2 курс / 2 семестр / Методы дистанционных исследований / Шалькевич Курс лекций

ние орбиты, — элемент перигея, à — большая полуось орбиты, l — эксцентриситет орбиты и t — момент прохождения КЛА че- рез восходящий узел орбиты (точка перехода КЛА из Южного полушария в Северное). Иногда вместо элементов à è l используют высоты орбиты в точках перигея Hn наименьшее и апогея Íà наибольшее удаление над поверхностью Земли.

Для описания круговой орбиты достаточно всего четырех элементов орбиты: , i, H, t.

— долгота восходящего узла — угол, расположенный в плоскости земного экватора и отсчитываемый от направления на точку весеннего равноденствия и линией пересечения плоскости орбиты с плоскостью экватора;

i — наклонение орбиты — двугранный угол между плоскостью орбиты и плоскостью земного экватора, отсчитываемый от последней против хода часовой стрелки для наблюдателя в точке восходящего узла, или угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора;

Í — высота круговой орбиты над поверхностью Земли;

t — время прохождения КЛА через восходящий узел орбиты. В зависимости от целей, для которых проводится космическая

съемка, при выборе орбит к ним предъявляется ряд условий:

получение космических снимков определенного масштаба;

наибольшее изображение территории земной поверхности на одном космическом снимке;

возможность постоянного наблюдения за глобальными процессами одной и той же территории;

обеспечение наименьших изменений в освещенности Солнцем земной поверхности по трассе полета космического аппарата;

возможность покрытия съемкой практически всей земной поверхности.

Для того чтобы выполнить данные условия, орбиты должны иметь определенные параметры: высоту, форму, наклонение, период обращения, положение по отношению к Солнцу.

С высотой полета КА изменяется воздействие атмосферы на его движение. На более низких орбитах сопротивление атмосферы существенно больше, а при высоте менее 100 км торможение настолько велико, что КА не может совершить и одного оборота и сгорает падая вниз. С увеличением высоты орбиты увеличивается продолжительность существования КА, охват съемкой, но уменьшается пространственное разрешение снимков.

32

По высоте орбит КА подразделяются на три группы: низкоорбитальные 100—500 км, среднеорбитальные 500—2000 км и высокоорбитальные 30 000—40 000 км. Первая включает орбиты пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций с высотами орбит 200—400 км. Вторая включает ресурсные ИСЗ с высотой 600—900 км и метеорологические — 900—1400 км. К третьей группе с высотой орбит 30 000—40 000 км относятся метеорологические ИСЗ и спутники связи.

Форма орбит в зависимости от скорости КЛА может быть круговой, эллиптической, гиперболической или параболической.

Круговые орбиты широко используются для проведения космических съемок как с пилотируемых, так и автоматических космических аппаратов. Для того чтобы вывести космический аппарат на круговую орбиту, он должен развить скорость, равную 7905 м/с. Эта скорость называется первой космической. Скорость движения КЛА по круговой орбите зависит от удаления его от поверхности Земли или ее центра, и чем больше высота полета Í, тем меньшая потребуется скорость, чтобы удержать его на круговой орбите. Высота полета КА существенно влияет на масштаб получаемых космических снимков. Так как у круговых орбит высоты перигея и апогея одинаковы или близки друг к другу, а значит и высота съемки всегда одинакова, то такие орбиты наиболее предпочтительны для получения космических снимков земной поверхности, близких по масштабу, охвату территории и пространственному разрешению изображений.

Эллиптические орбиты в отличие от круговых имеют различ- ные расстояния от поверхности Земли в апогее и перигее. Кроме того, в апогее КА бывает более продолжительное время над определенной территорией земной поверхности, чем в перигее. Следовательно, эти орбиты можно использовать для наблюдений за глобальными процессами, например за динамикой атмосферных явлений, когда в поле зрения аппарата в течение продолжительного времени необходимо иметь диск Земли в целом. Съемку в данном случае производят на участке наибольшего удаления в состоянии «зависания» спутника над Землей. Гиперболическая и параболи- ческая орбиты используются для полетов КЛА к другим планетам. Для вывода КА на незамкнутую гиперболическую или параболическую орбиту он должен развить скорость, способную преодолеть земное притяжение. Такой скоростью является вторая космическая, которая равна 11 186 м/с.

