АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ СЪЕМКИ

Аэрокосмические съемки – дисциплина, которая предполагает изучение следующих разделов:

1. Физические основы методов дистанционного зондирования;

2. Технические средства аэро-и космических съемок для дистанционного зондирования;

3. Технология аэро-и космических съёмок.

Термин «дистанционное зондирование» является переводом американского термина «Remote sensing» - (дословно) изучение объекта на расстоянии, т.е. без непосредственного контакта приемных чувствительных элементов аппаратуры (датчиков, сенсоров) с поверхностью исследуемого объекта.

Дистанционные методы используются для наблюдения Земли (и др. планет) из космоса. При этом исследователь имеет возможность на расстоянии получать информацию об изучаемом объекте. Дистанционные методы, как правило, являются косвенными, т.е. с их помощью измеряют не интересующие нас параметры объектов, а некоторые связанные с ними величины. Например, нам необходимо оценить состояние сельскохозяйственных посевов. Но аппаратура спутника регистрирует лишь интенсивность светового потока от этих объектов в нескольких участках оптического диапазона. Чтобы «расшифровать» такие данные требуются предварительные исследования, включающие в себя различные эксперименты по изучению состояния растений и взаимодействия их с электромагнитной энергией и характера отражения электромагнитной энергии от листьев растений.

Метод изучения Земли (и др. планет) относят к высоким технологиям. Это связано с использованием ракетной техники, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров и современных методов обработки интерпретации результатов измерений. Методы ДЗ позволяют за короткий срок получить информацию на большой территории планеты.

Таким образом – дистанционное зондирование – это наука, которая занимается изучением поверхности Земли и др. планет с использованием фотографических и нефотографических методов съемок с летательных аппаратов.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

1.1 Электромагнитное поле. Электромагнитные излучения. Диапазоны электромагнитного излучения

Величина, которая измеряется или регистрируется (фиксируется датчиками) в ДЗ – это электромагнитная энергия, излучаемая или отражаемая исследуемым объектом.

Электромагнитной энергией или электромагнитным излучением называется распространение энергии в пространстве в виде волн как прямолинейного потока световых частиц - фотонов (двойственность природы эл. излуч.).

В соответствии с этим электромагнитное излучение может быть описано волновыми параметрами: скоростью распространения (в вакууме с=3^.10⁸ м/с), длиной волны λ (А^◦, мкм, см, м) и частотой γ = С/ λ. А так же в понятиях корпускулярной теории как поток световых квантов или фотонов, когда речь идет о световом излучении.

Материя непрерывно испускает и поглощает электромагнитное излучение.

Процесс излучения связан с возбуждением молекул внутри вещества. В результате чего возникают излучательные переходы электронов. Выделяющаяся энергия уносится квазичастицами – квантами (фотонами) электромагнитного поля, которые имеют энергию W. Т.е. тело обладает электромагнитным полем.

Освобожденная в форме излучения энергия W характеризуется длиной волны λ:

W = hс/λ,

где h = 6.63·10^-34 Дж∙с – постоянная Планка; с = 3·10⁸ м/с – скорость света.

Характер всех электромагнитных волн одинаков. Они распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга собственной частотой, длиной волны и энергией, занимая соответствующее положение в электромагнитном спектре. Распределение энергии по длинам волн является непрерывным и спектр испускания излучения – непрерывный.

Общий спектр, встречающийся в природе электромагнитного излучения охватывает волны длиной от фемтометров (1 фемтометр фм=10^{-15 м) до километров (или десятки километров). Спектр делится на несколько областей, которые называются зонами или диапазонами. Границы между ними уловные. (Спектр излучения – распределение излучения по длинам волн или частиц.)}

На рис.1 показаны диапазоны электромагнитных волн.

Рисунок 1 – Диапазон электромагнитных волн.

1Å = 10^{-10 м}

1нм = 10^-9м

1мкм = 10^-6м

1мм = 10^-3м

1см = 10^-2м

1м = 1000мм = 10⁶мкм

1м = 1000мм = 10⁶мкм

10^-6м = 1мкм

1000мкм = 10^-3м

1000мкм = 1мм = 0,1см

1.2. Типы излучения.

В ДЗ различают 3 типа излучения, которые поступают на вход электромагнитного датчика:

а) излучаемое телом;

б) диффузно рассеянное

в) отражения искусственных когерентных волн;

Рисунок 2 – Три основных типа излучений, используемых в ДЗ.

