Тема №5 Дистанционные данные для ГИС.

Сегодня данные дистанционного зондирования совместно с традиционной картографической информацией составляют информационную основу ГИС-технологий. При этом происходит постоянное увеличение объема данных дистанционного зондирования по сравнению с цифрованием имеющихся бумажных карт, из-за все больших требований к точности и оперативности информации.

Дистанционное зондирование Земли - это получение любыми неконтактными методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах. Однако обычно к данным дистанционного зондирования относят только те методы, которые из космоса или с воздуха позволяют получить изображение земной поверхности в каких-либо участках электромагнитного спектра.

Рис.1 Идеальная схема дистанционного зондирования

Области применения данных дистанционного зондирования.

Области применения космических снимков можно разделить на пять об­щих категорий:

1. Использование снимка в качестве простейшей карты или, точнее, осно­вы, на которую можно наносить данные из других источников в отсут­ствие более точных карт, отображающих современную обстановку.

2. Определение пространственных границ и структуры объектов для определения их размеров и измерения соответствующих площадей.

3. Инвентаризация пространственных объектов на определенной тер­ритории.

4. Оценка состояния территории.

5. Количественная оценка некоторых свойств земной поверхности.

Некоторые области применения данных дистанционного зонди­рования:

Сельское и лесное хозяйство - Определе­ние типов раститель­ности, прогноз урожайно­сти и кон­троль со­стояния посевов, инвентари­зация лесов, оценка со­стояния пастбищ и опреде­ление рас­тительной биомассы, исследова­ние состо­яния рас­тительного покрова, определе­ние нагруз­ки на рас­тительный покров, определе­ние состо­яния по­чвенного покрова, определе­ние состава почв, оценка рас­простране­ния лесных пожаров и т.д.

Землеполь­зование - Классифи­кация зем­лепользо­вания, картогра­фирование и обновле­ние карт, оценка пригодно­сти земель, разделение городских и сельских террито­рий, региональ­ное плани­рование, эксплуата­ция транс­портных сетей, картогра­фирование границ во­дных объ­ектов и.т.д.

Геология - Определе­ние типа горной по­роды, картогра­фирование основных геологиче­ских структур, обновление геологиче­ских карт, определе­ние границ рыхлых от­ложений, картогра­фирование вулканиче­ских интру­зий, картогра­фирование новейших вулканоген­ных отложе­ний, картогра­фирование форм ре­льефа, выявление региональ­ных струк­тур и.т.д.

Водные ресурсы - Картогра­фирование границ во­дных по­верхностей, картогра­фирование мест зато­пления, определе­ние границ и толщины снежного покрова, гляциоло­гия, изуче­ние «цвете­ния воды», переноса и осаждения наносов, инвентари­зация водных объектов, определе­ние границ ирригаци­онных по­лей и.т.д.

Океаногра­фия - Исследова­ние живых организмов, исследова­ние течений и мутности воды, картогра­фирование изменений береговой линии, картогра­фирова­ние рельефа мелководно­го шельфа, слежение за ледовой об­становкой, изучение волн и оке­анических вихрей и.т.д.

Изучение окружающей среды - Монито­ринг мест разработки месторожде­ний, картогра­фирование и монито­ринг загряз­нения водной среды, монито­ринг загряз­нения воз­душной среды, определе­ние послед­ствий при­родных катастроф, монито­ринг антро­погенного влияния на окружаю­щую среду.

В основе системы получения и распространения, данных оперативного наблюдения лежат четыре пункта:

1. Носитель съемочной аппаратуры;

2. Собственно аппаратура дистанционного зондирования;

3. Бортовые средства передачи данных на Землю;

4. Наземный комплекс приема информации, ее обработки и доведения до потребителя.

Средства авиационного базирования

Рис.2 Схема получения информации авиационными средствами

Воздушный экологический мониторинг может быть реализован на основе серийно выпускаемых пилотируемых и беспилотных авиационных комплексов. Наиболее подходящие для решения различных задач мониторинга территории являются самолет Су-24МР, вертолет Ми-24Р, многоцелевой беспилотный вертолетный комплекс МБВК-137, а также летающие лаборатории на базе самолетов ТУ-154М, ТУ-134, АН-24 и АН-12 которые оснащены аппаратурой дистанционного зондирования Зем­ли.

Космические средства получения информации

Рис.3 Схема получения информации космическими средствами

Для получения ДДЗ могут использоваться разные космические аппараты - ракеты, пилотируемые космические корабли и орби­тальные станции, автоматические искусственные спутники Земли и другие космические аппараты.

