Спутник ДЗЗ “Ресурс-П”

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) - наблюдение поверхности авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные - использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. Данные ДЗЗ, полученные с (КА), характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в различных диапазонах.

Аппаратура ДЗЗ первых КА, запущенных в 1960-70-х гг. была трассового типа - проекция области измерений на поверхность Земли представляла собой линию. Позднее появилась и широко распространилась аппаратура ДЗЗ панорамного типа - сканеры, проекция области измерений на поверхность Земли которых представляет собой полосу.

Космические аппараты дистанционного зондирования Земли используются для изучения природных ресурсов Земли и решения задач метеорологии. КА для исследования природных ресурсов оснащаются в основном оптической или радиолокационной аппаратурой. Преимущества последней заключаются в том, что она позволяет наблюдать поверхность Земли в любое время суток, независимо от состояния атмосферы.

Общий обзор

Дистанционное зондирование является методом получения информации об объекте или явлении без непосредственного физического контакта с данным объектом. Дистанционное зондирование является подразделом географии. В современном понимании, термин в основном относится к технологиям воздушного или космического зондирования местности с целью обнаружения, классификации и анализа объектов земной поверхности, а также атмосферы и океана, при помощи распространяемых сигналов (например, электромагнитной радиации). Разделяют на активное (сигнал сначала излучается самолетом или космическим спутником) и пассивное дистанционное зондирование (регистрируется только сигнал других источников, например, солнечный свет).

Пассивные сенсоры дистанционного зондирования регистрируют сигнал, излучаемый или отраженный объектом либо прилегающей территорией. Отраженный солнечный свет – наиболее часто используемый источник излучения, регистрируемый пассивными сенсорами. Примерами пассивного дистанционного зондирования являются цифровая и пленочная фотография, применение инфракрасных, приборов с зарядовой связью и радиометров.

Активные приборы, в свою очередь, излучают сигнал с целью сканирования объекта и пространства, после чего сенсор имеет возможность обнаружить и измерить излучение, отраженное или образованное путем обратного рассеивания целью зондирования. Примерами активных сенсоров дистанционного зондирования являются радар и лидар, которыми измеряется задержка во времени между излучением и регистрацией возвращенного сигнала, таким образом определяя размещение, скорость и направление движения объекта.

Дистанционное зондирование предоставляет возможность получать данные об опасных, труднодоступных и быстродвижущихся объектах, а также позволяет проводить наблюдения на обширных участках местности. Примерами применения дистанционного зондирования может быть мониторинг вырубки лесов (например, в бассейне Амазонки), состояния ледников в Арктике и Антарктике, измерение глубины океана с помощью лота. Дистанционное зондирование также приходит на замену дорогостоящим и сравнительно медленным методам сбора информации с поверхности Земли, одновременно гарантируя невмешательство человека в природные процессы на наблюдаемых территориях или объектах.

При помощи орбитальных космических аппаратов ученые имеют возможность собирать и передавать данные в различных диапазонах электромагнитного спектра, которые, в сочетании с более масштабными воздушными и наземными измерениями и анализом, обеспечивают необходимый спектр данных для мониторинга актуальных явлений и тенденций, таких как Эль-Ниньо и другие природные феномены, как в кратко-, так и в долгосрочной перспективе. Дистанционное зондирование также имеет прикладное значение в сфере геонаук (к примеру, природопользование), сельском хозяйстве (использование и сохранение природных ресурсов), национальной безопасности (мониторинг приграничных областей).

Техники получения данных

Основная цель мультиспектральных исследований и анализа полученных данных – это объекты и территории, излучающие энергию, что позволяет выделять их на фоне окружающей среды. Краткий обзор спутниковых систем дистанционного зондирования находится в обзорной таблице.

Как правило, лучшим временем для получения данных методами дистанционного зондирования является летнее время (в частности, в эти месяцы наибольший угол солнца над горизонтом и наибольшая длительность дня). Исключением из этого правила является получение данных с помощью активных датчиков (например, Радар, Лидар), а также тепловых данных в длинноволновом диапазоне. В тепловидении, при котором датчики проводят измерения тепловой энергии, лучше использовать промежуток времени, когда разница температуры земли и температуры воздуха наибольшая. Таким образом, лучшее время для этих методов – холодные месяцы, а также несколько часов до рассвета в любое время года.

Кроме того, есть еще некоторые соображения, которые нужно учитывать. С помощью радара, например, нельзя получать изображение голой поверхности земли при толстом снежном покрове; то же самое можно сказать и о лидаре. Тем не менее, эти активные сенсоры нечувствительны к свету (или его отсутствию), что делает их отличным выбором для применения к высоких широтах (для примера). Кроме того, как радар, так и лидар способны (в зависимости от используемых длин волн) получать изображения поверхности под пологом леса, что делает их полезными для применения в сильно заросших регионах. С другой стороны, спектральные методы получения данных (как стереоизображения, так и мультиспектральные методы) применимы в основном солнечные дни; данные, собранные в условиях низкой освещенности, как правило, имеют низкий уровень сигнал / шум, что усложняет их обработку и интерпретацию. К тому же, в то время как стереоизображения способны отображать и идентифицировать растительность и экосистемы, при помощи этого метода (как и при мульти-спектральном зондировании) невозможно проникнуть под навес деревьев и получить изображения земной поверхности.

Применение дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование наиболее часто применяется в сельском хозяйстве, геодезии, картографировании, мониторинге поверхности земли и океана, а также слоев атмосферы.