1.3 Состав атмосферы и её строение

Основными газами, составляющими приземную атмосферу являются:

1. азот (78%)

2. кислород (21%)

3. аргон (0,9%)

4. углекислый газ (двуокись углерода – 0,03%)

5. озон (0,2*10^-3 %)

и др. газы.

В атмосфере содержится водяной пар и другие примеси, так называемые аэрозоли – мельчайшие взвешенные твердые и жидкие частицы (кристаллы солей, пыль, остатки продуктов сгорания). Количество пара в атмосфере зависит от температуры – может достигать по объему 2%. С увеличением высоты, содержание водяного пара в атмосфере уменьшается. На высоте более 12 км это содержание считается ничтожно малым.

По своим физическим и оптическим свойствам атмосфера неоднородна как в горизонтальном так и в наклонном и вертикальном направлениях.

В атмосфере Земли различают 5 основных слоев:

1. тропосфера; от 0 до 10-18 км;

2. стратосфера: от 10-18 до 50 км;

3. мезосфера: от 50 до 80 км;

4. термосфера: от 80 до 600-800 км;

5. экзосфера: свыше 600-800 км.

Границы между основными слоями выражены не резко.

Верхняя атмосфера Земли является частью околоземного космического пространства. Нижнюю границу околоземного космического пространства ограничивают условной высотой, где космический летательный аппарат может совершать по инерции 1-2 оборота вокруг Земли.

Условились считать полеты космическими в том случае, если высота их не менее 100 км. Под понятием «космос» подразумевают область высот более 200-250 км. Эту высоту условно считают верхней границей земной атмосферы.

Основная масса атмосферы (99,9%) сосредоточена в слое от 0 до 50 км. Этот слой оказывает большое влияние на прохождение электромагнитной энергии оптического диапазона. Также это влияние обусловлено распределением давления, температуры, аэрозолей, озона и других составляющих.

1.4 Взаимодействие электромагнитных волн с атмосферой

При прохождении через атмосферу электромагнитные волны взаимодействуют с газами и аэрозолями. При этом процессы рассеяния и поглощения энергии уменьшают интенсивность солнечной радиации на поверхности Земли. Наряду с общим уменьшением интенсивности излучения кривая, описывающая энергию Солнца прошедшую атмосферу, имеет ряд минимумов – широких и узких полос поглощения. Это полосы поглощения солнечной энергии атмосферным озоном, водяным паром, углекислым газом и кислородом.

Поглощение зависит от длины волны излучения. Электромагнитные волны длиной менее 0,27 мкм полностью поглощаются озоном. Они не проходят через атмосферу и потому не могут быть использованы в ДЗ Земли.

Более длинноволновое излучение в оптическом диапазоне 0,4-5мкм проходит через атмосферу, хотя и имеет зоны поглощения и рассеяния.

Атмосфера прозрачна для теплового излучения только в двух узких зонах 3,5-5мкм и 8-14мкм, которые используются в ДЗ. Всё остальное тепловое излучение Земли поглощается водяным паром, озоном, углекислым газом и метаном.

По мере увеличения длины волны излучения воздействие атмосферы уменьшается, и она становится практически прозрачна для волн микроволнового диапазона.

Как было сказано ранее, поток излучения Солнца при прохождении слоя атмосферы Земли существенно изменяется по величине и по спектральному составу. В атмосфере излучение поглощается и рассеивается, кроме этого наблюдается дифракция световых волн. Поток поглощается молекулами газов, водяным паром, аэрозолями и озоном.

- Рассеяние излучения молекулами газов - молекулярное или релеевское рассеяние.

- Рассеяние излучения частицами аэрозоля – аэрозольное рассеяние.

На земную поверхность поступают (падают) два потока излучения:

· прямой поток, т.е. часть солнечного излучения, которая проходит через атмосферу в виде почти параллельных лучей, исходящих от Солнца;

· рассеянный поток, возникающий в результате рассеяния излучения в атмосфере.

Т. е. естественная суммарная освещенность Е_с любой поверхности при безоблачном небе складывается из прямой освещённости Е_n и рассеянной освещенности, то есть

Е_с = Е_n + Е_р .

1.5. Спектральные диапазоны, используемые в ДЗЗ. Источники излучения.