По углу наклонения плоскости орбиты к плоскости земного экватора орбиты разделяют на экваториальные (i = 0 ), полярные

33

(i = 90 ) и наклонные. К наклонным орбитам относятся прямые (0 < i < 90 ) и обратные (90 < i < 180 ). Это разделение зависит от направления запуска космического аппарата относительно вращения Земли. Наклонение орбиты определяет тот широтный пояс, в пределах которого пролетает спутник. Орбиты первых американских пилотируемых кораблей имели наклонение 30 ; российские пилотируемые корабли и орбитальные станции работают на орбитах с наклонением 52 , метеорологические и ресурсные спутники запускаются на субполярные орбиты с наклонением 90 . Спутник, находясь на орбите и проецируясь на земную поверхность, образует подспутниковую точку. При движении по орбите спутника подспутниковая точка на земной поверхности, благодаря вращению Земли, описывает линию, называемую трассой. Очевидно, что трасса, вдоль которой производится съемка, не может пройти через районы земного шара, географическая широта которых больше, чем наклонение орбиты. Чем ближе наклон орбиты к 90 , тем больше площадь покрытия съемкой земной поверхности.

Период обращения Т — время оборота спутника вокруг Земли — также представляет интерес с точки зрения съемки, поскольку от него зависит число витков в сутки и соответственно межвитковое расстояние, определяющее возможность перекрытия снимков соседних трасс. Для круговой орбиты скорость спутника постоянна и зависит от ее высоты Í. Для околоземных орбит период обращения спутника (в минутах) можно вычислить по

Нкм формуле: tîá = 84,4 + 50 .

Âсреднем период обращения составляет 1,5 ч или 16 витков в сутки.

Âзависимости от периода обращения орбиты подразделяются на геосинхронно периодические, или суточные, геосинхронно периодические несуточные и геостационарные.

Геосинхронно периодическими, èëè суточными, называются орбиты, для которых период обращения спутника, выведенного на наклонную орбиту вокруг Земли, составляет 24 ч. Такой спутник через каждые 24 ч будет пролетать над одной и той же точкой местности.

Момент прохождения над данной точкой будет зависеть от времени вывода его на круговую орбиту. Это значит, что такой спутник будет постоянно вести съемку одной и той же трассы полета.

34

Геосинхронными периодическими несуточными называют спутники, период обращения вокруг Земли которых будет кратен 24 ч, но не равен суткам. Это значит, что такой спутник, благодаря вращению Земли, в одно и то же время, в течение каждых последующих суток будет пролетать над разными точками земной поверхности, т. е. будет происходить сдвиг трассы спутника. Например, на орбитах со скоростью спутника 11 км/с они имеют период обращения примерно 1,5 ч, делая за сутки около 16 витков вокруг Земли. В данном случае сдвиг трассы составит 22,5 , что на экваторе будет соответствовать 2500 км. Учитывая, что при фотографической съемке охват территории большинства видов аппаратуры значительно меньше, то разрывы между соседними трассами неизбежны. Для проведения космической съемки с некоторым поперечным перекрытием орбиты рассчитывают таким образом, чтобы каждая последующая трасса съемки обеспечивала бы определенное перекрытие предыдущей трассы. Это возможно на так называемых квазипериодических орбитах, т. е. околоземных круговых орбитах с периодом обращения, не кратным данным суткам. В данном случае со сменой суток на местности будет наблюдаться положительное или отрицательное смещение трасс, называемое суточным сдвигом.

