Дистанционное зондирование земли

Многозональная съемка проводится с помощью фотографических систем или электронно-оптических сканирующих систем. Запись первичного изображения осуществляют на фотопленку или магнитную ленту. Наиболее информативна та зона, в которой спектральные яркости изучаемого объекта максимальны. Параметры многозональной съемки устанавливают опытным путем по результатам спектрометрической съемки.

38. Выделение зональностей. Реестр результатов дешифрирования

Еще одним методом дешифрирования сложных структур является выделение на снимке зональностей -- участков однородного тона и текстуры изображения. При использовании этого метода оператор обращает внимание на общую структуру изображения, не стараясь распознать отдельные ландшафтные единицы. Сначала на снимке выделяют области, однородные по тону, текстуре и другим признакам, затем эти зоны стараются отнести к одному из возможных классов объектов. Очевидно, что на этом шаге необходимо использовать данные полевых исследований и другую вспомогательную информацию. Если результаты дешифрирования оказываются неудовлетворительными, можно попытаться объединить или разделить выделенные области.

Выделение зон -- мощный инструмент дешифрирования, который, однако, следует применять с осторожностью. Выделенные зоны могут не точно соответствовать изучаемым классам объектов. Например, тон и структура одной области могут определяться геологическим строением и топографией, а схожие характеристики другой области -- растительным покровом. Реестр результатов дешифрирования -- это способ собрать воедино всю имеющуюся информацию. Такие реестры выполняют двойную функцию, являясь одновременно:

1. Средством обучения молодых специалистов методам дешифрирования сложных снимков или тематического дешифрирования в новой области.

2. Способом документирования информации и примеров дешифрирования, относящихся к определенной тематической области.

По существу, реестр результатов дешифрирования -- это набор справочных материалов, с помощью которых можно быстро и точно идентифицировать объекты на снимках. Обычно реестр состоит из двух частей: набора снимков или стереопар с примечаниями и графического или словесного описания. Реестры систематизируются так, чтобы в любой момент можно было легко найти нужный снимок, относящийся, например, к определенной дате, территории или объекту.

Реестр результатов дешифрирования - это еще и способ систематизации сведений о важнейших характеристиках объекта или явления. В то же время, следует подчеркнуть, что для использования реестров необходимы знания в тематической области. Сведения, содержащиеся в реестре, не могут заменить опыта специалиста, это всего лишь способ систематизации информации, который помогает ускорить процесс обучения дешифрированию. Реестры результатов дешифрирования являются эффективным способом распространения опыта ведущих специалистов. Они помогают развивать практические навыки работы со снимками и позволяют получать четкое представление о самом процессе дешифрирования.

39. Сущность дистанционного зондирования Земли

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. Общей физической основой дистанционного зондирования является функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта и его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением. Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства.

С помощью дистанционного зондирования изучают физические и химические свойства объектов. Примерами естественных форм ДЗ являются зрение, обоняние и слух человека. К методам дистанционного зондирования относят и фотографическую съемку, существенным ограничением которой является то, что эмульсионный слой фотопленки чувствителен только к излучению в видимой либо близкой к ней части электромагнитного спектра.

В современном облике дистанционного зондирования выделяются два взаимосвязанных направления - естественнонаучное (дистанционные исследования) и инженерно-техническое (дистанционные методы). Понимание сущности дистанционного зондирования неоднозначно. В качестве предмета дистанционного зондирования как научной дисциплины рассматриваются 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.

Материалы дистанционного зондирования (ДЗ) являются частью большой системы сбора, переработки, регистрации и использования данных. Правильно организованная система дистанционных исследований должна быть ориентирована на решение конкретных геологических задач, обусловливающих выбор орбит космических носителей, набор датчиков, характер сбора, переработки и передачи на наземные комплексы первичных данных и тип представляемых материалов.

40. Инфракрасная съемка радиационных характеристик морской поверхности

Инфракрасная (ИК), или тепловая, съемка основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным теплом или солнечным излучением. 0на. широко применяется в геологии. Температурные неоднородности поверхности Земли возникают в результате неодинакового нагрева различных ее участков. Инфракрасная (или тепловая) съемка фиксирует тепловое излучение поверхности Земли, определяемое как собственной температурой геологической тел, так и отраженным солнечным излучением.

