Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра геодезии и картографии

ВИДЫ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Курсовая работа

Минск 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

• Глава 1. Роль и значение аэрокосмических методов в географических исследованиях
• 1.1 Сущность аэрокосмических методов и связь с географическими дисциплинами
• 1.2 История развития аэрокосмических съемок
• Глава 2. Материалы аэрокосмических съемок
• 2.1 Масштаб и пространственное разрешение аэрокосмических снимков
• 2.2 Диапазон региструемого излучения
• 2.3 Методы регистрации электромагнитного излучения
• Глава 3. Виды аэрокосмических съемок
• 3.1 Фотографическая съемка
• 3.2 Телевизионная съемка
• 3.3 Сканерная съемка
• 3.4 Инфракрасная и инфракрасная тепловая съемки
• 3.6 Радиолокационная съемка
• 3.7 Спектрометрическая съемка
• 3.8 Лазерная съемка
• Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Географы в своих исследованиях используют помимо методов отраслевых географических наук и общегеографические методы - описательный, математический, картографический, аэрокосмический.

Под аэрокосмическими методами принято понимать совокупность методов исследований атмосферы, земной поверхности, океанов, верхнего слоя земной коры с воздушных и космических носителей путем дистанционной регистрации и последующего анализа идущего от Земли электромагнитного излучения. Аэрокосмические методы обеспечивают определение точного географического положения изучаемых объектов или явлений, получение их качественных и количественных биогеофизических характеристик и их изменений во времени. В географических исследованиях главную роль играют методы, основанные на регистрации параметров излучения в виде двумерного изображения, снимка. Использование аэрокосмических снимков не только упрощает изучение труднодоступных территорий, но и обеспечивает географа дистанционной геопространственной информацией, которую другими способами получить не удается.

Целью курсового проектирования является изучение видов аэрокосмических съемок, их роли и значения в географических исследованиях.

Задачи курсового проектирования:

1.Узнать о роли, значении и происхождении аэрокосмических методов в географических исследованиях.

2. Познакомится с классификацией космических снимков.

3. В подробностях разобраться в каждом виде аэрокосмических съемок.

В первой главе данной работы рассматривается сущность аэрокосмических методов, история развития аэрокосмических съемок.

Во второй главе рассматривается классификация снимков.

Третья глава посвящена непосредственно видам аэрокосмических съемок, подробному рассмотрению каждого из них.

При подготовке курсовой работы были использованы курсы лекций, учебники различных авторов.

ГЛАВА 1. РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Уже на первых этапах использования дистанционных съемок отмечалась большая роль аэрокосмических методов при изучении природных ресурсов Земли.

Характерная особенность аэрокосмических методов состоит в том, что они являются дистанционными, не требующими прямого соприкосновения с объектом исследования и позволяющими свести непосредственные исследования к минимуму. Методы аэрокосмической съемки позволяют большую часть работы перенести в камеральные условия, увеличить скорость производства работ и вместе с тем увеличить достоверность и полноту результатов исследовательских и изыскательских работ[6].

Удобство работы со снимками заключается также в том, что к изображению можно обращаться неоднократно, изучать долгое время без больших затрат времени и средств, что затруднительно или невозможно при других методах, например традиционном для географии полевом экспедиционном методе исследований.

Однако самое главное заключается в том, что воздушные и космические снимки дают в руки исследователя новые сведения и факты, которые другими способами не могут быть получены [6].

1.1 Сущность аэрокосмических методов и связь с географическими дисциплинами

Аэрокосмические методы в географии - это изучение закономерностей строения и развития географической оболочки Земли в целом или составляющих ее комплексов либо компонентов визуально с летательных аппаратов или путем дешифрирования снимков[6].

Аэрокосмические методы делятся на две основные группы: во-первых, визуальные исследования, включающие также глазомерную и полуинструментальную графическую съемки, и, во-вторых, различные виды съемок [6].

Съемка с летательных аппаратов составляет главную часть аэрокосмических методов. Она включает собственно съемку, составляющую преимущественно техническую задачу, и дешифрирование, или интерпретацию результатов съемки, что является географической задачей.

В качестве предмета географических исследований являются пространственно-временные свойства и отношения природных и социально-экономических объектов, проявляющиеся прямо или косвенно в собственном и отраженном излучении, дистанционно регистрируемом в виде снимка.

Метод аэрокосмических исследований основан на использовании снимков, которые, как показывает практика, представляют наибольшие возможности для географического изучения объектов[6].

Общей физической основой аэрокосмических методов является функциональная зависимость между регистрируемыми снимком параметрами излучения объекта и характеристиками, описывающими вид и пространственно-временное состояние объекта. С этой целью изучаются параметры регистрируемого излучения (интенсивность, спектральный состав и др.) в зависимости от влияния и оптико-метеорологических условий.

Развитие аэрокосмических методов базируется на достижениях таких дисциплин, как аэросъемка, космическая съемка, аэрофотография, математика, инженерная психология, фотограмметрия, дешифрирование, и других наук, от успехов которых прямо зависят возможности аэрокосмических методов и надежность получаемых с их помощью результатов [6].

В настоящее время трудно найти географическую науку, где не использовались бы аэрокосмические методы. Они прочно утвердились в метеорологических, геоморфологических, геологических, почвенных, геоботанических, гидрографических, океанологических исследованиях. В связи с этим появились такие разделы наук, как спутниковая метеорология, космическая гляциология, космическая картография и др.

Велика роль аэрокосмических снимков при изучении и картографировании ландшафтов. Результаты комплексного картографирования современных ландшафтов показывают высокую достоверность, точность, хорошую сопоставимость ландшафтных и отраслевых карт и их уникальное значение для прикладных ландшафтных исследований [6].

