Министерство образования и науки Российской Федерации
Казанский (Приволжский) Федеральный Университет
Факультет географии и экологии
Кафедра общей экологии
ДДЗЗ как источник информации для баз геоданных
Казань 2010 г.
Данные дистанционногозондирования – данные о поверхности Земли, объектах, расположенных на ней или в еенедрах, полученные в процессе съемок любыми неконтактными, т.е. дистанционнымиметодами. По сложившейся традиции, к ДДЗ относят данные, полученные с помощьюсъемочной аппаратуры наземного, воздушного или космического базирования,позволяющей получать изображения в одном или нескольких участкахэлектромагнитного спектра. Характеристики такого изображения зависят от многихприродных условий и технических факторов. К природным условиям относятся сезонсъемки, освещенность снимаемой поверхности, состояние атмосферы и т.д. Косновным техническим факторам — тип платформы, несущей съемочную аппаратуру,тип сенсора; метод управления процессом съемки; ориентация оптической осисъемочного аппарата; метод получения изображения. Главные характеристики ДДЗопределяются числом и градациями спектральных диапазонов; геометрическимиособенностями получаемого изображения (вид проекции, распределение искажений),его разрешением.
Дистанционное зондирование — не новыйметод. В течение многих десятилетий человек поднимался над Землей, чтобынаблюдать ее с большого расстояния и узнать, таким образом, еще больше о ней.Для этой цели широко использовалась аэрофотосъемка, а со временем появилисьновые виды съемки, использующие для дистанционного зондирования фотографическиедатчики.
Благодаря последним достижениям в областиискусственных спутников, несущих системы датчиков слежения за Землей, сталовозможным использование огромного количества фотографий и других видовинформации о поверхности Земли, которые помогут в решении таких задач, какснижение острой нехватки продуктов, управление и контроль за загрязнениемокружающей среды, увеличение запасов естественных ресурсов и планирование ростагородов. С точки зрения этих задач спутниковые данные имеют большое значениепри условии, что их большой объем быстро и экономично будет сведен к полезнойинформации. Современные быстродействующие цифровые ЭВМ хорошо приспособлены длярешения задач сокращения данных, а слияние таких вычислительных методов сновыми системами наблюдения уже позволило получать точную текущую информацию обокружающем нас мире. Результат синтеза — количественный метод дистанционногозондирования.
Для анализа данных дистанционного зондирования наиболее удобны географические информационные системы (ГИС), позволяющиеэффективно работать с пространственно-распределенной информацией (картами, планами, аэрокосмическими изображениями, схемами в сочетании с текстом, таблицами и др.). С данными такого рода приходится иметь дело практически в любой сфере деятельности. Это может быть карта природных ресурсов, результаты экологического мониторинга территории, атлас земельного кадастра, план городскихкварталов, схема движения транспорта и др. ГИС позволяет накапливать, интегрировать и анализировать информацию, оперативно находить нужные сведения и отображать их в удобной для использования форме, оценивать геометрические характеристики объектов (длину улицы, расстояние между городами).
Большую часть данных дистанционногозондирования составляют снимки, которые дают возможность получения сведений обобъекте в виде изображений в цифровой (данные, передаваемые на наземную станциюпо радиоканалам или фиксируемые на борту на магнитных носителях) или аналоговой(фотографии) формах. Цифровые данные представляют интегральное излучениеплощадки на земной поверхности, соответствующей элементу изображения – пикселу.Результаты измерения переводятся в дискретные безразмерные цифровые значения,соответствующие характеристикам отражательной способности. Записанныепосредством регистрирующего устройства цифровые значения изменяются в пределахрадиометрического битового диапазона, ширина которого зависит от характеристикдатчика – обычно это интервал 0 – 255. На изображении эти значениясоответствуют оттенкам серой шкалы: 0 представляет абсолютно черный объект, 255– абсолютно белый объект, а промежуточные значения соответствуют различнымоттенкам серого цвета. Всё многообразие объектов ландшафта Е.Л. Кринов разделилна четыре класса, каждый из которых отличается своеобразной кривой спектральнойяркости ( например, 1 класс – горные породы и почвы, характеризуетсяувеличением спектральной яркости по мере приближения к красной областиспектра). Изображения, полученные сканированием. Фотографические снимкинеобходимо для обработки переводить в цифровую форму. Для этого используютсканеры. В большинстве случаев для обработки аэрокосмических снимков используютрастровые ГИС-пакеты, зональные изображения рассматривают в них как слоиинформации наряду с другими слоями БД.
ДДЗ – важнейший источник оперативной исовременной информации о природной среде для тематических слоёв в ГИС, для поддержанияданных в актуальном состоянии.
Подробно:виды орбит искусственных спутников Земли. Параметры орбит. Для каких целей таили иная орбита ИСЗ будет давать преимущества.
Траектория движения искусственного спутника Землиназывается его орбитой. Эллиптическая орбита, по которой вращается спутник (вточке S находится спутник, а в точке G— Земля),характеризуется следующими параметрами: а = АО иb= ОС — большая ималая полуоси эллипса; е= (1 — b2/а2)1/2—эксцентриситет орбиты;угол HGS — угловаякоордината νрадиуса-вектора (так называемая истиннаяаномалия);фокальный параметр р = b2/а; р = К2/ут2М,гдеК— момент количества движения спутника; т — масса спутника; М=5,976*1027г — масса Земли, у = 6,67-10 -14 м3/гс3 —гравитационная постоянная. К параметрам орбиты спутника относится также периодобращения Т — время между двумя последовательными прохождениями одной и тойже точки орбиты.
/>
В общем случае плоскость орбитыпересекается с плоскостью экватора Земли по так называемой линии узлов .Точка В, в которой орбита пересекает плоскость экватора при движенииспутника с юга на север, называется восходящим узлом орбиты, точкапересечения при движении спутника с севера на юг — нисходящим узлом. Положениевосходящего узла определяется долготой восходящего узла, т.е. углом Q, между восходящимузлом и точкой весеннего равноденствия, отсчитываемым против часовой стрелки,если смотреть со стороны Северного полюса. Для линии узлов задают два угла вплоскости орбиты. Угол ω — угловое расстояние, отсчитываемое отвосходящего узла в плоскости орбиты до перигея орбиты H, т.е. ближайшей кЗемле точки орбиты спутника; со называют аргументом перигея. Угол i между плоскостьюорбиты и плоскостью экватора, называемый наклонением орбиты, отсчитываетсяот плоскости экватора с восточной стороны восходящего узла орбиты, противдвижения часовой стрелки. По наклонению различают экваториальные (i= 0°), полярные (i=90°) и наклонные (0°ii
Спутники для дистанционного зондированияЗемли запускают в основном на круговые орбиты. Такой спутник пролетает надразличными участками Земли на одинаковой высоте, что обеспечивает равенствоусловий съемки.
Круговую орбиту, расположенную надэкватором Земли (0° широты), находясь на которой искусственный спутникобращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращенияЗемли вокруг оси, и постоянно находится над одной и той же точкой на земнойповерхности, называют геостационарной орбитой (ГСО). Орбита геостационарного ИСЗ — это круговая(эксцентриситет е = 0), экваториальная (наклонение i = 0°). Низкоорбитальныеспутники (H
/>
Каждая орбита обладает своимипреимуществами и недостатками. Например, полярная и наклонная орбиты имеютсущественный недостаток: так как спутник движется по этим орбитам, то для того,чтобы отслеживать положение спутника антенну нужно обязательно подстраивать дляполучения спутникового сигнала, для этого требуется специальное оборудование,которое стоит немалых денег: их очень сложно устанавливать и обслуживать.
Спутник же двигающийся по геостационарной орбитекажется неподвижным и как будто находится постоянно в одной точке. Это оченьудобно для ретрансляции сигналов, так как не нужно регулировать положениерефлекторов антенн, направляя их на уходящий спутник. Именно геостационарнуюорбиту используют большинство спутников коммерческого назначения, такжедостоинствами этой орбиты являются возможность непрерывной круглосуточной связив глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты. Экваториальнаяорбита (или геостационарная орбита) помимо положительных имеет и отрицательныехарактеристики: — невозможно передавать сигнал на приполярные районы Земли, таккак угол местности очень мал; — из-за того, что несколько спутников на однойорбите могут находиться только на небольшом расстоянии друг от друга, топроисходит перенасыщение геостационарной орбиты. Большая высота геостационарнойорбиты также является недостатком, так как требуется много средств для выводаспутника на орбиту. Как уже было замечено ранее, спутник на геостационарнойорбите неспособен обслуживать земные станции в приполярной области. Наклоннаяорбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутникаотносительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трехспутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.
Для каких целей используются различныеорбиты ИСЗ? Спутниковоетелевидение является новым и качественным форматом скоростной передачи данных спомощью специального оборудования, к которому подключается обычный телевизор.Вся информация, как визуальная (видео), так и аудио, синхронно передаются отпередающего центра к потребителю через искусственный спутник Земли,расположенный на геостационарной орбите от станции вещания на космическийспутник. Посредством него вся информация равномерно распределяется междуприемниками абонентов. Для передачи сигнала используется цифровой стандарт, чтопозволяет многократно увеличить количество транслируемых каналов и избавится отпомех. Для спутниковой ретрансляции телевизионных передач в основном используютдва вида спутников: спутники, обращающиеся на вытянутых эллиптических орбитах,и спутники, размещенные на геостационарной орбите. Использование ИСЗ, расположенный нагеостационарной орбите, исключает необходимость непрерывного наведения приемнойантенны на спутник. Благодаря неизменному расстоянию до спутникастабилизируется уровень входного сигнала. Связь может осуществлятьсякруглосуточно и без перерывов, необходимых для перехода с одного ИСЗ надругой(в 1965 году в СССР для этих целей использовали три спутника, движущихсяпо эллиптической орбите). Наконец, облегчается энергоснабжение аппаратуры, таккак спутник почти постоянно освещается Солнцем. К недостаткам геостационарнойорбиты относятся плохое обслуживание приполярных областей Земли и необходимостьрасположения космодрома на экваторе, иначе для выведения спутника на такуюорбиту требуется значительное увеличение мощности ракеты-носителя. Тем не менееэти недостатки окупаются простотой и дешевизной большого числа земных станций.Но самое главное — это возможность осуществления непосредственного приемателевизионных передач телезрителями с геостационарного спутника безпромежуточного наземного ретранслятора.
Множество спутников располагается нанаклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика не таквысока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако такой подход требуетне только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземныхкоммутаторов. Подобный метод используется операторами Iridiumи Globalstar. С операторами персональной спутниковойсвязи конкурируют операторы сотовой связи.
Главным недостатком экваториальных орбитявляется задержка сигнала. Спутники на экваториальных орбитах оптимальны длясистем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс (в каждомнаправлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системырадиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарнаязадержка в системах данного класса составляет около 600 мс (с учетом времениобработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техникаэхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае«двойного скачка» (ретрансляции через наземную станцию-шлюз) задержкастановится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей.
В соответствии с высотой орбиты системыспутниковой связи делятся на:
— Низкоорбитальные — (700 — 1 500) км;
— Среднеорбитальные — (5 000 — 15 000) км;
— Высокоорбитальные — от 15 000 и выше. НизкоорбитальныеССС используются для телефонной двусторонней связи, так как при этом происходитнаименьшая задержка сигнала (не проявляется эффект реверберации). Кроме того,низкоорбитальные ССС используются для оптической разведки и связи с объектамималой энергетической емкости, например, с аварийными буями.
Среднеорбитальные ССС используются, восновном, для систем радиовещания и ТВ или для двусторонней факсимильной, ТЛГ,пейджинговой связи и обмена данными. Также для телеметрических систем слеженияза автомобилями, поездами с передачей от них телеметрической информации. Тоесть, в тех системах, где задержка сигнала не оказывает существенного влиянияна качество работы каналов связи.
Высокоорбитальные ССС, чаще всего,используются для передачи телевизионных и радиовещательных программ. Крометого, данные системы связи используются для систем односторонней ТЛГ, ФАКС,пейджинговой связи и обмена данными.
Примеры спутников, использующих различныевиды орбит.
Спутник NOAA(США)
Метеорологические и природоведческиеспутники NOAA имеют длину 4,18 м, диаметр 1,88 м, массу на орбите 1030 кг Круговая орбита имеет высоту 870 км, один виток спутник совершает за 102 мин. Площадь солнечных батарей спутника 11,6 м2, мощность батарей не менее 1,6 кВт, но со временем батареи деградируют из-завоздействия космических лучей и микрометеоров. Для нормальной работы спутниканеобходима мощность не менее 515 Вт. Спутник движется по полярной орбите.
В настоящее время на орбите функционируютнесколько спутников. Сканер AVHRR спутника NOAA-14 сцилиндрическим сканированием имеет 8-дюймовую (20 см) оптическую систему Кассегрена, сканирование осуществляется путем вращения с частотой 6 об/сзеркала из бериллия. Угол сканирования ±55°, полоса обзора около 3000 км. Из-за кривизны Земли зона радиовидимости спутника составляет ±3400 км, поэтому за один проход спутника удается получить информацию с поверхности около 3000x7000км.
На спутнике установлена аппаратура НIRS для определениятемпературы в тропосфере на разных высотах (вертикальные профили атмосферы) вполосе обзора 2240 км. Для этого HIRS содержит автоматический сканирующийспектрофотометр ИК-диапазона, использующий свойство углекислого газа изменятьположение и ширину линии поглощения на длинах волн порядка 14—15 мкм взависимости от давления. Этот же прибор позволяет оценивать общее содержаниеозона ОСО в столбе атмосферы по поглощению теплового излучения от поверхностиЗемли и атмосферы на длине полны 9,59 мкм. И вертикальные профили, и ОСОвычисляются на приемном конце путем решения обратных задач.
Кроме указанной аппаратуры на спутникустановлены: прибор SSU для исследования стратосферы; микроволновый прибор MSU для измерениятемпературных профилей стратосферы; аппаратура поиска и спасения помеждународной программе Kocnac/SARSAT; система ARGOS для сбораметеорологической и океанографической информации с автоматических метеостанций,морских буев и воздушных шаров; некоторые другие приборы. ARGOS позволяет следитьза миграцией крупных животных и птиц, если к их телу прикреплены специальныемалогабаритные передатчики.
В настоящее время в эксплуатации находятсяспутники серии «Тирос-N» и «NOAA», которые являются ядром системыглобального сбора метеорологических данных со спутников. Они удовлетворяютпотребности США, став надежной орбитальной системой, своевременно и регулярнопередающей обзорную информацию.
Спутник «Pecypc-O1» (Россия)
Высота орбиты 650 км, период обращения 97,4 мин, угол наклонения орбиты 97°,97. Сканер МСУ-СК с коническойразверткой имеетскоростьсканирования 12,5 дуг/с; разрешение 150x250 м; полосаобзора 600 км; спектральные каналы: 0,5-0,6 мкм (зеленый участок спектра),0,6-0,7 мкм (красный участок), 0,7-0,8 мкм (красный и ближний ИК), 0,8-1,1 мкм(ближний ИК), 10,5-12,5 мкм (тепловой, в этом канале разрешение 500 м). Сигнал каждого канала квантуется на 256 уровней. Масса сканера 55 кг. Движется по геоцентрической орбите.
На спутнике «Ресурс-01» установлены также два сканера МСУ-Эс линейной разверткой, содержащие по 3 линейки на ПЗС по 1000 пикселов (поодной на каждый из 3 спектральных каналов). Разрешение 35x45 м, скорость сканирования200 строк/с; полоса обзора каждого сканера 45 км; если включены оба сканера, то полоса обзора составляет 80 км, так как полосы обзора перекрываются. Над одной и той же точкой поверхности спутник пролетает один раз в 14 дней.Чтобы повысить регулярность приема, предусмотрено отклонение оси сканера на±30° от надира в направлении, перпендикулярном направлению снижения спутника.Это позволяет смешать полосу обзора на ±400 км. Спектральные каналы сканера: 0,5-0,59; 0,61-0,69; 0,7-0,89 мкм. Масса прибора 23 кг. Результаты измерений передаются по радиоканалу на частоте около 8 ГГц со скоростью 7,68Мбит/с, мощность бортового передатчика 10 Вт.
Используется для метеорологических целей, а также дляобнаружения лесных пожаров.
Спутник LANDSAT-5 (США)
Высота орбиты 705 км, наклонение орбиты 98,2°, период обращения 98 мин. Нал одной и той же точкой поверхности пролетаетодин раз в 16дней приблизительно в9ч45 мин местного времени. Установлены 2сканера с цилиндрической разверткой.
LandSat 7 — последний из спутниковдистанционного зондирования Земли, запущенный в 1999 году в рамках программыLandsat. Спутник находитсяна полярной орбите, и пролетает над всей поверхностью планеты.
Спутник SPOT-З (Франция)
Орбита почти круговая высотой 820 км с наклонением 98,7°, период обращения 101 мин. На спутнике установлены два сканера HVR с линейнойразверткой, фотоприемниками служат 1728-элементные ПЗС-линейки, ориентированныеперпендикулярно движению спутника, цветоделение осуществляется с помощью призм.Он находится на околополярной геостационарной орбите.
Долгосрочной целью этого проекта являетсяинвентаризация невозобновляемых и медленно возобновляемых ресурсов, таких, какминералы и ископаемые топлива, водные запасы, наблюдение за состояниемсельского хозяйства и атмосферы. Программа ориентирована на возможностьопознавать, прогнозировать и в ряде случаев контролировать некоторые процессы,относящиеся к океанографии, климатологии, эрозии почвы и загрязнению воды, атакже следить за потенциально опасными природными явлениями, такими, какнаводнения, засуха, штормы, землетрясения и извержения вулканов.
Спутник ERS(Европейское космическое агентство)
Высота орбиты 798x782 км с наклонением98,54° и периодом обращения 100,67 мин. В состав бортовой аппаратуры включенарадиолокационная станция микроволнового зондирования AMI (Active Microwave Instrument), котораяобеспечивает три режима работы.
Хотя первоначально спутник ERS-1 былразработан для наблюдений за океаном и льдами, он очень быстро доказал своюмногосторонность и по отношению к суше. В сельском и лесном хозяйстве, врыболовстве, геологии и картографии специалисты работают с данными,представляемыми спутником. Поскольку ERS-1 после трех лет выполнения своеймиссии он все еще работоспособен, ученые имеют шанс эксплуатировать его вместес ERS-2 для общих заданий, как тандем. И они собираются получать новые сведенияо топографии земной поверхности и оказывать помощь, например, в предупреждениио возможных землетрясениях.
Спутник «Океан-О» (Россия—Украина)
Высота орбиты 667 км, период обращения 97,98 мин, угол наклонения орбиты 98,03°. На спутнике установлены двенекогерентные РЛС ВО, антенны которых направлены соответственно влево и вправоот направления движения спутника. Полоса обзора каждой РЛС 455 км, угол падения излучаемых электромагнитных волн на подстилающую поверхность 20,48°.Пространственное разрешение в среднем 1,3 км поперек направления движения спутника и 2,5 км вдоль него.
Метеорологические спутники
Ведут непрерывную трансляцию цифровыхснимков очень низкого разрешения (несколько километров) всего полушария. Этогеостационарные спутники Meteosat (Европейское космическое агенство), GMS(Япония), GOES (США), INSAT (Индия).
Большинство спутников дистанционногозондирования в настоящее время летает по полярным орбитам. Это означает, чтоспутник летит к северу на одной стороне Земли, пролетает вблизи полюса, а затемлетит к югу на второй половине орбиты. Полярные орбиты существенно ниже чемгеостационарные. Приборы размещаемые на полярноорбитальных носителяхобеспечивают лучшее пространственное разрешение и позволяют получатьвысококачественные данные дистанционного зондирования.
Полярные орбиты в основном применяются длязапуска на них спутников военного (разведывательные) и гражданского (научного,сельскохозяйственного) назначений, потому что космические аппараты на такихорбитах выполняют работы по дистанционному зондированию Земли и предназначеныдля получения информации о планете и припланетном атмосферном слое. Такие спутникипри дистанционном зондировании из космоса используются для изучения и контроляприродных ресурсов Земли, исследования динамики природных процессов и явлений,сбора информации о состоянии территорий на поверхности планеты и прочих задач.
дистанционный зондированиеспутник орбита
Список использованной литературы
1. Баранов Ю.Б.,Берлянт A.M., Капралов Е.Г., Кошкарев А.В.,Серали-нас Б.Б., Филиппов Ю.А. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов.- М.: ГИС-Ассоциация, 1999. -204 с.
2. Дейвис Ш.М.,Ландгребе Д.А., Филлипс Т. Л. и др. Дистанционное зондирование: количественныйподход. Под ред. Ф. Свейна и Ш. Дейвис. Пер. с англ. М., Недра, 1983, с. 415.—Пер. нзд. США, 1978, 396 с.
3.Кашкин В.Б., Сухинин А.И.Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифроваяобработка изображений: Учебное пособие. — М.: Логос, 2001.-264 с.
4. КондратенковГ.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционногозондирования Земли. Учебное пособие для вузов IПод ред. Г С. Кондратенкова.—М.: «Радиотехника», 2005. — 368 с.
5. www.prosputnik.ru/ — www.radiomaster.net/