Основные характеристики материалов дистанционного зондирования

Материалы дистанционного зондирования принято характеризо­вать пространственным (геометрическим), спектральным, радиометри­ческим разрешением и периодичностью съемки одного участка. Кроме того, при их обработке важно знать некоторые элементы орбиты спут­ника - носителя съемочной аппаратуры.

Рис. 16.8. Элементы орбиты носителя съемочной аппаратуры

Элементы орбиты носителя съемочного оборудования определим в инерциальной системе координат OXYZ (рис. 16.8) с началом в центре Земли О. Ось OZ совмещается с осью вращения Земли, ось ОХ направлена в точку весеннего равноденствия Т, а ось OY размещается так, чтобы систе­ма оказалась правой. Эллиптическая орбита спутника пересекает эквато­риальную плоскость OXY по линии UOo, называемой линией узлов; точки Q и о называются соответст­венно восходящим и нисходящим узлами, в которых спутник перехо­дит из южной полусферы в северную, и из северной в южную. Бли­жайшая к планете точка П называются перицентром (перигеем), а дальняя А - апоцентром (апогеем). Элементами^орбиты являются:

Q - долгота восходящего узла, отсчитываемая в плоскости экватора между направлением на узел и на точку весеннего равноденствия;

t - время прохождения спутника через перицентр;

со - аргумент перицентра, определяемый как угол в плоскости орби­ты между линией узлов Го и направлением на перицентр;

I - наклонение - угол между экватором и плоскостью орбиты;

а - большая полуось орбиты спутника;

К - эксцентриситет орбиты, определяемый по формуле

е = с/а, (16.1)

где с - расстояние между центром эллипса и точкой его фокуса.

Если эксцентриситет е = О (с = 0), то орбита спутника представля­ет собой окружность; если 0 < е < 1 — эллипс; при с = 1 она представ­ляет собой параболу, а при е > 1 - гиперболу.

В зависимости от величины угла наклонения, различают орбиты экваториальные (i - 0°), полярные (i = 90°), субполярные (i «90°) и наклонные, которые, в свою очередь, делятся на прямые (0° < i < 90°) И обратные (90° < i < 180°). Наклонение орбиты определяет охва­тываемый съемкой широтный пояс планеты, который всегда прости­рается от i° северной широты до i° южной широты.

Подспутниковой точкой называется точка на земной поверхности, ич которой спутник виден в зените. При этом трасса полета спутника определяется как геометрическое место подспутниковых точек, сово­купность которых определит ось симметрии съемочного маршрута.

Среди факторов, влияющих на условия и параметры дистанцион­ного зондирования, немаловажное значение имеют изменения орбит под влиянием со л неч ной и абсолютной прецесии.

Солнечная прецессия возникает в связи.с тем, что что за одни звездные сутки, составляющие 23^Л56^/Г\ Земля поворачивается вокруг своей оси на 360° + 0,9856°. При этом восходящий узел любого мери­диана, в том числе и орбиты спутника, смещается на восток, что вызы­вает изменение часового угла *©, составленного плоскостью орбиты спутника и направлением на Солнце (рис. 16.9). Следовательно, усло­вия освещенности трассы полета спутника непрерывно меняются.

Абсолютная прецессия является следствием несферичности Земли и возникающего в связи с этим возмущения земного поля тяготения в экваториальной области. В результате линия узлов QOv (рис. 16.8) «отступает» в сторону, противоположную движению спутника, и на каждом очередном витке он пересекает экватор западнее.

Величина абсолютной прецессии АХ зависит от наклонения орби­ты U высоты полета Н, радиуса Земли R за сутки составляет [15]

АХ = 9,97°

R + H

Cost.

(16.2)

Поскольку влияния солнечной и абсолютной прецессий оказывают противоположное влияние, то можно, варьируя высотой спутника Н и наклонением его орбиты i, подобрать такие их значения, при которых влияния абсолютной и солнечной прецессий будет взаимно компен­сировано, что возможно при соблюдении условия

R

АХ = 9,97°

(16.3)

cosz = -0,9856°.

