Зондирование земли
 Скачать 7.34 Mb.
|
|
1 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет» Географический факультет Е. Н. Сутырина ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ Учебное пособие 2 УДК 528.8(076.5). ББК 26.11я73 С90 Печатается по решению учебно-методической комиссии географического факультета Иркутского государственного университета Издание выходит в рамках Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИГУ» на 2012–2016 гг., проект № Р212-06-003 Рецензенты: Д. И. Стом, д-р биол. наук, проф. О. А. Бархатова, канд. биол. наук Сутырина Е. Н. Дистанционное зондирование земли : учеб. пособие / Е. Н. Сутырина. – Иркутск : Изд-во ИГУ, 2013. – 165 с. ISBN 978-5-9624-0801-9 Учебное пособие дает представление о методах дистанционного зон- дирования Земли (ДЗЗ). В пособии приводятся основные сведения о мето- дах ДЗЗ, рассматриваются основы теории электромагнитного излучения, описываются съемочные системы и спутниковые платформы, используемые для получения исходных данных, различные виды космических снимков, методы их обработки и дешифрирования, а также основные направления применения данных ДЗЗ. Учебное пособие предназначено для студентов географического фа- культета, обучающихся по направлениям 022000.62 «Экология и природо- пользование» и 021600.62 «Гидрометеорология». Работа выполнена при финансовой поддержке программы стратегиче- ского развития федерального государственного бюджетного образователь- ного учреждения высшего профессионального образования «Иркутский го- сударственный университет» на 2012–2016 гг. УДК 528.8(076.5). ББК 26.11я73 ISBN 978-5-9624-0801-9 © Сутырина Е. Н., 2013 © ФГБОУ ВПО «ИГУ», 2013 С90 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение ............................................................................................ 5 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСТАНЦИОННЫХ МЕТОДОВ ........................................................................................ 8 1.1. Электромагнитное излучение .......................................... 8 1.2. Взаимодействие электромагнитного излучения с атмосферой ........................................................ 11 1.3. Взаимодействие излучения с поверхностью Земли .... 17 1.4. Физические основы радиационного метода определения температуры поверхности .............................. 30 2. ОБЗОР СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ............. 38 2.1. Общие сведения .............................................................. 38 2.2. Основные технологии получения снимков .................. 40 2.3. Разрешающая способность систем дистанционного зондирования .......................................................................... 46 2.4. Характеристика орбит спутников ................................. 50 2.5. Характеристики некоторых сенсоров и платформ ...... 50 3. ОБРАБОТКА ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ............................. 65 3.1. Основные этапы обработки спутниковых изображений ................................................................................... 65 3.2. Обзор программных средств обработки данных дистанционного зондирования ............................................. 81 4. ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ............................. 92 4.1. Применение данных дистанционного зондирования в картографии ......................................................................... 92 4.2. Применение данных дистанционного зондирования в метеорологии и климатологии .......................................... 99 4 4.3. Применение данных дистанционного зондирования в океанологии ........................................................................ 110 4.4. Применение данных дистанционного зондирования в гидрологии .......................................................................... 124 4.5. Применение данных дистанционного зондирования в задачах сельского хозяйства ............................................. 140 4.6. Применение данных дистанционного зондирования в области лесного хозяйства ............................................... 143 4.7. Применение данных дистанционного зондирования в задачах городского и регионального планирования ..... 146 4.8. Применение данных дистанционного зондирования в задачах охраны окружающей среды ................................ 