Зондирование земли
 Скачать 7.34 Mb.
|
|
2.3. Разрешающая способность систем дистанционного зондирования Разрешающая способность как аналоговых, так и цифровых систем дистанционного зондирования определяется следующи- ми параметрами: 1) спектральным разрешением, 2) радиометрическим разрешением, 3) временным разрешением, 4) пространственным разрешением. Понимание этих характеристик чрезвычайно важно для пра- вильного использования данных дистанционного зондирования. Спектральное разрешение Спектральное разрешение дает характеристику способности системы дистанционного зондирования различать определенные 47 интервалы длин волн. Чем выше спектральное разрешение, тем более узкий диапазон длин волн регистрируется определенным каналом. При оценке спектрального разрешения рассматривают две характеристики: количество диапазонов (каналов) и ширину каждого диапазона. Более высокого спектрального разрешения добиваются за счет увеличения количества диапазонов и уменьшения ширины каждого из них. На практике важно пра- вильно подобрать характеристики спектрального разрешения так, чтобы они соответствовали типу собираемой информации. Спектральное разрешение панхроматического снимка, со- держащего только один канал, является крайне низким, поскольку на нем невозможно выделить сигналы с различной длиной волны, и полученное изображение характеризует отражательную способ- ность объекта во всем видимом диапазоне. Более высокое спек- тральное разрешение цветных снимков объясняется тем, что цветная пленка обладает независимой чувствительностью к излу- чению в синем, зеленом и красном диапазонах спектра. Системы дистанционного зондирования, регистрирующие из- лучение в нескольких независимых спектральных диапазонах, также могут отличаться своей спектральной разрешающей способностью. Многоспектральный снимок содержит несколько каналов цветовой информации. Каждый пиксель изображения описывает- ся при помощи матрицы (вектора) значений. Это один из самых информативных и перспективных видов съемок, когда одновре- менно, но раздельно фиксируются несколько изображений в раз- личных участках спектра. Их может быть – 3, 4, 5, 7 и больше. Гиперспектральные снимки имеют высокое спектральное разрешение и дают больше информации об объекте, чем наше зрение. Такие съемки позволяют изучать спектры отражения объектов местности столь детально, что можно определить типы и даже конкретные виды растительности, горные породы и поч- вы, определить состав пленки загрязнений на поверхности воды, материал, из которого выполнено дорожное покрытие. Радиометрическое разрешение Радиометрическое разрешение определяется чувствитель- ностью сенсора к вариациям интенсивности электромагнитного излучения, т. е. наименьшей разницей в уровнях энергии излу- чения, которую можно зарегистрировать с помощью данной ап- паратуры. Эта характеристика указывает на действительное ко- 48 личество полезной информации, содержащейся в изображении. Она применима как к обычным фотографическим, так и к циф- ровым снимкам. В первом случае радиометрическое разрешение определяется возможностью определения малейших вариаций оттенков серого цвета, а во втором – динамическим диапазоном датчика и числом уровней дискретизации (числом бит), соответ- ствующих переходу от яркости абсолютно черного к абсолютно белому. Например, 8-битное радиометрическое разрешение по- зволяет хранить 256 градаций яркости в каждом канале, 9- битное – 512 градаций, 10-битное – 1024 градаций, 11-битное – 2048 градаций и т. д. Чем выше радиометрическое разрешение сенсора, тем он более чувствителен к обнаружению небольших различий в отражаемой или излучаемой энергии. Временное разрешение Временное разрешение определяется периодичностью сбо- ра данных. Например, для изучения какого-то природного явле- ния данные могут собираться ежедневно, раз в месяц, раз в три месяца или раз в год. Получение снимков одних и тех же участ- ков земной поверхности с определенной периодичностью явля- ется одной из основных областей применения дистанционного зондирования. При этом от частоты съемки зависит возмож- ность обнаружения тех или иных изменений, которые происхо- дят на изучаемой территории. Абсолютная временная разрешающая способность системы дистанционного зондирования определяется периодом обраще- ния спутника вокруг Земли, при котором возможна повторная съемка участка земной поверхности под тем же углом обзора. Этот период может составлять несколько суток. Сравнивая снимки объекта, полученные в разное время, можно наблюдать изменения его характеристик. Пространственное разрешение Пространственная разрешающая способность является од- ной из важнейших характеристик систем дистанционного зон- дирования, которая характеризует