Конспект лекций ДЗЗ. 1. Введение. Дистанционное зондирование Земли. 1 Основы дистанционного зондирования Земли
 Скачать 1.51 Mb.
|
|
3 1. Введение. Дистанционное зондирование Земли. 1.1 Основы дистанционного зондирования Земли. Схема дистанционного зондирования. Электромагнитное излучение. Диапазоны электромагнитного излучения. Спектральные диапазоны, используемые в дистанционном зондировании. Преимущества и недостатки данных дистанционного зондирования. Области применения данных дистанционного зондирования. Схема дистанционного зондирования Дистанционное зондирование – это метод получения информации об отдаленных объектах без прямого контакта с ними. Бесконтактная передача информации возможна благодаря естественно существующим или искусственно генерируемым силовым полям, которые распространяются между приемником излучений (чувствительным сенсором) и изучаемым объектом (целью). К основным используемым силовым полям относятся, электромагнитное излучение. При настройке приемника на определенные излучения на системе датчиков фиксируется, изображается состояние радиации, исходящей от объекта исследования, и такие изображения можно анализировать. Принцип дистанционного зондирования с использованием волн электромагнитного спектра проиллюстрирован на рисунке 1. Энергия исходит из источника излучения. Пассивный (естественный) источник энергии – это Солнце. Активным источником энергии может быть лампа, лазер или микроволновый передатчик с его антенной. Радиация проникает через вакуум со скоростью света приблизительно в 300 000 км/с. Она достигает объекта, где взаимодействует с ним. Часть энергии отражается по направлению к приемнику. В приемнике, размещенном на специальной платформе, интенсивность поступающей радиации квантуется и запоминается. Значения запомненной энергии преобразуются в графические образы – изображение. 4 Рисунок 1 - Схема дистанционного зондирования В процессе передачи излучения от объекта к датчику, происходит поглощение и рассеяние излучения в атмосфере, что приводит к искажению сигнала. Поэтому существуют различные виды обработки данных дистанционного зондирования предназначенные для снижения влияния атмосферы на изображения объектов местности. Электромагнитное излучение. Диапазоны электромагнитного излучения. Спектральные диапазоны, используемые в дистанционном зондировании. В дистанционном зондировании используются наиболее информативные диапазоны электромагнитного излучения: оптический (длина волн λ = 0,1 – 1000 мкм) и радиодиапазон (λ более 1 мм). Оптический диапазон делят на области и зоны спектра. Источник излучения Поверхность Земли Датчик Устройство записи Обработка изображений Потребители Отраженное излучение Поглощение излучения Рассеяние излучения в атмосфере 5 При съемке земной поверхности, как правило, регистрируется отраженное от объектов солнечное излучение. Солнце – основной естественный источник электромагнитного излучения. 0,4 0,5 0,6 0,7 (мкм) УФ синий зеленый красный Ближний инфракрасный Видимый 10 -6 10 -4 10 -1 1 10 10 5 10 8 (мкм) Ко см иче ски е л уч и Г амма л учи Рен тге но вски е л уч и Уль тр аф ио лет ов ы й (УФ) Ви ди м ы й Бл ижн ий И К Ср ед ни й И К Т еп ло во й И К Ми кр ов ол но вы й (СВЧ) Т елев ид ен ие и ра ди овеща ни е Рисунок 2 – Диапазоны спектра Оптический диапазон делится на: ультрафиолетовую (λ=0,10–0,40мкм), видимую (λ=0,40–0,75мкм) и инфракрасную (λ=0,75–1000мкм) области. Ультрафиолетовая и инфракрасная области спектра в свою очередь делятся на ближнюю, среднюю и дальнюю зоны. А видимая область делится на синюю, зеленую и красную зоны. В качестве искусственных источников излучения используются лазеры и радары. 6 Рисунок 3 - Взаимодействие излучения с атмосферой Пока солнечное излучение достигнет земли, оно проходит через атмосферу. Можно выделить следующие виды взаимодействия излучения с атмосферой: поглощение, отражение и рассеивание. При прохождении электромагнитного излучения через атмосферу, оно частично поглощается молекулами различных газов. На рисунке __ показана кривая прозрачности атмосферы. Рисунок 4 – Окна прозрачности атмосферы Из рисунка видно, что достаточно большая часть диапазона бесполезна для дистанционного зондирования, так как не пропускает излучение. Соответственно в дистанционном зондировании используются те диапазоны, которые атмосфера пропускает, так называемые «окна прозрачности Сенсор Поверхность Земли Поглощенное излучение Рассеянное излучение Падающее излучение Отраженное излучение 7 атмосферы» (λ=0,4-2,0мкм, два узких в районе 3 и 5 мкм, λ=8-14мкм, λ больше 1 мм). Рассеивание энергии происходит из-за взаимодействия электромагнитных волн с молекулами газов и частицами, присутствующими в атмосфере. Отражение и