147 4.9. Применение данных дистанционного зондирования в задачах выявления чрезвычайных ситуаций .................. 156 Заключение ................................................................................... 163 Список использованной и рекомендуемой литературы ..... 164 5 ВВЕДЕНИЕ Дистанционное зондирование представляет собой процесс, посредством которого собирается информация об объекте, тер- ритории или явлении без непосредственного контакта с ним. К дистанционному зондированию относят все виды неконтактных съемок, которые проводятся с различных измерительных плат- форм: летательных воздушных и космических аппаратов (само- летов, вертолетов, космических кораблей, спутников и т. д.), су- дов и подводных лодок, наземных станций. При этом снимок определяется как двумерное метрическое изображение конкрет- ных объектов, получаемое целенаправленно в результате дис- танционной регистрации и (или) измерения собственного или отраженного излучения, и представляет собой наиболее целесо- образную форму измерения, регистрации и визуализации излу- чения, несущего географическую информацию об исследуемых объектах. За последние десятилетия существенно возросли объ- ем, разнообразие и качество материалов дистанционного зонди- рования. К настоящему времени накоплен огромный фонд (бо- лее 100 млн) аэрокосмических снимков, полностью покрываю- щих всю поверхность Земли, а для значительной части рай- онов – с многократным перекрытием. В связи с повсеместным свертыванием программ проведения аэрофотосъемки земной поверхности особое значение приобре- тают космическая съемка земной поверхности. Космическая съемка производится с космических кораблей, спутников, воз- душных шаров. Космические системы базируются на длительной работе регулярно пополняемых группировок спутников – спутни- ковых систем, которые включают сложную инфраструктуру, обеспечивающую функционирование космических аппаратов на орбите, прием информации, ее хранение и распространение. Благодаря своим свойствам космические снимки находят широкое применение как в практической, так и в научной сфе- рах. Материалы исследований Земли из космоса широко ис- пользуют в науках о Земле. Космическую съемку применяют в исследованиях, направленных на всестороннее изучение при- родных ресурсов, динамики природных явлений, в задачах ох- 6 раны окружающей среды. По космическим снимкам возможно изучение основных структурных особенностей атмосферы, ли- тосферы, гидросферы, биосферы и ландшафтов регионального, зонального и глобального масштаба. Появились такие новые на- учные направления в изучении Земли, как спутниковая метео- рология, спутниковая гидрофизика, космическая океанология, космическая картография и космическая геодезия и др. Разно- образное и широкое применение данные дистанционного зонди- рования особо нашли в картографии, они служат источниками для составления и оперативного обновления общегеографиче- ских и тематических карт. Особое место отводится применению космической информации для повседневного оперативного кон- троля за состоянием окружающей среды при осуществлении геоэкологического мониторинга регионов. Дистанционные методы исследования природных объектов обеспечивают большую обзорность, возможность повторного по- лучения данных через определенные промежутки времени, высо- кую скорость получения и передачи изображений, а также воз- можность применения комплексного анализа и оценки динамики развития явления на основе оперативного картографирования. Использование результатов космической съемки для целей картографирования обусловливается исключительно ценными свойствами космических снимков: большой территориальный охват и вытекающая из этого высокая генерализованность изо- бражений; изучение по снимкам основных структурных, регио- нальных и зональных особенностей планеты в целом; единовре- менность выполнения съемки обширных территорий, что дает возможность изучать связь всех компонентов ландшафта; регу- лярная повторяемость съемки, позволяющая изучать динамику природных явлений – периодичных (суточных, сезонных) и эпи- зодических (лесные пожары, извержения вулканов и т. д.), а также хозяйственную деятельность (посевные площади, созре- вание, уборка урожая, загрязнение суши и моря). Составленные по космическим снимкам карты являются более современными и достоверными и отображают явления, которые в отсутствие таких снимков вообще не могли бы быть картографированы. Основные преимущества использования данных дистанционно- го зондирования для составления карт: актуальность данных на момент исследования, высокая точность определения границ 7 объектов, более высокий коэффициент объективности выделе- ния объектов и отнесения объекта к определенному классу. Кроме этого, использование данных дистанционного зондиро- вания позволяет сократить объем наземных исследований и та- ким образом сократить сроки исследования. Важной особенностью дистанционных методов является то, что они, как правило, являются косвенными, т. е. с их помощью измеряют не интересующие нас параметры объектов, а некото- рые связанные с ними величины. Чтобы дешифровать такие па- раметры, требуются предварительные исследования, включаю- щие в себя различные эксперименты по изучению интересую- щего объекта контактными методами. Таким образом, методы изучения Земли из космоса относят к высоким технологиям не только в связи с использованием ракетной техники, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, но и с новым под- ходом к получению интерпретации результатов измерений. И хотя трудоемкие подспутниковые исследования проводятся на небольшой площади, они дают возможность обобщать данные на огромные пространства и даже на весь земной шар. 8 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСТАНЦИОННЫХ МЕТОДОВ 1.1. Электромагнитное излучение Принцип дистанционных методов основан на интерпрета- ции результатов измерения электромагнитного излучения, кото- рое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства. Электромагнитное излучение – это распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей (рис. 1.1). Электромагнитное излучение проявляется и как свет, который мы видим, и как тепло, которое мы ощущаем, и как ра- диоволны, которые принимают наши радио- и телевизионные приемники. Скорость распространения электромагнитного из- лучения равна скорости света c 0 = 2,998 10 8 м/с. Рис. 1.1. Электромагнитное излучение [Campell, 1996] Электромагнитное излучение характеризуется двумя взаи- мосвязанными величинами – длиной волны и частотой . Длина волны – это расстояние между двумя последовательными 9 волновыми гребнями. Длины волн в диапазоне, используемом для дистанционного зондирования, обычно измеряются в нано- метрах (нм, 10 -9 м), в микрометрах (мкм, 10 -6 м) или в сантимет- рах (см, 10 -2 м). Частота измеряется в герцах (Гц). Обычно срав- нительно короткие длины волн (меньше сантиметра) характери- зуют длиной волны, а более длинные – частотой. Связь между длиной волны и частотой определяется формулой: 0 c (1.1) Таким образом, чем короче длина волны, тем больше часто- та, и наоборот, чем меньше частота, тем больше длина волны. Сочетание всех возможных длин волн принято называть электромагнитным спектром. В спектре электромагнитного излучения выделяются следующие диапазоны: γ-диапазон, рент- геновский, ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный, радио- диапазон. Некоторые из этих диапазонов в свою очередь под- разделяются на поддиапазоны. Человеческий глаз может воспринимать очень малую часть электромагнитного излучения, которую принято называть ви- димым диапазоном электромагнитного спектра, который нахо- дится в интервале от 0,38 до 0,73 мкм. Большая часть электро- магнитного спектра человеческим глазом не воспринимается, но иногда излучение, не видимое глазом, может ощущаться други- ми органами чувств человека. Например, инфракрасное излуче- ние воспринимается кожей человека как тепло. Приборы дистанционного зондирования, сенсоры, могут принимать излучение в существенно более широком диапазоне электромагнитного спектра и, таким образом, предоставлять ко- лоссальные объемы информации о состоянии окружающей сре- ды. Основная проблема в этой связи состоит в создании таких алгоритмов обработки спутниковых данных, которые позволили бы извлечь из данных заложенную в них информацию. По отношению к источнику энергии все дистанционные ме- тоды можно разделить на пассивные и активные. При использо- вании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного пе- редатчика и т. д.) и регистрирует его отражение [Самардак, 2005]. Чаще используются пассивные методы дистанционного зон- дирования, которые основаны на регистрации отраженной от по- 10 верхности объектов солнечной энергии или на регистрации собствен- ного электромагнитного излучения участков поверхности (рис. 1.2). Отраженное излучение несет информацию о свойствах уча- стка подстилающей поверхности, на котором