ЛЕКЦИЯ №8 Аэрокосмические съемки План 1. Аэросъемка 2
реклама
ЛЕКЦИЯ №8 Аэрокосмические съемки План 1. Аэросъемка 2. Космическая съемка 3. Классификация съемок по характеру покрытия земной поверхности космическими снимками 4. Разновидности космических съемок Аэрокосмические съемки принято делить на ряд классов и видов в зависимости от назначения, используемых носителей, съемочной аппаратуры, технологии выполнения съемки, формы представления результатов. Аэросъемка Существуют несколько разновидностей съемок с самолета: аэрофотографическая, тепловая инфракрасная, радиолокационная и др. Кроме того, традиционные аэрометоды включают ряд так называемых геофизических съемок - аэромагнитную, аэрорадиометрическую, аэроспектрометрическую, в результате выполнения которых получают не снимки, а цифровую информацию об исследуемых объектах. Из всех съемок наиболее распространенной является аэрофотографическая съемка. В зависимости от направления оптической оси аэрофотоаппарата различают плановую и перспективную аэрофотосъемку. При плановой (вертикальной) аэрофотосъемке оптическую ось аэрофотоаппарата приводят в отвесное положение, при котором снимок горизонтален. Однако в процессе полета по прямолинейному маршруту аэросъемочный самолет периодически испытывает отклонения, которые характеризуют углами тангажа, крена и сноса (рыскания). Из-за колебаний самолета аэрофотоаппарат также наклоняется и разворачивается. Принято к плановым относить снимки, имеющие угол наклона не более 3°. При перспективной аэрофотосъемке оптическую ось аэрофотоаппарата устанавливают под определенным углом к вертикали. По сравнению с плановым перспективный снимок захватывает большую площадь, а изображение получается в более привычном для человека ракурсе. По характеру покрытия местности снимками аэрофотосъемку делят на одномаршрутную и многомаршрутную. Одномаршрутная аэрофотосъемка применяется при исследованиях речных долин, прибрежной полосы, при дорожных изысканиях и т.д. Выборочную маршрутную аэрофотосъемку характерных объектов географ может выполнять самостоятельно, сочетая ее с аэровизуальными наблюдениями. Для этих целей удобно использовать ручной аэрофотоаппарат или цифровую фотокамеру. Наибольшее производственное применение, прежде всего для топографических съемок, получила многомаршрутная (площадная) аэрофотосъемка, при которой снимаемый участок сплошь покрывается серией параллельных прямолинейных аэросъемочных маршрутов, прокладываемых обычно с запада на восток. В маршруте на каждом следующем снимке получается часть местности, изображенной на предыдущем снимке. Аэрофотоснимки, получаемые с продольным перекрытием, образуют стереоскопические пары. Продольное перекрытие, выражаемое в процентах, устанавливается в зависимости от назначения аэрофотосъемки различным - от 10 до 80 % при среднем значении 60 %. Аэрофотосъемочные маршруты прокладывают так, чтобы снимки соседних маршрутов имели поперечное перекрытие. Обычно поперечное перекрытие составляет 30 %. Перекрытие снимков позволяет объединить разрозненные аэроснимки в единый массив, целостно отображающий заснятую территорию. Время для съемки выбирают так, чтобы снимки содержали максимум информации о местности. Учитывают наличие снежного покрова, смену фенофаз развития растительности, состояние сельскохозяйственных угодий, режим водных объектов, влажность грунтов и т.д. Обычно аэрофотосъемку выполняют в летние безоблачные дни, в околополуденное время, но в некоторых случаях, например для изучения почв, лесов, предпочтение отдают поздневесенним или раннеосенним съемкам. Съемка плоскоравнинной местности при низком положении Солнца в утренние или вечерние часы позволяет получить наиболее выразительные аэроснимки, на которых микрорельеф подчеркивается прозрачными тенями. Однако освещенность земной поверхности должна быть достаточной для аэрофотографических съемок с короткими экспонирующими выдержками. Поэтому съемку при высоте Солнца менее 20° обычно не производят. По завершении летно-съемочных работ оценивается качество полученных материалов: определяется фотографическое качество аэронегативов (величина коэффициента контрастности, максимальная плотность, плотность вуали), проверяется прямолинейность съемочных маршрутов, контролируется продольное и поперечное перекрытие и др. Космическая съемка Космическая съемка, т.