поглощение излучения поверхностью земли зависит от вещества объектов и физических условий. Даже у объектов одного типа соотношение поглощения и отражения излучения зависит от длины волны. Таким образом, два объекта могут быть неразличимы в одном спектральном диапазоне и различимы в другом. В видимой части спектра эти различия воспринимаются как изменение цвета. То есть, например, если объект отражает большую часть излучения синего диапазона спектра, то он изобразится синим цветом на снимке. Таким образом, отражательные свойства различных типов объектов имеют важное значение при их идентификации. Отражательные свойства земной поверхности характеризует функция, называемая спектральной отражательной способностью. Рисунок 5 – Кривая отражательной способности растительности График зависимости спектральной отражательной способности объекта от длины волны называется кривой спектральной отражательной 8 способности. По этому графику можно изучать спектральные отражательные характеристики объектов для того, чтобы выбрать диапазон электромагнитного спектра для наилучшего распознавания данных объектов на снимках. Преимущества и недостатки данных дистанционного зондирования. Основные преимуществами использования данных дистанционного зондирования: возможность получения информации в различных спектральных диапазонах; космические снимки охватывают большие площади; высокая периодичность получения данных; возможность получить данные о труднодоступных областях; в основном все работы камеральные; возможность получать данные разного разрешения в зависимости от решаемой задачи; возможность трехмерного анализа пространственных данных. Основные недостатки использования данных дистанционного зондирования: требуется высокая квалификация и практический опыт оператора для их обработки; неэффективны при исследовании небольших территорий; высокая стоимость программного обеспечения. Области применения данных дистанционного зондирования. Задачи, решаемые с помощью данных дистанционного зондирования: 1. Определение метрических характеристик (границы, координаты, размеры, площади и т.д.) объектов местности. 2. Создание карт и планов. 3. Создание ортофотопланов. 4. Создание цифровых моделей рельефа и местности. 5. Выявление изменений произошедших на местности. 6. Оценка состояния территорий. 7. Создание трехмерных реалистичных измерительных моделей объектов. 9 Данные дистанционного зондирования и результаты их обработки применяются при: 1. инвентаризации природных ресурсов 2. исследовании природных ресурсов; 3. мониторинге стихийных бедствий и оценка их последствий; 4. изучении влияния антропогенного воздействия на окружающую среду; 5. планировании и управлении развитием территорий; 6. освоении недр; 7. ведении сельского и лесного хозяйства и др. 1.2 Классификация съемочных систем дистанционного зондирования. Классификация методов дистанционного зондирования. Основные характеристики съемочных систем. 1 Классификация методов дистанционного зондирования При классификации съемочных систем могут использоваться различные критерии, при этом их можно разделить на: воздушные и космические, пассивные и активные, однозональные и многозональные, фотографические и нефотографические и др. Все съемочные системы можно разделить на две большие группы: пассивные и активные. К пассивным съемочным системам относятся: 1. фотографические; 2. телевизионные; 3. на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС); 4. сканерные; К активным съемочным системам относятся: 1. радиолокационные; 2. лазерные. Основные характеристики съемочных систем 10 Основными критериями съемочных систем являются: пространственное разрешение, спектральное разрешение, радиометрическое разрешение, временное разрешение. Пространственное разрешение – это возможность раздельно воспроизводить на снимке мелкие детали снимаемого объекта. Разрешающая способность R определяется числом раздельно воспроизводимых черных линий в 1 мм изображения при таком же белом интервале между ними. Разрешающую способность съемочной системы определяется путем съемки миры (рисунок 6). Рисунок 6 – Тест-объекты (миры) Когда речь идет о сканерных или цифровых съемочных системах, где приемниками излучения служат ПЗС-линейки или ПЗС-матрицы, разрешающая способность определяется размером элемента сканирования на местности. Например, разрешающая способность сканерной съемочной системы 4 метра, это значит, что один пиксель ПЗС-линейки соответствует 4 метрам на местности. 