Тип орбиты зависит от ее высоты и ориентации отно­сительно поверхности Земли, а также от направления движения спут­ника по орбите.

Если орбита спутника расположена в экваториальной плоскости на вы­соте около 36000 км, а направление его движения совпадает с направлени­ем вращения Земли, то положение такого спутника относительно земной поверхности будет постоянным. Такие спутники называют геостационар­ными; они идеально подходят для метеорологических наблюдений и обе­спечения связи. И так Геостационарные спутники постоянно обеспечивают обзор одной и той же части планеты, сохраняя неизменное положение относительно определенной точки на экваторе.

Субполярные орбиты, у которых остается постоянным угол меж­ду плоскостью орбиты и направлением на Солнце, называют солнечно-синхронными. Спутники, выведенные на такие орбиты, используют для периодической сезонной съемки объектов при одинаковых условиях осве­щения, соответствующих одному и тому же местному времени. Спутники на солнечно-синхронных орбитах используют, в основном, для картографирования территорий, так же они незаменимы при решении многих задач мо­ниторинга окружающей среды.

Рассмотрим некоторые современные спутники, дающие ин­формационную базу для мониторинга состояния окружающей среды.

В 1999 г. был выведен на орбиту спутник EOS AM-1, который носит название Terra. Это первый спутник программы EOS (Earth Observing System — «Глобальный мониторинг поверх­ности Земли») в рамках программы «Инициатива изучения пла­неты Земля» (Earth Science Enterprise), проводимой НАСА.

TERRA имеет солнечно-синхронную орбиту с периодом обращения 16 дней (на одно и то же место съемки возвращается через 16 дней) и летает на той же орбите, что и Landsat-7, но на 30 минут позже. Высота орбиты 705 км над экватором, облет вокруг земли за 98,9 минут. Это значит, что траектория орбиты пересекает экватор 233 раза за 16 дней.

Расчетный срок пребывания на орбите составляет 6–7 лет.

На спутнике Terra установлены 2 прибора, представляющие осо­бый интерес для мониторинга окружающей среды.

Радиометр ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) - совместная разработка НАСА и японского Министерства торговли и промышленности. Радиометр состоит из 3 отдельных телескопических систем и позволяет проводить съемку земной поверхности в 14 спектральных диапазонах - от видимого до дальнего инфракрасного - с разрешением от 15 до 90 м.

На спутнике Terra установлен также спектрорадиометр MODIS (the Moderate Resolution Imaging Spectrometer), обеспечивающий съем­ку Земли в 36 спектральных каналах с пространственным разре­шением 250 м (2 канала), 500 м (5 каналов) и 1000 м (29 каналов).

Области применения ДДЗ, полученных со спутника TERRA:

• Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:100 000.

• Создание цифровых моделей рельефа с точностью 15-20 метров по высоте.

• Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования субъектов федерации.

• Обоснование перспективных площадей под поисковые работы на нефть и газ, потенциальная оценка их нефтегазоносности.

• Поиск и обоснование перспективных площадей под поисковые работы на рудные и нерудные полезные ископаемые.

• Лесная инвентаризация. Контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.

• Сельскохозяйственное картографирование, мониторинг состояния посевов, прогнозирование урожайности.

• Автоматизированное создание карт растительности, ландшафтов и природопользования.

• Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров и т.п.

Практическое использование американской системы изучения природных ресурсов ЗемлиLandsat начато в 1972 г. с запуска космического аппарата Landsat-1.

В 1999 г. был успешно выведен на орбиту очередной спутник этой серии Landsat-7 - совместный проект Геологиче­ской службы США (USGS), NASA и NOAA.

Спутник имеет солнечно-синхронную орбиту (98.2 градусов), высота спутника 705 км, период обращения вокруг Земли 16 дней (233 орбиты).

Основной аппаратурой Landsat - 7 является усовершен­ствованный многоспектральный оптико-механический ска­нирующий радиометр ЕТМ+ (Enhanced Thematic Mapper Plus). Ра­диометр ETM+ рассчитан на получение изображений поверхно­сти Земли в восьми участках видимого и инфракрасного диапазо­нов спектра.

Области применения ДДЗ, полученных со спутника LANDSAT:

• Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:200 000.

• Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования субъектов федерации.

• Обоснование перспективных площадей под поисковые работы на нефть и газпотенциальная оценка их нефтегазоносности.