R + H

Орбиты, для которых это условие выполнено, называются гелио-синхронными, или солнечносинхронными (рис. 16.10). Под влиянием

Орбита Земли

Орбита т Земли

Плоскость орбиты ИСЗ

Плоскость орбиты ИСЗ

Солнце

Солнце

 

 

Рис. 16.9. Изменение часового угла р_Ыс. 16.10. Гелиосинхронная орбита

Полярной орбиты

абсолютной прецессии долгота восходящего узла увеличивается (АОг» ДПз), но с учетом солнечной прецессии часовой угол to остается не­изменным, и восходящий узел Q орбиты появляется в одно и то же ме­стное время.

Таким образом, солнечносинхронная орбита обеспечивает посто­янство высоты Солнца над горизонтом и, следовательно, постоянство условий освещенности подспутниковых точек и оси симметрии съе­мочного маршрута. Эти условия остаются неизменными в течение достаточно длительного времени, исчисляемого месяцами.

Высота орбиты вместе с параметрами съемочной системы определяет масштаб получаемого изображения, его метрические ха­рактеристики и ширину полосы обзора.

При низких орбитах, составляющих порядка 100 км, сопротив­ление атмосферы так велико, что спутник не может совершить ни од­ного оборота. По мере увеличения высоты увеличивается период су­ществования спутника, но ухудшаются метрические характеристики получаемых снимков, проявляющиеся в увеличении разрешения.

Можно выделить несколько диапазонов высот, наиболее часто ис­пользуемых для дистанционного зондирования [7]:

200-600 км - околоземные орбиты пилотируемых кораблей, орби­тальных станций и космических систем, обеспечивающие возможность детальной съемки в течение относительно короткого времени;

600-2000 км - орбиты искусственный спутников Земли, исполь­зуемые для ресурсных и метеорологических съемок с помощью элек­тронной аппаратуры;

36000 км - орбиты геостационарных спутников, используемые для постоянного наблюдения за районом. При такой высоте спутник, как бы зависая над определенной территорией, обеспечивает ее постоян­ное наблюдений.

Период обращения спутника определяет число витков, совершаемых спутником за одни сутки и соответственно расстояние между витками. Так, при околоземной круговой орбите ее высота (Л), период обращения спутника Г_об (мин), число витков за одни сутки (N) и угловое расстояние между ними (№) связаны зависимостью [7]

т„.■*.*.£. N = 2i^>, н-.SgX. _(I6.4,

50, Тя N ]

При Н = 600 км и круговой орбите Гоб = 96,4™ N = 14,94 и № = 24,10°, что соответствует расстоянию между витками 2664 км на 'жваторе.

IFO

Заметим, что при этих параметрах протяженность орбиты составит 43960 км, а скорость полета спутни­ка - 7,6 км/сек; за время сканирования одной строки изображения он переместится почти на 10 м.

Рис. 16.11. Про­странственное разрешение

Пространственное разрешение (Lr) характеризует размер наименьших объектов, разли­чимых на изображении, и зависит от размера детекто­ров, фокусного расстояния оптической системы и вы­соты орбиты носителя. В качестве характеристики пространственного разрешения материалов дистанци­онного зондирования принято мгновенное поле зрения детектора IFOV (Instantaneous Field Of View), спроек­тированное на земную поверхность (рис. 16.11):

L_r=wj, (16.5)

где w - апертура сканирования, составляющая 8-10 мкм.

Таким образом, угловая величина IFOV является мерой фрагмента местности, проектируемого через единственный детектор в конкрет­ный момент времени и изображаемого одним пикселом.

Объекты, меньшие одного пиксела, могут быть выделены на изо­бражении, если они контрастируют с фоном (например, дорога). Но и объекты, размеры которых сопоставимые или превышают пиксел, подчас не могут быть выделены, если в непосредственной близости от них имеются доминирующие по яркости объекты.

Наиболее подробная классификация космических снимков по их пространственному разрешению [7] предполагает выделение шести групп, в частности, следующих.

