Виды космической съемки
Первая фотография из космоса была сделана 24 октября 1946 года с ракеты V-2 (США), но считается, что эпоха космической съёмки началась в 1972 году, когда был запущен первый аппарат программы Landsat. За практически 50-летнюю историю космическая съёмка преобразилась до неузнаваемости: пленку заменили цифровые носители, пространственное разрешение снимка улучшилось с 1000 м до 0,3 м, а количество возможных спектральных каналов съёмки увеличилось с 1 до 256.
На сегодняшний день космическая съёмка различается по нескольким признакам: направлению применения, количеству спектральных каналов, пространственному разрешению, типу съёмочной аппаратуры и т. д.
Рассмотрим особенности пространственного разрешения спутниковых снимков. В отличие от других источников пространственной информации космические снимки дешифрируются не в масштабе съёмки, а с достаточно большим увеличением. Поэтому понятие масштаба считается весьма условным, гораздо более важно для космической съёмки понятие пространственного разрешения.
Пространственное разрешение — размер самой малой детали местности, воспроизводимой на снимке, определяется размером пикселя. То есть, у снимка с пространственным разрешением 1 м пиксель имеет размер 1х1 м.
Типы пространственного разрешения спутниковых изображений:
- Очень низкое (хуже 100 м).
- Низкое (15–100 м).
- Среднее (5–15 м).
- Высокое (1–2,5 м).
- Сверхвысокое (0,3–1 м).
На данный момент не существует унифицированной классификации типов пространственного разрешения, поэтому возьмём предложенную нами за образец.
Рис. 1 Сравнение пространственного разрешения среднего, высокого и сверхвысокого.
Космическая съёмка с очень низким пространственным разрешением крайне важна для жизнедеятельности человека, и косвенно каждый из нас ежедневно пользуется этими данными. Съёмка очень низкого пространственного разрешения используется в метеорологии и мониторинге глобальных процессов на Земле. С их помощью специалисты оперативно получают всю информацию о состоянии атмосферы Земли и процессах, протекающих в ней, таких, как формирование ураганов, пылевых бурь и т. д. Спутники с очень низким пространственным разрешением являются основным источником информации о состоянии морей и океанов, например, о ледовой обстановке. Основными преимуществами снимков с очень низким пространственным разрешением являются оперативность получения данных (до 1 раза в час) и глобальность охвата. Например, КА Terra Modis имеет ширину полосы охвата в 2330 км (рисунок 2).
Примеры спутников с очень низким пространственным разрешением: Terra, Aqua (сканер Modis), ENVISAT/MERIS, SPOT/Vegetation, «Метеор»/МСУ-СМ, NOAA и др.
Рис. 2 Изображение со спутника Terra Modis на территорию Казахстана, пространственное разрешение 250 м
Космическая съёмка с низким пространственным разрешением крайне важна для решения ряда задач государственных структур, таких, как МЧС и Гидрометцентр. Их используют для глобального экологического мониторинга, контроля чрезвычайных ситуаций (наводнений и естественных пожаров), мониторинга снежного покрова и др. Данный вид спутников используется для анализа и прогноза погоды в региональном масштабе и мониторинге климата на уровне государств (рисунки 3, 4).
Примеры спутников с низким пространственным разрешением: «Метеор-М», GaoFen-4, Deimos-1, UK-DMC2 и др.
Рис. 3 Снимок со спутника Deimos-1, пространственное разрешение 22 м
Рис. 4 Снимок со спутника «Метеор-М», пространственное разрешение 50 м
Самой популярной является космическая съёмка со средним пространственным разрешением. И это легко объяснить, ведь именно к данному типу съёмки относятся бесплатные снимки с самым высоким пространственным разрешением до 10 м. Всё научное сообщество активно их использует для самых разнообразных задач, например, по ним студенты изучают космическую съёмку и методы её обработки. У таких спутников, как Landsat-8, важной особенностью является наличие большого количества спектральных каналов, что позволяет решать крайне разнообразные задачи:
- Мониторинг состояния сельскохозяйственных культур.
- Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, создание планов землепользования, точное земледелие.
- Поиск полезных ископаемых.
- Мониторинг мелких и средних водоёмов.
- Мониторинг чрезвычайных ситуаций.
- Инвентаризация и оценка состояния лесов.
- Широкий круг задач в области охраны окружающей среды и т. д.
По данным среднего пространственного разрешения также можно проводить работы по созданию и обновлению топографических карт масштаба от 1:100 000 и мельче. Именно данные среднего пространственного разрешение большинство популярных приложений используют в качестве единой подложки с космическими снимками на всю территорию Земли.
На этом преимущества снимков со средним пространственным разрешением не заканчиваются. За счёт достаточно большой площади снимка (200–300 км по ширине) покрытие обновляется с завидной регулярностью — каждые 2–3 дня на одну и ту же территорию (рисунок 5).
Примеры спутников со средним пространственным разрешением: Landsat-8, Sentinel-2, Terra Aster и др.