произошло отра- жение. Это излучение собирается приемной системой спутника, трансформируется в электрический сигнал и передается на Зем- лю для дальнейшей обработки. Отраженный сигнал на пути к приемной системе спутника поглощается и рассеивается атмо- сферой, а рассеянное излучение собирается приемной системой вместе с отраженным. Это существенно затрудняет интерпрета- цию полученной информации. Вместе с тем следует учитывать, кроме Солнца, другие источники излучения – подстилающую поверхность и атмосферу. В видимой области спектра вклад этих источников излучения незначителен, но уже в инфракрас- ной (ИК) области спектра его приходится учитывать. Рис. 1.2. Трансформации электромагнитного излучения в дистанционном зондировании На волнах длиной более 4 мкм собственное тепловое излу- чение Земли превосходит излучение Солнца. Регистрируя ин- тенсивность теплового излучения Земли из космоса, можно дос- таточно точно оценить температуру суши и водной поверхно- сти, которая является важнейшей экологической характеристи- кой. Измерив температуру верхней границы облачности, можно 11 определить ее высоту, если учесть, что в тропосфере с высотой температура уменьшается в среднем на 6,5 К/км. При пассивном дистанционном зондировании Земли (ДЗЗ) из космоса используется участок электромагнитного спектра в диапазоне длин волн от 0,25 мкм до 1 м. Этот широкий участок спектра принято подразделять на ряд диапазонов: 0,25–0,4 мкм – ультрафиолетовый диапазон; 0,4–0,7 мкм – видимый диапазон; 0,7–1,3 мкм – ближний инфракрасный диапазон; 1,3–3 мкм – средний инфракрасный диапазон; 3–1 000 мкм – дальний, или тепловой инфракрасный диапазон; 1 000 мкм – 1 м – миллиметровый и микроволновый уча- стки радиодиапазона. Последний диапазон используют в пассивных СВЧ (сверх- высокочастотных) системах дистанционного контроля, осталь- ные – в пассивных оптико-электронных и оптико-механических системах [Оптико-электронные системы ..., 2002]. 1.2. Взаимодействие электромагнитного излучения с атмосферой Основной проблемой количественной интерпретации дан- ных дистанционного зондирования, полученных в оптическом диапазоне, является адекватный учет трансформации проходя- щего сквозь атмосферу излучения, или так называемой атмо- сферной коррекции. При прохождении через атмосферу элек- тромагнитные волны поглощаются и рассеиваются. Поглощение – основной механизм взаимодействия электро- магнитного излучения с атмосферой. Установлено, что лишь 13 % энергии, излучаемой поверхностью Земли в инфракрасном диапа- зоне, достигает верхней границы атмосферы, остальная энергия поглощается в атмосфере [Оптико-электронные системы ..., 2002]. Спектр солнечного излучения до и после его прохождения через атмосферу Земли показаны на рис. 1.3. Из рисунка видно, что кривая интенсивности солнечного излучения до его прохо- ждения через атмосферу в достаточной степени соответствует кривой интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5900 K. Сравнивая первую кривую с кривой, полу- ченной вблизи поверхности Земли, можно выделить области от- носительно низких значений, соответствующие окнам поглоще- ния различных атмосферных газов. 12 Рис. 1.3. Спектр солнечного излучения [Чандра, Гош, 2008] Поглощение полностью обусловлено присутствием в атмо- сфере молекул, способных поглощать энергию в различных диапазонах спектра. Озон, кислород, углекислый газ и водяной пар – четыре компонента атмосферы, которые в основном от- ветственны за поглощение излучения. В некоторых случаях по- глощающие молекулы остаются практически неизменными по- сле взаимодействия с излучением, но в других случаях молеку- лы меняются, теряя, например, часть своих атомов. Молекулы кислорода в верхних слоях атмосферы погло- щают излучение в рентгеновской области спектра и коротко- волновое (до 0,3 мкм) ультрафиолетовое излучение. Такое излу- чение является чрезвычайно вредным для жизни на планете, так как может воздействовать на клетки живых организмов, вызы- вая мутации и тому подобные нежелательные явления. Молеку- лы кислорода в этом процессе распадаются на отдельные атомы кислорода. Этот процесс происходит в самых высоких слоях, которые при этом обогащаются активными атомами кислорода. В более низких слоях атмосферы, до которых жесткое коротко- 13 волновое излучение доходит уже сильно ослабленным, отдель- ные атомы кислорода могут объединяться с молекулами кисло- рода и формировать, таким образом, молекулы озона. |