Аэрокосмические методы. Основные понятия. Виды

1. Дистанционные и аэрокосмические методы исследований

2. Аэрокосмическое зондирование как научная дисциплин

3. Космические системы изучения природных ресурсов и мониторинга окружающей среды

4. Ресурсные космические системы нового поколения

5. Принципиальная технологическая схема географических исследований по аэрокосмическим снимкам

При изучении географической оболочки или ее компонентов с помощью аэрокосмических методов географ черпает информацию о них из снимков, которые получают с помощью съемочной аппаратуры, удаленной на многие километры от изучаемого объекта. Эта особенность аэрокосмических методов позволяет отнести их к дистанционным.

Дистанционные методы применяются в географических исследованиях очень давно. Правда, вначале использовались рисованные снимки, которые фиксировали пространственное расположение изучаемых объектов (цв. вкл. I, 1). С изобретением фотографии возникла наземная фототеодолитная съемка, при которой по перспективным фотоснимкам составляли карты горных районов. Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством исследований - аэрометодами. Космические снимки предоставляют геоинформацию для решения географических проблем регионального и глобального уровней.

История развития аэрокосмических методов свидетельствует о том, что новые достижения науки и техники сразу же используются для совершенствования технологий получения снимков. Так произошло в середине XX в., когда такие новшества, как компьютеры, космические аппараты, оптико - и радиоэлектронные съемочные системы, совершили революционные технологические преобразования в традиционных аэрофотометодах. Это нашло отражение в появлении и широком распространении обобщающего термина remote sensing, который не очень точно переводится как дистанционные методы или дистанционное зондирование.

Дистанционные и аэрокосмические методы исследований. Дистанционные методы понимают как любое изучение объекта, осуществляемое на расстоянии, без непосредственного с ним контакта. Например, методы исследования морского дна с применением акустического гидролокатора относятся к дистанционным. При аэрокосмических методах исследования информация об удаленном объекте (местности) передается с помощью электромагнитного излучения, которое характеризуется такими параметрами, как интенсивность, спектральный состав, поляризация и направление распространения. Зарегистрированные физические параметры излучения, функционально зависящие от биогеофизических характеристик, свойств, состояния и пространственного положения объекта исследования, позволяют изучать его косвенно. В этом заключается сущность аэрокосмических методов.

Электромагнитное излучение разных спектральных диапазонов содержит взаимодополняющую информацию об объектах и явлениях на земной поверхности. Одновременная регистрация излучения в нескольких спектральных зонах {многозональный принцип) позволяет получить наиболее разностороннюю характеристику местности.

В зависимости от устройства используемой аппаратуры регистрируется излучение в отдельных точках земной поверхности, вдоль трассы или на определенной площади. Во всех случаях фиксируется излучение от элементарных площадок объекта, конечные размеры которых {пространственное разрешение на местности) зависят от расстояния до них и совершенства регистрирующей аппаратуры.

Особенность аэрокосмических методов состоит в том, что между изучаемой местностью и регистрирующей аппаратурой всегда находится слой в общем непрозрачной атмосферы, поэтому вести исследования можно только в отдельных зонах спектра электромагнитных волн, получивших название окна прозрачности. Серьезной помехой является также облачность.

Ведущее место в аэрокосмических методах занимает изучение объекта по снимкам, поэтому главная их задача заключается в целенаправленном получении и обработке снимков. Аэрокосмические съемки выполняются с помощью специальной съемочной аппаратуры, чаще всего - фотографических камер, сканеров и радиолокаторов, которые иногда объединяют общим названием сенсоры (от англ. sensor - чувствительный элемент). Съемочная аппаратура, позволяющая одновременно получать снимки в нескольких спектральных зонах, называется многозональной, а в десятках и сотнях очень узких спектральных зон - гиперспектральной.

Принцип множественности, или комплексности, аэрокосмических исследований предусматривает использование не одного снимка, а их серий, различающихся по масштабу, обзорности и разрешению, ракурсу и времени съемки, спектральному диапазону и поляризации регистрируемого излучения.

Аэрокосмическое зондирование как научная дисциплина. Зародившись как практический метод исследований, это междисциплинарное направление постепенно становится самостоятельной научной дисциплиной. В современном содержании дисциплины выделяются два взаимосвязанных раздела - естественно-научный (аэрокосмические исследования), акцентирующий внимание на объекте исследования, его познании, и инженерно-технический (аэрокосмические методы), который охватывает технические средства и технологию исследований. Аэрокосмическое зондирование как естественно-научная дисциплина изучает пространственно-временные свойства и отношения географических объектов, проявляющиеся прямо или косвенно в вариациях собственного или отраженного излучения. Метод этой научной дисциплины основан на использовании снимков - яркостных моделей местности. Аэрокосмический снимок - наиболее универсальная форма регистрации излучения, несущего геоинформацию об исследуемых объектах, обеспечивает наибольшее число решаемых географических задач. Такому использованию снимков большое значение придают ведущие географы, видя в нем залог комплексности географических исследований.

