Метод дистанционного зондирования Земли: характеристики и достоинства

Получение и обработка данных для ГИС - наиболее важный и трудоемкий этап создания подобных информационных систем. В настоящее время самым перспективным и экономически целесообразным считается метод получения данных об объектах на основе данных дистанцион­ного зондирования Земли (ДЗЗ) и GPS-измерений.

В широком смысле дистанционное зондирование - это получение любыми неконтактными методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах. Традиционно к данным дистанционного зондирования относят только те методы, которые позволяют получить из космоса или с воздуха изображение земной поверхности в каких-либо участках электромаг­нитного спектра.

Существует несколько видов съемки, использующих специфические свойства излучений с различными длинами волн. При проведении географического анализа, помимо собственно ДЗЗ, обязательно используются пространственные данных из других источников - цифровые топо­графические и тематические карты, схемы инфраструктуры, внешние базы данных. Снимки поз­воляют не только выявлять различные явления и объекты, но и оценивать их количественно.

Достоинства метода дистанционного зондирования Земли заключается в следующем:

- актуальность данных на момент съемки (большинство картографических материалов безнадежно устарели);

- высокая оперативность получения данных;

- высокая точность обработки данных за счет применения GPS технологий;

- высокая информативность (применение спектрозональной, инфракрасной и радарной съемки позволяет увидеть детали, не различимые на обычных снимках);

- экономическая целесообразность (затраты на получение информации посредством ДЗЗ существенно ниже наземных полевых работ);

- возможность получение трехмерной модели местности (матрицы рельефа) за счет ис­пользования стереорежима или лидарных методов зондирования и, как следствие, воз­можность проводить трехмерное моделирование участка земной поверхности (системы виртуальной реальности).

Дистанционные методы характеризуются тем, что регистрирующий прибор значительно удален от исследуемого объекта. При таких исследованиях явлений и процессов на земной по­верхности расстояния до объектов могут измеряться от единиц до тысяч километров. Это обстоя­тельство обеспечивает необходимый обзор поверхности и позволяет получать максимально генерализованные изображения.

Существуют различные классификации ДЗЗ. Отметим наиболее важные с точки зрения практического сбора данных в нефтегазовой отрасли.

Регистрироваться может собственное излучение объектов и отраженное излучение дру­гих источников. Этими источниками могут быть Солнце или сама съемочная аппаратура. В по­следнем случае используется когерентное излучение (радары, сонары и лазеры), что позволяет регистрировать не только интенсивность излучения, но также и его поляризацию, фазу и допле- ровское смещение, что дает дополнительную информацию. Понятно, что работа самоизлучающих (активных) сенсоров не зависит от времени суток, но зато требует значительных затрат энер­гии. Таким образом, виды зондирования по источнику сигнала:

- активное (вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источ­ником направленного действия);

- пассивное (собственное, естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью).

Съемочная аппаратура может размещаться на различных платформах. Платформой мо­жет быть космический аппарат (КА, спутник), самолет, вертолет и даже простая тренога. В по­следнем случае мы имеем дело с наземной съемкой боковых сторон объектов (например, для ар­хитектурных и реставрационных задач) или наклонной съемкой с естественных или искусствен­ных высотных объектов. Третий вид платформы не рассматривается в силу того, что он относит­ся к специальностям, далеким от той, для которой написаны данные лекции.

На одной платформе может размещаться несколько съемочных устройств, называемых инструментами или сенсорами, что обычно для КА. Например, спутники Ресурс-О1 несут сенсо­ры МСУ-Э и МСУ-СК, а спутники SPOT - по два одинаковых сенсора HRV (SPOT-4 - HRVIR). Понятно, что чем дальше находится платформа с сенсором от изучаемого объекта, тем больший охват и меньшую детализацию будут иметь получаемые изображения.

Поэтому в настоящее время выделяют следующие виды съемки для получения дан­ных дистанционного зондирования:

1. Космическая съемка (фотографическая или оптико-электронная):

- панхроматическая (чаще в одном широком видимом участке спектра) - простейший пример черно-белая съемка;

- цветная (съемка в нескольких, чаще реальных цветах на одном носителе);

- многозональная (одновременная, но раздельная фиксация изображения в разных зонах спектра);

- радарная (радиолокационная);

2. Аэрофотосъемка (фотографическая или оптико-электронная):

- те же виды ДЗЗ, что и в космической съемке;

- лидарная (лазерная).

