Зондирование земли
 Скачать 7.34 Mb.
|
|
2. ОБЗОР СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ 2.1. Общие сведения Дистанционные приборы обеспечивают измерение характе- ристик удаленных объектов, поэтому они должны быть разме- щены на устойчивой платформе, удаленной от изучаемого объ- екта или наблюдаемой поверхности. Платформы для дистанци- онных приборов могут быть расположены на Земле, на самоле- те, на космическом корабле или на спутнике вне пределов атмо- сферы Земли. Спутники имеют несколько уникальных характе- ристик, которые делают их особенно полезными для дистанци- онного зондирования поверхности Земли. Целый ряд спутников, оснащенных приборами дистанци- онного зондирования, выведен на орбиту специально для полу- чения разносторонней геофизической информации. Съемки ве- дут в ультрафиолетовом (УФ), видимом и ближнем ИК, среднем ИК, тепловом ИК и радиоволновом диапазонах спектра. В УФ-области – в отличие от видимого и ИК-диапазонов – очень низкая интенсивность излучения. Участок ультрафиолета 0,1–0,2 мкм – это область спектра, которая полностью поглоща- ется молекулярным кислородом атмосферы и не проходит ниже 60 км к поверхности Земли. УФ-излучение в диапазоне от 0,2 до 0,4 мкм опускается до озонного слоя (высота от 15 до 25 км), который защищает все сущее на Земле от губительного воздей- ствия УФ-лучей, и только малая часть длинноволнового УФ все же достигает поверхности Земли, поэтому УФ-сенсоры на кос- мическом аппарате должны усиливать яркость изображения не меньше, чем в 100 раз, т. е. фактически дойти до физического предела, когда с квадратного сантиметра регистрируемого объ- екта излучается всего несколько фотонов. УФ-диапазон еще только осваивается для мониторинга верхних слоев атмосферы и самой Земли. С 2006 г. испытания таких сенсоров проходят на МКС. В УФ-диапазоне можно увидеть заражение почв и сельско- хозяйственных культур, состояние урожая и при узких спектраль- ных каналах можно определить само загрязняющее вещество. 39 Дистанционное зондирование в видимом и ближнем ИК-диапазонах основано на регистрации солнечного излучения, отраженного объектами в соответствии с их спектральной отра- жательной способностью. На снимках отображаются оптические характеристики объектов – их спектральная яркость. Для съемки необходимо освещение, а облачность в этом случае мешает съемке. Такую съемку с помощью оптических камер и сканеров в различное время осуществляли или осуществляют в настоящее время: из российских – многозональные сканеры МСУ-М, МСУ-СК и МСУ-Э на спутниках «Ресурс-О», «Метеор» и «Оке- ан»; из зарубежных – сканеры AVHRR спутников NOAA, Landsat и мн. др., а также специально созданные для изучения цвета океана системы CZCS (Coastal Zone Color Scaner) спутни- ков Nimbus и SeaWiFS (Seaviewing Wide Field Sensor – сканер цвета моря) спутника SeaStar. Зондирование в тепловом инфракрасном диапазоне для определения температуры подстилающей поверхности основано на измерении собственного теплового излучения поверхности. Съемка в этом диапазоне не зависит от освещения, может вы- полняться ночью, но облачность и здесь является помехой. Наи- более известен сканирующий радиометр AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), расположенный на борту спутников серии NOAA. Данные этого прибора получили по- всеместное признание и используются во всем мире. Другой из- вестный аналог – радиометр серии ATSR (Along Track Scanning Radiometer), установленный на европейских спутниках ERS и Envisat. Особенно значимой оказалась съемка со спутника Terra (EO-AMX) по американской программе глобальных наблюде- ний Земли EOS. 36-канальная съемочная система MODIS дает обзорные снимки в 10 тепловых каналах с разрешением 1 км, а 14-канальная система ASTER – более детальные снимки в 6 те- пловых каналах с разрешением 90 м. Хорошее информирование о поступающих материалах съемки, возможность свободного доступа к ним по сети Интернет обеспечили широкое использо- вание данных тепловой ИК-съемки и их значимое место в миро- вом фонде космических снимков. При съемке в радиодиапазоне радиоволны, почти не по- глощаясь, свободно проходят через облачность и туман, съемку ведут при любой погоде и в любое время суток. На снимках хо- 40 рошо видны рельеф и шероховатость поверхности, ее влажность, иногда – подповерхностные структуры. Пассивное зондирование в СВЧ-диапазоне (поддиапазоне радиоизлучения) основано на регистрации собственного излучения поверхности, активное (радиолокация) зондирование – на излучении