ДЗЗ-Тема1

Развитие цифровых космических и аэросъемочных систем, методов цифровой обработки изображений и цифровой фотограмметрии чрезвычайно расширило круг задач, решаемый по снимкам. Дистанционное зондирование стало основным методом получения пространственных данных при картографировании поверхности земли, изучении различных процессов и объектов.

Космические съемочные системы имеют различную разрешающую способность, большую полосу обзора и высокую периодичность, что позволяет вести мониторинг территорий практически с любой периодичностью (менее суток) и детальностью (с разрешением до 0.5 метра). Кроме того, возможность получения многоспектральных и гиперспектральных изображений в оптической зоне спектра позволяет выявлять различные объекты на поверхности Земли и определять их свойства. Космические съёмочные системы высокого и сверхвысокого разрешения составляют серьёзную конкуренцию аэрофотосъёмке: практически такие снимки соответствуют аэрофотосъёмке масштаба 1:40 000, что позволяет создавать карты масштаба 1:5 000, причём обновление карт можно выполнять до масштаба 1:2 000 включительно.Но основное преимущество космической съёмки — это возможность получения изображения в нескольких спектральных каналах, что существенно повышает дешифровочные свойства снимков.

Средства дистанционного зондирования и методы обработки материалов, полученных различными съёмочными системами, интенсивно развиваются. Увеличивается количество спутников, несущих аппаратуру для ДЗ. В настоящее время на орбите находится более 20-ти спутников среднего, высокого и сверхвысокого разрешения. Разрешающая способность съёмочных систем в оптическом диапазоне постоянно увеличивается и достигла 0.44 метра на местности. Совершенствуются системы для получения цифровых моделей рельефа и цифровых моделей поверхности — появились космические съёмочные стереосистемы, цифровые сканеры, формирующие стереоизображение.

Дистанционное зондирование можно рассматривать как получение информации об объекте косвенными методами с применением естественно существующих или искусственно созданных силовых полей. Наибольшее значение имеют системы, использующие силовые поля электромагнитного спектра, позволяющие пользователю непосредственно фиксировать отраженную энергию от объекта, превращая ее в совокупность изображений

Первым сенсором, способным сохранять изображение, которое впоследствии можно было интерпретировать, оказалась фотоэмульсия, изобретенная французами Жозефом Нисефор Ньепсе и Луи Жан Манде Дагерром в 1839 году. Когда изображения стали проектировать через линзы на фотоэмульсию (около 1850 года), фотографическая камера стала практически первым устройством для дистанционного зондирования

Во время первой мировой войны в 1915 году C. Месстером и, сотрудником фирмы Карл Цейсс в Германии, был сконструирован первый аэрофотоаппарат. Дешифрирование аэрофотоснимков нашло широкое применение в различных областях (гляциология, лесоводство, сельское хозяйство, археология), а во время второй мировой войны дешифрирование снова стало главным инструментом аэрофоторазведки для всех воюющих сторон. 

В Великобритании и Германии началась разработка инфракрасных датчиков, а Британия преуспела в разработке первого радара в виде «индикатора планового положения». Дальнейшие работы по созданию приборов для дистанционного зондирования проводились Соединенными Штатами Америки в послевоенный период. В 1950-х годах появилась спектрозональная фотопленка. Другим новшеством явился самолетный радар бокового обзора (SLAR, SAR).

В 1960-х годах были предприняты усилия в использовании спутниковых платформ для дистанционного зондирования. Tiros был первым метеорологическим спутником. Программа подготовки к высадке на Луну по проектам НАСА «Apollo» включала в себя полный компонент 3 дистанционного зондирования от разработки датчика до анализа изображений. После высадки на Луну НАСА обратила свой интерес к дистанционному зондированию поверхности Земли. В 1972 году спутник для исследования природных ресурсов Земли (ERTS-1), который позже назвали Landsat 1, стал первым спутником для дистанционного зондирования всей поверхности Земли с разрешением 80 м в четырех каналах видимой и ближней инфракрасной области спектра.

В последующие годы была улучшена и пространственная и спектральная разрешающая способность первого спутника Landsat. Landsat 3, запущенный в 1982 году, имел шесть каналов для видимой и ближней инфракрасной части спектра с размером пикселя на поверхности Земли 30 м и один тепловой канал с пикселем 120 м. Более высокое пространственное разрешение (10 м для панхроматического режима и 20 м для многозонального) достигнуто на французских спутниках SPOT, запускаемых с 1986 года. Индийские спутники IRS-1C и 1D уже в 1996 году имели разрешение 6 м для панхроматического режима. Еще более высокое разрешение (3 м) обеспечили фотографические съемочные системы установленные на борту спутников, запущенных по американской военной программе Corona в 1960-х годах, и российские камеры KVR 1000 (1 м) в 1991 г. С 1999 года американский коммерческий спутник Ikonos 2 находится на орбите и передает на землю цифровые панхроматические изображения с разрешением 1 м. Его превзошел американский коммерческий спутник Quickbird с разрешением 0,6 м и GeoEye-1 с разрешением 0,41 м. 