Если спутник вывести на экваториальную круговую орбиту с высотой 36 000 км, то его период обращения будет равен 24 ч, т. е. одним суткам, угловая скорость его вращения по орбите будет равна угловой скорости вращения Земли. Трасса такого спутника будет представлять собой точку, так как он будет все время находиться над одной и той же точкой экватора. Такой спутник и орбиту называют геостационарными. С геостационарной орбиты, на которой спутник как бы зависает над одной и той же территорией, можно вести постоянное наблюдение за определенным районом Земли. Для того чтобы держать в поле зрения всю Землю, кроме полярных шапок, требуется четыре-пять геостационарных спутников. Геостационарные орбиты используются для вывода на них метеорологических спутников и спутников связи. Структура и принципы построения подсистемы метеорологических спутников на геостационарных орбитах выбираются с учетом следующих основных требований:

число спутников на геостационарной орбите должно быть достаточным, чтобы обеспечить наблюдение и доведение метеоинформации в пределах широтного пояса 50 ю. ш.;

35

сбор метеорологической информации должен осуществляться непрерывно;

периодичность выдачи потребителям обновленных метеоданных не должна превышать 0,5 ч.

К 1995 г. полностью развернута международная система геостационарных спутников, и эти требования реализуются подсистемой из пяти спутников: двух американских, европейского, российского и японского космического аппарата.

Передача информации может осуществляться как в пределах целого полушария, так и по отдельным частям. Для этого земной шар разбивается на отдельные форматы, в пределах которого производится съемка, передача и ретрансляция информации. Например, при передаче информации метеорологической системой Ìeteosat используется восемь форматов, имеющих условные буквенные обозначения «À», «Â», «X», «Ñ» è ò. ä. (ðèñ. 2).

Продолжительность передачи информации зависит от размеров наблюдаемого участка и используемых спектральных каналов. Так, минимальная продолжительность передачи данных (в формате «Â») составляет 1,4 мин, максимальная продолжительность передачи информации (в формате «À») составляет 30 мин. Для того чтобы исключить наложения передаваемых данных в системе, используются ежечасные защитные интервалы длительностью 4 мин.

Солнечно-синхронный тип орбит выбирается в тех случаях, когда съемку необходимо выполнять многократно и при некото-

Ðèñ. 2. Передача изображения с геостационарного спутника в формате «À» è «Â»

36

рых заданных условиях освещенности поверхности Земли вдоль трассы полета КА. При невозмущенном кеплеровском движении спутника плоскость его орбиты, двигаясь вместе с Землей вокруг Солнца, сохраняет неизменное положение в мировом пространстве. Следовательно, угол между плоскостью такой орбиты и солнечными лучами в течение года меняется на 360 , т. е. приблизительно на один градус в сутки. Однако известно, что сплюснутость Земли, или экваториальное вздутие, поворачивает орбиту. Величина этого поворота существенно зависит от наклонения и в меньшей степени от высоты орбиты спутника. Можно точно рас- считать и подобрать наклонение и высоту орбиты так, чтобы угловая скорость поворота орбиты соответствовала скорости вращения Земли вокруг Солнца. В таком случае угол между плоскостью орбиты и солнечными лучами остается почти неизменным. Поэтому высота Солнца в момент прохождения спутника над определенной точкой Земли всегда одна и та же, вследствие этого освещенность трассы во время съемки изменяется только в зависимости от времени года. Расчеты показали, что солнечно-синхрон- ная орбита по наклонению должна быть обратной, т. е. в пределах от 90 до 180 , а высота не превышать 1000 км. В зависимости от времени пролета ИСЗ над районом съемки различают утренние, полуденные и сумеречные орбиты. Солнечно-синхронные обратные орбиты используются для ресурсных и метеорологических спутников.