Особенно широко аэрокосмические методы используются в картографических исследованиях. Здесь выделяются два направления. В первом - аэрокосмические снимки используются для изготовления карт, что составляет основу аэрокосмического картографирования, в частности аэрофототопографии, космического картографирования. Во втором - аэрокосмический метод сочетается с картографическим методом географических исследований. Интеграция аэрокосмического и картографического методов в единый картографо-аэрокосмический метод исследований базируется на формировании знаний как через снимок, и затем карту, так и по параллельной схеме, в которой для познания объекта используются одновременно и снимок и карта, что служит их дальнейшему теоретическому обогащению и повышению практической значимости [6].

1.2 История развития аэрокосмических съемок

Начальный период. Начало наблюдений и фотографирования с воздуха относится к середине позапрошлого века. Французский военный офицер Гаспар Турнашон (Надар) в 1859 г сфотографировал деревню неподалеку от Парижа с воздушного шара. В России первые фотоснимки, также с воздушного шара, выполнены в 1886 г начальником воздухоплавательной команды военного ведомства поручиком А. М. Кованько [5].

Первая мировая война послужила толчком к быстрому развитию съемок с самолетов и переходу от отдельных фотографий с воздуха к практическому использованию аэроснимков. В 1916 г в русской армии при разведывательных отделениях штабов были сформированы специальные фотометрические (впоследствии фотограмметрические) части. В их задачу входило дешифрирование аэроснимков, перенос результатов на карту и размножение дополненных таким образом карт. Следующий шаг в использовании снимков связан с созданием подполковником М. В. Потте первого автоматического аэрофотоаппарата, съемка которым выполнялась не на светочувствительные стеклянные пластины, а на фотопленку[5].

1920-е годы. После окончания войны в Великобритании, Франции, США, а несколько позже и в Германии опыт, накопленный военными, стал распространяться и на области хозяйственной деятельности.

В России началом применения аэросъемки для нужд народного хозяйства можно считать 1918 г., когда было выполнено фотографирование местности в районе г. Твери на площади 100 км². Принятый в марте 1919 г. Декрет об учреждении Высшего геодезического управления послужил толчком к быстрому развитию аэросъемок. Было создано Аэрофототопографическое отделение, которое выполняло опытно-производственные работы по использованию аэрофотоснимков в картографических целях, положив начало их планомерному и систематическому использованию. В 1924 г. ставится задача использовать аэрофотоснимки при создании топографических карт неисследованных районов, тогда же проведены первые аэрофотосъемки для нужд лесоустройства и дорожного строительства[5].

1930-е годы. В этот период аэрофотоснимки стали применяться в геологии, для изучения, таксации и эксплуатации лесов, а также при изучении Арктики. К этому же времени относится первый опыт использования аэрофотоснимков для изучения пустынь, рек, болот, рельефа. Аэросъемка становится новым орудием для работы в труднодоступных районах.

1940-е годы. Вторая мировая война дала новый импульс развитию методов получения и интерпретации снимков с воздуха. Появляется спектрозональная пленка (в американской литературе принят термин «цветная инфракрасная»), использование которой позволяло отделить вегетирующую растительность от окрашенной в зеленый цвет военной техники. В это время проводятся первые опыты применения радиолокаторов для исследования местности с воздуха. В последующие десятилетия технология радиолокационной съемки развивалась исключительно быстрыми темпами [5].

В Советском Союзе даже во время Великой Отечественной войны 1941 - 1945 гг. активно велись начатые ранее работы по топографическому картографированию. В 1949 г. было закончено составление топографической карты масштаба 1:100 000. Этот выдающийся успех в изучении и картографировании территории всей страны был отмечен золотой медалью Географического общества.

В развитии методов специальных исследований и тематического картографирования важную роль сыграла организация в 1944 г. Лаборатории аэрометодов Академии наук СССР (ныне Всероссийский научно-исследовательский институт космоаэрометодов в Санкт-Петербурге). В разные годы в Лаборатории были выполнены фундаментальные исследования по дешифрированию растительности, особенно лесов и болот, геологическому, ландшафтному дешифрированию. До настоящего времени остаются не превзойденными по глубине и всесторонней проработке исследования в области применения аэрометодов для изучения моря и морского шельфа.

1950-е годы. В этот период разработанные в военных целях методики съемки и дешифрирования становятся достоянием широкого круга исследователей и производственников. Расширяется круг отраслей науки и практики, в которых применяются аэрофотоснимки, совершенствуется методика их дешифрирования[5].

1960-е годы - период обобщения опыта, накопленного ранее. В это время разрабатываются основы дешифрирования снимков как метода географического исследования. Ландшафтный подход, или ландшафтный метод, становится основным при географическом изучении территории по аэроснимкам. Наиболее широкое развитие он получил при гидрогеологических изысканиях, при почвенном и геоботаническом картографировании.

Важнейшее событие этого периода, знаменующее новый этап в развитии аэрокосмических методов, - получение первых фотографических и телевизионных снимков из космоса. Оно послужило толчком к разработке новых типов съемочных систем

1970-е годы характеризуются вхождением в жизнь и все более широким применением космических методов.

В 1971 г. в нашей стране были получены из космоса фотографические снимки масштаба около 1:2 000 000, долгое время не имевшие аналогов по детальности изображения. Съемку осуществил экипаж орбитальной станции «Салют», трагически погибший при возвращении на Землю. В 1972 г. США вывели на орбиту автоматический спутник Ландсат(Landsat), на котором был установлен сканер, обеспечивавший получение многозональных снимков в четырех зонах видимого и ближнего инфракрасного участков спектра с размером элемента изображения 57x79 м на местности и предназначавшийся для изучения природных ресурсов [5].

