Дистанционные методы. Методы дистантной психологической диагностики

№ 26. Дистанционные методы исследований в современной географии

Данные дистанционного зондирования

Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных и космических аппаратов, судов и подводных лодок, наземных станций. Некоторые виды дистанционного зондирования схематически изображены на рис. 10.1. Получаемые документы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида и высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также от природных особенностей местности, атмосферных условий и т.п.

Главные качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления карт, - это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков и изучения труднодоступных территорий. Благодаря этому данные дистанционного зондирования нашли в

картографии разнообразное применение: их используют для составления и оперативного обновления топографических и тематических карт, картографирования малоизученных и труднодоступных районов (например, высокогорий). Наконец, аэро- и космические снимки служат источниками для создания общегеографических и тематических фотокарт (см. разд. 11.5).

Съемки ведут в видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой зонах спектра. При этом снимки могут быть черно-белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже - для лучшей различимости некоторых объектов - ложно-цветными, т.е. выполненными в условных цветах. Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почти не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ночная темнота тоже не помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое время суток.

Фотографические снимки - это результат покадровой регистрации собственного или отраженного излучения земных объектов на светочувствительную пленку. Аэрофотоснимки получают с самолетов, вертолетов, воздушных шаров, космические снимки --со спутников и космических кораблей, подводные - с подводных судов и барокамер, опускающихся на глубину, а наземные - с помощью фототеодолитов.

Кроме одиночных плановых снимков в качестве источников используют стереопары, монтажи, фотосхемы и фотопланы, панорамные снимки и фотопанорамы, фронтальные (вертикальные) фотоснимки и др.

В отличие от фотографических, телевизионные снимки и телепанорамы получают путем регистрации изображения на светочувствительных экранах передающих телевизионных камер (видико-нов). Съемка с борта самолета или со спутника захватывает довольно большую полосу местности - шириной от 1 до 2 тыс. км в зависимости от высоты полета и технических характеристик съемочной системы. Высокоорбитальные спутники позволяют получать изображение всей планеты в целом и в режиме реального времени передавать его на наземные пункты приема дистанционной информации. Поэтому телевизионная съемка удобна для оперативного картографирования и слежения (мониторинга) за земными объектами и процессами. Однако по своему разрешению и величине геометрических искажений телевизионные изображения уступают фотоснимкам.

Телевизионные снимки бывают узко- и широкополосными, они охватывают разные зоны спектра, могут иметь разную развертку и т.п. Особый вид источников - фототелевизионные снимки, в которых детальность фотографий сочетается с оперативностью передачи изображений по телевизионным каналам.

Наиболее широко в картографировании используют сканерные снимки, полосы, «сцены», получаемые путем поэлементной и построчной регистрации излучения объектов земной поверхности. Само слово «сканирование» означает управляемое перемещение луча или пучка (светового, лазерного и др.) с целью последовательного обзора (осмотра) какого-либо участка.

В ходе съемки с самолета или спутника сканирующее устройство (качающееся зеркало или призма) последовательно, полоса за полосой, просматривает местность поперек направления движения носителя. Отраженный сигнал поступает на точечный фотоприемник, и в результате получаются снимки с полосчатой или строчной структурой, причем строки состоят из небольших элементов - пикселов. Каждый из них отражает суммарную усредненную яркость небольшого участка местности, так что детали внутри пиксела неразличимы. Пиксел - это элементарная ячейка сканерного изображения.

При полете съемка ведется постоянно, и поэтому сканирование охватывает широкую непрерывную полосу (или ленту) местности. Отдельные участки полосы называют сценами. В целом сканерные изображения уступают по качеству кадровым фотографическим снимкам, однако оперативное получение изображений в цифровой форме имеет громадное преимущество перед другими видами съемки.

Существует ряд модификаций сканерной съемки, дающих изображения с иными геометрическими и радиометрическими свойствами. Так, сканирующие устройства с линейками полупроводниковых приемников обеспечивают съемку сразу целой строки, причем она получается в проекции, близкой к центральной, что существенно уменьшает геометрические искажения. На этом принципе основана съемка с помощью многоэлементных линейных и матричных приемников излучения (приборов с зарядовой связью - ПЗС). Они дают возможность получать по каналам радиосвязи снимки очень высокого разрешения на местности - до нескольких метров.

Для картографирования обширных территорий используют монтажи сканерных снимков и даже особые сканерные «фотопортреты», которые передают облик крупных участков планеты, материков и стран так, как они видны из космоса.

Радиолокационные снимки получают со спутников и самолетов, а гидролокационные снимки - при подводной съемке дна озер, морей и океанов. Бортовые радиолокаторы бокового обзора, установленные на аэро-, космических и подводных носителях, ведут съемку по правому и левому бортам перпендикулярно к направлению движения носителя.

Благодаря боковому обзору на снимках прекрасно проявляется рельеф местности, отчетливо читаются детали его расчленения, характер шероховатости. При съемке океанов хорошо видно волнение водной поверхности. Радиолокация позволила впервые подробно картографировать рельеф далеких планет.

