Дистанционное зондирование Земли

Дистанцио́нное зонди́рование Земли́ (англ. Remote sensing) — метод, позволяющий получать данные о поверхности планеты, её объектах, атмосфере, океане и верхнем слое коры с использованием бесконтактных технологий, при которых устройство для регистрации находится на значительном удалении от исследуемых объектов. Основой дистанционного зондирования является взаимосвязь между зарегистрированными параметрами излучения объекта и его биогеофизическими свойствами.

История

Данные метода дистанционного зондирования Земли начали использоваться в древности с рисованными изображениями, фиксирующими расположение объектов, а после изобретения фотографии появились наземные фотосъёмки для картирования. Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством исследований — аэрометодами.

Становление понятия

Концепция дистанционного зондирования появилась в XIX веке с развитием фотографии, и одной из первых дисциплин, где его начали применять, являлась астрономия. Позже этот метод стал использоваться в военной сфере для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений. Во время Гражданской войны в США фотоснимки, сделанные с неподвижных летательных аппаратов, использовались для наблюдения за передвижением войск, доставкой припасов и оценкой артобстрелов. Государственное финансирование усилило исследования, что привело к созданию технологий сенсоров для военных и, впоследствии, гражданских нужд. После Второй мировой войны дистанционное зондирование начали применять для мониторинга окружающей среды и гражданской картографии.

Новая эра

Новая эра дистанционного зондирования связана с пилотируемыми космическими полётами, разведывательными, метеорологическими, а также ресурсными спутниками. Возможности дистанционного зондирования в военной области значительно возросли после 1960 года в результате запуска разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON, LANYARD, целью которых являлось получение фотоснимков с низких орбит. Вскоре получены стереопары снимков с разрешением два метра.

В результате осуществления программ пилотируемых полётов, которые начаты в США в 1961 году, человек впервые высадился на поверхность Луны (1969 год). Программа Mercury, в рамках которой получены снимки Земли, систематический сбор данных дистанционного зондирования во время проекта Gemini (1965-1966 годы), программу Apollo (1968-1975 годы), в ходе которой велось дистанционное зондирование земной поверхности и состоялась высадка человека на Луну, запуск космической станции Skylab (1973-1974 годы), на которой проводились исследования земных ресурсов, полёты космических кораблей многоразового использования, которые начались в 1981 году, а также получение многозональных снимков с разрешением 100 метров в видимом и близком инфракрасном диапазоне с использованием девяти спектральных каналов.

В Советском Союзе, а затем в России космические программы развивались параллельно космическим программам США. Полёт Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года, ставший первым полётом человека в космос, запуски космических кораблей «Восток» (1961-1963 гг.), «Восход» (1964-1965 гг.) и «Союз», работа на орбите космических станций «Салют» (впервые 19 апреля 1971 года).

Первые спутники

Первый метеорологический спутник запущен в США 1 апреля 1960 года. Он использовался для прогноза погоды, наблюдения за перемещением циклонов и других подобных задач. Первым среди спутников, которые применялись для регулярной съёмки больших участков земной поверхности, стал TIROS-1 (Television and Infrared Observation Satellite).

Первый специализированный спутник был запущен в 1972 году. Он назывался ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) и использовался, в основном, для целей сельского хозяйства. В настоящее время спутники этой серии носят название Landsat. Они предназначены для регулярной многозональной съёмки территорий со средним разрешением. Позже, в 1978 году, запущен первый спутник со сканирующей системой SEASAT, но он передавал данные всего три месяца. Первый французский спутник серии SPOT, с помощью которого можно было получать стереопары снимков, был выведен на орбиту в 1985 году. Запуск первого индийского спутника дистанционного зондирования, названного IRS-1A(Indian Remote Sensing), состоялся в 1988 году. Япония также вывела на орбиту свои спутники JERS MOS.

Начиная с 1975 года, Китай периодически запускал собственные спутники, но полученные ими данные до сих пор находятся в закрытом доступе. Европейский космический консорциум вывел на орбиту свои радарные спутники ERS в 1991 и 1995 годах, а Канада-спутник RADARSAT в 1995 году.

Настоящее время

История развития аэрокосмических методов свидетельствует о том, что новые достижения науки и техники сразу же используются для совершенствования технологий получения снимков. Так произошло в середине XX века, когда такие новшества, как компьютеры, космические аппараты, радиоэлектронные съёмочные системы, совершили революционные преобразования в традиционных аэрофотометодах — зародилось аэрокосмическое зондирование. Космические снимки предоставили геоинформацию для решения проблем регионального и глобального уровней.

Технологии дистанционного зондирования Земли из космоса — незаменимый инструмент изучения и постоянного мониторинга Земли, помогающий эффективно использовать и управлять её ресурсами. Современные технологии находят применение практически во всех сферах жизни. В XXI веке российская орбитальная группировка дистанционного зондирования Земли состоит из спутников серий «Ресурс-П», «Канопус-В», «Метеор-М», «Электро-Л» и «Арктика-М».

