Отличия между космическими съемками и аэросъемкой.

В отношении применяемой съемочной аппаратуры принципиальных различий нет. Хотя есть конкретные модели аппаратуры, используемые только в космосе или только на самолете, все же принципиальные основные типы сенсоров можно использовать и там и там. Основное отличие в высоте, с которой производится съемка, а, значит,и в масштабеполучаемого изображения. Это, в свою очередь, приводит к различиюв пространственном разрешении и в площади, покрываемой одним кадром.

Аэросъемки в принципе, могут проводиться почти с любых высот полета в пределах потолка летательного аппарата (обычно до 10 км). Космические съемки всегда ведутся с высот значительно более 100 км (обычно 200-400 км). И, следовательно, масштабы изображений, получаемые при аэросъемке одни, а для космических съемок совсем другие. Соответственно и пространственное разрешение - на аэроснимках обычное дело увидеть объекты размером много менее метра, а для космических снимков объекты размером в 1 -2 метра - это очень хороший показатель. Но зато площади, покрываемые одним кадром космического снимка, могут быть огромны (высокая обзорность); тысячи и десятки тысяч км², и даже размером в целое полушарие для метеорологических съемок низкого разрешения.

Спутниковые изображения и аэрофотоснимки –достоинства и недостатки:

Классификация снимков.

По спектральному диапазону снимки делятся на три основные группы:

• в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне;

• в тепловом инфракрасном диапазоне;

• снимки в радиодиапазоне.

По технологии получения изображения, способам получения снимков и передачи на Землю снимки в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне подразделяют на:

• фотографические;

• телевизионные и сканерные;

• многоэлементные ПЗС-снимки на основе приборов с зарядовой связью;

• фототелевизионные.

Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне представляют собой тепловые инфракрасные радиометрические снимки. Снимки в радиодиапазоне делятся в зависимости от использования активного или пассивного принципа съемки на микроволновые радиометрические, получаемые при пассивной регистрации излучения, и радиолокационные, получаемые при активной локации.

По масштабу космические снимки делятся на три группы:

- мелкомасштабные (1:10000000—1:100000000);

- среднемасштабные (1:1 000000— 1:10000000);

- крупномасштабные (крупнее 1:1 000000).

По обзорности (площадному охвату территории одним снимком) снимки подразделяются на:

• глобальные (охватывающие всю планету, точнее, освещенную часть одного полушария);

• региональные, на которых изображаются части материков или крупные регионы;

• локальные, на которых изображаются части регионов.

По разрешению (минимальной линейной величине на местности изображающихся объектов) снимки различаются на снимки:

• очень низкого разрешения, измеряющееся десятками километров;

• низкого разрешения, измеряющегося километрами;

• среднего разрешения, измеряющегося сотнями метров;

• снимки высокого разрешения, измеряющегося десятками метров;

• сверхвысокого разрешения, на которых изображаются объекты размером менее 10м.

По детальности изображения, определяемой размерами элементов изображения и их количеством на единицу площади, выделяют снимки малой, средней, большой и очень большой детальности.

По повторяемости съемки снимки подразделяются на снятые через несколько минут, часов, суток или лет. Бывают и разовые съемки.

Какая техника используется сегодня для получения данных зондирования Земли.

Наибольшее значение имеют два продукта сенсоров: аналоговые фотографические системы и цифровые съемочные системы. Аэрофотоаппараты и их космические аналоги - это весьма сложные и точные устройства, заполненные разной электроникой, установленные на гиростабилизированной платформе. Отснятый в воздухе или в космосе негатив после возвращения на Землю проявляется и печатается для использования как обычный фотоснимок. Предпочтительнее иметь дело не с отпечатком на бумаге, а с исходным негативом на пленке, на нем лучше различимы многие детали изображения. Это происходит в силу того, что при печати на фотобумагу уменьшается радиометрическое (яркостное) разрешение снимка - пропадают детали в самых светлых, или в самых темных местах изображения или теряется контраст всего изображения - оно "сереет". Поэтому когда для ввода в компьютер фотоизображение сканируют, то всегда стараются сканировать исходные негативы на специальном сканере, который работает на просвет, а не на отражение.

По принципиальной оптической схеме аэро- и космофотоаппараты могут быть вполне подобны обычным - тогда это камеры для по кадровой съемки (рамочная камера), только в этих аппаратах используется специальная пленка большой ширины (18 см, 24 см, и др.).