Солнечное (внешнее) и эндогенное (внутреннее) тепло нагревает геологические объекты по-разному в зависимости от литологических свойств пород, тепловой инерции, влажности, альбедо и многих других причин. 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. На ИК-изображениях светлыми тонами фиксируются участки с низкими температурами, темными - с относительно более высокими. Яркость тона прямо пропорциональна интенсивности тепловой аномалии. ИК-съемку можно проводить в ночное время. На ИК-снимках, полученных с ИСЗ, четко вырисовывается береговая линия, гидрографическая сеть, ледовая обстановка, тепловые неоднородности водной среды, вулканическая деятельность и т. п. ИК-снимки используются для составления тепловых карт Земли. Линейно-полосовые тепловые аномалии, выявляемые при ИК-съемке, интерпретируются как зоны разломов, а площадные и концентрические - как тектонические или орографические структуры. Например, наложенные впадины Средней Азии, выполненные рыхлыми кайнозойскими отложениями, на ИК-снимках дешифрируются как площадные аномалии повышенной интенсивности. Особенно ценна информация, полученная в районах активной вулканической деятельности.

В настоящее время накоплен опыт использования ИК-съемки для изучения дна шельфа. Этим методом по разнице температурных аномалий поверхности воды получены данные о строении рельефа дна. При этом использован принцип, согласно которому при одинаковом облучении поверхности воды на более глубоких участках водных масс энергии на нагревание расходуется больше, чем на более мелких. В результате температура поверхности воды над более глубокими участками будет ниже, чем над мелкими. Этот принцип позволяет на ИК-изображениях выделять положительные и отрицательные формы рельефа, подводные долины, банки, гряды и т. п. ИК-съемка в настоящее время применяется для решения специальных задач, особенно при экологических исследованиях, поисках подземных вод и в инженерной геологии. Помимо изучения собственно температур воды, тепловая инфракрасная съемка дает материал для исследования динамических процессов в океане, течений, океанических вихрей. Вызывая шероховатость морской поверхности, волны отображаются на радиолокационных снимках.

41. Источники искажений (шумов) при космической съемке

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.

42. Обработка цифровых снимков. Основные этапы

Обработка цифровых снимков -- важнейшая составляющая дистанционного зондирования, назначение которой состоит в том, чтобы сделать цифровые снимки пригодными для большинства областей применения, в процессе обработки используют численные методы, основанные только на анализе яркостных и спектральных характеристик, проявляющихся на снимке в виде вариаций тона и цвета пикселей. Результатом обработки является новый снимок, который можно вывести на экран монитора и сохранить в цифровом формате для последующего использования. Выделяют следующие этапы обработки цифровых снимков:

1. Коррекция и восстановление снимков.

2. Улучшение снимков.

3. Классификация данных.

4. Объединение данных и их интеграция в ГИС.

Этапы обработки цифровых снимков.

Коррекция и восстановление снимков

Коррекция -- это операция, которая применяется к исходным данным для устранения искажений. При сильных искажениях говорят о восстановлении снимков. К коррекции относятся такие операции, как устранение геометрических искажений, связанных с сенсором, внесение поправок на форму земной поверхности, трансформирование снимка к определенной проекции, радиометрическая калибровка и устранение шума. Тип коррекции во многом определяется характеристиками сенсора.

Улучшение визуального восприятия снимков

Улучшающие преобразования, которые применяют к снимкам, облегчают их дешифрирование и анализ. Как правило, для улучшения снимков используют методы, которые увеличивают видимые различия между объектами. Например, для подчеркивания тоновых различий используют методы увеличения контрастности, а для подавления определенных пространственных структур -- пространственную фильтрацию. Для контроля качества результирующих изображений, которые могут быть как монохромными, так и цветными, их просматривают на экране монитора либо печатают на пленке или бумаге.

Преобразование снимков

В отличие от операций улучшения снимков, для их преобразования используют данные не из одного, а из нескольких спектральных диапазонов. Новые изображения получают путем попиксельного сложения, вычитания, умножения или деления данных из разных диапазонов так, чтобы выделить или подчеркнуть определенные характеристики изображения. Еще одной задачей преобразования снимков является устранение избыточности данных, которая возникает при близком расположении спектральных диапазонов многозональных снимков. Эта задача решается методом главных компонент.

