Способы дистанционного зондирования земли

Методы дистанционного зондирования Земли

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 изучения 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 ультрафиолетовой до дальней инфракрасной) и радиодиапазона, самая различная обзорность изображений — от снимков с метеорологических геостационарных спутников, охватывающих практически целое полушарие, до детальных аэросъемок участка в несколько сот квадратных метров.

Фотографические снимки поверхности Земли получают с пилотируемых кораблей и орбитальных станций или с автоматических спутников. 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 используется фотоаппаратура с высоким разрешением, позволяющая получать КС с перекрытием 60% и более. Спектральный диапазон фотографирования охватывает видимую часть ближней инфракрасной зоны (до 0,86 мкм).

Известные недостатки фотографического метода связаны с необходимостью возвращения пленки на Землю и ограниченным ее запасом на борту. Однако фотографическая съемка — в настоящее время самый информативный вид съемки из космического пространства. Оптимальный размер отпечатка 18х18 см, который, как показывает опыт, согласуется с физиологией человеческого зрения, позволяя видеть все изображение одновременно.

Для удобства пользования из отдельных КС, имеющих перекрытия, монтируются фотосхемы (фотомозаики) или фотокарты с топографической привязкой опорных точек с точностью 0,1 мм и точнее. Для монтажа фотосхем используются только плановые КС.

Для приведения разномасштабного, обычно перспективного КС к плановому используется специальный процесс, называемый трансформированием. Трансформированные КС с успехом используются для составления космофотосхем и космофотокарт и обычно легко привязываются к географической сетке координат.

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 — пикселами. Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, но особенно эффективным является видимый и ИК-диапазоны. При съемке земной поверхности с помощью сканирующих систем формируется изображение, каждому элементу которого соответствует яркость излучения участка, находящегося в пределах мгновенного поля зрения. Сканерное изображение — упорядоченный пакет яркостных данных, переданных по радиоканалам на Землю, которые фиксируются на магнитную ленту (в цифровом виде) и затем могут быть преобразованы в кадровую форму.

Различные методы сканирования поверхности Земли

Важнейшей характеристикой сканера являются угол сканирования (обзора) и мгновенный угол зрения, от величины которого зависят ширина снимаемой полосы и разрешение. В зависимости от величины этих углов сканеры делят на точные и обзорные. У точных сканеров угол сканирования уменьшают до ±5°, а у обзорных увеличивают до ±50°. Величина разрешения при этом обратно пропорциональна ширине снимаемой полосы.

Хорошо зарекомендовал себя сканер нового поколения, названный «тематическим картографом», которым были оснащены американские ИСЗ Landsat 5 и Landsat 7. Сканер типа «тематический картограф» работает в семи диапазонах с разрешением 30 м в видимом диапазоне спектра и 120 м в ИК-диапазоне. Этот сканер дает большой поток информации, обработка которой требует большего времени; в связи с чем замедляется скорость передачи изображения (число пикселов на снимках достигает более 36 млн. на каждом из каналов). Сканирующие устройства могут быть использованы не только для получения изображений Земли, но и для измерения радиации — сканирующие радиометры, и излучения — сканирующие спектрометры.

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.

Особенности оптической и радарной съёмки

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.

При дешифрировании радарных снимков следует учитывать тон изображения и его текстуру. Тоновые неоднородности РЛ-снимка зависят от литологических особенностей пород, размера их зернистости, устойчивости процессам выветривания. Тоновые неоднородности могут варьировать от черного до светлого цвета. Опыт работы с РЛ-снимками показал, что черный тон соответствует гладким поверхностям, где, как правило, происходит почти полное отражение посланного радиосигнала. Крупные реки всегда имеют черный тон. Текстурные неоднородности РЛ-изображения зависят от степени расчлененности рельефа и могут быть тонкосетчатыми, полосчатыми, массивными и др. Полосчатая текстура РЛ-изображения, например, характерна для горных районов, сложенных часто чередующимися слоями осадочных или метаморфических пород, массивная — для районов развития интрузивных образований. Особенно хорошо получается на РЛ-снимках гидросеть. Она дешифрируется лучше, чем на фотоснимках. Высокое разрешение РЛ-съемки в районах, покрытых густой растительностью, открывает широкие перспективы ее использования.