Аэрокосмическое зондирование базируется на двух группах снимков: получаемых с самолетов - воздушных (аэроснимков) и со спутников - космических (орбитальных). Хотя принципиальных различий у снимков нет, космические снимки наиболее соответствуют размерности географических объектов и распространенным масштабам географических исследований. В настоящее время в мировой практике используются и аэроснимки, и космические снимки, но доля космических снимков имеет устойчивую тенденцию к увеличению.

Во взаимодействии аэрокосмического зондирования с науками о Земле наблюдается определенная двойственность. С одной стороны, аэрокосмические методы можно отнести к какой-либо конкретной науке, использующей их для исследования своего предмета. Поэтому вполне правомерно появление таких разделов наук, как спутниковая метеорология, аэрофототопография, космическая океанология и др. С другой стороны, теоретическое обобщение конкретных приложений способствует становлению аэрокосмического зондирования как самостоятельной дисциплины, которая имеет практическое приложение в сферах других наук.

На рис.1 приведена схема взаимодействия частных географических наук с аэрокосмическим зондированием. Перекрывающиеся области, на которые могут претендовать обе стороны, а также космические исследования географической оболочки Земли в целом соответствуют космической географии. На схеме они имеют одинаковый размер. В действительности использование аэрокосмических снимков в разных разделах географии различно. Это связано с наличием специалистов, работающих на стыке двух наук и прилагающих усилия для расширения и углубления сферы взаимодействия.

Здесь наиболее эффективны совместные действия географа, владеющего аэрокосмическими методами, и специалиста по аэрокосмическим методам, имеющего необходимую географическую подготовку. Перспективна интеграция аэрокосмического и картографического методов в единый картографо-аэрокосмический метод исследований, действующий как по последовательной схеме, когда путь к знаниям лежит через снимок и далее через карту, так и по параллельной схеме, в которой для познания объекта используются одновременно и снимок, и карта.

Рис.1. Взаимодействие географических наук с аэрокосмическим зондированием

Космические системы изучения природных ресурсов и мониторинга окружающей среды. Космические методы базируются на длительной работе регулярно пополняемых группировок спутников - спутниковых систем, которые включают сложную инфраструктуру, обеспечивающую функционирование космических аппаратов на орбите (центры управления полетом и съемкой), прием информации (наземные пункты приема, спутники-ретрансляторы), ее хранение и распространение (центры первичной обработки, архивы снимков).

В 60-х годах XX в. в числе первых, наряду с обзорными метеорологическими системами, были созданы космические съемочные системы детальной фоторазведки военных ведомств США (спутники-съемщики с аппаратурой KeyHole - "замочная скважина") и СССР (спутники-съемщики Зенит). Затем начали функционировать космические съемочные системы, поставляющие пространственную геоинформацию широкому кругу гражданских потребителей, изучающих недра и морские акватории, оценивающих земельные, лесные и водные ресурсы, составляющих карты. Естественно, разные специалисты предъявляли неодинаковые требования к космической геоинформации по обзорности, оперативности, периодичности получения и главное - по пространственному разрешению. Большинству требуются многозональные космические снимки земной поверхности охватом 50 - 200 км с разрешением 10-30 м. Для одной группы потребителей необходима оперативная доставка информации - в течение нескольких дней и даже часов, для другой приемлем срок в несколько месяцев. Для осуществления мониторинга окружающей среды необходимы регулярные повторные съемки. В летних съемках нуждаются многие исследователи. Эти требования учитывались при создании национальных космических систем природно-ресурсного направления, среди которых наиболее известны системы первого поколения - Ресурс (СССР), Landsat (США) и французская система SPOT (Satellite Pour l'Observation de la Terre). За четверть века регулярно запускаемые спутники каждой из этих систем многократно покрыли съемками всю нашу планету, дав миллионы снимков, образовавших их глобальный фонд.

Отечественная космическая система Ресурс, функционирующая с середины 70-х гг. XX в., создавалась как общегосударственная постоянно действующая система для изучения природных ресурсов и контроля окружающей среды, обеспечивающая получение геоинформации двух видов - базовой (фотографической) и оперативной (передаваемой по радиоканалам). В систему входили автоматические космические аппараты фотографической съемки Ресурс-Ф и оперативного наблюдения за сушей Ресурс-0 (рис.2) и океаном Океан-О. К работе в системе эпизодически привлекались пилотируемые космические корабли и орбитальные станции, а также специальные самолеты-лаборатории. Многоярусная система Ресурс предусматривала и наземный ярус в виде специальных тестовых участков местности - полигонов - в различных природных зонах, предназначенных для отработки методов практического использования дистанционной видеоинформации.

