3 ГЛАВА. КОСМИЧЕСКАЯ СЪЕМКА
3 ГЛАВА. КОСМИЧЕСКАЯ СЪЕМКА
Носители и космические комплексы.
Космосъемка занимает одно из ведущих мест среди различных методов дистанционного зондирования. Она осуществляется с помощью:
• искусственные спутники Земли (ИЗС),
• межпланетные автоматические станции,
• долговременные орбитальные станции,
• пилотируемые космические корабли.
Табл. Основные космодромы, используемые для запусков спутников-съемщиков.
Космические системы (комплексы) мониторинга окружающий среды включают в себя (и выполняют):
1. Спутниковые системы на орбите (центр управления полетами и съемкой),
2. Прием информации наземными пунктами приема, спутниками-ретрансляторами,
3. Хранение и распространение материалов (центры первичной обработки, архивы снимков). Разработана информационная поисковая система, обеспечивающая накопление и систематизацию материалов, получаемых с искусственных спутников Земли.
Орбиты космических летательных аппаратов.
Орбиты носителей делятся на 3 типа:
• экваториальные,
• полярные (полюсные),
• наклонные.
Рис. Широтные пояса охвата съемки при разном наклонении:
1 – прямая субполярная орбита (метеорологические спутники); 2 – обратная субполярная орбита (ресурсные спутники); 3 – прямая наклонная орбита (космические пилотируемые корабли и орбитальные станции).
Орбиты подразделяют на:
• круговые (точнее, близкие к круговым). Космоснимки, полученные с космического носителя, который двигался по круговой орбите, имеют примерно одинаковый масштаб.
• эллиптические.
Орбиты различают также по положению относительно Земли или Солнца:
• геосинхронные (относительно Земли)
• гелиосинхронные (относительно Солнца).
Геосинхронные — космический летательный аппарат движется с угловой скоростью, равной скорости вращения Земли. Это создает эффект “зависания” космического носителя в одной точке, что удобно для постоянных съемок одного и того же участка земной поверхности.
Гелиосинхронные (или солнечно-синхронные) — космический аппарат проходит над определенными участками земной поверхности в одно и то же местное время, что используется при производстве многократных съемок при одинаковых условиях освещения. Гелиосинхронные орбиты — орбиты, при съемке с которых солнечная освещенность земной поверхности (высота Солнца) остается практически неизменной достаточно продолжительное время (почти в течение Сезона). Это достигается следующим путем. Поскольку плоскость любой орбиты под влиянием несферичности Земли немного разворачивается (прецессирует), то оказывается возможным, подбирая определенное соотношение наклонения и высоты орбиты, добиться, чтобы величина прецессии была равной суточному повороту Земли вокруг Солнца, т. е. около 1° в сутки. Среди околоземных орбит удается создать лишь несколько солнечно-синхронных, наклонение которых всегда обратное. Например, при высоте орбиты 1000 км наклонение должно быть 99°.
Виды съемок.
Космическую съемку ведут разными методами (рис. «Классификация космических снимков по спектральным диапазонам и технологии съемки»).
По характеру покрытия земной поверхности космическими снимками можно выделить следующие съемки:
• одиночное фотографирование,
• маршрутную,
• прицельную,
• глобальную съемку.
Одиночное (выборочное) фотографирование выполняется космонавтами ручными камерами. Снимки обычно получаются перспективными со значительными углами наклона.
Маршрутная съемка земной поверхности производится вдоль трассы полета спутника. Ширина полосы съемки зависит от высоты полета и угла обзора съемочной системы.
Прицельная (выборочная) съемка предназначена для получения снимков специально заданных участков земной поверхности в стороне от трассы.
Глобальную съемку производят с геостационарных и полярно- орбитальных спутников. спутников. Четыре-пять геостационарных спутников на экваториальной орбите обеспечивают практически непрерывное получение мелкомасштабных обзорных снимков всей Земли (космическое патрулирование) за исключением полярных шапок.
Рис. Классификация космических снимков
по спектральным диапазонам и технологии съемки.
