Современные концепции дистанционного зондирования земли
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Тульский государственный университет»
Кафедра геоиженерии и кадастра
Курсовая работа
по дисциплине «Аэрокосмические съемки»
на тему:
«СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ»
Тула 2012
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………
1. Общие сведения о дистанционном зондировании……………………………4
1.1. Понятие о дистанционном зондировании………………………………...…4
1.2. Принципы дистанционного зондирования……………………….……..…..6
1.3. Преимущества и недостатки данных дистанционного
зондирования………………………………………………
1.4. История развития методов дистанционного зондирования……………......8
2. Физические основы дистанционного зондирования…………………..….....11
2.1. Электромагнитное излучение и его характеристики……………….…..…11
2.2. Взаимодействие излучения с поверхностью Земли…………………..…...13
2.3. Влияние атмосферы на регистрируемое излучение……………………….16
3. Космические системы изучения природных
ресурсов и мониторинга окружающей среды………………………………………………………….….
3.1. Классификация ресурсных спутников……………………………….….....18
3.2. Система изучения природных ресурсов Земли Landsat……………..……20
3.3. Система изучения природных ресурсов Земли Spot………………...…….24
3.4. Российская космическая система Ресурс………………………….….…...29
4. Применение данных
дистанционного зондирования………
4.1. Использование материалов космических съемок в области землеустройства, кадастра и мониторинга земель…………………………….33
4.2. Составление и обновление карт с помощью
космических снимков……………………………………………………………
4.3. Задачи, решаемые с помощью
космических снимков в
4.4. Космические снимки: решения для лесного хозяйства………….….……40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ…………………………..……..44
Приложение А
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия дистанционное зондирование Земли является интенсивно развивающейся областью исследований. Данные дистанционного зондирования дают колоссальные возможности для исследования процессов, происходящих на планете, для решения проблем комплексного изучения, освоения и рационального использования природных ресурсов. Потребность в них увеличивается из года в год. Особенно быстро развиваются космические технологии: совершенствуются спутники, съемочная аппаратура, методы съемки и обработки снимков. Еще несколько лет назад космические снимки использовались лишь узким кругом специалистов. Сейчас современные технические средства позволяют принимать изображения с искусственных спутников Земли на персональный компьютер, а новейшие программные средства дают возможность быстро обрабатывать эту информацию, вести ее электронные архивы, что делает ее доступной для самого широкого круга пользователей.
Тема курсовой работы «Современные концепции дистанционного зондирования». Данная тема очень актуальна т.к. в настоящее время средства дистанционного зондирования становятся основным источником оперативных пространственных данных для информационного обеспечения важных государственных задач, в том числе ведения кадастровых работ.
Целью курсовой работы является раскрытие темы и ее основных моментов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Рассмотреть понятие дистанционного зондирования;
2. Изучить физические основы дистанционного зондирования;
3. Ознакомиться с основными системами изучения природных ресурсов;
4. Рассмотреть применение данных дистанционного зондирования в области мониторинга окружающей среды и ведения кадастра.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ
1.1. Понятие о дистанционном зондировании
Под дистанционным зондированием понимают процесс или метод получения информации об объекте, участке поверхности или явлении путем анализа данных, собранных без контакта с изучаемым объектом. Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства. Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) – наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. [6]
Примером естественных форм дистанционного зондирования являются зрение, обоняние и слух человека. К методам дистанционного зондирования относят фотографическую съемку, существенным недостатком которой является то, что эмульсионный слой фотопленки чувствителен только к излучению в видимой либо близкой к ней части электромагнитного спектра.
Методы дистанционного зондирования, описанные в данной курсовой работе, основаны на использовании сенсоров, которые размещаются на космических аппаратах и регистрируют электромагнитное излучение в форматах, существенно более приспособленных для цифровой обработки, и в более широком диапазоне электромагнитного спектра: инфракрасный диапазон отраженного излучения, тепловой инфракрасный и радиодиапазон.
Идеальная схема дистанционного зондирования показана на рис. 1. Ее составляющими являются источник электромагнитного излучения, процесс распространения излучения и его взаимодействие с веществом объекта, ответный сигнал, регистрация данных и предоставление их потребителям. В этой модели источник генерирует электромагнитное излучение с высоким уровнем энергии во всем диапазоне длин волн, причем интенсивность излучения является известной величиной, которая не зависит от длины волны. Излучение не взаимодействует с атмосферой и распространяется через нее без потери энергии. Падающее излучение взаимодействует с веществом объекта, в результате чего возникает отраженное либо собственное вторичное излучение, однородное во всем диапазоне длин волн.
