Дистанционные данные для ГИС

Лекция 3

Дистанционные данные для ГИС.

Сегодня данные дистанционного зондирования совместно с традиционной картографической информацией составляют информационную основу ГИС-технологий. При этом происходит постоянное увеличение объема данных дистанционного зондирования по сравнению с цифрованием имеющихся бумажных карт, из-за все больших требований к точности и оперативности информации.

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

Рис.1 Идеальная схема дистанционного зондирования

На летательные аппараты и спутники информация о местности или отдельных изучаемых объектах поступает в виде электромагнитных волн (или электромагнитного излучения). Природа электромагнитных волн кратко описана далее.

Электромагнитные волны можно охарактеризовать как, распространяющееся в пространстве со скоростью света (наиболее далеко от своих источников) электро-магнитные возмущения.

Электромагнитные волны подразделяются на:

  • радиоволны (начиная со сверхдлинных),
  • инфракрасное излучение,
  • видимый свет,
  • ультрафиолетовое излучение,
  • рентгеновское излучение и жесткое (гамма-)излучение (см. ниже, см. также рисунок).

Электромагнитное излучение способно распространяться в вакууме (пространстве, свободном от вещества), но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).

Диапазоны электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Название диапазона

Длины волн,

Частоты,

Источники

Радиоволны

Сверхдлинные

Более 10 км

Менее 30 кГц

Атмосферные и магнитосферныеявления. Радиосвязь.

Длинные

10 км — 1 км

30 кГц — 300 кГц

Средние

1 км — 100 м

300 кГц — 3 МГц

Короткие

100 м — 10 м

3 МГц — 30 МГц

Ультракороткие

10 м — 1 мм

30 МГц— 300 ГГц

Инфракрасное излучение

1 мм — 780 нм

300 Ггц — 429 ТГц

Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях.

Видимое (оптическое) излучение

780—380 нм

429 ТГц — 750 ТГц

Ультрафиолетовое

380 — 10 нм

7,51014 Гц — 31016 Гц

Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.

Рентгеновские

10 нм — 5 пм

31016 — 61019 Гц

Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.

Гамма

Менее 5 пм

более 61019 Гц

Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.

Диапазоны электромагнитного излучения

Диапазоны видимого оптического излучения

Электромагнитные волны (описание)

Радиоволны. Разделяют как это указано выше на сверхдлинные, длинные, короткие и ультракороткие (в диапазоне длинн волн от многих километров до миллиметра). Ультракороткие радиоволны также принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и микрометровые (субмиллиметровые). Волны с длиной < 1 м ( > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Из-за больших значений распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения, хотя их всё же приходится учитывать, в частности, при описании квантовых генераторов и усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также молекулярных стандартов частоты и времени, при охлаждении аппаратуры до температур в несколько кельвинов. Радиоволны возникают например при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.

Инфракрасное излучение. Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длинной волны =0,74 мкм) и микроволновым излучением ( порядка 1 — 2 мм).

Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

  • коротковолновая область: = 0,74—2,5 мкм;
  • средневолновая область: = 2,5—50 мкм;
  • длинноволновая область: = 50—2000 мкм;

Последнее время длинноволновую окраину этого диапазона выделяют в отдельный, независимый диапазон электромагнитных волн — терагерцовое излучение.

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения от источника полностью поглощающего и не отражающего электромагнитные волны (или абсолютно черного тела) при относительно невысоких температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

Видимое излучение. Электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 740 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц (терагерц - 1012 Гц). Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом. Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.

В спектре содержатся не все цвета, которые различает человеческий мозг. Таких оттенков, как розовый или маджента, нет в спектре видимого излучения, они образуются от смешения других цветов.

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно», область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемая земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает голубой свет несколько сильнее, чем свет с большими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.

Многие виды животных способны видеть излучение, не видимое человеческому глазу, то есть не входящему в видимый диапазон. Например, пчёлы и многие другие насекомые видят свет в ультрафиолетовом диапазоне, что помогает им находить нектар на цветах. Растения, опыляемые насекомыми, оказываются в более выгодном положении с точки зрения продолжения рода, если они ярки именно в ультрафиолетовом спектре. Птицы также способны видеть ультрафиолетовое излучение (300—400 нм), а некоторые виды имеют даже метки на оперении для привлечения партнёра, видимые только в ультрафиолете.

Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолет, УФ, UV) — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением (380 — 10 нм, 7,91014 — 31016 Гц). Диапазон условно делят на ближний (380—200 нм) и дальний, или вакуумный (200-10 нм) ультрафиолет, последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами.

Изображение Солнца в ультрафиолетовом спектре в искусственных цветах.

Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).

Полученная с помощью электромагнитных волн геоинформация воспринимается датчиками (или иными словами, приемниками электромагнитных сигналов) далее обрабатывается на ЭВМ (и иногда вручную) и образует данные дистанционного зондирования земли.

Области применения данных дистанционного зондирования.