Получаемые такой камерой снимки имеют центральную проекцию, и этим резко отличны от большинства карт. В силу свойств центральной проекции такой снимок не имеет постоянного масштаба- масштаб на нем в разных участках и вдоль разных направлений различен, в силу этого форма и размеры объектов на нем передаются с искажениями, и точные измерения по снимку нельзя делать без специальных приемов.

Как сделать возможными такие измерения, как сделать снимок геометрически точным измерительным инструментом, этим занимается специальная прикладная дисциплина - фотограмметрия. Фотограмметрические методики позволяют так трансформировать снимок, чтобы он стал как бы планом или картой. Такое трансформирование раньше выполняли с помощью очень громоздкой и дорогой оптико-механической аппаратуры, сегодня для этого существуют специальные компьютерные программы.

Есть еще специфический вид геометрических искажений на снимке, связанный с рельефом местности. Если местность имеет не совсем плоский рельеф, то объекты на снимке смещаются относительно своего "правильного" положения в зависимости от высоты местности, на которой они находятся. Это легко представить себе, вообразив, как будет выглядеть на снимке изображение столба, расположенного в стороне от центра снимка. Мы будем видеть и его верх и низ несколько разнесенными - верх будет чуть дальше от центра снимка, чем низ. А ведь в плане вертикальный столб должен бы видеться как точка.

Последний вид искажений также может быть устранен практически полностью, но для этого требуется знание рельефа местности, для цифровых методов - цифровой модели рельефа. Этот процесс устранения искажений за счет рельефа называется ортотрансформированием. Этот процесс тоже может быть проведен на компьютере, и цифровые ортофото сегодня находят самое широкое применение в ГИС.

Есть фотоаппараты с более сложной геометрией снимка- щелевые и панорамные камеры с движущимся при экспонировании объективом. В результате работы этих аппаратов образуется длинная полоса изображения, а не отдельные кадры. Геометрические свойства таких снимков совершенно отличаются от "по кадровых".

Рис. 5 Схемы построения изображений различными фотоаппаратами:

а – кадровым; б – щелевым; в – панорамным [10]

Какая пленка используется при получении данных дистанционного зондирования Земли.

Наиболее привычными для аэрофотосъемочных систем являются черно-белые пленки (черно-белые фото) в видимой зоне спектра. Они же часто используются и для космических фотосъемок, особенно для съемок системами высокого разрешения. Такие черно-белые пленки имеют наименьшую зернистость структуры изображения, и обеспечивают наиболее высокое разрешение при том же фокусном расстоянии объектива и высоте съемки.

Видимый диапазон(примерно от 400 до 700 нанометров, 400-500 нм - синяя зона, 500-600 нм - зеленая, 600-700 нм - красная) - это очень небольшая часть электромагнитного спектра, который представляет интерес для дистанционного зондирования Земли. Более короткие длины волн - ультрафиолетовая область - мало используется в дистанционном зондировании из-за очень сильного поглощения в атмосфере. Зато инфракрасная область, занимающая огромный участок спектра, от 700 до 15000 нм, очень информативна и широко используется в дистанционном зондировании.

Особенно информативным считается диапазон 2000-5000 нм потому, что именно в этой области лежат многие характерные пики спектров отражения природных сред, позволяющих их распознавать методами дистанционного зондирования.

Чем шире область электромагнитного спектра, тем больше в ней содержится информации о природных объектах. Это точно так же, как цветная фотография позволяет нам легко различить объекты, почти или вовсе неразличимые на черно-белом снимке.

Однако когда весь широкий диапазон спектра от синего до инфракрасного фиксируется одним датчиком (или одним светочувствительным слоем фотопленки) - снимок крайне неинформативен. Никогда не будет ясно, за счет, какого цвета (зоны спектра) данный участок светлее соседнего - все смешиваются без возможности разделения. Выход был найден (для фотографического типа сенсоров) в использовании так называемой спектрозональной пленки. Эта такая разновидность цветной пленки, слои которой чувствительны к отдельным зонам спектра, но не к трем базовым цветам - синему, зеленому и красному, на которых основан наш механизм цветного зрения. По информативности спектрозональные съемки значительно превосходят цветные съемки в естественных цветах при таком же геометрическом разрешении. Еще более перспективным является способ раздельной фиксации каждой зоны спектра, без синтезирования их общего эффекта уже в процессе съемки. Такой подход реализуем как в чисто фотографических, так и в цифровых системах съемки. Для фото систем он реализуется с помощью специальной конструкции фотоаппаратов, представляющих собой несколько отдельных камер, каждая со своим объективом и пленкой, смонтированных вместе и имеющих синхронизированные между собой затворы.