Излучение от объекта попадает на сенсор, который регистрирует пространственную информацию. Данные, зарегистрированные сенсором, передаются на наземную станцию, где мгновенно преобразуются в интерпретируемую форму, которая позволяет идентифицировать все части изучаемого объекта по их физическим, химическим и биологическим свойствам. В этом виде данные предоставляются потребителям.
Рис.1 Идеальная схема дистанционного зондирования
На практике идеальной системы дистанционного зондирования не существует в силу следующих причин:
1. Ни один источник не способен обеспечить однородность потока излучения как в пространстве, так и во времени;
2. Из-за взаимодействия излучения с газами атмосферы, молекулами водяного пара и атмосферными частицами изменяется интенсивность излучения и его спектр;
3. Одно и то же вещество при разных условиях может иметь разную спектральную чувствительность;
4. На практике не существует идеального сенсора, с помощью которого можно было бы регистрировать все длины волн электромагнитного спектра;
5. Из-за технических ограничений передача данных и их интерпретация иногда выполняются с задержкой по времени. Формат передаваемых данных также может отличаться от того, который требуется потребителю;
6. Потребители могут не обладать необходимой информацией о параметрах сбора данных ДЗ и не иметь достаточного опыта для их анализа и дешифрирования. [16]
1.2. Принципы дистанционного зондирования Земли
В резолюции № 41/65 Генеральной Ассамблеи ООН от 3 декабря 1986 г. были одобрены «Принципы, касающиеся дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космического пространства». Принципы определяют применимость международного права к деятельности по дистанционному зондированию Земли. Такая деятельность осуществляется в соответствии с международным правом, включая Устав ООН, Договор по космосу (1967 г.) и соответствующие документы Международного союза электросвязи.
В этом документе отмечается, что деятельность по дистанционному зондированию Земли должна осуществляться на благо и в интересах всех стран независимо от уровня их экономического, социального или научно-технического развития. Государства, осуществляющие ДЗЗ, должны содействовать международному сотрудничеству в этой деятельности и предоставлять другим государствам возможность участия в ней. Такое участие в каждом случае должно основываться на справедливых и взаимоприемлемых условиях.
Для получения максимальных
выгод от деятельности по дистанционному
зондированию государства поощряются
к тому, чтобы в соглашениях
или иных договоренностях
Дистанционное зондирование должно содействовать охране природной среды Земли. С этой целью участвующие в деятельности по дистанционному зондированию государства, которые установили, что в их распоряжении имеется информация, способная предотвратить любое вредное для природной среды Земли явление, сообщают эту информацию соответствующим государствам. Дистанционное зондирование должно также содействовать защите человечества от стихийных бедствий. [1]
1.3. Преимущества и недостатки данных дистанционного зондирования
Преимущества. Данные спутниковой съемки содержат полезную информацию, полученную в различных спектральных диапазонах, и, кроме того, сохраняются в цифровом виде. Поскольку космические снимки охватывают большие области, их можно использовать для тематических региональных исследований и идентификации крупных пространственных объектов, в частности, структур рельефа. Регулярная съемка территорий позволяет проводить мониторинг водных ресурсов, агротехнического состояния сельскохозяйственных культур, эродированности почв, развития инфраструктуры городов и других процессов, объектов и явлений, которые изменяются под воздействием природных и антропогенных факторов. С помощью космической съемки достаточно просто получить данные о труднодоступных областях. Еще одним преимуществом ДЗ является возможность получения снимков разного разрешения, что позволяет применять данные ДЗ для решения различных задач в разных предметных областях. Поскольку анализ материалов ДЗ выполняется камерально, требуется меньше полевых исследований, что окупает затраты на приобретение данных. Экономически эффективным является и применение космических снимков для оперативного обновления средне- и мелкомасштабных карт. Цветные изображения, формируемые на основе данных ДЗ в трех спектральных каналах, несут больше информации, чем отдельные наземные или аэрофотоснимки, а стереопары снимков дают возможность проводить трехмерный анализ пространственных объектов. И, наконец, цифровой формат материалов ДЗ и использование компьютеров для их обработки и анализа обеспечивают быстрое получение результатов.