Оператор российских космических средств дистанционного зондирования Земли Госкорпорации «Роскосмос» продолжает оперативный мониторинг чрезвычайных ситуаций во всем мире средствами российской орбитальной группировки. Так, в рамках выполнения поручения Совета Безопасности Российской Федерации Роскосмосом организован круглосуточный оперативный мониторинг паводковой и пожароопасной обстановки, а также прочих природных и техногенных бедствий.

Общий обзор

Физическими основами дистанционного зондирования являются:

• отражение и рассеяние солнечной энергии поверхностью;
• излучение энергии нагретыми телами;
• влияние атмосферы.

Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удалённой от него точке пространства. Методы дистанционного зондирования основаны на использовании сенсоров, которые размещаются на летательных и космических аппаратах и регистрируют электромагнитное излучение в широком диапазоне электромагнитного спектра. В большинстве методов используют инфракрасный диапазон отражённого излучения, тепловой инфракрасный и радиодиапазон электромагнитного спектра.

Составляющими процесса сбора данных являются:

• источник электромагнитного излучения;
• процесс распространения излучения;
• взаимодействие излучения с веществом объекта;
• ответный сигнал;
• регистрация данных и предоставление их потребителям.

Техники получения данных

При дистанционном зондировании для получения информации применяются:

• Аэрокосмическая стереосъёмка. Съёмка объектов с перекрытием из нескольких последовательных позиций в воздухе или космосе позволяет создать точную трёхмерную модель.
• Многозональная съёмка. Основная идея многозональных данных заключается в уникальности цветовых характеристик различных объектов. Комбинирование яркостных данных из фотографий в разных спектральных диапазонах помогает точно выделить определённые пространственные структуры.
• Многовременная съёмка. Запланированное фотографирование в заранее установленные даты даёт возможность провести сравнительный анализ изображений объектов, характеристики которых со временем меняются.

• Многоуровневая съёмка. Применение различных уровней дискретизации позволяет получать всё более детальную информацию об исследуемой местности. Обычно процесс сбора данных делится на три уровня: спутниковая съёмка, аэрофотосъёмка и наземные исследования.

• Многополяризационная съёмка. Метод получает изображения, которые используются для проведения границ между объектами, основываясь на различиях в поляризационных свойствах отраженного света. Например, отраженное излучение от водной поверхности, как правило, более поляризовано по сравнению с растительным покровом.

Этапы

Основными технологическими этапами является получение снимка объекта исследования и дальнейшая работа с ними. Дистанционное зондирование состоит из пяти этапов:

1. Съёмка объекта.
2. Фотограмметрическая обработка данных и их дешифровка.
3. Составление карты ГИС.
4. Представление полученных данных в виде цифровой модели, для дальнейшего анализа.
5. Получение результатов и прогнозирование для определения дальнейших действий.

Выделяют также другие этапы дистанционного зондирования:

1. Источник энергии (солнце / самоизлучение).
2. Передача энергии от источника к поверхности Земли.
3. Взаимодействие энергии с поверхностью Земли.
4. Распространение отражённой / излучаемой энергии через атмосферу.
5. Обнаружение отражённой / излучаемой энергии датчиком.
6. Преобразование полученной энергии в фотографические / цифровые данные.
7. Извлечение информации из данных продуктов.
8. Преобразование информации в картографический / табличный форматы.

Методы

Активный метод

Активный метод подразумевает облучение интересующих объектов или площадей волнами, генерируемыми датчиком, и последующее изучение отражённых волн. Примером применения такого метода могут быть радиолокационная система с синтезированной апертурой, лазерное сканирование.

Пассивный метод

Пассивный метод основывается на изучении естественного собственного или отражённого излучения объектов (например, солнечного света). Такой сбор информации ведётся с помощью мультиспектральных датчиков.

Применение

Сельское хозяйство

Для сбора информации о территории, объектах на ней, о различных явлениях в области сельского хозяйства чаще используется дистанционное зондирование Земли, то есть процесс получения необходимых данных с помощью летательных аппаратов, без непосредственного контакта с объектом мониторинга. С помощью дистанционного зондирования Земли можно получать снимки, по которым определяют тип засеянной культуры и площади под ней. При этом следует заметить, что для решения подобных задач необходимо систематически проводить съёмки обследуемой территории для наблюдения за развитием процессов жизни сельскохозяйственных культур. Так, например, на основе снимков дистанционного зондирования Земли (даже низкого разрешения) с использованием различий в спектральных яркостях растительности в течение вегетационного периода, а также индекса NDVI (принимает положительные значения и зависит от объёма зелёной фитомассы) по тону изображения полей можно сделать вывод об их агротехническом состоянии, а впоследствии, после зимовки, состояние различных культур можно оценивать по отличиям в цвете здоровых и погибших растений.

С помощью дистанционного зондирования Земли мониторинг сельских угодий проводится на больших площадях, поэтому появляется возможность одновременного анализа территорий районов, областей или даже целых стран. Другой особенностью применения дистанционного зондирования в сельском хозяйстве является возможность выявления и прогнозирования таких неблагоприятных явлений, как засоление почв, ветровая и водная эрозия, вытаптывание почвы скотом, все это играет немаловажную роль при планировании сельскохозяйственной деятельности.