Аэрокосмический снимок
Аэрокосмический снимок – это двумерное изображение реальных объектов, которое получено по определенным геометрическим и радиометрическим (фотометрическим) законам путем дистанционной регистрации яркости объектов и предназначено для исследования видимых и скрытых объектов, явлений и процессов окружающего мира, а также для определения их пространственного положения.
Космический снимок по своим геометрическим свойствам принципиально не отличается от аэрофотоснимка, но имеет особенности, связанные с:
• фотографированием с больших высот,
• и большой скоростью движения.
Так как спутник по сравнению с самолетом движется значительно быстрее, то требует коротких выдержек при съемке.
Космическая съемка различается по:
• масштабам,
• пространственному разрешению,
• обзорности,
• спектральным характеристикам.
Эти параметры определяют возможности дешифрирования на космических снимках различных объектов и решения тех геологических задач, которые целесообразно решать с их помощью.
Типы снимков подразделяются по обзорности, по масштабу, по пространственному разрешению (Табл. «Типы снимков»).
Табл. Типы снимков
Масштаб и обзорность (форма, размер) космических снимков позволяют выявить объекты разного ранга, снятые в одно время и в одном режиме съемки.
Обзорность снимка зависит от размеров участков земной поверхности, отображенной на космоснимке, и измеряется в единицах площади.
Наиболее распространенный размер кадра космического снимка 18х18 см позволяет видеть все изображение одновременно, не “переводя взгляда”, без последовательного обзора.
При увеличении масштаба снимка проекционным путем обзорность снимка сохраняется, а уровень генерализации снижается.
По обзорности (охвату территории одним снимком) снимки разделяют:
1. Глобальные, охватывающие всю планету. Ширина зоны охвата более 10 тыс. км, а территориальный охват составляет сотни миллионов квадратных километров.
2. Крупнорегиональнье, отображающие материки, их части и крупные регионы, — снимки с метеорологических спутников на околоземных орбитах, а также снимки малого и среднего разрешения с ресурсных спутников. Ширина зоны охвата варьирует от З тыс. км у снимков малого разрешения до 500 км у снимков среднего разрешения, территориальный охват составляет миллионы квадратных километров. На одном снимке этого типа изобразится Западная Европа, почти вся Австралия, Средняя Азия, Тибет.
3. Региональные, на которых изображаются регионы и их части, — это снимки с ресурсных и картографических спутников, а также с пилотируемых кораблей и орбитальных станций. Наиболее характерный охват 350 х 350 км2, 180 х 180 км2, 60 х 60 км2. На снимке подобного охвата изобразится такое государство, как Бельгия, небольшая область, например Московская, крупные мегаполисы.
4. Локальные, на которых изображаются относительно небольшие участки местности, — снимки со спутников для детального наблюдения и крупномасштабного топографического картографирования с охватом порядка 10 х 10 км2. На таком снимке изобразится промышленный комплекс, крупное хозяйство, небольшой город, а для Москвы потребуется несколько снимков.
Масштабы космоснимков разные: от 1:1000 до 100 000 000, т.е. он может меняться в сто тысяч раз. Самые распространенные масштабы космических снимков: от 1:200 000 до 1:10 000 000.
Масштабы космоснимков зависят от:
• высоты фотографирования,
• фокусного расстояния аппарата,
• коэффициента увеличения,
• углов наклона,
• кривизны земной поверхности.
Пространственное разрешение (или разрешение на местности) определяется размером наименьшего объекта (Δ), воспроизводимого на снимке, и определяется по формуле:
Δ = m/2N
где:
m — масштаб снимка;
N — разрешающая способность снимка, т.е. число раздельно фотографически воспроизводимых черно-белых штрихов на отрезке длиной 1 мм.
Распознавание объектов на снимках зависит от масштаба съемки и разрешающей способности. По соотношению масштабного ряда космических снимков с масштабным рядом геологических карт, принятых в России, космические снимки разделяются по уровням естественной генерализации на (табл. «Классификация карт и материалов дистанционных съемок»):
• глобальные,
• континентальные,
• региональные,
• локальные,
• детальные.