Рис. 5 Снимок со спутника Landsat-8, пространственное разрешение 15 м
Несмотря на множество преимуществ, снимки со средним пространственным разрешением не позволяют решать абсолютно все задачи. Для многих сфер жизнедеятельности человека необходимы снимки с гораздо более высоким пространственным разрешением.
Первые космические снимки высокого пространственного разрешения были получены в 1980-е годы. Такие съёмочные системы находились на военных спутниках, были созданы специально для нужд разведки и поставляли данные для составления карт вражеских территорий во время холодной войны. На советских спутниках «Комета» находилась камера КВР-1000, которая позволяла делать детальные снимки с пространственным разрешением 2 м.
Сейчас спектр применения данных высокого пространственного разрешения стал гораздо шире, а с появлением группировки PlanetScope покрытие обновляется практически ежедневно.
Краткий перечень задач, решаемых с помощью снимков с высоким пространственным разрешением:
- Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:25 000.
- Создание цифровых моделей рельефас точностью 5–10 м по высоте.
- Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.
- Мониторинг экологического состояния территорий в районах добычи, переработки, транспортировки нефти и газа, других полезных ископаемых.
- Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования муниципальных районов и субъектов федерации.
- Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация лесов, регулярный контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.
- Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, мониторинг состояния посевов, оценка засоренности, выявление вредителей и болезней сельскохозяйственных культур, прогнозирование урожайности.
- Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров и т. п.
Сейчас практически у каждой развитой страны есть собственные спутники высокого пространственного разрешения, которые активно используются в государственных целях.
Примеры спутников с высоким пространственным разрешением: GaoFen-1, ZiYuan-2, Spot-6,7, «Канопус-В» и др. (рисунок 6).
Рис. 6 Снимок со спутника GaoFen-2, пространственное разрешение 2 м
С 1999 года началась эпоха развития космической съёмки. 24 сентября 1999 года был запущен первый спутник со сверхвысоким пространственным разрешением — 1м — Ikonos. Практически следом за ним, 18 октября 2001 года, был запущен первый спутник, позволяющий делать изображения с разрешением 0,6 м — QuickBird.
Компания GeoEye (ныне Maxar Technologies) задала новый вектор развития космической съёмки, и с тех пор пространственное разрешение улучшилось до 0,3 м (WorldView-3). Помимо высокого пространственного разрешения в панхроматическом канале, были сделаны большие успехи и в мультиспектральном диапазоне: на спутнике WorldView-3 расположена камера с 28-ю спектральными каналами высокого разрешения.
Краткий перечень задач, решаемых с помощью данных сверхвысокого пространственного разрешения:
- Создание и обновление топографических карт и планов масштаба до 1: 2 000.
- Создание цифровых моделей рельефа высокой точности.
- Инженерные изыскания для строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.
- Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация и оценка состояния лесов.
- Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, мониторинг состояния посевов, оценка засоренности, выявление вредителей и болезней сельхозкультур, прогнозирование урожайности.
- Создание планов землепользования.
- Создание планов городов и схем территориального планирования муниципальных районов.
- Инвентаризация и мониторинг состояния транспортных, энергетических и информационных коммуникаций.
- Наблюдение за природными бедствиями.
- Контроль использования природных ресурсов.
С появлением съёмки со сверхвысоким пространственным разрешением стало возможно выявлять незаконные свалки, незаконную добычу полезных ископаемых, мелкие участки вырубок и другие правонарушения, а также решать территориальные споры.
На данный момент операторы спутников решают непростую задачу — оставить в использовании только космическую съёмку со сверхвысоким пространственным разрешением и добиться частоты её обновления, как у съёмки с высоким разрешением.
Примеры спутников со сверхвысоким пространственным разрешением: WorldView-2,3, Kompsat-3,3А, SuperView, Gaofen-2, TripleSat и др. (рисунок 7).
Рис. 7 Снимок со спутника WorldView-3, пространственное разрешение 0,3 м
Источник
Классификация съёмочных систем по физическому способу построения изображения
По физическому способу построения изображения различают активные и пассивные съёмочные системы.
Пассивными называют системы, регистрирующие отраженную объектом энергию от естественных источников излучения или излучаемую объектом энергию. К ним относят фотографические, телевизионные, фототелевизионные системы и сканирующие системы, инфракрасная съёмка (ИК-съёмка).
Активными называют съёмочные системы, регистрирующие отраженное от поверхности Земли излучение, сформированное самой съёмочной системой. К ним относятся радиолокационные, радиоинтерферометрические и лазерные съёмочные системы, СВЧ-радиометры.
Фотографические, телевизионные, фототелевизионные съёмочные системы достаточно широко описаны в литературе [2, 3, 4, 5, 6]. В настоящее время всё большее распространение получают сканирующие, лазерные, радиолокационные и радиоинтерферометрические съёмочные системы.
Сканерная космическая съёмка является самой используемой в настоящее время. Сканирующая система позволяет делать развёртку изображения с помощью санирующего элемента, преобразовывать световой сигнал в электрический и отправлять его на наземные станции [5]. По принципу сканирования объекта сканерные съёмочные системы можно подразделить на: оптико-механические сканеры, сканеры на основе линеек и матриц ПЗС [2].