Оба вида съемки находят широкое применение в нефтегазовой отрасли при создании ГИС предприятия, при этом каждый из них занимает свою нишу. Космическая съемка (КС), имеет более низкое разрешение (от 30 до 1 м в зависимости от типа съемки и типа космического аппарата), но за счет этого охватывает большие пространства. Космическая съемка используется для съемки больших площадей в целях получения оперативной и актуальной информации о рай­оне предполагаемых геологоразведочных работ, базовой подосновы для создания глобальной ГИС на район разработки полезных ископаемых, экологического мониторинга нефтяных разли­вов и т.п. При этом используется как обычная монохромная (черно-белая съемка), так и спектро­зональная.

Аэрофотосъемка (АФС), позволяет получать изображение более высокого разрешения (от 1-2 м до 5-7 см). Аэрофотосъемка используется для получения высоко детальных материалов для решения задач земельного кадастра применительно к арендуемым участкам добычи полезных ископаемых, учета и управления имуществом. Кроме того, использование аэрофотосъемки на се­годняшний день представляется оптимальным вариантом получения данных для создания ГИС на линейно-протяженные объекты (нефте-, газопроводы и т.д.) за счет возможности применения «коридорной» съемки.

Характеристики получаемых снимков (и АФС, и КС), т.е. возможность обнаружить и из­мерить то или иное явление, объект или процесс зависят от характеристик сенсоров соответ­ственно. Главной характеристикой является разрешающая способность.

Системы ДЗЗ характеризуются несколькими видами разрешений: пространствен­ным, спектральным, радиометрическим и временным. Под термином «разрешение» обычно под­разумевается пространственное разрешение.

Пространственное разрешение (рисунок 1) характеризует размер наименьших объектов, различимых на изображении. В зависимости от решаемых задач, могут использоваться данные низкого (более 100 м), среднего (10 - 100 м) и высокого (менее 10 м) разрешений. Снимки низко­го пространственного разрешения являются обзорными и позволяют одномоментно охватывать значительные территории - вплоть до целого полушария. Такие данные используются чаще всего в метеорологии, при мониторинге лесных пожаров и других масштабных природных бедствий. Снимки среднего пространственного разрешения на сегодня - основной источник данных для мониторинга природной среды. Спутники со съемочной аппаратурой, работающей в этом диапа­зоне пространственных разрешений, запускались и запускаются многими странами - Россией, США, Францией и др., что обеспечивает постоянство и непрерывность наблюдения. Съемка вы­сокого разрешения из космоса до недавнего времени велась почти исключительно в интересах военной разведки, а с воздуха - с целью топографического картографирования. Однако сегодня уже есть несколько коммерчески доступных космических сенсоров высокого разрешения (КВР- 1000, IRS, IKONOS), позволяющих проводить пространственный анализ с большей точностью или уточнять результаты анализа при среднем или низком разрешении.

Спектральное разрешение указывает на то, какие участки спектра электромагнитных волн (ЭМВ) регистрируются сенсором. При анализе природной среды, например, для экологиче­ского мониторинга, этот параметр - наиболее важный. Условно весь диапазон длин волн, исполь­зуемых в ДЗЗ, можно поделить на три участка - радиоволны, тепловое излучение (ИК-излучение) и видимый свет. Такое деление обусловлено различием взаимодействия электромагнитных волн и земной поверхности, различием в процессах, определяющих отражение и излучение ЭМВ.

Наиболее часто используемый диапазон ЭМВ - видимый свет и примыкающее к нему коротковолновое ИК-излучение. В этом диапазоне отражаемая солнечная радиация несет в себе информацию, главным образом, о химическом составе поверхности. Подобно тому, как челове­ческий глаз различает вещества по цвету, сенсор дистанционного зондирования фиксирует «цвет» в более широком понимании этого слова. В то время как человеческий глаз регистрирует лишь три участка (зоны) электромагнитного спектра, современные сенсоры способны различать десятки и сотни таких зон, что позволяет надежно выявлять объекты и явления по их заранее из­вестным спектрограммам. Для многих практических задач такая детальность нужна не всегда. Если интересующие объекты известны заранее, можно выбрать небольшое число спектральных зон, в которых они будут наиболее заметны. Так, например, ближний ИК-диапазон очень эффек­тивен в оценке состояния растительности, определении степени ее угнетения. Для большинства приложений достаточный объем информации дает многозональная съемка со спутников LANDSAT (США), SPOT (Франция), Ресурс-О (Россия). Для успешного проведения съемки в этом диапазоне длин волн необходимы солнечный свет и ясная погода.

