Зондирование земли
 Скачать 7.34 Mb.
|
|
Характеристика радиометра MODIS Одним из ключевых инструментов американских спутников серии EOS (Terra EOS AM-1 (рис. 2.4) и Aqua EOS PM-1) явля- ется спектрорадиометр MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer). MODIS имеет 36 спектральных каналов с 12-битным радиометрическим разрешением в видимом, ближ- нем, среднем и дальнем инфракрасном диапазонах и позволяет производить регулярную съемку территории. MODIS состоит из двух сканирующих спектрометров, один из которых (MODIS-N) снимает в надир, а ось съемки 57 другого (MODIS-T) может быть отклонена. 36 спектральных зон MODIS охватывают диапазон с длинами волн от 0,4 до 14,4 мкм. Съемка в двух зонах (0,620–0,670 и 0,841–0,876 мкм) ведется с разрешением 250 м, в пяти зонах видимого и ближнего ин- фракрасного диапазона с разрешением 500 м, а в остальных (диапазон от 0,4 до 14,4 мкм) – 1000 м. Траектория движения носителя и угол обзора системы 110° (ширина полосы обзора 2330 км) позволяют MODIS за сутки получать изображение почти всей поверхности Земли, за ис- ключением узких промежутков между полосами сканирования в низких широтах. Рис. 2.4. Спутник Terra Спутники Landsat Программа Landsat – один из наиболее продолжительных проектов по получению спутниковых изображений Земли. Пер- вый из спутников в рамках программы Landsat был запущен НАСА 23 мая 1972 г. Новый спутник Landsat-8 (проект LDCM – Landsat Data Continuity Mission) – восьмой в рамках программы Landsat (седьмой, выведенный на орбиту) – был запущен 11 февраля 2013 г. с космодрома Ванденберг и продолжил выполнение мис- сии Landsat, поставляя данные для использования в сельском хозяйстве и других отраслях экономики, а также в образовании, 58 бизнесе, государственном управлении. Landsat-8 выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 705 км. Первые изобра- жения со спутника Landsat-8 были получены 18 марта 2013 г. В разное время на борту спутников Landsat устанавлива- лись различные съемочные системы, которые произвели милли- арды снимков, являющихся уникальным ресурсом для проведе- ния множества научных исследований в области сельского хо- зяйства, картографии, геологии, лесоводства, разведки, образо- вания и национальной безопасности. На аппарате Landsat-8 установлены два сенсора: многока- нальный сканирующий радиометр Operational Land Imager (OLI) и сканирующий двухканальный ИК-радиометр Thermal InfraRed Sensor (TIRS). Радиометр OLI предназначен для ведения космиче- ской съемки на основе усовершенствованных технологий в 9 уча- стках видимого, ближнего ИК и среднего ИК-диапазонов с макси- мальным разрешением 15 м, а радиометр TIRS – для съемки зем- ной поверхности в двух каналах с разрешением 100 м (табл. 2.1). Таблица 2.1 Основные технические характеристики съемочной аппаратуры Прибор Радиометр OLI Радио- метр TIRS Режим съемки Видимый и ближний ИК Средний ИК Панхрома- тическая съемка Тепловой ИК Спектраль- ный диапа- зон, мкм 0,43–0,45 (фиолетовый) 0,45–0,52 (синий) 0,53–0,60 (зеленый) 0,63–0,68 (красный) 0,85–0,89 (ближний ИК) 1,36–1,39 1,56–1,66 2,10–2,30 0,50–0,68 10,40–12,50 Простран- ственное разрешение (в надире), м 30 30 15 100 Радиомет- рическое разреше- ние, бит 12 Полоса об- зора, км 185 59 Геологическая служба США предоставила всем заинтере- сованным пользователям возможность бесплатного доступа к снимкам Земли, получаемым с помощью нового американско- го спутника ДЗЗ Landsat-8. Снимки находятся в открытом дос- тупе на трех геопорталах: EarthExplorer (http://earthexplorer.usgs.gov), GloVis (http://glovis.usgs.gov) и LandsatLook Viewer (http://landsatlook.usgs.gov). Это исключительно важно для всего сообщества ученых и специалистов, опирающихся в своей деятельности на данные космической съемки. Спутники серии SPOT Французская система космического наблюдения SPOT (Systeme Probatorie l'Observation de la Terre) функционирует с 1986 г. За это время было запущено 6 спутников с различными характеристиками. Спутники этой серии открыли новую эпоху в области дистанционного зондирования благодаря использо- ванию