со спутника и приеме отраженного поверхностью радиосигнала. Среди данных пассивных СВЧ-радиометров накоплены значительные массивы данных радиометров SSMR спутников Nimbus и SSM/I, спутни- ков DMSP. С помощью пассивных радиометров можно полу- чить информацию о температуре подстилающей поверхности, сплоченности и толщине льда, а также влагозапасе облаков, ин- тенсивности осадков, скорости ветра. Основным средством активного зондирования стали радио- локаторы бокового обзора с реальной антенной (РЛСБО) и ан- тенной с синтезированной апертурой (РСА или SAR). Среди иностранных приборов наиболее известен радиолокатор SAR на спутниках Seasat, ERS-1, ERS-2, Radarsat и Envisat, среди рос- сийских – РЛСБО на спутниках серии «Океан» и РСА – на спутнике «Алмаз». На принципе активной локации работают также радиоальтиметры (для измерения уровня океана и высоты волн) спутников Topex/Poseidon, Jason и др., и скаттерометры (для измерения поля приповерхностного ветра) NSCAT, QuikScat и др. Большинство перечисленных датчиков уже про- должительное время используются для глобального мониторин- га Мирового океана, позволяют определять различные поля и явления Мирового океана. 2.2. Основные технологии получения снимков При съемке в разных спектральных диапазонах используют различные технологии и получают снимки разных типов. Фотографические снимки – это результат покадровой ре- гистрации на фотопленку солнечного излучения, отраженного зем- ными объектами. Аэрофотоснимки получают с самолетов и верто- летов, космические снимки – со спутников, космических кораблей и орбитальных станций, подводные – фотокамерами, опускаемыми на глубину, а наземные – с помощью фототеодолитов. В зависимости от типа применяемой аппаратуры и фото- пленок фотографирование может производиться во всем види- мом диапазоне электромагнитного спектра, в отдельных его зо- 41 нах, а также в ближнем ИК (инфракрасном) диапазоне (до 0,86 мкм). Масштабы съемки зависят от высоты фотографирования и фокусного расстояния аппарата. Космические фотоаппараты в зависимости от наклона оптической оси позволяют получать плановые и перспективные снимки земной поверхности. Для удобства пользования из отдельных космических снимков, имеющих перекрытия, монтируются фотосхемы (фо- томозаики) или фотокарты с топографической привязкой опор- ных точек с точностью 0,1 мм и точнее. Для монтажа фотосхем используются только плановые космические снимки. Для при- ведения разномасштабного, обычно перспективного, космиче- ского снимка к плановому используется специальный процесс, называемый трансформированием. Трансформированные кос- мические снимки также используются для составления космо- фотосхем и космофотокарт и обычно легко привязываются к географической сетке координат. Космические фотоснимки отличаются хорошими геометри- ческими свойствами и высоким качеством изображения. Разре- шение снимков, доступных гражданскому пользователю, со- ставляет до 2 м (с разведывательных спутников получают сним- ки с разрешением до 0,2 м), что достаточно для создания топо- графических карт масштаба 1 : 50 000 с точностью 10 м по вы- соте и 15 м в плане. Недостаток этого вида съемки – необходи- мость доставки отснятой пленки на Землю для обработки. Телевизионные съемки в видимом участке спектра впервые были получены с метеорологических искусственных спутников Земли (ИСЗ), которые в начале 60-х гг. обладали сравнительно невысоким пространственным разрешением. Подобные изобра- жения использовались в основном для самого общего географи- ческого изучения Земли, но по мере совершенствования качест- ва телевизионных изображений росло и использование их са- мыми различными специалистами в разных областях знаний. Съемка производится с помощью телевизионных камер различ- ными видиконами, что обеспечивает получение изображений с разрешением от 0,3 до 3 км и шириной полосы захвата на мест- ности от 180 до 1800 км. Благодаря глобальному покрытию и высокой частоте полу- чения телевизионные снимки нашли применение при обновле- нии обзорных мелкомасштабных тематических карт, при про- 42 слеживании геологических, географических и океанических структур высоких уровней генерализации. Крупные природные образования протяженностью свыше 100–200 км (тектонические линеаменты, типы географических ландшафтов, течения в океа- нах и др.) были прослежены по телевизионным снимкам. Одна- ко наиболее перспективными они оказались для обнаружения, определения размеров, оценки интенсивности, прогнозирования развития различных природных