ЛЕКЦИЯ 5. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ И СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Наличие источника энергии или освещения (A) -т.е. должен иметься источник энергии, который освещает либо подпитывает энергией электромагнитного поля объекты, представляющие интерес для исследования.
Излучение и атмосфера (B) - излучение, распространяющееся от источника до объекта, часть пути проходит сквозь атмосферу Земли.
Взаимодействие с объектом исследования (C) - характер взаимодействия падающего на объект излучения сильно зависит от параметров, как объекта, так и излучения.
Регистрация энергии сенсором (D) - излучение, испускаемая объектом исследования, попадает на удаленный высокочувствительный сенсор, и затем полученная информация записывается на носитель.
Передача, прием и обработка информации (E) - информация, собран¬ная чувствительным сенсором передается в цифровом виде на принимающую станцию, где данные трансформируются в изображение.
Интерпретация и анализ (F) - обработанное изображение интерпретируется визуально либо с помощью ЭВМ, после чего из него извлекается информация относительно исследуемого объекта.
Применение полученной информации (G) - процесс дистанционного зондирования достигает завершения, когда мы получаем нужную информацию относительно объекта наблюдения для лучшего понимания его характеристик и поведения, т.е. когда решена какая-то практическая задача.
Выделяют следующие области применения спутникового дистанционного зондирования (СДЗ):
• получение информации о состоянии окружающей среды и землепользо¬вании;
• оценка урожая сельхоз угодий;
• изучение флоры и фауны;
• оценка последствий стихийных бедствий (землетрясения, наводнения, пожары, эпидемии, извержения вулканов);
• оценка ущерба при загрязнении суши и водоемов;
• океанология.
Средства СДЗ позволяют получать сведения о состоянии атмосферы не только в локальном, но и в глобальном масштабе. Данные зондирования поступают в виде изображений, как правило, в цифровой форме. Дальнейшая обработка осуществляется компьютером. Поэтому проблематика СДЗ тесно связана с задачами цифровой обработки изображений. Аппаратура спутника, задействованная в мониторинге, будет регистрировать лишь интенсивность светового потока от изучаемых объектов в несколь¬ких участках оптического диапазона. Дистанционные методы зондирования, как правило, являются косвенными, то есть с их помощью измеряют не интересующие наблюдателя параметры, а некоторые связанные с ними величины. Методы изучения Земли из космоса не случайно относят к высокотехнологичным. Это связано не только с использованием ракетной техники, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, скоростных информационных сетей, но и с новым подходом к получению и интерпретации результатов измерений. Спутниковые исследования проводятся на небольшой площади, но они дают возможность обобщать данные на огромные пространства и даже на весь земной шар. Спутниковые методы, как правило, позволяют получать результат за сравнительно короткий интервал времени.

Космический снимок Западной Европы

Но даже и при отсутствии облачности атмосфера ослабляет излучение от объектов. Поэтому спутниковым системам приходится работать в так называемых окнах прозрачности, учитывая, что в них имеет место поглощение и рассеяние газами и аэрозолем. В радиодиапазоне возможно наблюдение Земли и сквозь облачность. Современные спутниковые методы позволяют не только получать изображение Земли. Используя чувствительные приборы, удается изме¬рять концентрацию атмосферных газов, в том числе вызывающих парниковый эффект. Спутник "Метеор-3" с установленным на нем прибором TOMS позволял за сутки оценить состояние всего озонового слоя Земли. Спутник NOAA кроме получения изображений поверхности дает возможность исследовать озоновый слой и изучать вертикальные профили параметров атмосферы (давление, температуру, влажность). Дистанционные методы делятся на активные и пассивные. При использовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика), регистрирует его отражение. Пассивные методы подразумевают регистрацию отраженной от поверхности объектов солнечной энергии либо теплового излучения Земли.

Активный (а) и пассивный (б) методы ДЗ

• При дистанционном зондировании Земли из космоса используются оптический диапазон электромагнитных волн и микроволновый участок радиоди-апазона. Оптический диапазон включает в себя ультрафиолетовый (УФ) участок спектра; видимый участок - синюю (B), зеленую (G) и красную (R) полосы; инфракрасный участок (ИК) - ближний (БИК), средний и тепловой.
• При пассивных методах зондирования в оптическом диапазоне источниками электромагнитной энергии являются разогретые до достаточно высокой температуры твердые, жидкие, газообразные тела.
• Регистрируя интенсивность теплового излучения Земли из космоса, можно достаточно точно оценить температуру суши и водной поверхности, которая является важнейшей экологической характеристикой. Измерив температуру верхней границы облачности, можно определить её высоту.