линейки сенсоров, обеспечивающей широкую полосу съемки. Установленные на спутниках SPOT сенсоры позволя- ют осуществлять прицельную съемку. Это дает возможность выполнять стереосъемку земной поверхности с соседних вит- ков, что позволяет создавать модели рельефа и имеет огром- ное значение для дешифрирования и картографирования. Еще одним преимуществом оптической системы сенсора с откло- нением оси съемки на 27° от направления в надир является возможность проводить съемку одного и того же участка с наибольшей частотой. Это важно при мониторинге динамиче- ских явлений. В результате период съемки в экваториальных областях сокращается до трех дней. На сегодняшний день снимки SPOT по своим технико-экономическим показателям являются одними из наиболее востребованных материалов дистанционного зондирования Земли. Запуск аппарата SPOT-6 был осуществлен 9 сентября 2012 г. с космодрома Шрихарикота (Индия). Запуск аппарата SPOT-7 планируется на 2014 г. Сохранив традиционную для всех ап- паратов SPOT полосу захвата в 60 км, спутник SPOT 6 обеспе- чивает получение детальных изображений. Также возможно быстрое перенацеливание аппарата на съемку любого участка поверхности в пределах зоны обзора. Со спутника SPOT-6 полу- 60 чают панхроматические снимки (в диапазоне 0,450–0,745 мкм) и цветосинтезированные изображения с пространственным разре- шением в надире 1,5 м, многозональные снимки (в спектральных диапазонах: 0,450–0,520 мкм; 0,530–0,590 мкм; 0,625–0,695 мкм; 0,760–0,890 мкм) с пространственным разрешением от 8 м в нади- ре и с радиометрическим разрешением 12 бит. Спутник SPOT-6 выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 694 км с периодом съемки 26 дней и местным временем пересечения экваториальной плоскости 10 ч. Спутник IKONOS-2 Спутник IKONOS-2 (IKONOS-1 потерпел аварию при за- пуске 27 апреля 1999 г.) был запущен 24 сентября 1999 г. с космодрома Ванденберг (США, штат Калифорния). Создание этого коммерческого спутника было вызвано возрастающим спросом на данные дистанционного зондирования в самых раз- ных областях применения – от картографии до мониторинга со- стояния сельскохозяйственных посевов и планирования город- ской инфраструктуры. IKONOS-2 стал первым в истории чело- вечества коммерческим спутником для съемки Земли со сверхвысоким (менее 1 м) разрешением (рис. 2.5). Инициатором использования высокодетальных снимков в гражданских целях выступила компания Space Imaging (с января 2006 г. после слияния с компанией OrbImage – GeoEye). Спутник IKONOS-2 выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 680 км и вращается вокруг Земли со скоростью 7 км/с. Со спутника IKONOS-2 получают панхроматические снимки (в диапазоне 0,526–0,929 мкм) с пространственным разрешением 0,82 м, многозональные снимки (в спектральных диапазонах 0,445–0,516 мкм; 0,506–0,595 мкм; 0,632–0,698 мкм; 0,757–0,853 мкм) с пространственным разрешением 3,2 м в надире. Период съемки с указанным разрешением для экватори- альной области составляет около 3 дней. Высокая производи- тельность спутника позволяет снимать и получать достаточно точные снимки со сверхвысоким разрешением за короткий срок. Другим преимуществом спутника IKONOS-2 является высокая маневренность и, как следствие, возможность съемки больших площадей за один проход, а также возможность по- лучения стереопар с одного витка. 61 Период обращения спутника вокруг Земли равен 98 мин, пе- риод повторной съемки – от 3 дней, время прохождения эквато- ра – 10 ч 30 мин Максимальный угол отклонения от надира со- ставляет 26°. Ширина полосы съемки в надире составляет 11 км. Рис. 2.5. Панхроматическое изображение IKONOS-2 с пространственным разрешением 1 м (Санкт-Петербург, 2002 г.) Данные с этого спутника предоставляются с разным уров- нем обработки. Различные виды коммерческих данных IKONOS и их назначение приведены в табл. 2.2. 