Области применения космических снимков можно разделить на пять общих категорий:

  1. Использование снимка в качестве простейшей карты или, точнее, основы, на которую можно наносить данные из других источников в отсутствие более точных карт, отображающих современную обстановку.
  2. Определение пространственных границ и структуры объектов для определения их размеров и измерения соответствующих площадей.
  3. Инвентаризация пространственных объектов на определенной территории.
  4. Оценка состояния территории.
  5. Количественная оценка некоторых свойств земной поверхности.

Некоторые области применения данных дистанционного зондирования:

Сельское и лесное хозяйство — Определение типов растительности, прогноз урожайности и контроль состояния посевов, инвентаризация лесов, оценка состояния пастбищ и определение растительной биомассы, исследование состояния растительного покрова, определение нагрузки на растительный покров, определение состояния почвенного покрова, определение состава почв, оценка распространения лесных пожаров и т.д.

Землепользование — Классификация землепользования, картографирование и обновление карт, оценка пригодности земель, разделение городских и сельских территорий, территориальное (региональное) планирование, эксплуатация транспортных сетей, картографирование границ водных объектов и.т.д.

Геология - Определение типа горной породы, картографирование основных геологических структур, обновление геологических карт, определение границ рыхлых отложений, картографирование вулканических интрузий, картографирование новейших вулканогенных отложений, картографирование форм рельефа, выявление региональных структур и.т.д.

Водные ресурсы - Картографирование границ водных поверхностей, картографирование мест затопления, определение границ и толщины снежного покрова, гляциология, изучение «цветения воды», переноса и осаждения наносов, инвентаризация водных объектов, определение границ ирригационных полей и.т.д.

Океанография - Исследование живых организмов, исследование течений и мутности воды, картографирование изменений береговой линии, картографирование рельефа мелководного шельфа, слежение за ледовой обстановкой, изучение волн и океанических вихрей и.т.д.

Изучение окружающей среды - Мониторинг мест разработки месторождений, картографирование и мониторинг загрязнения водной среды, мониторинг загрязнения воздушной среды, определение последствий природных катастроф, мониторинг антропогенного влияния на окружающую среду.

В основе системы получения и распространения, данных оперативного наблюдения лежат четыре пункта:

  1. Носитель съемочной аппаратуры;
  2. Собственно аппаратура дистанционного зондирования;
  3. Бортовые средства передачи данных на Землю;
  4. Наземный комплекс приема информации, ее обработки и доведения до потребителя.

Средства авиационного базирования

Рис.2 Схема получения информации авиационными средствами

Воздушный экологический мониторинг может быть реализован на основе серийно выпускаемых пилотируемых и беспилотных авиационных комплексов. Наиболее подходящие для решения различных задач мониторинга территории являются самолет Су-24МР, вертолет Ми-24Р, многоцелевой беспилотный вертолетный комплекс МБВК-137, а также летающие лаборатории на базе самолетов ТУ-154М, ТУ-134, АН-24 и АН-12 которые оснащены аппаратурой дистанционного зондирования Земли.

Съемка земли с самолета

Широкое применение в области дистанционного зондирования земли в последнее время нашли минивертолеты коптеры, (также в зависимости от числа винтов популярны названия: квадро-, тетро-, мульти- и гексакоптеры).

Коптер представляет собой радиоуправляемую летающую платформу с 3, 4, 6, 8, 12 бесколлекторными двигателями с пропеллерами. В полете платформа занимает горизонтальное положение относительно поверхности земли, может зависать над определенным местом, перемещаться влево, вправо, вперед, назад, вверх и вниз а так же поворачиваться вокруг своей оси. Все действия совершаются путем изменения тяги на каждом моторе. Скорость их горизонтального движения может составлять от 20 до более 50 километров в час что позволяет проводить недорогую по эксплуатационным затратам съемку на расстояниях до 50 киллометров..

Создание миникоптеров началось скорее всего в Германии 8-9 лет назад. Сегодня практически во всех технически развитых странах существуют альтернативные разработки по данной тематике, от самых примитивных (из джойстика от приставки) до очень сложных в техническом исполнении.

Миникоптер

Миникоптер (видеосъемка)

Четырехпропеллерный минивертолет (Квадрокоптер)

Миникоптер (ночной полет)

Космические средства получения информации

Рис.3 Схема получения информации космическими средствами

Для получения данных дистанционного зондирования (ДДЗ) могут использоваться разные космические аппараты - ракеты, пилотируемые космические корабли и орбитальные станции, автоматические искусственные спутники Земли и другие космические аппараты.

Тип орбиты зависит от ее высоты и ориентации относительно поверхности Земли, а также от направления движения спутника по орбите.

Если орбита спутника расположена в экваториальной плоскости на высоте около 36000 км, а направление его движения совпадает с направлением вращения Земли, то положение такого спутника относительно земной поверхности будет постоянным. Такие спутники называют геостационарными; они идеально подходят для метеорологических наблюдений и обеспечения связи. И так Геостационарные спутники постоянно обеспечивают обзор одной и той же части планеты, сохраняя неизменное положение относительно определенной точки на экваторе.