Среди новых видов локационных изображений отметим снимки, получаемые в ультрафиолетовом и видимом диапазонах с по-мощью лазерных локаторов - лидаров. Непрерывное техническое совершенствование сканерных и локационных систем, множественность съемочных диапазонов, возможности их широкого комбинирования - все это создает поистине неисчерпаемое разнообразие источников для тематического картографирования.

Особое значение для картографирования имеет многозональная съемка. Суть ее в том, что одна и та же территория (или акватория) одновременно фотографируется или сканируется в нескольких сравнительно узких зонах спектра. Комбинируя зональные снимки, можно получать так называемые синтезированные изображения, на которых наилучшим образом проявлены те или иные объекты. Например, подбирая разные сочетания, можно добиться наилучшего изображения водных объектов, геологических отложений определенного минералогического состава, разных пород леса, сельскохозяйственных угодий под теми или иными культурами и т.п. Поэтому материалы многозональной съемки - ценнейший источник, в особенности для составления тематических карт.

Дистанционные методы - методы изучения Земли и других космических тел с воздушных или космических летательных аппаратов. В состав дистанционных методов входят аэросъемка, космическая съемка, дешифрование снимков, а также визуальные наблюдения: осмотр территории наблюдателем с борта летательного аппарата.

Аэросъемка - съемка земной поверхности с летательных аппаратов с использованием съемочных систем (приемников информации), работающих в различных участках спектра электромагнитных волн. Различают: -фотографическую аэросъемку (аэрофотосъемку); - телевизионную аэросъемку; - тепловую аэросъемку; - радиолокационную аэросъемку; и - многозональную аэросъемку.

Получаемые в результате аэроснимки (аэрофотоснимки) могут быть: - плановыми, если ось снимающего аппарата располагалась отвесно; или - перспективными, если ось снимающего аппарата располагалась наклонно.

В зависимости от высоты съемки и применяемой аппаратуры снимки имеют разные масштаб, подробность и обзорность.

Дешифрование снимков - исследование аэро- и космических снимков, определение объектов, которые на них изображены, установление между ними взаимосвязей. Дешифрование снимков - важнейший дистанционный метод изучения Земли.

Начало формы

Космическая съемка - фотографическая, телевизионная и т.п. съемка Земли, небесных тел и космических явлений аппаратурой, находящейся за пределами атмосферы Земли (на искусственных спутниках Земли, космических кораблях и т.п.) и дающей изображения в различных областях электромагнитного спектра.

Получаемые в результате космической съемки космические снимки отличаются от аэроснимков гораздо большей обзорностью, огромным охватом территории: на снимке среднего масштаба 3-4 тыс.кв.км, на снимке мелкого масштаба - десятки тысяч кв.км. Средний масштаб космических снимков Земли 1:1000000, 1:10000000.

В зависимости от положения оси снимающего аппарата различают плановую и перспективную космические съемки.

Для наблюдения Земли из космоса используют дистанционные методы: исследователь имеет возможность на расстоянии получать информацию об изучаемом объекте.

Дистанционные методы, как правило, являются косвенными, т.е. с их помощью измеряют не интересующие нас параметры объектов, а некоторые связанные с ними величины. Например, нам необходимо оценить состояние сельскохозяйственных посевов. Но аппаратура спутника регистрирует лишь интенсивность светового потока от этих объектов в нескольких участках оптического диапазона. Чтобы "расшифровать" такие данные, требуются предварительные исследования, включающие в себя различные эксперименты по изучению состояния растений контактными методами; по изучению отражательной способности листьев в различных участках спектра и при различном взаимном расположении источника света (Солнца), листьев и измерительного прибора. Далее необходимо определить, как выглядят те же объекты с самолета, и лишь после этого судить о состоянии посевов по спутниковым данным.

Дистанционные методы делят на активные и пассивные. При использовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика), регистрирует его отражение. Радиолокация позволяет "видеть" Землю сквозь облака. Чаще используются пассивные методы, когда регистрируется отраженная поверхностью энергия Солнца либо тепловое излучение Земли. Главными достоинствами космических средств, при использовании их для изучения природных ресурсов и контроля окружающей среды являются: оперативность, быстрота получения информации, возможно доставки её потребителю непосредственно в ходе приёма с КА, разнообразие форм наглядность результатов, экономичность.

Таблица №1 Диапазоны волн электромагнитных излучений.

Методы изучения Земли из космоса не случайно относят к высоким технологиям. Это связано не только с использованием ракетной техники, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, но и с новым подходом к получению интерпретации результатов измерений. И хотя трудоемкие подспутниковые исследования проводятся на небольшой площади, они дают возможность обобщать данные на огромные пространства и даже на весь земной шар. Широта охвата является характерной чертой спутниковых методов исследования Земли. К тому же эти методы, как правило, позволяют получать результат за сравнительно короткий интервал времени.Конец формы

Начало формы

Фотографическую съемку поверхности Земли с высот более 150 - 200 км принято называть космической. Отличительной чертой КС является высокая степень обзорности, охват одним снимком больших площадей поверхности. В зависимости от типа применяемой аппаратуры и фотопленок, фотографирование может производиться во всем видимом диапазоне электромагнитного спектра, в отдельных его зонах, а также в ближнем ИК (инфракрасном) диапазоне.