62 Таблица 2.2 Уровни обработки снимков и области применения Название Точность плановой привязки, м Соответ- ствие масштабу Сферы применения Geo 50 – Дешифрирование и анализ снимков, не требующие высокой пространствен- ной точности Reference 25,4 1 : 50 000 Картографирование больших террито- рий и использование в ГИС по заказам средств массовой информации, стра- ховых компаний и других коммерче- ских организаций Map 12 1 : 24 000 Планирование городской инфраструк- туры, оценка взаимного влияния раз- ных факторов Pro 10 1 : 12 000 Изучение окружающей среды, плани- рование городской инфраструктуры и развития транспортных сетей, сель- ское хозяйство, телекоммуникации Precision 4 1 : 4 800 Картографирование городских терри- торий, использование в ГИС для ре- шения задач, требующих высокой пространственной точности Precision Plus 2 1 : 2 400 Картографирование городских терри- торий, использование в ГИС для ре- шения задач, требующих высокой пространственной точности Спутник QuickBird Спутник был успешно запущен 18 октября 2001 г. с космо- дрома Ванденберг (США, штат Калифорния) совместными уси- лиями компании DigitalGlobe (до сентября 2001 г. – EarthWatch) и ее инвесторов. Современный спутник QuickBird является вто- рым спутником одноименной программы. Его предшественник, запущенный в ноябре 2000 г. с космодрома Плесецк (Россия), не достиг орбиты. Спутник движется по солнечно-синхронной ор- бите высотой 450 км со скоростью 7,1 км/с. Период обращения спутника вокруг Земли равен 93,5 мин, период повторной съем- 63 ки – 1–3,5 суток, время прохождения экватора – 10 ч 30 мин. Ширина полосы съемки в надире составляет 16,5 км. QuickBird предназначен для получения цифровых изо- бражений земной поверхности с пространственным разреше- нием от 61 см при съемке в надир до 72 см при отклонении в 25° в панхроматическом режиме (0,45–0,90 мкм) и 2,44 и 2,88 м соответственно в мультиспектральном режиме (0,45–0,52 мкм; 0,52–0,60 мкм; 0,63–0,69 мкм; 0,76–0,90 мкм) с радиометриче- ским разрешением 11 бит. Одновременность выполнения съемки в панхроматическом и мультиспектральном режимах позволяют синтезировать цветные снимки с пространствен- ным разрешением панхроматических, что дает возможность проводить анализ в четырех спектральных диапазонах. Основ- ными преимуществами спутника являются широкая полоса охвата в сочетании с большим запасом бортовой памяти, вы- сокой точностью геопозиционирования и возможность заказа полигонов сложной формы. Существует несколько уровней обработки снимков QuickBird в зависимости от задач потребителей. Снимки уровня Basic. СнимкиQuickBird этого уровня предназначены для тех потребителей, у которых есть все не- обходимые средства для обработки изображений.В состав на- бора данных включают информацию, необходимую для фото- грамметрической обработки, – сведения о модели камеры и пространственных параметрах съемки. Снимки уровня Basic проходят радиометрическую коррекцию и процедуру внесения поправок, вызванных искажениями камеры. В то же время они не трансформированы в картографическую проекцию, и к ним не применялась геометрическая коррекция. Снимки уровня Basic характеризуются как «геометрически необработанные», однако при их дальнейшей обработке с учетом вспомогатель- ных данных ISD (Image Support Data) можно добиться средне- квадратичной точности горизонтальной привязки 14 м (без учета влияния рельефа). Уровень Standard. Снимки этого уровня предназначены тем потребителям, которых устроит средняя точность привязки.В дополнение к процедурам обработки, которые проходят снимки уровня Basic, также применяется геометрическая коррекция. 64 Данные трансформируются в картографическую проекцию, не- обходимую заказчику. Пространственное разрешение выровне- но по всему полю снимка. При геометрической коррекции уст- раняются эффекты, связанные с особенностями орбиты спутни- ка, вращением и кривизной поверхности Земли, а также искаже- ния, возникающие при панорамной съемке. Уровень Ortho-rectified. К этой категории относятся ор- тотрансформированные снимки, которые готовы к примене- нию в ГИС, в том числе в качестве основного слоя карты или базы данных. Этот тип снимков характеризуется очень высо- кой геометрической точностью. Для ортотрансформирования снимков необходима цифровая модель рельефа и информация о наземных опорных точках. В некоторых случаях такую ин- формацию предоставляет заказчик. 