В природе главный источник электромагнитной энергии – Солнце. 99,9% энергии Солнце излучает в интервале 0,17-4,5 мкм. Цветовая температура Солнца колеблется в пределах от 5744К до 6136К. При среднем значении температуры внешней оболочки Солнца около 6000ºК интегральная энергетическая светимость его составляет 6,2*10³ Вт/м².

Так как Земля удалена от Солнца на расстоянии 149*10⁶ км (149 млн км), то энергетическая освещённость площади единичного размера (1*1 м²), расположенного перпендикулярно к солнечным лучам на границе атмосферы в соответствии с законом квадратов расстояний будет равна Е₀=1320 Вт/м². Эту величину принято называть солнечной постоянной.

Распределение энергии солнечного излучения в оптическом диапазоне подчинено закону Планка, поскольку Солнце как источник энергии можно отождествить с АЧТ с цветовой температурой Т~6000ºК.

, (1)

где Ф(λ,Т) – спектральная поверхностная плотность потока излучения, то есть мощность излучения, испускаемого единицей поверхности чёрного тела в единичном интервале длин волн; Т – цветовая температура АЧТ.

Максимум солнечного излучения приходится на 0,47мкм.

Солнечная энергия, достигая поверхности Земли, проникнув через атмосферу, частично отражается и частично поглощается поверхностью планеты и расположенными на ней объектами.

Поглощаемая энергия преобразуется веществом или материалом освещаемых объектов в тепло, которое отдаётся обратно в виде (эмиттерного, вторичного) теплового излучения инфракрасного диапазона (ИК) электромагнитного спектра.

Средняя температура Земли близка к 290К (17ºС), а диапазон длин волн 3-15 мкм. Максимум вторичного излучения составляет 9,7 мкм.

Покажем диапазоны электромагнитной энергии (рис. 4).

Для ДЗ практический интерес представляют диапазоны от 0,3 до 20 м. Так как коротковолновая часть спектра до 0,27 мкм рассеивается и поглощается верхним слоем атмосферы, а радиоволны λ >20-30 м экранируются ионосферой.

Рисунок 3 - Спектральные диапазоны дистанционного зондирования, используемые в ДЗЗ.

Оптический диапазон (0,3-15 мкм) – это диапазон, в котором электромагнитная энергия может отражаться и преломляться твёрдыми телами – зеркалами, линзами, которые можно изготовить с жёсткими допусками.

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМЛИ В ДЗ.

2.1. Классификация съемочных систем.

В соответствии с физическими принципами получения изображения съемочные системы могут быть:

- пассивными;

- активными.

Пассивные съемочные системы регистрируют отраженную объектом энергию от естественного источника излучения (Солнца) или излучаемую объектом энергию.

К пассивным относятся:

- фотографические;

- телевизионные;

- многоканальные сканеры;

- СВЧ радиометры.

Активные съемочные системы регистрируют отраженное от поверхности Земли излучение, сформированное самой съемочной системой.

Преимущества таких систем перед пассивными заключается в том, что они не зависят от времени суток и (частично) от погодных условий.

К активным относятся:

- радиолокационные съемочные системы;

- лидары (оптические локаторы) – используют мощные лазеры для формирования когерентного излучения в оптическом диапазоне.

С точки зрения геометрии формирования изображения, все съемочные системы можно разделить на:

- кадровые;

- сканерные.

В кадровых съемочных системах снимки формируются практически мгновенно, по законам центральной проекции. (Все точки кадра фиксируются в единый момент времени).

В сканерных съемочных системах изображение формируется последовательно, поэлементно путем просмотра объекта сканирования одним из способов: оптико-механическим, оптико-электронным, электронным, радиолокационным.

Яркость каждого элемента в сканерном изображении пропорциональна яркости энергии, отраженной от участка объекта сканирования, который проецировался в данный момент на приемник излучения.

Геометрическое положение элемента в сканерном изображении зависит от используемого способа сканирования. Законы сканирования вдоль и поперек направления полета различны.

Сканирование вдоль направления полета выполняется за счет движения носителя. Сканирование поперек полета выполняется: оптико-механическим устройством, электронным способом или радиолокационным способом.

2.2. Принцип работы различных съемочных систем.

2.2.1. Кадровый аэрофотоаппарат

Рисунок 4 – Принципиальная схема кадрового аэрофотоаппарата.

Снимок, полученный АФА, является центральной проекцией.

Кадровым АФА называется, потому что все точки снимка (кадра) получаются в единый момент времени по законам центральной проекции.

Центральная проекция – проекция, полученная в результате пересечения связки проецирующих лучей, исходящих из одной точки (центра проекции) плоскостью.