Снимки низкого разрешения (Lr > 1 км) являются обзорными и по­зволяют одновременно охватывать значительные территории - вплоть до целого полушария. Как правило, это снимки с геостационарных метеорологических и ресурсных спутников, содержащие изображения масштабных природных объектов - тепловой структуры океанов, крупнейших геологических структур и др.

Снимки среднего разрешения (Lr = 100 - 1000 м) являются основ­ным источником данных для мониторинга природной среды. На сним­ках не отображаются хозяйственные объекты, а преимущественно природные.

Снимки относительно высокого разрешения (Lr = 30 - 100 м) по­лучаются с помощью сканирующей аппаратуры или фотографических съемочных систем ресурсных спутников. Такие снимки используются

для создания и обновления топографических карт, решения оператив­ных задач и обзорного тематического картографирования.

Снимки высокого разрешения (Lr = 10-30 м) используются для создания и обновления топографических карт, для детального тема­тического картографирования.

Снимки очень высокого разрешения (L# = 1-10 м) получают с по­мощью длиннофокусных фотографических систем и аппаратуры опти­ко-электронного сканирования. Снимки отображают весь комплекс природных и хозяйственных объектов, в т.ч. населенные пункты, транспортные коммуникации, объекты инженерной инфраструктуры и др., и широко используются для решения топографических задач.

Снимки сверхвысокого разрешения (Lr < 1 м) получают с помо­щью оптико-электронных съемочных систем и используют для круп­номасштабного картографирования и изучения отдельных объектов.

Радиометрическое разрешение определяет диапазон различимых на снимке яркостей, или число градаций сигнала в каждой спектральной зоне. Большинство радиометров обладает радиометри­ческим разрешением 6 или 8 бит, что достаточно близко к динамиче­скому диапазону зрения человека. Имеются радиометры и с более вы­соким разрешением (10-11 бит/пиксел), позволяющим различать боль­ше деталей в очень ярких или очень темных областях снимка. Это важно при съемке объектов, находящихся в тени, а также когда на снимке одновременно находятся большие водные поверхности и суша.

Конструкция большинства оптико-механических, оптико-элект­ронных сканеров и многозональных цифровых камер такова, что во всем диапазоне регистрирующих излучений между цифровыми значе­ниями яркостей пикселов изображения и яркостями соответствующих им площадок земной поверхности существует линейная (пропорцио­нальная) зависимость, имеющая вид

B[=K_XDN + C„ ^V (16.6)

где В х - энергетическая яркость для спектральной зоны А,; К\ - коэф­фициент пропорциональности; DN (Digital Number) - значение ярко­сти пиксела, полученное при сканировании местности; Сх - константа. Параметры К\ и Сх уравнения (16.6) характеризуют конкретный радиометр, поэтому для определения яркостей объектов по яркостям соответствующих им пикселов изображения необходима калибровка сканера, которая периодически выполняется непосредственно на борту спутника. По ее результатам определяются калибровочные значения параметров Кх и Сх, которые поставляются пользователю вместе с изображениями.

Спектральное разрешение характеризует количество ре­гистрируемых спектральных зон, их ширину и размещение по электро­магнитному спектру. Спектральное разрешение измеряется в нано­метрах (нм) или микрометрах (мкм). Такая зона может быть достаточно широкой, как, например, единственная зона панхроматического снимка (0,4-0,7 мкм) или узкой, как, например, красная зона (0,63-0,69 мкм). Наиболее высокое спектральное разрешение (порядка 10 нм) имеют снимки, полученные с помощью гиперспектрального радиометра. Чем шире зона, тем ниже спектральное разрешение, тем меньше вероят­ность обнаружения интересующего объекта

Временное разрешение определяет, с какой периодично­стью один и тот же сенсор может снимать некоторый участок земной поверхности, что весьма важно для мониторинга чрезвычайных ситуа­ций и других быстроразвивающихся явлений. Большинство космиче­ских систем обеспечивает съемку через несколько дней, некоторые -через несколько часов. Само же разрешение зависит от ширины полосы обзора, параметров орбиты носителя и конструктивных особенностей сенсора, связанных с изменением направления обзора.

⇐ Предыдущая60616263646566676869Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: