Современная концепция аэрокосмических съемок и дистанционного зондирования

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального  образования

Тульский государственный  университет

Кафедра Г и К.

Курсовая работа на тему:

«Современная концепция  аэрокосмических съемок и дистанционного зондирования».

Тула 2008

Содержание:

Введение……………………………………………………………………………3

Глава 1. Теоретические основы…………………………………………………...4

1. Краткий обзор развития аэрокосмических съемок………………………......4

1.2 Дистанционное зондирование……………………………………………..…..8

Глава 2.Аэрофотограмметрические методы съемки……………………...…......11

2.1 Материалы аэрокосмических съемок…………………………………....…...11

2.2 Масштаб и пространственное  разрешение………………………………......12

2.3 Диапазон регистрируемого излучения…………………………………….....14

2.4 Технологические способы получения  снимков………………………….......17

Глава 3. Геометрические принципы спутникового зондирования……………..24

3.1 Общие принципы устройства  и действия спутниковой системы позиционирования…………………………………………………………………24

3.2 Позиционирование…………………………………………………………….28

Глава 4. Основы дистанционного зондирования………………………………..32

4.1 Общая характеристика методов  дистанционного зондирования…………..32

Глава 5. Роль аэрокосмических методов  и дистанционного зондирования в 

изучении биосферы и кадастровых работ……………………………………….36

5.1 Использование материалов аэро- и космических съемок при создании геоинформационных систем……………………………………………………..36

5.2 Характеристика подсистем мониторинга земель дистанционными 

 методами………………………………………………………………………….38

Заключение………………………………………………………………………..42

Список использованной литературы…………………………………………….43

Введение

В настоящее время в  геодезических и кадастровых работах по координированию объектов землепользования все более широкое применение находят методы, основанные на использовании искусственных спутников Земли, как носителей координат.

Определение координат  претерпело огромные изменения с  появлением GPS-технологий. Особенно эти изменения видны при проведении землеустроительных работ на городской территории, которые характеризуются высокими требованиями к точности измерений и необходимостью координирования огромного числа небольших земельных участков в условиях плотной застройки, существенно ограничивающей видимость.

Благодаря чрезвычайно  высокой точности спутниковых методов, их независимости от погодных условий и времени суток, быстроте и простоте измерений, спутниковые методы в десятки раз повышают производительность труда и удешевляют стоимость работ.

Учитывая эти обстоятельства, Федеральной службы геодезии и картографии была принята концепция перехода топографического производства на спутниковые методы координатных определений. Они постепенно будут вытеснять традиционные методы создания опорных геодезических сетей, вплоть до развития сетей рабочего обоснования топографических съемок, решения инженерно-геодезических и земельно-кадастровых задач.

Внедряемая система спутникового межевания имеет отличительную  особенность от систем, применяемых в мире, отражающую современное социально-экономическое положение страны. Сегодня в России развивается технология, включающая в себя создание в полевых условиях кадастровых карт (планов),

формирование ЗИС или  ГИС, инвентаризацию земель, решение  других задач по обустройству территорий с использованием ОРЗ-технологий.¹

Глава 1. Теоретические  основы

1. Краткий обзор развития аэрокосмических съемок

Начальный период. Начало наблюдений и фотографирования с воздуха  относится к середине позапрошлого века. Французский военный офицер Гаспар Турнашон (Надар) в 1859 г. сфотографировал деревню неподалеку от Парижа с воздушного шара, в России первые фотоснимки, также с воздушного шара, выполнены в 1886 г.

начальником воздухоплавательной команды военного ведомства поручиком А. М. Кованько.

Спустя почти два  месяца член Русского технического общества Л. Н. Зверинцев произвел фотографирование Петербурга и острова Котлин. Шар унесло в открытое море. Зверинцев писал: «Находясь за Кронштадтом на большой высоте 2500 м, мы были поражены, несмотря на всю затруднительность собственного положения, увидев под собой прекраснейшую карту мелей, глубокой воды и фарватера. Все это считывалось отчетливо... Казалось, перед нами внизу была раскинута гигантская карта мелей, иллюминированная искусным чертежником... Вот, несомненно, новая задача фотографии... Недалеко то время, когда будет казаться странным, как могли так долго обходиться без воздушных снимков» ².

