Дистанционное зондирование земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные понятия дистанционного зондирования Земли. Схема дистанционного зондирования

дистанционный зондирование земля геодезический

• Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ)- получение информации о поверхности Земли и объектах на ней, атмосфере, океане, верхнем слое земной коры бесконтактными методами, при которых регистрирующий прибор удален от объекта исследований на значительное расстояние.

• Физическая основа дистанционного зондирования - функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта и его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением.

• С помощью дистанционного зондирования изучают физические и химические свойства объектов.

• В ДЗЗ выделяются два взаимосвязанных направления

• естественно-научное (дистанционные исследования)

• инженерно-техническое (дистанционные методы)

• remote sensing

• remote sensing techniques

• Предмет ДЗЗ, как науки - пространственно-временные свойства и отношения природных и социально-экономических объектов, проявляющиеся прямо или косвенно в собственном или отраженном излучении, дистанционно регистрируемом из космоса или с воздуха в виде двумерного изображения - снимка.

• Методы ДЗ основаны на использовании сенсоров, которые размещаются на космических аппаратах и регистрируют электромагнитное излучение в форматах, существенно более приспособленных для цифровой обработки, и в существенно более широком диапазоне электромагнитного спектра.

• В ДЗ используют инфракрасный диапазон отраженного излучения, тепловой инфракрасный и радиодиапазон электромагнитного спектра.

• Процесс сбора данных дистанционного зондирования и их использование в географических информационных системах (ГИС).

2. Виды космических съемок

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.

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.

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.

Аэрокосмическая съемка выполняются в видимом и невидимом диапазонах электромагнитных волн, где:

1. фотографический - видимый диапазон;

2. нефотографический - видимый и невидимый диапазоны, где:

· видимый диапазон - спектрометрический основан на различии спектральных коэффициентов отражения геологических объектов. Результаты записываются на магнитную ленту и отмечаются на карте. Возможно использование кино- и фотокамер;

· невидимый диапазон: радарная (радиотепловая РТ и радиолокационная РЛ), ультрафиолетовая УФ, инфракрасный ИК, оптико-электронный (сканерный), лазерный (лидарный).

Видимая и ближняя инфракрасная область. Самый полный объем информации получается в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях. Аэро- и космосъемки в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн осуществляются с помощью следующих систем:

* Телевизионных,

* фотографических,

* оптико-электронных сканирующих,

3. Фотографические системы

В настоящее время существует широкий класс систем ДЗЗ

формирующих изображение исследуемой подстилающей поверхности- В рамках данного класса аппаратуры можно выделить несколько подклассов различающихся по спектральному диапазону используемого электромагнитного излучения и по типу приёмника регистрируемого излучения также по методу активный или пассивный(зондирования фотографические и фототелевизионные системы: сканирующие системы видимого и ИК-диапазона телевизионные оптико-механические и оптико-электронные сканирующие радиометры и многоспектральные сканеры телевизионные оптические системы: радиолокационные системы бокового обзора (РЛСБО) сканирующие СВЧ-радиометры.

Фотографические снимки поверхности Земли получают с пилотируемых кораблей и орбитальных станций или с автоматических спутников- Отличительной чертой космических снимков (КС) является высокая степень

обзорности охват одним снимком больших площадей поверхности- В зависимости от типа применяемой аппаратуры и фотопленок фотографирование может производиться во всем видимом диапазоне электромагнитного спектра в отдельных его зонах а также в ближнем ИК (инфракрасном) диапазоне

Масштабы съемки зависят от двух важнейших параметров высоты съемки и фокусного расстояния объектива- Космические фотоаппараты в зависимости от наклона оптической оси позволяют получать плановые и перспективные снимки земной поверхности В настоящее время используется фотоаппаратура с высоким разрешением позволяющая получать (КС) с перекрытием 60% и более- Спектральный диапазон фотографирования охватывает видимую часть ближней инфракрасной зоны (до 0,86 мкм). Известные недостатки фотографического метода связаны с необходимостью возвращения пленки на Землю и ограниченным ее запасом на борту. Однако фотографическая съемка в настоящее время самый информативный вид съемки из космического пространства- Оптимальный размер отпечатка 18х18см, который, как показывает опыт согласуется с физиологией человеческого зрения позволяя видеть все изображение одновременно Для удобства пользования из отдельных КС имеющих перекрытия монтируются фотосхемы(фотомозаики) или фотокарты с топографической привязкой опорных точек с точностью 0,1мм и точнее. Для монтажа фотосхем используются только плановые КС

Для приведения разномасштабного обычно перспективного КС к плановому используется специальный процесс называемый трансформированием Трансформированные КС с успехом используются для составления космофотосхем и космофотокарт и обычно легко привязываются к географической сетке координат.