Как в 1940-х годах аэросъемка послужила толчком к совершенствованию методов топографического картографирования, так в 1970-х широкое применение космических снимков знаменовало новый этап в развитии тематического, в том числе комплексного картографирования. Можно считать, что именно к этому времени относится формирование принципа многовариантности, «множественности» в получении и использовании снимков, съемка с разной высоты, разные носители, масштабы участки спектра, в которых peгистрируется излучение, разнообразные методы обработки получаемой информации [5].

1980-е годы - период совершенствования способов получения и широкого применения аэрокосмической информации во всех областях изучения и картографирования поверхности Земли. В связи с все более широким внедрением в практику персональных компьютеров и геоинформационных технологий происходит развитие методов компьютерной обработки снимков[5].

Конец XX-- начало XXI в. ознаменовались скачком в развитии способов получения космической информации Достижения в области волоконной оптики сделали возможным существенное улучшение пространственного и спектрального разрешения оптико-электронных съемочных систем. Сканеры с нескольких спутников разных стран получают космическую информацию с размерим пиксела от первых метров до 15 м и не в 3--4 каналах, как это было принято раньше, а в 7--15 Появились спектрометры, выполняющие гиперспектралъную съемку в 32-200 каналах.

Характерная черта этого периода - появление в широком пользовании материалов космической съемки, выполнявшейся в предыдущие десятилетия военными организациями России и США, так называемых конверсионных снимков с размером пиксела 1-2 м

Для последних лет характерно все более широкое внедрение компьютерного дешифрирования снимков, которое в большой мере обусловлено распространением и доступностью снимков, полученных электронно-оптическими системами и распространяемых в цифровом виде [5]. аэрокосмический географический съемка электромагнитный излучение

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК

Аэрокосмические негативы являются первичным материалом и обладают наиболее высокими изобразительными и информационными свойствами. Данные материалы используются при морфометрическом и инструментальном дешифрировании с применением специальных технических средств. Наиболее информативными являются негативы, полученные с панхроматических и инфрахроматических пленок[6].

Для визуального дешифрирования широко используются контактные аэрофотоснимки, которые получают путем контактной печати негатива с фотобумагой. Масштаб их соответствует масштабу воздушного фотографирования. Основным достоинством этих материалов являются их высокие изобразительные свойства, а также возможность получения стереоскопического изображения местности. В зависимости от разрешающей способности пленки масштаб аэрофотоснимков может уменьшаться или увеличиваться[6].

С цветных негативов могут быть отпечатаны как цветные, так и черно-белые аэрофотоснимки. Для более успешного дешифрирования целесообразно одновременно использовать различные аэрокосмические фотоснимки по масштабу и времени съемки.

Репродукции накидного монтажа получаются путем фотографирования накидного монтажа из последовательно смонтированных на жесткой основе по маршрутам залета аэрофотоснимков. Аэрофотоснимки накладываются друг на друга в пределах маршрута так, чтобы совпали их продольные перекрытия и были видны в правом углу номера снимков. Таким же путем совмещаются между собой и маршруты залета по поперечным перекрытиям. Масштаб накидного монтажа в 3-5 раз мельче масштаба аэрофотоснимков. Он также имеет свою номенклатуру. При дешифрировании используется для определения границ исследуемой территории и ее ландшафтного анализа и районирования, для подбора аэрофотоснимков, определения места закладки ключевых участков и маршрутов исследования[6].

Фотосхемой называют непрерывное фотографическое изображение местности, составленное из нескольких аэро- или космических фотоснимков без использования опорных точек. Фотосхемы изготавливаются на жесткой основе (картон, фанера) путем склеивания встык аэрофотоснимков по контурам или другим способом. Как правило, они монтируются на территорию исследования в пределах определенной топографической трапеции. В зарамочном оформлении фотосхемы указывается номенклатура, масштаб, время изготовления и организация, проводившая работу по составлению.

Основным достоинством фотосхемы, с точки зрения тематического дешифрирования, является их обзорность, что позволяет в камеральных условиях проводить ландшафтный анализ изучаемой территории, районирование, определять место и количество ключевых участков, маршрутов и почвенных разрезов.

Фотосхемы подразделяются на простые, мозаичные, уточненные и стереоскопические. Наиболее широко распространены простые фотосхемы, которые изготавливаются из контактных аэрофотоснимков одного и того же залета. Мозаичные фотосхемы могут монтироваться из аэрофотоснимков, различных как по сезонам, так и срокам съемки. Уточненные фотосхемы составляются из аэрофотоснимков, приведенных к единому масштабу и смонтированных на геодезической основе в условной системе координат. Стереоскопические фотосхемы составляют в тех случаях, когда необходимо получить представление о рельефе территории, не охватываемой форматом одного аэрофотоснимка. Они монтируются в виде двух полос шириной 10-12 см из левых и правых снимков. Для рассматривания их используются специальные стереоскопы[6].

Фотоплан - фотографическое изображение местности в заданном масштабе, которое получается в результате монтажа трансформированных и редуцированных аэрофотоснимков на геодезически подготовленную основу. Путем трансформирования аэрофотоснимков устраняют искажения за перспективу, а редуцированием аэрофотоснимки приводятся к единому масштабу. Фотопланы изготавливаются в рамках трапеций в соответствии с международной разграфкой. В углах рамок трапеций указывают их прямоугольные и географические координаты, вдоль рамок вычерчивают и подписывают выходы километровой сетки. Зарамочное оформление состоит из номенклатуры, численного масштаба, даты составления и подписей составителей. Для равнинных территорий точность фотопланов соответствует точности топографических карт.

Фотопланы при составлении тематических карт могут использоваться в качестве топографической основы для нанесения результатов дешифрирования. К недостаткам следует отнести невысокие изобразительные свойства фотопланов, которые теряются в результате редуцирования и трансформирования аэроснимков[6].