5.2. Оптические методы дистанционного зондирования

Первые изображения Земли из космоса были получены с помощью фото-камеры. Эта методика применяется и в настоящее время. Спутник с фоторегистрацией "Ресурс-Ф1М" (Россия) позволяет фотографировать Землю в интервале длин волн 0.4-0.9 мкм. Отснятые материалы спускаются на Землю и проявляются. Анализ снимков, как правило, проводится визуально с помощью проек¬ционной аппаратуры, которая позволяет также получать цветные фотоотпечатки. Метод обеспечивает высокую геометрическую точность изображения; можно увеличить снимки без заметного ухудшения качества.
Сканер с цилиндрической разверткой Представляет собой маятник, закрепленный в одной точке и колеблющийся поперек направления движения. На конце маятника в его фокальной плоскости установлен объектив с точечным фотоприемным устройством. При движении аппарата над Землей с выхода фотоприемного устройства снимается сигнал, пропорциональный освещенности в видимом или ближнем ИК-диапазоне того участка земной поверхности, на который в данный момент направлена ось объектива. На практике сканер неподвижен, а качается (вращается) зеркало, отражение от которого через объектив попадает в фотоприемное устройство. Сканерная информация в цифровой форме передается со спутника в реальном времени или в записи на бортовой магнитофон; на Земле она обрабатывается на ЭВМ.

5.3. Радиотехнические методы ДЗ

Средствами радиолокационной техники автоматически осуществляется сканирование по дальности, так как сигналы от разных объектов приходят в разное время

5.4. Прием информации со спутников

• Станции для приема информации со спутников на Земле содержат антенну с опорно-поворотным устройством (ОПУ), ра¬диоприемное устройство и средства обработки, хранения и отображения ин¬формации.
• В фокусе антенны установлен облучатель, сигнал с которого усиливается малошумящим усилителем (МШУ). Далее сигнал по ка¬белю поступает на приемник, цифровой сигнал с выхода которого обрабатыва¬ется на компьютере. Обработанные изображения помещаются в базу данных.

5.5. Спутники для дистанционного зондирования

Спутники NOAA (США) имеют длину 4.18 м, диаметр 1.88 м, массу на орбите 1030 кг. Круговая орбита имеет высоту 870 км, один виток спутник совершает за 102 мин. Площадь солнечных батарей спутника 11.6 м2, мощность батарей не менее 1.6 кВт, но со временем батареи деградируют из-за воздействия космических лучей и микрометеоров. Для нормальной работы спутника необходима мощность не менее 515 Вт.
• Спутники серии NOAA обращаются на почти круговых гелиосинхронных орбитах с высотой порядка 850 км. Из-за кривизны Земли зона радиовидимости спутника составляет ±3400 км, поэтому за один проход спутника удается получить информацию с поверхности около 3000*7000 км.
• На спутниках серии NOAA установлены приборы AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), обеспечивающие непрерывные ряды наблюдений в видимом и инфракрасном диапазонах спектра.
• Прибор AVHRR является типичным сканером. Отличительной особенностью прибора AVHRR является возможность принимать сигнал в окне прозрачности атмосферы 10-12 мкм. Это позволяет оценивать температуру поверхности моря. Одновременно прибор позволяет принимать сигнал в видимой и в ближней инфракрасной областях спектра при составлении полного изображения поверхности Земли за одни сутки. Это, при достаточно длинном ряде наблюдений, делает его незаменимым при оценке текущих изменений растительности планеты.

