ДЗЗ-Тема2

В природе главный источник электромагнитной энергии – Солнце. 99,9% энергии Солнце излучает в интервале 0,17-4,5 мкм. Цветовая температура Солнца колеблется в пределах от 5744К до 6136К. При среднем значении температуры внешней оболочки Солнца около 6000ºК интегральная энергетическая светимость его составляет 6,2*103 Вт/м2 .Максимум солнечного излучения приходится на 0,47мкм. Солнечная энергия, достигая поверхности Земли, проникнув через атмосферу, частично отражается и частично поглощается поверхностью планеты и расположенными на ней объектами.

Так как Земля удалена от Солнца на расстоянии 149*106 км (149 млн км), то энергетическая освещённость площади единичного размера (1*1 м2 ), расположенного перпендикулярно к солнечным лучам на границе атмосферы в соответствии с законом квадратов расстояний будет равна Е0=1320 Вт/м2 . Эту величину принято называть солнечной постоянной. Распределение энергии солнечного излучения в оптическом диапазоне подчинено закону Планка, поскольку Солнце как источник энергии можно отождествить с АЧТ с цветовой температурой Т~6000ºК. 

Цветовой температурой источника излучения называется такая температура АЧТ, при которой относительное распределение энергии в его спектре такое же, как и в спектре излучения данного тела

Средняя температура Земли близка к 290К (17ºС), а диапазон длин волн 3-15 мкм. Максимум вторичного излучения составляет 9,7 мкм.

Для дистанционного зондирования (ДЗ) практический интерес представляют диапазоны от 0,3 до 20 м. Так как коротковолновая часть спектра до 0,27 мкм рассеивается и поглощается верхним слоем атмосферы, а радиоволны λ >20-30 м экранируются ионосферой.

Оптический диапазон (0,3-15 мкм) – это диапазон, в котором электромагнитная энергия может отражаться и преломляться твёрдыми телами – зеркалами, линзами, которые можно изготовить с жёсткими допусками.

Для выполнения съемки в целях картографирования поверхности Земли используются специальные фотографические камеры – аэрофотоаппараты (АФА). Аэрофотосъемочные камеры должны обеспечить получение изображений с высоким разрешением и малыми геометрическими искажениями. Это достигается подбором подходящих объективов.

Объектив устанавливают в корпусе камеры, которая, в свою очередь, размещается над люком в полу самолета на установке, смягчающей влияние вибрации. Камера имеет жесткую прикладную рамку в плоскости изображения, несущую координатные метки, позволяющие зафиксировать положение главной точки камеры. Знать положение главной точки в плоскости изображения важно, поскольку она определяет внутреннее ориентирование при использовании законов перспективы, в соответствии с которыми можно геометрически преобразовывать изображение. 

Фотопленка длиной до 120 м и шириной 24 см размещается в кассете, устанавливаемой над плоскостью изображения. Кассета имеет выравнивающую плиту, которая во время экспозиции прижимается к прикладной рамке. В этот момент участок фотопленки, находящийся в зоне прикладной рамки, поджимается к выравнивающей плите с помощью вакуумной системы, чем обеспечивается совмещение фотопленки с плоскостью изображения. С этой целью выравнивающая плита снабжена отверстиями, через которые отсасывается воздух. После экспонирования давление на фотопленку снимается и фотопленка сдвигается примерно на 25 см. Приведенные здесь численные значения относятся к стандартному формату изображения 23×23 см.

Фотосъемка контролируется центральным затвором камеры, позволяющим экспонировать сразу весь кадр каждые 2 секунды с выдержкой от 1/100 до 1/1 000 секунды. В новейших камерах (типа Leica RC-30 и Zeiss RMK TOP) фильм сдвигается вперед во время экспозиции, что устраняет смазывание изображения, вызванное движением самолета. Это позволяет использовать фотопленку с высоким разрешением, которая вследствие мелких зерен бромистого серебра нуждается в больших выдержках, чтобы оптические плотности изображения попали на прямолинейный участок характеристической кривой. Подобная компенсация сдвига изображения заметно повышает достижимую разрешающую способность.