Классификация данных

Цель классификации состоит в замене визуального анализа снимка автоматизированной процедурой идентификации объектов, в процессе такой идентификации каждый пиксель цифрового снимка относят на основании некоторых статистических критериев к одному из классов пространственных объектов. Если классифицирующим признаком служит спектральная яркость, процесс классификации называют распознаванием спектральных образов. Если же статистический критерий основывается на геометрической форме, размерах и структуре объектов, говорят о распознавании пространственных образов. Результаты классификации можно использовать для создания тематических карт и статистических отчетов для территорий различного типа. Среди множества методов классификации выделяют два основных: контролируемая классификация и неконтролируемая классификация.

Объединение данных и их интеграция в ГИС

Объединение данных космической съемки с другими данными возможно на основании географической привязки к изучаемой территории, в частности, можно объединять данные, полученные в разное время с одного и того же спутника, или данные, полученные разными системами дистанционного зондирования. Для объединения данных ДЗ с данными из других источников используют средства ГИС.

43. Геометрическая коррекция космических снимков

На геометрические свойства космических снимков оказывает влияние целый ряд факторов. Для фотоснимков центральной проекции таковыми являются возможные углы наклона и кривизны Земли. Для космических сканерных снимков перечень факторов, определяющих геометрию изображения, значительно больше, и к ним относятся влияние кривизны Земли, ее собственное вращение, время формирования строки, законы проецирования во время съемки, способ визуализации и т. д.

Компенсация искажений, обусловленных перечисленными факторами, составляет суть геометрических коррекций. В результате выполнения геометрических коррекций космические снимки могут становиться идентичными карте той или иной проекции (разумеется с определенной точностью, иногда приближающейся к требуемой точности составления картоснов).

Наиболее просто подобная задача решается для космических фотоснимков с помощью фотограмметрических приборов. Космические фотоснимки, исправленные за влияние углов наклона и приведенные к определенному масштабу, могут в пределах заданной точности совпадать с картами.

Геометрические коррекции космических сканерных снимков могут выполняться на трех этапах: в процессе самой съемки, в процессе визуализации информации и в процессе специальной предварительной обработки информации на ЭВМ. На двух последних этапах в основном используются только цифровые методы.

В настоящее время основной объем геометрических коррекций космических сканерных снимков выполняется на третьем этапе. Современные разработки программного обеспечения в основном создаются на основе подобных быстрых алгоритмов. При этом актуальными становятся задачи в изыскании рациональных путей обмена информацией между ВЗУ и оперативной памятью, установлении границ, в пределах которых для данного снимка геометрические коррекции можно не проводить, в выборе вариантов ориентации изображения при его вводе в ЭВМ и т. д.

Для геометрической коррекции используют динамическую модель съемки, с помощью которой снимок трансформируется из собственной системы координат в систему координат наземной станции. После радиометрической коррекции координаты всех точек исходного растра преобразуются из исходной системы координат (строка, пиксель) в географическую (широта, долгота). Затем для выбранной пользователем области задается сетка (растр) в пространстве выходных данных и рассчитываются координаты точек этой сетки в исходной системе координат путем интерполяции ранее полученных значений. Заключительный этап состоит в вычислении уровней серого цвета для всех точек выходного растра с помощью повторной дискретизации исходного снимка. Картографическая проекция и ориентация изображения (для снимков с географической привязкой) задаются на этапе выбора выходного растра. В заключение все данные записываются в нужном цифровом формате или распечатываются в кадровом виде.

44. Виды дешифрирования

Необходимая для исследований информация (предметно-содержательная и геометрическая) извлекается из снимков двумя основными методами, это дешифрирование и фотограмметрические измерения.

Дешифрирование, которое должно дать ответ на основной вопрос - что изображено на снимке, позволяет получать предметную, тематическую (в основном качественную) информацию об изучаемом объекте или процессе, его связях с окружающими объектами. В визуальном дешифрировании обычно выделяют чтение снимков и их интерпретацию (толкование). Умение читать снимки базируется на знании дешифровочных признаков объектов и изобразительных свойств снимков. Глубина же интерпретационного дешифрирования существенно зависит от уровня подготовки исполнителя. Чем лучше знает дешифровщик предмет своего исследования, тем полнее и достовернее информация, извлекаемая из снимка.

Дешифрирование - это процесс распознавания: объектов, их свойств, взаимосвязей по их изображениям на снимке. Это и метод изучения и исследования объектов, явлений и процессов на земной поверхности, который заключается в распознавании объектов по их признакам, определении характеристик, установлении взаимосвязей с другими объектами.

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

Полевое дешифрирование

При 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 получает аэровизуальный метод дешифрирования аэрофотоснимков. Этот метод с успехом может 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.

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.

Размещено на Allbest.ru