4. Телевизионные системы

Телевизионные и сканерные снимки. Телевизионная и сканерная съемка позволяет систематически получать изображения и передавать их на Землю на приемные станции. Используются кадровые и сканирующие системы. В первом случае, это миниатюрная телевизионная камера в которой оптическое изображение, построенное объективом на экране переводится в форму электросигналов и по радиоканалам передается на землю--Во втором случае качающееся зеркало сканера на борту улавливает отраженный от Земли световой поток, поступающий на фотоумножитель. Преобразованные сигналы сканера по радиоканалам передаются на Землю. На приемных станциях записываются в виде изображений. Колебания зеркала формирует строки изображения, движение носителя позволяет накапливать строки и формировать снимок. Телевизионные и сканерные снимки могут передаваться в реальном масштабе времени, т.е. во время прохождения спутника над объектом съемки. Оперативность, это отличительная черта данного метода. Однако качество снимков несколько уступает фотографическим снимкам. Разрешение сканерных снимков определяется элементом сканирования и в настоящий момент составляет 80-30 м. Снимки этого типа отличаются строчно-сетчатой структурой заметной только при увеличении на снимках высокого разрешения. Сканерные снимки большого охвата имеют существенные геометрические искажения. Сканерные снимки поступаю в цифровой форме, что облегчает компьютерную обработку.

Телевизионная и сканерная съемка выполняется с метеоспутников и ресурсных спутниво LandSat, «Метеор-Природа», Ресрурс 0. В многозональном варианте.

Околоземные орбиты высотой 600-1400 км., масштабы от 1:10 000 000 до 1:1 000 000 и 1:100 000 при разрешении от 1-2 км до 30 м. LandSat, например, имеет 4 спектральных диапазона съемки в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне с разрешением 30 м. «Метеор-Природа» сканеры позволяют получать малое (1.5 км), среднее (230 м) и высокое разрешение до 80-40 м, Ресурс -0 сканеры среднего (170 м) и высокого (40м).

Многоэлементные ПЗС снимки. Дальнейшее повышение разрешения при оперативности съемки связано с внедрением электронных камер. В них используются многоэлементные линейные и матричные приемники излучения, состоящие из приборов с зарядовой связью (светочувствительные элементы-детекторы). Линейный ряд детекторов реализует строку снимка, накопление строк за счет движения носителя. (как у сканера)., но нет качающихся зеркал и более высокое разрешение. Ресурсные снимки высокого разрешения (40м) Ресурс и Французский спутник SPOT, до 10 м. Такая технология на K`mcR`s,6- Фототелевизионные снимки- У телевизионных снимков малое разрешение. У фототелевизионных, фотографирование с помощью фотокамеры (в результате хорошее качество), а передача по телевизионным каналам- Таким образом, объединяются преимущества фотографии с его высоким разрешением и оперативная доставка изображений.

5. Сканерные системы

В настоящее время для съемок из космоса наиболее часто используются многоспектральные (мультиспектральные). оптико-механические системы - сканеры, установленные на ИСЗ различного назначения. При помощи сканеров формируются изображения, состоящие из множества отдельных, последовательно получаемых элементов. Термин «сканирование» обозначает развертку изображения при помощи сканирующего элемента (качающегося или вращающегося зеркала), поэлементно просматривающего местность поперек движения носителя и посылающего лучистый поток в объектив и далее на точечный датчик, преобразующий световой сигнал в электрический.

Этот электрический сигнал поступает на приемные станции по каналам связи. Изображение местности получают непрерывно на ленте, составленной из полос - сканов, сложенных отдельными элементами - пикселами. Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, но особенно эффективным является видимый и ИК-диапазоны. При съемке земной поверхности с помощью сканирующих систем формируется изображение, каждому элементу которого соответствует яркость излучения участка, находящегося в пределах мгновенного поля зрения. Сканерное изображение упорядоченный пакет яркостных данных, переданных по радиоканалам на Землю, которые фиксируются на магнитную ленту (в цифровом виде) и затем могут быть преобразованы в кадровую форму. Важнейшей характеристикой сканера являются угол сканирования (обзора) и мгновенный угол зрения, от величины которого зависят ширина снимаемой полосы и разрешение. В зависимости от величины этих углов сканеры делят на точные и обзорные. У точных сканеров угол сканирования уменьшают до ±5°, а у обзорных увеличивают до ±50°. Величина разрешения при этом обратно пропорциональна ширине снимаемой полосы. Хорошо зарекомендовал себя сканер нового поколения, названный «тематическим картографом», которым были оснащены американские ИСЗ

Landsat 5 и Landsat 7. Сканер типа “тематический картограф” работает в семи диапазонах с разрешением 30м в видимом диапазоне спектра и 120м в ИК- диапазоне. Этот сканер дает большой поток информации, обработка которой требует большего времени; в связи с чем замедляется скорость передачи изображения (число пикселов на снимках достигает более 36 млн. на каждом из каналов). Сканирующие устройства могут быть использованы не только для получения изображений Земли, но и для измерения радиации сканирующие радиометры, и излучения сканирующие - спектрометры.

6. Лазерные сканирующие системы

Еще буквально десять лет назад было очень сложно даже представить, что создадут прибор, который сможет производить до полумиллиона сложных измерений в одну секунду. Сегодня же, такие приборы не только созданы, но и очень широко используются.

Лазерные сканирующие системы - без них уже трудно обойтись во многих отраслях, таких как горная отрасль, промышленность, топографическая съемка, архитектура, археология, гражданское строительство, мониторинг, моделирование городов и прочее.