Космический снимок озера Байкал, полученный сканером

На спутниках NOAA установлена аппаратура HIRS для определения тем-пературы в тропосфере на разных высотах (вертикальные профили атмосферы) в полосе обзора 2240 км. Для этого HIRS содержит автоматический сканирующий спектрофотометр ИК-диапазона, использующий свойство углекислого газа изменять положение и ширину линии поглощения на длинах волн порядка 14¬15 мкм в зависимости от давления. Этот же прибор позволяет оценивать общее содержание озона в столбе атмосферы по поглощению теплового излучения от поверхности Земли и атмосферы на длине волны 9.59 мкм.
Спутники серии "Ресурс-01" (Россия). Многозональная космическая информация высокого и среднего разрешения, поступающая с космических аппа¬ратов (КА) "Ресурс-01" широко используется различными отраслями народного хозяйства и службами России, стран СНГ, а также в интересах наук о Земле. КА "Ресурс-01" запускаются на круговые солнечно-синхронные орбиты высотой 600-650 км, наклонением 980. Период обращения спутников - 97.4 мин, разрешение на поверхности 150*250 м. В состав аппаратуры КА "Ресурс-01" входят: многоканальное сканирующее устройство высокого разрешения - МСУ-Э; многоканальное сканирующее устройство среднего разрешения с конической разверткой - МСУ-СК.
На КА "Ресурс-01" N4 установлен комплекс аппаратуры для изучения природных ресурсов Земли, экологического контроля, метеорологического обеспечения, проведения гелио- и геофизических наблюдений, исследования радиационного баланса Земли.

Схематическое изображение спутника LANDSAT-7

Космический снимок пожара, полученный спутником LANDSAT-7

Согласно программе SPOT (System Probatoire DObservation de la Terre) первый запуск искусственного спутника Земли (ИСЗ) был осуществлён в феврале 1986 г. В настоящее время на орбите функционируют спутники SPOT 1, 2, 4 и 5. Спутник оснащен высокоточным стереоскопическим детектором, позволяющим получать стереоснимки для топографических целей и построения моделей рельефа, и двумя камерами высокого разрешения (High Resolution Geometric imagers), позволяющими получать черно-белые изображения с разрешением 5 м, а в режиме стереосъёмки 2,5 м и цветные - с разрешением 10 метров. Кроме того, на Spot 5 установлена камера Vegetation 2, позволяющая получать практически ежедневно снимки всей поверхности Земли с разрешением 1 километр.

Спутник SPOT-5

Изображение Гаваны (Куба), полученное прибором HRV спутника SPOT-4

Особенностью спутников SPOT являет¬ся возможность получать стереоизображения земной поверхности путем съемки одного и того же участка на двух последовательных витках Спутники ERS (Европейское космическое агентство) Режим построения радиолокационных изображений подстилающей по-верхности с использованием синтезированной апертуры антенны (AMI-SAR image mode) применяется при наблюдении береговой зоны, полярных льдов, при определении состояния поверхности моря, выявлении особенностей геологического строения земной поверхности, изучении растительного покрова. Сигналы, отраженные от поверхности Земли, могут приниматься двумя антеннами, расположенными одна над другой. По разности фаз их сигналов (интерферометрический метод измерения) можно определять высоту наземных объектов с точностью 10м.

Вид спутника ERS-1

Изображение полярных льдов, полученное модулем AMI-SAR

Режим трехлучевого скаттерометра (AMI Scatterometer mode) предназначен для определения характеристик приповерхностных морских ветров. В этом режиме три передающие антенны формируют три луча, сканирующие в полосе шириной до 500 км, позволяя определять направление и скорость ветра. Элементы разрешения размером 50*50 км формируются с интервалом 25 км.

Направление ветров над поверхностью океана

В состав измерительной аппаратуры входит также радиолокационный высотомер RA (Radar Altimeter) для определения скорости ветра, измерения характерной высоты волн, топографии морской поверхности, ледяного покрова и поверхности суши, построения контуров ледяных массивов, а также выявления границ морских льдов. Высотомер может работать в режиме исследования океана (Ocean Mode), обеспечивая точность измерения скорости волн 2 м/с и точность измерения высоты волн 0.5 м в диапазоне 1-20 м в пределах пятна размером 1.6-2.0 км, точность определения высоты подъема поверхности моря 10 см. Комплекс приборов ATSR (Along-Track Scanning Radiometer and Microwave Sounder) включает радиометр оптического диапазона и двухканальное микроволновое устройство вертикального зондирования. Радиометр предназначен для наблюдения поверхности моря и суши, измерения их температуры, температуры верхней облачности и обеспечивает прием излучения в спектральных каналах 0.65; 0.85; 1.27; 1.6; 3.7; 11 и 12 мкм с пространственным разрешением 1 км.