11 Под спектральной разрешающей способностью понимают минимальную ширину спектральной зоны, в которой проводят съемку. При увеличении количества диапазонов и уменьшении каждого из них будет достигнута более высокая спектральная разрешающая способность. Увеличение спектральной разрешающей способности способствует лучшему выявлению различных типов объектов по изображениям. Радиометрическое разрешение определяется чувствительностью сенсора к вариациям интенсивности электромагнитного излучения то есть наименьшей разницей в уровнях энергии излучения, которую можно зарегистрировать с помощью данной аппаратуры. Для фотографических съемочных систем радиометрическое разрешение определяет возможность определения малейших вариаций оттенков серого цвета, а для цифровых – числом уровней квантования. Временное разрешение определяется периодичностью сбора данных, то есть период съемки одного и того же участка местности. Данные могут собираться ежедневно, раз в несколько дней, ежемесячно и т.д. 1.3 Фотографические съемочные системы Фотоаппараты, применяемые для аэрокосмической съемки, их характеристики. Кадровые фотографические съемочные системы. Устройство АФА. Планирование и выполнение аэрофотосъёмки. 3 Фотоаппараты, применяемые для аэрокосмической съемки, их характеристики. Кадровые фотографические съемочные системы. Устройство АФА. Аэрофотоаппарат (АФА) – оптико-электромеханическое устройство, предназначенное для фотографирования земной поверхности с различных летательных аппаратов. В аэрофотокамере располагается оптическая система – объектив и затвор. Основные характеристики объектива: фокусное расстояние и разрешающая способность. 12 Фокусное расстояние АФА – это расстояние от задней узловой точки объектива до фокальной плоскости АФА. Разрешающая способность объектива характеризует возможности объектива раздельно передавать в создаваемом изображении близко расположенные мелкие детали. Кассета предназначена для размещения аэрофотопленки и приведения её в плоскость прикладной рамки во время экспонирования. Командный прибор служит для автоматического дистанционного управления АФА. 1. стекло люка 2. аэрофотоустановка 3. светофильтр 4. объектив 5. корпус камеры 6. оптический блок 7. выравнивающее стекло 8. приемная и передающая кассеты 9. прижимной стол 10. приемная и передающая катушки 11. аэропленка 12. пульт управления 13. прикладная рамка Рисунок 7 – Принципиальная схема аэрофотоаппарата 13 o’ – главная точка снимка S – точка фотографирования (центр проекции) F – фокусное расстояние объектива Рисунок 8 – Прикладная рамка аэрофотокамеры Достоинства фотографических съемочных систем: + изображение представляет аналоговую модель снимаемого объекта + достаточно строгая пропорциональность цвета на снимке яркостям объектов + фотографический процесс изучен достаточно + фотоматериал имеет достаточно стабильные характеристики и свойства + высокая разрешающая способность Недостатки фотографических съемочных систем: ограничение спектральной зоны съемки (0,3-1,1 мкм) необходимость проведения фотохимической обработки неоперативность доставки получаемой информации зависимость от погодных условий необходимость сканирования аэрофотоснимков Планирование и выполнение аэрофотосъёмки Основным документом для выполнения аэрофотосъемки является технический проект, которым определяются основные параметры аэрофотосъемки (высота фотографирования, продольное и поперечное перекрытия, базис фотографирования, расстояние между маршрутами, количество требуемых фотоматериалов). На первом этапе определяются границы съемочных участков. Для этого по заданным значениям масштаба аэрофотосъемки и фокусного расстояния вычисляется высота фотографирования и по формуле (1) проверяют, удовлетворяют ли характеристики рельефа местности требованиям аэрофотосъемки. (h max -h min )/H<0.2, (1) 14 Если условие не выполняется, то объект разбивается на отдельные съемочные участки, для каждого из которых вычисляются свои параметры, кроме того размер съемочного участка не должен быть слишком большим, чтобы аэрофотосъемка была выполнена в один полет. Границами съемочных участков служат, как правило, рамки топографических трапеций, но можно использовать и другой подход. Для каждого съемочного участка вычисляются величины, приведенные в таблице. Основными параметрами аэрофотосъёмки являются: масштаб фотографирования (m), высота фотографирования (Н Ф ), фокусное расстояние АФА (f), а также продольное и поперечное перекрытия аэрофотоснимков (P x и P y ). Первые три параметра связаны соотношением: ф H f m 1 Высоту фотографирования относительно средней плоскости участка аэрофотосъемки Н Ф найдем по формуле: f m H Продольные и поперечные перекрытия снимков, определяются в соответствии с “Основными положениями по аэрофотосъемке”, выполняемой для создания и обновления карт. Рисунок 9 – Продольное и поперечное перекрытие снимков Продольное перекрытие определяется в соответствие с таблицей 5. Таблица 5 – Таблица расчета продольного перекрытия снимков + + + P x P x + + P y 15 Заданное Р х % Минимальное Р о % Максимальное Р x % h:H<0,2 h:H>0,2 60 56 66 70 80 78 83 85 90 89 92 93 Продольное перекрытие снимков рассчитывается по формуле: H h X P P P P 0 (16) где 0 P – минимальное заданное продольное перекрытие снимков, h P – поправка за рельеф местности вычисляется по формуле: 0 100 P H h P Ф h (17) h – наибольшее превышение точек местности над средней плоскостью съемочного участка, H P – навигационная поправка, которая согласно основных положений по аэрофотосъемке составляет 4-6% и зависит от масштаба аэрофотосъемки. Поперечное перекрытие снимков определяется по таблице 6. Таблица 6 – Таблица расчета поперечного перекрытия снимков Масштаб аэрофотосъемки Поперечное перекрытие % Расчетное Минимальное Максимальное Мельче 1:25000 30+70 Ф H h 20 +10 1:25000-1:10000 35+65 Ф H h 20 +15 Крупнее 1:10000 40+60 Ф H h 20 +20 Расчет базиса фотографирования на местности производится по формуле: f H P l B Ф x x X ) 100 1 ( , (18) 16 Расчет расстояния между осями маршрутов рассчитывается по формуле: f H P l B Ф y y Y ) 100 1 ( , (19) где y ,l l x – формат кадра в миллиметрах. 1.4 Оптико-механические и оптико-электронные сканеры Принцип действия оптико-механических и оптико-электронных сканеров. Отличие геометрии формирования сканерного снимка от кадрового. 2 Принцип действия оптико-механических и оптико-электронных сканеров. Отличие геометрии формирования сканерного снимка от кадрового. 1 – площадка мгновенного обзора 2 – объектив 3 – механизм вращения 4 – сканирующее зеркало 5 – приемник излучения 6 – устройство магнитной записи 7 – передающее устройство 8 – направление сканирования 9 – направление съемки Рисунок 10 – Принцип действия оптико-механического сканера 3 7 6 5 1 9 8 4 2 17 Оптико-механический сканер содержит только один чувствительный элемент – датчик, который позволяет измерять яркость небольшого участка, пикселя земной поверхности. Сканирующее зеркало просматривает полосу местности, что позволяет зарегистрировать яркость целого ряда пикселей земной поверхности за короткий промежуток времени. Поскольку сканер размещается на движущейся платформе, он аналогично записывает данные о следующей полосе пикселей земной поверхности. По мере движения платформы сканирующий механизм позволяет получить изображение на целую площадь. Принцип работы сканера показан на рисунке 1 – площадка мгновенного обзора 2 – объектив 3 – механизм вращения 4 – сканирующее зеркало 5 – приемник излучения 6 – устройство магнитной записи 7 – передающее устройство 8 – направление сканирования 9 – направление съемки 10 – полупрозрачное зеркало 11 – разделяющая призма 12 – линейка детекторов для различных участков спектра 13 – термальный детектор 14 – детектор для дальнего инфракрасного участка спектра Рисунок 11 – Принцип действия многоспектрального оптико-механического сканера 3 7 6 5 1 9 8 4 2 14 11 13 12 10 18 f – фокусное расстояние камеры S – точка фотографирования (объектив) H – высота фотографирования L – ширина полосы захвата Рисунок 12 – Принцип действия оптико-электронного сканера В оптико-электронном сканере линейка датчиков ориентирована перпендикулярно направлению движения платформы. Отдельному чувствительному элементу линейки, имеющему размер ' a поперек траектории полета, на земной поверхности соответствует пиксель с размером a Сканерное изображение отличается от кадрового тем, что кадровое изображение формируется по законам центральной проекции, а в сканерном по законам центральной проекции формируется каждая строка, соответственно каждая строка буде иметь элементы внешнего ориентирования. Достоинства сканерных съемочных систем: + широкий спектральной диапазон съемки S f линейка датчиков (ПЗС) H L 19 + оперативность доставки получаемой информации + высокая периодичность получения информации + не требуется сканирование изображений Недостатки сканерных съемочных систем: зависимость от погодных условий необходимо учитывать, что каждая строка изображения имеет свои элементы внешнего ориентирования Как уже говорилось, сканеры могут работать в достаточно широком диапазоне спектра, и следует выделить тепловую съемку, то есть съемку, ведущуюся в инфракрасной и тепловой зоне электромагнитного спектра. Принцип получения изображения основан на измерении температур объектов местности. Само же изображение аналогично фотографическому. Достоинства и недостатки тепловых съемочных систем: + возможность выполнять съемку, как в дневное, так и в ночное время + используются для картографирования подземных коммуникаций, выявления техногенных нарушений и изучения негативных экологических процессов высокого разрешения на местности можно достичь только на малых высотах |