Сельское хозяйство

При помощи спутников можно с определенность цикличностью получать изображения отдельных полей, регионов и округов. Пользователи могут получать ценную информацию о состоянии угодий, в том числе идентификацию культур, определение посевных площадей сельскохозяйственных культур и состояние урожая. Спутниковые данные используются для точного управления и мониторинга результатов ведения сельского хозяйства на различных уровнях. Эти данные могут быть использованы для оптимизации фермерского хозяйства и пространственно-ориентированного управления техническими операциями. Изображения могут помочь определить местоположение урожая и степень истощения земель, а затем могут быть использованы для разработки и реализации плана лечения, для локальной оптимизации использования сельскохозяйственных химикатов. Основными сельскохозяйственными приложениями дистанционного зондирования являются следующие:

растительность:
- классификация типа культур
- оценка состояния посевов (мониторинг сельскохозяйственных культур, оценка ущерба)
- оценка урожайности

почва
- отображение характеристик почвы
- отображение типа почвы
- эрозия почвы
- влажность почвы
- отображение практики обработки почвы

Мониторинг лесного покрова

Дистанционное зондирование также применяется для мониторинга лесного покрова и идентификации видов. Полученные таким способом карты могут покрывать большую площадь, одновременно отображая детальные измерения и характеристики территории (тип деревьев, высота, плотность). Используя данные дистанционного зондирования, возможно определить и разграничить различные типы леса, что было бы трудно достичь, используя традиционные методы на поверхности земли. Данные доступны в различных масштабах и разрешениях, что вполне соответствует локальным или региональные требованиям. Требования к детальности отображения местности зависит от масштаба исследования. Для отображения изменений в лесном покрове (текстуры, плотности листьев) применяются:

мультиспектральные изображения: для точной идентификации видов необходимы данные с очень высоким разрешением

многоразовые снимки одной территории, используются для получения информации о сезонных изменений различных видов

стереофотографии – для разграничение видов, оценки плотности и высоты деревьев. Стереофотографии предоставляют уникальный вид на лесной покров, доступный только через технологии дистанционного зондирования

Радары широко применяются в зоне влажных тропиков, благодаря их свойству получать изображения при любых погодных условиях

Лидары позволяет получать 3-мерную структуру леса, обнаруживать изменения высоты поверхности земли и объектов на ней. Данные Лидара помогают оценить высоту деревьев, области корон и количество деревьев на единице площади.

Мониторинг поверхности

Мониторинг поверхности является одним из наиболее важных и типичных применений дистанционного зондирования. Полученные данные используются при определении физического состояния поверхности земли, например, леса, пастбища, дорожного покрытия и т.д., в том числе результатов деятельности человека, такие, как ландшафт в промышленных и жилых зонах, состояния сельскохозяйственных территорий и т.п. Первоначально должна быть установлена система классификации земельного покрова, которая обычно включает в себя уровни и классы земель. Уровни и классы должны быть разработаны с учетом цели использования (на национальном, региональном или местном уровне), пространственного и спектрального разрешения данных дистанционного зондирования, запросу пользователя и так далее.

Обнаружение изменения состояния поверхности земли необходимо для обновления карт растительного покрова и рационализации использование природных ресурсов. Изменения, как правило, обнаруживаются при сравнении нескольких изображений, содержащих несколько уровней данных, а также, в некоторых случаях, при сравнении старых карт и обновленных изображений дистанционного зондирования.

сезонные изменения: сельскохозяйственные угодья и лиственные леса изменяются по-сезонно

годовые изменения: изменения поверхности земли или территории землепользования, например, районы вырубки леса или разрастания городов

Информация о поверхности земли и изменения характера растительного покрова прямо необходимы для определения и реализации политики защиты окружающей среды и могут быть использованы совместно с другими данными для проведения сложных расчетов (например, определения рисков эрозии).

Геодезия

Сбор геодезических данных с воздуха впервые был использован для обнаружения подводных лодок и получения гравитационных данных, используемых для построения военных картах. Эти данные являют собой уровни мгновенных возмущений гравитационного поля Земли, которые могут быть использованы для определения изменений в распределении масс Земли, что в свою очередь может быть востребовано для проведения различных геологических исследований.

Акустические и около-акустические применения

Сонар: пассивный гидролокатор, регистрирует звуковые волны, исходящие от других объектов (судно, кит и т.д.); активный гидролокатор, излучает импульсы звуковых волн и регистрирует отраженный сигнал. Используется для обнаружения, определения местоположения и измерения параметров подводных объектов и местности.

Сейсмографы – специальный измерительный прибор, который используется для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн. При помощи сейсмограмм, снятых в разных местах определенной территории, можно определить эпицентр землетрясения и измерить его амплитуду (после того как оно произошло) путем сравнения относительных интенсивностей и точного времени колебаний.

УЗИ: датчики ультразвукового излучения, которые испускают высокочастотные импульсы и регистрируют отраженный сигнал. Используется для обнаружения волн на воде и определения уровня воды.

При координации серий масштабных наблюдений, большинство систем зондирования зависят от следующих факторов: расположения платформы и ориентации датчиков. Высококачественные инструменты в настоящее время часто используют позиционную информацию от спутниковых систем навигации. Вращение и ориентация часто определяется электронными компасами с точностью около одного – двух градусов. Компасы могут измерять не только азимут (т.е. градусное отклонение от магнитного севера), но и высоты (значение отклонения от уровня моря), так как направление магнитного поля относительно Земли зависит от широты, на которой происходит наблюдение. Для более точного ориентирования необходимо применение инерциальной навигации, с периодическими поправками различными методами, включая навигацию по звездам или известным ориентирам.

Обзор основных приборов дистанционного зондирования

Радары, в основном, применяются в системах контроля воздушного трафика, раннего оповещения, мониторинга лесного покрова, сельском хозяйстве и для получения метеорологических данных большого масштаба. Радар Допплера используется правоохранительными организациями для контроля скоростного режима автотранспорта, а также для получения метеорологических данных о скорости и направлении ветра, местоположении и интенсивности осадков. Другие типы получаемой информации включают в себя данные об ионизированном газе в ионосфере. Интерферометрический радар искусственной апертуры используется для получения точных цифровых моделей рельефа больших участков местности.