аэрокосмическое зондирование космическая система

Спутники Ресурс-Ф рассчитаны на детальную фотосъемку местности с высот 200 - 300 км в течение нескольких недель с возвращением спускаемого аппарата с отснятой фотопленкой на Землю. Спутники оперативного наблюдения, на которых установлены съемочные сканеры, работая в течение нескольких лет на орбитах высотой 600 - 900 км, быстро и регулярно передают видеоинформацию по радиоканалам на наземные пункты приема (рис.3).

Рис.2. Космические аппараты Ресурс-Ф (а) и Ресурс-0 (б): 1 - корректирующая двигательная установка; 2 - спускаемый аппарат; 3 - приборный отсек; 4 - фотоаппаратура; 5 - система ориентации; 6 - многозональный сканер среднего разрешения МСУ-СК; 7 - солнечные батареи; 8 - многозональный сканер высокого разрешения МСУ-Э

Рис.3. Антенна наземного пункта приема видеоинформации

Созданы пункты приема двух классов - стационарные с антеннами большого диаметра, обеспечивающие высокоскоростную регистрацию больших потоков информации и, следовательно, сравнительно высокое качество снимков, и упрощенные с небольшими антеннами, позволяющими оперативно получать снимки, но обычно пониженного качества, на метеостанциях, ледокольных судах, в службах охраны лесов и т.д.

Вся обработка видеоинформации, полученной со спутников, делится на предварительную (межотраслевую) и тематическую (отраслевую). Предварительная обработка заключается в приведении материалов космических съемок к виду, наиболее пригодному для последующего тематического анализа и интерпретации отраслевыми потребителями. Она предусматривает устранение неизбежных искажений и помех снимков, обусловленных как техническими причинами, так и природными факторами. Это так называемая коррекция снимков, которая бывает геометрической и радиометрической.

Геоинформация, поставляемая системой Ресурс, используется в народнохозяйственных, научных, учебных целях. Наиболее целесообразно применение космических снимков для комплексного изучения и картографирования природных ресурсов, экологического мониторинга и создания ГИС (географических информационных систем) крупных регионов.

Космическая американская система Landsat начала функционировать в 1972 г., ее эксплуатация предусматривала поочередный вывод на орбиту по одному спутнику с расчетным сроком функционирования несколько лет (рис.1.4). За 16 дней спутник может покрыть сканерной многозональной съемкой всю поверхность Земли. Цифровая информация со спутников по радиоканалам передается на наземные пункты приема, которые оборудованы во многих странах (рис.1.5). Результаты съемок, прошедшие предварительную компьютерную обработку, представляют в цифровом виде. Служба распространения архивированных снимков через сеть Интернет делает их доступными потребителям разных стран. Снимки со спутников Landsat, на которых отчетливо изображаются природно-территориальные комплексы - сельскохозяйственные поля, городские населенные пункты, применяются во многих странах мира для геологических, географических, экологических исследований и тематического картографирования.

Рис.1.4 Спутник Landsat - 7:

1 - антенны для передачи радиосигнала; 2 - калибровочное устройство; 3 - многозональный сканер ЕТМ+

Космическая французская система SPOT начала функционировать в 1986 г. Съемка выполняется с высоты 800 км двумя сканерами в надир или в сторону от трассы полета спутника, что позволяет более часто производить повторную съемку (рис.1.6). Информация, передаваемая по радиоканалам, принимается двумя основными (во Франции и в Швеции) и более чем двадцатью региональными станциями приема. Снимки имеют сравнительно высокое разрешение - на них можно распознать отдельные городские здания. Космическая система SPOT обеспечивает значительную часть мировой потребности в снимках такой детальности, которые используются для обновления топографических карт средних масштабов, для инвентаризации земельных, водных и лесных ресурсов.

Рис.1.5 Зоны приема наземными станциями снимков со спутника Landsat

Рис.1.6. Космическая съемка земной поверхности со спутника SPOT: а - в надир; б - с отклонением направления съемки

Опыт эксплуатации космических систем первого поколения подтверждает, что съемки с орбитальных высот оказались весьма эффективными как для изучения Земли, так и для решения народнохозяйственных задач. Космическую съемку отличает большая обзорность, возможность охвата труднодоступных территорий, оперативность получения информации. В то же время стало ясно, что рассчитывать на всемогущество космических методов было бы ошибкой; необходимо рациональное сочетание их с другими методами исследований.

