Классификация и задачи ДЗЗ

 Результаты исследований  с борта пилотируемых космических  кораблей и долговременных орбитальных  станций использовались учеными  и специалистами во многих областях, связанных с науками о Земле. Из космоса хорошо просматривается связь между структурными и динамическими процессами и образованиями в атмосфере, океане и литосфере Земли. Особенно четко видно взаимодействие крупномасштабных динамических образований в атмосфере и гидросфере, изучение которых возможно только с космических орбит. Результаты этих исследований все более широко использовались не только в интересах наук о Земле, но и в интересах народного хозяйства, к примеру: в геологические исследованиях, исследованиях атмосферы днем и ночью, мезосферных (серебристых) облаков, исследования океанов и др.

 

2. Общая характеристика состава  задач и классификация средств ДЗЗ

Учитывая чрезвычайно большое разнообразие сфер хозяйственного и научного использования КИ ДЗЗ, полный состав задач ДЗЗ велик по номенклатуре и содержит весьма разнородные требования к видам и характеристикам космических данных. Однако существует важная особенность, объединяющая весь спектр задач ДЗЗ в одно целое и позволяющая решать большинство подобных задач на космических аппаратах, оснащенных бортовой аппаратурой для съемки и зондирования в разных диапазонах спектра. Дело в том, что в основе всех методов ДЗЗ лежит требование регистрации и измерения потоков собственного (т.е. теплового) или отраженного электромагнитного излучения от интересующих природных и хозяйственных объектов, расположенных на земной поверхности, несколько заглубленных под ней или существующих в атмосфере нашей планеты.

По результатам таких наблюдений и измерений, передаваемым в виде поступающей КИ ДЗЗ на наземные пункты ее приема, обнаруживаются, отождествляются и конкретизируются (классифицируются) типы и фиксируется состояние природохозяйственных объектов и процессов, важных для проведения эффективной природоохранной деятельности, прогнозирования погоды и опасных гидрометеорологических явлений, оценки масштабов ЧС и с целью принятия адекватных мер по уменьшению их последствий и минимизации ущерба, налаживания эффективных производственных процессов в отраслях природопользования и научного изучения эволюции Земли.

Дистанционное зондирование Земли сейчас, в основном, осуществляется в видимой области спектра, что соответствует современному уровню развития высокоточных бортовых приборов ДЗЗ. Вместе с тем, уже в настоящее время широко применяются и развиваются опережающими темпами методы и аппаратура ДЗЗ в радиодиапазоне (радиолокаторы с синтезированной антенной, скаттерометры, радиовысотомеры и другие приборы активного СВЧ-зондирования, а также пассивные микроволновые многоканальные радиометры) и инфракрасной (ИК) области спектра (ИК-радиометры и спектрометры, фурье-спектрометры, абсорбционные спектрометры и т.д.). Постепенно возрастает разнообразие новых приборов ДЗЗ для наблюдения в ультрафиолетовой (УФ) области спектра и для реализации новых технологий ДЗЗ (новые методы лимбового и затменного зондирования, многополяризационные и многоугловые методы, двух- и многопозиционная радиолокация, формирование сверхбольшой апертуры для СВЧ-зондирования на основе кластерных систем спутников и т.д.). С другой стороны некоторые традиционные методы наблюдения Земли, использовавшиеся еще в годы существования СССР, например, фотографические, по-видимому, близки к практическому исчезновению из состава перспективных способов ДЗЗ. Таким образом, в прогнозируемый период должно произойти существенное расширение методов и приборов ДЗЗ в направлении внедрения все более эффективных средств зондирования в СВЧ, ИК и УФ областях спектра, хотя ведущая роль многоспектральных съемочных приборов видимой (В) области спектра в целом должна сохраниться.

В соответствии с составом и характеристиками задач ДЗЗ можно выделить следующие основные области применения КИ ДЗЗ и кратко сформулировать их особенности:

- гидрометеорология, для решения конкретных задач которой необходимо высокопериодическое получение в глобальном масштабе космических данных об облачном и снежно-ледовом покровах, трехмерных полях температуры и влагосодержания атмосферы, трехмерном поле ветра, температуре и других физико-химических параметрах поверхности Земли, зонах и интенсивности осадков, крупномасштабных и опасных процессах в атмосфере и на поверхности Земли (циклоны, антициклоны, тропические штормы и ураганы, стихийные гидрометеорологические явления и др.), всех составляющих элементов для изучения эволюции климата (альбедо Земли, малые газы, аэрозоль, вариации солнечного излучения и т.д.), гелиогеофизических параметрах «погоды» Земли в околоземном космосе и динамике изменения растительного покрова;