Лазерные и радиолокационные высотомеры на спутниках обеспечивают получение широкого спектра данных. Измеряя отклонения уровня воды океана, вызванные гравитацией, данные приборы отображают особенности рельефа морского дна с разрешением порядка одной мили. Измеряя высоту и длину волны океанских волн при помощи высотомеров, можно узнать скорость и направление ветра, а также скорость и направление поверхностных океанических течений.

Ультразвуковые (акустические) и радиолокационные датчики используются для измерения уровня моря, приливов и отливов, определения направления волн в прибрежных морских регионах.

Технология светового обнаружения и определения дальности (ЛИДАР) хорошо известна своим применением в военной сфере, в частности, в лазерной навигации снарядов. ЛИДАРы используется также для обнаружения и измерения концентрации различных химических веществ в атмосфере, в то время как ЛИДАР на борту самолета может быть использован для измерения высоты объектов и явлений на земле с большей точностью, чем та, которая может быть достигнута при помощи радиолокационной техники. Дистанционное зондирование растительности также является одним из основных применений ЛИДАРа.

Радиометры и фотометры являются наиболее распространенными используемыми инструментами. Они фиксируют отраженное и испускаемое излучение в широком диапазоне частот. Наиболее распространенными являются датчики видимого и инфракрасного диапазонов, затем идут микроволновые, датчики гамма-лучей и, реже, датчики ультрафиолета. Эти приборы также могут быть использованы для обнаружения эмиссионного спектра различных химических веществ, предоставляя данные об их концентрации в атмосфере.

Стереоизображения, полученные при помощи аэрофотосъёмки часто используются при зондировании растительности на поверхности Земли, а также для построения топографических карт при разработке потенциальных маршрутов путем анализа изображений местности, в сочетании с моделированием особенностей окружающей среды, полученных наземными методами.

Мультиспектральные платформы, такие как Landsat активно использовались начиная с 70-х годов. Эти приборы использовались для построения тематических карт путем получения изображений в нескольких длинах волн электромагнитного спектра (мульти-спектра) и, как правило, они применяются на спутниках наблюдения за Землей. Примерами таких миссий являются в том числе программа Landsat или спутник IKONOS. Карты растительного покрова и землепользования, полученные методом тематического картографирования могут быть использованы для разведки полезных ископаемых, обнаружения и мониторинга использования земель, вырубки лесов, и изучения здоровья растений и сельскохозяйственных культур, в том числе огромных участков сельскохозяйственных земель или лесных массивов. Космические снимки программы Landsat используются регулирующими органами для контроля параметров качества воды, включая глубину Секки, плотность хлорофилла и общее содержание фосфора. Метеорологические спутники используются в метеорологии и климатологии.

Методом спектральной визуализации получают изображения, в которых каждый пиксель содержит полную спектральную информацию, отображая узкие спектральные диапазоны в пределах непрерывного спектра. Приборы спектральной визуализации используются для решения различных задач, в том числе применяются в минералогии, биологии, военном деле, измерениях параметров окружающей среды.

В рамках борьбы с опустыниванием, дистанционное зондирование позволяет наблюдать за областями, которые находятся в зоне риска в долгосрочной перспективе, определять факторы опустынивания, оценивать глубину их воздействия, а также предоставлять необходимую информацию лицам, ответственным за принятие решений по принятию соответствующих мер охраны окружающей среды.

Обработка данных

При ДЗЗ, как правило, применяется обработка цифровых данных, т. к. именно в этом формате получают данные ДЗЗ в настоящее время. В цифровом формате проще производить обработку и хранение информации. Двумерное изображение в одном спектральном диапазоне можно представить в виде матрицы (двухмерного массива) чисел I (i, j) , каждое из которых представляет интенсивность излучения, принятого датчиком от элемента поверхности Земли, которому соответствует один пиксель изображения.

Изображение состоит из n x m пикселей, каждый пиксель имеет координаты (i, j) – номер строки и номер колонки. Число I (i, j) – целое и называется уровнем серого (или спектральной яркостью) пикселя (i, j) . Если изображение получено в нескольких диапазонах электромагнитного спектра, то его представляет трехмерная решетка, состоящая из чисел I (i, j, k) , где k – номер спектрального канала. С математической точки зрения нетрудно обработать цифровые данные, полученные в таком виде.

Для того чтобы правильно воспроизвести изображение но цифровым записям, поставляемым пунктами приема информации, необходимо знать формат записи (структуру данных), а также число строк и столбцов. Используют четыре формата, которые упорядочивают данные как:

последовательность зон (Band Sequental, BSQ );

зоны, чередующиеся но строкам (Band Interleaved by Line, BIL );
зоны, чередующиеся но пикселям (Band Interleaved by Pixel, BIP );
последовательность зон со сжатием информации в файл методом группового кодирования (например, в формате jpg).

В BSQ -формате каждый зональный снимок содержится в отдельном файле. Это удобно, когда нет необходимости работать сразу со всеми зонами. Одну зону легко прочитать и визуализировать, зональные снимки можно загружать в любом порядке но желанию.

В BIL -формате зональные данные записываются в один файл строка за строкой, при этом зоны чередуются но строкам: 1-ая строка 1-ой зоны, 1-ая строка 2-ой зоны, …, 2-ая строка 1-ой зоны, 2-ая строка 2-ой зоны и т. д. Такая запись удобна, когда выполняется анализ одновременно всех зон.