е. съемка с высоты более 150 км, выполняется со спутника, который в соответствии с законами небесной механики перемещается по строго установленной орбите. Поэтому возможности его маневрирования по сравнению с самолетом весьма ограничены. Любой спутниксъемщик всегда должен рассматриваться с учетом параметров его орбиты. Орбиты спутников. С точки зрения космических съемок земной поверхности важны следующие параметры орбит: форма, наклонение, высота, положение ее плоскости по отношению к Солнцу. Форма орбиты определяет постоянство высоты съемки на разных участках орбиты. Предпочтительны круговые орбиты, у которых высоты перигея и апогея одинаковы и, следовательно, одинакова высота съемки земной поверхности, а для одной и той же аппаратуры - одинаковы охват, масштаб и разрешение снимков. Наклонение определяется углом i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора. По наклонению разделяют орбиты экваториальные (i ≈ 0°), полярные (i ≈ 90°) и наклонные. В число наклонных орбит входят прямые (0 < i < 90°) и обратные (90° < i < 180°). Наклонение орбиты определяет широтный сферический пояс, охватываемый съемкой (рис. 1). Крупногабаритные тяжелые пилотируемые корабли и орбитальные станции функционируют на прямых орбитах (обычно с наклонением 30 и 52°), сравнительно небольшие метеорологические и ресурсные спутники запускают на полярные орбиты. Высота орбиты. Спутники работают на различных высотах. При низких орбитах существенно сказывается сопротивление атмосферы, при высоте менее 100 км прогрессивно возрастающее торможение столь велико, что спутник не может совершить даже одного витка и, сгорая, падает вниз. По мере увеличения высоты увеличивается время активного существования спутников, охват съемкой, но при этом обычно уменьшается разрешение снимков. Выделяют три группы наиболее часто используемых для съемки Земли орбит - с высотами 150 - 500, 500 - 2000 и 36 000 км. Первая группа включает орбиты пилотируемых кораблей, орбитальных станций, а также спутников фотосъемки с относительно коротким временем функционирования. Во вторую группу входят орбиты ресурсных и метеорологических спутников с электронной аппаратурой. Для первых характерны высоты около 600 и 900 км, для вторых - 900-1400 км. Третья группа - это орбиты геостационарных спутников; угловая скорость движения спутника на высоте 36 000 км равна угловой скорости вращения Земли, и поэтому спутник движется синхронно с подспутниковой точкой земной поверхности. Геостационарный спутник на экваториальной орбите, как бы зависая над определенным районом Земли, обеспечивает его постоянное наблюдение. Рис. 1. Широтные пояса охвата съемкой при разном наклонении: I - прямая субполярная орбита (метеорологические спутники); II - обратная субполярная орбита (ресурсные спутники); III - прямая наклонная орбита (космические пилотируемые корабли, орбитальные станции) От периода обращения - времени оборота спутника вокруг Земли - зависит число витков в сутки и соответственно межвитковое расстояние. Для околоземной круговой орбиты период обращения спутника Тоб (мин) зависит от ее высоты Н (км) и численно равен Число витков, опоясывающих Землю, за сутки составит а угловое межвитковое расстояние будет N 360 N Например, спутник на высоте 280 км совершает вокруг Земли один оборот за 90 мин и делает 16 витков за сутки при межвитковом расстоянии 22°5', что на экваторе соответствует 2500 км. Солнечно-синхронные орбиты - орбиты, при съемке с которых солнечная освещенность земной поверхности (высота Солнца) остается практически неизменной достаточно продолжительное время (почти в течение сезона). Это достигается следующим путем. Поскольку плоскость любой орбиты под влиянием несферичности Земли немного разворачивается (прецессирует), то