Первая мировая война  послужила толчком к быстрому развитию съемок с самолетов и переходу от отдельных фотографий с воздуха к практическому использованию аэроснимков. В 1916 г. в русской армии при разведывательных отделениях штабов были сформированы специальные фотометрические (впоследствии фотограмметрические) части. В их задачу входило дешифрирование аэроснимков, перенос результатов на карту и размножение дополненных таким образом карт. Следующий шаг в использовании снимков связан с созданием подполковником М.В.Потте первого автоматического аэрофотоаппарата, съемка которым выполнялась не на светочувствительные стеклянные пластины, а на фотопленку.

1920-е годы. После окончания войны в Великобритании, Франции, США, а несколько позже и в Германии опыт, накопленный военными, стал распространяться и на области хозяйственной деятельности.

В нашей стране началом  применения аэросъемки для нужд народного хозяйства можно считать 1918 г., когда было выполнено фотографирование местности в районе г. Твери на площади 100 км². Принятый в марте 1919 г. Декрет об учреждении Высшего геодезического управления послужил толчком к быстрому развитию аэросъемок. Было создано Аэрофототопографическое отделение, которое выполняло опытно-производственные работы по использованию аэрофотоснимков в картографических целях, положив начало их планомерному и систематическому использованию. В 1924 г. ставится задача использовать аэрофотоснимки при создании топографических карт неисследованных районов, тогда же проведены первые аэрофотосъемки для нужд лесоустройства и дорожного строительства.

1930-е годы. В этот период аэрофотоснимки стали применяться в геологии, для изучения, таксации и эксплуатации лесов, а так же при изучении Арктики. К этому же времени относится первый опыт использования аэрофотоснимков для изучения пустынь, рек, болот, рельефа. Аэросъемка становится новым орудием для работы в труднодоступных районах.

1940-е годы. Вторая мировая война дала новый импульс развитию методов получения и интерпретации снимков с воздуха. Появляется спектрозональная пленка (в американской литературе принят термин «цветная инфракрасная»), использование которой позволяло отделить вегетирующую растительность от окрашенной в зеленый цвет военной техники. В это время проводятся первые опыты применения радиолокаторов для исследования местности с воздуха. В последующие десятилетия технология радиолокационной съемки развивалась исключительно быстрыми темпами.

В Советском Союзе даже во время Великой Отечественной  войны 1941 — 1945 гг. активно велись начатые ранее работы по топографическому картографированию. В 1949 г. было закончено составление топографической карты масштаба 1:100 000. Этот выдающийся успех в изучении и картографировании территории всей страны был отмечен золотой медалью Географического общества. Он стал возможен благодаря применению аэрометодов, в частности камерального дешифрирования аэрофотоснимков при составлении листов карты на малоисследованные восточные районы страны. С этого времени дешифрирование снимков становится обязательным процессом в технологической схеме топографического картографирования.

В развитии методов специальных  исследований и тематического картографирования важную роль сыграла организация в 1944 г. Лаборатории аэрометодов Академии наук СССР (ныне Всероссийский научно-исследовательский институт космоаэрометодов в Санкт-Петербурге). В разные годы в Лаборатории были выполнены фундаментальные исследования по дешифрированию растительности, особенно лесов и болот, геологическому, ландшафтному дешифрированию. До настоящего времени остаются не превзойденными по глубине и всесторонней проработке исследования в области применения аэрометодов для изучения моря и морского шельфа.

1950-е годы. В этот период разработанные в военных целях методики съемки и дешифрирования становятся достоянием широкого круга исследователей и производственников. Расширяется круг отраслей науки и практики, в которых применяются аэрофотоснимки, совершенствуется методика их дешифрирования.

1960-е годы — период обобщения опыта, накопленного ранее. В это время разрабатываются основы дешифрирования снимков как метода географического исследования. Ландшафтный подход, или ландшафтный метод, становится основным при географическом изучении территории по аэроснимкам. Наиболее широкое развитие он получил при гидрогеологических изысканиях, при почвенном и геоботаническом картографировании.