Субполярные орбиты, у которых остается постоянным угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце, называют солнечно-синхронными. Спутники, выведенные на такие орбиты, используют для периодической сезонной съемки объектов при одинаковых условиях освещения, соответствующих одному и тому же местному времени. Спутники на солнечно-синхронных орбитах используют, в основном, для картографирования территорий, так же они незаменимы при решении многих задач мониторинга окружающей среды.

Погода со спутника

Рассмотрим некоторые современные спутники, которые собирают информационные данные для мониторинга состояния окружающей среды.

В 1999 г. был выведен на орбиту спутник EOS AM-1, который носит название Terra. Это первый спутник программы EOS (Earth Observing System — «Глобальный мониторинг поверхности Земли») в рамках программы «Инициатива изучения планеты Земля» (Earth Science Enterprise), проводимой НАСА.

Спутник EOS AM-1

TERRA имеет солнечно-синхронную орбиту с периодом обращения 16 дней (на одно и то же место съемки возвращается через 16 дней) и летает на той же орбите, что и Landsat-7, но на 30 минут позже. Высота орбиты 705 км над экватором, облет вокруг земли за 98,9 минут. Это значит, что траектория орбиты пересекает экватор 233 раза за 16 дней.

Расчетный срок пребывания на орбите составляет 6–7 лет.

На спутнике Terra установлены 2 прибора, представляющие особый интерес для мониторинга окружающей среды.

Радиометр ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) - совместная разработка НАСА и японского Министерства торговли и промышленности. Радиометр состоит из 3 отдельных телескопических систем и позволяет проводить съемку земной поверхности в 14 спектральных диапазонах - от видимого до дальнего инфракрасного - с разрешением от 15 до 90 м.

На спутнике Terra установлен также спектрорадиометр MODIS (the Moderate Resolution Imaging Spectrometer), обеспечивающий съемку Земли в 36 спектральных каналах с пространственным разрешением 250 м (2 канала), 500 м (5 каналов) и 1000 м (29 каналов).

Области применения ДДЗ, полученных со спутника TERRA:

  • Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:100 000.
  • Создание цифровых моделей рельефа с точностью 15-20 метров по высоте.
  • Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования субъектов федерации.
  • Обоснование перспективных площадей под поисковые работы на нефть и газ, потенциальная оценка их нефтегазоносности.
  • Поиск и обоснование перспективных площадей под поисковые работы на рудные и нерудные полезные ископаемые.
  • Лесная инвентаризация. Контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.
  • Сельскохозяйственное картографирование, мониторинг состояния посевов, прогнозирование урожайности.
  • Автоматизированное создание карт растительности, ландшафтов и природопользования.
  • Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров и т.п.

Практическое использование американской системы изучения природных ресурсов Земли Landsat начато в 1972 г. с запуска космического аппарата Landsat-1.

В 1999 г. был успешно выведен на орбиту очередной спутник этой серии Landsat-7 - совместный проект Геологической службы США (USGS), NASA и NOAA.

Спутник Landsat-7

Спутник имеет солнечно-синхронную орбиту (98.2 градусов), высота спутника 705 км, период обращения вокруг Земли 16 дней (233 орбиты).

Основной аппаратурой Landsat - 7 является усовершенствованный многоспектральный оптико-механический сканирующий радиометр ЕТМ+ (Enhanced Thematic Mapper Plus). Радиометр ETM+ рассчитан на получение изображений поверхности Земли в восьми участках видимого и инфракрасного диапазонов спектра.

Области применения ДДЗ, полученных со спутника LANDSAT:

  • Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:200 000.
  • Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования субъектов федерации.
  • Обоснование перспективных площадей под поисковые работы на нефть и газпотенциальная оценка их нефтегазоносности.
  • Поиск и обоснование перспективных площадей под поисковые работы на рудные и нерудные полезные ископаемые.
  • Мелкомасштабная лесная инвентаризация. Контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.
  • Сельскохозяйственное картографирование на уровне регионов, мониторинг состояния посевов, прогнозирование урожайности.
  • Автоматизированное создание карт растительности, ландшафтов и природопользования.
  • Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров половодий, паводков и т.п.

Спутниковая фотография Landsat-7 (Токио)

Канадский космический аппарат RADARSAT-1 (Radar Satellite) запущен в 1995 году на солнечно-синхронную орбиту высотой 798 километров и наклонением 98,6°. Выполняет съемку поверхности Земли с помощью радиолокатора бокового обзора с синтезированной апертурой (РСА). Расчетный срок пребывания на орбите определялся в 7 лет, однако аппарат продолжает успешно работать.

