Аэрокосмический мониторинг и данные дистанционного зондирования

Одним из основных источников данных для экологического мониторинга являются материалы дистанционного зондирования (ДЗ). Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей:

• космические (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового использования, автономные спутниковые съемочные системы и т.п.);

• авиационного базирования (самолеты, вертолеты и микроавиационные радиоуправляемые аппараты) и составляют значительную часть дистанционных данных (remotely sensed data) как антонима контактных (прежде всего наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектом съемки.

• к неконтактным (дистанционным) методам съемки, помимо аэрокосмических, относятся разнообразные методы морского (наводного) и наземного базирования, включая, например, фототеодолитную съемку, сейсмо, электромагниторазведку и иные методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съемки рельефа морского дна с помощью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на регистрации собственного или отраженного сигнала волновой природы.

Дистанционное зондирование осуществляется специальными приборами – датчиками. Датчики могут быть пассивными и активными, причем пассивные датчики улавливают отраженное или испускаемое естественное излучение, а активные способны сами излучать необходимый сигнал и фиксировать его отражение от объекта.

К пассивным датчикам относятся оптические и сканирующие устройства, действующие в диапазоне отраженного солнечного излучения, включая ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны.

К активным датчикам относятся радарные устройства, сканирующие лазеры, микроволновые радиометры и др. В настоящее время в области разработки оперативных космических электронных систем дистанционного зондирования наметилась тенденция к комбинированному использованию различных многоканальных, многоцелевых датчиков с высоким разрешением, включая всепогодное оборудование. Наряду с этим по-прежнему используются неоперативные космические системы с панхроматическим фотооборудованием и многоспектральными фотокамерами, обеспечивающими высокое разрешение и геометрическую точность.

Результаты дистанционных измерений, осуществляемых с помощью бортовой информационно-измерительной аппаратуры аэрокосмической системы, представляют собой регистрацию в аналоговой или цифровой форме характеристик электромагнитного излучения, отраженного от участков земной (водной) поверхности или собственного излучения этих участков.

В условиях облачности, покрывающей 70-80% поверхности Земли, зондирование в микроволновом диапазоне позволяет регистрировать излучение сквозь облака, при этом в миллиметровом и сантиметровом диапазонах еще необходимо учитывать влияние атмосферы, а в дециметровом диапазоне в этом нет необходимости.

Снимки в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах наиболее многочисленны и находят широкое применение [11, 50]. В 70-80-х гг. фотоспутники «Ресурс-Ф», «Облик», «Комета» обеспечивали отечественных потребителей космическими снимками с лучшими в мире характеристиками и в достаточном объеме. «Золотой век» космической фотографии закончился в начале 90-х гг. Постепенно запуски практически прекратились. Соответственно почти иссяк единственный отечественный источник космических снимков высокого разрешения. В настоящее время производятся крайне редкие и нерегулярные запуски фотоспутников. Аналогичная участь постигла и радиолокационные системы. В настоящее время идёт интенсивное восстановление аналогичных систем.

При высоком качестве изображения фотографические съемки выполняются не систематически; лишь в отдельных случаях возможно получение повторных снимков на одну и ту же территорию. Из-за эпизодичности съемок и трудностей, связанных с облачностью, регулярное покрытие территории таким видом съемки пока не обеспечивается. Поэтому приходится обращаться к снимкам других типов - телевизионным и сканерным снимкам со спутников двойного назначения и ресурсных спутников.

Эти снимки бывают нескольких видов:

• малого разрешения 1 км (NOAA, США) и более;

• среднего разрешения 150-200 м (Ресурс-0, Метеор-Природа);

• высокого разрешения от 5 (SPOT) до 30-40 м (Landsat ТМ, Ресурс-0 и др.);

• сверхвысокого разрешения от 0,6 до 5 м (QuickBird-2, США; TES, Индия; Ikonos, США и др.).

В 2001 г. произошло событие, которое знаменует собой новый этап развития космических средств ДЗ, коммерческие системы приблизились к «полуметровому рубежу» пространственного разрешения. Этому способствовал запуск 18 октября 2001 г. космического аппарата QuickBird-2. Максимальная протяженность одного маршрута – 10 кадров, что при размере одного кадра 16,5 × 16,5 км составляет 165 км. Максимальная площадь земной поверхности, которую можно отснять за один цикл площадной съемки, 2× 2 кадра.

С запуском 22 октября 2001 г. экспериментального спутника TES (Test Evaluation Satellite) Индия также стала космической державой, создавшей спутник со съемочной аппаратурой метрового разрешения. КА TES создан по заданию Министерства обороны Индии.

Основной полезный груз спутника – панхроматическая оптико-электронная система, позволяющая получать изображения с пространственным разрешением 1 м. Спутник может производить высокодетальную съемку одного и того же участка местности каждые три дня, получать несколько снимков одного и того же сюжета на одном витке.

На сканерных снимках хорошего качества, особенно на цветных синтезированных, в целом выделяются те же объекты, что и на фотографических снимках, но при этом обеспечивается регулярная повторяемость съемки и удобство автоматизированного ввода в базы данных, поскольку они поступают в цифровом виде.

После долгого перерыва в России в 2002 г. был запущен КА «Метеор-3М» №1. На нем наряду с традиционным для метеоспутников набором съемочной аппаратуры низкого разрешения установлена камера МСУ-Э с пространственным разрешением 32-38 м.

В последние годы все большее значение придается гиперспектральной съемке. Так, на борту ИСЗ ЕО-1 установлен гиперспектральный датчик Hyperion, который работает в 220 зонах видимой и ИК-области (0,4-2,5 мкм) спектра. Прибор обеспечивает проведение съемок с пространственным разрешением 30 м и высокой радиометрической точностью.

Существенным шагом в развитии технологий космического радиолокационного ДЗЗ стала реализованная в 2000 г. с борта космического корабля Endeavour международная «Программа радиолокационной топографической съемки рельефа в масштабе 1:25000».

Отметим, что для спутников двойного назначения разрешение снимков всегда больше по сравнению с коммерческими спутниками.

Приведём таблицу распределения спектральных каналов и области применения этих каналов (табл. 12.1).

1 канал (голубой):

• наиболее чувствителен к атмосферным газам, и, следовательно, изображение может быть малоконтрастным;

• имеет наибольшую водопроницаемость (длинные волны больше поглощаются), т.е. оптимален для выявления подводной растительности, факелов выбросов, мутности воды и водных осадков;

• полезен для выявления дымовых факелов (т.к. короткие волны легче рассеиваются маленькими частицами);

• хорошо отличает облака от снега и горных пород, а также голые почвы от участков с растительностью.

Таблица 12.1.