Обзор систем дистанционного зондирования

Дистанционные приборы обеспечивают измерение характери­стик удаленных объектов, поэтому они должны быть размещены на устойчивой платформе, удаленной от изучаемого объекта или наблю­даемой поверхности.

Спутниковые орбиты (траектории, по которым двигаются спут­ники, когда они вращаются вокруг Земли) выбираются исходя из воз­можностей и назначения приборов, которые размещены на спутнике. Орбиты различаются по высоте над поверхностью Земли и по ориен­тации плоскости вращения спутника относительно Земли. Двумя наи­более распространенными типами орбит являются геостационарные (geostationary) орбиты и полярные (near-polar) орбиты.

Геостационарные орбиты — это круговые орбиты, которые ори­ентированы в плоскости экватора Земли на высоте 35,800 км. Когда спутник летит на такой высоте, его орбитальный период точно соот­ветствует периоду вращения Земли, поэтому спутник всегда распола­гается над одной и той же точкой земной поверхности. Это позволяет обеспечить регулярные наблюдения выбранной территории в любое время суток и года. Высокое временное разрешение и постоянные уг­лы зрения - очевидные преимущества геостационарных изображений. Однако геостационарный спутник располагается слишком далеко от Земли, чтобы одновременно получить высокое пространственное раз­решение и обеспечить высокоточные количественные наблюдения. Кроме того, приборы, установленные на таких спутниках, вообще не фиксируют полюсов и обеспечивают хорошие условия наблюдения только в экваториальные области, при условии одновременного раз­мещения на орбите 5-6 спутников.

Большинство спутников дистанционного зондирования в на­стоящее время летает по полярным орбитам. Это означает, что спут­ник летит к северу на одной стороне Земли, пролетает вблизи полюса, а затем летит к югу на второй половине орбиты. Многие из таких спутниковых орбит являются также солнечно-синхронизированными (sun-synchronous) так, что спутники пролетают над выбранным местом в одно и то же время. Это обеспечивает приблизительно одинаковые условия освещенности в одно и то же время года в течение последую­щих лет. Половина орбиты, на которой спутник летит в северном на­правлении, называется восходящей (ascending) орбитой, а другая поло­вина — нисходящей (descending). Полярные орбиты существенно ни­же, чем геостационарные. Приборы, размещаемые на полярноорби­тальных носителях, обеспечивают лучшее пространственное разреше­ние и позволяют получать высококачественные данные дистанционно­го зондирования. Все спутники, на которых установлены описанные ниже приборы, летают по полярным орбитам.

Прибор MSS (спутник Landsat). Первый спутник Landsat (США) был запущен 23 июля 1972 г. Высота орбиты спутников Landsat 1, 2, 3 составляла 920 км, спутников Landsat 4, 5 — 705 км. Одним из основных приборов спутников серии Landsat является при­бор MSS (Multi-Spectral Scanner). Основные технические характери­стики этого прибора, размещенного на первых спутниках серии, при­ведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Основные технические характеристики прибора MSS

Прибор MSS был одним из первых приборов, который позволил начать систематическое изучение поверхности Земли из космоса.

Рис. 4.6. Упрощенная схема прибора MSS

Прибор MSS на спутнике Ladndsat 1, 2, 3 являлся классическим сканером и работал следующим образом. Излучение, отраженное от поверхности Земли, собиралось телескопической системой (не пока­занной на рисунке) и направлялось на сканирующее зеркало. Это зер­кало поворачивалось вокруг некоторой оси с периодом 3,3 миллисе­кунды, обеспечивая сканирование местности в направлении, перпен­дикулярном движению спутника с углом зрения, равным приблизи­тельно 12°. Такой угол зрения при высоте спутника, равной 920 км, обеспечивал ширину полосы обзора, равную 185 км. Отраженное от сканирующего зеркала излучение попадало на систему фильтров. Эта система обеспечивала разделение излучения на спектральные диапазо- ны. После этого излучение регистрировалось с помощью системы де­текторов. В приборе MSS было предусмотрено по 6 детекторов для каждого спектрального диапазона.

Рис. 4.7. Композитное изображение Аральского моря. 10 августа - 22 сентября 1987 г., Landsat MSS

Прибор HRV (спутник SPOT). Первый спутник SPOT (Франция) запущен в 1986 г., высота орбиты этого спутника — 831 км. На борту спутника был помещен прибор HRV (High Resolution Visible). Основ­ные характеристики этого прибора приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Основные технические характеристики прибора HRV

Если прибор MSS, описанный в предыдущем разделе, являлся типичным сканером, то в приборе HRV реализована иная схема, пред­ставленная на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Принципиальная схема прибора HRV

имеют движущиеся части, что снижает надежность прибора.

Рис. 4.9. Система формирования изображения прибора HRV

в полосе 950 км. Это достигается с помощью поворотного зеркала, как показано на рис. 4.9.