Спутник RADARSAT-1

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Radarsat:

  • Создание ЦМР и ЦММ с точностью 5-10м по высоте.
  • Создание и обновление карт и планов, вплоть до масштаба 1:50000.
  • Наблюдение за стихийными бедствиями (наводнениями, подвижками ледников и т.д.) вне зависимости от погоды и времени суток.
  • Мониторинг быстроразвивающихся экологических процессов (распространение нефтяных загрязнений, вредителей и болезней леса и т.д.).
  • Сельскохозяйственный, лесохозяйственный мониторинг – обновление карт, контроль использования земель, оценка урожайности сельскохозяйственных угодий, контроль незаконных вырубок и т.д.
  • Отслеживание ледовой и снеговой обстановки.
  • Геологоразведка.
  • Контроль нелегального рыболовства.
  • Мониторинг северных и приполярных территорий.

Космический аппарат нового поколения RADARSAT-2, запущен в декабре 2007 г. с космодрома Байконур на солнечно-синхронную орбиту с высотой 798 км и наклонением 98.6, с периодом обращения 100,7 минут. Спутник оснащен радаром бокового обзора с синтезированной апертурой, обладающим, как и спутник Radarsat-1, уникальными возможностями изменения ширины полосы съемки и пространственного разрешения. Расчетный срок пребывания на орбите – не менее 7 лет.

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Radarsat-2:

  • Создание и обновление топографических и специальных карт, вплоть до масштаба 1:25 000.
  • Создание высокоточных ЦМР и ЦММ (3-6 м по высоте).
  • Всепогодное наблюдение за природными и антропогенными катастрофами.
  • Оценка состояния ледников, запасов воды.
  • Мониторинг акваторий (распространение нефтяных загрязнений, приливные явления, мониторинг судов, отслеживание ледовой обстановки и т.д.).
  • Картирование сельскохозяйственных культур, определение состояния посевов, точное сельское хозяйство.
  • Картирование древостоев, определение породного состава без наземных исследований, мониторинг вырубок и состояния лесов.

Индийская система дистанционного зондирования IRS (Indian Remote Sensing Satellite System) - первая национальная система, специально предназначенная для изучения природных ресурсов Земли, и составная часть национальной системы управления природными ресурсами Индии NNRMS (National Natural Resources Management System).

Космическая система дистанционного зондирования Земли IRS представлена спутниками IRS-1B (функционирует с 1991 г.), IRS-1C (с 1995 г.), IRS-P3 (с 1996 г.), IRS-1D (с 1997 г.) и IRS-P4 (Oceansat) (с 1999 г.), IRS-P6 (с 2003 г.).

Характеристики

IRS-1B

IRS-1C

IRS-1D

IRS-P3

IRS-P4

Тип орбиты

Субполярная солнечно-синхронная

Полярная солнечно-синхронная

Полярная солнечно-синхронная

Субполярная солнечно-синхронная

Субполярная солнечно-синхронная

Высота орбиты

914 км

817 км

821 км

817 км

817 км

Наклонение

99,028 0

98,69 0

98,62 0

Период обращения

103,192 мин

101,35 мин

100,56 мин

Время пересечения экватора

10:25 (местное время)

10:30 (местное время)

10:40 (местное время)

10:30 (местное время)

10:30 (местное время)

Период повторного выхода на точку

26 дней

24 дня

24 дня, 5 дней для сенсоров PAN и WiFS

Спутник Indian Remote Sensing Satellite System

Области применения ДДЗ, полученных со спутников IRS:

  • Мониторинг состояния окружающей среды в прибрежной зоне, полоса поглощения хлорофилла.
  • Дешифрирование зеленой растительности; разделение почв и горных пород.
  • Полоса поглощения хлорофилла различных видов растений.
  • Определение границ водных поверхностей.
  • Картографирование растительного покрова.
  • Идентификация природных ресурсов.
  • Глобальное картографирование растительного покрова и.т.д.

Французская космическая система изучения природных ресурсов Земли SPOT (Systeme Probatoire d'Observation de la Terre) активно функционирует с 1986 г. Спутник имеет солнечно-синхронную орбиту (98.7 градусов), высота спутника 822 км, периодичность появления над объектом для широты России - 3 суток. Космический аппарат SPOT-5 был запущен в мае 2002 года. Расчетный срок пребывания на орбите составляет не менее 5 лет.

Геометрическое разрешение данных SPOT при панхроматической съемке - 10 м, при многозональной - 20 м. Кроме высокого геометрического разрешения этих цифровых съемок есть возможность получения стереопар для получения информации о рельефе. Точность определения рельефа местности по снимкам с КА SPOT в основном соответствует, требованиям к топографической карте масштаба 1:50000.

Система преимущественно используется для получения информации дистанционного зондирования, необходимой для решения задач картографирования, землепользования, сельского и лесного хозяйства, планирования градостроительства, для составления цифровых карт местности и контроля за изменениями состояния окружающей среды.

Спутник SPOT 5

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Spot 5:

  • Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:25 000.
  • Создание цифровых моделей рельефа с точностью 5-10 метров по высоте.
  • Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.
  • Мониторинг экологического состояния территорий в районах добычи, переработки, транспортировки нефти и газа, других полезных ископаемых.
  • Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования муниципальных районов и субъектов федерации.
  • Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация лесов. Регулярный контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.
  • Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, мониторинг состояния посевов, оценка засоренности, выявление вредителей и болезней сельхозкультур, прогнозирование урожайности.
  • Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров и т.п.

Американская метеорологическая система на базе полярно-орбитальных космических аппаратов серии NOAA используется Национальным управлением по исследованию океана и атмосферы (NOAA) при решении задач, связанных с прогнозированием погоды, а также для получения информации дистанционного зондирования в интересах сельского и лесного хозяйства, климатологии и океанографии, мониторинга состояния окружающей среды, при изучении околоземного космического пространства, озонового слоя и содержания аэрозолей в атмосфере, при исследованиях снежного и ледового покровов Земли, для выявления пожаров, измерения вегетационного

индекса. Кроме того, на спутниках этой серии устанавливается аппаратура сбора данных с наземных метеорологических платформ, а также оборудование приема сигналов бедствия в рамках системы Kocnac/SARSAT (система поиска и спасения). Первые метеорологические космические аппараты по программе NOAA, известные также под наименованием TIROS (Television and Infrared Observation Satellite).

Спутник имеет солнечно-синхронную орбиту, высота орбиты спутника 833 км.

Спутник NOAA

Система европейских КА ERS (European Remote Sensing Satellite) Европейского космического агентства. Первый космический аппарат ERS-1 был запущен в 1991 г., на солнечно-синхронную орбиту со средней высотой 785 км и наклонением 98,50, второй спутник - ERS-2,  ставший преемником и конструктивным аналогом ERS-1, был выведен на такую же орбиту в апреле 1995 года. Расчетный срок пребывания на орбите спутника ERS-1 определялся в 3 года, однако аппарат продолжал успешно работать до 10 марта 2000 года, что позволило ESA в течение почти 5 лет эксплуатировать спутниковую группировку, обеспечивавшую удвоенную частоту съемки поверхности Земли. Срок пребывания на орбите ERS-2 определялся в 2 года, однако, несмотря на мелкие неисправности, он успешно проработал до июня 2003 года. С тех пор, в связи с поломкой записывающего устройства, съемка ведется только в пределах доступности наземных станций ESA.

Спутник ERS 2

Области применения ДДЗ, полученных со спутников ERS-1, 2:

  • Создание ЦМР и ЦММ с точностью 5-10м по высоте.
  • Создание и обновление топографических карт и планов, вплоть до масштаба 1:200 000.
  • Отслеживание ледовой и снеговой обстановки в приполярных районах.
  • Наблюдение за стихийными бедствиями (наводнениями, подвижками ледников и т.д.) вне зависимости от погоды и времени суток.
  • Сельское хозяйство – создание карт посевных площадей, оценка урожайности, состояния посевов, контроль использования земель.
  • Лесное хозяйство – создание карт породного состава лесов, состояния насаждений, незаконных вырубок и т.д.
  • Изучение сантиметровых подвижек земной поверхности с применением интерферометрических методов (в рамках проекта ERS Tandem).

С 1979 г. в Советском Союзе, а затем в России существует система дистанционного зондирования Земли (ДДЗ), получившая название "Ресурс".

Система "Ресурс" состоит из трех взаимно дополняющих систем: одной фотографической ("Ресурс-Ф") и двух, ориентированных на наблюдение суши и океана ("Ресурс-0" и "Океан-0").

Наряду со спутниками оперативного ДЗЗ типа "Ресурс-0" и "Океан-0" в настоящее время эксплуатируются космические системы оперативного наблюдения Земли, в которые входят геостационарный метеорологический КА "Электро" (международное обозначение - GOMS) и низкоорбитальные КА метеонаблюдения типа "Метеор".

С 2002 гг. орбитальная группировка КА оперативного наблюдения поверхности Земли включает два КА "Ресурс-О1" (№3 и №4), два КА "Океан-О1" (№7 и №8), один КА "Метеор-3" (№5) и один КА "Электро-Л".

Российские космические аппараты серии «Ресурс-О» оснащаются аппаратурой высокого и среднего разрешения, обеспечивающей съемку поверхности Земли в нескольких спектральных диапазонах.

Бортовой информационный комплекс космического аппарата серии «Ресурс-О1» предназначен для получения, формирования, уплотнения и передачи на наземные пункты приема информации дистанционного зондирования, полученной в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Для этого используются сенсоры МСУ-Э и МСУ-СК.

Фотографические данные получают также со спутников серии «Ресурс-Ф», оснащенных фотографическими камерами КФА-1000, КФА-3000, МК-4 и КАТЭ-200.

Космический аппарат Ресурс-ДК был запущен в июне 2006 года. Спутник входит в состав оперативного космического комплекса детального оптико-электронного наблюдения земной поверхности, создаваемого Государственным научно-производственным ракетно-космическим центром «ЦСКБ-Прогресс».

В зависимости от целевого применения спутник может эксплуатироваться на околокруговых или эллиптических рабочих орбитах с наклонениями 64,8°; 64,9°; 70,0°; 70,4°. Рабочая орбита спутника - эллиптическая и составляет 350 - 604 км. Спутник позволяет получать цифровые изображения земной поверхности с пространственным разрешением 1 м в панхроматическом режиме (один канал) и в трех узких спектральных диапазонах с разрешением 2-3 м в мультиспектральном режиме. Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 3 лет.

Спутник Ресурс-ДК

Снимок города спутником Ресурс-ДК

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Ресурс-ДК:

  • Создание и обновление топографических и специальных карт и планов вплоть до масштаба 1:5 000.
  • Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.
  • Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация и оценка состояния лесов.
  • Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, создание планов землепользования, точное земледелие.
  • Обновление топографической подосновы для разработки проектов генеральных планов перспективного развития городов, схем территориального планирования муниципальных районов.
  • Инвентаризация и мониторинг состояния транспортных, энергетических, информационных коммуникаций.
  • Широкий круг задач в области охраны окружающей среды.

Космический аппарат Монитор-Э был запущен в августе 2005 года с помощью ракетно-космического комплекса легкого класса «Рокот» с космодрома Плесецк. Спутник является разработкой Государственного космического научно-производственного центра им. М.В. Хруничева. КА Монитор-Э был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 540 км и проходит над одной и той же точкой земной поверхности каждые 4-6 суток. Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 5 лет.

Спутник Монитор-Э

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Монитор-Э:

  • Создание и обновление карт и планов масштаба 1: 50 000;
  • Землепользование, составление кадастров земельных ресурсов;
  • Контроль состояния лесов, сельскохозяйственных культур, прогноз урожайности;
  • Составление геологических карт и поиск полезных ископаемых;
  • Контроль мелиорации и орошения;
  • Экологический мониторинг;
  • Контроль чрезвычайных ситуаций;
  • Решение прикладных задач.

Российский спутник «Комета» специально разработан для информационного обеспечения создания топографической продукции. Основное предназначение КА «Комета» состоит в информационном обеспечении именно создания топографических карт местности (масштаба 1:50000 с точностью 10 м по высоте и 15 м в плане), требуемый уровень которого достигается благодаря синхронно работающему комплексу следующей аппаратуры: обзорного фотоаппарата ТК-350, фотоаппарата КВР-1000, лазерного высотомера, системы звездных датчиков, аппаратуры позиционирования.

Как правило, спутники «Комета» запускаются на короткие сроки - около одного месяца.

Спутник «Комета»

Спутники высокого разрешения.

Данные дистанционного зондирования со спутника QUICKBIRD

Космический аппарат QuickBird был запущен 18 октября 2001 г. с авиабазы Ванденберг (США). Владельцем спутника является компания DigitalGlobe (США). Спутник был выведен на околоземную солнечно-синхронную орбиту высотой 450 км, обеспечивающую его прохождение над любым районом Земли каждые 1–5 дней (в зависимости от широты). Спутник QuickBird предназначен для получения цифровых изображений земной поверхности с пространственным разрешением 61 см в панхроматическом режиме и 2,44 м в мультиспектральном режиме при съемке в надир.

Основными преимуществами спутника QuickBird являются широкая полоса охвата (размер сцены – 16,5х16,5 км), высокая метрическая точность, возможность заказа полигонов сложной формы, в том числе, протяженных объектов шириной 5 км. Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 7 лет.

Спутник QUICKBIRD

Снимок со спутника QUICKBIRD

Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника QuickBird

  • Создание и обновление топографических и специальных карт и планов вплоть до масштаба 1:2 000.
  • Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.
  • Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация и оценка состояния лесов.
  • Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, создание планов землепользования, точное земледелие.
  • Обновление топографической подосновы для разработки проектов генеральных планов перспективного развития городов, схем территориального планирования муниципальных районов.
  • Инвентаризация и мониторинг состояния транспортных, энергетических, информационных коммуникаций.

Широкий круг задач в области охраны окружающей среды.

Данные дистанционного зондирования со спутника IKONOS

Космический аппарат Ikonos был запущен 24 сентября 1999 г. с авиабазы Ванденберг (США). Владельцем спутника до начала 2006 года являлась компания Space Imaging (США). В феврале 2006 года компания OrbImage объявила о слиянии с компанией Space Imaging. Объединенная компания получила новое название GeoEye. Спутник был выведен на низкую солнечно-синхронную орбиту высотой 680 км, обеспечивающую его прохождение над любым районом Земли каждые 1-5 дней (в зависимости от широты). Спутник Ikonos предназначен для получения цифровых изображений земной поверхности с пространственным разрешением 1 м в панхроматическом режиме и 4 м в мультиспектральном режиме.

Основными преимуществами спутника Ikonos являются высокая маневренность и, как следствие, возможность съемки больших площадей за один проход (до 5 000 кв. км), а также возможность получения стереопар с одного витка. Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 7 лет.

Спутник Ikonos

Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника Ikonos

  • Создание и обновление топографических и специальных карт и планов вплоть до масштаба 1:5 000.
  • Создание цифровых моделей рельефа с точностью 1-3 метра по высоте.
  • Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.
  • Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация и оценка состояния лесов.
  • Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, создание планов землепользования, точное земледелие.
  • Обновление топографической подосновы для разработки проектов генеральных планов перспективного развития городов, схем территориального планирования муниципальных районов.
  • Инвентаризация и мониторинг состояния транспортных, энергетических, информационных коммуникаций.
  • Широкий круг задач в области охраны окружающей среды.

Данные дистанционного зондирования со спутника WorldView-1

Космический аппарат WorldView-1 запущен 18 сентября 2007 г. с авиабазы Ванденберг (США). Владельцем спутника является компания DigitalGlobe (США). В проекте создания спутника участвуют такие компании как Ball Aerospace (платформа, интеграция), Eastman Kodak (оптическая камера), ITT (интеграция), BAE Systems (система обработки). Спутник WorldView-1 выведен на околоземную солнечно-синхронную орбиту высотой 496 км. WorldView-1 способен обеспечивать ежедневное покрытие площадью в 750 000 км, со средним периодом пролета над одной и той же территорией в 1,7 суток. WorldView-1 оснащен телескопом с апертурой 60 см для съемки только в панхроматическом режиме с пространственным разрешением до 0,5 м. Спутник может снимать по различным схемам: кадровая съемка, маршрутная съемка (вдоль береговых линий, дорог и других линейных объектов), площадная съемка (зоны размером 60Ч60 км), а также стереосъемка.

По сравнению с предшественником – КА QuickBird – на спутнике применяются новые технологические решения для обеспечения высокой производительности съемки, качества и точности координатной привязки изображений. Расчетный срок пребывания  на орбите составит не менее 7 лет.

Спутник WorldView 1

Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника WorldView-1

  • Создание и обновление топографических и специальных карт и планов вплоть до масштаба 1:2 000.
  • Создание цифровых моделей рельефа с точностью 1-3 метра по высоте.
  • Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.
  • Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация и оценка состояния лесов.
  • Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, создание планов землепользования, точное земледелие.
  • Обновление топографической подосновы для разработки проектов генеральных планов перспективного развития городов, схем территориального планирования муниципальных районов.
  • Инвентаризация и мониторинг состояния транспортных, энергетических, информационных коммуникаций.

Данные дистанционного зондирования со спутника ENVISAT

1 марта 2002 года Европейским Космическим Агентством (ESA) в целях дальнейшего развития программы исследований земной поверхности, начатой спутниками ERS, был осуществлен запуск космического аппарата ENVISAT. Была избрана солнечно-синхронная орбита со средней высотой 790 км, наклонением 98.55° и 35-дневным циклом повтора, обеспечивающим глобальное покрытие в промежутке от 1 до 3 дней.

Спутник является многоцелевым, на нем установлено 9 разнообразных инструментов дистанционного зондирования, включая оптические сканеры, ультрафиолетовые и инфракрасные спектрометры, радарный альтиметр и т.д. Однако, учитывая сверхнизкое пространственное разрешение большинства перечисленных приборов, наибольший интерес для широкого круга пользователей представляет усовершенствованный радар бокового обзора с синтезированной апертурой (ASAR), выполняющий съемку земной поверхности в С-диапазоне длин волн (5,6 см), с изменяемой поляризацией излучения, в диапазоне съемочных углов от 15° до 45°. Расчетный срок пребывания спутника ENVISAT на орбите – 4 года, на сегодняшний день аппарат продолжает успешно работать.

Спутник ENVISAT

Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника ENVISAT

  • Создание ЦМР и ЦММ с точностью 5-10м по высоте.
  • Создание и обновление карт и планов, вплоть до масштаба 1:200 000.
  • Наблюдение за стихийными бедствиями (наводнениями, подвижками ледников и т.д.) вне зависимости от погоды и времени суток.
  • Изучение волновых процессов в океане, скорости и направления ветров.
  • Контроль береговых зон, наблюдение за судами, выявление и отслеживание нефтяных загрязнений.
  • Оценка сейсмической опасности, прогнозирование землетрясений, выявление сантиметровых подвижек земной поверхности с применением интерферометрических методов.
  • Сельскохозяйственный, лесохозяйственный мониторинг – обновление карт, слежение за состоянием посевов, контроль использования земель, незаконных вырубок и т.д.
  • Отслеживание ледовой и снеговой обстановки на суше и на море.

Станции приема данных дистанционного зондирования Земли.