65 3. ОБРАБОТКА ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Большая часть данных дистанционного спутникового зон- дирования сразу поступает в цифровом виде, что позволяет не- посредственно применять для их обработки современные ком- пьютерные технологии, при использовании которых становится возможным осуществлять усвоение и реализацию спутниковой информации с помощью автоматизированных систем обработки данных. Подобные системы обычно содержат две группы бло- ков, различающихся по технологическому назначению. Первая группа блоков обеспечивает автоматизацию решения техниче- ских задач, в том числе и географическую привязку изображе- ния. Вторая группа позволяет автоматизировать решение со- держательных задач, т. е. выдает информацию о характеристи- ках исследуемых объектов. 3.1. Основные этапы обработки спутниковых изображений Методы цифровой обработки изображений играют значи- тельную роль в космических исследованиях, в том числе при со- ставлении карт по космическим снимкам. Цифровая обработка изображений для получения географического результата пред- ставляет собой определенную для каждой задачи последова- тельность стандартных процедур. Ниже рассмотрены основные этапы обработки данных. Наземная система обработки данных предназначена для из- влечения полезной информации из мультиспектральных данных дистанционного зондирования и передачи ее потребителям. Система обработки является промежуточным звеном между датчиком дистанционного зондирования и пользователем. По- этому ее характеристики во многом зависят как от характера данных, так и в значительной степени от требований потребите- лей информации дистанционного зондирования. Обработка данных дистанционного зондирования в соот- ветствии с мировой практикой подразумевает несколько уров- ней, представленных в табл. 3.1. 66 Таблица 3.1 Уровни обработки спутниковых данных Уровень Глубина обработки снимка 0 Первичные данные, дополненные орбитальной информацией 1 Радиометрически откорректированное и географически привя- занное изображение (дополнительно устраняются искажения, вносимые аппаратурой и вращением Земли) 2 Преобразованное в заданную картографическую проекцию изо- бражение с учетом координат опорных точек 3 Геометрически преобразованное изображение с учетом цифро- вой модели местности (для суши) 4 Мультиспектральная обработка, включающая в себя совместную обработку разновременных данных или данных, полученных с различных датчиков В общем случае обработка данных дистанционного зонди- рования включает три этапа: 1-й этап – предварительная обработка; 2-й этап – первичная обработка; 3-й этап – вторичная или тематическая обработка. На 1-м этапе после приема спутниковых данных, записи их на магнитный носитель и выполнения необходимых декодирую- щих и корректирующих операций происходит преобразование данных (с учетом калибровок), переданных с космического аппа- рата, непосредственно в изображение или космический снимок (например, синтез радиолокационных изображений из радиоголо- грамм, переданных по радиолинии), а также преобразование их в форматы, удобные для последующих видов обработки. На 2-м этапе проводят радиометрические и геометрии- ческие преобразования (коррекцию) для исправления радиомет- рических и геометрических искажений, вызванных нестабиль- ностью работы космического аппарата и датчика, а также гео- графическую привязку изображения с наложением на него сетки координат, изменение масштаба изображения и представление изображения в необходимой географической проекции (геоко- дирование). 3-й этап – тематическая обработка – включает как цифро- вой анализ с применением статистических методов обработки (методы выделения признаков и классификация для количест- венных и качественных оценок и т. п.), так и визуальное дешиф- 67 рирование и интерпретацию. Тематическую обработку целесо- образно проводить в интерактивном или полностью автомати- зированном режиме. Для этих целей разработаны различные ви- ды программного обеспечения тематической обработки с ис- пользованием специализированной компьютерной техники, в основном зарубежного производства. Радиометрические преобразования используются для коррекции определенных типов искажений в системе сбора дан- ных, таких как некомпенсированная нестабильность электрон- ных устройств. Радиометрическая точность обеспечивается сис- темами внутренней и внешней калибровки. Информация, необ- ходимая для окончательной калибровки данных, должна содер- жаться в структуре передаваемого на Землю сигнала и учиты- ваться при последующей обработке. Иногда вводится поправка на изменения параметров среды во время зондирования (состоя- ние атмосферы, изменение освещенности и т. п.). Радиометри- ческие преобразования используются также для абсолютной ка- либровки данных, т. е. для преобразования интенсивности изо- бражения, измеренной датчиком, в значение измеряемых физи- ческих параметров (например, перевод цвета изображения в значения содержания хлорофилла). Геометрические преобразования. При обработке спутни- ковых данных одной из основных целей является получение изображений с требуемыми геометрическими характеристика- ми. Это связано с тем, что не подвергнутое специальной обра- ботке спутниковое изображение (рис. 3.1) отличается по своим геометрическим характеристикам от карты в любой стандартной географической проекции и имеет отличное от нее распределе- ние искажений. С помощью геометрических преобразований изменяют гео- метрию изображения либо корректируют геометрические искаже- ния, вносимые аппаратурой дистанционного зондирования. Гео- метрические искажения возникают за счет ограниченности раз- решения каждой системы дистанционного зондирования, кривиз- ны Земли, изменения орбит и высот спутников, а также вследст- вие дефектов или погрешностей в системе регистрации данных. Для устранения геометрических искажений и приведения спутни- кового изображения к стандартной географической проекции снимок необходимо геометрически трансформировать, т. е. под- 68 вергнуть его процедуре геометрической коррекции по данным, которые характеризуют положение датчика в пространстве в мо- мент съемки и геометрию подстилающей поверхности. Рис. 3.1. Фрагмент изображения, полученного 10 мая 2007 г. со спутника NOAA-12, 2-й канал AVHRR Трансформация спутниковых изображений в картографи- ческую проекцию, основанная только на использовании моде- ли орбиты спутника, часто не обеспечивает достаточного уровня точности. На рис. 3.2, А отчетливо прослеживается существенный сдвиг береговой линии оз. Байкал, оставшийся после процедуры геометрической коррекции по орбитальным данным. Для устранения этой проблемы существуют процеду- ры географической привязки. 69 Современные пакеты программ, предназначенные для обра- ботки спутниковых данных, предусматривают возможность гео- графической привязки по опорным точкам, позволяя оператору в интерактивном режиме задавать на спутниковом изображении точ- ки, географические координаты которых имеются в базе данных. Рис. 3.2. Спутниковое изображение после геометрической коррекции по орбитальным данным (А) и последующей географической привязки (Б) «Совмещение» и «наложение данных» – это термины, ко- торыми обозначаются процессы геометрического выравнива- ния одного множества данных относительно другого. Напри- мер, одно множество может быть данными дистанционного зондирования океана, другое – картой. Заметим, что существу- ет большое разнообразие данных, которые можно совместить или наложить друг на друга. Например, распределение данных дистанционного зондирования океана в виде изображения или снимка можно наложить на данные о подводной топографии, о контактных подспутниковых измерениях, о метеорологиче- ских параметрах и т. п. Масштабирование, преобразование проекций, исправление систематических искажений – процедуры, необходимые для по- лучения изображения в нужном масштабе или географической проекции и для устранения различных искажений, возникших из-за нестабильности платформы космического аппарата. При приведении снимков (или карт и снимков) к геометрически |