В результате съемок получается несколько (в зависимости от числа камер) черно-белых (точнее, полутоновых, не цветных) изображений, каждое из которых фиксирует яркость объекта в отдельной зоне спектра. Каждое из этих изображений может изучаться по отдельности, как черно-белое, но с той разницей, что мы точно знаем узкую зону спектра, в которой оно было снято.

Но главное - мы можем произвольным образом синтезировать цветное изображение в псевдоцветах, подбирая интересующие нас зоны съемки и присваивая им любые из трех основных цветов. При этом мы получаем не один вариант синтеза цветного изображения, предопределенный уже при съемке, а множество.

Однако такие "многозональные" съемки в фотографическом варианте имеют много недостатков, которые особенно проявляются при обработке снимков компьютерными средствами. Во-первых, для синтезирования цветного изображения из разных зон, снятых по отдельности, эти раздельные кадры необходимо точно совместить. Это может делаться и с помощью оптико-механических приборов, и в цифровых системах. Но главный недостаток - общий для всех фотографических систем - недостаточная оперативность. Надо ждать, пока будет отснята вся пленка, когда приземлится летательный аппарат или специальная капсула со спутника, пока будет проявлена пленка, а для использования в компьютере ее еще требуется сканировать.

Поэтому в последнее время основной интерес вызывают и имеют наибольшее применение чисто цифровые съемочные системы. Эти системы могут быть как черно-белые (ведущие съемку в каком-то одном диапазоне), так и многозональные (мультиспектральные). Есть варианты для аэросъемки, есть космические. Наиболее известны космические многозональные системы -SPOT,LANDSAT,NOAA. Эти спутники проводят (или могут проводить) непрерывную съемку той территории, над которой они пролетают, при этом, непрерывно передавая на Землю снимаемое изображение. Приемная станция на Земле в состоянии принимать все, что видит спутник, будучи в зоне видимости самой станции. Однако зоны приема этих станций покрывают далеко не всю Землю. Поэтому на многих спутниках есть специальная аппаратура, позволяющая по заданной программе записывать съемки какой-либо территории, лишенной приемных станций, а потом выдавать ее, пролетая в зоне видимости одной из станций.

Пространственное разрешение цифровых систем несколько хуже, чем фотографических. Например, при космических съемках фото системы уже давно дают снимки разрешением 1-2 метра, а такие же цифровые -10-30 м, и только сейчас готовятся запуски сотников с цифровой аппаратурой, обеспечивающей 1 - метровое разрешение.

Так же существуют телевизионные (видеосъемки), где изображение фиксируется телекамерой и тут же передается на Землю со спутника или фиксируется на бортовой видеомагнитофон. Этот вид съемок сейчас применяется мало, в основном в авиа варианте вдоль линейных сооружений (дорог, рек, линий ЛЭП, трубопроводов) для контроля их состояния. В этой области сейчас тоже есть специализированные цифровые системы, обеспечивающие использование компьютера для работы с собранной информацией.

Так же особого разговора заслуживают радарные (радиолокационные)снимки. Они отличаются от всех остальных данных дистанционного зондирования как по характеристикам, методам получения и обработки, так и по специфике их использования. В отличие от других съемочных систем, которые регистрируют отраженное от земной поверхности солнечное излучение или собственное тепловое излучение ИК диапазона, (пассивных сенсоров), радар - активный сенсор. Поэтому основным достоинством радарных снимков является их независимость от времени суток и времени года, а также погодных условий (облачный покров совершенно прозрачен для радара).

[1] – Гершензон В.Е., Смирнова Е.В., Элиас В.В. Информационные технологии в управлении качеством среды обитания. Учебное пособие. М.: ACADEMIA, 2003.

[2] – Федотов Г.А. Инженерная геодезия. М.: Высшая школа, 2004