Малые станции приема спутниковой информации производятся как у нас в стране, так и за рубежом. Из зарубежных станций необходимо упомянуть следующие:

Eagle Vision (Deployable Multisatellite Acquisition System - DMAS) - совместная разработка французской компании Matra Systemes & Information и американской компании DATRON Transco Inc. Эта станция может принимать данные со спутников RADARSAT, SPOT, дополнительно - со спутников Landsat, JERS, ADEOS, IRS, ERS;

Fast TRACS (Fast Transportable Acquisition System) - разработка канадской компании Macdonald Detwiller & Associates Ltd. Эта станция может принимать данные со спутников RADARSAT, ERS, JERS, IRS, Landsat, SPOT, MOS, ADEOS;

MEOS (Multi-mission Earth Observation System) - разработка норвежской компании Kongsberg Spacetec. Эта станция может принимать данные со спутников RADARSAT, ERS, NOAA, Meteosat, SPOT.

SENTRY system - разработка канадской компании IOSAT. Эта станция может принимать данные со спутников RADARSAT, ERS, SPOT, дополнительно - со спутника Landsat;

RAPIDS - разработка англо-нидерландской компании RAPIDS Consortium. Эта станция может принимать данные со спутников ERS, JERS, SPOT;

Vexcel Off-the-Shelf system - разработка американской компании Vexcel Corp. Эта станция может принимать данные со спутников RADARSAT, ERS, JERS, Landsat.

В России производством, поставкой и обслуживанием станций приема спутниковой информации занимается ИТЦ «СканЭкс». К ним относятся станции «Лиана», «СканЭкс», «ЕОСкан», «УниСкан».

Станция «Лиана» (рис.1) предназначена для приема изображений Земли, передаваемых с полярно-орбитальных спутников серии NOAA в формате APT (Automatic Picture Transmission) в диапазоне 137 МГц. Станция получает изображение окружающей ее территории 8 - 12 раз в сутки. Объем информации, получаемой за один сеанс связи, т.е. пока спутник проходит через зону видимости станции, может составлять 3-3,5 Мбайт.

Станция «Лиана» используется в региональных, областных и авиационных гидрометеорологических центрах, аэрофотосъемочных отрядах, образовательных и научно-исследовательских организациях.

Станция «СканЭкс» (рис. 2) предназначена для приема и записи информации, передаваемой с полярно-орбитальных спутников серии NOAA в формате HRPT (High Resolution Picture Transmission) в диапазоне 1,7 ГГц.

Станция получает изображение окружающей ее территории 8 - 12 раз в сутки. Объем информации, получаемой за один сеанс связи, т.е. пока спутник проходит через зону видимости станции, может составлять до 80 Мбайт.

Станция «ЕОСкан» (рис. 3) предназначена для приема информации с ИСЗ Terra (EOS AM-1) в режиме DB (Direct Broadcast - прямое вещание). ИСЗ Terra находится на полярной солнечно-синхронной орбите с периодом обращения около 100 мин. В режиме DB с темпом 13,125 Мбайт/с передается информация со сканирующего радиометра MODIS (Moderate Resolution Spectroradiometer), который выполняет непрерывную съемку поверхности Земли вдоль трассы полета в полосе обзора около 2000 км, в 36 спектральных зонах с пространственным разрешением от 250 до 1000 м.

Станции «УниСкан» (рис. 4) позволяют принимать информацию, передаваемую по радиоканалам нескольких различных форматов в диапазоне 8 ГГц. Состав форматов зависит от аппаратной и программной конфигурации данной конкретной станции, и эта конфигурация достаточно легко изменяема. Сейчас предлагаются компоненты для приема информации со спутников IRS-1C/1D, Terra (формат DB), «Метеор-ЗМ».

Информация, получаемая дистанционными методами, зависит от множества природных и технических условий.

К природным условиям относятся:

  • сезон съемки;
  • освещенность снимаемой поверхности;
  • состояние атмосферы и т.д.

К основным техническим условиям относятся:

  • тип платформы, несущей сенсор;
  • метод управления процессом съемки;
  • ориентация оптической оси съемочного аппарата;
  • тип сенсора;
  • метод получения изображения.

Кроме того, результат съемки, то есть получаемое изображение характеризуется:

  • спектральными диапазонами, фиксируемыми системой, то есть число и градации этих диапазонов;
  • геометрическими особенностями получаемого изображения, то есть вид проекции, распределение искажений;
  • радиометрическим разрешением, то есть числом градаций яркости, фиксируемых системой;
  • временным разрешением, то есть минимальным промежутком времени, через который возможно повторное проведение съемки.

Рис. 1 Приемная станция «Лиана»

Рис. 2 Приемная станция «СканЭкс»

Рис. 3 Приемная станция «ЕОСкан» Рис. 4 Приемная станция «УниСкан»

Навигационные спутники и спутниковые системы

Работу навигационных спутников можно рассмотреть на примере отечественной системы ГЛОНАСС.