Недостатки. Для их обработки и анализа требуются очень высокая квалификация и большой практический опыт. Использование таких данных становится экономически неэффективным при единичных исследованиях небольших территорий. Космические снимки нельзя использовать для создания планов в инженерных целях. Программное обеспечение, которое применяется для обработки цифровых снимков, также имеет высокую стоимость. Кроме того, если результаты дешифрирования материалов ДЗ не подтверждены полевыми исследованиями, к ним надо относиться с большой осторожностью. [14]
1.4. История развития методов дистанционного зондирования
Понятие дистанционного зондирования появилось в XIX веке вслед за изобретением фотографии, а одной из первых областей, в которых стали применять этот метод, стала астрономия. Впоследствии, дистанционное зондирование начали использовать в военной области для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений. Во время Гражданской войны в США фотоснимки, полученные с помощью неуправляемых летательных аппаратов, служили для наблюдения за перемещением войск, подвозом припасов, ходом фортификационных работ и для оценки эффекта артиллерийских обстрелов. В результате исследований, которые финансировались различными государствами, были разработаны технологии, позволившие создать сенсоры сначала для военных целей, а затем и для гражданского применения этого метода. После Второй мировой войны метод дистанционного зондирования стали использовать для наблюдения за окружающей средой и оценки развития территорий, а также в гражданской картографии. В 60-х годах XX века, с появлением космических ракет и спутников, дистанционное зондирование вышло в космос.
Новая эра дистанционного зондирования
связана с пилотируемыми
Возможности ДЗ в военной области значительно возросли после 1960 года в результате запуска разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON и LANYARD, целью которых было получение фотоснимков с низких орбит. Вскоре были получены стереопары снимков с разрешением 2 метра. Первые спутники работали на орбите от семи до восьми дней, но уже следующие поколения этих аппаратов были способны поставлять данные в течение нескольких месяцев.
В результате осуществления программ пилотируемых полетов, которые были начаты в США в 1961 году, человек впервые высадился на поверхность Луны (1969 г.). Следует отметить программу Mercury, в рамках которой были получены снимки Земли, систематический сбор данных дистанционного зондирования во время проекта Gemini (1965 – 1966 гг.), программу Apollo (1968 – 1975 гг.), в ходе которой велось дистанционное зондирование земной поверхности (ДЗЗ), запуск космической станции Skylab (1973 – 1974 гг.), на которой проводились исследования земных ресурсов, полеты космических кораблей многоразового использования, которые начались в 1981 году, а также получение многозональных снимков с разрешением 100 метров в видимом и близком инфракрасном диапазоне с использованием девяти спектральных каналов.
В Советском Союзе, а затем в России космические программы развивались параллельно космическим программам США. Полет Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года, ставший первым полетом человека в космос, запуски космических кораблей «Восток» (1961 – 1963 гг.), «Восход» (1964 – 1965 гг.) и «Союз», работа на орбите космических станций «Салют» (впервые 19 апреля 1971 года), – это лишь небольшая часть достижений нашей страны в области дистанционного зондирования Земли из космоса. [8]
Первый метеорологический
Первый специализированный спутник был запущен в 1972 году. Он назывался ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) и использовался, в основном, для целей сельского хозяйства. В настоящее время спутники этой серии носят название Landsat. Они предназначены для регулярной многозональной съемки территорий со средним разрешением. Позже, в 1978 году, был запущен первый спутник со сканирующей системой SEASAT, но он передавал данные всего три месяца. Первый французский спутник серии SPOT, с помощью которого можно было получать стереопары снимков, был выведен на орбиту в 1985 году. Запуск первого индийского спутника дистанционного зондирования, названного IRS (Indian Remote Sensing), состоялся в 1988 году. Япония также вывела на орбиту свои спутники JERS и MOS. Начиная с 1975 года, Китай периодически запускал собственные спутники, но полученные ими данные до сих пор находятся в закрытом доступе. Европейский космический консорциум вывел на орбиту свои радарные спутники ERS в 1991 и 1995 годах, а Канада – спутник RADARSAT в 1995 году. [11]
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Основу дистанционного зондирования составляет измерение энергии электромагнитного излучения от различных источников, важнейшим из которых является Солнце. Спектр солнечного излучения содержит все длины волн. В частности, к ним относится диапазон видимого света и ультрафиолетовый диапазон, излучение в котором может быть опасно для здоровья человека.
Множество сенсоров, которые используются в дистанционном зондировании, предназначены для измерения параметров отраженного солнечного света. Другие регистрируют собственное излучение Земли либо сами являются источниками излучения. Для понимания принципов работы этих сенсоров необходимо знание физических основ электромагнитного излучения, его характеристик и того, как происходит взаимодействие излучения с веществом. Эти знания важны и для правильной интерпретации данных дистанционного зондирования. [16]
2.1. Электромагнитное излучение и его характеристики
Электромагнитное излучение можно представить в виде волн или в виде потока фотонов – частиц, каждая из которых несет определенную долю энергии. Для понимания физических основ дистанционного зондирования особенно важным является понятие длины волны . Эту величину определяют как расстояние между двумя последовательными волновыми гребнями и измеряют в метрах или долях метра. Электромагнитные волны (ультрафиолетовые, световые, инфракрасные, радиоволны) имеют разную длину, но распространяются прямолинейно с одинаковой скоростью – скоростью света – и при взаимодействии с веществом подчиняются одинаковым физическим законам.