Фотокарты получаются путем совмещения фотокартографического и картографического изображений с точностью и в рамках карты. Возможны два варианта фотокарт. В первом случае на фоне тематической карты размещается фотоизображение ключевых участков. Второй способ заключается в размещении картографического изображения ключевых участков на фоне снимков[6].

2.1 Масштаб и пространственное разрешение аэрокосмических снимков

На протяжении всей истории развития аэросъемки показателем детальности изображения на снимках служил масштаб.Аэроснимки, как правило, подвергаются обработке (дешифрированию или измерительной обработке) в масштабе съемки, т.е. используются оригинальные негативы или позитивы на бумаге и пленке, изготовленные способом контактной печати. Масштабный ряд аэрофотоснимков в зависимости от характера использования можно разделить на несколько групп (таблица 2.1)[5].

Таблица 2.1

Классификация аэрофотоснимков по масштабу

Классификация	Аэроснимки
Сверхкрупномасштабные	Крупнее 1:5000
Крупномасштабные	1:10 000- 1:25 000
Среднемасштабные	1:50 000 - 1:60 000
Мелкомасштабные	1:100 000 - 1:200 000

В противоположность аэроснимкам большинство космических снимков дешифрируется не в масштабе съемки, а со значительным увеличением: оригинальный масштаб космического снимка может быть в три-пять и даже 10 раз мельче масштаба составляемой по нему карты. При космической съемке кроме традиционного фотографического широкое развитие получили оптико-электронные способы. По отношению к снимкам, полученным такого рода съемочными системами, понятие масштаба весьма условно,так как преобразование электронного сигнала в изображение на экране монитора или в оптическую плотность негатива (фотоотпечатка) в принципе возможно в разных масштабах [5].

Для характеристики детальности аэрокосмических материалов широко используется величина пространственного разрешения, т.е. размер на местности самой малой детали, воспроизведенной на снимке (таблица 2.2). По отношению же к космическим снимкам эта характеристика является очень важной, так как их разрешение варьирует от нескольких дециметров до нескольких километров и объясняется различием требований, предъявляемых к снимкам при решении разных задач[5].

Таблица 2.2

Классификация космических снимков по пространственному разрешению

Классификация снимков	Разрешение, м
Очень высокого разрешения	0,3-0,9
Высокого разрешения	1-40
Среднего разрешения	50-200
Низкого разрешения	300-1000
Очень низкого разрешения	Более 10 000

Пространственное разрешение фотографических снимков зависит от высоты съемки, свойств объектива съемочной камеры, разрешающей способности негативной пленки и фотобумаги. Разрешение снимков, полученных оптико-электронными съемочными системами (сканерами), определяется размером элемента изображения, пиксела:

R=S,

где s- размер пиксела в метрах[5].

Изображение на снимке малых объектов зависит от нескольких факторов. Один из них -контраст изображения.Резко выделяющиеся на фоне соседних объекты на снимке воспроизводятся даже при меньших размерах, чем малоконтрастные. Для изображения на снимке малоконтрастные объекты должны иметь гораздо большие размеры[2].

Объекты разной формы по-разному воспроизводятся на снимке. Поясним это примером. Если на мелкомасштабном (относительно низкого разрешения) снимке изобразились линейные объекты некоторой ширины, то площадные объекты такой же ширины видны не будут. Их изображение можно различить только в случае, если масштаб снимков будет крупнее (или разрешение лучше) в два-четыре раза. Примерно так же обстоит дело по отношению к площадным объектам компактной и сложной формы.

Размеры очень ярких малых объектов на фотографических снимках изображаются преувеличенными за счет так называемого пограничного эффекта, т.е. засвечивания соседних зерен эмульсии. Это особенно хорошо иллюстрируется на примере линейных объектов: очень светлые дороги или реки в области блика на темном фоне оказываются шире своего истинного размера, а темные такой же ширины могут пропадать на ярком фоне[2].

При визуальном дешифрировании цветных снимков нужно иметь в виду, что зрительные анализаторы различают самые малые объекты как ахроматичные, поэтому цвет объекта на снимке определяется при размере в два-три раза большем, чем тот, при котором возможно его обнаружение. Так, на аэроснимке относительно крупные объекты, например отдельные сельскохозяйственные поля, хорошо различаются по оттенкам цвета. На космическом снимке размеры тех же объектов, если они близки к величине разрешения, изображаются без различий в цвете[2].

2.2 Диапазон региструемого излучения

Под электромагнитным излучением понимают распространение энергии в пространстве в виде волн или прямолинейного потока световых частиц (фотонов). Электромагнитные колебания имеют широкий диапазон длин волн. Общий спектр электромагнитного излучения различается по частоте и делится на несколько областей, называемых зонами (диапазонами) спектра. Для изменения длин волн в коротковолновом участке спектра в большинстве случаев используют следующие единицы: микрон или микрометр (мкм) и нанометр (нм)[1].

Большинство современных аэрокосмических методов использует участок спектра электромагнитных волн длиной от 0,3 мкм до 3 м -от ультрафиолетовых до ультракоротких радиоволн.

Участок оптических волн (0,001-1000 мкм) включает ультрафиолетовый (0,001-0,4 мкм), видимый (0,4-0,75 мкм) и инфракрасный (0,75-1000 мкм) диапазоны. Видимый диапазон, в котором глаз способен выделять цветовые различия, делят на цветовые зоны - фиолетовую (0,38-0,45 мкм), синюю (0,45-0,48), голубую (0,48-0,50), зеленую (0,50-0,56), желтую (0,56-0,59), оранжевую (0,59-0,62), красную (0,62-0,75). Диапазон инфракрасного излучения подразделяют на ближний (0,75-1,3 мкм), средний (1,3-3 мкм) и дальний (тепловой) инфракрасный (3-1000 мкм )[4].

