Краткое содержание дисциплины:

В настоящее время задачи оперативного спутникового контроля природ­ных ресурсов, исследования динамики протекания природных процессов и явлений, анализа причин, прогнозирования воз­можных последствий и выбора способов предупреждения чрез­вычайных ситуаций считаются неотъемлемым атрибутом мето­дологии сбора информации о состоянии интересующей терри­тории (страны, края, города), необходимой для принятия пра­вильных и своевременных управленческих решений. Особая роль отводится спутниковой информации в геоинформационных си­стемах, где результаты дистанционного зондирования поверх­ности Земли (ДЗЗ) из космоса являются регулярно обновляе­мым источником данных, необходимых для формирования при-родоресурсных кадастров и других приложений, охватывая весьма широкий спектр масштабов (от 1:10 000 до 1:10 000 000). При этом информация ДЗЗ позволяет оперативно оценивать достоверность и в случае необходимости проводить обновление использующихся графических слоев (карт дорожной сети, комму­никаций и т.п.), а также может быть использована в качестве растровой «подложки» в целом ряде ГИС-приложений, без кото­рых сегодня уже немыслима современная хозяйственная деятель­ность.

Классификация космических снимков. Космические снимки мож­но классифицировать по разным признакам: в зависимости от выбора регистрируемых излучательных и отражательных характе­ристик, что определяется спектральным диапазоном съемки; от тех­нологии получения изображений и передачи их на Землю, во мно­гом обусловливающей качество снимков; от параметров орбиты космического носителя и съемочной аппаратуры, определяющих масштаб съемки, обзорность, разрешение снимков и т.п.

По спектральному диапазону космические снимки де­лятся на три основные группы:

- в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне;

- в тепловом инфракрасном диапазоне;

- снимки в радиодиапазоне.

По технологии получения изображения, способам получения сним­ков и передачи на Землю снимки в видимом и ближнем инфра­красном (световом) диапазоне подразделяют на:

- фотографические;

- телевизионные и сканерные;

- многоэлементные ПЗС-снимки на основе приборов с зарядовой связью;

- фототелевизионные.

Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне представляют собой тепловые инфракрасные радиометрические снимки. Снимки в радиодиапазоне делятся в зависимости от использования актив­ного или пассивного принципа съемки на микроволновые радио­метрические, получаемые при пассивной регистрации излучения, и радиолокационные, получаемые при активной локации.

По масштабу космические снимки делятся на три группы:

1) мелкомасштабные (1:10 000 000 -1:100 000 000);

2) среднемасштабные (1:1 000000— 1:10 000 000);

3) крупномасштабные (крупнее 1:1 000 000).

По обзорности (площадному охвату территории одним снимком) снимки подразделяются на:

- глобальные (охватывающие всю планету, точнее, освещенную часть одного полушария);

- региональные, на которых изображаются части материков или крупные регионы;

- локальные, на которых изображаются части регионов.

По разрешению (минимальной линейной величине на местности изображающихся объектов) снимки различаются на снимки:

- очень низкого разрешения, измеряющееся десятками кило­метров;

- низкого разрешения, измеряющегося километрами;

- среднего разрешения, измеряющегося сотнями метров;

- снимки высокого разрешения, измеряющегося десятками мет­ров (которые, в свою очередь, делят на снимки относительно высокое качество снимков, получаемых в видимом и ближнем ин­фракрасном диапазоне, их геометрические и фотометрические свой­ства зависят от технологии получения снимков и передачи их на Землю.