Топография мирового океана, полученная прибором ATSR

Спектрометр GOME (Global Monitoring Experiment) используется для по-строения вертикальных профилей концентрации озона (O3) и малых газовых компонентов (NO, NO2, BrO, H2O) в тропосфере и стратосфере, измерения потоков солнечного излучения, отражаемого поверхностью Земли и рассеиваемого атмосферой. Прибор работает в ультрафиолетовом диапазоне в спектральных каналах 0.24-0.295; 0.29-0.405; 0.4-0.605 и 0.59-0.79 мкм.

Профиль концентрации озона

5.6. Анализ спутниковых изображений

Для эффективного использования данных ДЗ в ГИС нужно уметь извлекать полезную информацию из спутниковых изображений. Процесс интерпретации и анализа изображений ДЗ состоит из идентификации и/или измерения параметров целей наблюдения. Цифровой анализ незаменим при одновременном анализе множества спектральных полос и обработке больших массивов данных. Цифровая обработка применяется для расширения возможностей визуальной интерпретации, для автоматизированного распознавания объектов, исключая человеческое вмешательство.
• Цветовой тон - это фундаментальный признак, по которому различают объекты. При помощи тона на изображении становятся различимы объекты с различной формой, размером, текстурой.
• Форма относится к общему очертанию, структуре или схеме (иерархической структуре) индивидуальных объектов. Форма является одной из ключевых характеристик для интерпретации. Формы с правильными краями обычно представляют городские или сельскохозяйственные объекты, в то время как природ-ные объекты, типа границ лесного массива, имеют неправильные формы, исключая те случаи, когда люди искусственно создают грани объектов.
• Размер объектов в изображении - функция масштаба. Важно оценить размер объекта относительно других объектов в сцене, также как и абсолютный размер. Быстрая аппроксимация размера объекта может скорее привести процесс интерпретации к соответствующему результату.
• Структура относится к пространственному расположению различимых объектов. Упорядоченное повторение схожих тонов и текстур позволяет отличать и, в конечном счете, распознавать модель.
• Текстура относится к расположению и частоте тонального изменения в отдельных областях изображения. Неровные текстуры представляются обычно пятнистым тоном, где уровни серого цвета изменяются резко на малой площа¬ди, принимая во внимание, что гладкие текстуры имеют незначительные то¬нальные изменения. Гладкие текстуры - это наиболее часто встречающийся ре¬зультат отображения однородных поверхностей, таких как поля, асфальт или пастбища. Объект с шероховатой поверхностью и неправильной структурой, типа лесопосадок, приводит к неровной текстуре. Текстура - один из наиболее важных элементов процесса интерпретации объектов и их особенностей.
• Тень тоже полезна при интерпретации, поскольку она способна снабжать наблюдателя информацией относительно профиля и высоты объектов. Однако, тени могут также усложнять интерпретацию объектов, попадающих в их зону действия, так как объекты в пределах теней менее заметны и различимы от их окружения. Тень важна при идентификации топографии и рельефов.
• Ассоциация принимает во внимание зависимость между другими распо¬знаваемыми объектами или их особенностями вблизи наблюдаемого объекта. Идентификация особенностей объектов, которые находятся в связи с особенностями других объектов, облегчает процесс распознавания.

5.7. Связь информации ДЗ с реальным миром

Результатом процедуры обработки данных ДЗ является цифровая карта, координаты объектов которой ссылаются на действительные координаты объектов реального мира, которые они представляют. Положение объектов на сферической поверхности земного шара измеряют в градусах широты и долготы, известных как географические координаты. Значения широты равняются нулю на экваторе и достигает 90 градусов на Северном и Южном полюсах. Значение долготы равно нулю на гринвичском меридиане и увеличивается до 180 градусов по мере удаления в западном или восточном направлении от Гринвичского меридиана.

Координатная сетка на земной поверхности

Картографическая проекция - определенный способ отображения одной поверхности на другую, устанавливающий аналитическую зависимость между координатами точек эллипсоида (сферы) и соответствующих точек плоскости

Операция картографического проецирования

Существует несколько разновидностей картографических проекций, которые различаются по степени своей пригодности для представления определенных частей земной поверхности. Некоторые картографические проекции сводят к минимуму искажения по одному параметру за счет увеличения искажения по другим параметрам, в то время как другие картографические проекции пытаются минимизировать все искажения в равной степени.