Участок спектра электромагнитных волн, используемый в аэрокосмических методах показан на рисунке 2.1

Основная энергия солнечного излучения приходится на длины волн 0,3-3 мкм, то есть до границы между средним и тепловым инфракрасным диапазонами (этот участок спектра называют также световым), а в тепловом инфракрасном преобладает собственное излучение Земли. В участке спектра, включающем ультракороткие радиоволны (1-10000 мм), миллиметровые, сантиметровые и дециметровые волны выделяют в сверхвысокочастотный (СВЧ) диапазон, который в иностранной литературе называют микроволновым. Участки этого диапазона, в которых работает различная радиоэлектронная аппаратура спутников, обозначают латинскими буквами [4].

Рисунок 2.1. Участок спектра электромагнитных волн, используемый в аэрокосмических методах.

Съемка при космических исследованиях ведется через толщу атмосферы, которая поглощает часть лучей. Это поглощение избирательное, зависит от длины волны излучения. Съемку выполняют, используя только те участки спектра, где электромагнитное излучение не поглощается, в так называемых «окнах прозрачности» атмосферы. Большое «окно прозрачности» (0,4-1,3 мкм) приходится на видимый и ближний инфракрасный диапазоны. В тепловом инфракрасном имеется несколько окон, наиболее часто используется окно 10-12 мкм, куда приходится и максимум теплового излучения Земли. Для лучей радиодиапазона атмосфера наиболее прозрачна.

Приемники излучения, чувствительные к лучам разных спектральных диапазонов, дают информацию о различных характеристиках объектов. Наиболее широко используемые приемники отраженного солнечного излучения регистрируют его разную интенсивность в зависимости от спектральной отражательной способности исследуемых объектов, и в связи с этим мы получаем разное изображение этих объектов на снимках[3].

2.3 Методы регистрации электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение регистрируется различными приемниками излучения. Для оптического излучения - это глаз человека, фотографические слои, фото- и термоэлектрические элементы, а для радиоизлучения - антенны[6].

Зрительная система человека является наиболее совершенным биологическим приемником излучения и воспринимает лишь узкую часть спектра 0,4--0,8 мкм. Лучистый поток, проникающий в глаз, фокусируется хрусталиком на сетчатке, светорецепторы которой, поглощая излучение, генерируют электрические импульсы, распространяющиеся по нервным волокнам в зрительные области мозга. Сетчатка глаза состоит из светочувствительных элементов -- колбочек и палочек. Палочки воспринимают синий цвет лучше, чем колбочки; зато колбочки видят темнокрасный цвет, тогда как палочки на него не реагируют. При дневном (колбочковом) зрении глаз обладает наибольшей чувствительностью к излучению с длиной волны 0,556 мкм.

Оптическая система глаза имеет некоторые недостатки: ограниченность остроты зрения, т. е. неспособность различать малые объекты, отдаленные на большие расстояния[6].

Зрительные пороги. Под порогом чувствительности подразумевается минимальное световое воздействие, которое может быть зарегистрировано приемником излучения. Различают три порога чувствительности: различительный, разрешающий и стереоскопический[6].

Различительный порог чувствительности определяется контрастом изображения, т. е. разностью оптических плотностей изображения соседних объектов. Человек в состоянии воспринимать лишь такие яркостные различия объектов, которые выше пороговых[6].

Разрешающий порог (острота зрения) - минимальный размер воспринимаемого глазом объекта. Опытным путем установлено, что невооруженным глазом может быть воспринят кружок диаметром 0,12 мм, имеющий резкие очертания и контраст по отношению к фону[6].

Стереоскопический порог зрения (глубина зрения), т. е. способность воспринимать глубину пространства и оценивать относительное положение объектов в пространстве. Различимость объектов по глубине зависит от остроты стереоскопического зрения - наименьшего значения физиологического параллакса, равного среднему расстоянию между рецепторами 0,002 мм. Величину остроты стереоскопического зрения можно выразить и в угловой форме. Для различного вида расчетов среднее значение остроты стереоскопического зрения принимают равной 30''[6].

Фотографическая регистрация. Наиболее распространенным и универсальным способом регистрации излучения является фотографическая регистрация, которая осуществляется с помощью двухмерного слоя. Фотографические слои просты и удобны в практическом использовании[6].

Строение черно-белых фотографических материалов. Фотографическая пленка состоит из подложки , подслоя , защитного слоя , противоореольного слоя и эмульсии или светочувствительного слоя . Два слоя являются основными: подложка и светочувствительный слой[6].

Подложка - гибкая пленка, изготовленная из триацетатцеллюлозы, она должна быть прозрачной, эластичной, термо- и гидроустойчивой, прочной и однородной по составу. Подложку всегда стремятся сделать тонкой (0,1-0,05 мм) для уменьшения веса и малодеформируемой[6].

Светочувствительный слой состоит из желатинового раствора, в котором взвешены кристаллы галогенов серебра. Важным показателем является размер кристаллов: чем крупнее зерна, тем выше светочувствительность пленки. Подслой служит лучшему скреплению эмульсии с основанием пленки - подложкой[6].

Защитный слой предохраняет верхнюю часть эмульсии от случайных повреждений. Противоореольный слой предохраняет фотопленку от образования ореолов, возникающих при съемке ярко освещенных объектов, а также ее электризации[6].

Цветное фотографирование. Цветные пленки, в отличие от черно-белых, имеют три светочувствительных слоя. Верхний слой представляет собой несенсибилизированную эмульсию, чувствительную к синим лучам спектра. Средний эмульсионный слой чувствителен к лучам зеленой части спектра (ортохром), а нижний слой имеет чувствительность к красным лучам (панхром).