Основополагающими техническими параметрами наземных лазерных сканеров считаются скорость, точность и дальность измерений. Выбор модели во многом зависит от видов работ и объектов, на которых сканеры будут использоваться. К примеру, на больших карьерах лучше применять устройства с повышенной точностью и дальностью. Для архитектурных работ вполне хватит 100-150 метров дальности, но потребуется прибор с точностью до 1 см. Если говорить о скорости работы, то в этом случае, чем выше, тем, конечно, лучше.

В последнее время технология наземного лазерного сканирования все шире используется для решения задач инженерной геодезии в различных областях строительства и промышленности. Растущая популярность лазерного сканирования обусловлена целым рядом преимуществ, которые дает новая технология по сравнению с другими методами измерений. Среди преимуществ хочется выделить главные: повышение скорости работ и уменьшение трудозатрат. Появление новых более производительных моделей сканеров, совершенствование возможностей программного обеспечения, позволяет надеяться на дальнейшее расширение сфер применения наземного лазерного сканирования.

Первым результатом сканирования является облако точек, которое и несет максимум информации об исследуемом объекте, будь то здание, инженерное сооружение, памятник архитектуры и т.п. По облаку точек в дальнейшем, возможно, решать различные задачи:

· получение трехмерной модели объекта;

· получение чертежей, в том числе, чертежей сечений;

· выявление дефектов и различных конструкций посредством сравнения с проектной моделью;

· определение и оценка значений деформации посредствам сравнения с ранее произведенными измерениями;

· получение топографических планов методом виртуальной съемки.

При топосъемке сложных промышленных объектов традиционными методами, исполнители часто сталкиваются с тем, что во время полевых работ бывают пропущены отдельные измерения. Обилие контуров, большое количество отдельных объектов приводят к неизбежным ошибкам. Материалы, получаемые при лазерном сканировании, несут более полную информации об объекте съемки. Перед началом процесса сканирования лазерный сканер производит панорамную фотосъемку, которая значительно повышает информативности получаемым результатов.

Технология наземного лазерного сканирования, используемая для создания трехмерных моделей объектов, топографических планов сложных загруженных территорий, значительно повышает производительность труда и уменьшает затраты времени. Разработка и внедрение новых технологий производства геодезических работ, всегда велись с целью сокращения сроков полевых работ. Можно с уверенностью сказать, что лазерное сканирование полностью отвечает этому принципу.

Технология наземного лазерного сканирования находится в постоянном развитии. Это касается и совершенствования конструкции лазерных сканеров, и развития функций программного обеспечения, используемого для управления приборами и обработки полученных результатов.

7. Закон Стефана-Больцмана

Нагретые тела излучают энергию в виде электромагнитных волн различной длины. Когда мы говорим, что тело «раскалено докрасна», это значит, что его температура достаточно высока, чтобы тепловое излучение происходило в видимой, световой части спектра. На атомарном уровне излучение становится следствием испускания фотонов возбужденными атомами. Закон, описывающий зависимость энергии теплового излучения от температуры, был получен на основе анализа экспериментальных данных австрийским физиком Йозефом Стефаном и теоретически обоснован также австрийцем Людвигом Больцманом.

Чтобы понять, как действует этот закон, представьте себе атом, излучающий свет в недрах Солнца. Свет тут же поглощается другим атомом, излучается им повторно -- и таким образом передается по цепочке от атома к атому, благодаря чему вся система находится в состоянии энергетического равновесия. В равновесном состоянии свет строго определенной частоты поглощается одним атомом в одном месте одновременно с испусканием света той же частоты другим атомом в другом месте. В результате интенсивность света каждой длины волны спектра остается неизменной.

Температура внутри Солнца падает по мере удаления от его центра. Поэтому, по мере движения по направлению к поверхности, спектр светового излучения оказывается соответствующим более высоким температурам, чем температура окружающий среды. В результате, при повторном излучении, согласно закону Стефана--Больцмана, оно будет происходить на более низких энергиях и частотах, но при этом, в силу закона сохранения энергии, будет излучаться большее число фотонов. Таким образом, к моменту достижения им поверхности спектральное распределение будет соответствовать температуре поверхности Солнца (около 5 800 К), а не температуре в центре Солнца (около 15 000 000 К). Энергия, поступившая к поверхности Солнца (или к поверхности любого горячего объекта), покидает его в виде излучения. Закон Стефана--Больцмана как раз и говорит нам, какова излученная энергия. Этот закон записывается так:

E = уT 4

где Т -- температура (в кельвинах), а у -- постоянная Больцмана. Из формулы видно, что при повышении температуры светимость тела не просто возрастает -- она возрастает в значительно большей степени. Увеличьте температуру вдвое, и светимость возрастет в 16 раз!

Итак, согласно этому закону любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию. Так почему, спрашивается, все тела давно не остыли до абсолютного нуля? Почему, скажем, лично ваше тело, постоянно излучая тепловую энергию в инфракрасном диапазоне, характерном для температуры человеческого тела (чуть больше 300 К), не остывает?

Ответ на этот вопрос, на самом деле, состоит из двух частей. Во-первых, с пищей вы получаете энергию извне, которая в процессе метаболического усвоения пищевых калорий организмом преобразуется в тепловую энергию, восполняющую потери вашим телом энергии в силу закона Стефана--Больцмана. Умершее теплокровное весьма быстро остывает до температуры окружающей среды, поскольку энергетическая подпитка его тела прекращается.