Важнейшее событие этого  периода, знаменующее новый этап в развитии аэрокосмических методов, — получение первых фотографических и телевизионных снимков из космоса. Оно послужило толчком к разработке новых типов съемочных систем. В США и почти одновременно в Советском Союзе разрабатывается новый принцип регистрации солнечного излучения и создаются новые съемочные оптико-электронные системы — сканеры. Внедрение регистрации излучения на магнитную пленку, облегчающее кодирование информации, послужило стимулом для разработки методов автоматизированного дешифрирования снимков. В эти же годы начинается создание способов синхронной съемки в нескольких спектральных зонах оптического диапазона — многозональной съемки. Одна из первых публикаций о ней была подготовлена в лаборатории аэрометодов кафедры картографии МГУ и появилась в начале 1960-х годов³ .

1970-е годы характеризуются вхождением в жизнь и все более широким применением космических методов.

В 1971 г. в нашей стране были получены из космоса фотографические снимки масштаба около 1:2 000 000, долгое время не имевшие аналогов по детальности изображения. Съемку осуществил экипаж орбитальной станции «Салют», трагически погибший при возвращении на Землю. В 1972 г. США вывели на орбиту автоматический спутник Ландсат, на котором был установлен сканер, обеспечивавший получение многозональных снимков в четырех зонах видимого и ближнего инфракрасного участков спектра с размером элемента изображения 57x79 м на местности и предназначавшийся для изучения природных ресурсов.

С этого момента развитие космических съемок в оптическом диапазоне идет в двух направлениях: наша страна имеет приоритет в развитии фотографических систем, а США и впоследствии европейские и некоторые азиатские страны — оптико-электронных.

Как в 1940-х годах аэросъемка послужила толчком к совершенствованию методов топографического картографирования, так в 1970-х широкое применение космических снимков знаменовало новый этап в развитии тематического, в том числе комплексного картографирования. Можно считать, что именно к этому времени относится формирование принципа многовариантности, «множественности» в получении и использовании снимков: съемка с раз ной высоты, разные носители, масштабы, участки спектра, в которых регистрируется излучение, разнообразные методы обработки получаемой информации.

1980-е годы — период совершенствования способов получения и широкого применения аэрокосмической информации во всех областях изучения и картографирования поверхности Земли. В связи с все более широким внедрением в практику персональных компьютеров и геоинформационных технологий происходит развитие методов компьютерной обработки снимков.

Конец XX — начало XXI в. ознаменовались скачком в развитии способов получения космической информации. Достижения в области волоконной оптики сделали возможным существенное улучшение пространственного и спектрального разрешения оптико-электронных съемочных систем. Сканеры с нескольких спутников разных стран получают космическую информацию с размером пиксела от первых метров до 15 м и не в 3—4 каналах, как это было принято раньше, а в 7-15. Появились спектрометры, выполняющие гиперспектральную съемку в 32—200 каналах.

Характерная черта этого  периода — появление в широком  пользовании материалов космической съемки, выполнявшейся в предыдущие десятилетия военными организациями России и США, так называемых конверсионных снимков с размером пиксела 1—2 м.

Доступность для исследователей космической информации высокого разрешения привела к тому, что использование аэрофотоснимков для тематического картографирования стало малоэффективным. Для последних лет характерно все более широкое внедрение компьютерного дешифрирования снимков, которое в большой мере обусловлено распространением и доступностью снимков, полученных электронно-оптическими системами и распространяемых в цифровом виде.

1.2 Дистанционное зондирование.

Дистанционное зондирование, сбор информации об объекте или явлении с помощью регистрирующего прибора, не находящегося в непосредственном контакте с данным объектом или явлением. Термин «дистанционное зондирование» обычно включает в себя регистрацию (запись) электромагнитных излучений посредством различных камер, сканеров, микроволновых приемников, радиолокаторов и других приборов такого рода. Дистанционное зондирование используется для сбора и записи информации о морском дне, об атмосфере Земли, о Солнечной системе. Оно осуществляется с применением морских судов, самолетов, космических летательных аппаратов и наземных телескопов. Науки, ориентированные на полевые работы, к числу которых относятся такие, как геология, лесоводство и география, также обычно используют дистанционное зондирование для сбора данных в целях проведения своих исследований.

Техника и технология.