Между первым и вторым слоями находится желтый фильтровый слой, который задерживает синие лучи, предохраняя изохроматический слой от их действия. Трехслойное строение фотоматериала позволяет получить три совмещенных цветоделенных изображения, окрашенных в желтый, пурпурный и голубой цвета, являющиеся дополнительными к цветам оригинала. Цветные пленки наиболее эффективно использовать для съемки лесной растительности в осенний период, когда изменяется окраска листвы[6].

Цветное спектрозональное фотографирование проводится на специальных двух- и трехслойных пленках, в которых отсутствует синечувствительный слой, но имеется слой, чувствительный к инфракрасным лучам. Спектрозональные снимки, в отличие от цветных, дают изображение в искаженных (ложных) цветах, но обеспечивают наилучшее цветовое деление изучаемых объектов. Эти пленки широко используются для съемки растительности в летний период[6].

Электрическая регистрация излучения. С помощью электрических приемников удается регистрировать значительно более длинноволновое излучение.

Электрическая регистрация излучения в радиодиапазоне основана на электромагнитной индукции, на превращении энергии радиоизлучения в энергию переменного электрического тока. Это осуществляется с помощью антенны[6].

Фотоэлектрические приемники, или фотоэлементы, - это большая группа электронных приборов, действие которых основано на так называемом внешнем (электровакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители) и внутреннем фотоэлектрическом эффекте (полупроводниковые фотосопротивления, фотодиоды и др.)[6].

В электровакуумном фотоэлементе чувствительный элемент (фотокатод) делают из металла, который под действием поглощенного излучения, испуская электроны, вырабатывает фототок (внешний фотоэффект). Например, спектральная чувствительность одного из эффективных фотокатодов -с урьмяно-цезиевого - лежит в пределах 0,2-0,6 мкм. Общая чувствительность вакуумных фотоэлементов невелика. Их достоинство - высокие фотометрические свойства, заключающиеся в стабильной пропорциональности силы фототока падающему световому потоку[6].

Термоэлектрические приемники. Для регистрации инфракрасного теплового излучения применяются приемники, основанные на термоэлектронной эмиссии, которые реагируют на поглощенное излучение через нагревание своего чувствительного элемента. Термоэлектрические приемники, в отличие от фотоэлектрических, которые обладают избирательной чувствительностью по спектру, регистрируют излучение в широком спектральном диапазоне. Однако температура термочувствительного элемента зависит также от температуры окружающих предметов. Поэтому для надежной работы термоэлектрический приемник необходимо защитить от постороннего теплового воздействия[6].

Антенны. В качестве антенны, которая является приемником и излучателем электромагнитных волн радиодиапазона, можно использовать любой проводник. Простейшей антенной может служить металлический стержень, так называемый полуволновой резонансный вибратор. Если такой вибратор соединить с генератором электрических колебаний, он станет излучать в окружающее пространство электромагнитные волны и наоборот - приходящие электромагнитные волны будут индуцировать в нем электрический ток. Наиболее эффективно работает вибратор, длина которого равна половине длины волны электромагнитных волн. Таким образом, антенны принимают электромагнитное излучение только определенной волны, величина которой зависит от размера и конструкции антенны. Антенны обладают направленным действием, которое характеризуется диаграммой направленности зависимостью напряженности принимаемой или излучаемой энергии от направления[6].

ГЛАВА 3. ВИДЫ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК

3.1 Фотографическая съемка

Под фотографической съемкой следует понимать сложный технологический процесс, включающий работы от проведения фотографирования с летательных аппаратов до получения фотографических снимков[6].

Фотографическая съемка выполняется в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн (0,4-0,9 мкм). При ее проведении обязательным условием является наличие на борту носителя аппаратуры фотографической системы(объектив+фотопленка).

По формату получаемых снимков фотоаппараты подразделяются на малоформатные (размер снимка 6x8 см; 11,5x11,5 см; 13x18 см), нормальные (18x18 см) и крупноформатные (23x23 см;24x24 см; 30x30 см)[6].

По величине угла поля зрения объективов фотоаппараты различают узкугольные (угол зрения <50°), нормальные (50-70°), широкоугольные (>70°) и сверхширокоугольные (133, 137, 140 и 148°)[6].

Нормальные объективы применяются для проведения крупно и среднемасштабной фотосъемки, широкоугольные -для мелкомасштабной. По количеству объективов существуют однообъективные и многообъективные фотокамеры.

Фотографирование земной поверхности с летательных аппаратов может проводиться при различных положениях оптической оси фотоаппарата относительно отвесной линии в момент фотографирования. В зависимости от этого различают плановую и перспективную съемки[6].

При аэрофотосъемке плановой считается съемка, если отклонение оптической оси фотоаппарата от отвесной линии не превышает 3°, а космической 5°, если больше данных величин, то она называется перспективной. Фотоснимки, полученные при данных видах съемки, называются плановыми и наклонными или перспективными.

В зависимости от характера покрытия местности снимками фотографическую съемку подразделяют на выборочную, маршрутную и площадную.

Выборочная фотосъемка заключается в фотографировании отдельных объектов или участков местности одиночными кадрами[6].

Маршрутная фотосъемка представляет собой фотографирование полосы местности в виде отдельного маршрута. При воздушной съемке эти маршруты могут быть прямые, криволинейные и ломаные, при космической в виде прямых полос. Маршрутная съемка используется для съемки линейных объектов (дорожная сеть, поймы рек, береговая линия морей и т. д.), а также отдельных трасс земной поверхности[6].

Площадная фотосъемка применяется для съемки земной поверхности путем покрытия определенной площади параллельными и прямолинейными маршрутами. Степень перекрытия снимков в маршрутах и между ними рассчитывается в зависимости от целей, для которых проводится съемка[6].