способность сенсора разли- чать детали в пространственных данных. Пространственное раз- решение определяется размером наименьшего объекта, который поддается идентификации. Пространственное разрешение явля- ется аналогом резкости обычного фотоснимка. Факторами, ко- торые влияют на пространственное разрешение, являются: вы- 49 сота расположения платформы, размер элементов сенсора и фо- кусное расстояние оптической системы. Таким образом, разрешающая способность сенсора опреде- ляется площадкой на поверхности Земли, соответствующей од- ной элементарной ячейке сенсора. Снимки по пространственно- му разрешению, определяемому размером наименьшего элемента земной поверхности, отображаемого на нем, дифференцируются на следующие категории: 1) очень низкого разрешения – более 10 км, 2) низкого – 1–10 км, 3) среднего – 100–999 м, 4) относительно высокого – 50–99 м, 5) высокого – 20–49 м, 6) очень высокого – 1–19 м, 7) сверхвысокого разрешения – до 1 м. На снимках низкого пространственного разрешения видны только крупные объекты. На снимках высокого разрешения можно различить мелкие детали объектов. Понятие пикселя Снимки, получаемые методами дистанционного зондирова- ния, являются растровыми. Они представляют собой матрицу элементов, которые называются пикселями. Каждый пиксель на снимке соответствует наименьшему элементу земной поверхно- сти, который может быть разрешен. В отличие от пространст- венного разрешения, которое характеризует сенсор съемочной системы, понятие «пиксель» относится к изображению, которое формируется этим сенсором. Например, если пространственное разрешение сенсора равно 10 м, то каждому пикселю будет со- ответствовать участок поверхности размером 10х10 м. Пиксели можно подразделить на «чистые» и «смешанные». «Чистый» пиксель содержит только однородную информацию. Если в пикселе содержится разнородная информация, его назы- вают «смешанным». Числовое значение «чистого» пикселя ха- рактеризует усредненную яркость частей объекта определенно- го класса. Числовое значение «смешанного» пикселя – это ус- реднение спектральных откликов объектов разного типа. Коли- чество «смешанных» пикселей возрастает по мере снижения пространственного разрешения. Вместе с тем повышение про- странственного разрешения за счет увеличения числа пикселей приводит к повышению стоимости цифровых снимков. 50 2.4. Характеристика орбит спутников Траектория движения искусственного спутника Земли на- зывается его орбитой. Тип орбиты зависит от ее высоты и ори- ентации относительно поверхности Земли, а также от направле- ния движения спутника по орбите. По параметрам орбиты вы- деляют два основных типа спутников: геостационарные и по- лярно-орбитальные. Каждая орбита обладает своими преиму- ществами и недостатками. Полярные орбиты существенно ниже, чем геостационар- ные, поэтому приборы, размещаемые на полярно-орбитальных носителях, как правило, обеспечивают лучшее пространствен- ное разрешение. Геостационарные спутники постоянно обеспечивают обзор одной и той же части планеты, сохраняя неизменное положение относительно определенной точки на экваторе, соответственно, зона обзора со спутника на геостационарной орбите ограничи- вается широтным районом 50° с. ш. – 50° ю. ш. Полярно- орбитальные спутники, находясь на орбите, плоскость которой примерно перпендикулярна плоскости вращения Земли, через определенный период времени оказываются над заданным рай- оном наблюдения. При этом полярно-орбитальная система на- блюдения сталкивается с трудностью другого рода: спутник может оказаться над одним и тем же районом съемки в различ- ные периоды «местного», или солнечного времени. При этом сопоставление данных, полученных при различных условиях солнечного освещения, оказывается весьма затруднительным, поэтому такие спутники, как правило, выводят на так называе- мые солнечно-синхронные орбиты. Другой недостаток полярных орбит заключается в том, что для отслеживания положения спутника, движущегося по поляр- ной орбите, антенну нужно обязательно подстраивать для полу- чения спутникового сигнала, что требует специального дорого- стоящего оборудования. Спутник, двигающийся по геостационарной орбите, кажет- ся неподвижным и как будто находится постоянно в одной точ- ке. Это очень удобно для получения спутникового сигнала, так как не нужно регулировать положение рефлекторов антенн, на- правляя их на уходящий спутник. 