В BIP -формате зональные значения спектральной яркости каждого пикселя хранятся последовательно: сначала значения первого пикселя в каждой зоне, затем значения второго пикселя в каждой зоне и т. д. Такой формат называют совмещенным. Он удобен при выполнении по-пиксельной обработки многозонального снимка, например, в алгоритмах классификации.

Групповое кодирование используют для уменьшения объема растровой информации. Такие форматы удобны для хранения больших снимков, для работы с ними необходимо иметь средство распаковки данных.

Файлы изображений обычно снабжаются следующей дополнительной информацией, относящейся к снимкам:

описание файла данных (формат, число строк и столбцов, разрешение и т. д.);

статистические данные (характеристики распределения яркостей – минимальное, максимальное и среднее значение, дисперсия);
данные о картографической проекции.

Дополнительная информация содержится либо в заголовке файла изображения, либо в отдельном текстовом файле с именем, совпадающим с именем файла изображения.

По степени сложности различаются следующие уровни обработки КС, предоставляемых пользователям:

1А – радиометрическая коррекция искажений, вызванных разницей в чувствительности отдельных датчиков.

1В – радиометрическая коррекция на уровне обработки 1А и геометрическая коррекция систематических искажений сенсора, включая панорамные искажения, искажения, вызванные вращением и кривизной Земли, колебанием высоты орбиты спутника.

2А – коррекция изображения на уровне 1В и коррекция в соответствии с заданной геометрической проекцией без использования наземных контрольных точек. Для геометрической коррекции используется глобальная цифровая модель рельефа (ЦМР, DEM ) с шагом на местности 1 км. Используемая геометрическая коррекция устраняет систематические искажения сенсора и проектирует изображение в стандартную проекцию (UTM WGS-84 ), с использованием известных параметров (спутниковые эфемеридные данные, пространственное положение и т. д.).

2В – коррекция изображения на уровне 1В и коррекция в соответствии с заданной геометрической проекцией с использованием контрольных наземных точек;

3 – коррекция изображения на уровне 2В плюс коррекция с использованием ЦМР местности (ортотрансформирование).

S – коррекция изображения с использованием контрольного изображения.

Качество данных, получаемых в результате дистанционного зондирования, зависит от их пространственного, спектрального, радиометрического и временного разрешения.

Пространственное разрешение

Характеризуется размером пикселя (на поверхности Земли), записываемого в растровую картинку - обычно варьируется от 1 до 4000 метров.

Спектральное разрешение

Данные Landsat включают семь полос, в том числе инфракрасного спектра, в пределах от 0.07 до 2.1 мкм. Сенсор Hyperion аппарата Earth Observing-1 способен регистрировать 220 спектральных полос от 0.4 до 2.5 мкм, со спектральным разрешением от 0.1 до 0.11 мкм.

Радиометрическое разрешение

Число уровней сигнала, которые сенсор может регистрировать. Обычно варьируется от 8 до 14 бит, что дает от 256 до 16 384 уровней. Эта характеристика также зависит от уровня шума в инструменте.

Временное разрешение

Частота пролёта спутника над интересующей областью поверхности. Имеет значение при исследовании серий изображений, например при изучении динамики лесов. Первоначально анализ серий проводился для нужд военной разведки, в частности для отслеживания изменений в инфраструктуре, передвижений противника.

Для создания точных карт на основе данных дистанционного зондирования, необходима трансформация, устраняющая геометрические искажения. Снимок поверхности Земли аппаратом, направленным точно вниз, содержит неискаженную картинку только в центре снимка. При смещении к краям расстояния между точками на снимке и соответствующие расстояния на Земле все более различаются. Коррекция таких искажений производится в процессе фотограмметрии. С начала 1990-х большинство коммерческих спутниковых изображений продается уже скорректированными.

Кроме того, может требоваться радиометрическая или атмосферная коррекция. Радиометрическая коррекция преобразует дискретные уровни сигнала, например от 0 до 255, в их истинные физические значения. Атмосферная коррекция устраняет спектральные искажения, внесенные наличием атмосферы.

ДЗЗ:

Что такое ДЗЗ?

Дистанционное зондирование Земли(ДЗЗ) - это наблюдение и измерение энергетических и поляризационных характеристик собственного и отраженного излучения элементов суши, океана и атмосферы Земли в различных диапазонах электромагнитных волн, способствующие описанию местонахождения, характера и временной изменчивости естественных природных параметров и явлений, природных ресурсов Земли, окружающей среды, а также антропогенных объектов и образований.

При изучении земной поверхности дистанционными методами источником информации об объектах служит их излучение (собственное и отраженное) .
Излучение также делится на естественное и искусственное. Под естественным излучением понимают естественное освещение земной поверхности Солнцем либо тепловое – собственное излучение Земли. Искусственное излучение, это излучение, которое создается при облучении местности источником, расположенным на носителе регистрируемого устройства.

Излучение представляет собой электромагнитные волны разной длины, спектр которых изменяется в диапазоне от рентгеновского до радиоизлучения. Для исследований окружающей среды используют более узкую часть спектра от оптических волн до радиоволн в диапазоне длин 0,3мкм – 3 м.
Важной особенностью ДЗЗ является наличие между объектами и регистрирующими приборами промежуточной среды, влияющей на излучение: это толща атмосферы и облачность.

Атмосфера поглощает часть отраженных лучей. В атмосфере есть несколько “окон прозрачности”, которые пропускают электромагнитные волны с минимальной степенью искажений.

По этой причине, логично предположить, что все съемочные системы работают только в тех спектральных диапазонах, которые соответствуют окнам прозрачности.