• Поиск и обоснование перспективных площадей под поисковые работы на рудные и нерудные полезные ископаемые.

• Мелкомасштабная лесная инвентаризация. Контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.

• Сельскохозяйственное картографирование на уровне регионов, мониторинг состояния посевов, прогнозирование урожайности.

• Автоматизированное создание карт растительности, ландшафтов и природопользования.

• Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров половодий, паводков и т.п.

Канадский космический аппарат RADARSAT-1 (Radar Satellite) запущен в 1995 году на солнечно-синхронную орбиту высотой 798 километров и наклонением 98,6°. Выполняет съемку поверхности Земли с помощью радиолокатора бокового обзора с синтезированной апертурой (РСА). Расчетный срок пребывания на орбите определялся в 7 лет, однако аппарат продолжает успешно работать.

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Radarsat:

• Создание ЦМР и ЦММ с точностью 5-10м по высоте.

• Создание и обновление карт и планов, вплоть до масштаба 1:50000.

• Наблюдение за стихийными бедствиями (наводнениями, подвижками ледников и т.д.) вне зависимости от погоды и времени суток.

• Мониторинг быстроразвивающихся экологических процессов (распространение нефтяных загрязнений, вредителей и болезней леса и т.д.).

• Сельскохозяйственный, лесохозяйственный мониторинг – обновление карт, контроль использования земель, оценка урожайности сельскохозяй­ственных угодий, контроль незаконных вырубок и т.д.

• Отслеживание ледовой и снеговой обстановки.

• Геологоразведка.

• Конт­роль нелегального рыболовства.

• Мониторинг северных и приполярных территорий.

Космический аппарат нового поколения RADARSAT-2, запущен в декабре 2007 г. с космодрома Байконур на солнечно-синхронную орбиту с высотой 798 км и наклонением 98.6º, с периодом обращения 100,7 минут. Спутник оснащен радаром бокового обзора с синтезированной апертурой, обладающим, как и спутник Radarsat-1, уникальными возможностями изменения ширины полосы съемки и пространственного разрешения. Расчетный срок пребывания на орбите – не менее 7 лет.

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Radarsat-2:

• Создание и обновление топографических и специальных карт, вплоть до масштаба 1:25 000.

• Создание высокоточных ЦМР и ЦММ (3-6 м по высоте).

• Всепогодное наблюдение за природными и антропогенными катастрофами.

• Оценка состояния ледников, запасов воды.

• Мониторинг акваторий (распространение нефтяных загрязнений, приливные явления, мониторинг судов, отслеживание ледовой обстановки и т.д.).

• Картирование сельскохозяйственных культур, определение состояния посевов, точное сельское хозяйство.

• Картирование древостоев, определение породного состава без наземных исследований, мониторинг вырубок и состояния лесов.

Индийская система дистанционного зондирования IRS (Indian Remote Sensing Satellite System) - первая национальная система, специально предназначенная для изучения природных ресурсов Земли, и составная часть национальной системы управления при­родными ресурсами Индии NNRMS (National Natural Resources Management System).

Космическая система дистанционного зондирования Земли IRS представлена спутниками IRS-1B (функционирует с 1991 г.), IRS-1C (с 1995 г.), IRS-P3 (с 1996 г.), IRS-1D (с 1997 г.) и IRS-P4 (Oceansat) (с 1999 г.), IRS-P6 (с 2003 г.).

Характерис­тики	IRS-1B	IRS-1C	IRS-1D	IRS-P3	IRS-P4
Тип орбиты	Субполярная солнечно-синхронная	Полярная солнечно-синхронная	Полярная солнечно-синхронная	Субполярная солнечно-синхронная	Субполярная солнечно-синхронная
Высота орбиты	914 км	817 км	821 км	817 км	817 км
Наклонение	99,028 ^0	98,69 ^0	98,62 ^0
Период обращения	103,192 мин	101,35 мин	100,56 мин
Время пересе­чения эква­тора	10:25 (местное время)	10:30 (местное время)	10:40 (местное время)	10:30 (местное время)	10:30 (местное время)
Период по­вторного вы­хода на точку	26 дней	24 дня	24 дня, 5 дней для сенсоров PAN и WiFS

Области применения ДДЗ, полученных со спутников IRS:

• Мониторинг состояния окружающей среды в при­брежной зоне, полоса погло­щения хлорофилла.

• Дешифрирование зеленой растительности; разделение почв и горных пород.

• Полоса поглощения хло­рофилла различных видов растений.

• Определение границ водных поверхностей.