Для традиционной съемки местности необходимо, чтобы ось xx прикладной рамки камеры была правильно ориентирована относительно направления полета. Для устранения угла сноса между осями прикладной рамки и линией полета камера разворачивается вокруг своей вертикальной оси с помощью специального механизма

Аэрофотоаппараты с устройствами компенсацией сдвига изображения практически обеспечивают разрешение между 40 и 50 линий/мм для черно- белых изображений и порядка 30 – 40 линий/мм для цветных изображений. Еще одно достоинство аэрофотосъемочных камер – это способность создавать фотографические изображения с минимальным геометрическим искажением. Основным источником геометрических искажений является 7 объектив.

В старых аэрофотоаппаратах процесс фотографирования контролировался посредством оптического визира с регулятором перекрытий. Оптическая система регулятора непрерывно отображала в поле зрения участок местности, над которым в данный момент находился 6 движущийся самолет. Регулятор перекрытия позволяет задавать интервал между экспозициями, чтобы обеспечить нужное перекрытие снимков в направлении полета. Обычно продольное перекрытие задается равным 60%. В новых аэрофотоаппаратах контроль ориентировки камеры относительно линии полета с устранением угла сноса, а также контроль заданного продольного перекрытия осуществляются автоматически с помощью датчиков. Последние фиксируют движение самолета относительно земли h/v . 

Радиальная дисторсия характеризует разность направления луча, пришедшего на объектив от объекта, и направления этого луча в пространстве изображения, т.е. после прохождения через объектив.Дисторсию можно выразить и разностью радиальных расстояний в плоскости изображения.Изготовители камер стремятся минимизировать дисторсию. Этой цели служит заводская процедура калибровки, в ходе которой измеряются углы с помощью гониометра. Координатные метки прикладной рамки камеры, определяющие главную точку, и фокусное расстояние фиксируются так, чтобы радиальная и тангенциальная дисторсия оказались наименьшими.

Изготовители камеры представляют сертификат калибровки, в котором приведены значения полученной радиальной дисторсии. Они находятся в пределах 2 мкм и обычно никогда не превышают 4 мкм в плоскости изображения. Тангенциальные искажения объектива обычно в три раза меньше радиальных, и поэтому ими пренебрегают при заводской калибровке.Вторым источником искажений является фотопленка. Если вакуум в выравнивающей плите камеры создается должным образом, то изображение на пленке можно считать плоским. Иначе возникают искажения.Более серьезны геометрические искажения фотопленки, вызванные фотохимической обработкой пленки и последующей сушкой. По этой причине каждая камера имеет от четырех до восьми координатных меток. Если измерены их изображения, то в процессе фотограмметрической обработки возможно учесть деформацию пленки в направлении фильма и перпендикулярно к нему. К счастью, эти типы деформации пленки остаются постоянными для всего фильма, поэтому их можно охарактеризовать некоторыми параметрами в процессе обработки

Изготовители камеры представляют сертификат калибровки, в котором приведены значения полученной радиальной дисторсии. Они находятся в пределах 2 мкм и обычно никогда не превышают 4 мкм в плоскости изображения. Тангенциальные искажения объектива обычно в три раза меньше радиальных, и поэтому ими пренебрегают при заводской калибровке

Вторым источником искажений является фотопленка. Если вакуум в выравнивающей плите камеры создается должным образом, то изображение на пленке можно считать плоским. Иначе возникают искажения.

Более серьезны геометрические искажения фотопленки, вызванные фотохимической обработкой пленки и последующей сушкой. По этой причине каждая камера имеет от четырех до восьми координатных меток. Если измерены их изображения, то в процессе фотограмметрической обработки возможно учесть деформацию пленки в направлении фильма и перпендикулярно к нему. К счастью, эти типы деформации пленки остаются постоянными для всего фильма, поэтому их можно охарактеризовать некоторыми параметрами в процессе обработки.