Еще важнее, однако, тот факт, что закон распространяется на все без исключения тела с температурой выше абсолютного нуля. Поэтому, отдавая свою тепловую энергию окружающей среде, не забывайте, что и тела, которым вы отдаете энергию, -- например, мебель, стены, воздух, -- в свою очередь излучают тепловую энергию, и она передается вам. Если окружающая среда холоднее вашего тела (как чаще всего бывает), ее тепловое излучение компенсирует лишь часть тепловых потерь вашего организма, и он восполняет дефицит за счет внутренних ресурсов. Если же температура окружающей среды близка к температуре вашего тела или выше нее, вам не удастся избавиться от избытка энергии, выделяющейся в вашем организме в процессе метаболизма посредством излучения. И тут включается второй механизм. Вы начинаете потеть, и вместе с капельками пота через кожу покидают ваше тело излишки теплоты.

В вышеприведенной формулировке закон Стефана--Больцмана распространяется только на абсолютно черное тело, поглощающее всё попадающее на его поверхность излучение. Реальные физические тела поглощают лишь часть лучевой энергии, а оставшаяся часть ими отражается, однако закономерность, согласно которой удельная мощность излучения с их поверхности пропорциональна Т 4, как правило, сохраняется и в этом случае, однако постоянную Больцмана в этом случае приходится заменять на другой коэффициент, который будет отражать свойства реального физического тела. Такие константы обычно определяются экспериментальным путем.

8. История развития методов ДЗЗ

Рисованные снимки - Фотоснимки - наземная фототеодолитная съемка-Аэрофотоснимки - аэрометоды.-Понятие ДЗ появилось в XIX веке.-Впоследствии, ДЗ начали использовать в военной области для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений.-После Второй мировой войны ДЗ стали использовать для наблюдения за окружающей средой и оценки развития территорий, а также в гражданской картографии.

В 60-х годах XX века, с появлением космических ракет и спутников, дистанционное зондирование вышло в космос.-1960 год - запуск разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON и LANYARD. -Программа Mercury - получены снимки Земли. Проект Gemini (1965-1966 гг.) - систематический сбор данных дистанционного зондирования. Программа Apollo (1968-1975 гг.) - дистанционное зондирование земной поверхности и высадка человека на Луну-Запуск космической станции Skylab (1973-1974 гг.), - исследования земных ресурсов. Полеты космических кораблей многоразового использования(1981г.). Получение многозональных снимков с разрешением 100 метров в видимом и близком инфракрасном диапазоне с использованием девяти спектральных каналов.



9. Элементы ориентирования космических снимков

Положение снимка в момент фотографирования определяют три элемента внутреннегоориентирования-фокусное расстояние фотокамеры f, координаты x0, y0 главной точки о (рис. 1) и шестьэлементов внешнего ориентирования - координаты центра проекции S - XS, YS, ZS, продольный ипоперечный углы наклона снимка б и щ и угол поворота ч.

Между координатами точки объекта и её изображения на снимке существует связь:

где X, Y, Z и XS, YS, ZS - координаты точек М и S в системе OXYZ; X', Y', Z' - координаты точки m всистеме SXYZ, параллельной OXYZ, вычисляемые по плоским координатам х и у:

a1 = cos бcosч - sinбsinщsinч

a2 = - cosбsinч - sinбsin щcosч

a3 = - sinбcos щ

b1 = cosщsinч

b2 = cosщcosч (3)

b3 = -sinщ

c1 = sinбcosч + cosбsinщsinч,

c2 = - sinбcosч + cosбsinщcosч,

c3 = cosбcosщ



- направляющие косинусы.

Формулы связи между координатами точки М объекта (рис. 2) и координатами её изображений m1 и m2на стереопаре P1 - P2 имеют вид:

BX, BY и BZ - проекции базиса В на оси координат. Если элементы внешнего ориентирования стереопары известны, то координаты точки объекта можно определить по формуле (4) (метод прямой засечки). По одиночному снимку положение точки объекта можно найти в частном случае, когда объект плоский, например равнинная местность (Z = const). Координаты х и у точек снимков измеряются намонокомпараторе или Стереокомпараторе. Элементы внутреннего ориентирования известны из результатов калибровки фотоаппарата, а элементы внешнего ориентирования можно определить при фотографировании объекта или в процессе фототриангуляции (См. Фототриангуляция). Если элементы внешнего ориентирования снимков неизвестны, то координаты точки объекта находят с использованием опорных точек (метод обратной засечки). Опорная точка - опознанная на снимке контурная точка объекта, координаты которой получены в результате геодезических измерений или из фототриангуляции. Применяя обратную засечку, сначала определяют элементы взаимного ориентирования снимков P1 - P2 (рис. 3) - б'1, ч'1, a'2, щ'2,ч'2 в системе S1X'Y'Z'; ось Х которой совпадает с базисом, а ось Z лежит в главной базисной плоскости S1O1S2снимка P1. Затем вычисляют координаты точек модели в той же системе. Наконец, используя опорные точки, переходят. от координат точек модели к координатам точек объекта.