Обычно оптическая съемка ведется либо сразу во всем видимом диапазоне (панхромати­ческая), либо в нескольких более узких зонах спектра (многозональная). При прочих равных условиях, панхроматические снимки обладают более высоким пространственным разрешением. Они наиболее пригодны для топографических задач и для уточнения границ объектов, выделяе­мых на многозональных снимках меньшего пространственного разрешения.

Тепловое ИК-излучение (рисунок 2) несет информацию, в основном, о температуре по­верхности. Помимо прямого определения температурных режимов видимых объектов и явлений (как природных, так и искусственных), тепловые снимки позволяют косвенно выявлять то, что скрыто под землей - подземные реки, трубопроводы и т.п. Поскольку тепловое излучение созда­ется самими объектами, для получения снимков не требуется солнечный свет (он даже, скорее, мешает). Такие снимки позволяют отслеживать динамику лесных пожаров, нефтяные и газовые факелы, процессы подземной эрозии. Следует отметить, что получение космических тепловых снимков высокого пространственного разрешения технически затруднительно, поэтому сегодня доступны снимки с разрешением около 100 м. Много полезной информации дает также тепловая съемка с самолетов.

Сантиметровый диапазон радиоволн используется для радарной съемки. Важнейшее преимущество снимков этого класса - в их всепогодности. Поскольку радар регистрирует собственное, отраженное земной поверхностью, излучение, для его работы не требуется солнечный
свет. Кроме того, радиоволны этого диапазона свободно проходят через сплошную облачность и даже способны проникать на некоторую глубину в почву. Отражение сантиметровых радиоволн от поверхности определяется ее текстурой («шероховатостью») и наличием на ней всевозможных пленок. Так, например, радары способны фиксировать наличие нефтяной пленки толщиной 50 мкм и более на поверхности водоемов даже при значительном волнении. В принципе, радарная съемка с самолетов способна обнаруживать подземные объекты, например, трубопроводы и утечки из них.

Радиометрическое разрешение определяет диапазон различимых на снимке яркостей. Большинство сенсоров обладают радиометрическим разрешением 6 или 8 бит, что наиболее близко к мгновенному динамическому диапазону зрения человека. Но есть сенсоры и с более вы­соким радиометрическим разрешением (10 бит для AVHRR и 11 бит для IKONOS), позволяющим различать больше деталей на очень ярких или очень темных областях снимка. Это важно в случа­ях съемки объектов, находящихся в тени, а также когда на снимке одновременно находятся большие водные поверхности и суша. Кроме того, такие сенсоры, как AVHRR имеют радиомет­рическую калибровку, что позволяет проводить точные количественные измерения.

Наконец, временное разрешение определяет, с какой периодичностью один и тот же сен­сор может снимать некоторый участок земной поверхности. Этот параметр весьма важен для мо­ниторинга чрезвычайных ситуаций и других быстро развивающихся явлений. Большинство спут­ников (точнее, их семейств) обеспечивают повторную съемку через несколько дней, некоторые - через несколько часов. В критических случаях для ежедневного наблюдения могут использовать­ся снимки с различных спутников, однако, нужно иметь в виду, что заказ и доставка сами по себе могут потребовать немалого времени. Одним из вариантов решения является приобретение при­емной станции, позволяющей принимать данные непосредственно со спутника. Это удобное ре­шение для ведения постоянного мониторинга используется некоторыми организациями на терри­тории России, обладающими приемными станциями данных со спутников Ресурс-О. Для отсле­живания изменений на какой-либо территории важна также возможность получения архивных (ретроспективных) снимков.

По высоте орбиты спутника можно выделить три группы: 1) Малые высоты: 100-500 км (пилотируемые корабли и орбитальные станции); 2) Средние высоты: 500-2000 км (ресурсные и метеорологические спутники); 3) Большие высоты: 36000-40000 км (геостационарные спутники - скорость движения спутника равна скорости вращения Земли - постоянное наблюдение за определенным районом на поверхности).

Положение орбиты по отношению к Солнцу. Для космических съемок большое значение имеет способность орбиты сохранять постоянную ориентацию на Солнце. Орбиты, у которых угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце остается постоянным, называются солнечно-синхронными. Достоинство таких орбит состоит в том, что они обеспечивают одинаковую освещенность земной поверхности вдоль трассы полета космического аппарата.