Дистанционное зондирование охватывает теоретические исследования, лабораторные работы, полевые наблюдения и сбор данных с борта самолетов и искусственных спутников Земли. Теоретические, лабораторные и полевые методы важны также для получения информации о Солнечной системе, и когда-нибудь их начнут использовать для изучения других планетных систем Галактики. Некоторые наиболее развитые страны регулярно запускают искусственные спутники для сканирования поверхности Земли и межпланетные космические станции для исследований дальнего космоса. Системы дистанционного зондирования. В системе такого типа имеются три основных компонента: устройство для формирования изображения, среда для регистрации данных и база для проведения зондирования. В качестве простого примера такой системы можно привести фотографа-любителя (база), использующего для съемки реки 35-мм фотоаппарат (прибор-визуализатор, формирующий изображение), который заряжен высокочувствительной фотопленкой (регистрирующая среда). Фотограф находится на некотором расстоянии от реки, однако регистрирует информацию о ней и затем сохраняет ее на фотопленке.

Устройства формирования изображений, регистрирующая среда и база. Приборы, формирующие изображения, делятся  на четыре основные категории: фото- и  кинокамеры, многоспектральные сканеры, радиометры и активные радиолокаторы. Современные однообъективные зеркальные фотокамеры создают изображение, фокусируя ультрафиолетовое, видимое или инфракрасное излучение, приходящее от объекта, на фотопленке. После проявления пленки получается постоянное (способное сохраняться длительное время) изображение. Видеокамера позволяет получать изображение на экране; постоянной записью в этом случае будет соответствующая запись на видеоленте или фотоснимок, сделанный с экрана. Во всех других системах визуализации изображений используются детекторы или приемники, обладающие чувствительностью на определенных длинах волн спектра. Фотоэлектронные умножители и полупроводниковые фотоприемники, используемые в сочетании с оптико-механическими сканерами, позволяют регистрировать энергию ультрафиолетового, видимого, а также ближнего, среднего и дальнего ИК-участков спектра и преобразовывать ее в сигналы, которые могут давать изображения на пленке. Энергия микроволн (диапазон сверхвысоких частот, СВЧ) подобным же образом трансформируется радиометрами или радиолокаторами. В сонарах для получения изображений на фотопленке используется энергия звуковых волн.

Приборы, используемые для визуализации изображений, размещают на различных  базах, в том числе на земле, судах, самолетах, воздушных шарах и  космических летательных аппаратах. Специальные камеры и телевизионные системы повседневно используются для съемки представляющих интерес физических и биологических объектов на земле, на море, в атмосфере и космосе. Специальные камеры замедленной киносъемки применяются для регистрации таких изменений земной поверхности, как эрозия морских берегов, движение ледников и эволюция растительности.

Глава 2.Аэрофотограмметрические  методы съемки

2.1 Материалы аэрокосмических  съемок.

Возможности получения  нужной и качественной информации с использованием аэрокосмических снимков в существенной степени зависят от используемых материалов. В настоящее время арсенал аэрокосмической информации велик по количеству и разнообразен по составу. Возможна систематизация данных дистанционного зондирования по нескольким основаниям:

■=> по высоте, с которой  выполнена съемка, различают аэроснимки, полученные с высоты преимущественно от 500 до 10 000 м, но не более 30 000 м; космические снимки —- с высоты более 150 км;

■=>   по масштабу и  пространственному разрешению;

 ■=>  по диапазону регистрируемого излучения;

■=>   по технологическим  способам получения снимков.

Аэросъемка выполняется  в основном с самолетов. Для съемки с малых высот (100—1000 м), предназначенной только для дешифрирования, иногда используют вертолеты, а также радиоуправляемые модели. Последние годы предпочтение отдается легким самолетам. Благодаря оснащению современным оборудованием, позволяющим определять координаты каждого снимка, появилась возможность использовать полученные снимки не только для дешифрирования, но и для фотограмметрической обработки. Основной объем аэросъемочных работ в нашей стране выполняется с самолета-аэросъемщика АН-30 в интервале высот 3000—6000 м. Для съемки с высот около 10 000 м используют переоборудованные пассажирские самолеты.

Космические снимки получают с автоматических спутников, космических  кораблей и пилотируемых орбитальных  станций с высот 180—400 км и с автоматических искусственных спутников, орбиты которых располагаются на высоте около 600 и 900 км (ресурсные спутники), 900—1400 км (метеорологические) и 36 000— 40 000 км (стационарные) от поверхности Земли.