51 2.5. Характеристики некоторых сенсоров и платформ Характеристика радиометра AVHRR Радиометр AVHRR установлен на борту полярно-орби- тальных метеорологических спутников серии NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration – аббревиатура Нацио- нального управления США по исследованию океана и атмосфе- ры) (рис. 2.2). Рис. 2.2. Метеорологические спутники серии NOAA Спутники серии NOAA летают с начала 70-х гг. на высоте приблизительно 850 км по синхронизированным с Солнцем ор- битам. Орбитальный период составляет почти 102 мин, так что за сутки спутник совершает 14,1 оборота вокруг Земли. Наклон орбиты составляет 96,0–98,5°. Линейный размер элемента разрешения на местности ра- диометра AVHRR в надире составляет около 1090 км. Получен- ное изображение охватывает полосу земной поверхности шири- ной 2600 км по трассе движения спутника. Основным достоинством спутников серии NOAA является общедоступность информации и возможность регулярного ее получения. Каждый пользователь, имеющий соответствующие средства приема и обработки, может получать данные непосред- ственно с этих спутников и проводить самостоятельно весь не- обходимый ему анализ. 52 Продолжительный опыт эксплуатации данного прибора по- казал, что эта система является одной из самых удачных для изучения как морей и океанов, так и внутренних водоемов. При- бор AVHRR позволяет принимать сигнал в окне прозрачности атмосферы 10–12 мкм, что дает возможность оценивать темпе- ратуру подстилающей поверхности. Одновременно прибор по- зволяет принимать сигнал в видимой и в ближней инфракрасной областях спектра. Радиометр AVHRR представляет собой типичный сканер и измеряет собственное и отраженное Землей излучение в пяти спектральных диапазонах: 0,58–0,68 мкм; 0,725–1,0 мкм; 1,58–1,64 мкм – в дневное время; 3,55–3,93 мкм – в ночное вре- мя; 10,3–11,3 мкм; 11,4–12,4 мкм с радиометрическим разреше- нием в 10 бит. При этом собственное и отраженное Землей из- лучение собирается телескопической системой и направляется на качающееся сканирующее зеркало. Отраженное от скани- рующего зеркала излучение попадает на систему фильтров. Эта система обеспечивает разделение излучения на спектральные диапазоны. После этого излучение регистрируется с помощью системы детекторов. Из многозональных изображений можно получать цветные изображения, которые называют синтезиро- ванными. Примеры изображений, полученных после разделения излучения на каналы, приведены на рис. 2.3. Из многозональных изображений можно получать цветные изображения, которые называют синтезированными. Изображения со спутников NOAA передаются на Землю в реальном масштабе времени в диапазоне 1,7 ГГц в режиме HRPT (High Resolution Picture Transmission). Возможность сво- бодного приема спутниковой информации наземными станция- ми обеспечивается Всемирной метеорологической организацией согласно концепции открытого неба. На наземных станциях приема спутниковой информации производится прием, демодуляция, первичная обработка и под- готовка спутниковых данных к вводу в персональный компью- тер станции. На территории России в последнее десятилетие активно развивается сеть станций приема спутниковых данных, обра- зующая наземную инфраструктуру регионального мониторинга состояния окружающей среды. 53 Рис. 2.3. Изображения видимых и инфракрасных каналов AVHRR Видимый диапазон: А – 1-й канал; ближний инфракрасный диапазон: Б – 2-й канал; тепловой инфракрасный диапазон: В – 3-й канал, Г – 4-й канал, Д – 5-й канал; Е – цветосинтезированное изображение в палитре RGB (R – 2-й канал, G – 2-й канал, B – 1-й канал) 54 В оперативном режиме непрерывных наблюдений работают наземные станции приема данных от спутников NOAA в Моск- ве (Институт космических исследований РАН, ВНИИГОЧС МЧС), Красноярске (Институт леса СО РАН), Иркутске (Инсти- тут солнечно-земной физики СО РАН; Иркутская база авиаци- онной охраны лесов), Салехарде (Госкомитет по охране окру- жающей среды Ямало-Ненецкого автономного округа), Влади- востоке (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН). Типовые станции приема сигналов от спутников NOAA состоят из антенной системы, приемника и персонального ком- пьютера для первичной обработки принимаемых данных. Сущест- вующее программное обеспечение позволяет осуществить полный цикл работ от расчета траекторий спутников и приема и организа- ции хранения данных до тематической обработки спутниковых данных в пределах нескольких часов после момента приема. Хотя система AVHRR наиболее широко используется для задач прогноза погоды и анализа метеорологических условий, ее также можно применять для мониторинга состояния объектов на земной поверхности. Конечно, снимки AVHRR обладают бо- лее низким пространственным разрешением, чем снимки с ре- сурсных спутников, однако их часто используют для различных региональных наблюдений, включая картографирование рас- пределения температуры поверхности океана и крупных внут- ренних водоемов, а также наблюдение за состоянием растительно- го покрова и сельскохозяйственных посевов. Объединяя несколько наборов данных