оказывается возможным, подбирая определенное соотношение наклонения и высоты орбиты, добиться, чтобы величина прецессии была равной суточному повороту Земли вокруг Солнца, т. е. около 1° в сутки. Среди околоземных орбит удается создать лишь несколько солнечно-синхронных, наклонение которых всегда обратное. Например, при высоте орбиты 1000 км наклонение должно быть 99°. Орбитальные съемки поверхности Земли. По сравнению с самолетом спутник движется значительно быстрее, что требует коротких выдержек при съемке. Однако летящий спутник не испытывает вибраций и резких колебаний, поэтому космические снимки удается получать с более высокой разрешающей способностью, чем аэроснимки. При планировании космической съемки в соответствии с ее назначением выбирают оптимальную высоту полета спутника, наклонение орбиты и время старта. Существенное значение имеет и географическое положение космодрома, с которого производится запуск спутника. В настоящее время космодромами располагают многие страны (табл. 1). Таблица 1 Основные космодромы, используемые для запусков спутников-съемщиков Космодром Страна Географические координаты широта долгота Байконур (Тюратам) Казахстан 46° с.ш. 63° в.д. Плесецк Россия 63° с.ш. 41° в.д. Свободный Россия 52° с.ш. 128° в.д. Канаверал США 28° с.ш. 81°з.д. Ванденберг США 35° с.ш. 121° з.д. Куру Французская Гвиана 5° с.ш. 53° з.д. Шрихарикота Индия 14° с.ш. 80° в. д. Танегасима Япония 30° с.ш. 131° в.д. Цзюцюань (Шуанченцзы) Китай 41° с.ш. 101° в.д. По характеру покрытия земной поверхности космическими снимками можно выделить одиночное фотографирование, маршрутную, прицельную и глобальную съемку. Одиночное (выборочное) фотографирование выполняется космонавтами ручными камерами (рис. 2). Снимки обычно получаются перспективными со значительными углами наклона. Маршрутная съемка земной поверхности производится вдоль трассы полета спутника. Ширина полосы съемки в зависит от высоты полета Н и угла обзора 2β съемочной системы: 2 Htg Для узкоугольных съемочных систем высокого разрешения (2β = 10°) ширина полосы съемки составляет 0,2H, а для широкоугольных, обзорных (2β = 100°) - 2,5H. Для увеличения полосы обзора практикуют «веерную» съемку - поперек направления полета двумя или даже тремя съемочными системами высокого разрешения. Прицельная (выборочная) съемка предназначена для получения снимков специально заданных участков земной поверхности в стороне от трассы. Для этого направление съемки отклоняется от надира на расчетный угол. Программно-прицельная съемка - основной вид космической съемки для получения снимков сверхвысокого разрешения. Рис. 2. Космонавт фотографирует Землю Глобальную съемку производят с геостационарных и полярно-орбитальных спутников. Четыре-пять геостационарных спутников на экваториальной орбите обеспечивают практически непрерывное получение мелкомасштабных обзорных патрулирование) за исключением полярных шапок. снимков всей Земли (космическое Более детальная глобальная съемка производится с полярно-орбитальных спутников. Если такой спутник запустить на так называемую периодическую (геосинхронную) орбиту, при которой спутник совершает за сутки целое число витков, то каждый день он будет пролетать над одними и теми же точками трассы земной поверхности. Для околоземных орбит межвитковое расстояние на экваторе, как уже отмечалось, составляет 2-3 тыс. км. Следовательно, при съемке с периодических орбит системами высокого разрешения и соответственно малого охвата значительная площадь между витками не будет покрыта снимками, исключая околополярные участки пересечения трасс. Для съемки без поперечного разрыва орбита спутника должна обеспечить так называемое суточное смещение трассы, для реализации которого период обращения рассчитывается таким образом, чтобы спутник совершал за сутки не совсем точное целое число оборотов. Тогда пересечение экватора спутником через сутки будет происходить с небольшим опозданием или опережением; за это время Земля поворачивается на некоторый угол, обеспечивающий определенное смещение