому для составления топографических карт требуются снимки более высокого разрешения, чем для их обновления. Следует также учитывать, что при составлении и обновлении топографических карт определенного масштаба одни и те же типы космических снимков могут быть пригодны или непригодны для различных элементов содержания топографических карт .

На основе материалов издания в табл. 1.3 представлены рекомендуемые масштабы для составления и обновления топографических, обзорно-топографических и обзорных карт по космическим снимкам.

и пространственного разрешения для составления (С) и обновления (О) карт

Пр.* – пространственное разрешение космической съемки

Космические снимки широко используются для обновления геологических, геоморфологических, гидрологических, океанологических, метеорологических, геоботанических, почвенных, ландшафтных карт. Для каждого типа тематических карт имеется своя методика их составления обновления по космическим снимкам, использующая в определенном сочетании рисунок снимка и значения яркости в каждой его точке (соответствующие спектральной отражательной способности поверхности, ее температуре или другим характеристикам, в зависимости от типа снимка). Использование космических снимков при составлении тематических карт способствует увеличению детальности карты и рисовке контуров, в большей мере соответствующих природному рисунку.

При тематическом картографировании требования к точности нанесения положения объекта обычно несколько ниже, чем для топографических карт. Поэтому по одним и тем же снимкам можно составлять тематические карты более крупного масштаба.

Следует отметить, что использование космических снимков, в сочетании с полевыми исследованиями, позволяет оперативно обновлять различные серии государственных карт, в том числе карты лесной таксации, карты почв, геоботанические карты.