Элементы взаимного ориентирования позволяют установить снимки в то положение относительно друг друга, которое они занимали при фотографировании объекта. В этом случае каждая пара соответственных лучей, например S1m1 и S2m2, пересекается и образует точку (m) модели. Совокупность лучей, принадлежащих снимку, называется связкой, а центр проекции - S1 или S2 - вершиной связки. Масштаб модели остаётся неизвестным, т.к. расстояние S1S2 между вершинами связок выбирается произвольно. Соответственные точки стереопары m1 и m2 находятся в одной плоскости, проходящей через базис S1S2.Поэтому

Полагая, что приближённые значения элементов взаимного ориентирования известны, можно представить уравнение (6) в линейном виде:

a дб1' + b дб2' + с дщ2' + d дч1' + e дч2' + l = V, (7)

где дб1',... e дм2' - поправки к приближённым значениям неизвестных, а,..., е - частные производные от функции (6) по переменным б1',... ч2', l - значение функции (6), вычисленное по приближённым значения мне известных. Для определения элементов взаимного ориентирования измеряют координаты не менее пяти точек стереопары, а затем составляют уравнения (7) и решают их способом последовательных приближений. Координаты точек модели вычисляют по формулам (4), выбрав произвольно длину базиса В и полагая



Xs1 = Ys1 = Zs1 = 0, BX = В, BY = BZ = 0.

При этом пространственные координаты точек m1 и m2находят по формулам (2), а направляющие косинусы - по формулам (3): для снимка P1 по элементам б1',

щ1' = 0, ч1',

а для снимка P2 по элементам б2', щ2', ч2'.

По координатам X' Y' Z' точки модели определяют координаты точки объекта:

где t - знаменатель масштаба модели. Направляющие косинусы получают по формулам (3),подставляя вместо углов б, щ и ч продольный угол наклона модели о, поперечный угол наклона модели з иугол поворота модели и.

Для определения семи элементов внешнего ориентирования модели - Размещено на http://www.allbest.ru/

, , о, з, и, t - составляют уравнения (8) для трёх или более опорных точек и решают их. Координаты опорных точек находят геодезическими способами или методом фототриангуляции. Совокупность точек объекта, координаты которых известны, образует цифровую модель объекта, служащую для составления карты и решения различных инженерных задач, например для изыскания оптимальной трассы дороги. Кроме аналитических методов обработки снимков, применяются аналоговые, основанные на использовании фотограмметрических приборов - Фототрансформатора, Стереографа, Стереопроектора и др.

Щелевые и панорамные фотоснимки, а также снимки, полученные с применением радиолокационных, телевизионных, инфракрасных-тепловых и других съёмочных систем, существенно расширяют возможности Ф., особенно при космических исследованиях. Но они не имеют единого центра проекции, и элементы внешнего ориентирования их непрерывно изменяются в процессе построения изображения, что осложняет использование таких снимков для измерительных целей.

10. Свойства аэрокосмических снимков

Аэрокосмические снимки -- основной результат аэрокосмических съемок, для выполнения которых используют разнообразные авиационные и космические носители. 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. Аэрокосмические съемки делят на пассивные, которые предусматривают регистрацию отраженного солнечного или собственного излучения Земли; активные, при которых выполняют регистрацию отраженного искусственного излучения. Диапазон масштабов аэрокосмических снимков: от 1:1000 до 1:100 000 000

Наиболее распространенные масштабы: аэрофотоснимков 1:10 000--1:50 000, космических -- 1:200 000--1:10 000 000.

Аэрокосмические снимки: аналоговые (обычно фотографические),цифровые (электронные). Изображение цифровых снимков образовано из отдельных одинаковых элементов -- пикселов (от англ. picture element -- рixel); яркость каждого пиксела характеризуется одним числом. Свойства аэрокосмических снимков: Изобразительные, Радиометрические (фотометрические) ,Геометрические.

Изобразительные свойства характеризуют способность снимков воспроизводить мелкие детали, цвета и тоновые градации объектов.

Радиометрические свидетельствуют о точности количественной регистрации снимком яркостей объектов.

Геометрические характеризуют возможность определения по снимкам размеров, длин и площадей объектов и их взаимного положения.

11. Смещение точек на космическом снимке

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.

Как известно, снимок - это центральная проекция местности, а топографическая карта - ортогональная. Горизонтальный снимок плоской местности соответствует ортогональной проекции, т. е. проекции ограниченного участка топографической карты. В связи с этим, если преобразовать наклонный снимок в горизонтальный снимок заданного масштаба, то положение контуров на снимке будет соответствовать положению контуров на топографической карте заданного масштаба. Рельеф местности также вызывает смещение точек на снимке относительно их положения на ортогональной проекции соответствующего масштаба.

12. Этапы дистанционного зондирования и анализа данных

• Стереосъемка.

• Многозональная съемка. Гиперспектральная съемка.

• Многовременная съемка.

• Многоуровневая съемка.

• Многополяризационная съемка.

• Комбинированный метод.

• Междисциплинарный анализ.

Техника получения материалов дистанционного зондирования

Аэрокосмическую съемку ведут в окнах прозрачности атмосферы, используя излучение в разных спектральных диапазонах - световом (видимом, ближнем и среднем инфракрасном), тепловом инфракрасном и радиодиапазоне.

Фотосъемка

• Высокая степень обзорности, охват одним снимком больших площадей поверхности.