В 1978 году Соединенные Штаты Америки запустили спутник Seasat с первой когерентной радиолокационной системой на борту, который, к сожалению, просуществовал недолго. В 1991 году Европейское космическое агентство (ESA) приступило к реализации программы запуска радарных спутников ERS-1 и 2, вслед за которыми в 1994 году были запущены японский спутник JERS-1 с радарным датчиком на борту, канадский Radarsat в 1995 году и российский Алмаз в 1995 году. 

Новой разработкой являются гиперспектральные сенсорные устройства, которые даже при низких разрешающих способностях позволяют сканировать Землю более чем в 1000 узких полосах спектра и распознавать объекты по характерным особенностям их спектра. Мультисенсорные, многоспектральные, разновременные изображения и даже изображения с разной поляризацией, как в случае с радаром, раскрывают обширные возможности для анализа изображения в дистанционном зондировании, которые полностью еще не исследованы.

Электромагнитная энергия, излучаемая или отражаемая исследуемым объектом - величина, которая измеряется или регистрируется (фиксируется датчиками) в дистанционное зондирование (ДЗ).

Электромагнитным излучением или электромагнитной энергией называется распространение энергии в пространстве в виде волн как прямолинейного потока световых частиц - фотонов (двойственность природы электромагнитного излучения). Материя непрерывно испускает и поглощает электромагнитное излучение.

Электромагнитное излучение может быть описано волновыми параметрами:Скорость распространения С (в вакууме с=3*108 м\с)длиной волны λ ( А, мкм, см, м)частотой γ = с / λ.

Процесс излучения связан с возбуждением молекул внутри вещества. В результате чего возникают излучательные переходы электронов. Выделяющаяся энергия уносится квазичастицами – квантами (фотонами) электромагнитного поля, которые имеют энергию W. Т.е. тело обладает электромагнитным полем. Освобожденная в форме излучения энергия W характеризуется длиной волны λ:W=hc/λ, где h=6,63*10-34 Дж*с - постоянная Планка,с=3*108 м\с - скорость света.

Характер всех электромагнитных волн одинаков. Они распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга собственной частотой, длиной волны и энергией, занимая соответствующее положение в электромагнитном спектре. Распределение энергии по длинам волн является непрерывным и спектр испускания излучения – непрерывный. (Спектр излучения – распределение излучения по длинам волн или частиц.) Общий спектр, встречающийся в природе электромагнитного излучения охватывает волны длиной от фемтометров (1 фемтометр фм=10-15 м) до километров (или десятки километров). Спектр делится на несколько областей, которые называются зонами или диапазонами. Границы между ними уловные.

1Å = 10-10 м 1нм = 10-9 м 1мкм = 10-6 м 1мм = 10-3 м 1см = 10-2 м 1м = 1000мм = 106мкм 1м = 1000мм = 106мкм 10-6м = 1мкм 1000мкм = 10-3 м 1000мкм = 1мм = 0,1см 

Поглощение – это процесс, в котором энергия более высокой частоты (например, видимый свет) преобразуется в энергию более низкой частоты (тепло).Электромагнитная передача через атмосферу замедляет распространение волны в зависимости от коэффициента передачи n: λ=c/v*nБолее того, часть энергии поглощается, когда кванты энергии поражают молекулы и атомы атмосферных газов. Другая часть отражается от них, 3 вызывая рассеивание энергии. Согласно Рэлею, соотношение между оригинальной и переданной интенсивностью выражается формулой:Itransmitted=Ioriginal*exp(-k*r)где, k – коэффициент поглощения, r – пройденное энергией расстояние, причем k пропорционально λ-4.

Такое поглощение имеет место в инфракрасных диапазонах. В них передача возможно только в атмосферных окнах

Взаимодействие случайного количества электромагнитной энергии с объектом зависит от молекулярного и атомного строение вещества объекта. Энергия может быть направленно отражена, рассеяна, передана или поглощена. Процесс определяется взаимодействием фотона с электроном, расположенным в оболочке атома, в результате чего происходит возбуждение электрона и отрыв его от оболочки. Соотношение между отраженным (во всех направлениях), переданным и поглощенным потоками или свечением и поступившей к объекту радиацией выражается через коэффициент отражения, коэффициент передачи и коэффициент поглощения.

Коэффициент отражения объекта имеет критическое значение для дистанционного зондирования. Он меняется у различных спектральных диапазонов для специфичного объекта и характеризуется так называемой радиометрической функцией, зависящей от трех углов.Нормальные коэффициенты отражения существенно отличаются для объектов разного типа.