24

Космическое зондирование Введение.

С момента запуска первого спутника на орбиту Земли достигнут огромный прогресс не только в освоении космического пространства, но и в зондировании Земли с борта спутника или космического корабля.

Большинство природно-ресурсных спутников, предназначенных для зондирования Земли, запускаются на солнечно-синхронные приполярные орбиты [73] так, чтобы угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце оставался постоянным. Это позволяет получать космические снимки в одно время при наиболее стабильных условиях освещенности.

Для непрерывного наблюдения за полушарием запускаются спутники на геостационарные орбиты. О возможностях дешифрирования космических снимков различного разрешения можно судить по снимкам Капитолия (США), снятых с разрешением: 30м, 10м, 5м, 2м, и 1м[45]. Такие снимки используются для составления электронных карт инженерных сооружений и коммуникаций городов, в практике землепользования.

Большие успехи достигнуты по применению космоснимков в геологии, гидрологии, метеорологии, сельском и лесном хозяйстве, обнаружении чрезвычайных ситуаций и т.д. [62].

Физические основы дистанционного зондирования.

Методы дистанционного зондирования Земли из космоса можно подразделить на два больших класса: пассивные и активные.

Методы пассивного дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса основаны на регистрации отраженного солнечного излучения, просуммированного с собственным излучением атмосферы , облаков и земного покрова [43] и ослабленного в атмосфере.

Поэтому при пассивном дистанционном зондировании Земли приборами, расположенными на спутниках, необходимо учитывать: прозрачность столба атмосферы между спутником и Землей в рабочих участках спектра; излучение атмосферных источников и подстилающей поверхности, к которым относятся собственно атмосфера , облака и земная поверхность, а также излучение космических источников: прежде всего Солнца и Луны.

Одним из определяющих факторов, формирующих прозрачность столба атмосферы между спутником и Землей в рабочих участках спектра являются спектры поглощения различных газовых компонентов атмосферы в диапазоне длин волн от 100м до 100нм [73].

Величина сигнала на фотоприемнике прибора, установленного на спутнике, при пассивном зондировании зависит также и от местоположения рабочего участка в солнечном спектре [3].

При пассивном и активном ДЗЗ важную роль в формировании полезного сигнала и его информативности играют спектры поглощения минералов [30] и отражения различных объектов зондирования [73].

Спектр отражения океанической воды в зависимости от концентрации хлорофилла, осадочного взвешенного вещества и желтого вещества [73] показывает, что при зондировании в диапазоне 0.4-0.7 мкм возможно разделение вкладов этих веществ при обработке многозональных космоснимков.

Спектральная зависимость отражательной способности растительности [30] определяется сильным поглощение хлорофиллом и каротиноидами в интервале 0.40-0.47 мкм и хлорофиллом в интервале 0.64-0.68 мкм, что приводит к наличию характерных минимумов в коэффициенте спектральной яркости растительности. Антоцианы оказывают существенное влияние в зеленой области спектра. В спектральном интервале 0.7-1.1 мкм где пигментное поглощение мало, сильно возрастает коэффициент спектральной яркости листьев. На более длинных волнах доминирующую роль играет поглощение излучения водой, содержащейся в листьях. В диапазоне более 3 мкм лист поглощает практически неселективно 96-98% падающего излучения [30], что дает возможность определять дефицит влаги в почве по увлажненности листьев.

К увеличению спектральной яркости в полосах поглощения хлорофилла, приводит недостаточная влажность и удобренность почв, недостаток света, заболевание растений, аномально высокая концентрация металлов в почве. В период цветения спектральная яркость, например, на длине волны 0.66 мкм может увеличится в 2 раза! Все эти факторы позволяют эффективно использовать ДЗЗ в оптическом диапазоне.

Космические снимки (например, с корабля Союз-22) в красной зоне 0.66 мкм с изображением зернового севооборота на орошаемых землях при дешифрировании позволяют строить схемы полей и прослеживать динамику роста культур [67].

В определении состава лесообразующих пород наибольшую роль играет сопоставление снимков в красной и ближней ИК зонах, тогда как антропогенные нарушения лесной растительности, главным образом вырубки, лучше всего выявляются на снимках в голубой зоне [67]. (Эта монография содержит большое число эмпирических коэффициентов яркости и отражения и т.д. различных природных объектов).