• Фотографирование во всем видимом диапазоне электромагнитного спектра, в отдельных его зонах, а также в ближнем ИК (инфракрасном) диапазоне.

Масштабы съемки зависят от

? высоты съемки

? фокусного расстояния объектива.

• В зависимости от наклона оптической оси получение плановых и перспективных снимков земной поверхности.

• КС с перекрытием 60% и более. Спектральный диапазон фотографирования охватывает видимую часть ближней инфракрасной зоны (до 0,86 мкм).

Сканерная съемка

• Наиболее часто используются многоспектральные оптико-механические системы - сканеры, установленные на ИСЗ различного, назначения.

• Изображения, состоящие из множества отдельных, последовательно получаемых элементов.

• «сканирование» - развертка изображения при помощи сканирующего элемента, поэлементно просматривающего местность поперек движения носителя и посылающего лучистый поток в объектив и далее на точечный датчик, преобразующий световой сигнал в электрический. Этот электрический сигнал поступает на приемные станции по каналам связи. Изображение местности получают непрерывно на ленте, составленной из полос - сканов, сложенных отдельными элементами - пикселами.

Сканерная съемка

• Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, но особенно эффективным является видимый и ИК-диапазоны.

• Важнейшей характеристикой сканера являются угол сканирования (обзора) и мгновенный угол зрения, от величины которого зависят ширина снимаемой полосы и разрешение. В зависимости от величины этих углов сканеры делят на точные и обзорные.

• У точных сканеров угол сканирования уменьшают до ±5°, а у обзорных увеличивают до ±50°. Величина разрешения при этом обратно пропорциональна ширине снимаемой полосы.

Радиолокационная съемка

• Получение изображений земной поверхности и объектов, расположенных на ней, независимо от погодных условий, в дневное и ночное время благодаря принципу активной радиолокации.

• Технология была разработана в 1930-х гг.

• Радиолокационная съемка Земли ведется в нескольких участках диапазона длин волн (1 см - 1 м) или частот (40 ГГц- 300 МГц ).

Характер изображения на радиолокационном снимке зависит от соотношения между длиной волны и размерами неровностей местности: поверхность может быть в разной степени шероховатой или гладкой, что проявляется в интенсивности обратного сигнала и, соответственно, яркости соответствующего участка на снимке. Тепловые съемки

• Основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным теплом или солнечным излучением.

? Инфракрасный диапазон спектра электромагнитных колебаний условно делится на три части (в мкм): ближний (0,74-1,35), средний (1,35-3,50) , дальний (3,50-1000).

• Солнечное (внешнее) и эндогенное (внутреннее) тепло нагревает геологические объекты по-разному. ИК-излучение, проходя через атмосферу, избирательно поглощается, в связи с чем тепловую съемку можно вести только в зоне расположения так называемых "окон прозрачности" - местах пропускания ИК-лучей.

• Опытным путем выделено четыре основных окна прозрачности (в мкм): 0,74-2,40; 3,40-4,20; 8,0-13,0; 30,0-80,0.

Космические снимки

• Три основных способа передачи данных со спутника на Землю.

• прямая передача данных на наземную станцию.

• полученные данные сохраняются на спутнике, а затем передаются с некоторой задержкой по времени на Землю.

• использование системы геостационарных спутников связи TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System).



13. Комплекты поставки ERDAS IMAGINE

ERDAS IMAGINE - один из самых популярных в мире программных продуктов в области работы с геопространственными данными. ERDAS IMAGINE сочетает в мощном и удобном программном обеспечении возможности обработки и анализа разнообразной растровой и векторной геопространственной информации, позволяя создавать такие продукты, как прошедшие улучшающие преобразования геопривязанные снимки, ортомозаики, карты классификации растительности, ролики полёта в «виртуальном мире», векторные карты, полученные в результате обработки аэро- и космических изображений.

IMAGINE Essentials - продукт начального уровня, содержит базовые инструменты для визуализации, коррекции, составления карт. Позволяет использовать пакетную обработку.

IMAGINE Advantage включает в себя все возможности IMAGINE Essentials. Помимо этого, предоставляет расширенные возможности спектральной обработки, анализа изменений, ортокоррекции, мозаики, анализа изображений. Позволяет проводить параллельную пакетную обработку.

IMAGINE Professional включает в себя все возможности IMAGINE Advantage. Кроме того, предлагает набор передовых инструментов для обработки спектральных, гиперспектральных и радиолокационных данных, а также пространственного моделирования. Включает ERDAS ER Mapper.

Дополнительные модули, такие как SAR Interferometry, IMAGINE Objective и другие, расширяют функциональность программного комплекса, делая его универсальными инструментом работы с геопространственной информацией.



14. Цифровые данные. Схематичное представление преобразования исходных данных в значения пикселей

Цифровые данные в процессе сканирования сенсором генерируется электрический сигнал, интенсивность которого изменяется в зависимости от яркости участка земной поверхности. При многозональной съемке различным спектральным диапазонам соответствуют отдельные независимые сигналы. Каждый такой сигнал непрерывно изменяется во времени, и для последующего анализа его необходимо преобразовать в набор числовых значений. Для преобразования непрерывного аналогового сигнала в цифровую форму его разделяют на части, соответствующие равным интервалам дискретизации (Рисунок 11). Сигнал в пределах каждого интервала описывается только сред ним значением его интенсивности, поэтому вся информация о вариациях сигнала на этом интервале теряется. Таким образом, величина интервала дискретизации является одним из параметров, от которого напрямую зависит разрешающая способность сенсора. Следует также отметить, что для цифровых данных обычно выбирают не абсолютную, а относительную шкалу яркостей, поэтому эти данные не отражают истинных радиометрических значений, полученных для данной сцены.