Проекция Меркатора

Сравнение картографических проекций

Азимутальная проекция

Проекция Меркатора, является равновеликой, то есть сохраняющей формы в пределах небольших площадей. Показания компасной стрелки в этой проекции также представляются точными.
Проекция Моллвейде является проекцией точных форм, то есть стремится к сохранению свойств формы объектов.
Проекция Робинсона представляет собой пример компромиссной проекции: она пытается уменьшить искажение по нескольким параметрам и то же время не сохраняет точность ни по одному из параметров. Проекция Робинсона уменьшает искажения формы и площади.
Азимутальная проекция является проекцией равных расстояний.

5.8. Глобальная система позиционирования

Global Positioning System - Глобальная Система Позиционирования. Эта система состоит из сети спутников, которые в непрерывном режиме посылают электромагнитные сигналы на Землю. Используя специальный приемник такого излучения, измеряющий расстояние до спутников, можно с установленной точностью (от нескольких десятков километров до нескольких миллиметров) определить месторасположение объекта на земной поверхности. GPS была создана по заказу Министерства Обороны США в 1969 году и изначально состояла из 24 спутников, вращающихся по 6 круговым орбитам на высоте около 20.2 км над уровнем моря с наклонением 550

Каждый современный спутник на своем борту несёт ряд высокотехноло-гического оборудования, основу которого составляют:
• четверо атомных часов;
• три кадмий-никелевые батареи;
• две солнечные батареи мощностью 1136 Вт;
• антенна коротковолнового диапазона для управления спутником;
• 12-ти элементная антенна длинноволнового диапазона для связи с поль-зователем.
В настоящее время используются GPS-приемники, размер которых сравним с размером сотового телефона, а вес составляет несколько сотен граммов. При этом GPS-приемник сообщает пользователю не только координаты нахождения (широта и долгота), но и отображает местоположение на электронной карте наряду с городами, транспортными магистралями и многими другими объектами.
Кроме определения трех текущих координат (долгота, широта и высота над уровнем моря) GPS обеспечивает:
• определение трех составляющих скорости объекта;
• определение точного времени с точностью не менее 0.1 с;
• вычисление истинного путевого угла объекта;
прием и обработку вспомогательной информации.

Связь GPS приемника со спутниковой системой

Области применения GPS чрезвычайно широки. Это и навигация любых подвижных объектов - частных автомобилей, инкассаторских машин, кораблей и самолетов. Землеустроительные задачи, картография и координирование строительных объектов относятся к такой группе приложений, как измерение Земли и ее поверхности. Здесь могут использоваться не только отдельные приемники, но и целые измерительно-вычислительные комплексы, точность измерений которыми доходит до долей сантиметра. На основе сочетания возможностей GPS и других технических средств создаются информацион¬но-измерительные системы, позволяющие получать новые качества в решении старых задач.

Схема работы GPS/GSM системы Axiom. Logistics

Основные функциональные особенности системы Axiom. Logistics:
• Оперативное получение информации о местоположении каждого транс¬портного средства и груза;
• Доступ через web-интерфейс Axiom.Logistics к карте с координатами и маршрутом транспортного средства;
• Контроль графика и точности прохождения маршрута;
• Возможность экстренной связи с транспортным средством;
• Ведение базы данных клиентов, перевозчиков, транспортных средств и грузчиков в Axiom.Logistics;
• Автоматизация процедуры оформления транспортных и таможенных документов в Axiom.Logistics;
• Надежность системы, определяемая зрелостью технологий GPS и GSM;
• Низкие затраты на оборудование (используется стандартное оборудование);
• Низкие затраты на обмен информацией (используется дешевый SMS- трафик + специальный тариф);
• Безопасность доступа к данным Axiom.Logistics;
• Комплексное web-решение;
• GPS/GSM - устройство в транспортном средстве;
• Операторский центр приема и обработки SMS-сообщений при движении по маршруту в Axiom.Logistics;
• Сервер анализа и визуализации данных (SMS - сообщений).

Электронно-образовательный ресурс по геоинформационным системам и технологиям