Ресурсные космические системы нового поколения. Космические технологии развиваются быстро: совершенствуются спутники, съемочная аппаратура, технологии съемки и обработки снимков. Каждый новый спутник поставляет снимки более совершенные, чем предыдущий. Но наступает время качественного скачка, переоценки используемых методов, определения наиболее перспективных.

В результате функционирования в течение четверти века космических систем первого поколения оказалось, что фотографические снимки не выдерживают конкуренции с новыми типами космической видеоинформации. Большие перспективы имеют снимки, оперативно получаемые цифровыми многозональными сканерами и всепогодными радиолокаторами. Предполагают, что они обеспечат не только создание базовых картографических основ ГИС различного уровня, но и регулярное обновление данных. Космические системы нового поколения можно разделить на системы, выполняющие глобальные съемки для исследования и мониторинга Земли в целом и локальные - для удовлетворения практических запросов.

Примером системы первого типа может служить разрабатываемая по инициативе NASA (National Aeronautics and Space Administration - Управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства) в международной кооперации космическая система глобального мониторинга EOS (Earth Observing System - система наблюдения Земли), которая будет функционировать в первые десятилетия XXI в. Она предназначена для комплексного планетарного дистанционного изучения Земли как единой системы. Космическая система EOS должна обеспечить науки о Земле глобальной многосенсорной информацией о всех сторонах жизни планеты - от химического состава атмосферы до движения волн цунами в океане. Предусматривается функционирование созвездий спутников, поставляющих информацию непрерывно (вплоть до 10-минутного интервала) в реальном масштабе времени. Это позволит мировому сообществу перейти от регистрации опасных природных явлений к их предсказанию на основе прогностического моделирования.

Локальные космические съемки будут оперативно выполняться спутниками с помощью цифровых сканеров, которые дают снимки, по детальности сопоставимые с аэроснимками, имеющие высокие изобразительные и измерительные свойства и обеспечивающие получение трехмерных характеристик местности. Эти снимки пригодны для кадастра и инвентаризации, для изготовления среднемасштабных и даже крупномасштабных карт, а также других точных геоинформационных продуктов.

Пока затраты на создание спутников и их эксплуатацию велики; они не компенсируются средствами, получаемыми от продажи снимков. Поэтому в период коммерциализации этой сферы удешевление будущих космических систем - важнейшая проблема, во многом определяющая направление их развития. Ее решению будет способствовать переход к малым спутникам массой в сотни килограммов (рис.4), а также создание спутников двойного назначения - военного и гражданского, обеспечивающих потребности как национальной безопасности, так и социально-экономического развития страны. Космические системы нового поколения предполагают существенное расширение в нашей стране сети федеральных, региональных и отраслевых центров приема видеоинформации со спутников.

Рис.4. Вариант будущей космической системы, включающей созвездие из девяти малых спутников, функционирующих на трех орбитах с разным наклонением

Принципиальная технологическая схема географических исследований по аэрокосмическим снимкам. Несмотря на различие в снимках, способах и приемах их обработки, аэрокосмические методы позволяют решать в физической и экономической географии такие общие задачи, как инвентаризация различного рода территориальных систем, оценка их состояния и возможностей использования, изучение динамики, географическое прогнозирование. Аэрокосмические снимки полезны при различных видах районирования территории.

Таблица 1. Возможности дешифрирования некоторых объектов при различном пространственном разрешении снимков, м

На рис.5 в обобщенном виде представлена принципиальная схема выполнения аэрокосмических географических исследований. Необходимым элементом исследований по снимкам является оценка достоверности и точности полученных результатов. Для этого приходится привлекать другую информацию и обрабатывать ее иными методами, что требует дополнительных затрат.

Рис.5. Принципиальная схема аэрокосмических исследований, показывающая основные технологические этапы и конечную цель

Объект исследований. На схеме обозначение "объект" относится как к объекту съемки - участку территории, местности, так и к объекту изучения, исследования - определенным типам поверхности, явлениям на местности или протекающим на ней процессам. С точки зрения аэрокосмических методов объект изучения целесообразно рассматривать как пространственно-временную категорию иерархического строения: мелкие объекты включены в более крупные, кратковременные процессы - в долговременные. Важнейшая характеристика объектов съемки, освещение которых закономерно меняется в течение дня, - их отражательно-излучательная способность. Аэрокосмические методы позволяют прямо или косвенно получать только ту географическую информацию о местности, которая заложена в особенностях излучения, идущего от объекта съемки.

Размещено на Allbest.ru