Оптико-механический сканер содержит только один чувствительный элемент – датчик, который позволяет измерять яркость небольшого участка, пикселя земной поверхности. Вращающееся зеркало просматривает полосу местности, что позволяет зарегистрировать яркость целого ряда пикселей земной поверхности за короткий промежуток времени. Поскольку сканер размещается на движущейся платформе, он аналогично записывает данные о следующей полосе пикселей земной поверхности. По мере движения платформы сканирующий механизм позволяет получить изображение на целую площадь

Принцип оптико-механического сканирования использован в самолетных и спутниковых многоспектральных сканерах. При этом единственный фотодиод заменен линейкой датчиков. Спектральное разделение поступающего излучения осуществляется призмой, установленной на пути светового луча, поэтому различные группы длин волн регистрируются одновременно. Сканер позволяет фиксировать даже тепловую составляющую излучения за счет разделения его на две части полупрозрачным зеркалом. Затем тепловая энергия собирается на ртутном слое компакт-диска, охлажденного до температуры 5/77 K и чувствительного к дальнему инфракрасному участку спектра, или на германиевом детекторе.

В оптико-электронном сканере линейка датчиков ориентирована перпендикулярно направлению движения платформы. Отдельному чувствительному элементу линейки, имеющему размер a' поперек траектории полета, на земной поверхности соответствует пиксель с размером a.

Сенсор спутника Spot использует не только панхроматические линейки ПЗС, дающие разрешение на местности 10 м, но параллельно с этим три других линейки с вдвое меньшим разрешением для зеленого, красного и ближнего инфракрасного участков спектра. На спутнике Spot можно запрограммировать наклон сенсора в сторону в пределах углов от -27° до +27°. Это позволяет получить информацию о любой точке на земле, если облачность благоприятна, в течение 5 дней. Три операционных спутника Spot способны сделать это за один день

Цифровые оптико-электронные сканеры были также построены корпорацией DLR для использования на Марсе. После неудавшейся попытки запуска российского космического корабля, который должен был доставить спутник к Марсу, корпорация DLR сконструировала самолетную версию той камеры. Эта камера сейчас производится компанией Leica-Helava Systems для аэросъемок как самолетный цифровой сенсор ADS 40 (см. рисунок 17 и www.lh-systems.com). 

Естественная радиация в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра обычно слишком слаба для построения изображения. Поэтому пассивное зондирование в этой части спектра применяется редко. Радиолокационное изображение создается с помощью активного сенсора, генерирующего излучаемый импульс и принимающего отраженный сигнал в микроволновой области

Радиолокационные системы преимущественно работают в трех диапазонах длин волн, а именно: – X полоса, λ = 2,4 – 3,8 см (частота от 8 000 до 12 500 МГЦ); – C полоса, λ= 3,8 – 7,5 см (частота от 4 000 до 8 000 МГЦ); – L полоса, λ = 15 – 30 см (частота от 1 000 до 2 000 МГЦ). Преимущество полос X и C в том, что такие излучения проникают через облака. Поэтому на их основе созданы всепогодные системы, работающие и днем, и ночью.

Передатчик генерирует мощный импульс, представляющий 17 волновой сигнал в соответствующем участке спектра. Продолжительность импульса дельта t . Сигнал проходит через антенну со специальными характеристиками распространения волн, так что вся энергия сосредотачивается в плоском пучке, перпендикулярном направлению движения платформы. Сигнал достигает земли со скоростью распространения электромагнитных волн: v=c/nгде c – скорость распространения света в вакууме, n – коэффициент преломлении в передающей среде.

На местности в зоне облучения часть энергии отражается в обратном направлении, а остальная – рассеивается или поглощается. Отраженная в сторону антенны энергия характеризуется радарным уравнением возвращенного потока.Промежуток времени между прохождениями через антенну переданного и возвращенного сигнала равен: Ti=2ri/v, где ri – расстояние между антенной и объектом i.Разрешение на местности a , достижимое радиолокационной системой в направлении, перпендикулярном движению платформы, зависит от продолжительности импульса дельта t , а также от угла B между горизонтом и излучаемым отраженным лучамиДля восприятия отраженной энергии антенна переключается с передачи на прием. Это разрешает фиксировать поступающие сигналы в виде функции Ti . Когда прием сигналов от всех точек местности закончен, антенна снова переключается в режим передачи и новый импульс посылается к земной поверхности, причем к этому моменту платформа сместилась вдоль направления полета. Разрешение в направлении движения зависит от скорости платформы и временного интервала между последовательными импульсами.