15. Проектирование техногенной системы

При проектировании любой техногенной системы, включая информационные, в первую очередь определяют цели, достижение которых необходимо обеспечить, и первоочередные задачи, решаемые при эксплуатации системы.

Определим основную цель проекта ГИС «Каспий» следующим образом: создать многоцелевую, многопользовательскую систему оперативного информационного обслуживания центральных и местных органов власти, государственных органов экологического контроля, агентства и его подразделений по чрезвычайным ситуациям, компаний нефтегазовой промышленности, а также других официальных или частных организаций и лиц. заинтересованных в решении территориальных проблем региона.

Первоочередные задачи можно сформулировать, исходя из краткой характеристики территории. На наш взгляд, эти задачи следующие:

картирование природных структур и объектов с анализом и описанием геологических, ландшафтных и других территориальных закономерностей;

тематическое картирование инфраструктуры нефтегазовой промышленности с достаточно точной привязкой к топооснове и ландшафтным, геомофологическим, экологическим картам побережья;

оперативный контроль и прогноз динамики береговой линии с анализом возникающих при этом территориальных проблем (разрушение дамб, затопление нефтяных скважин, вынос нефтяных разливов в море, замазучивание прибрежных районов и др.);

слежение за ледовой обстановкой, особенно в районах шельфа, где добыча нефти осуществляется с морских платформ.

Исходя из списка первоочередных задач, сформулируем содержательные требования к системе:

на первом этапе реализации системы использовать доступные космические средства NOAA/AVHRR и TERRA/MODIS и соответственно осуществлять мониторинг процессов крупного и среднего масштабов - тепловые поля, ледовые покрытия, водные поверхности. Предусмотреть возможность развития системы с использованием активных (RADARSAT-1, 2 ERS-1) и пассивных (Landsat-7. SPOT-4,1RS) съемок высокого разрешения;

в системе должны быть предусмотрены прием, архивация и обработка данных наземных наблюдений, полученных как на сети агрометеостанций, так и на подспутниковых полигонах и тестовых участках. Состав аппаратуры определяется в зависимости от решаемой задачи;

*дополнительным источником информации могут служить также экспедиционные наземные и самолетные наблюдения. В зависимости от оснащенности этих экспедиций информация может поступать в оперативном режиме или после камеральной обработки.

Системные соглашения по доступу к информации, срокам ее хранения, ценообразованию первичных и обработанных данных и др. должны вырабатываться совместно с заинтересованными министерствами, областными и районными акиматами и другими государственными потребителями данных мониторинга. В проекте системы должна быть предусмотрена возможность включения соответствующие управляющих и сервисных программ.

Эти базовые требования определяют рамки, выходить за которые проектировщик не имеет права. Однако отметим, что чем уже эти рамки, чем жестче ограничения, тем легче проектировать и программировать. Поэтому грамотный проектировщик стремится к тесному взаимодействию с заказчиком при выработке технического задания.

Целесообразность создания такой системы доказана многочисленными примерами эффективного использования ГИС при решении самых различных территориальных задач. Особенность данной работы состоит в проектировании и реализации ГИС мониторинга и моделирования территориальных процессов на рассматриваемой территории с учетом существующей, на данный момент, инфраструктуры информационных технологий.

На первом этапе сформулируем тот минимум обязательных условий, который предъявляется к информационной (вернее, к любой техногенной) системе для обеспечения ее “жизнестойкости”. Система может эффективно функционировать и эволюционировать, если:

ее функциональное назначение отвечает потребностям среды (как правило, тоже системы), в которую она погружена;

ее структура не противоречит архитектуре систем, с которыми она взаимодействует;

ее структура внутренне не противоречива и обладает высокой степенью гибкости и модифицируемости;

процедуры, вшитые в нее, эффективным способом объединяются в технологические цепочки, соответствующие общей технологической схеме функционирования системы;

ее сокращение или расширение не приводит к разрушению структуры, и каждый этап "жизненного цикла” системы, каждая ее версия используется для выполнения

соответствующих функций.

Перечисленные условия эффективности техногенных систем можно

проиллюстрировать многими примерами. Осооенно наглядно демонстрируют эти условия, так называемые, системы мониторинга. Среди них ярким примером служит мощная мониторинговая система - всемирная метеорологическая служба.

16. Методы дешифрирования

При дешифрировании радиолокационного аэрокосмоизображения, независимо от выбранною метода, необходимо:

обнаружить цель или объект местности на изображении;

опознать цель или объект местности;

проанализировать обнаруженную цель или объект местности и определить их количественные и качественные характеристики;

оформить результаты дешифрирования в виде графического или текстового документа.

В зависимости от условий и места выполнения дешифрирование радиолокационных снимков может быть подразделено на полевое, аэровизуальное, камеральное и комбинированное.