При дешифрировании сельскохозяйственных культур, главным образом, анализируется спектральный образ различных культур в разных стадиях вегетации, стерни убранных посевов и распаханных незасеянных полей. Особенно эффективен сопряженный анализ снимков в красной и ближней инфракрасной зонах спектра [65].Например, для зондирования растительности определяют нормализованный дифференциальный вегетационный индекс, который для приборов спутника NOAA имеет вид [31]:

NDVI = (Ch2 - Ch1)/(Ch2 + Ch1),

Где: Ch1 сигнал в канале: 0.58 - 0.68 мкм, Ch2 - в 0.725 - 1.0 мкм. Изменение разности сигналов во 2 и 1 каналов зависит от развития урожая и показано на рисунке.

Вегетационный индекс характеризует глубину полосы поглощения хлорофилла в спектрах отражения почвенно-растительных объектов, сильно зависит от состояния растительности и значительно слабее от характеристик почвы и условий наблюдения. С увеличением зеленой биомассы растительности вегетационный индекс возрастает. В конце сезона вегетации, когда происходит пожелтение листьев и созревание плодов, вегетационный индекс уменьшается. Исследования показали, что по вегетационному индексу, измеренному в период его максимума можно эффективно прогнозировать величину урожая (коэффициент корреляции 80%) [30].

Аналогичные коэффициенты могут быть применены и для оценки содержания хлорофилла в воде, а также в геологических исследованиях.

Используя спектрально-временные методы, сопоставляя карты, например, вегетативного индекса для разных сезонов получают информацию о различных характеристиках посевов, включая степень их засоренности сорняками.

В настоящее время надежно функционирующие на орбите космические многоспектральные системы с ИК каналами: NOAA-AVHRR, Landsat TM, Ресурс-О - МСУ СК позволяют на основе априорной информации о тепловых свойствах почв, горных пород, руд, минералов и материалов успешно дешифрировать космоснимки, обнаруживать различные аномалии и строить температурные карты земной поверхности и океана, состояния растительного покрова и т.д. [26].

Кроме того, ИК съемка успешно применяется для обнаружения и оконтуривания подземных пожаров ( Тепловой снимок (3-5 мкм) подземного пожара угля, залегающего на глубине 40-50 м..), постоянного геотемпературного поля, подземных теплотрасс [26].

Весьма специфично и эффективно использование многозональной съемки для изучения водных объектов. Для них она дает дополнительные возможности, не реализуемые другими методами. Космоизображения в диапазоне 0.45- 0.6 мкм более информативны о подводном рельефе. В этом диапазоне подводные объекты дешифрируются на глубинах от нескольких метров до десятков метров. Особое достоинство заключается в использовании серии зональных изображений как разноглубинных срезов толщи воды и поверхности дна в связи со способностью лучей разных спектральных диапазонов проникать на неодинаковую глубину - наибольшую (до 20м) для лучей голубого диапазона и наименьшую - для лучей ближней ИК области спектра. Эти свойства открывают возможности исследования распространения взвешенного материала в воде - естественного загрязнения водоемов твердым стоком рек и т.д. Это позволяет составлять карты подводных ландшафтов с их комплексной характеристикой для мелководных акваторий, но именно задачи освоения и мониторинга шельфа приобрели теперь первостепенное значение [67].

Многозональные космоснимки весьма информативны для определения снежного покрова. Свежевыпавший снег отражает около 95% солнечной радиации в области длин волн 0.3 - 0.9 мкм. В видимой области спектра снег - белое тело, а в ИК области (длина волны 10 мкм) - абсолютно черное тело с температурой ниже 0 град. С [27]. Обработка таких многозональных космоснимков, снятых в различных спектральных диапазонах позволяет уверенно оконтуривать снежный покров, а сочетая с данными радиозондирования или наземных наблюдений определять снегозапас территорий.

Активное дзз проводится в видимом диапазоне с помощью лидаров (532нм) [2], но, в основном, в радиодиапазоне [1].

При зондировании из космоса используется сверхвысокочастотный (СВЧ) диапазон волн - от миллиметров до нескольких сантиметров. В этом диапазоне атмосфера Земли обладает высокой прозрачностью, поэтому радиометры и радиолокаторы позволяют практически всегда осуществлять зондирование земных покровов, причем, независимо от наличия облаков.