Фотографическая съемка проводится с самолетов, пилотируемых кораблей и орбитальных станций, картографических спутников и т. д., кадровыми, панорамными и щелевыми фотокамерами, работающими в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режиме.

Основной задачей фотографической съемки является повышение информативности изображений, что в свою очередь связано с увеличением разрешающей способности фотографий, выбором определенных спектральных зон, обеспечением высоких фотографических, фотометрических и фотограмметрических качеств. Решение данных вопросов требует комплексирования на борту летательных аппаратов различных типов фотоаппаратов



Рисунок 3.1 Фотографический снимок[8].

Ограничение в использовании фотографической съемки связано с невысокой оперативностью, обусловливаемое необходимостью возвращения пленки на Землю для фотохимической обработки и получения снимков, а также ограниченностью ее запасов на борту летательного аппарата.

Материалы фотографической съемки широко используются для изучения природных явлений, составления тематических и топографических карт[6].

Пример фотографического снимка представлен на рисунке 3.1.

3.2 Телевизионная съемка

Телевизионная съемка ведется телевизионными камерами в оптическом диапазоне электромагнитного спектра (0,4-1,1 мкм). Сущность телевизионной съемки заключается в том, что оптическое изображение местности преобразуется в электрический видеосигнал. Телевизионные приемники относятся к оптико-электронным системам дистанционного зондирования. Телевизионные камеры состоят из объектива, фокусирующего изображение на светочувствительную поверхность, электронно-лучевой трубки, блоков считывания информации и формирования сигналов для трансляции на наземные приемные пункты. Основной составной частью телевизионной камеры является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), которая и является приемником электромагнитного излучения[6].

Принципиальное отличие телевизионной камеры от фотоаппарата заключается в том, что оптическое изображение местности через объектив проектируется не на фотопленку, а на светочувствительный экран, на котором формируется электронное изображение, которое преобразуется в электрический видеосигнал. Кроме того, ресурс элементов оптико-электронной регистрации намного больше, чем возможный запас фотопленки на борту носителя, а значит, спутник с телевизионной системой может годами функционировать на орбите и постоянно передавать информацию на наземные приемные станции.

К достоинствам оптико-электронных приемников следует отнести то, что они обладают гораздо большей чувствительностью, чем фотоматериалы, что важно при съемке в условиях малой освещенности и невысокой отражательной способности объектов местности. Однако они имеют значительно меньшую разрешающую способность, чем фотопленка, а также имеют значительные геометрические искажения[6].

Телевизионная съемка для метеорологических целей проводилась с советских ИСЗ «Метеор», российского «Ресурс-0», американских «Тайрос» и «Нимбус». Разрешение телевизионных снимков составляет несколько километров (по краям от 6 до 8 км). Эти снимки используются для дешифрирования облачного покрова, составления карт облачности, которые используются для прогноза погоды. Также они используются для изучения снежного покрова в целях гидрологических прогнозов и анализа ледовой обстановки на морях[6].

Кроме метеорологических целей и исследования земной поверхности, телевизионная съемка используется при изучении планет Солнечной системы и их спутников.

Основные достоинства телевизионных съемок - оперативность (получение изображений в реальном или близком к реальному масштабу времени), технологичность в обработке, обеспечение быстрой и многократной повторности съемок одних и тех же территорий[6].

3.3 Сканерная съемка

Сканерная съемка, в отличие от фотографической и телевизионной, может выполняться от видимого диапазона до инфракрасного теплового с длиной волны в единицы и десятки микрометров. Для съемки используются оптикомеханическое сканирующее устройство, которое состоит из вращающегося зеркала, устанавливаемого под углом 45° к направлению вращения, перпендикулярному к плоскости орбиты, и детекторов, чувствительных к излучению определенных длин волн[6]

Принцип работы оптико-механического сканирующего устройства заключается в следующем: сканирующий элемент (вращающееся зеркало), поэлементно просматривая местность поперек движения носителя, посылает лучистый поток в объектив и далее на точечный фотоприемник (детектор), который преобразует его в электрический сигнал, передаваемый с носителя по каналам связи на наземные приемные станции

Отличительная особенность сканерных снимков состоит в том, что их изображение состоит из полос (сканов), которые в свою очередь состоят из отдельных элементов (пикселов). Спектральная яркость объектов в пределах элемента изображения усредняется и детали не различаются.

По своим геометрическим свойствам сканерный снимок, состоящий из отдельных элементов, уступает фотографическому. Однако, сканерная съемка, в отличие от фотографической, имеет большие возможности по использованию узких съемочных зон для получения изображения во всех спектральных диапазонах.

Оптико-механические сканеры с вращающимся зеркалом достаточно сложны в изготовлении и эксплуатации. В последнее время широко начали использоваться для сканирования многоэлементные приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые отличаются простотой и надежностью сканирования. В качестве светочувствительного элемента в этих системах используются линейки, которые смонтированы из нескольких тысяч кристаллических детекторов. На линейку проецируется изображение местности и с каждого детектора снимается электрический сигнал, характеризующий спектральную яркость снимаемого объекта[6].

Рисунок 3.3 Сканерный снимок [9].

Впервые сканерный метод съемки для изучения земной поверхности был выполнен с американского ресурсного спутника ERTS, впоследствии переименованный в «Ландсат»[6].

С 1974 по 1980 г. в СССР проводились запуски спутников серии «Метеор» и «Космос» с экспериментальной аппаратурой для сканерной съемки в целях изучения природных ресурсов. Основная съемочная аппаратура, общая для всех этих спутников, - многозональное сканирующее устройство малого разрешения (МСУ-М), работающее в тех же спектральных диапазонах, что и многозональная сканирующая система MSS на спутнике «Ландсат».