Фотографические снимки в этом диапазоне получают с пилоти­руемых кораблей и орбитальных станций или с автоматических спутников. Известные недостатки фотографического метода свя­заны с необходимостью возвращения пленки на Землю и ограни­ченным ее запасом на борту. Телевизионная и сканерная съемка в этом диапазоне дает воз­можность систематического получения изображения всей поверх­ности Земли с искусственных спутников в течение длительного времени при быстрой передаче его на приемные станции. При выполнении съемки этим методом используются кадровые и ска­нирующие системы. В первом случае на борту спутника имеется миниатюрная телевизионная камера (видикон), в которой опти­ческое изображение, построенное объективом на экране при считывании электронным лучом, переводится в форму электро­сигналов и по радиоканалам передается на Землю. Во втором слу­чае качающееся зеркало сканера на борту носителя улавливает отраженный от Земли световой поток, поступающий на фотоум­ножитель. Преобразованные сигналы сканера также по радиока­налам передаются на Землю, где на приемных станциях они при­нимаются и записываются в виде изображений. При этом каждый сигнал относится к определенной площадке — элементу изображе­ния, — для которой передается интегральная яркость. Колебание зеркала реализует строки изображения, а благодаря движению носителя происходит накопление строк и формируется снимок, что обусловливает строчно-сетчатую поэлементную структуру изоб­ражения.

Получение многоэлементных ПЗС-снимков связано с примене­нием электронных камер (иногда их называют электронными ска­нерами). В них используются многоэлементные линейные и мат­ричные приемники излучения, состоящие из нескольких тысяч миниатюрных (размером 10 — 20 мкм) светочувствительных эле­ментов-детекторов — так называемых приборов с зарядовой свя­зью (ПЗС). Их малые размеры обеспечивают высокое разрешение подобных снимков. Линейный ряд детекторов (так называемая линейка ПЗС) реализует сразу целую строку снимка, а накопле­ние строк обеспечивается за счет движения носителя аппаратуры. Эта аппаратура не имеет колеблющихся или вращающихся эле­ментов конструкции, что вместе с высоким разрешением обус­ловливает лучшие геометрические свойства снимков.

Фототелевизионные снимки получают с помощью фотокамеры, обеспечивающей хорошее качество изображения. Передача экс­понированного и проявленного на борту изображения на Землю идет по телевизионным каналам связи. Фототелевизионный метод съемки сыграл важную роль при съемке планет.

Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне.Тепловой инфра­красный диапазон охватывает длины волн от 3 до 1000 мкм, одна­ко большая часть его лучей не пропускается атмосферой. Имеются только три окна прозрачности с длинами волн 3 — 5, 8 —14 и 30 — 80 мкм, первые два из которых используются для съемки. Интен­сивность излучения Солнца в этом диапазоне незначительна, но зато на волны длиной 10 — 12 мкм приходится максимум собствен­ного теплового излучения Земли. Поскольку у различных объек­тов земной поверхности (суши, воды, по-разному увлажненных почв и т.п.) оно неодинаково, появляется возможность по дан­ным регистрации этого излучения судить о характере излучаю­щих объектов. Регистрирующие приборы, работающие в этом ди­апазоне (тепловые инфракрасные радиометры), дают сигналы разной силы для объектов с различной температурой. При по­строении по этим сигналам изображения — теплового инфракрас­ного снимка — получают пространственно зафиксированные тем­пературные различия объектов съемки. Обычно на таких снимках наиболее холодные объекты выглядят светлыми, теплые — темны­ми со всей гаммой температурных переходов. Съемку можно вести ночью — на затененной стороне Земли, а также в условиях по­лярной ночи. Съемке мешает облачность, так как в этом случае регистрируются температуры не земной поверхности, а верхней кромки облаков.

Помимо прямого определения температурных режимов види­мых объектов и явлений (как природных, так и искусственных) тепловые снимки позволяют косвенно выявлять то, что скрыто под землей — подземные реки, трубопроводы и т. п. Снимки по­зволяют отслеживать динамику лесных пожаров, нефтяные и га­зовые факелы, процессы подземной эрозии.

Снимки в радиодиапазоне. Для дистанционного изучения Земли используется ультракоротковолновый диапазон радиоволн с дли­нами 1 мм — 10 м, точнее, его наиболее коротковолновая часть (1 мм — 1 м), называемая сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазо­ном (в зарубежной литературе его называют микроволновым). Он в значительной мере свободен от влияния атмосферы: окно про­зрачности охватывает длины волн от 1 см до 10 м. При съемке в ультракоротковолновом диапазоне фиксируется либо собственное излучение Земли этого диапазона (пассивная радиометрия), либо отраженное искусственное излучение (активная радиолокация).