Электрические свойства природных образований в радиодиапазоне характеризуются определенной диэлектрической постоянной и их температурой, которая для большинства природных объектов составляет величину 2-5, а для воды при 20 град. С - около 80 [4]. Такой контраст позволяет эффективно применять микроволновое зондирование природных объектов, связанных с присутствием влаги: влажность почв, засоленность водоемов и почв, температуры поверхности, ледовой обстановки в районе северного морского пути Арктики [57].

Проникающая способность радиоволн позволяет получить особую информацию о земных покровах, которую не удается извлечь из наблюдений в оптическом диапазоне. Так, в известной степени радиоволны позволяют "преодолеть" экранирующий эффект растительных покровов и получить информацию непосредственно о свойствах земных грунтов.

С другой стороны, с помощью радиоволн осуществляется глубинное зондирование грунта, снега, льда, что позволяет выносить более объективные суждения о физическом состоянии земных покровов [27, 40].

Пространственное разрешение радиометров на Земле составляет 5 км. Однако, радиолокаторы с синтезированной апертурой имеют более высокое разрешение: (спутник ERS - 30м; Envisat - 30м; Jers-1 - 18м; Radarsat - 9x10м; Алмаз-1А - 15м; Алмаз-1Б - 5м) [1], Океан О - 1.3х2.5 км [28].

Комплексное изучение природных ресурсов

Наибольший технико-экономический эффект от использования данных космического зондирования Земли может быть получен при комплексном изучении и картографировании природных ресурсов с постановкой работ по принципу от общего к частному [4].

Комплексное изучение и картографирование на основе космической информации подразумевает получение новых сведений о природных ресурсах по основным их видам и территориальным сочетаниям путем интерпретации материалов космической съемки и их совместного анализа с данными традиционных исследований.

Картографическая форма отображения результатов исследований является одним из важнейших средств доведения данных дистанционного зондирования до практического использования. Преобладающее число потребителей предпочитают использовать космическую информацию в ее наиболее завершенном и пространственно определенном виде - в виде тематических карт. При этом наиболее целесообразно создавать тематические космические фотокарты, имея в виду задачу доведения до потребителей всего многообразия и богатств сведений, получаемых в результате космической съемки [4].

Космическая информация как источник картосоставления обладает специфическими свойствами, которые способствуют системному анализу в сжатые сроки:

• многоаспектность интерпретации данных позволяет выполнить многостороннее и целенаправленное картографирование природных комплексов;

• единая фотографическая основа, используемая для целей тематического дешифрирования, облегчает согласование характеристик и их единообразную локализацию в картографическом изображении;

• единовременность исходной информации по всем каналам, территориям и направлениям - принципиально новое свойство космической информации, чрезвычайно важное с позиций системного картографирования, которым, как правило, не обладают традиционные картографические источники;

• сокращение сроков сбора тематической информации, что намного повышает оперативность подготовки картографических документов;

• возможность повторной регистрации состояния природных комплексов через необходимые промежутки времени, что позволяет выявить важнейшие тенденции динамики и развития природных комплексов, способствует надежности прогнозирования [4].

Сканерные съемки Земли и прием цифровых космоизображений с современных спутников, а также широкое развитие геоинформационных систем позволяет составлять цифровые электронные тематические карты. Это качественно новая ступень в картографии, открывающая широкие возможности для комплексного анализа и применения различными потребителями. Большинство природопользователей заинтересовано в системном многоцелевом картографировании природных ресурсов [77] на перспективные районы хозяйственного развития в масштабах 1:200 000, 1:500 000, 1:1 000 000. В настоящее время имеется электронная карта с рельефом (3D) больше части Земли масштаба 1: 1 000 000, являющаяся основой для составления тематических карт и двумерная карта мира с разрешением 30м для нетопографических целей , составленные по данным спутников NOAA и LandSat [78]. По данным ООН картами масштаба 1: 100 000 покрыто только 44% суши, 1: 50 000 - не более 50%, 1: 25 000 - не более 20%. На остальные участки карты либо отсутствуют либо не соответствуют действительности [41].