Системы ДЗЗ

В настоящее время существует широкий класс систем ДЗЗ , формирующих изображение исследуемой подстилающей поверхности. В рамках данного класса аппаратуры можно выделить несколько подклассов, различающихся по спектральному диапазону используемого электромагнитного излучения и по типу приёмника регистрируемого излучения, а также по методу (активный или пассивный) зондирования:

фотографические и фототелевизионные системы;
сканирующие системы видимого и ИК–диапазона (телевизионные оптико-механические и оптико-электронные, сканирующие радиометры и многоспектральные сканеры);
телевизионные оптические системы;
радиолокационные системы бокового обзора (РЛСБО) ;
сканирующие СВЧ–радиометры .

В то же время продолжается эксплуатация и разработка аппаратуры ДЗЗ, ориентированной на получение количественных характеристик электромагнитного излучения, пространственно-интегральных или локальных, но не формирующих изображение. В данном классе систем ДЗЗ можно выделить несколько подклассов: несканирующие радиометры и спектрорадиометры, лидары.

Разрешение данныых ДЗЗ: пространственное, радиометрическое, спектральное, временное

Этот тип классификации данных ДЗ связан с характеристиками, зависящими от типа и орбиты носителя, съемочной аппаратуры и обусловливающими масштаб, охват территории и разрешение снимков.
Существует пространственное, радиометрическое, спектральное, временное разрешение, на основе которых происходит классификация данных ДЗ.

Спектральное разрешение определяется характерными интервалами длин волн электромагнитного спектра, к которым чувствительный датчик.
Наиболее широкое применение в методах ДЗЗ из космоса находит окно прозрачности, соответствующее оптическому диапазону (он также называется световым), объединяющему видимую (380...720 нм), ближнюю инфракрасную (720...1300 нм) и среднюю инфракрасную (1300...3000 нм) области. Использование коротковолнового участка видимой области спектра затруднено вследствие значительных вариаций пропускания атмосферы на этом спектральном интервале в зависимости от параметров ее состояния. Поэтому практически при ДЗЗ из космоса в оптическом диапазоне применяют спектральный интервал длин волн, превышающих 500 нм. В дальнем инфракрасном (ИК) диапазоне (3...1000 мкм) имеются только три относительно узких окнах прозрачности: 3...5 мкм, 8...14 мкм и 30...80 мкм, из которых пока в методах ДЗЗ из космоса используют только первые два. В ультракоротковолновом диапазоне радиоволн (1мм...10м) имеется относительно широкое окно прозрачности от 2 см до 10 м. В методах ДЗЗ из космоса применяют его коротковолновую часть (до 1м), называемую сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазоном.

Характеристики спектральных диапазонов

Область спектра

Ширина области спектра
Видимая область,мкм
цветовые зоны
фиолетовая	0.39-0.45
синия	0.45-0.48
голубая	0.48-0.51
зеленая	0.51-0/55
желто-зеленая	0.55-0.575
желтая	0.575-0.585
оранжевая	0.585-0.62
красная	0.62-0.80
Область ИК излучения,мкм
ближняя	0.8-1.5
средняя	1.5-3.0
дальняя	>3.0
Радиволновая область,см
X	2.4-3.8
C	3.8-7.6
L	15-30
P	30-100

Пространственное разрешение - величина, характеризующая размер наименьших объектов, различимых на изображении.

Классификация снимков по пространственному разрешению:

снимки очень низкого разрешения 10 000 - 100 000 м.;
снимки низкого разрешения 300 - 1 000 м.;
снимки среднего разрешения 50 - 200 м.;
снимки высокого разрешения :
1. относительно высокого 20 - 40 м.;
2. высокого 10 - 20 м.;
3. очень высокого 1 - 10 м.;
4. снимки сверхвысокого разрешения меньше 0,3 - 0,9 м.

Соотношение масштаба карт с пространственным разрешением снимков.

Датчик

Размер пиксела

Возможный масштаб

Landsat 7 ETM+

15 м

1:100 000

SPOT 1-4

10 м

1:100 000

IRS-1C и IRS-1D

6 м

1:50 000

SPOT 5

5 м

1:25 000

EROS

1,8 м

1:10 000

OrbView-3 pan

4 м

1:20 000

OrbView-3

1 м

1:5 000

IKONOS pan

4 м

1:20 000

IKONOS*

1 м

1:5 000

QUICKBIRD pan

2.44 м

1:12 500

QUICKBIRD

0.61 м

1:2 000

Радиометрическая разрешающая способность определяется количеством градаций значений цвета, соответствующих переходу от яркости абсолютно «черного» к абсолютно «белому», и выражается в количестве бит на пиксел изображения. Это означает, что в случае радиометрического разрешения 6 бит на пиксел мы имеем всего 64 градации цвета (2(6) = 64); в случае 8 бит на пиксел - 256 градаций (2(8) = 256), 11 бит на пиксел - 2048 градаций (2(11) = 2048).

Временное разрешение определяется частотой получения снимков конкретной области.

Методы обработки космических снимков

Методы обработки космических снимков подразделяют на методы предварительной и тематической обработки.
Предварительная обработка космических снимков - это комплекс операций со снимками, направленный на устранение различных искажений изображения. Искажения могут быть обусловлены: несовершенством регистрирующей аппаратуры; влиянием атмосферы; помехами, связанными с передачей изображений по каналам связи; геометрическими искажениями, связанными с методом космической съёмки; условиями освещения подстилающей поверхности; процессами фотохимической обработки и аналого-цифрового преобразования изображений (при работе с материалами фотографической съёмки) и другими факторами.
Тематическая обработка космических снимков - это комплекс операций со снимками, который позволяет извлечь из них информацию, представляющую интерес с точки зрения решений различных тематических задач.

Уровни обработки спутниковых данных.