процессов, таких как движение морских льдов, сход и становление снежного покрова, измене- ние влажности почв и сезонные изменения водности замкнутых бассейнов. Большое значение ТВ-изображения получили при изучении пространственно-временных природных процессов, которые носили катастрофический характер, таких как пыльные бури, извержения вулканов, лесные и торфяные пожары. Основной объем информации дают сканерные снимки – результат поэлементной и построчной регистрации излучения объектов земной поверхности и передачи информации по ра- диоканалам. В ходе линейной сканерной съемки (рис. 2.1, А) с самолета или спутника сканирующее устройство (качающееся или вращающееся зеркало) последовательно, полоса за полосой, просматривает местность поперек направления движения носи- теля и посылает лучистый поток на фотоэлектрический прием- ник, который затем преобразуется в электрический сигнал, да- лее по каналу связи передается на наземное приемное устройст- во в цифровой форме и записывается в виде изображения. Рис. 2.1. Различные методы сканирования поверхности Земли 43 В результате получают снимки со строчной структурой. Накопление строк происходит за счет движения спутника или другого носителя вдоль своей траектории. Причем строки со- стоят из небольших элементов – пикселей, т. е. элементарных ячеек сканерного изображения. Каждый пиксель отражает инте- гральную яркость участка местности, соответствующего мгно- венному угловому полю зрения сканера; детали внутри этого участка неразличимы. Важнейшей характеристикой сканера являются угол скани- рования (обзора) и мгновенный угол зрения, от величины кото- рого зависят ширина снимаемой полосы и разрешение. В зави- симости от величины этих углов сканеры делят на точные и об- зорные. У точных сканеров угол сканирования уменьшают до 5°, а у обзорных увеличивают до 50°. Величина разрешения при этом обратно пропорциональна ширине снимаемой полосы. В полете съемку ведут постоянно, сканируя широкую не- прерывную полосу местности. В целом качество сканерных изо- бражений уступает фотоснимкам, но оперативность и цифровая форма передачи в реальном режиме времени дают этому методу неоценимые преимущества. ПЗС-снимки. Кроме механического сканирования в 1980-х гг. начали использовать новый вариант сканирования, когда при- емником излучения служит линейка, состоящая из множества миниатюрных (размером в несколько мкм) приемников излуче- ния на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Это дает изображение сразу целой строки, а движение носителя аппара- туры – накопление строк (см. рис. 2.1, Б). Отсутствие подвиж- ных элементов конструкции поперечных ПЗС-сканеров обеспе- чивает хорошие геометрические качества изображения, а малые размеры приемников – получение изображения очень высокого разрешения (менее 1 м). Обычно под сканерными снимками имеют в виду снимки в видимом и ИК-диапазонах, но принцип сканирования применя- ется и при съемке в других диапазонах спектра. Тепловые инфракрасные радиометрические снимки (или тепловые снимки) получают в результате съемки в тепловом ИК-диапазоне. ИК-радиометры механически сканируют собст- венное тепловое излучение Земли. Снимки имеют не очень вы- сокое разрешение, в лучшем случае десятки метров. Освоение 44 инфракрасного (ИК) диапазона (0,78–15,0 мкм) для получения изображений также началось на метеорологических ИСЗ с авгу- ста 1964 г. Однако вначале, вследствие низкого пространствен- ного разрешения они не нашли должного применения. С разви- тием специальных многоспектральных сканирующих систем ИК-изображения стали затем достаточно широко использовать- ся во многих отраслях производства и науки. Тепловая ИК- съемка может применяться при поисках подземных вод, выяв- лении элементов тектоники, прямых поисках залежей нефти, решения экологических задач. ИК-съемка в «окне прозрачно- сти» 8–12 мкм предназначена для исследования облачности и собственного теплового излучения Земли, а по ИК-материалам в «окне прозрачности» 3,4–4,2 мкм могут идентифицироваться, например, следы перестройки речной сети, древние русла рек, разновозрастные террасы, разнотипные горные породы, текто- нические нарушения, различия в увлажнении почв и раститель- ном покрове, проявления вулканической деятельности, океани- ческие течения и разнотипные водные массы. Основными дос- тоинствами инфракрасной радиометрии температуры поверхно- сти являются высокая радиометрическая чувствительность (именно на этот диапазон приходится максимум интенсивности излучения в диапазоне