В январе 2000г., во время 11-дневного полета Space Shuttle Endeavour, с высоты 240 км проведено радиолокационное зондирование Земли между 60 град. С.Ш. и 54 град. Ю.Ш., это 80% суши. Съемка произведена высокого разрешения (30м по горизонтали и 15 м по высоте) независимо от облачности путем однопроходной интерферометрии с помощью бистатического радиолокатора с базой 60м для составления трехмерных топографических электронных карт в 30 раз более точных, чем имеющиеся в настоящее время. Эти карты важны для ученых различных специальностей, военных целей и для коммерческих приложений [72,75,76].

Н а этом рисунке представлена трехмерная картина части Камчатки реконструированная по данным радара Space Shuttle Endeavour.

Что могут космические снимки?

Почему необходимо использовать космические снимки?

Проблема	Решение проблемы
В повседневной работе часто приходится использовать топографические карты масштабов 1:25000-1:200000. Однако на большинство территории Российской Федерации они не обновлялись десятилетиями. Так, например карты 1:25000 масштаба не обновлялись с 70-х годов. Топографические карты наиболее подробного - 1:25000 масштаба являются “секретными”, что делает их практически недоступными для широкого использования.	Космические снимки позволяют оперативно (в течении 1-2 мес., с момента проведения съемки) создавать цифровые карты на большие участки территории. Космические снимки позволяют гибко изменять объектовый состав создаваемых карт, для исключения объектов, не предназначенные для показа на картах для открытого использования. Пример такого картографического изображения приведен на рис 1.
Для решения многих прикладных задач требуется наличие специальных картографических материалов, создание которых не предусмотрено за государственный счет.	Космические снимки позволяют создавать специальные картографические материалы, которые проектируются и создаются непосредственно для решения определенной задачи, стоящей перед заказчиком. Пример космофотокарт такого типа приведен на рис 2.
Проведение инспектирующих проверок природопользователей всегда сталкивается с проблемами, связанными с большой пространственной протяженностью проверяемых территорий и отсутствием независимых от природопользователей источников информации.	Такие проблемы, как выбор мест для проверок (“рекогносцировки”), могут быть решены с применением космической съемки. Примеры приведены на рис 3-7. Проведение мониторинга техногенных изменений с использованием космической информации позволит получить независимую информацию о масштабах техногенной деятельности и дальнейшей ее “наземной” проверке. Примеры мониторинга приведен на рис 8, 9.

В каких случаях применение космических снимков является наиболее выгодным?

Стоимость одного снимка, полученного с зарубежного космического аппарата редко бывает менее $2000, поэтому необходимо выяснить: в каких случаях использование космической информации может принести существенную выгоду по сравнению с традиционными способами получения пространственно-распределенной информации (аэрофотосъемкой)

Существует несколько факторов, которые определяют предпочтительность использования космической съемки:

• Требуется получить картографический материал с разреженной (по сравнению с топографическими картами сопоставимого масштаба) нагрузкой

• Требуется получить большой пространственный охват, при среднем масштабе создаваемой или обновляемой карты (1:25000-1:50000).

• Необходимо картографически отобразить объекты, которые не показываются на топографических или других специальных картах или показаны с недостаточной степенью точности (степени заболоченности, мелкие озера, лесовозные дороги) и т.п.

• Необходимо определить и картографически отобразить специальные характеристики объектов (например характер нарушения участка территории, параметры лесосек и т.п.)

• Требуется произвести инвентаризацию изменений на территории происшедших с некоторого момента, в том числе определенных типов объектов (например составить карту техногенных изменений для последующей передаче в земельный комитет и другие контролирующие организации).

И еще один немаловажный фактор: чем более комплексно предполагается использовать снимок, тем более выгодным становиться его приобретение. Например, возможно, что комитету по охране природы, будет невыгодно приобретать снимок для решения задачи, скажем контроля рубок леса в охранных зонах особоохраняемых территорий. Но в случае, если с этого же снимка будут получены данные о лесовосстановлении; контроле параметров лесосек; обновлены имеющиеся в наличии карты масштабов 1:25000-1:50000 по отдельным элементам содержания; созданы карты дорог (в т.ч. лесных); получены данные о подтоплении участков территории и инженерных коммуникаций; проверены участки строительства на предмет выхода за пределы земельных отводов; и т.п., то можно уже говорить о комплексной выгоде для многих хозяйствующих субъектов и органов государственного управления, которые будут использовать полученную информацию в своей работе.