Мониторинг лесного покрова

Дистанционный мониторинг позволяет производить регулярные наблюдения за состоянием использования лесов, для своевременного выявления и прогнозирования развития процессов, оказывающих негативное воздействие на леса. Порядок проведения работ при дистанционном мониторинге:

• со спутника с помощью сканирующего радиометра производится съёмка обозначенной территории;
• базирующаяся на Земле аналитическая станция получает инфракрасный снимок и анализирует его;
• анализ снимка проводится по таким направлениям как лесные пожары санитарно-лесопатологического наблюдения, мониторинг лесовосстановления.

Лесной мониторинг организуется в системе Федеральной службы лесного хозяйства и является одной из главных функциональных задач органов управления лесным хозяйством. Объектом лесного мониторинга является весь лесной фонд России. Основным звеном ведения лесного мониторинга является государственный орган управления лесным хозяйством в субъекте РФ, первичным структурным звеном — лесничества, лесопарки и др. предприятия и учреждения, осуществляющие ведение лесного хозяйства, и во владении которых находится лесной фонд. Организация системы лесного мониторинга осуществляется поэтапно с максимальным использованием существующих организационных структур и информационных потоков о состоянии лесов.

Геодезия

Дистанционное зондирование Земли активно используется в геодезии для решения различных задач:

• Мониторинг состояния земельных ресурсов и зелёных насаждений. Снимки со спутников с высоким пространственным разрешением позволяют быстро получать информацию о больших территориях, обрабатывать её с помощью геоинформационных систем и обновлять налоговые и картографические данные для актуализации реестров.
• Определение пространственного положения объектов. Фотограмметрический метод предоставляет возможность на основе изображений исследуемого объекта установить его форму, размеры и местоположение в заданной системе координат, а также вычислить его площадь, объём и различные сечения на момент съёмки, а также проследить изменения этих величин за указанный период времени.
• Создание схем пространственного планирования и градостроительной документации. Данные, полученные через дистанционное зондирование, предлагают детальную и надежную информацию о природных (земельных) ресурсах, транспортной и инженерной инфраструктуре, а также других объектах.

Акустические и около-акустические применения

Главное преимущество использования дистанционного зондирования заключается в отдалённом расстоянии объекта. Дистанционное зондирование может применяться в акустических и около-акустических системах. К примеру:

• сонар — используется для обнаружения подводных объектов;
• сейсмографы — используются для обнаружения и регистрации сейсмических волн;
• УЗИ: датчики ультразвукового излучения — используется для обнаружения волн на воде и определения уровня воды.

Океанология

Дистанционное зондирование Земли находит широкое применение в океанологии. Данные этого метода в различных диапазонах длин волн являются основным источником сведений о полях геофизических параметров. Области применения дистанционного зондирования в океанологии:

• Изучение состояния системы океан — атмосфера. Спутниковые данные позволяют исследовать разномасштабные динамические процессы в океане и атмосфере: интенсивные атмосферные вихри, океанические и прибрежные фронты, течения, вихревые образования, внутренние волны, апвеллинги и другие.
• Определение температуры и солёности поверхности океана. Также с помощью дистанционного зондирования можно узнать скорость приводного ветра, характеристики ледяного покрова, динамические структуры в океане.
• Мониторинг морских погодных систем. Спутниковые методы помогают следить за состоянием морской поверхности и ледяного покрова в полярных морях и арктической зоне.
• Обнаружение и идентификация плёночных загрязнений. Например, с помощью дистанционного зондирования можно выявить сырую нефть, нефтепродукты, судовые разливы, грифонные и биогенные плёнки.
• Мониторинг морских льдов. Для этого используют оптические, микроволновые и радиолокационные данные.

Обработка данных

Обработка данных дистанционного зондирования состоит из двух ключевых этапов:

• Первый этап — предварительная обработка, которая включает в себя коррекцию и улучшение спутниковых изображений. К основным методам предварительной обработки относятся геометрическая коррекция, контрастирование, восстановление недостающих пикселей, радиометрическая калибровка и фильтрация.
• Второй этап — тематическая обработка, которая подразумевает дешифровку или идентификацию объектов и явлений на космических снимках. Среди методов тематической обработки можно выделить цветовые преобразования, индексные изображения, анализ главных компонент, спектральное разделение и классификацию.

Преимущества и недостатки

К преимуществам дистанционного зондирования относится:

• возможность проведения масштабных исследований, в том числе в труднодоступных местностях;
• отсутствие непосредственного контакта с поверхностью и минимизация вмешательства человека в жизнь природы;
• возможность изучения движущихся объектов;
• получение информации в разных диапазонах электромагнитного спектра;
• возможность изучать земную поверхность на глубину до нескольких сантиметров (например, при тепловой инфракрасной съёмке).

К недостаткам дистанционного зондирования относится:

• требует применения дорогостоящей аппаратуры;
• требует применения новейшего программного обеспечения;
• необходима высокая квалификация специалистов-операторов.