Масштабы съемки зависят от двух важнейших параметров: высоты съемки и фокусного расстояния объектива. Космические фотоаппараты в зависимости от наклона оптической оси позволяют получать плановые и перспективные снимки земной поверхности. В настоящее время для съемок из космоса наиболее часто используются многоспектральные оптико-механические системы - сканеры, установленные на ИСЗ различного, назначения. При помощи сканеров формируются изображения, состоящие из множества отдельных, последовательно получаемых элементов. Термин "сканирование" обозначает развертку изображения при помощи сканирующего элемента (качающегося или вращающегося зеркала), поэлементно просматривающего местность поперек движения носителя и посылающего лучистый поток в объектив и далее на точечный датчик, преобразующий световой сигнал в электрический. Этот электрический сигнал поступает на приемные станции по каналам связи. Изображение местности получают непрерывно на ленте, составленной из полос - сканов, сложенных отдельными элементами - пикселями. Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, но особенно эффективным является видимый и ИК-диапазоны.

Радиолокационная (РЛ) или радарная съемка - важнейший вид дистанционных исследований. Используется в условиях, когда непосредственное наблюдение поверхности планет затруднено различными природными условиями: плотной облачностью, туманом и т. п. Она может проводиться в темное время суток, поскольку является активной. Для радарной съемки обычно используются радиолокаторы бокового обзора (ЛБО), установленные на самолетах и ИСЗ.

С помощью ЛБО радиолокационная съемка осуществляется в радиодиапазоне электромагнитного спектра. Сущность съемки заключается в посылке радиосигнала, отражающегося по нормали от изучаемого объекта и фиксируемого на приемнике, установленном на борту носителя. Радиосигнал вырабатывается специальным генератором. Время возвращения его в приемник зависит от расстояния до изучаемого объекта. Этот принцип работы радиолокатора, фиксирующего различное время прохождения зондирующего импульса до объекта и обратно, используется для получения РЛ-снимков. Изображение формируется бегущим по строке световым пятном. Чем дальше объект, тем больше времени надо на прохождение отражаемого сигнала до его фиксации электронно-лучевой трубкой, совмещенной со специальной кинокамерой.

Инфракрасная (ИК), или тепловая, съемка основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным теплом или солнечным излучением. 0на. широко применяется в геологии. Температурные неоднородности поверхности Земли возникают в результате неодинакового нагрева различных ее участков.

Спектрометрическая (СМ) съемка проводится с целью измерения отражательной способности горных пород. Знание значений коэффициента спектральной яркости горных пород расширяет возможности реологического дешифрирования, придает ему большую достоверность. Горные породы имеют различную отражательную способность, поэтому отличаются величиной коэффициента спектральной яркости.

Лидарная съемка является активной и основана на непрерывном получении отклика от отражающей поверхности, подсвечиваемой лазерным монохроматическим излучением с фиксированной длиной волны. Частота излучателя настраивается на резонансные частоты поглощения сканируемого компонента (например, приповерхностного метана), так что в случае его заметных концентраций соотношение откликов в точках концентрирования и в вне их будут резко повышенными. Фактически - лидарная спектрометрия это геохимическая съемка приповерхностных слоев атмосферы, ориентированная на обнаружение микроэлементов или их соединений, концентрирующихся над современно активными геоэкологическими объектами.

Современный мир не перестает удивлять нас новыми открытиями и достижениями. В наши дни человек владеет колоссальными знаниями. Область его интересов и деятельность ограничиваются не только Землей, а выходят и за ее пределы.

Наука и технологии служат человеку в первую очередь для улучшения качества его жизни и становятся теми средствами, с помощью которых можно находить более эффективные способы решения экономических, экологических и социальных проблем.

Сегодня все более активно используются данные о нашей планете, получаемые с искусственных спутников и пилотируемых космических аппаратов. Они называются данными дистанционного (удаленного) зондирования. Этот широко применяемый в наши дни термин - синоним словосочетаний «изображение Земли из космоса» и «космические снимки Земли». К основным достоинствам дистанционного зондирования можно отнести возможность мониторинга (от лат. monitor - тот, кто предупреждает) или регулярных наблюдений за динамикой географических процессов.

Дистанционные методы исследования окружающей среды были известны еще в древнем Риме. В XVIII в. люди научились получать первые снимки-рисунки различных объектов с помощью фотокамеры - камеры-обскуры (от лат. camera - комната и obscura - темная). С развитием фотографии появилась возможность моментально получать детальные и точные снимки. Сначала проводилась фотосъемка местности (с воздушных шаров и воздушных змеев, позднее - с аэростатов и аэропланов). Первый космический снимок Земли был сделан в I960 г.

За последние годы развитие компьютерных технологий и ГИС привели к тому, что данные спутникового мониторинга нашли применение в самых разных областях - от сельского хозяйства до геоэкологии. Это позволило оперативно реагировать на малейшие изменения в окружающей среде и предупреждать опасные явления и процессы.

Одно из известных вам направлений использования космических снимков - метеорология. Изучение - одна из самых сложных научно-практических задач. Возможности дистанционных методов зондирования позволили вести наблюдение за на обширных пространствах в режиме реального времени и отслеживать формирование (определять тип и мощность облачности, получать ее стереоскопическое изображение, измерять температуру и т.д.). Слежение за формированием и передвижением позволило заранее прогнозировать опасные для человека явления природы (ураганы, смерчи, торнадо) и тем самым предупреждать их тяжелые последствия.