Радарные системы бокового обзора с конца 70-х годов стали устанавливать на ИСЗ. Так, например, первый радиолокатор был установлен на американском спутнике «Сисат», предназначенном для изучения динамики океанических процессов. Позднее был сконструирован радар, испытанный во время полетов космического корабля «Шаттл». Информация, полученная с помощью этого радара, представляется в виде черно-белых и ложноцветных синтезированных фото-, телеизображений или записей на магнитную ленту. Разрешающая способность 40 м. Информация поддается числовой и аналоговой обработке, такой же, что и сканерные снимки системы Landsat. Это в значительной мере способствует получению высоких результатов дешифрирования. Во многих случаях РЛ-снимки оказываются геологически более информативными, чем снимки спутников Landsat или других оптических сенсоров. Наилучший результат достигается и при комплексном дешифрировании материалов того и другого видов. РЛ-снимки успешно используются для изучения трудно- или недоступных территорий Земли — пустынь и областей, расположенных в высоких широтах, а также поверхность других планет.

Классичесими уже стали результаты картирования поверхности Венеры — планеты, покрытой мощным облачным слоем. Совершенствование РЛ-аппаратуры должно повлечь за собой дальнейшее повышение роли радиолокации в дистанционных исследованиях Земли, особенно при изучении ее геологического строения.

Инфракрасная (ИК), или тепловая, съемка основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным теплом или солнечным излучением. Она широко применяется в геологии. Температурные неоднородности поверхности Земли возникают в результате неодинакового нагрева различных ее участков. Инфракрасный диапазон спектра электромагнитных колебаний условно делится на три части (в мкм):

Солнечное (внешнее) и эндогенное (внутреннее) тепло нагревает геологические объекты по-разному в зависимости от литологических свойств пород, тепловой инерции, влажности, альбедо и многих других причин.

ИК-излучение, проходя через атмосферу, избирательно поглощается, в связи с чем тепловую съемку можно вести только в зоне расположения так называемых «окон прозрачности» — местах пропускания ИК-лучей. Опытным путем выделено четыре основных окна прозрачности (в мкм): 0,74—2,40; 3,40—4,20; 8,0—13,0; 30,0—80,0. Некоторые исследователи выделяют большее число окон прозрачности. в первом окне (до 0,84 мкм) используется отраженное солнечное излучение. Здесь можно применять специальные фотопленки и работать с красным фильтром. Съемка в этом диапазоне называется ИК-фотосъемкой.

В других окнах прозрачности работают измерительные приборы — тепловизоры, преобразующие невидимое ИК-излучение в видимое с помощью электроннолучевых трубок, фиксируя тепловые аномалии. На ИК-изображениях светлыми тонами фиксируются участки с низкими температурами, темными — с относительно более высокими. Яркость тона прямо пропорциональна интенсивности тепловой аномалии. ИК-съемку можно проводить в ночное время. На ИК-снимках, полученных с ИСЗ, четко вырисовывается береговая линия, гидрографическая сеть, ледовая обстановка, тепловые неоднородности водной среды, вулканическая деятельность и т.п. ИК-снимки используются для составления тепловых карт Земли. Линейно-полосовые тепловые аномалии, выявляемые при ИК-съемке, интерпретируются как зоны разломов, а площадные и концентрические — как тектонические или орографические структуры. Например, наложенные впадины Средней Азии, выполненные рыхлыми кайнозойскими отложениями, на ИК-снимках дешифрируются как площадные аномалии повышенной интенсивности. Особенно ценна информация, полученная в районах активной вулканической деятельности.

В настоящее время накоплен опыт использования ИК-съемки для изучения дна шельфа. Этим методом по разнице температурных аномалий поверхности воды получены данные о строении рельефа дна. При этом использован принцип, согласно которому при одинаковом облучении поверхности воды на более глубоких участках водных масс энергии на нагревание расходуется больше, чем на более мелких. В результате температура поверхности воды над более глубокими участками будет ниже, чем над мелкими. Этот принцип позволяет на ИК-изображениях выделять положительные и отрицательные формы рельефа, подводные долины, банки, гряды и т.п. ИК-съемка в настоящее время применяется для решения специальных задач, особенно при экологических исследованиях, поисках подземных вод и в инженерной геологии.

Дата добавления: 2015-01-05 ; просмотров: 185 ; Нарушение авторских прав

Источник

Дистанционное Зондирование Земли: Приборы И Применение

Радары и лазеры давно перестали быть просто захватывающими атрибутами фантастических кинофильмов, как это было десятки лет назад. Данные инновации широко используются для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с тех пор, как наука сделала гигантский шаг вперед.
С течением времени, дистанционное зондирование Земли из космоса нашло применение в различных сферах деятельности человека. Например, фермеры ежедневно пользуются преимуществами дистанционного зондирования в сельском хозяйстве. Многие важные решения принимаются с использованием данных RADARSAT, TerraSAR-X, SRTM, EOSDA, ERS, Sentinel, Landsat и других спутников ДЗЗ.