4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ

При дистанционных методах исследования информация об объекте переносится к регистрирующему прибору с помощью электромагнитных волн. Электромагнитное излучение относится к наиболее важным посредникам при дистанционных наблюдениях окружающей среды. Представляя единственную форму переноса энергии в открытом космосе, электромагнитное излучение отличается большим разнообразием свойств и проявлений. Чтобы разобраться в различных методах дистанционных наблюдений, нужно иметь представление об электромагнитном спектре. Под электромагнитным спектром следует понимать классификацию электромагнитных волн по их длинам.

37

Электромагнитные волны различных излучений занимают вполне определенные участки в спектре. Часто используемые в аэрокосмических методах электромагнитные колебания относятся к участкам оптических и ультракоротких радиоволн. Для удобства изучения электромагнитный спектр разбивают на ряд участков.

Участок оптических волн (0,001—1000 мкм) включает ультрафиолетовый (< 0,4 мкм), видимый (0,4—0,8 мкм) и инфракрасный (0,8—1000 мкм) диапазоны. В ультрафиолетовом диапазоне выделяют ближнюю (400—300 нм), среднюю (300—200 нм) и дальнюю (< 200 нм) области. Видимый диапазон, в котором глаз способен различать цветовые различия, делят на цветовые зоны со следующими названиями цветов и границами в нанометрах: фиолетовый 390—450, синий 450—480, голубой 480—510, зеленый 510—550, желто-зеленый 550—575, желтый 575—585, оранжевый 585—620 и красный 620—800. Диапазон инфракрасного (ИК) излучения подразделяется на поддиапазоны ближнего (< 1,5 мкм), среднего (1,5—3 мкм) и дальнего (> 3 мкм) инфракрасного излучения. В ближнем и среднем ИК-поддиапазонах преобладает отраженное (солнечное) излучение, а в дальнем, называемом тепловым, собственное излучение Земли. Волны длиной 0,1—1 мм иногда называют субмиллиметровыми.

Участок спектра, охватывающий ультракороткие радиоволны, принято разбивать на диапазон миллиметровых, сантиметровых, дециметровых и метровых радиоволн. Сантиметровые и дециметровые волны часто объединяют в диапазон радиоволн сверхвысоких частот (СВЧ). В переводной литературе миллиметровые и сантиметровые волны относят к одному диапазону, называемому микроволновым.

4.1. Солнечное излучение и его отражение объектами земной поверхности

Земля, удаленная от Солнца на 150 млн км, получает менее одной пятидесятимиллионной части всей излучаемой Солнцем энергии, эта энергия имеет значение не только для большинства методов дистанционных наблюдений, но и поддерживает жизнь на Земле.

Солнце посылает на Землю очень широкий спектр электромагнитных волн, но земная атмосфера пропускает только некоторые из них в спектральном интервале от 0,3 мкм до 20 м. Ос-

38

новная энергия приходится на излучение с длинами волн 0,3—3 мкм, причем максимум энергии — на волны длиной 0,5 мкм.

Излучение, падающее на какой-либо объект, определенным образом взаимодействует с ним: некоторая часть излучения отражается, другая — поглощается и рассеивается внутри объекта, третья — пропускается. Доли отраженного, поглощенного, рассеянного и пропущенного лучистых потоков оцениваются соответствующими коэффициентами, которые по закону сохранения энергии в сумме всегда составляют единицу.

Для объектов суши наиболее важным является отраженное излучение. Из оптических характеристик объектов земной поверхности для получения снимков наибольший интерес представляют коэффициент интегральной яркости, яркостный контраст, индикатриса отражения и особенно коэффициент спектральной яркости.

Коэффициент интегральной яркости ß, характеризующий величину отраженного потока излучения в заданном направлении по сравнению с упавшим потоком, определяется как отношение яркости объекта Вß к яркости идеального рассеивателя (эталона) Вß0:

τß = Âß .