Зеркало может поворачиваться на угол 27°, что обеспечивает выбор любой полосы шириной 117 км в пределах полосы обзора при­бора, равной 950 км. После зеркала излучение поступает в систему фильтров, обеспечивающую разделение принимаемого сигнала на три спектральных диапазона: 1-й (зеленый) -- от 0,50 до 0,59 мкм, 2-й (красный) -- от 0,6 до 0,68 и 3-й (в ближней инфракрасной области спектра) -- от 0,79 до 0,89 мкм. Затем с помощью системы фокусиро­вания излучение собирается на один из 3000 ПЗС-приемников. Приме­ры изображений полученных с помощью прибора HRV приведены на рис. 4.10-4.13 (на рис. 4.13 изображение получено при синтезе изо­бражений рис. (4.10-4.12) с помощью модуля ГИС IDRISI).

Рис. 4.11. Прибор HRV, диапазон 2, 26.08.96 г.

Рис.

Рис. 4.12. Прибор HRV, диапазон 3, 26.08.96 г.

Рис. 4.13. Прибор HRV, синтезированное изображение, 26.08.96 г.

Прибор МСУ-Э (спутник Ресурс-01). Приблизительно по той же схеме, что и прибор HRV, устроен сканер высокого разрешения МСУ- Э российского природоресурсного спутника Ресурс-01. Первый спут­ник этой серии (спутник Космос-1939) был запущен в середине 80-х гг. В конце 90-х гг. основная информация поступала со спутника Ресурс- 01 №3, запущенного 4 ноября 1994 г. на высоту 678 км. Основные тех­нические характеристики прибора МСУ-Э приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Основные технические характеристики МСУ-Э

Пример обработанных данных, полученных с помощью прибо­ра МСУ-Э, представлен на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Фрагмент снимка от 13.05.89 г. со спутника Космос-1939 (канал 3) по профилю AA. Район пос. Токсово, Ленинградская обл.:

1 -- оз. Кавголовское, 2 -- оз. Курголовское, 3 -- оз. Хеппо-Ярви

спутнике, предназначен для исследования озона и некоторых других газов в стратосфере Земли.

В середине 80-х гг. над Антарктидой были зарегистрированы резкие уменьшения концентрации озона. Слой озона (O₃) расположен на высоте между 15 и 35 км над поверхностью Земли и играет важную роль по поглощению вредного ультрафиолетового излучения. Явление уменьшения концентрации озона получило название «озоновые дыры» и стало предметом постоянного внимания как ученых, так и общест­венности. Были предприняты шаги в направлении снижения объемов производства галогенуглеродов, которые достаточно широко исполь­зовались в промышленности и которые, попадая в стратосферу, могли стать катализаторами распада озона.

Прибор GOME имеет следующее характеристики (табл. 4.5).

Таблица 4.5.

Основные технические характеристики спектрометра GOME

Прибор GOME является спектрометром, который предназначен для спектральных измерений в диапазоне от 240 до 793 нм, т. е. в ультрафиолетовом и видимом диапазонах электромагнитного спектра со спектральным разрешением 0,2-0,4 нм. Такое высокое разрешение обеспечивается тем, что спектрометр GOME является двойным моно­хроматором. На первом этапе излучение разлагается в спектр с помо­щью кварцевой линзы на четыре спектральных диапазона: 240-295, 290-405, 400-605 и 590-790 нм.

Рис. 4.15. Содержание озона в стратосфере южного полушария, 28-29.08.99 г.

Дальнейшее разложение излучения в спектр осуществляется с помо­щью дифракционных решеток. Пространственное разрешение спек­трометра GOME — 320x40 км. Пример обработанных данных, полу­ченных с помощью прибора GOME, представлен на рис. 4.15.

Прибор AVHRR (спутники NOAA). Спутники NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, USA) используются с начала 70-х гг. на высоте приблизительно 800 км (первым спутником этой серии был спутник TIROS-M, запущенный 23 января 1970 г.). На спут­никах серии NOAA установлены приборы AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), обеспечивающие непрерывные ряды на­блюдений в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Основные технические характеристики прибора AVHRR приведены в табл. 4.6.

Прибор AVHRR является типичным сканером, таким же, как описанный выше прибор MSS. Отличительная особенность прибора AVHRR -- возможность принимать сигнал в окне прозрачности атмо­сферы 10-12 мкм. Это позволяет оценивать температуру поверхности моря (sea surface temperature). Одновременно прибор позволяет при­нимать сигнал в видимой и в ближней инфракрасной областях спектра при составлении полного изображения поверхности Земли за одни су­тки. Это, при достаточно длинном ряде наблюдений, делает его неза­менимым при оценке текущих изменений растительности планеты

(vegetation indices).

Основные технические характеристики сенсора AVHRR

Таблица 4.6

Прибор AVHRR имеет не очень хорошее пространственное раз­решение — порядка 1 км, но достаточно широкую полосу обзора — 2800 км. Примеры изображений, полученных при обработке данных прибора AVHRR, представлены на рис. 4.16, 4.17.