- экологический мониторинг на глобальном, региональном и локальном уровнях за распространением загрязнений во всех трех основных природных сферах (атмосфера, поверхность суши, водная среда), развитием эрозионных и др. процессов деградации природной среды; обнаружение факта и адресная локализация крупных промышленных и иных источников загрязнения окружающей среды; контроль трансграничного переноса загрязнений; экологический мониторинг районов добычи полезных ископаемых, транспортировки углеводородного топлива и др. химических продуктов (аммиак и т.д.) и крупнейших скоплений промышленных предприятий и мегаполисов;

- мониторинг чрезвычайных ситуаций, включая обнаружение факта ЧС, оценку масштабов и характера разрушений; прогнозирование землетрясений и других разрушительных природных явлений; оповещение о цунами, наводнениях, селях, химическом и ином заражении местности, лесных пожарах, крупных разливах нефтепродуктов и т.д.;

- создание и обновление широкого спектра общегеографических и тематических картографических материалов (топографические карты, карты в цифровом виде, ГИС разного назначения, карты сейсмичности и геологического риска, карты лесных массивов, сельхозугодий и др. тематического назначения);

- информационное обеспечение деятельности по землеустройству, прокладке транспортных магистралей, строительству промышленных объектов и градостроительству, составлению кадастров земельных и иных природных ресурсов;

- информационное обеспечение хозяйственной деятельности в ведущих отраслях социальной экономики, связанных с использованием и переработкой возобновляемых и не возобновляемых природных ресурсов, включая сельское, рыбное, лесное, водное хозяйство, геологию и разработку месторождений полезных ископаемых;

- океанография и океанология (зондирование водных поверхностей с целью определения их температуры, солености, цветности, прозрачности, биопродуктивности, загрязнений, течений, ледовой обстановки, волнения, приводного ветра, а также изучение шельфа);

- фундаментальное изучение закономерностей и тенденций изменения глобальных и крупнейших региональных процессов в атмосфере и других оболочках нашей планеты (гидросфера, криосфера, биосфера, околоземный космос и магнитосфера).

Космическая информация ДЗЗ, получаемая в интересах решения природохозяйственных и научных задач должна удовлетворять ряду требований к ее параметрам, основными из которых являются следующие:

- пространственное разрешение (т.е. разрешение на местности),

- радиометрическое разрешение (характеризует число градаций яркости на космических снимках или чувствительность приборов ДЗЗ),

- количество спектральных каналов или спектральное разрешение,

- периодичность обзора (перерывы между повторениями наблюдений одних и тех же местностей),

- общий интервал электромагнитного спектра (ширина спектральной области съемки) для рассматриваемого бортового прибора ДЗЗ,

- размах полос захвата,

- ширина полос обзора (в пределах которых фиксируется в текущий момент полоса захвата),

- географические районы наблюдений,

- ежегодные площади съемок для разных видов КИ ДЗЗ или иной показатель требуемой производительности ДЗЗ,

- географическая точность привязки снимков на местности,

- оперативность доставки КИ ДЗЗ потребителям.

Конкретные значения требований к перечисленным параметрам существенно изменяются в зависимости от рассматриваемой задачи ДЗЗ и используемого для ее решения типа бортового съемочного или зондирующего прибора, то есть от вида получаемой КИ ДЗЗ. Основной состав приборов ДЗЗ приведен на рис. 1. Как видно, он включает следующие типы аппаратуры ДЗЗ:

- панхроматические и многоспектральные съемочные системы видимого (В) и ближнего инфракрасного (БИК) диапазонов (свыше 50 % решаемых задач ДЗЗ),

- инфракрасные (ИК) радиометры (около 20 % задач),

- радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА, примерно 15 % задач),

- гипер- и видеоспектрометры (~ 5 % задач),

- фурье-спектрометры и спектрорадиометры ИК области (~ 3 % задач),

- микроволновые радиометры (~ 5 % задач),

- ряд приборов для радиационных и гелиогеофизических и других измерений за обстановкой в околоземном космосе (~ 2 % задач),

- ряд дополнительных приборов для надирных, лимбовых, затменных и других научных исследований атмосферы Земли (~ 1 % задач).

Многообразие требований к приборам, то есть видам КИ ДЗЗ, дополняется исключительно широкими диапазонами требований к пространственному разрешению и периодичности обзора для разных целей хозяйственного и научного применения КИ ДЗЗ.

Так, по разрешению на местности для разных классов (групп, областей) ДЗЗ необходимо обеспечивать от 0,5 м до десятков км.

По периодичности обзора диапазон требований простирается от 0,1 часа (почти реального масштаба времени (РМВ)) до нескольких лет.