Активное Дистанционное Зондирование

Что такое дистанционное зондирование Земли? Дистанционное зондирование Земли из космоса – это исследование нашей планеты с помощью оптических и радарных спутников.

Классификация дистанционных методов зондирования Земли основана на типе источника сигнала для исследования объекта – активном или пассивном. Инструменты активного ДЗЗ сами способны излучать сигнал или имеют собственный источник света, а в пассивном ДЗЗ используется отраженный солнечный свет. Излучение также имеет разные длины волн и бывает коротковолновым (видимый, ближний и средний инфракрасный диапазон) и длинноволновым (микроволны).

Схема: Как работает активное дистанционное зондирование Земли

Радары и лидары – самые известные примеры активного метода дистанционного зондирования.

Инструменты Активного ДЗЗ

Каждый активный датчик дистанционного зондирования поверхности Земли направляет сигнал и анализирует результат – интенсивность полученного сигнала. В большинстве приборов ДЗЗ используются микроволны, поскольку на них относительно не влияют погодные условия. Технологии активного ДЗЗ бывают разные – в зависимости от того, что они передают (свет или волны) и что они измеряют (например, расстояние, высоту, атмосферные явления и т.д.):

• Радар – это прибор, в котором для измерения дальности применяются радиолокационные сигналы. Отличительной чертой радара является антенна, излучающая импульсы. Когда сигнал радара “наталкивается” на препятствие, он в той или иной мере возвращается. По интенсивности возвращенного сигнала и затраченному времени можно определить, насколько далеко от радара находится исследуемый объект.
• Лидар определяет расстояние с помощью света. Метод дистанционного зондирования Земли лидаром подразумевает передачу световых импульсов и измерение интенсивности возвращенного сигнала. Местонахождение исследуемого объекта на Земле и расстояние до него вычисляется умножением потребовавшегося времени на скорость света.
• Лазерный альтиметр (высотомер) измеряет высоту с помощью лидара.
• Инструменты для измерения дальности (дальномеры) определяют дальность с помощью одного или двух идентичных устройств на разных платформах, которые передают сигналы между собой.
• Эхолот изучает погодные условия вертикально путем излучения импульсов (если это прибор активного ДЗЗ).
• Скаттерометр (рефлектометр) – это специальное устройство для измерения возвращенного (рассеянного) излучения.

Активное Дистанционное Зондирование: Где Применяется И В Чем Преимущества

Кроме обширной области применения, преимуществом активных датчиков дистанционного зондирования Земли является практически полное отсутствие ограничений относительно условий работы. Активные датчики ДЗЗ полноценно функционируют в любое время суток, поскольку их работа не зависит от солнечного света. Кроме того, атмосферные рассеивания относительно не влияют на качество зондирования аппаратурой активного ДЗЗ.

Различные методы дистанционного зондирования Земли спутниками нашли применение как в научной сфере, так и в прикладных отраслях.

• Радиолокационная топографическая миссия шаттла (SRTM) собрала данные о рельефе Земли.
• Активное дистанционное зондирование поверхности нашей планеты из космоса с помощью лидара позволило составить цифровую модель карты высот планеты Земля.
• Дистанционное зондирование мирового океана и отдаленных точек нашей планеты критически важно для океанологии, экологии, нефтедобывающей промышленности, а также при проведении поисково-спасательных операций.
• Дистанционное зондирование лесов помогает обнаружить лесные пожары, обезлесение, оценить состояние лесных активов (в том чисте за счет болезней деревьев) и мониторить лесовосстановление.
• Дистанционное зондирование почвы активно используется в сельском хозяйстве.
• Эхолоты незаменимы при прогнозировании погоды, поскольку вертикально исследуют слои атмосферы и предоставляют данные о влажности, осадках, температуре и отсутствии или наличии облачного покрова.

Пассивное Дистанционное Зондирование Земли

В отличие от активных, пассивные датчики ДЗЗ не имеют собственного источника энергии, чтобы направить ее на исследуемый объект или поверхность Земли. Пассивное ДЗЗ зависит от природной энергии – солнечных лучей, которые отражает объект. По этой причине такой метод дистанционного зондирования Земли возможен только при достаточном количестве солнечного света – иначе отражать будет нечего.