Рис. 4.16. Альбедо подстилающей поверхности по данным второго канала AVHRR. Большое облако над Финским заливом

Рис. 4.17. Яркостная температура по данным пятого канала AVHRR. Большое облако над Финским заливом

Микроволновые радиометры SMMR и SSM/I. Микроволновые радиометры — это пассивные приборы, принимающие излучение Зем­ли в окне прозрачности атмосферы приблизительно от 1 до 200 ГГц.

Прибор SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer) был запущен в 1978 г. на спутнике Nimbus-7 (США) и работал по ав­густ 1987. Прибор принимал излучение на 5 частотах — 6,63; 10,69; 18,0; 21,0 до 37,0 ГГц (на каждой частоте принималась и горизонталь­ная, и вертикальная поляризации).

Рис. 4.18. Данные SMMR за один день, 2.09.79 г.

Прибор SSM\I (Special Sensor Microwave/ Imager) размещается на спутниках F8, F10, F11, F12, F13 и F14 серии DMSP (Defense Mete­orological Satellite Program), принимает излучение на 4 частотах — 19,35; 37,0; 85,5 ГГц (горизонтальная и вертикальная поляризации) и 22,235 ГГц (только вертикальная поляризация).

Высота полета спутников — около 850 км, полоса захвата — 1400 км. Пространственное разрешение — 25x25 км. Сигнал имеет 128 градаций. Данные микроволновых радиометров SMMR и SSM/I рас­пространяются Национальным центром по снегу и льду США (National Snow and Ice Data Center, NSIDC) и используются главным образом для изучения динамики изменения ледового и снежного покрова на планете. Результаты обработки данных прибора SMMR показаны на рис. 4.18 и 4.19.

Рис. 4.19. Средняя концентрация льда в Северном Ледовитом океане, август 1979 г.

Прибор SAR (спутники ERS-1/2). Приборы SAR (Synthetic Aperture Radar) размещаются на спутниках ERS (European Remote Sensing Satellite), которые летают на высоте около 780 км. Спутник ERS-1 был запущен в июле 1991 г., спутник ERS-2 — в апреле 1995 г. В отличие от пассивных приборов дистанционного зондирования, об­суждавшихся в предыдущих разделах данной главы, SAR является радиолокатором бокового обзора с синтезированной апертурой и обес­печивает активное дистанционное зондирование поверхности Земли. Основные характеристики прибора ERS-SAR представлены в табл. 4.7 и на рис. 4.20.

Таблица 4.7.

Основные технические характеристики ERS-SAR

Рассмотрим, как работает радиолокатор бокового обзора с син­тезированной апертурой. Схема работы радиолокатора (в английском языке используется слово RADAR, которое является сокращением от Radio Detection and Ranging) представлена на рис. 4.21. Антенна радара поочередно передает и принимает короткие импульсы электромагнит­ного излучения — 1500 импульсов в секунду длительностью около 10­15 микросекунд.

Рис. 4.20. Основные технические характеристики ERS-SAR

Для импульса характерна узкая полоса частот (меньшая, чем полоса частот приемной системы радара) в сантиметровом диапазоне, где влияние атмосферы, в том числе и облачности, минимально. Им­пульс (рис. 3.21, a) отражается от подстилающей поверхности в соот­ветствии с индикатрисой рассеяния, характерной для каждого типа поверхности. При этом меняется не только амплитуда импульса, но и диапазон его частот и поляризация. Наибольшую амплитуду имеет излучение, рассеянное в «зеркальном» направлении, когда углы паде­ния и отражения равны. Но характеристики рассеяния в этом направ­лении очень близки для всех типов подстилающей поверхности и не позволяют уверенно отличать один тип поверхности от другого.

Рис. 4.21. Схема работы радиолокатора

Поэтому локаторы типа SAR принимают излучение, рассеян­ное под углами, отличными от «зеркальных», которое несет сущест­венно больше информации об особенностях поверхности (на рис. 4.21, b изображен импульс, принимаемый локатором). Такие локаторы на­зываются локаторами бокового обзора.

Относительно высокое для прибора, работающего в сантимет­ровом диапазоне, пространственное разрешение локатора обеспечива­ется за счет синтезированной апертуры. Схема этого процесса поясня­ется на рис. 4.22. Импульсы локатора распространяются в некотором конусе, и прибор принимает рассеянные сигналы со всей поверхности, которая является основанием конуса. Например, сигнал, рассеянный от точки A начинает регистрироваться, когда спутник находится в поло­жении 1, а заканчивается, когда он оказывается в положении 2. Все это время сигналы от точки A синтезируются по специальной программе и в результате такого накопления удается получить сигналы приемлемой амплитуды от небольших участков подстилающей поверхности.

Рис. 4.22. Схема работы радара с синтезированной апертурой

Локаторы с синтезированной апертурой используются для ре­шения очень многих задач. В океанографии они используются для изучения течений, фронтов и внутренних волн. Кроме того, они позво­ляют наблюдать пятна нефти на поверхности океана, изучать ледовую обстановку для целей судоходства.