температур 0–30 °С), незначительные ва- риации излучательной способности, вызванные состоянием по- верхности воды, хорошее пространственное разрешение, дос- тигнутое в оперативных спутниковых системах (до 10 м). Ос- новной проблемой количественной интерпретации данных дис- танционного зондирования, полученных в инфракрасном диапа- зоне, является атмосферная коррекция. Микроволновые радиометрические снимки (0,3–10 см) получают в коротковолновом (СВЧ – сверхвысокочастотном) радиодиапазоне также с использованием принципа механиче- ского сканирования. Приемниками излучения служат антенны, разрешение снимков ограничено несколькими километрами. В этом диапазоне спектра атмосфера очень слабо влияет на интен- сивность восходящего излучения и облака практически «про- зрачны» для него. Недостатки микроволновой радиометрии заключаются прежде всего в том, что излучательная способность сильно за- висит от состояния поверхности (прежде всего от степени ше- 45 роховатости). Серьезной помехой для повышения точности оце- нок температуры поверхности воды по микроволновым данным является низкая флуктуационная чувствительность микроволно- вых радиометров, что требует значительно увеличивать время интегрирования сигнала и приводит к значительному увеличе- нию размера элемента разрешения. Радиолокационные снимки получают при активном методе съемки, когда антенна съемочной системы генерирует радиоиз- лучение, оно отражается поверхностью и улавливается регист- рирующей аппаратурой. Отражение сигнала зависит от рельефа поверхности, ее шероховатости, структуры и состава слагающих пород, характера растительности и влажности почв. При опре- деленных длинах радиоволн они способны проникать под по- верхность и отражать, например, линзы подземных вод. Разре- шение снимков зависит от размера антенны и при антенне дли- ной в несколько метров составляет 1–2 км. Искусственно удли- няя антенну (так называемая синтезированная апертура), вы- полняют съемку с разрешением порядка 20 м. На самолетах и космических носителях используют радиолокаторы бокового обзора, они ведут съемку поперек направления движения носи- теля. Поэтому пересеченный рельеф дает радиотени, что обес- печивает выразительное изображение. Основное достоинство радиолокационной съемки – ее всепогодность: очень удобна для исследования океана – его волнения, загрязнения. Радиолока- цию применяют и при изучении планет, в частности Венеры, постоянно закрытой плотными облаками. Принцип бокового обзора используют и для получения гидролокационных снимков с помощью аппаратуры, генери- рующей и регистрирующей звуковые волны. Среди новых видов локационных изображений следует отме- тить снимки, получаемые с помощью лазерных локаторов – лида- ров. Лидары – зондирующие устройства, состоящие из импульс- ного источника излучения (лазера) и высокочастотного приемного устройства. Лидарная съемка является активной и основана на не- прерывном получении отклика от отражающей поверхности, под- свечиваемой лазерным монохроматическим излучением с фикси- рованной длиной волны. Частота излучателя настраивается на ре- зонансные частоты поглощения сканируемого компонента (на- пример, приповерхностного метана), так что в случае его замет- 46 ных концентраций соотношение откликов в точках концентриро- вания и вне их будут резко повышенными. Фактически лидарная спектрометрия – это геохимическая съемка приповерхностных слоев атмосферы, ориентированная на обнаружение микроэле- ментов или их соединений, концентрирующихся над современно активными геоэкологическими объектами. Устройства лидарной съемки оборудуются на низковысотных носителях. Особое значение имеют многозональные снимки, когда одна и та же территория (или акватория) одновременно фото- графируется или сканируется в нескольких зонах спектра. Ком- бинируя зональные снимки, получают цветные синтезирован- ные изображения, которые прекрасно отображают леса разных пород, сельскохозяйственные угодья, увлажненные территории и т. п. Материалы многозональной съемки – ценнейший источ- ник для составления тематических карт. Активно развивается еще один вид съемки – гиперспек- тральной, когда излучение регистрируется в большом числе узких (до 10 нм) спектральных зон – от нескольких десятков до нескольких сотен. Это позволяет определять даже минералоги- ческий состав горных пород, расширяет возможности исследо- вания атмосферы и океана, их загрязнения. Материалы гипер- спектральной съемки особенно ценны для экологического мони- торинга и картографирования. |