Космическая съемка незаменима при составлении метеопрогнозов, прогнозировании опасных атмосферных явлений, при исследовании Земли. Она позволяет определять местоположение локальных источников загрязнения (теплоэлектростанций, целлюлозно-бумажных комбинатов и др.) и вести наблюдение за экологической ситуацией в районах захоронения токсичных отходов.

Важное практическое направление использования космоснимков - учет природных ресурсов. Дистанционное зондирование значительно упростило оценку их запасов, особенно в труднодоступных районах. Так, при изучении стало проще производить подсчет площадей лесов, определять тип лесонасаждений и возраст деревьев, доминирующие породы и объем биомассы. Упростились не только картографирование лесных массивов, но и контроль за их сохранностью, включая контроль за рубками, границами водоохранных зон и т.п.

Спутниковые данные помогают раннему (оперативному) обнаружению пожаров. Известно, что при площади очага пожара менее 5 га его ликвидация осуществляется десантом всего из 4-б человек, то есть относительно легко и быстро.

Природные стихийные бедствия, такие как наводнения, ураганы, землетрясения, торнадо и другие, наносят огромный экономический ущерб и приводят к человеческим жертвам. Поэтому мониторинг чрезвычайных ситуаций очень важен. Использование дистанционных методов зондирования позволяет прогнозировать возникновение чрезвычайных ситуаций, локализировать опасные явления на начальных стадиях развития и значит - уменьшить возможный ущерб.

В настоящее время наземные службы России контролируют 27% площади лесного фонда, 47% - находятся под охраной авиационной лесной службы. Неохраняемая площадь составляет 26%, или около 300 млн га. Над этой площадью контроль осуществляется только при помощи спутниковой съемки. С ее помощью можно выявить вновь возникающие очаги пожара даже под дымовой завесой, а в случае возгорания торфа - даже при отсутствии открытого пламени.

Применение дистанционного зондирования в изучении минеральных ресурсов позволяет исследовать условия залегания горных пород и оценить объемы предполагаемых месторождений. Эффективно использование космических снимков и при поиске нефти, природного газа, угля, решении проблем развития альтернативных источников энергии, таких как геотермальная, энергия солнца и ветра, а также при строительстве и эксплуатации атомных и гидроэлектростанций.

Космические снимки используют для изучения водных и биоресурсов, в частности для определения запасов фитопланктона и рыбного промысла, для исследования ареалов обитания различных видов животных.

Применение космических снимков в сельском хозяйстве позволяет повысить эффективность использования земель, так как они «видят» районы с угнетенной и помогают определить, куда и сколько нужно внести удобрений, где и как часто производить полив, когда можно собирать урожай.

Применение космических снимков для исследования морских акваторий также позволяет решать разнообразные хозяйственные задачи: исследовать ледовую обстановку, осуществлять контроль над рыболовством. Кроме того, они обеспечивают проведение мониторинга температурного режима и солености воды, изучение изменений береговой линии шельфа. Особенно заинтересованы в дистанционном зондировании морских акваторий научно-исследовательские организации и компании, занимающиеся добычей морепродуктов и в шельфовой зоне и обеспечивающие судоходство и навигацию.

Космические снимки позволяют оценить и льда, что вместе с анализом температурных показателей дает возможность прогнозировать скорость таяния снега и предупреждать наводнения. Обнаружение и локализация ледяных , на сибирских реках, например, позволяют избежать резкого подъема уровня воды и связанных с ним бедствий.

Развитие хозяйственной деятельности неразрывно связано с использованием природных ресурсов. Интенсивное их потребление в прошлом веке привело к существенному ухудшению экологической ситуации во многих районах страны. Система спутникового мониторинга помогает своевременно обнаруживать загрязнения водных объектов и почв, воздуха и , мест разрывов нефте- и газопроводов, оценить выбросы загрязняющих веществ промышленными предприятиями и своевременно бороться с проблемами обезлесения и опустынивания.

На сегодняшний день практически не осталось направлений в исследовании Земли, в которых бы не использовались космические снимки. Применение спутникового мониторинга дает возможность управлять территориями, правильно и своевременно принимать решения в случае возникновения чрезвычайной ситуации.

Напомним, что для дешифрирования космического снимка в первую очередь необходимо определить, какое это явление (объект) изображено на снимке и на какой территории. Затем - найти явление (объект) на карте, определить его географическое положение, качественные и количественные характеристики.

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) -- получение информации о земной поверхности (включая расположенные на ней объекты) без непосредственного контакта с ней, путем регистрации приходящего от нее электромагнитного излучения. Методы дистанционного зондирования основаны на том, что любой объект излучает и отражает электромагнитную энергию в соответствии с особенностями его природы. Различия в длинах волн и интенсивности излучения могут быть использованы для познания свойств удаленного объекта без непосредственного контакта с ним.