Вид обработки

Уровни обработки

Содержание операций

Предварительная обработка

Распаковка битового потока по приборам и каналам

Привязка бортового времени к наземному

Нормализация

Разделение на кадры

Радиометрическая коррекция по паспортным данным датчика

Оценка качества изображений (% сбойных пикселей)

Геометрическая коррекция по паспортным данным датчика

Географическая привязка по орбитальным данным и угловому положению КА

Географическая привязка по информации БД опорных точек (ЦКМ)

Оценка качества изображений (% облачности)

Стандартная межотраслевая обработка

Преобразование в заданную картографическую проекцию

Полная радиометрическая коррекция

Полная геометрическая коррекция

Заказная тематическая обработка

Редактирование изображений (сегментация, сшивка, повороты, связывание и др.)

Улучшение изображений (фильтрация, гистограммные операции, контрастирование и др.)

Операции спектральной обработки и синтез многоканальных изображений

Математические преобразования изображений

Синтез разновременных изображений и изображений с разным разрешением

Конвертация изображений в пространство дешифровочных признаков

Ландшафтная классификация

Выделение контуров

Пространственный анализ, формирование векторов и тематических слоев

Измерение и расчет структурных признаков (площади, периметр, длины, координаты)

Формирование тематических карт

Данные спутниковой съемки содержат полезную информацию, полученную в различных спектральных диапазонах, и сохраняются в цифровом виде. Поскольку космические снимки охватывают большие области, их можно использовать для тематических региональных исследований и идентификации крупных пространственных объектов, в частности, структур рельефа. Регулярная съемка территорий позволяет проводить мониторинг водных ресурсов, агротехнического состояния сельскохозяйственных культур, эродированности почв, развития инфраструктуры городов и других процессов, объектов и явлений, которые изменяются под воздействием природных и антропогенных факторов. С помощью космической съемки достаточно просто получить данные о труднодоступных областях. Еще одним преимуществом ДЗЗ является возможность получения снимков разного разрешения, что позволяет применять данные дистанционного зондирования для решения различных задач в разных предметных областях. Поскольку анализ материалов ДЗЗ выполняется камерально, требуется меньше полевых исследований, что окупает затраты на приобретение данных. Экономически эффективным является и применение космических снимков для оперативного обновления средне- и мелкомасштабных карт. Цифровой формат материалов ДЗЗ и использование компьютеров для их обработки и анализа обеспечивают быстрое получение результатов.

Исторически один из наиболее развитых способов получения информации об объектах земной поверхности – это сбор информации в поле. Сплошное изучение значительных по площади территорий методами наземной съемки (тахеометрия, нивелирование и т.д.) требует огромных экономических и временных затрат. Необходимо заметить, что при наземных исследованиях трудно добиться синхронности, одновременности наблюдений на всех участках. Ко всему этому зачастую добавляется такой фактор как труднодоступность территории.

Этих недостатков лишены методы ДЗЗ. Одна из наиболее важных характеристик этих методов – возможность накапливать данные о большой области земной поверхности за короткий промежуток времени, получая практически моментальный снимок. Например, с помощью сканера на геостационарном метеорологическом спутнике Меteosat изображение примерно четверти поверхности Земли формируется менее чем за полчаса. Если этот аспект рассматривать в сочетании с тем фактом, что с помощью спутниковых систем можно получать данные в ситуациях, сложных для наземных исследований, когда они медленны, дороги, опасны, политически неудобны, то потенциальная мощь ДЗЗ становится еще более очевидной. Дополнительным преимуществом ДЗЗ является возможность систем выдавать калиброванные данные в цифровом виде, которые могут быть введены прямо в компьютер для обработки.

В современных условиях следующие характеристики определяют востребованность космических снимков (КС):

Объективность – каждый КС является документом, объективно отражающим состояние местности на момент съемки. Подделать КС практически невозможно, так как съемку ведут различные компании-операторы и попытки изменения данных могут быть легко обнаружены.

Актуальность – материалы космической съемки можно получить на различные даты, включая съемку на заказ, которая осуществляется, как правило, в течение нескольких недель.

Масштабность – современные приборы ДЗЗ позволяют одновременно снять значительные по площади территории с довольно высокой степенью детализации.

Экстерриториальность – участки съемки никак не привязаны к государственным и территориальным границам и для проведения съемки не требуется разрешение.

Доступность – в настоящее время данные ДЗЗ с пространственным разрешением 2 м и меньше являются открытыми и доступными. Процедура заказа и получения снимков достаточна проста.

Данные ДЗЗ, особенно полученные с космических спутников, зачастую нельзя получить никаким другим способом. Современная служба погоды в значительной мере основана на наблюдениях со спутников.

Помимо преимуществ у данных дистанционного зондирования есть и недостатки: для их обработки и анализа требуются очень высокая квалификация и большой практический опыт. Использование таких данных становится экономически неэффективным при единичных исследованиях небольших территорий. Программное обеспечение, которое применяется для обработки цифровых снимков, также имеет высокую стоимость. Кроме того, если результаты дешифрирования материалов ДЗЗ не подтверждены полевыми исследованиями, к ним надо относиться с большой осторожностью.

Следует отметить, что чем больше территория государства, тем более эффективно применение дистанционных методов.

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 .

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 .

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 .

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

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

140 м

35 – 45 м

30 м

15 м

10 м

5 м

Выше 1 м

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.

Данные дистанционного зондирования - данные о поверхности Земли, объектах, расположенных на ней или в ее недрах, полученные в процессе съемок любыми неконтактными, т.е. дистанционными методами. По сложившейся традиции, к ДДЗ относят данные, полученные с помощью съемочной аппаратуры наземного, воздушного или космического базирования, позволяющей получать изображения в одном или нескольких участках электромагнитного спектра. Характеристики такого изображения зависят от многих природных условий и технических факторов. К природным условиям относятся сезон съемки, освещенность снимаемой поверхности, состояние атмосферы и т.д. К основным техническим факторам - тип платформы, несущей съемочную аппаратуру, тип сенсора; метод управления процессом съемки; ориентация оптической оси съемочного аппарата; метод получения изображения. Главные характеристики ДДЗ определяются числом и градациями спектральных диапазонов; геометрическими особенностями получаемого изображения (вид проекции, распределение искажений), его разрешением.