Для сканирующих систем разрешения по маршруту и вдоль строки (края снимка) отличаются и могут изменяться в несколько раз зависимости от угла сканирования, поэтому при дешифрировании используют только центральную (рабочую) полосу. В некоторых случаях при увеличении снимков до минимального разрешения (до 5 линий на 1 мм) они могут охватывать несколько уровней распознавания (генерализации).
Снимки глобального уровня. Космические снимки глобального уровня генерализации получают с высот 20—30 тыс. км.:
• с межпланетных автоматических станций,
• высокоорбитальных ИСЗ (“Молния” и др.)
Масштаб ряда карт: 1:5 000 000.
Космические снимки глобального уровня генерализации охватывают всю или большую часть полушария. Они позволяют:
• выявлять наиболее протяженные глубинные разломы и зоны разломов,
• гигантские кольцевые структуры,
• выяснять характер сочленения крупных структурных элементов земной коры,
• связь поверхностной геологии с глубинным строением литосферы.
Разработки НАСА космической системы глобального мониторинга ЕОS будет включена в первом десятилетии 21 века. Система предназначена для комплексного планетарного дистанционного изучения Земли как единой системы (химический состав атмосферы, движение волн цунами в океане и т.д.).
Предусматривается работа нескольких ИСЗ, передающих информацию каждые 10 мин. в реальном масштабе времени.
Снимки континентального уровня. Космические снимки континентального уровня генерализации имеют малое разрешение. Их получают телевизионными сканирующими системами с ИСЗ “Метеор” и др. Космические снимки этого уровня генерализации позволяют:
• устанавливать структурно-геологические особенности крупных областей земного шара,
• выделять вещественно-структурные комплексы горных пород,
• глубинные разломы,
• проводить или уточнять тектоническое районирование.
Масштаб ряда карт: 1:5 000 000.
Снимки регионального уровня. Космические снимки регионального уровня генерализации отличаются средним разрешением. Их получают фотографическими и сканирующими системами с ресурсных ИЗС “Метеор”, “Лэндсат”, а также с пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций.
Масштаб ряда карт: 1:1 000 000 и 1:500 000.
Снимки локального уровня. Космические снимки локального уровня генерализации получают фотографическими системами с пилотируемых космических кораблей долговременных орбитальных станций с помощью высококачественной аппаратуры типа МКФ-6 и с ресурсного ИСЗ “Лэндсат”.
Снимки локального уровня генерализации позволяют:
• существенно уточнить геологическую структуру различных регионов,
• представляют основной материал для геологического картирования в масштабах 1:500 000 и :1 000 000,
• для составления специализированных тематических карт геологического содержания, в том числе прогнозно-минералогических.
Эта съемка использует цифровые сканеры, дающие высокое трехмерное изображение. Получаемые снимки пригодны для кадастра и инвентаризации, для изготовления среднемасштабных и крупномасштабных карт.
Масштаб ряда карт: 1:200 000 и 1:100 000.
Снимки детального уровня. Космические снимки детального уровня генерализации масштаба 1:100 000 и крупнее по своим свойствам близки к высотным аэрофотоснимкам и снимкам мелкого масштаба. Получают снимки при фотографировании высококачественными длиннофокусными съемочными камерами с орбит высотой около 200 км. Космические снимки детального уровня генерализации используют (как и аэрофотоматериалы) при космофотогеологических исследованиях.
Масштаб ряда карт: 1:50 000 и 1:25 000.
Все аэрокосмические снимки делятся на:
• аналоговые (обычно фотографические),
• цифровые (электронные).
Цифровые снимки. Изображение цифровых снимков образовано из отдельных одинаковых элементов – пикселов. Яркость каждого пиксела характеризуется одним числом. Аэрокосмический снимок состоит из миллионов пикселов.
Технологические способы получения снимков разные (рис. «Классификация космических снимков по спектральным диапазонам и технологии съемки»).
Комплекс обработки информации детального разрешения.