Дистанционное зондирование сегодня -- это огромное разнообразие методов получения изображений практически во всех диапазонах длин волн электромагнитного спектра от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного и радиодиапазона, самая разная обзорность изображений -- от снимков с метеорологических геостационарных спутников, охватывающих практически целое полушарие, до детальных съемок участка в несколько сотен квадратных метров. Дистанционные методы исследования окружающей среды ведут свою историю с древнейших времен. Например, еще в Древнем Риме существовали изображения различных географических объектов в виде планов на стенах зданий. В XVIII в. размеры и пространственное положение предметов определяли по их рисованным изображениям в центральной проекции, которые получали с помощью камеры-обскуры с возвышенных мест и судов. Исследователи создавали снимки-рисунки, графически фиксируя оптическое изображение. При этом уже при съемке производился отбор и обобщение деталей объекта.

Следующими этапами в развитии дистанционных методов стали открытие фотографии, изготовление фотообъектива и изобретение стереоскопа. Фотографическая регистрация оптического изображения позволила получать практически моментальные снимки, которые отличались объективностью, детальностью и точностью. Фотографии местности, сделанные с высоты птичьего полета с воздушных шаров и воздушных змеев, сразу же получили высокую картографическую оценку. Для различных военных и гражданских целей использовались снимки с привязных аэростатов и аэропланов. Первые самолетные съемки совершили революцию в дистанционном зондировании, но они не позволяли получать необходимые мелкомасштабные изображения. Однако в 1920--1930-е гг. фотосъемка местности с самолетов широко применялась для создания лесных, топографических, геологических карт, для изыскательских работ. Следующим этапом (с 1945 г. до конца 1950-х гг.) стало использование баллистических ракет для изучения растительности, типов использования земель, для нужд гидрометеорологии и геологии и при исследованиях природной среды.

Началом систематического обзора поверхности Земли из космоса можно считать запуск 1 апреля 1960 г. американского метеорологического спутника Tiros-1 (Television and Infrared Observation Satellite). Первый отечественный спутник аналогичного назначения, «Космос-122», был выведен на орбиту 25 июня 1966 г. Работа спутников серии «Космос» («Космос-144» и «Космос-156») позволила создать метеорологическую систему, впоследствии разросшуюся в специальную службу погоды (система «Метеор»). Со второй половины 1970-х гг. космические съемки стали проводиться в массовом порядке с автоматических спутников. Первым спутником, нацеленным на исследование природных ресурсов Земли, стал американский космический аппарат (КА) ERTS (Earth Resources Technological Satellite), впоследствии переименованный в Landsat, дававший снимки с пространственным разрешением 50--100 м.

По настоящему широкие перспективы открылись перед дистанционным зондированием с развитием компьютерных технологий, переносом всех основных операций по обработке и использованию данных съемок на компьютеры, особенно в связи с появлением и широким распространением географических информационных систем (ГИС). Сейчас задачи оперативного спутникового контроля природных ресурсов, исследования динамики протекания природных процессов и явлений, анализа причин, прогнозирования возможных последствий и выбора способов предупреждения чрезвычайных ситуаций считаются неотъемлемым атрибутом методологии сбора информации о состоянии интересующей территории (страны, края, города), необходимой для принятия правильных и своевременных управленческих решений. Особая роль отводится спутниковой информации в ГИС, где результаты дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса служат регулярно обновляемым источником данных, необходимых для формирования природоресурсных кадастров и других приложений, охватывая весьма широкий спектр масштабов -- от 1:10 000 до 1:10 000 000. Основной продукт космического мониторинга -- снимок, то есть двумерное изображение, полученное в результате дистанционной регистрации техническими средствами собственного или отраженного излучения и предназначаемое для обнаружения, качественного и количественного изучения объектов, явлений и процессов путем дешифрирования, измерения и картографирования. Космические снимки имеют большую познавательную ценность, усиленную их особыми свойствами, такими как большая обзорность, генерализованность изображения, комплексное отображение всех компонентов геосферы, регулярная повторяемость через определенные интервалы времени, оперативность поступления информации, возможность ее получения для объектов, недоступных изучению другими средствами.

Генерализация изображения на космических снимках включает геометрическое и тоновое обобщение рисунка изображения и зависит от ряда факторов -- технических (масштаб и разрешение снимков, метод и спектральный диапазон съемки) и природных (влияние атмосферы, особенности территории). В результате такой генерализации изображение многих черт земной поверхности на снимках освобождается от частностей, в то же время разрозненные детали объединяются в единое целое, поэтому более четко выступают объекты высших таксономических уровней, крупные региональные и глобальные структуры, зональные и планетарные закономерности. Влияние генерализации изображения на дешифрируемость космических снимков двойственное. Сильно обобщенное изображение уменьшает возможность детального изучения снимка, в частности, влечет ошибки дешифрирования. Однако в других ситуациях обобщенность изображения космических снимков становится их достоинством. Это свойство позволяет использовать их для составления тематических карт в средних и мелких масштабах без трудоемкого детального многоступенчатого перехода от крупных масштабов карт к мелкомасштабным картам, что обеспечивает экономию времени и средств. Кроме того, оно дает преимущества смыслового, содержательного плана -- на космических снимках выявляются важные объекты, скрытые на снимках более крупных масштабов.

Космические снимки можно классифицировать по разным признакам: в зависимости от выбора регистрируемых излучательных и отражательных характеристик, что определяется спектральным диапазоном съемки; от технологии получения изображений и передачи их на Землю, во многом обусловливающей качество снимков; от параметров орбиты космического носителя и съемочной аппаратуры, определяющих масштаб съемки, обзорность, разрешение снимков и т. п.

По спектральному диапазону космические снимки делятся на три основные группы:

снимки в видимом и ближнем инфракрасном70световом) диапазоне;

снимки в тепловом инфракрасном диапазоне;

снимки в радиодиапазоне.

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

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

Снимки в радиодиапазоне делятся на микроволновые радиометрические, получаемые при пассивной регистрации излучения, и радиолокационные, получаемые при активной локации. По масштабу космические снимки делятся на мелкомасштабные, среднемасштабные и крупномасштабные. По обзорности (площадному охвату территории одним снимком) снимки подразделяют на: глобальные (охватывающие освещенную часть планеты), региональные (изображающие части материков или крупные регионы), локальные (изображающие части регионов). По пространственному разрешению (минимальной линейной величине регистрируемых объектов) снимки разделяют на группы от очень низкого до сверхвысокого разрешения. По детальности изображения, определяемой размерами элементов изображения и их количеством на единицу площади, выделяют снимки малой, средней, большой и очень большой детальности.

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

Введение

Стремительное развитие космонавтики, успехи в изучение околоземного и межпланетного космического пространства, выявилось весьма высокая эффективность использования околоземного космоса и космических технологий в интересах многих наук о Земле: география, гидрология, геохимия, геология, океанология, геодезия, гидрология, землеведение.

Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного прогнозирования погоды и гидрометеорологической обстановки, для навигации на морских путях и авиационных трассах, для высокоточной геодезии, изучения природных ресурсов Земли и контроля среды обитания становится все более привычным. В ближайшей и в более отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космической техники в различных областях хозяйства значительно возрастет

Дистанционные методы

Дистанционные методы - общее название методов изучения наземных объектов и космических тел неконтактным путём на значительном расстоянии (например, с воздуха или из космоса) различными приборами в разных областях спектра (Рис.1). Дистанционные методы позволяют оценивать региональные особенности изучаемых объектов, выявляемые на больших расстояниях. Термин получил распространение после запуска в 1957 первого в мире искусственного спутника Земли и съёмки обратной стороны Луны советской автоматической станцией "Зонд-3" (1959).

Рис. 1. Основные геометрические параметры сканирующей системы: - угол обзора; Х и У - линейные элементы сканирования; dx и dy - элементы изменения мгновенного угла зрения; W - направление движения

Различают активные дистанционные методы, основанные на использовании отражённого объектами излучения после облучения их искусственными источниками, и пассивные , которые изучают собственное излучение тел и отражённое ими солнечное. В зависимости от расположения приёмников дистанционные методы подразделяют на наземные (в том числе надводные), воздушные (атмосферные, или аэро-) и космические. По типу носителя аппаратуры дистанционные методы различают самолётные, вертолётные, аэростатные, ракетные, спутниковые дистанционные методы (вгеолого-геофизических исследованиях - аэрофотосъёмка, аэрогеофизическая съёмка и космическая съёмка). Отбор, сравнение и анализ спектральных характеристик в разных диапазонах электромагнитного излучения позволяют распознать объекты и получить информацию об их размере, плотности, химическом составе, физических свойствах и состоянии. Для поисков радиоактивных руд и источников используется g-диапазон, для установления химического состава горных пород и почв - ультрафиолетовая часть спектра; световой диапазон наиболее информативен при изучении почв и растительного покрова, инфракрасная (ИК) - даёт оценки температур поверхности тел, радиоволны - информацию о рельефе поверхности, минеральном составе, влажности и глубинных свойствах природных образований и об атмосферных слоях.

По типу приёмника излучения дистанционные методы подразделяют на визуальные, фотографические, фотоэлектрические, радиометрические и радиолокационные. В визуальном методе (описание, оценка и зарисовки) регистрирующим элементом является глаз наблюдателя. Фотографические приёмники (0,3-0,9 мкм) обладают эффектом накопления, однако они имеют различную чувствительность в разных областях спектра (селективны). Фотоэлектрические приёмники (энергия излучения преобразуется непосредственно в электрический сигнал при помощи фотоумножителей, фотоэлементов и других фотоэлектронных приборов) также селективны, но более чувствительны и менее инерционны. Для абсолютных энергетических измерений во всех областях спектра, и особенно в ИК, используют приёмники, преобразующие тепловую энергию в другие виды (чаще всего в электрические), для представления данных в аналоговой или цифровой форме на магнитных и других носителях информации для их анализа при помощи ЭВМ. Видеоинформация, полученная телевизионными, сканерными (рис.), панорамными камерами, тепловизионными, радиолокационными (бокового и кругового обзора) и другими системами, позволяет изучить пространственное положение объектов, их распространённость, привязать их непосредственно к карте.

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 и его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением.

В современном облике дистанционного зондирования выделяются два взаимосвязанных направления - естественно-научное (дистанционные исследования) и инженерно-техническое (дистанционные методы), что нашло отражение в широко распространенных англоязычных терминах remote sensing и remote sensing techniques. Понимание сущности дистанционного зондирования неоднозначно. Аэрокосмическая школа Московского университета им. М.В.Ломоносова в качестве предмета дистанционного зондирования как научной дисциплины рассматривает пространственно-временные свойства и отношения природных и социально-экономических объектов, проявляющиеся прямо или косвенно в собственном или отраженном излучении, дистанционно регистрируемом из космоса или с воздуха в виде двумерного изображения - снимка. Эта существенная часть дистанционного зондирования названа аэрокосмическим зондированием (АКЗ) , что подчеркивает его преемственность с традиционными аэрометодами. Метод аэрокосмического зондирования основан на использовании снимков, которые, как свидетельствует практика, представляют наибольшие возможности для комплексного изучения земной поверхности.

Во всех странах действенным стимулом развития аэрокосмического зондирования служат запросы военных ведомств. С внедрением космических методов и современных цифровых технологий аэрокосмическое зондирование приобретает все более важное экономическое значение и становится обязательным элементом высшего образования в природоведческих вузах, превращается в мощное средство изучения Земли от локальных исследований отдельных компонентов до глобального изучения планеты в целом. Поэтому при изложении различных аспектов аэрокосмического зондирования целесообразно рассматривать его как метод исследований, результативно применяемый во всех науках о Земле, и, прежде всего в географии.

История и современное состояние аэрокосмического зондирования

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.

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).

Принципиальная технологическая схема дистанционных исследований Земли

Рис. 1

На рис.1 в обобщенном виде представлена принципиальная схема выполнения аэрокосмических исследований. Она включает основные технологические этапы: получение снимка объекта исследования и дальнейшую работу со снимками - их дешифрирование и фотограмметрическую обработку, а также конечную цель исследований - составленную по снимкам карту, геоинформационную систему, разработанный прогноз. Поскольку получить необходимые характеристики изучаемого объекта только по снимкам без каких-либо натурных определений, без обращения к «земной правде» в большинстве случаев невозможно, необходимо их эталонирование. Важным элементом исследований по снимкам является также оценка достоверности и точности полученных результатов. Для этого приходится привлекать другую информацию и обрабатывать ее иными методами, что требует дополнительных затрат.

Снимок - основное понятие аэрокосмического зондирования

Аэрокосмические снимки — основной результат аэрокосмических съемок, для выполнения которых используют разнообразные авиационные и космические носители (рис. 2). Аэрокосмические съемки делят на пассивные , которые предусматривают регистрацию отраженного солнечного или собственного излучения Земли, и активные , при которых выполняют регистрацию отраженного искусственного излучения.

Рис. 2

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 — пикселов (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.

Важными показателями снимка служат охват и пространственное разрешение . Обычно для исследований требуются снимки большого охвата и высокого разрешения. Однако удовлетворить эти противоречивые требования в одном снимке не удается. Обычно чем больше охват получаемых снимков, тем ниже их разрешение. Поэтому приходится идти на компромиссные решения либо выполнять одновременно съемку несколькими системами с различными параметрами.

Технологии получения и основные типы аэрокосмических снимков

Аэрокосмическую съемку ведут в окнах прозрачности атмосферы (рис.3), используя излучение в разных спектральных диапазонах - световом (видимом, ближнем и среднем инфракрасном), тепловом инфракрасном и радиодиапазоне.

Рис. 3

В каждом из них применяют разные технологии получения изображения и в зависимости от этого выделяются несколько типов снимков (рис.4).

Рис.4

Снимки в световом диапазоне делятся на фотографические и сканерные, которые в свою очередь подразделяются на полученные оптико-механическим сканированием (ОМ-сканерные) и оптико-электронным с использованием линейных приемников излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-сканерные). На таких снимках отображаются оптические характеристики объектов - их яркость, спектральная яркость. Применяя многозональный принцип съемки, получают в этом диапазоне многозональные снимки , а при большом числе съемочных зон - гиперспектральные , использование которых основано на спектральной отражательной способности объектов съемки, их спектральной яркости .

Проводя съемку с использованием приемников теплового излучения - тепловую съемку , - получают тепловые инфракрасные снимки. Съемку в радиодиапазоне ведут, применяя как пассивные, так и активные методы, и в зависимости от этого снимки делятся на микроволновые радиометрические, получаемые при регистрации собственного излучения исследуемых объектов, и радиолокационные снимки, получаемые при регистрации отраженного радиоизлучения, посылаемого с носителя - радиолокационной съемке .

Методы получения информации по снимкам: дешифрирование и фотограмметрические измерения

Необходимая для исследований информация (предметно-содержательная и геометрическая) извлекается из снимков двумя основными методами, это дешифрирование и фотограмметрические измерения

Дешифрирование, которое должно дать ответ на основной вопрос - что изображено на снимке, позволяет получать предметную, тематическую (в основном качественную) информацию об изучаемом объекте или процессе, его связях с окружающими объектами. В визуальном дешифрировании обычно выделяют чтение снимков и их интерпретацию (толкование). Умение читать снимки базируется на знании дешифровочных признаков объектов и изобразительных свойств снимков. Глубина же интерпретационного дешифрирования существенно зависит от уровня подготовки исполнителя. Чем лучше знает дешифровщик предмет своего исследования, тем полнее и достовернее информация, извлекаемая из снимка.

Фотограмметрическая обработка (измерения) призвана дать ответ на вопрос - где находится изучаемый объект и каковы его геометрические характеристики : размер, форма. Для этого выполняется трансформирование снимков, их изображение приводится в определенную картографическую проекцию. Это позволяет определять по снимкам положение объектов и их изменение во времени.

Современные компьютерные технологии получения информации по снимкам позволяют решать следующие группы задач:

визуализация цифровых снимков;
геометрические и яркостные преобразования снимков, включая их коррекцию;
конструирование новых производных изображений по первичным снимкам;
определение количественных характеристик объектов;
компьютерное дешифрирование снимков (классификация).

Для выполнения компьютерного дешифрирования применяют наиболее распространенный подход, основанный на спектральных признаках, в качестве которых служит набор спектральных яркостей, зарегистрированных многозональным снимком. Формальная задача компьютерного дешифрирования снимков сводится к классификации — последовательной «сортировке» всех пикселов цифрового снимка на несколько групп. Для этого предложены алгоритмы классификации двух видов — с обучением и без обучения, или кластеризации (от англ. cluster — скопление, группа). При классификации с обучением пикселы многозонального снимка группируются на основе сравнения их яркостей в каждой спектральной зоне с эталонными значениями. При кластеризации же все пикселы разделяют на группы-кластеры по какому-либо формальному признаку, не прибегая к обучающим данным. Затем кластеры, полученные в результате автоматической группировки пикселов, дешифровщик относит к тем или иным объектам. Достоверность компьютерного дешифрирования формально характеризуется отношением числа правильно классифицируемых пикселов к их общему числу.

Вычислительные алгоритмы, основанные на спектральных признаках отдельных пикселов, обеспечивают надежное решение только самых простых классификационных задач; они рационально включаются в качестве элементов в сложный процесс визуального дешифрирования, которое пока остается основным методом извлечения природной и социально-экономической информации из аэрокосмических снимков.

Применение аэрокосмического зондирования в картографировании и исследованиях Земли

Аэрокосмические снимки применяются во всех направлениях изучения Земли, но интенсивность их использования и результативность применения в разных областях исследований различны. Они чрезвычайно важны в исследованиях литосферы, показывая раздробленность геологического фундамента линейными разломами и кольцевыми структурами и облегчая поиски месторождений полезных ископаемых; в исследованиях атмосферы, где снимки дали основу метеорологических прогнозов; благодаря снимкам из космоса открыта вихревая структура океана, зафиксировано состояние растительного покрова Земли на рубеже веков и его изменения в последние десятилетия. Пока космические снимки значительно меньше применяются при социально-экономических исследованиях. Различаются и типы задач, решаемых по снимкам в разных предметных областях. Так, решение инвентаризационных задач реализуется при изучении природных ресурсов, например при картографировании почв, растительности, поскольку снимки наиболее полно отображают сложную пространственную структуру почвенно-растительного покрова. Оценочные задачи, оперативная оценка состояния экосистем выполняются в рамках исследований биопродуктивности океанов, ледового покрова морей, контроля за пожароопасной ситуацией в лесах. Прогностические задачи, использование снимков для моделирования и прогнозирования наиболее развито в метеорологии, где их анализ является основой прогнозов погоды, в гидрологии — для прогноза талого стока рек, паводков и наводнений. Начинаются исследования по прогнозированию сейсмической активности, землетрясений на основе анализа состояния литосферы и верхней атмосферы.

При работе со снимками используются все виды их обработки, но наиболее широко развито дешифрирование снимков, прежде всего визуальное, которое теперь подкрепляется возможностями компьютерных улучшающих преобразований и классификации изучаемых объектов по снимкам. Большое развитие получило создание по снимкам различных производных изображений на основе спектральных индексов. С выполнением гиперспектральной съемки стали создаваться десятки видов таких индексных изображений. Разработка методов интерферометрической обработки материалов радиолокационной съемк и открыла возможность высокоточных определений смещений земной поверхности. Переход к цифровым методам съемки, развитие цифровой стереоскопической съемки и создание цифровых фотограмметрических систем расширили возможности фотограмметрической обработки космических снимков, используемой главным образом для создания и обновления топографических карт.

Хотя одно из основных достоинств космических снимков заключается в совместном отображении всех компонентов земной оболочки, обеспечивающем комплексность исследований, тем не менее применение снимков в различных областях изучения Земли шло пока разрозненно, так как везде требовалась углубленная разработка собственных методик. Идея комплексных исследований наиболее полно реализована при выполнении в нашей стране программы комплексной картографической инвентаризации природных ресурсов, когда по снимкам создавались серии взаимоувязанных и взаимосогласованных карт. Осознание на рубеже веков экологических проблем, нависших над человечеством, и парадигма изучения Земли как системы вновь активизировали комплексные межотраслевые исследования.

Анализ применения снимков в разных направлениях исследований четко показывает, что при всем многообразии решаемых задач магистральный путь практического использования аэрокосмических снимков лежит через карту, которая имеет самостоятельное значение и, кроме того, служит базовой основой ГИС.