Области применения данных ДЗЗ

Лекция. Введение в ДЗ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Группа 1 – в основном наблюдения земной поверхности:

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

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

Группа 2 – в основном метеорологические наблюдения:

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

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

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

Группа 3 – в основном океанографические наблюдения:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таким образом, одними из наиболее распространенных задач в представленных областях, использующих данные ДЗ, являются задачи мониторинга и наблюдения за определенными территориями земной поверхности и атмосферы, обновление и составление карт, а также составление тематических карт и атласов [2].

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

В качестве первичного материала для топографических карт традиционно использовались аэрофотоснимки. Космические цифровые снимки открывают новые возможности: удешевление повторных съемок, увеличение площади охвата местности и снижение искажений, вызванных рельефом. Кроме того, упрощается генерализация изображения на мелкомасштабных картах: вместо трудоемкого упрощения крупномасштабных карт можно сразу использовать космические снимки среднего разрешения. Поэтому съемки из космоса используют все шире и в перспективе могут стать основным методом обновления топографических карт [2].

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

При обновлении карт наносятся лишь изменения контуров элементов, а при составлении карт необходимо определить точное положение этих элементов. Поэтому для составления топографических карт требуются снимки более высокого разрешения, чем для их обновления. Следует также учитывать, что при составлении и обновлении топографических карт определенного масштаба одни и те же типы космических снимков могут быть пригодны или непригодны для различных элементов содержания топографических карт [2].

На основе материалов издания [2] в табл. 1.3 представлены рекомендуемые масштабы для составления и обновления топографических, обзорно-топографических и обзорных карт по космическим снимкам.

Таблица 1.3

Рекомендуемые соотношения масштаба

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

Пр.*

Масштаб

10 000 – 25 000

25 000 – 50 000

50 000 – 100 000

100 000 – 200 000

200 000 – 500 000

500 000 – 1 000 000

Мельче 1 000 000

250 – 1000 м

С

О

140 м

О

С

О

35 – 45 м

С

О

С

О

С

О

30 м

О

С

О

С

О

15 м

О

С

О

С

О

10 м

С

О

С

О

5 м

О

С

О

Выше 1 м

С

О

С

О

Пр.* – пространственное разрешение космической съемки

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

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

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

Дата добавления: 2013-12-13