Но, поскольку трудно сосредоточить всю передаваемую энергию в одной плоскости, временной интервал, с которым излучаются два последовательных импульса, зависит от характеристик антенны. Азимутальный размер радарного луча в излучающей плоскости антенны зависит от длины ее в метрах.Сказанное ограничивает азимутальное разрешение у радиолокационных систем бокового обзора (SLAR), так как длина антенны зависит от размеров платформы.Существует возможность улучшить азимутальное разрешение при малых антеннах, которые испускают энергию широким пучком лучей. Поскольку радарный импульс несет волну на известной частоте, последовательно приходящая энергия от отражающих целей позволяет определять не только ее интенсивность, но также и использовать информацию о частоте. Положение цели в направлении полета определяет доплеровскую частоту обратного сигнала. Цели перед самолетом вызывают положительное, а цели позади – отрицательное изменение доплеровской частоты. 

При анализе можно геометрически выделить сигналы с нулевой доплеровской частотой. Это похоже на голографическую реконструкцию волновых сигналов при формировании изображения. Координата точки изображения в азимутальном направлении может быть задана как расстояние в наклонном диапазоне.Превышения на местности вызывают изменения наклонных расстояний или их горизонтальных проекций.

Радарный импульс излучается как последовательность волн, и он отражается в таком же виде. Если возвращающиеся волны принимаются двумя пространственно разделенными антеннами, то посредством интерферометрии можно сопоставить два волновых сигнала относительно разности фаз.

Для точек отражения, лежащих на оси интерферометра, перпендикулярной к базису, различий в фазах отраженных сигналов нет. В стороне от этой оси будут наблюдаться разности фаз, пропорциональные направлению исходного луча относительно базиса и половине длины волны. В конечном счете, эта закономерность позволяет описать участок земной поверхности в форме цифровой модели рельефа. 

Можно также получить интерферограммы от радарных сигналов двух различных спутников, как это было сделано Европейским космическим агентством в ходе Тандемной Миссии (European Space Agency’s ERS1/ERS2 Tandem Mission). В этой миссии второй спутник (ERS2) следовал за первым (ERS1) днем позже по той же самой орбите. Исходя из предположения, что фактическая разность орбит давала небольшой базис от 100 до 300 м, и что отражательные свойства местности по отношению к радарным лучам не менялись за сутки, стала возможной интерферометрия. Однако для спутников ERS1 и ERS2 не были известны точные орбитальные данные, поэтому длина и ориентация базиса подлежали оценке в процессе обработки. Интерферометрическое окаймление изображения оказалось неоднозначным, и преобразование интерферограммы в цифровые модели рельефа потребовало ряда попыток с использованием процедуры поиска ошибок в сопоставлении фаз.Для интерферограмм, полученных со спутников ERS 1/2 в Тандемной Миссии согласование с точной цифровой моделью рельефа было в пределах 5 м на открытых плоских местах, хотя в залесенных районах точность оказалась существенно ниже. В горных районах ошибки достигали 100 м, что объясняется наличием радарных теней и особенностями ракурса съемки.

Принципы лазерного сканирования основаны на том, что световой импульс направляется от сканера к земной поверхности. Часть отраженной радиации возвращается к лазерному сканеру. Последний определяет время между эмиссией импульса и начальным и конечным моментами возвращения отраженного сигнала. Измеряется также возвращенная энергия. Этот принцип позволяет рассматривать лазерный сканер как альтиметр или дальномер для любой точки, достигнутой лазерным импульсом. Если пространственное положение сенсора определено в полете средствами GPS, а его угловая ориентировка – посредством инерциальной навигационной системы, то тогда можно вычислить пространственное положение точки, отразившей сигнал.