• Картографирование расти­тельного покрова.

• Идентификация природных ресурсов.

• Глобальное картографиро­вание растительного покрова и.т.д.

Французская космическая система изучения природных ресур­сов ЗемлиSPOT (Systeme Probatoire d'Observation de la Terre) ак­тивно функционирует с 1986 г. Спутник имеет солнечно-синхронную орбиту (98.7 градусов), высота спутника 822 км, периодичность появления над объектом для широты России - 3 суток. Космический аппарат SPOT-5 был запущен в мае 2002 года. Расчетный срок пребывания на орбите составляет не менее 5 лет.

Геометрическое разрешение данных SPOT при панхроматиче­ской съемке - 10 м, при многозональной - 20 м. Кроме высокого геометрического разрешения этих цифровых съемок есть возмож­ность получения стереопар для получения информации о рельефе. Точность определения рельефа местности по снимкам с КА SPOT в основном соответствует, требованиям к топографической карте масштаба 1:50000.

Система преимуществен­но используется для получения информации дистанционного зон­дирования, необходимой для решения задач картографирования, землепользования, сельского и лесного хозяйства, планирования градостроительства, для составления цифровых карт местности и контроля за изменениями состояния окружающей среды.

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Spot 5:

• Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:25 000.

• Создание цифровых моделей рельефа с точностью 5-10 метров по высоте.

• Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.

• Мониторинг экологического состояния территорий в районах добычи, переработки, транспортировки нефти и газа, других полезных ископаемых.

• Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования муниципальных районов и субъектов федерации.

• Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация лесов. Регулярный контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.

• Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, мониторинг состояния посевов, оценка засоренности, выявление вредителей и болезней сельхозкультур, прогнозирование урожайности.

• Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров и т.п.

Американская метеорологическая система на базе полярно-ор­битальных космических аппаратов серииNOAA используется На­циональным управлением по исследованию океана и атмосферы (NOAA) при решении задач, связанных с прогнозированием по­годы, а также для получения информации дистанционного зондирования в интересах сельского и лесного хозяйства, климато­логии и океанографии, мониторинга состояния окружающей сре­ды, при изучении околоземного космического пространства, озо­нового слоя и содержания аэрозолей в атмосфере, при исследова­ниях снежного и ледового покровов Земли, для выявления пожа­ров, измерения вегетационного индекса. Кроме того, на спутни­ках этой серии устанавливается аппаратура сбора данных с назем­ных метеорологических платформ, а также оборудование приема сигналов бедствия в рамках системы Kocnac/SARSAT (система поиска и спасения). Первые метеорологические космические аппараты по программе NOAA, известные также под наименованием TIROS (Television and Infrared Observation Satellite).

Спутник имеет солнечно-синхронную орбиту, высота орбиты спутника 833 км.

Система европейских КАERS (European Remote Sensing Satellite) Европейского космического агентства. Пер­вый космический аппарат ERS-1 был запущен в 1991 г., на солнечно-синхронную орбиту со средней высотой 785 км и наклонением  98,5⁰, второй спутник - ERS-2,  ставший преемником и конструктивным аналогом ERS-1, был выведен на такую же орбиту в апреле 1995 года. Расчетный срок пребывания на орбите спутника ERS-1 определялся в 3 года, однако аппарат продолжал успешно работать до 10 марта 2000 года, что позволило ESA в течение почти 5 лет эксплуатировать спутниковую группировку, обеспечивавшую удвоенную частоту съемки поверхности Земли. Срок пребывания на орбите ERS-2 определялся в 2 года, однако, несмотря на мелкие неисправности, он успешно проработал до июня 2003 года. С тех пор, в связи с поломкой записывающего устройства, съемка ведется только в пределах доступности наземных станций ESA.

Области применения ДДЗ, полученных со спутников ERS-1, 2:

• Создание ЦМР и ЦММ с точностью 5-10м по высоте.

• Создание и обновление топографических карт и планов, вплоть до масштаба 1:200 000.

• Отслеживание ледовой и снеговой обстановки в приполярных районах.

• Наблюдение за стихийными бедствиями (наводнениями, подвижками ледников и т.д.) вне зависимости от погоды и времени суток.

• Сельское хозяйство – создание карт посевных площадей, оценка урожайности, состояния посевов, контроль использования земель.

• Лесное хозяйство – создание карт породного состава лесов, состояния насаждений, незаконных вырубок и т.д.

• Изучение сантиметровых подвижек земной поверхности с применением интерферометрических методов (в рамках проекта ERS Tandem).