Рисунок 5 – Центральная проекция.

Объектив кадрового АФА не меняет своего положения относительно плоскости снимка в момент получения изображения.

Камера АФА (внутренний оптический блок) это жесткая конструкция, которая обеспечивает постоянство её конструктивных элементов, т.е. элементов внутреннего ориентирования камеры.

К элементам внутреннего ориентирования относятся:

- фокусное расстояние фотокамеры;

- координаты главной точки снимка.

(дать определение)

2.2.2. Оптико-электронные сканеры

Оптико-электронные сканеры получили наибольшее распространение в ДЗ. Среди них различают оптико-механические сканеры, с подвижным сканирующим элементом (зеркало, призма). И сканеры на основе линеек ПЗС.

Сканирование вдоль направления полета осуществляется за счет движения носителя, а сканирование поперек направления полета различно:

- в оптико-механическом – за счет вращения зеркала;

- в сканере с линейкой ПЗС – за счет последовательного электронного опроса линейного ряда детекторов.

Рисунок 6 – Принципиальная схема оптико-механического

мультиспектрального сканера.

Энергия, отраженная или излучаемая элементом местности, попавшем в мгновенное поле зрения зеркала, этим зеркалом направляется в телескопическую оптику. Далее через модулятор световой поток попадает на призму, которая разлагает на несколько спектральных пучков разной длиной волны. Пучки света направляются на детекторы, чувствительные только к определенному спектру. Детекторы преобразуют световые пучки в электрические сигналы, которые оцифровываются и записываются. Далее эти сигналы направляются на наземные приема и обработки данных.

В оптико-механическом сканере центральной проекцией является элемент строки, в котором фиксируется энергия отраженного сигнала от элементарного участка местности, попавшего в мгновенное поле зрения зеркала сканера.

Рисунок 7 – Принципиальная схема съемки линейкой ПЗС.

Центральной проекцией изображения, полученного оптико-электронным сканером с использованием линейки ПЗС, является строка изображения.

2.2.3. Радиолокационная съемочная система

Является активной съемочной системой. Работает в радиодиапазоне. Это позволяет получать изображения независимо от погодных условий и освещенности. Её работа заключается в следующем.

Генератор импульсов в системе создает радиосигнал определенной длины волны. С помощью передатчика и антенны сигнал направляется на землю перпендикулярно направлению полета и под некоторым углом к вертикали. Зондирующий сигнал, доходит до объектов на земле и отражается от них. Сначала отражается сигнал от объектов расположенных ближе к антенне, а потом от объектов расположенных дальше по времени и расстоянию. Отраженный сигнал принимается антенной, поступает в приемник, оцифровывается и записывается. Также, сигнал может быть визуализирован на экране ЭЛТ.

В результате развертки сигнала в ЭЛТ формируются строки. Строка состоит из множества точек (пятен) различной яркости. Яркость точек зависит от мощности отраженного импульса. Положение точек на строке зависит от времени прохождения сигнала от антенны до объекта и обратно.

Данная система измеряет наклонную дальность – расстояние от антенны до объекта.

Рисунок 8 – Принципиальная схема радара с боковым обзором.

Сканирование вдоль полета осуществляется за счет движения носителя, поперек полета – за счет радиолокации.

2.3 Типы орбит.

Спутник движется по определенной траектории – орбите. Параметры орбиты для каждого спутника известны. Траектория орбит обусловлена законами небесной механики. В зависимости от скорости движения космического аппарата орбита может быть:

- круговой;

- эллиптической;

- параболической;

- гиперболической.

Для наблюдения Земли используются замкнутые круговые и эллиптические орбиты. Круговая орбита обеспечивает одинаковую высоту съемки одинаковый охват и пространственное разрешение снимков.

Рисунок 9 – Формы орбит.

По наклонению, определяемому углом iмежду плоскостью орбиты и плоскостью экватора, разделяют орбиты (см. рис.8):

- экваториальные (i=0);

- полярные (i = 90);

- наклонные.

Рисунок 10 – Наклонение орбит.

В реальных условиях из-за особенностей гравитационного поля Земли строго полярных и экваториальных орбит не существует, и под ними понимаются околополярные и околоэкваториальные.

По высоте орбиты спутника можно выделить три группы:

1) Малые высоты 100-500 км (пилотируюмые карабли и орбитальные станции);

2) Средние высоты 500- 2000 км (ресурсные и метеорологические спутники);

3) Большие высоты 3600-40000 км (геостационарные спутники).