Сканерные съёмочные системы позволяют получать изображение как в одном диапазоне спектра, так и в нескольких диапазонах [5]. В зависимости от используемого числа каналов съёмочные системы подразделяют на: одноканальные и многоканальные. В последнее время стали создавать гиперспектральные съёмочные системы, например система MODIS с числом каналов равным 36.
При использовании радиолокационной съёмки изображение земной поверхности может быть получено в любое время суток и в любую погоду. Радиолокационное изображение фиксируют либо фотографическим способом, либо записывают на магнитную ленту. Радиоволны, используемые в радиолокаторах, имеют большую длину, чем световые, поэтому они проходят через облака и туман, почти не поглощаясь и не меняя направление распространения. Импульс радиоволн, излучаемый антенной, достигает Земли, отражается от неё и с помощью антенны принимается приёмником. В приёмнике на выходе возникает электрическое напряжение, которое подаётся на индикатор, на экране которого формируется изображение земной поверхности [4].
Основным принципом лазерной съёмки (лидарной съёмки) является облучение пространства фиксированной длинной волны, в результате чего происходит возбуждение когерентных микроэлементов или частиц в атмосфере или на поверхности. Излучение возбуждённого объекта регистрируется приёмниками. При использовании лазера съёмка ведётся в оптическом диапазоне, а при использовании мазера – в радиодиапазоне [5].
Радиоинтерферометрические системы используются для создания обширных цифровых моделей рельефа. Принцип работы системы заключается в следующем: активная антенна излучает импульсы электромагнитных волн, которые отражаются рельефом местности. Отражённый сигнал регистрируется двумя антеннами, находящимися на некотором постоянном расстоянии (базисе) друг от друга. Фазы регистрируемых сигналов антеннами несколько отличаются из-за разного расстояния между антенной и местностью. Анализируя фазовые сдвиги каждого сигнала, можно получить информацию о рельефе. На основе этого анализа строятся цифровые модели рельефа местности [6].
Классификация съёмочных систем по пространственному разрешению
По пространственному разрешению съёмочные системы подразделяются на [7]:
очень низкого разрешения (десятки тысяч метров);
низкого разрешения (тысячи метров);
среднего разрешения (сотни метров);
высокого разрешения (десятки метров);
сверхвысокого разрешения (от метров до десятых долей метров).
Классификация съёмочных систем по масштабу съёмки
По масштабу съёмки космические съёмочные системы делятся на [7]:
мелкомасштабные (масштаб от 1:10 000 000 до 1:100 000 000);
среднемасштабные (масштаб от 1:1 000 000 до 1:10 000 000);
крупномасштабные (масштаб крупнее 1:1 000 000).
Классификация съёмочных систем по обзорности получаемых снимков
По обзорности получаемых снимков СС подразделяются на [7]:
глобальные, охватывают освещённую часть планеты. Площадь охвата составляет десятки тысяч квадратных километров;
региональные, охватывают крупные регионы или части материков. Площадь охвата более миллиона квадратных километров;
локальные, охватывают части регионов. Площадь охвата от десятков до сотен квадратных километров.
Классификация съёмочных систем по детальности изображении
По детальности получаемого изображения СС подразделяются на системы [7]:
малой детальности ( изображение полностью воспринимаются невооруженным глазом);
средней детальности (возможно увеличение до 2 );
большой детальности (возможно увеличение от 2 до 5 );
очень большой детальности (возможно увеличение от 5 до 10 ).
Классификация съёмочных систем по повторяемости съёмки
В зависимости от интервала повторения съёмки СС подразделяются на системы, выполняющие [7]:
многократные внутрисуточные съёмки;
съёмку с интервалом около пяти суток;
выполняющие съёмку с интервалом от 16 до 18 суток;
многократные внутригодичные съёмки;
Характеристики некоторых съёмочных систем приведены в приложении А [1, 2, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17].
Особенности космических снимков ТК-350 и КВР-1000
1.3.1 Картографический Комплекс «Комета»
Благодаря своему высокому разрешению большой популярностью в мире пользуются данные с российского спутника «КОМЕТА». Космический Картографический Комплекс «КОМЕТА» – это спутниковая система, специально разработанная для получения топографических стереоскопических снимков и панорамных панхроматических снимков высокого разрешения для последующего производства топографических карт масштаба 1:50 000. Спутник находится на около-круговой орбите на высоте около 220 км в течение 45 дней. Общая емкость пленки покрывает приблизительно 10 миллионов квадратных километров территории поверхности Земли [18].
Система включает топографическую камеру ТК-350, камеру высокого разрешения КВР-1000 и аппаратуру для определения во время полета элементов внешнего ориентирования снимков. Бортовое оборудование содержит две звездные камеры, лазерный высотомер и другую навигационную аппаратуру [18]. Возможности комплекса представлены в таблице 1 [19].
Таблица 1 – Возможности космического картографического комплекса «Комета»
Источник