Аэроснимки и космические  снимки имеют важные различия. Аэроснимки в настоящее время получают в основном так же, как и в течение полутора столетий, — способом фотографирования. Их преимущества — очень высокая детальность и оперативность, когда речь идет о небольших по площади территориях.

Космические снимки со времени  их появления приобретают все большее значение, что связано с их особыми свойствами. Большая обзорность дает возможность изучать Землю не только в региональном, но и в зональном глобальном масштабе, обеспечивает одновременную фиксацию состояния объектов на обширных территориях. Комплексное отображение компонентов геосферы (включая атмосферу) обеспечивает изучение взаимосвязей процессов и явлений, происходящих в ней. Более высокая по сравнению с аэроснимками генерализация изображения позволяет увидеть объекты, которые из-за большой протяженности не находят отражения на аэроснимках. Регулярная повторяемость космических съемок важна для изучения объектов и явлений в их динамике.

2.2   Масштаб и пространственное разрешение

На протяжении всей истории  развития аэросъемки показателем детальности изображения на снимках служил масштаб. Аэроснимки, как правило, подвергаются обработке (дешифрированию или измерительной обработке) в масштабе съемки, т.е. используются оригинальные негативы или позитивы на бумаге и пленке, изготовленные способом контактной печати. Увеличенные отпечатки аэроснимков используются редко, в то же время применяемые для обработки аэроснимков приборы рассчитаны на рассматривание с увеличением. Как правило, соотношение между масштабами аэроснимков и составляемой карты не превышает 3:1, а чаще масштаб снимка в 2 раза крупнее масштаба карты или близок к нему. Масштабный ряд аэрофотоснимков в зависимости от характера использования можно разделить на несколько групп (табл. 1).

В противоположность аэроснимкам  большинство космических снимков дешифрируется не в масштабе съемки, а со значительным увеличением: оригинальный масштаб космического снимка может быть в три—пять и даже 10 раз мельче масштаба составляемой по нему карты. При космической съемке кроме традиционного фотографического широкое развитие получили оптико-электронные способы. По отношению к снимкам, полученным такого рода съемочными системами, понятие масштаба весьма условно,

Классификация аэрофотоснимков по масштабу

так как преобразование электронного сигнала в изображение  на экране монитора или в оптическую плотность негатива (фотоотпечатка) в принципе возможно в разных масштабах.

Вследствие этого для космических снимков важен не столько масштаб, сколько пространственное разрешение.

Для характеристики детальности  аэрокосмических материалов широко используется величина пространственного разрешения, т.е. размер на местности самой малой детали, воспроизведенной на снимке. Разрешение аэроснимков очень высокое и практически никогда не лимитирует распознавание географических объектов. По отношению же к космическим снимкам эта характеристика является очень важной, так как их разрешение варьирует от нескольких дециметров до нескольких километров (табл. 2) и объясняется различием требований, предъявляемых к снимкам при решении разных задач.

Пространственное разрешение фотографических снимков зависит от высоты съемки, свойств объектива съемочной камеры, разрешающей способности негативной пленки и фотобумаги. Разрешение снимков, полученных оптико-электронными съемочными системами (сканерами), определяется размером элемента изображения, пиксела:

R=s , где s — размер пиксела в метрах.

Изображение на снимке малых объектов зависит от нескольких факторов. Один из них — контраст изображения. Резко выделяющиеся на фоне соседних объекты на снимке воспроизводятся даже при меньших размерах, чем малоконтрастные. Для изображения на снимке малоконтрастные объекты должны иметь гораздо большие размеры.

Объекты разной формы по-разному воспроизводятся на снимке. Поясним это примером. Если на мелкомасштабном (относительно низкого разрешения) снимке изобразились линейные объекты

Классификация космических снимков по пространственному разрешению

                                                                                                              Таблица 2

некоторой ширины, то площадные  объекты такой же ширины видны не будут. Их изображение можно различить только в случае, если масштаб снимков будет крупнее (или разрешение лучше) в два—четыре раза. Примерно так же обстоит дело по отношению к площадным объектам компактной и сложной формы.