Все тела при температуре выше абсолютного нуля излучают электромагнитные волны. Последовательность электромагнитных волн, классифицированная по их длинам (или частотам), называется электромагнитным спектром (рис. 2).
Рис. 2 Диапазоны электромагнитного спектра
При дистанционном зондировании используют несколько диапазонов электромагнитного спектра. Ту его часть, в которой применимы законы оптики, называют оптическим диапазоном. [14]
Участок оптических волн (0,001–1000мкм) включает ультрафиолетовый (0,001– 0,4 мкм), видимый (0,4 – 0,8 мкм) и инфракрасный (0,8 – 1000 мкм) диапазоны. Видимый диапазон, в котором глаз способен выделять цветовые различия, делят на семь цветовых зон со следующими названиями цветов и границами, нм: фиолетовый (380 – 450), синий (450 – 480), голубой (480 – 500), зеленый (500 – 560), желтый (560 – 590), оранжевый (590 – 620) и красный (620 – 750). Диапазон инфракрасного (ИК) излучения разделяют на поддиапазоны, мкм: ближний (0,8 – 1,3), средний (1,3 – 3) и дальний (3 – 1000). В ближнем и среднем поддиапазонах преобладает отраженное (солнечное) излучение, а в дальнем, называемом тепловым, собственное излучение Земли. Волны длиной 0,1 – 1 мм часто называют субмиллиметровыми.
Часть спектра, охватывающую ультракороткие радиоволны (1 – 10000 мм), разбивают на диапазоны миллиметровых, сантиметровых, дециметровых и метровых радиоволн. Сантиметровые и дециметровые волны часто объединяют в диапазон радиоволн сверхвысоких частот (СВЧ), в котором выделяют участки, обозначаемые латинскими буквами К, X, С, S, L, Р. Именно в этих участках работает различная радиоэлектронная аппаратура спутников, но каждая на строго фиксированных международными соглашениями длинах волн (или частот). Например, передачу видеоинформации со спутников на наземные пункты приема наиболее часто производят по радиоканалам в так называемых Х- и S-диапазонах на длинах волн соответственно 3 и 11 см, а L-диапазон (длина волны 22 см) отведен для глобальных систем спутникового позиционирования – отечественной ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) и американской GPS (Global Positioning System). Нередко миллиметровые, сантиметровые и дециметровые радиоволны собственного излучения Земли относят к одному диапазону, называемому микроволновым.
Наибольшие длины волн, которые используют при дистанционном зондировании, принадлежат тепловому инфракрасному и микроволновому диапазонам. Тепловое инфракрасное излучение содержит информацию о температуре поверхности, которая может быть связана, например, с минеральным составом пород или с определенной растительностью. Микроволновый диапазон используют для получения информации о шероховатости и других свойствах поверхности, в частности о содержании влаги. [9]
2.2. Взаимодействие излучения с поверхностью Земли
Основным естественным источником освещения земной поверхности является Солнце, которое излучает различные электромагнитные волны – от ультрафиолетовых до радиоволн. Основная энергия приходится на излучение с длинами волн 0,3 – 3 мкм, причем максимум энергии – на волны длиной около 0,5 мкм.
Различают три основных типа взаимодействия падающего электромагнитного излучения с объектами на поверхности Земли: отражение, поглощение и пропускание (рис. 3).
Рис. 3 Взаимодействие излучения с поверхностью Земли
Свойства отраженного, поглощенного и пропущенного излучения различаются для разных объектов на поверхности Земли и зависят от вещества объекта и физических условий, в которых он находится. Эти различия и позволяют идентифицировать объекты на снимке. Даже у объектов одного типа соотношение между поглощенным, отраженным и пропущенным излучением зависит от длины волны.
Поскольку множество систем дистанционного зондирования работает в тех спектральных диапазонах, где доминирует отраженное излучение, отражательные свойства различных объектов играют очень важную роль при их идентификации.
Отражательные свойства земной поверхности можно охарактеризовать, измерив относительную долю энергии отраженного излучения как функцию длины волны. Эта функция называется спектральной отражательной способностью и определяется как отношение энергии отраженного излучения к энергии падающего излучения. [5]
По спектральной яркости в видимом диапазоне все объекты земной поверхности делят на несколько классов, каждый из которых отличается по характеру спектральной отражательной способности.