По назначению разделяют:

- Геостационарные орбиты, на которых спутники, движутся со скоростью вращения Земли. Используются для постоянного наблюдения за определенными районами поверхности планеты.

- Солнечно-синхронные. Используются для получения снимков при постоянных условиях освещения объектов вдоль трассы полета. Плоскость такой орбиты сохраняет свою постоянную ориентировку относительно Солнца.

3. ТЕХНОЛОГИЯ АЭРОФОТОСЪЕМКИ

3.1. Классификация аэрофотосъемки.

Аэрофотосъемка – сложный технологический комплекс ряда процессов: расчет параметров АФС, составление технического проекта на аэрофотосъемку объекта, непосредственное выполнение летно-съёмочных работ, обработка и анализ результатов летно-съемочных работ.

Фотографирование земной поверхности с самолета производится АФА, которые крепятся в кабине к полу самолета. При этом оптическая ось объектива АФА располагается отвесно. Однако самолет в полете совершает колебания, и оптическая ось АФА отклоняется от вертикали.

1) В зависимости от пространственного расположения оптической оси различают два вида аэрофотосъемки:

- плановая;

- перспективная.

Если угол между оптической осью и вертикалью составляет менее 3-х градусов, то такая аэрофотосъемка называется плановой. Если более 3-х градусов – перспективная.

Для картографирования применяется плановая аэрофотосъемка.

Рисунок 11 – Отклонение оптической оси объектива АФА.

2) В зависимости от расположения аэроснимков друг относительно друга:

- одинарная;

- маршрутная;

- многомаршрутная или площадная.

Одинарной АФС называется воздушное фотографирование отдельных, небольших участков земной поверхности и получение аэрофотоснимков, не связанных между собой перекрытиями.

Маршрутной аэрофотосъемкой называется воздушное фотографирование полосы местности в виде одиночного прямого или ломанного маршрута. Снимки в маршруте связаны между собой продольным перекрытием.

Рисунок 12 – Маршрутная аэрофотосъемка.

Многомаршрутная аэрофотосъемка или АФС площади применяется для картографирования крупных, площадных объектов. АФС выполняется путем прокладки нескольких параллельных между собой маршрутов. При этом, аэроснимки в маршруте имеют продольное перекрытие, а между маршрутами – поперечное перекрытие.

Рисунок 13- Многомаршрутная аэрофотосъемка.

4) Масштаб АФС может быть:

- крупный (крупнее 1:10 000);

- средний (1:10 000 – 1:30 000);

- мелкий (мельче 1:30 000).

3.2. Плановая аэрофотосъемка.

К параметрам плановой АФС относятся:

- фокусное расстояние АФА f;

- масштаб АФС 1/m;

- высота фотографирования Н;

- продольное и поперечное перекрытие снимков;

- базис фотографирования и расстояние между маршрутами;

- истинные путевые углы маршрутов;

- путевая скорость самолета W.

Важнейшей характеристикой АФС является масштаб

1/m = f/H,

где Н – высота фотографирования относительно среднего уровня аэросъемочного участка.

Масштаб АФС выбирается в зависимости от масштаба создаваемой карты и составляет следующее соотношение:

m = (1.5 – 6)*M.

(рисунок высот фотографирования)………………………

При аэрофотосъемке к траектории полета самолета предъявляются следующие требования:

Самолет должен лететь прямолинейно, на заданной высоте, с постоянной скоростью и с заданным курсом.

Для навигации воздушного судна необходимо рассчитать все навигационные элементы полета. Для это вводится понятие – навигационный треугольник скоростей. Навигационный треугольник скоростей образован тремя векторами скоростей. Вектором воздушной скорости самолета V, вектором путевой скорости самолета W и вектором скорости ветра U. (дать определение…)

(рисунок навигационного треугольника скоростей)

Курсом самолета называется угол в горизонтальной плоскости между северным направлением меридиана и продольной осью самолета.

Путевым углом называется угол в горизонтальной плоскости между северным направлением меридиана и линией пути самолета.

Смежные снимки в маршруте должны иметь продольное перекрытие. Для обеспечения продольного перекрытия точки, из которых выполняется фотографирование должны располагаться друг от друга на определенном расстоянии, которое называется базисом фотографирорвания.

Рисунок 14 – Продольное перекрытие и базис фотографирования.

********************