В пассивном дистанционном зондировании применяются мультиспектральные и гиперспектральные датчики, которые измеряют полученное количество сигнала с помощью сочетаний разнообразных диапазонов. Эти сочетания могут включать разное количество каналов (с двумя длинами волн и более). Диапазоны охватывают спектры в пределах и за пределами восприятия органами зрения человека (видимый, инфракрасный, ближний, тепловой инфракрасный диапазон).

Данная технология ДЗЗ используется во многих отраслях. В частности, гиперспектральное дистанционное зондирование в геологическом картировании позволило обнаружить и картировать месторождения полезных ископаемых, горные породы и минералы, гидротермальные проявления, определить геологическую ситуацию по минералам-индикаторам.

Схема: Как работает пассивное дистанционное зондирование Земли

Приборы Пассивного Дистанционного Зондирования Земли

Самые популярные примеры приборов пассивного ДЗЗ – это различные радиометры или спектрометры.

Названия инструментов ДЗЗ дают представление о том, что они измеряют:

• Спектрометр различает и анализирует спектральные диапазоны.
• Радиометр определяет силу исходящего от объекта излучения в определенных диапазонах спектра (видимый, инфракрасный, микроволновый).
• Спектрорадиометр измеряет силу излучения в нескольких диапазонах спектра).
• Гиперспектральный радиометр относится к наиболее точным приборам пассивного метода дистанционного зондирования. Благодаря высокому разрешению, гиперспектральный радиометр способен различать сотни очень узких диапазонов спектра в пределах видимого, а также ближнего и среднего инфракрасного излучения.
• Радиометр с функцией формирования изображений сканирует объект или поверхность Земли и передает их изображение.
• Эхолот зондирует атмосферные явления Земли вертикально.
• Акселерометр обнаруживает изменения скорости за единицу времени (например, линейный или ротационный).

Применение И Преимущества Пассивного Дистанционного Зондирования Земли

Landsat – один из самых значимых и ярких примеров всевозможной аппаратуры пассивного ДЗЗ, а его миссия наблюдения Земли является самой продолжительной. Спутник Landsat собирал и фиксировал данные о нашей планете более 40 лет, что позволило проанализировать, как изменилась Земля за этот период. Большой плюс этой миссии – открытый доступ к данным ДЗЗ, которые применяются в геологии, картографии, экологии, лесном и сельском хозяйстве, океанологии, метеорологии и других отраслях.

Дистанционное зондирование Земли в сельском хозяйстве основано на отражательных способностях растений. Измерение степени отражения позволяет оценить здоровье культур по вегетационным индексам. Получение результатов дистанционного мониторинга Земли возможно благодаря тому, что определенные значения вегетационных индексов соответствуют определенным культурам на определенной стадии развития. Платформа EOS Crop Monitoring помогает аграриям во всем мире в решении повседневных задач, а также информирует о состоянии полей, что позволяет сохранить вегетацию здоровой. Таким образом, фермеры смогут получить высокий урожай.

EOS Crop Monitoring

Платформа для мониторинга полей, которая использует спутниковые снимки с высоким разрешением – выявляйте изменения и принимайте меры дистанционно!

Микроволновое Дистанционное Зондирование Земли

Микроволновое ДЗЗ подразделяется на активные и пассивные виды. Принцип их классификации зависит от функционала приборов ДЗЗ: рассчитаны ли они на передачу и получение сигнала или только на его получение. Методы микроволнового дистанционного зондирования Земли отличаются от вышеописанных активного и пассивного методов длиной волн. В этом конкретном случае ДЗЗ длина волн варьируется от 1 см до 1 м.

Коротковолновые приборы дистанционного наблюдения Земли имеют существенное преимущество, по сравнению c коротковолновыми. Микроволны могут проникать практически через все атмосферные явления, за исключением сильных дождей. Благодаря отсутствию чувствительности микроволн к атмосферным аэрозолям, дистанционный мониторинг становится возможным почти в любую погоду.

Пассивное Дистанционное Зондирование Земли Микроволнами

Приборы пассивного микроволнового ДЗЗ рассчитаны на получение микроволнового излучения от изучаемого объекта на Земле. Пассивный датчик ДЗЗ (например, радиометр или сканнер) определяет естественную энергию и фиксирует ее – с той разницей, что антенна прибора настроена на получение именно микроволн, а не других, более коротких волн. Благодаря данному дистанционному методу зондирования Земли, специалисты могут получить данные о температуре и влажности исследуемого объекта, поскольку между этими параметрами и силой излучения существуют определенные соответствия.