При пассивной съемке получают микроволновые радиометри­ческие снимки. С помощью микроволновых радиометров регистри­руется микроволновое излучение различных объектов — так на­зываемые радиояркостные температуры. Такая съемка называется радиотепловой или микроволновой радиометрической. По сигна­лам излучения строится пространственное изображение — мик­роволновый радиометрический снимок, на котором по-разному изображаются объекты, обладающие неодинаковыми излучатель-ными свойствами. Излучательные характеристики различных при­родных и искусственных объектов в этом диапазоне неодинаковы. Так, излучение металлов минимально, практически равно 0; излу­чение растительности и сухой почвы определяется коэффициен­том 0,9, а воды — 0,3. Это позволяет разделять на снимках объекты с различными излучательными свойствами, в частности разные по влажности почвы, воды с разной степенью солености, объекты с разной кристаллической структурой, промерзание грунтов. На таких снимках по-разному выглядят морские льды различного воз­раста — однолетние и многолетние, — которые могут не разли­чаться на обычных снимках в оптическом диапазоне.

При активной радиолокационной съемке получают собственно радиолокационные снимки. На носителе устанавливается активный источник радиоизлучения с антенной, действующий по принципу просмотра местности поперек линии маршрута. Посылаемый к Земле узконаправленный сигнал по-разному отражается поверхностью и улавливается регистрирующей аппаратурой. Из таких построчных сигналов формируются радиолокационные снимки, на которых отображаются шероховатость поверхности, ее микрорельеф, осо­бенности структуры и состав пород, слагающих поверхность.

При размерах неровностей поверхности меньше полудлины волны поверхность объекта для радиоволн как бы гладкая (зеркалит) и изображается на радиолокационных снимках наиболее тем­ным тоном (песчаные пляжи, солончаки, такыры, гладкая вод­ная поверхность). При размере неровностей больше полудлины волны происходит рассеивание и диффузное отражение энергии, зависящее от величины неровностей, их формы, ориентировки по отношению к радиолучу. Они изображаются серым тоном раз­ной плотности. Растительность увеличивает поглощение радиоволн и изображается светлым тоном. Такое радиолокационное поверх­ностное зондирование ведут, используя волны сантиметрового диапазона. Генерируя излучение различных длин волн, можно получать информацию об объектах на некоторой глубине. Радио­локаторы подповерхностного зондирования работают в децимет­ровом и метровом диапазоне (1—30 м). Они обнаруживают под­поверхностные неоднородности грунтов, позволяя определять глу­бину их залегания и мощность. Например, в диапазоне 0,5 — 1 м фиксируются пресные грунтовые воды в песках на глубине до 20 м.

Радиолокационные снимки могут применяться для изучения волнения и приповерхностных ветров, исследования поверхност­ных и подповерхностных структур, поисков линз подземных вод, изучения растительности, картографирования использования зе­мель, изучения городов и решения других задач.

Пассивная и активная съемка в радиодиапазоне отличается от остальных видов съемки своей всепогодностью, обусловленной абсолютной прозрачностью атмосферы для волн этого диапазона спектра. Она может производиться ночью, при сплошной облач­ности, тумане, дожде. Именно поэтому важно применение дан­ного диапазона для космических съемок, в особенности для опе­ративных целей.

Результаты обучения: В результате изучения курса студент должен освоить основы Дистанционного зондирования Земли, методов приема и обработки информации космического мониторинга в оптических и радио диапазонах.

После окончания изучения дисциплины студенты должны:

Иметь представление об использовании современных решений в космическом мониторинге различного назначения, в том числе для селлского хозяйства.

Знать и понимать

различные технологии, методы и способы получения, передачи, накопления, хранения и обработки пространственных данных;

- ознакомить со схемами построения космических систем мониторинга.

Уметь: проводить измерения и исследования по заданной методике с выбором средств измерений и обработкой результатов; решать типовые схемотехнические измерительные задачи; измерять различных параметров электрических цепей; определять и оценивать погрешность измерения, а также анализировать результаты измерений.

Владеть - методами и алгоритмы обработки данных КС ДЗЗ;

Приобрести практические навыки - о выборе оптимальных режимов и программах обработки данных КС ДЗЗ;