Снимки, получаемые аппаратурой МСУ-М, используются в геологических, гидрологических, гляциологических и лесохозяйственных исследованиях[6].

Пример сканерного снимка на рисунке 3.3.

3.4 Инфракрасная и инфракрасная тепловая съемки

Данные виды съемок выполняются с использованием инфракрасных сканирующих радиометров, однако различаются диапазоном спектра, в котором они проводятся.

Инфракрасная съемка ведется в длинноволновой зоне оптической части спектра с длиной волн в пределах от 0,76 до 1,75 мкм. В этих сканирующих системах в качестве приемников применяются фотонные детекторы, чаще кремневые (0,4-1,1 мкм) и германиевые (1,1-1,75 мкм)[6].

Источником инфракрасного излучения является земная поверхность, нагретая Солнцем, внутренним теплом Земли или искусственными источниками тепла.

Сканерная съемка в инфракрасном диапазоне ведется со спутников «Ландсат», «Метеор», «Космос», «Ресурс», SPOT и др[6].

Сканерные инфракрасные снимки используются при изучении влажности почвогрунтов и видового состава растительности.

Инфракрасная тепловая съемка может выполняться в диапазоне от 3 до 30 мкм. Однако успешное проведение дистанционных наблюдений земной поверхности со спутников и самолетов в данном диапазоне во многом зависит от правильного выбора окон прозрачности атмосферы, т. е. участков электромагнитного спектра, на которых влияние паров воды, атмосферных газов и аэрозолей на излучение Земли минимально. В инфракрасном тепловом диапазоне выделяются два окна прозрачности: 3,0-4,5 мкм и 8,5-14,0 мкм[6].

В диапазоне 3-5 мкм тепловую съемку целесообразно проводить в ночное время, так как в дневное время существенные помехи вносит солнечная радиация.

Впервые космическая съемка в тепловом инфракрасном диапазоне начала выполняться с метеорологических спутников. Первые снимки с космических спутников «Метеор» были получены в масштабе 1:15 000 000 с разрешением 17 км.

В последнее время отмечена тенденция по разработке систем, где совмещены функции радиометра, спектрорадиометра и тепловизора. Это так называемые видиоспектрорадиометры, позволяющие получать тепловые изображения земной поверхности в нескольких спектральных каналах и одновременно измерять спектральное распределение энергии излучения[6].

Однако на возможность измерения в инфракрасном диапазоне сильно влияют метеорологические условия (облака, дождь), и поэтому обзор всей поверхности часто оказывается невозможным. Таким образом, при наличии облаков приборы, предназначенные для работы в окнах прозрачности атмосферы ИК-диапазона, регистрируют верхнюю поверхность облаков как источник излучения. Поэтому есть специальные радиометры для установления распределения водяного пара[6].

Основные направления использования ИК тепловой съемки:

поиски и изучение термальных вод;

использование энергетической службой для обнаружения «горячих точек» в силовых линиях электросетей;

для изучения состояния теплосетей;

поиски скопления грунтовых вод;

изучение уровенного режима грунтовых вод;

оценка влажности почв на массивах орошения и осушения;

выявление очагов заболевания лесной и культурной растительности;

учет животных;

тепловые инфракрасные снимки используются для компьютерного составления карт температуры водной поверхности океанов;

оценка степени загрязнения рек и водоемов сточными водами и т.д[6].

Пример снимкой, выполненных с помощью инфракрасной съемки представлен на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 Изображения земной поверхности не черно-белой пленке (панхром); на цветной обычней пленке, на цветной ИК-пленке; на ИК-пленке[8].

3.5 Радиотепловая съемка

Радиотепловая съемка, или микроволновая радиометрия, основана на пассивном измерении излучения в диапазоне длин волн 1-100 мм[6].

Интенсивность излучения любого объекта земной поверхности зависит от диэлектрической постоянной, температуры, размера и ее шероховатости[6].

К основным характеристикам микроволновых радиометров следует отнести следующие: низкая пространственная разрешающая способность (более 1 км); широкий диапазон волн фиксируемого излучения; а также возможность проникновения высокочастотных электромагнитных волн соответствующей длины через непрозрачную для оптического диапазона атмосферу, т. е. через туман, дымку и облака. Это позволяет считать, что микроволновое пассивное зондирование является одним из важных средств изучения природных явлений.

К основным направлениям использования радиотепловой съемки относятся: изучение влажности и засоления почв, разведка залегания пресных вод, определение оптимальных сроков начала посевных работ, состояние ледовой обстановки в полярных морях для судовождения[6].

Пример радиотеплового снимка на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 Радиотепловой портрет Земли[10].

3.6 Радиолокационная съемка

Радиолокационная съемка (РЛС) проводится в зоне электромагнитного спектра с длинами волн от нескольких миллиметров до метров. Она относится к активным методам дистанционного зондирования[6].

Формирование РЛ-изображения. РЛ-изображение местности является результатом взаимодействия электромагнитных колебаний, генерируемых РЛС, с земной поверхностью[6].

При достижении сигналом земной поверхности происходит отражение и рассеяние волн, а также проникновение вглубь земной поверхности. Интенсивность отраженного сигнала определяется свойствами поверхности (шероховатость, влажность, ориентация в пространстве, крутизна склонов, диэлектрическая проницаемость и др.) и длиной волны излучения

Благодаря особенностям формирования радиолокационного изображения, на радиолокационных снимках можно получать дополнительную информацию о разрывных тектонических нарушениях, изучении закрытых структур, состоянии сельскохозяйственных культур, увлажненности почвогрунтов и т. д.

Радиолокационная съемка (активная радиолокация) по отношению к фотографической и телевизионной съемке обладает рядом преимуществ, а именно:

...