Нулевое дешифрирование

Мри полевом дешифрировании дешифровщик непосредственно на местности ориентируется по характерным и легко опознаваемым объектам местности и, сравнивая контуры объектов с их радиолокационными изображениями, наносит результаты опознавания условными знаками на снимок или топографическую карту.

При полевом дешифрировании попутно, непосредственными измерениями, определяются числовые и качественные характеристики объектов (характеристики растительности, водоемов, сооружений при них, характеристики населенных пунктов и т. д.). При этом на снимок или карту могут быть нанесены объекты, не изобразившиеся на снимке вследствие своих малых размеров или потому, что они не существовали в момент съемки. При полевом дешифрировании специально или попутно создаются эталоны (ключи), с помощью которых в дальнейшем в камеральных условиях облегчается опознавание объектов однотипной местности.

Недостатками полевого дешифрирования снимков являются его трyдоемкость по времени и затратам и сложность его организации.

Аэровизуальное дешифрирование аэрокосмоснимков

В последнее время в практике аэрофотографических работ все большее применение пол\ чает аэровизуальный метод дешифрирования аэрофотоснимков. Этот метод с успехом можег быть применен при дешифрировании радиолокационных изображений местности.

Сущность аэровизуального метода заключается в опознавании изображений объекта с самолета или вертолета. Наблюдение может вестись через оптические и инфракрасные приборы. Аэровизуальное дешифрирование радиолокационных изображений позволяет увеличить производительность и снизить стоимость работ полевого дешифрирования.

Полученные в результате дешифрирования данного снимка данные позволят определить местоположение источников загрязнений и оценить их интенсивность (рис. 12).

Камеральное дешифрирование аэрокосмоснимков

При камеральном дешифрировании снимков опознавание объектов и их интерпретация производится без сличения изображений с натурой, путем изучения изображений объектов по их дешифровочным признакам. Камеральное дешифрирование снимков широко применяется при составлении контурных радиолокационных карт, обновлении топографических карт, геологических исследованиях, при исправлении и дополнении картографических материалов в труднодоступных районах.

Однако камеральное дешифрирование обладает существенным недостатком - невозможно полностью получить все необходимые сведения о местности. Кроме того, результаты камерального дешифрирования снимков соответствуют не времени выполнения дешифрирования, а моменту съемки. Поэтому представляется весьма целесообразным сочетание камерального и полевого или аэровизуального дешифрирования снимков, т. е. их комбинирование.

При комбинированном дешифрировании снимков основная работа по обнаружению и опознаванию объектов выполняется в камеральных условиях, а в поле или в полете выполняются и опознаются те объекты или их характеристики которые невозможно опознать камерально.

Камеральное дешифрирование делится на два метода:

непосредственное или полуинструментальное дешифрирование;

инструментальное дешифрирование.

Непосредственный метод дешифрирования

При непосредственном методе дешифрирования исполнитель зрительно, без приборов или с помощью увеличительных приборов, рассматривает снимок и, основываясь на дешифровочных признаках изображения и своем опыте, опознает и интерпретирует объекты.

При непосредственном методе дешифрировании снимков применяемые приборы являются вспомогательными, улучшающими условия наблюдения. Некоторые приборы позволяют дешифровщику определять количественные характеристики дешифрируемых объектов. Но основную роль в обнаружении, распознавании и интерпретации играет человек.

К вспомогательным приборам и инструментам относятся наборы луп с различным увеличением, измерительные шкалы, стереоскопы, параллактические линейки, параллаксометры, специальные приборы для дешифрирования, проекционные экраны, телевизионные и электронно-оптические замкнутые системы, улучшающие условия дешифрирования снимков.

17. Искажение космических снимков

Анализ подсистемы реального космического снимка приводит к выводу о том, что источники искажений (шумов) при космической съемке могут быть представлены тремя подсистемами искажающих факторов:

погрешности работы съемочной и регистрирующей аппаратуры;

«шумы» среды распространения электромагнитного излучения и особенности поверхности объекта съемки;

изменение ориентации носителя во время съемки.

Такая систематизация позволяет выработать стратегию изучения и коррекции искажений космических снимков, поскольку она приводит к следующим выводам:

характер искажений, вызываемых источниками второго и третьего типа с небольшими модификациями, связанными в основном с используемым спектральным диапазоном, будет одинаков для любых съемочных систем. По этой причине такие искажения можно изучать, абстрагируясь в определенной степени от конкретного типа съемочной аппаратуры;

характер искажений, вызываемых источниками первой группы, устанавливается путем всестороннего исследования аппаратуры, при этом необходима разработка методов ее калибровки и контроля во время работы на орбите, что должно позволить производить коррекцию большинства искажений, вызванных несовершенством функционирования аппаратуры.

Искажающие факторы могут быть подразделены также по способу учета искажений, вызываемых тем пли иным источником шумов:

факторы, влияние которых можно сравнительно просто и с достаточной точностью учесть путем введения поправок в координаты точек на снимке, причем эти поправки рассчитываются по конечным математическим формулам;

факторы, учет которых требует применения современных методов математической статистики и теории обработки измерений.

В зарубежных публикациях о космической съемке указанные подсистемы искажающих факторов называют соответственно предсказуемыми и измеряемыми, т. е. требующими производства измерений и математико-статистической обработки их результатов.

...