Отмеченное разнообразие необходимых видов (приборов) КИ ДЗЗ и широта диапазонов требований к информационным параметрам космических данных со всей необходимостью приводят к неизбежности формирования полноценной космической системы ДЗЗ из ряда самостоятельных космических подсистем и космических комплексов на базе КА с различными наборами бортовых приборов наблюдения Земли.

 

3. Классификация используемых орбит при ДЗЗ

Большую часть данных дистанционного зондирования составляют снимки, которые дают возможность получения сведений об объекте в виде изображений в цифровой (данные, передаваемые на наземную станцию по радиоканалам или фиксируемые на борту на магнитных носителях) или аналоговой (фотографии) формах. Цифровые данные представляют интегральное излучение площадки на земной поверхности, соответствующей элементу изображения – пикселу. Результаты измерения переводятся в дискретные безразмерные цифровые значения, соответствующие характеристикам отражательной способности. Записанные посредством регистрирующего устройства цифровые значения изменяются в пределах радиометрического битового диапазона, ширина которого зависит от характеристик датчика – обычно это интервал 0 – 255. На изображении эти значения соответствуют оттенкам серой шкалы: 0 представляет абсолютно черный объект, 255 – абсолютно белый объект, а промежуточные значения соответствуют различным оттенкам серого цвета. Всё многообразие объектов ландшафта Е.Л. Кринов разделил на четыре класса, каждый из которых отличается своеобразной кривой спектральной яркости (например, 1 класс – горные породы и почвы, характеризуется увеличением спектральной яркости по мере приближения к красной области спектра). Изображения, полученные сканированием. Фотографические снимки необходимо для обработки переводить в цифровую форму. Для этого используют сканеры. В большинстве случаев для обработки аэрокосмических снимков используют растровые ГИС-пакеты, зональные изображения рассматривают в них как слои информации наряду с другими слоями БД.

 ДДЗ – важнейший  источник оперативной и современной  информации о природной среде  для тематических слоёв в ГИС, для поддержания данных в актуальном состоянии.

Траектория движения искусственного спутника Земли называется его орбитой. Эллиптическая орбита, по которой вращается спутник (в точке S находится спутник, а в точке G— Земля), характеризуется следующими параметрами: а = АО и b = ОС — большая и малая полуоси эллипса; е= (1 - b2/а2)1/2 — эксцентриситет орбиты; угол HGS — угловая координата ν радиуса-вектора (так называемая истинная аномалия); фокальный параметр р = b2/а; р = К2/ут2М, где К— момент количества движения спутника; т — масса спутника; М=5,976*1027 г — масса Земли, у = 6,67-10 -14 м3/гс3 — гравитационная постоянная. К параметрам орбиты спутника относится также период обращения Т — время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты.

 

 

Рис. 3.

В общем случае плоскость орбиты пересекается с плоскостью экватора Земли по так называемой линии узлов . Точка В, в которой орбита пересекает плоскость экватора при движении спутника с юга на север, называется восходящим узлом орбиты, точка пересечения при движении спутника с севера на юг — нисходящим узлом. Положение восходящего узла определяется долготой восходящего узла, т.е. углом Q, между восходящим узлом и точкой весеннего равноденствия, отсчитываемым против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса. Для линии узлов задают два угла в плоскости орбиты. Угол ω — угловое расстояние, отсчитываемое от восходящего узла в плоскости орбиты до перигея орбиты H, т.е. ближайшей к Земле точки орбиты спутника; со называют аргументом перигея. Угол i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора, называемый наклонением орбиты, отсчитывается от плоскости экватора с восточной стороны восходящего узла орбиты, против движения часовой стрелки. По наклонению различают экваториальные (i= 0°), полярные (i=90°) и наклонные (0° < i < 90°, 90° < i < 180°) орбиты.

 Спутники для дистанционного  зондирования Земли запускают  в основном на круговые орбиты. Такой спутник пролетает над  различными участками Земли на одинаковой высоте, что обеспечивает равенство условий съемки.

 Круговую орбиту, расположенную  над экватором Земли (0° широты), находясь на которой искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси, и постоянно находится над одной и той же точкой на земной поверхности, называют геостационарной орбитой (ГСО). Орбита геостационарного ИСЗ — это круговая (эксцентриситет е = 0), экваториальная (наклонение i = 0°). Низкоорбитальные спутники (H < 1000 км) обычно выводятся на приполярные солнечно-синхронные орбиты. Эти орбиты имеют наклонение относительно экватора, близкое к 90°, обеспечивают съемку всей поверхности Земли, включая полярные области. Поворот орбиты относительно Земли синхронизован с вращением Земли относительно Солнца, так что в течение всего времени угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце постоянен. Это позволяет производить съемку приблизительно в один и тот же час местного времени в течение всего года. Наиболее удобное время для съемки — около 12 ч местного времени.