С 1979 г. в Советском Союзе, а затем в России существует система дистанционного зондирования Земли, получившая название "Ресурс".

Система "Ресурс" состоит из трех взаимно дополняющих систем: одной фотографической ("Ресурс-Ф") и двух, ориентированных на наблюдение суши и океана ("Ресурс-0" и "Океан-0").

Наряду со спутниками оперативного ДЗЗ типа "Ресурс-0" и "Океан-0" в настоящее время эксплуатируются космические системы оперативного наблю­дения Земли, в которые входят геостационарный метеорологический КА "Электро" (международное обозначение - GOMS) и низкоорбитальные КА метеонаблюдения типа "Метеор".

С 2002 гг. орбитальная группировка КА оперативного наблюде­ния поверхности Земли включает два КА "Ресурс-О1" (№3 и №4), два КА "Океан-О1" (№7 и №8), один КА "Метеор-3" (№5) и один КА "Электро-Л" [5, 6, 18].

Российские космические аппараты серии «Ресурс-О» оснаща­ются аппаратурой высокого и среднего разрешения, обеспечиваю­щей съемку поверхности Земли в нескольких спектральных диа­пазонах.

Бортовой информационный комплекс космического аппарата серии «Ресурс-О1» предназначен для получения, формирования, уплотнения и передачи на наземные пункты приема информации дистанционного зондирования, полученной в видимом и инфра­красном диапазонах спектра. Для этого используются сенсоры МСУ-Э и МСУ-СК.

Фотографические данные получают также со спутников серии «Ресурс-Ф», оснащенных фотографическими камерами КФА-1000, КФА-3000, МК-4 и КАТЭ-200.

Космический аппарат Ресурс-ДК был запущен в июне 2006 года. Спутник входит в состав оперативного космического комплекса детального оптико-электронного наблюдения земной поверхности, создаваемого Государственным научно-производственным ракетно-космическим центром «ЦСКБ-Прогресс». 

В зависимости от целевого применения спутник может эксплуатироваться на околокруговых или эллиптических рабочих орбитах с наклонениями 64,8°; 64,9°; 70,0°; 70,4°. Рабочая орбита спутника - эллиптическая и составляет 350 - 604 км. Спутник позволяет получать цифровые изображения земной поверхности с пространственным разрешением 1 м в панхроматическом режиме (один канал) и в трех узких спектральных диапазонах с разрешением 2-3 м в мультиспектральном режиме. Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 3 лет.

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Ресурс-ДК:

• Создание и обновление топографических и специальных карт и планов вплоть до масштаба 1:5 000.

• Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.

• Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация и оценка состояния лесов.

• Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, создание планов землепользования, точное земледелие.

• Обновление топографической подосновы для разработки проектов генеральных планов перспективного развития городов, схем территориального планирования муниципальных районов.

• Инвентаризация и мониторинг состояния транспортных, энергетических, информационных коммуникаций.

• Широкий круг задач в области охраны окружающей среды.

Космический аппарат Монитор-Э был запущен в августе 2005 года с помощью ракетно-космического комплекса легкого класса «Рокот» с космодрома Плесецк. Спутник является разработкой Государственного космического научно-производственного центра им. М.В. Хруничева. КА Монитор-Э был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 540 км и проходит над одной и той же точкой земной поверхности каждые 4-6 суток. Расчетный срок пребывания на орбите  составляет около 5 лет.

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Монитор-Э:

• Создание и обновление карт и планов  масштаба 1: 50 000;

• Землепользование, составление кадастров земельных ресурсов;

• Контроль состояния лесов, сельскохозяйственных культур, прогноз урожайности;

• Составление геологических карт и поиск полезных ископаемых;

• Контроль мелиорации и орошения;

• Экологический мониторинг;

• Контроль чрезвычайных ситуаций;

• Решение прикладных задач.

Российский спутник«Комета» специально разработан для ин­формационного обеспечения создания топографической продукции. Основное предназначение КА «Комета» состоит в информацион­ном обеспечении именно создания топографических карт местно­сти (масштаба 1:50000 с точностью 10 м по высоте и 15 м в пла­не), требуемый уровень которого достигается благодаря синхронно работающему комплексу следующей аппаратуры: обзорного фо­тоаппарата ТК-350, фотоаппарата КВР-1000, лазерного высото­мера, системы звездных датчиков, аппаратуры позиционирова­ния.

Как правило, спутники «Комета» запускаются на короткие сро­ки - около одного месяца.