I. Горные породы и почвы характеризуются увеличением коэффициентов спектральной яркости по мере приближения к красной зоне спектра. Спектральная яркость горных пород зависит от входящих в их состав минералов и элементов, а почв – от содержания соединений железа и гумуса. На отражательную способность горных пород влияют также запыленность, различные поверхностные выцветы и корки. При повышении влажности почв их яркость уменьшается (при полном насыщении водой – в два раза), но характер кривой спектральной отражательной способности не меняется.
II. Растительный покров отличается характерным максимумом отражательной способности в зеленой (0,55 мкм), минимумом – в красной (0,66 мкм) и резким увеличением отражения в ближней инфракрасной зоне. Низкая отражательная способность вегетирующих растений в красной зоне связана с поглощением, а ее увеличение в зеленой зоне – с отражением этих лучей хлорофиллом. Большие коэффициенты яркости в ближней инфракрасной зоне объясняются пропусканием этих лучей хлорофиллом и отражением их от внутренних тканей листа. Спектральная яркость растений меняется с их возрастом: она выше у молодых растений и ниже у находящихся в стадии полной зрелости. Из всех объектов суши растительный покров имеет наиболее информативные спектральные характеристики, которые чутко реагируют на его изменчивость.
III. Водные поверхности характеризуются самыми низкими значениями и монотонным уменьшением отражательной способности от сине-фиолетовой к красной зоне спектра, поскольку длинноволновое излучение сильнее поглощается водой. Отражательная способность водных объектов сильно зависит от содержания в воде фитопланктона и ее загрязнения – наличия взвешенных частиц, нефтяной пленки и т.д.
IV. Снежный покров обладает наиболее высокими значениями коэффициентов спектральной яркости с небольшим их понижением в ближней инфракрасной зоне спектра. Загрязнение снега и содержание в нем воды также приводят к изменениям отражательной способности. При насыщении снега водой отражение ближнего и среднего инфракрасного излучения резко падает. Близки к этому классу по характеру отражения облачные образования, которые имеют несколько узких полос поглощения в длинноволновой части спектра.
Таким образом, спектральная
отражательная способность
2.3. Влияние атмосферы на регистрируемое излучение
Излучение, прежде чем попасть на регистрирующий прибор, расположенный на некоторой высоте над земной поверхностью, должно пройти сквозь атмосферу – смесь газов, в которой взвешены твердые и жидкие частицы. Основная масса атмосферы сосредоточена в нижних приземных слоях (до 10 км). Выделяют три основных типа взаимодействия излучения с атмосферой: поглощение, перенос и рассеивание. Излучение, прошедшее через атмосферу, затем отражается или поглощается земной поверхностью.
При распространении
электромагнитного излучения
Рис. 4 Прозрачность атмосферы для оптических и радиоволн
Большое окно прозрачности в зоне 50 мкм в аэрокосмическом зондировании пока не используется из-за отсутствия приемников излучения. В микроволновом диапазоне при длинах волн свыше 1 – 2 мм атмосфера опять становится прозрачной. Метровые радиоволны беспрепятственно проходят всю толщу атмосферы. С дальнейшим увеличением длины радиоволн усиливается их отражение от ионизирующих слоев атмосферы и волны с длиной волны свыше 10 м уже не могут проникнуть сквозь ионосферу. Для радиоволн этих длин атмосфера полностью непрозрачна.
Причиной рассеивания
является изменение направления
распространения
3. КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Информацию о расположенных на земной поверхности объектах и их свойствах можно получить, измеряя параметры собственного излучения Земли и отраженного электромагнитного излучения Солнца, которые зависят от физических, химических и биологических свойств изучаемых объектов. Измерения проводят с помощью сенсоров, которые устанавливают на стационарных или движущихся платформах. Для решения разных прикладных задач используют разные сенсоры, а платформами для их размещения могут служить искусственные спутники Земли.
Космические платформы, в качестве которых используют искусственные спутники Земли, предназначены, прежде всего, для периодической съемки изучаемой территории. В данный момент работает около 15 спутников. Съемка производится в широком спектральном диапазоне и с различным пространственным разрешением от долей метра до нескольких километров. Благодаря этому космические снимки нашли широкое применение в самых разных областях научной и хозяйственной деятельности. [8]
3.1. Классификация ресурсных спутников
В космических системах изучения природных ресурсов Земли в качестве основных сенсоров дистанционного зондирования используются оптические камеры, обеспечивающие высокое пространственное разрешение получаемых снимков в полосе обзора около 100 км. Различают три основных типа оптических датчиков ДЗЗ: телевизионные камеры, оптические камеры с механическим сканированием, оптико-электронные камеры на ПЗС.