На принципах лазерных сканеров созданы и действуют системы, например, Toposys. Это импульсный самолетный сканер, предназначенный для работы на высоте до 1 600 м с длиной волны 1.55 мкм. Импульсы испускаются каждые 5 мсек. Частота сканирования – 650 гц, количество волн в импульсе – 83 000. В полосе до 7 градусов от вертикали названные параметры позволяют измерять дальности с густотой три точки на квадратный метр земной поверхности.

Большинство съёмочных систем имеют от 4 до 7 спектральных каналов, включая панхроматический канал (0,4-0,75 мкм), спектральные каналы по основным цветам (синий 0,45–0,52 мкм, зелёный 0,52-0,6 мкм, красный 0,6– 0,72 мкм, ближний инфракрасный 0,75-0,9 мкм, средний инфракрасный 1,5– 1,7 мкм, тепловой 8,0–12,5 мкм). Высота полёта: для съемочных систем среднего разрешения 700-900 км, высокого разрешения 450–680 км.

С 1972 по 1999 год на орбиту выведено 7 космических аппаратов серии Landsat. В последнее время использовались снимки Landsat-5 и Landsat-7 для решения широкого круга задач для геологических, геофизических, экологических задач, картографирования местности и т.д. Широкое применение снимков Landsat определяется доступностью изображений, большой полнотой охвата и достаточным набором спектральных каналов. 

Спутники системы SPOT (Франция) функционируют с 1986 года (SPOT1). В 1990 году был запущен SPOT-2, в 1993 году SPOT3. Спутник SPOT4 (1998 год) имеет дополнительный ИК канал и прибор Vegetation. Спутник SPOT5 (2002 год) имеет стереосъемочную систему HRS и панхроматическую систему с разрешением 2,5 метров. Основная задача спутника SPOT5 – картографирование и мониторинг растительного покрова и сельскохозяйственных земель. Спутник SPOT-5 является довольно эффективным по критерию: разрешения на местности – полоса обзора - стоимость

Съёмочная система ASTER имеет 14 каналов и устанавливается на спутниках EOS-1, TERRA. Эту систему можно условно отнести к гиперспектральным съёмочным системам. ASTER имеет три съемочных сканирующих устройства: VINIR выполняет съемку в видимом и ближнем ИК диапазоне 0,52-0,86 мкм.( в 4х каналах с разрешением 15 метров); SWIR – в среднем ИК диапазоне от 1,6 до 2,4 мкм. (6 каналов), с разрешением 60 метров; TIR- тепловой ИК диапазон 8,12-11,65 мкм, с разрешением 90 м. 29 Рисунок 29 - Геометрия формирования ск

Космические съёмочные системы высокого и сверхвысокого разрешения значительно расширили среду использования космических снимков и обеспечили возможность применения снимков для создания и обновления топографических карт в масштабах 1:20 00–1:10 000, выполнять оперативный, а в ряде случаев детальный мониторинг поверхности, определять с достаточной точностью характеристики объектов, например, такие как таксационные характеристики леса , типы городской застройки и т.д. По снимкам сверхвысокого разрешения можно создавать топографические и специальные карты (до масштаба 1:2 000), цифровые модели рельефа (ЦМР), а также реалистичные 3D модели местности.Для мониторинга территорий, в частности, для мониторинга растительности эффективно использовать съемочную систему сверхвысокого разрешения WorldView 2 и высокого разрешения FORMOSAT-2 и RapidEye.

Спутник FORMOSAT-2 (Таиланд) запущен в мае 2004 года. FORMOSAT-2 позволяет получать данные в 4 спектральных диапазонах с пространственным разрешением 8 метров, а также панхроматическое изображение с разрешением 2 метра. По сравнению со всеми другими системами, FORMOSAT-2 имеет геосинхронную орбиту и обладает одним неоспоримым преимуществом: ежедневное появление в 9:30 утра по местному времени над каждой точкой земного шара. Благодаря этому повышается вероятность получения безоблачной съемки, а значит, увеличивается точность дешифрирования снимков. Кроме того, геосинхронная орбита позволяет получать снимки при одинаковых условиях освещения и одинаковом направлении съемки на объект. Это существенно повышает возможность выявления изменений при мониторинге территорий.