Дистанционное зондирование -- не новый метод. В течение многих десятилетий человек поднимался над Землей, чтобы наблюдать ее с большого расстояния и узнать, таким образом, еще больше о ней. Для этой цели широко использовалась аэрофотосъемка, а со временем появились новые виды съемки, использующие для дистанционного зондирования фотографические датчики.

Благодаря последним достижениям в области искусственных спутников, несущих системы датчиков слежения за Землей, стало возможным использование огромного количества фотографий и других видов информации о поверхности Земли, которые помогут в решении таких задач, как снижение острой нехватки продуктов, управление и контроль за загрязнением окружающей среды, увеличение запасов естественных ресурсов и планирование роста городов. С точки зрения этих задач спутниковые данные имеют большое значение при условии, что их большой объем быстро и экономично будет сведен к полезной информации. Современные быстродействующие цифровые ЭВМ хорошо приспособлены для решения задач сокращения данных, а слияние таких вычислительных методов с новыми системами наблюдения уже позволило получать точную текущую информацию об окружающем нас мире. Результат синтеза -- количественный метод дистанционного зондирования.

Для анализа данных дистанционного зондирования наиболее удобны географические информационные системы (ГИС), позволяющие эффективно работать с пространственно-распределенной информацией (картами, планами, аэрокосмическими изображениями, схемами в сочетании с текстом, таблицами и др.). С данными такого рода приходится иметь дело практически в любой сфере деятельности. Это может быть карта природных ресурсов, результаты экологического мониторинга территории, атлас земельного кадастра, план городских кварталов, схема движения транспорта и др. ГИС позволяет накапливать, интегрировать и анализировать информацию, оперативно находить нужные сведения и отображать их в удобной для использования форме, оценивать геометрические характеристики объектов (длину улицы, расстояние между городами).

Большую часть данных дистанционного зондирования составляют снимки, которые дают возможность получения сведений об объекте в виде изображений в цифровой (данные, передаваемые на наземную станцию по радиоканалам или фиксируемые на борту на магнитных носителях) или аналоговой (фотографии) формах. Цифровые данные представляют интегральное излучение площадки на земной поверхности, соответствующей элементу изображения - пикселу. Результаты измерения переводятся в дискретные безразмерные цифровые значения, соответствующие характеристикам отражательной способности. Записанные посредством регистрирующего устройства цифровые значения изменяются в пределах радиометрического битового диапазона, ширина которого зависит от характеристик датчика - обычно это интервал 0 - 255. На изображении эти значения соответствуют оттенкам серой шкалы: 0 представляет абсолютно черный объект, 255 - абсолютно белый объект, а промежуточные значения соответствуют различным оттенкам серого цвета. Всё многообразие объектов ландшафта Е.Л. Кринов разделил на четыре класса, каждый из которых отличается своеобразной кривой спектральной яркости (например, 1 класс - горные породы и почвы, характеризуется увеличением спектральной яркости по мере приближения к красной области спектра). Изображения, полученные сканированием. Фотографические снимки необходимо для обработки переводить в цифровую форму. Для этого используют сканеры. В большинстве случаев для обработки аэрокосмических снимков используют растровые ГИС-пакеты, зональные изображения рассматривают в них как слои информации наряду с другими слоями БД.

ДДЗ - важнейший источник оперативной и современной информации о природной среде для тематических слоёв в ГИС, для поддержания данных в актуальном состоянии.

Подробно: виды орбит искусственных спутников Земли. Параметры орбит. Для каких целей та или иная орбита ИСЗ будет давать преимущества.

Траектория движения искусственного спутника Земли называется его орбитой. Эллиптическая орбита, по которой вращается спутник (в точке S находится спутник, а в точке G-- Земля), характеризуется следующими параметрами: а = АО и b = ОС -- большая и малая полуоси эллипса; е= (1 - b2/а2)1/2 -- эксцентриситет орбиты; угол HGS -- угловая координата н радиуса-вектора (так называемая истинная аномалия); фокальный параметр р = b2/а; р = К2/ут2М, где К-- момент количества движения спутника; т -- масса спутника; М=5,976*1027 г -- масса Земли, у = 6,67-10 -14 м3/гс3 -- гравитационная постоянная. К параметрам орбиты спутника относится также период обращения Т -- время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты.

В общем случае плоскость орбиты пересекается с плоскостью экватора Земли по так называемой линии узлов. Точка В, в которой орбита пересекает плоскость экватора при движении спутника с юга на север, называется восходящим узлом орбиты, точка пересечения при движении спутника с севера на юг -- нисходящим узлом. Положение восходящего узла определяется долготой восходящего узла, т.е. углом Q, между восходящим узлом и точкой весеннего равноденствия, отсчитываемым против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса. Для линии узлов задают два угла в плоскости орбиты. Угол щ -- угловое расстояние, отсчитываемое от восходящего узла в плоскости орбиты до перигея орбиты H, т.е. ближайшей к Земле точки орбиты спутника; со называют аргументом перигея. Угол i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора, называемый наклонением орбиты, отсчитывается от плоскости экватора с восточной стороны восходящего узла орбиты, против движения часовой стрелки. По наклонению различают экваториальные (i= 0°), полярные (i=90°) и наклонные (0° < i < 90°, 90° < i < 180°) орбиты.