AVHRR, можно получать мозаики снимков, по- зволяющие создавать мелкомасштабные карты для анализа состоя- ния растительного покрова на обширных территориях. Спутники GOES Спутники GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) были разработаны НАСА (Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического простран- ства) специально для Национального управления США по ис- следованию океана и атмосферы для того, чтобы обеспечить частую мелкомасштабную съемку земной поверхности и облач- ного покрова в интересах Национальной метеорологической службы США. Космические снимки GOES используются метео- рологами для мониторинга и прогноза погоды вот уже более 30 лет. Эта серия является частью глобальной сети метеороло- 55 гических спутников, выведенных на геостационарные орбиты с интервалом по долготе примерно 70°, обеспечивая почти пол- ный охват земной поверхности. Два спутника GOES выведены на экваториальные геостационарные орбиты высотой 36 000 км. Съемочные системы каждого из них охватывают приблизительно треть поверхности Земли. Один спутник расположен на 75° з. д. и используется для мониторинга Северной и Южной Америки. Вто- рой находится на 135° з. д. и служит для наблюдения за Северной Америкой и бассейном Тихого океана. С помощью двух этих спут- ников постоянно снимается территория от 20° з. д. до 165° в. д. Выделяют два поколения спутников GOES. К первому по- колению относятся спутники от GOES-1 (запущен в 1975 г.) до GOES-7 (выведен на орбиту в 1992 г.). Из-за особенностей кон- струкции они вели съемку лишь в течение небольшого проме- жутка времени (приблизительно 5 % от общего срока эксплуа- тации). Недостатки первой серии были устранены на спутнике второго поколения – GOES-8, который был выведен на орбиту в 1994 г. Сегодня съемка Земли со спутников GOES ведется с интер- валом 15 мин. Улучшается также пространственное и радиометри- ческое разрешение снимков. Все это дает возможность вовремя получать необходимые данные для метеорологических прогнозов. Спутники второго поколения оснащены двумя независи- мыми съемочными системами. Первая ведет съемку в 5-ти спек- тральных диапазонах видимой и инфракрасной части спектра. Благодаря инфракрасному каналу можно получать снимки как в дневное, так и в ночное время. Возможность отклонения оси съемки и выбора параметров сканирования позволяет получать изображения как всей Земли, так и небольшой ее части. Снимки имеют 10-битное радиометрическое разрешение; их можно пе- редавать непосредственно на наземные станции заказчиков. Спектральные диапазоны и пространственное разрешение снимков GOES: съемка в зоне 0,52–0,72 мкм ведется с разреше- нием 1 км; а в остальных (3,78–4,03 мкм; 6,47–7,02 мкм; 10,2–11,2 мкм; 11,5–12,5 мкм) – с разрешением 4 км. Вторая съемочная система спутников GOES оснащена 19 каналами для съемки в одном диапазоне видимого спектра и 18 – в тепловых диапазонах с пространственным разрешением 8 км и радиомет- рическим разрешением 13 бит. Эти данные используют для на- блюдения температуры земной поверхности и верхней части об- 56 лачного покрова, а также для оценки профилей влажности и анализа распределения озона. Другие метеорологические спутники США вывели на субполярные орбиты серию военных спут- ников DMSP (Defense Meteorological Satellite Program), которые используются и в интересах гражданской метеослужбы. Уста- новленная на этих спутниках сканирующая система OLS (Operational Linescan System) позволяет получать снимки с по- лосой охвата 3000 км и пространственным разрешением 2,7 км. Система OLS ведет съемку в двух очень широких диапазонах ви- димой и ближней инфракрасной области (от 0,4 до 1,1 мкм), а так- же в тепловой инфракрасной части спектра (от 10,0 до 13,4 мкм). Интересной особенностью этого сенсора является возможность вести ночную съемку в видимом диапазоне при очень низкой освещенности. С помощью этого прибора можно получать снимки Земли, на которых выделяются огни крупных городов. Ряд метеорологических спутников был запущен также дру- гими странами и группами стран. Например, Япония вывела на орбиту серию спутников GMS, а Европейский космический кон- сорциум – серию Meteosat. Обе серии спутников находятся на геостационарных орбитах: GMS – над Японией, Meteosat – над Европой. Так же, как и снимки GOES, снимки с японских и ев- ропейских спутников передаются на Землю каждые полчаса. Съемка со спутников GMS ведется в двух диапазонах: 0,5–0,75 мкм (с разрешением снимков 1,25 км) и 10,5–12,5 мкм (с разрешени- ем 5 км), а съемка со спутников Meteosat – в трех диапазонах: видимом (0,4–1,1 мкм) с разрешением 2,5 км, среднем инфра- красном (5,7–7,1 мкм) с разрешением 5 км и тепловом инфра- красном (10,5–12,5 мкм) с разрешением 5 км. |