Размеры очень ярких  малых объектов на фотографических  снимках изображаются преувеличенными за счет так называемого пограничного эффекта, т.е. засвечивания соседних зерен эмульсии. Это особенно хорошо иллюстрируется на примере линейных объектов: очень светлые дороги или реки в области блика на темном фоне оказываются шире своего истинного размера, а темные такой же ширины могут пропадать на ярком фоне.

При визуальном дешифрировании цветных снимков нужно иметь в виду, что зрительные анализаторы различают самые малые объекты как ахроматичные, поэтому цвет объекта на снимке определяется при размере в два-три раза большем, чем тот, при котором возможно его обнаружение. Так, на аэроснимке относительно крупные объекты, например отдельные сельскохозяйственные поля, хорошо различаются по оттенкам цвета. На космическом снимке размеры тех же объектов, если они близки к величине разрешения, изображаются без различий в цвете.

2.3 Диапазон регистрируемого излучения

Аэрокосмические снимки фиксируют  излучение в разных частях оптического, теплового инфракрасного и радиодиапазонов спектра.

В видимой (0,4—0,7 мкм) и ближней инфракрасной (0,7—3,0 мкм) областях спектра регистрируется отраженная солнечная радиация. Основное количество выполненных съемок относится к участку спектра 0,4-1,3 мкм, характеризующемуся большой прозрачностью атмосферы. Фотографические снимки получают в интервале 0,4-0,9 мкм, а применение оптико-электронных систем позволяет расширить его до 1,3 мкм. В настоящее время конструкция некоторых съемочных систем, работающих в оптическом диапазоне, предусматривает регистрацию отраженной радиации и в участке спектра 1,5—3,0 мкм.

В тепловом инфракрасном диапазоне (3-1000 мкм) регистрируется собственное излучение Земли. На снимках, получаемых инфракрасными (тепловыми) радиометрами, изображаются температурные различия объектов. Из-за экранирующего влияния атмосферы съемка возможна лишь в нескольких участках этого широкого диапазона: 3-5, 8-14 и 30-80 мкм. На интервал 10-12 мкм приходится максимум теплового излучения Земли, поэтому он чаще всего используется для съемок.

Пространственное разрешение этих снимков различно: от 1-5 км при  съемке с метеорологических спутников до 60-600 м — с ресурсных. Температурное разрешение составляет десятые доли градуса.

Преимущественное использование  снимков в тепловом инфракрасном диапазоне — изучение температурного режима Мирового океана и температуры облачного покрова, знание которой необходимо для метеорологических прогнозов.

По космическим снимкам  высокого пространственного разрешения и по аэроснимкам определяют:

■=>   термальные источники;

■=>проявления вулканической активности;

■=>   очаги возгорания в лесах и на торфяниках;

■=>термальные загрязнения: утечки тепла в сооружениях и теплопроводах, сброс промышленных вод.

На снимках в тепловом инфракрасном диапазоне через температурные различия находят отражение различия во влажности почв или грунтов, что обусловило все более широкое применение съемки

в этом диапазоне. Такие снимки, дополняя снимки в оптическом диапазоне, повышают надежность дешифрирования объектов.

В радиодиапазоне (1 мм —10 м) фиксируется как собственное излучение Земли, так и отраженное земной поверхностью искусственное излучение, создаваемое радиолокационной станцией. В наиболее коротковолновом участке радиодиапазона (1 мм—1 м), называемом микроволновым, регистрируются радиояркостные температуры. Радиотепловой (или микроволновый) снимок регистрирует собственное излучение земной поверхности, его получают методом сканирования. На таких снимках различаются объекты с разными излучательными свойствами, в частности, почвы отличаются по влажности, воды по степени солености и т.д. Уверенно различается при радиотепловой съемке возраст морских льдов. Пространственное разрешение микроволновых снимков очень низкое — 10—20 км, широкого применения они пока не нашли.

Радиолокационная  съемка прочно вошла в арсенал средств, используемых при изучении природных ресурсов. Ее преимущества заключаются, во-первых, во всепогодности: качество съемки не зависит от уровня естественной освещенности, времени суток, метеорологических условий, что является основным условием для организации регулярного мониторинга, особенно районов, постоянно закрытых облачностью. Во-вторых, радиосигнал в зависимости от его частоты и характера грунта частично проникает на глубину. Пространственное разрешение радиолокационных снимков близко к разрешению снимков в видимом и ближнем инфракрасном участках спектра.