Спутники для дистанционного зондирования Земли запускают в основном на круговые орбиты. Такой спутник пролетает над различными участками Земли на одинаковой высоте, что обеспечивает равенство условий съемки. зондирование дистанционный спутник метеорологический

Круговую орбиту, расположенную над экватором Земли (0° широты), находясь на которой искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси, и постоянно находится над одной и той же точкой на земной поверхности, называют геостационарной орбитой (ГСО). Орбита геостационарного ИСЗ -- это круговая (эксцентриситет е = 0), экваториальная (наклонение i = 0°). Низкоорбитальные спутники (H < 1000 км) обычно выводятся на приполярные солнечно-синхронные орбиты. Эти орбиты имеют наклонение относительно экватора, близкое к 90°, обеспечивают съемку всей поверхности Земли, включая полярные области. Поворот орбиты относительно Земли синхронизован с вращением Земли относительно Солнца, так что в течение всего времени угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце постоянен. Это позволяет производить съемку приблизительно в один и тот же час местного времени в течение всего года. Наиболее удобное время для съемки -- около 12 ч местного времени.

Каждая орбита обладает своими преимуществами и недостатками. Например, полярная и наклонная орбиты имеют существенный недостаток: так как спутник движется по этим орбитам, то для того, чтобы отслеживать положение спутника антенну нужно обязательно подстраивать для получения спутникового сигнала, для этого требуется специальное оборудование, которое стоит немалых денег: их очень сложно устанавливать и обслуживать.

Спутник же двигающийся по геостационарной орбите кажется неподвижным и как будто находится постоянно в одной точке. Это очень удобно для ретрансляции сигналов, так как не нужно регулировать положение рефлекторов антенн, направляя их на уходящий спутник. Именно геостационарную орбиту используют большинство спутников коммерческого назначения, также достоинствами этой орбиты являются возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты. Экваториальная орбита (или геостационарная орбита) помимо положительных имеет и отрицательные характеристики: - невозможно передавать сигнал на приполярные районы Земли, так как угол местности очень мал; - из-за того, что несколько спутников на одной орбите могут находиться только на небольшом расстоянии друг от друга, то происходит перенасыщение геостационарной орбиты. Большая высота геостационарной орбиты также является недостатком, так как требуется много средств для вывода спутника на орбиту. Как уже было замечено ранее, спутник на геостационарной орбите неспособен обслуживать земные станции в приполярной области. Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.

Для каких целей используются различные орбиты ИСЗ? Спутниковое телевидение является новым и качественным форматом скоростной передачи данных с помощью специального оборудования, к которому подключается обычный телевизор. Вся информация, как визуальная (видео), так и аудио, синхронно передаются от передающего центра к потребителю через искусственный спутник Земли, расположенный на геостационарной орбите от станции вещания на космический спутник. Посредством него вся информация равномерно распределяется между приемниками абонентов. Для передачи сигнала используется цифровой стандарт, что позволяет многократно увеличить количество транслируемых каналов и избавится от помех. Для спутниковой ретрансляции телевизионных передач в основном используют два вида спутников: спутники, обращающиеся на вытянутых эллиптических орбитах, и спутники, размещенные на геостационарной орбите. Использование ИСЗ, расположенный на геостационарной орбите, исключает необходимость непрерывного наведения приемной антенны на спутник. Благодаря неизменному расстоянию до спутника стабилизируется уровень входного сигнала. Связь может осуществляться круглосуточно и без перерывов, необходимых для перехода с одного ИСЗ на другой(в 1965 году в СССР для этих целей использовали три спутника, движущихся по эллиптической орбите). Наконец, облегчается энергоснабжение аппаратуры, так как спутник почти постоянно освещается Солнцем. К недостаткам геостационарной орбиты относятся плохое обслуживание приполярных областей Земли и необходимость расположения космодрома на экваторе, иначе для выведения спутника на такую орбиту требуется значительное увеличение мощности ракеты-носителя. Тем не менее эти недостатки окупаются простотой и дешевизной большого числа земных станций. Но самое главное - это возможность осуществления непосредственного приема телевизионных передач телезрителями с геостационарного спутника без промежуточного наземного ретранслятора.

Множество спутников располагается на наклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика не так высока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако такой подход требует не только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземных коммутаторов. Подобный метод используется операторами Iridiumи Globalstar. С операторами персональной спутниковой связи конкурируют операторы сотовой связи.

Главным недостатком экваториальных орбит является задержка сигнала. Спутники на экваториальных орбитах оптимальны для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс (в каждом направлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системы радиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарная задержка в системах данного класса составляет около 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техника эхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае "двойного скачка" (ретрансляции через наземную станцию-шлюз) задержка становится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей.

В соответствии с высотой орбиты системы спутниковой связи делятся на:

- Низкоорбитальные - (700 -- 1 500) км;
- Среднеорбитальные - (5 000 -- 15 000) км;
- Высокоорбитальные -- от 15 000 и выше. Низкоорбитальные ССС используются для телефонной двусторонней связи, так как при этом происходит наименьшая задержка сигнала (не проявляется эффект реверберации). Кроме того, низкоорбитальные ССС используются для оптической разведки и связи с объектами малой энергетической емкости, например, с аварийными буями.

Среднеорбитальные ССС используются, в основном, для систем радиовещания и ТВ или для двусторонней факсимильной, ТЛГ, пейджинговой связи и обмена данными. Также для телеметрических систем слежения за автомобилями, поездами с передачей от них телеметрической информации. То есть, в тех системах, где задержка сигнала не оказывает существенного влияния на качество работы каналов связи.

Высокоорбитальные ССС, чаще всего, используются для передачи телевизионных и радиовещательных программ. Кроме того, данные системы связи используются для систем односторонней ТЛГ, ФАКС, пейджинговой связи и обмена данными.