трассы. Эта орбита называется квазипериодической (квазигеосинхронной). Величина суточного смещения трассы устанавливается такой, чтобы при принятом угле обзора съемочной системы маршрутные полосы съемки (которые могут быть непоследовательными) примыкали друг к другу или даже перекрывались. На экваторе перекрытие между маршрутами будет минимальным, а к полюсам Земли оно увеличивается. Таким образом, орбита околоземного спутника, предназначенного для многократной глобальной съемки высокого разрешения, должна быть круговой полярной квазипериодической и солнечносинхронной. Например, на такой орбите - с наклонением 98° и высотой 705 км, периодом обращения 99 минут, межвитковым расстоянием 2760 км и перекрытием 8 % между маршрутами на экваторе работали в течение многих лет спутники американской ресурсной системы Landsat-4, 5, 7. Для съемки всей поверхности Земли спутнику требовалось совершить 233 оборота; через 16 дней он начинал повторную съемку (рис. 3). Рис. 3. Полосы съемки со спутника Landsat Разновидности космических съемок. Для выполнения съемок запускаются различные по назначению спутники с разнообразными съемочными системами. Из систем, предназначенных для съемок из космоса, наиболее перспективными признаются оптико-электронные многозональные стереосканеры и радиолокаторы с синтезированной длиной антенны. По технологии съемки и с учетом используемого спектрального диапазона различают фотографическую (черно-белую, цветную, спектрозональную) и сканерную (оптико-механического и оптико-электронного сканирования) съемки в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, тепловую инфракрасную съемку, микроволновую радиометрическую и радиолокационную съемки. При наиболее распространенных пассивных съемках регистрируется естественное отраженное солнечное или собственное излучение Земли, а при активных - отраженное земной поверхностью искусственное излучение, посланное с носителя. В современном аэрокосмическом зондировании многозональный принцип стал основным. Многозональная съемка обычно выполняется одновременно в 3 - 7 узких спектральных зонах видимого и инфракрасного диапазона и иногда сочетается со съемкой в панхроматической зоне для получения снимков наиболее высокого пространственного разрешения. Сканеры с ПЗС-матрицами позволяют увеличить число спектральных зон до нескольких сотен (гиперспектральная съемка). При радиолокационной съемке многозональный принцип реализуется использованием нескольких длин радиоволн (частот) СВЧ-диапазона (многочастотная съемка) и разной поляризации зондирующего излучения (поляризационная съемка). Детальные стереоскопические снимки, получаемые с космических высот длиннофокусными оптико-электронными сканерами, оказались пригодными для метрической характеристики рельефа земной поверхности, представляемой в виде изолинейных карт или цифровых моделей рельефа. Выполняемая для этого стереоскопическая съемка имеет несколько вариантов: одновитковая (однопроходная) съемка, когда перекрывающиеся стереопары снимков получают при разных направлениях оптической оси (конвергентная съемка «.вперед-назад»); двухвитковая стереосъемка с поперечным перекрытием снимков с соседних витков при отклонении оптической оси в сторону. К конвергентной съемке относится и так называемая многоракурсная (веерная) съемка, при которой многоугловой сканер ведет съемку вдоль маршрута «вперед - назад», получая одновременно несколько перспективных снимков с различными углами наклона. Так, на спутнике Terra установлен 9-угловой сканер MISR. Различие яркостей изображения на разных ракурсных снимках обусловлено анизотропией индикатрис отражения аэрозоля атмосферы, а также некоторых земных объектов. Для удовлетворения потребностей в снимках разного охвата и разрешения на спутниках устанавливают несколько съемочных систем (две, три), которые одновременно выполняют съемку, различающуюся по этим параметрам в 3 - 5 раз и более. Например, на спутнике Ресурс-О работал сканер МСУ-СКдля обзорной съемки с разрешением 170 м и сканер МСУ-Э с разрешением 45 м.