Этот тип дистанционного датчика измеряет интенсивность излученного, переданного или отраженного сигнала. Данные, полученные таким методом, нашли применение в метеорологии, гидрологии, сельском хозяйстве, экологии, океанологии. В частности, ДЗЗ в сельском хозяйстве позволяет определить влажность почвы, уровень влажности и концентрацию озона в атмосфере. Дистанционное зондирование в экологическом мониторинге помогает обнаружить разливы нефти и устранить загрязнение водных ресурсов.

Активное Дистанционное Зондирование Земли Микроволнами

Микроволновые датчики активного метода ДЗЗ направляют собственный сигнал на исследуемый объект, а затем измеряют интенсивность возвращенного сигнала. Различные объекты имеют различные отражательные способности, поэтому дистанционное зондирование Земли спутниками позволяет определить их контуры. Зная время, за которое сигнал достиг цели и вернулся, ученые могут вычислить, на каком расстоянии от датчика находится объект. Интенсивность возвращенного сигнала также зависит от угла излучения и степени ровности поверхности.

Самым типичным примером таких устройств дистанционного зондирования служит радар (микроволновый).

Два основных вида спутникового ДЗЗ в этой категории:

• со снимками (двухмерные, например, радары);
• без снимков (линейные, например, альтиметры или скаттерометры).

Данная технология особенно востребована в аэрокосмической промышленности, метеорологии, при дистанционном зондировании водных объектов и других отраслях.

Данные ДЗЗ: Суть И Целевые Применения

Данные дистанционного зондирования Земли – это спутниковые снимки, обработанные и представленные в виде растровых изображений нашей планеты и файлов с геопространственными данными о каждом снимке. Обработанные снимки – это материалы ДЗЗ.

Обработка снимков ДЗЗ осуществляется в процессе геопространственного анализа и состоит из двух этапов:

• Предварительная обработка подразумевает коррекцию изображения (геометрическую, радиометрическую, атмосферную), а также соотношение местонахождения объектов с их положением на географической карте Земли (географическая привязка).
• Тематическая обработка – это классификация объектов на снимках по их характерным признакам (вегетация, населенные пункты и т.д.).

Использование данных ДЗЗ особенно востребовано при мониторинге малых по площади объектов, не указанных на карте по причине генерализации или когда наблюдение за территориями непосредственно на Земле невозможно (пожары, стихийные бедствия, отдаленные и труднодоступные места). Кроме того, такие материалы часто используются в качестве «подложки» в ГИС-картировании.

Полученные материалы применяются во многих сферах:

• оценка ущерба от лесных пожаров и стихийных бедствий;
• дистанционное зондирование природных ресурсов;
• контроль незаконных вырубок лесов;
• мониторинг обезлесения;
• оценка состояния вегетации на полях;
• дистанционное (аэрокосмическое) зондирование природной среды и экосистем;
• обнаружение разливов нефти;
• ликвидация последствий техногенных катастроф;
• текущее местонахождение морских судов;
• мониторинг ледников;
• обнаружение нелегального строительства объектов;
• организация аварийно-спасательных мероприятий во время бедствий и др.

Надежность Данных ДЗЗ И Широкий Спектр Их Применения

Спутники ДЗЗ облетают нашу планету с определенным интервалом и предоставляют данные о ней в около реальном времени. Полученная информация о Земле позволяет анализировать не только текущее положение дел в интересующей области, но и историческую ретроспективу.

Наработки технологии подпитывают научные изыскания и упрощают ежедневную работу специалистов во многих сферах – как теоретических, так и практических. Область применения дистанционного зондирования Земли спутниками необычайно широка, а преимущества многочисленны. Несмотря на это, узнать о возможностях и открытиях ДЗЗ еще предстоит многое.

Источник

Вам также может понравиться

Ясень семена способ распространения

Ясень обыкновенный Fraxinus excelsior – так в ботанической

Ярлыки способы создания ярлыков ос windows

Создаем ярлыки на рабочем столе Windows Создаем ярлыки

Японское удобрение фуджима способ применения

Удобрения Фуджима Знаете потрясающее удобрение, палочка

Японский чай способ заварки

Технология заваривания японского чая Известно, что