По материалам космической съемки детального разрешения разрабатываются:
1. Цифровые культуризображения районов земной поверхности с линейным разрешением 1м и 2 м.
2. Цифровые модели рельефа
3. Ортотрансформированные цифровые изображения (фотопланы).
4. Топографические карты различных масштабов.
5. Специальные и тематические карты различных масштабов.
6. Векторные геоинформационные слои (используются при создании специальных геоинформационных систем).
7. Тематически обработанные материалы (оценка экологической обстановки, обстановки в районах экологических и техногенных катастроф, урожайности сельскохозяйственных , состояния лесов и т.д.)
Комплекс тематической обработки. Тематическая обработка космической информации позволяет оценивать состояние окружающей среды и природных объектов. Многофункциональный комплекс тематической обработки позволяет проводить комплексную обработку данных от различных систем. Совместная обработка данных проводится с помощью разработанного в НЦ ОМЗ специального программно-алгоритмического обеспечения и ГИС программных пакетов: ERDAS, ENVI, ARCVIEW.
Особенности изображения на космических снимках зависят от влияния факторов: технических и естественных (природных).
Технические факторы, влияющими на информативность космических снимков, являются:
а) параметры полета (траектория, высота, тип орбиты, скорость движения);
б) характеристики космических съемочных систем (фокусное расстояние аппарата, спектральный диапазон, разрешающая способность съемочных систем;
в) способы обработки материалов.
Естественные (природные) факторы — электромагнитный спектр Солнца, состояние атмосферы, сезон съемки, ландшафтно-климатические особенности территории съемки.
Достоинства космосъемки. Летящий спутник не испытывает вибраций и резких колебаний, поэтому космические снимки удается получать с более высокой разрешающей способностью и высоким качеством изображения, чем аэроснимки. Снимки могут быть переведены в цифровую форму для последующей компьютерной обработки.
Недостатки космосъемки: информация не поддается автоматизированной обработке без предварительных преобразований. При космофотосъемке происходит смещение точек (под влиянием кривизны Земли), их величина на краях снимка достигает 1,5 мм. В пределах снимка нарушено постоянство масштаба, различие которого на краях и в центре снимка может составлять выше 3%.
Недостатком фотосъемки является его неоперативность, т.к. контейнер с пленкой спускается на Землю не чаще, чем один раз в несколько недель. Поэтому фотографические космические снимки редко используются для оперативных целей, а представляют информацию долговременного использования.
Недостатками космического метода являются также:
— затруднительность обеспечения высокопериодического наблюдения объектов — с периодичностью лучше 1-2 часов, особенно для низкоширотных регионов, расположенных южнее 30-40° с.ш. наблюдения детального и высокодетального наблюдения, при работе 1-2 КА на орбите обычно не удается достичь периодичности лучше 6-12 часов;
— для оптико-электронной съемки большой проблемой является облачность. Период повторного посещения того же объекта наблюдения тем же самым КА — от 3 дней и более;
— затруднительность модернизации систем: запущенные КА, как правило, не обслуживаются, и новые образцы датчиков могут работать только при новых запусках новых аппаратов;
— в условиях космоса труднореализуемо размещение некоторых типов средств зондирования, работающих в интересных диапазонах электромагнитного спектра (например, РСА с длиной волны не менее 1-2 м для подповерхностного зондирования);
— часто недостаточная оперативность выполнения заявок, вызванная строгой зависимостью времени выхода КА на район съемки баллистическими параметрами рабочей орбиты. Для большинства народнохозяйственных систем средний срок поставки изображения после заказа составляет 7 дней. Для некоторых облачных/дождливых районов срок может увеличиваться до месяца;
— съемка маршрута возможна главным образом в направлениях, заданных баллистикой. Из-за распространенности околополярных спутниковых орбит более предпочтительным является направление получения изображений с Севера на Юг, чем с Востока на Запад;
— высокие затраты на создание и развертывание КС, связанные со сложностью космической техники и необходимостью проведения запусков дорогостоящих РН для достижения рабочей орбиты КА.