Âß0

Яркость объектов является функцией их освещенности, которая складывается из освещенности прямым солнечным светом, рассеянным светом небосвода, и светом, отраженным от соседних объектов. Каждому объекту соответствует определенный коэффициент интегральной яркости. Например, для снега свежевыпавшего он составляет 1,0, для чернозема — 0,03, песка кварцевого — 0,20, луга суходольного — 0,07 и т. д., в пределах одного ландшафта и даже фации наблюдается существенное варьирование коэффициентов яркости. Но по мере продвижения с севера (от зоны тундры) на юг (до зоны пустынь) коэффициент яркости изменяется от 0,05 до 0,25. Среднее значение коэффициента интегральной яркости в целом принимают равным 0,15 (летом) и 0,50 (зимой).

Яркостный контраст является распространенной характеристикой различия двух яркостей объектов Вß1 è Âß2 (Âß1 < Âß2). Применяют несколько взаимосвязанных выражений для конт-

39

раста. Среди них чаще всего употребляется относительный контраст К0:

Ê0 = Âß1 .

Âß2

Контраст между наиболее светлыми (Вßmax) и темными (Вßmin) объектами характеризует интервал яркостей аэрокосмического ландшафта U:

U= Âßmax .

Âßmin

Индикатриса отражения (рассеяния) характеризует величи- ну яркости объекта в зависимости от направления наблюдения. Ее изображают графически в виде полярной диаграммы, показывающей коэффициенты яркости объекта по разным направлениям. Различают три основные формы индикатрис отражения (рис. 3).

Ðèñ. 3. Индикатриса отражения гладкой (à), шероховатой (матовой) (á) и расчлененной (â) поверхности

Наибольшую яркость при наблюдении против Солнца имеют объекты с гладкой (зеркальной) поверхностью. Характерным представителем этой группы является спокойная водная поверхность, ледяной покров, такыры. Матовые (слабо шероховатые) поверхности отражают свет равномерно во все стороны. Такую, так называемую ламбертовскую, индикатрису должен иметь рассеиватель, принимаемый в качестве эталона.

В природе к нему приближаются плоские песчаные поверхности. Объекты с расчлененной (сильно шероховатой) поверхностью имеют индикатрису отражения, вытянутую к источнику света, т. е. противоположную зеркальной поверхности. Максимальная яркость таких объектов (вспаханные почвы, растительный покров) наблюдается со стороны падающих лучей. Асиммет-

40

рия их индикатрис возрастает с увеличением расчлененности (иссеченности) поверхности.

Коэффициент спектральной яркости характеризует величи- ну отраженного потока излучения в заданном направлении по сравнению с упавшим потоком для определенного узкого диапазона спектра. Так как объекты земной поверхности имеют определенную окраску, их яркость в разных спектральных зонах неодинакова, то и характеризуются они различными коэффициентами спектральной яркости. Графически коэффициенты спектральной яркости представляют в виде так называемой кривой спектральной яркости . Значения коэффициентов спектральной яркости хроматических объектов обнаруживают определенный спектральный ход.

Спектральная яркость объектов определяется в основном экспериментальным путем. Коэффициенты спектральной яркости измеряют главным образом с помощью фотоэлектрических приборов (спектрометров) путем сравнения двух отраженных лучистых потоков — от исследуемого объекта и от эталона. Точность определения коэффициентов спектральной яркости характеризуется относительной погрешностью в 5—10 % при спектральном разрешении 10—20 нм. Спектральную отражательную способность изучают лабораторно, в поле, с самолетов и космических аппаратов. В лабораторных условиях на отдельных образцах определяют зависимость коэффициентов яркости от некоторых свойств объектов, например почв — от их влажности, содержания гумуса, минералогического состава и т. д. При наземном спектрометрировании в полевых условиях изучается суточный ход коэффициентов спектральной яркости, их зависимость от фенологи- ческой фазы развития растительности. При аэрокосмическом спектрометрировании, которое является основным видом определения коэффициентов спектральной яркости, охватываются зна- чительные площади, а получаемые оптические параметры характеризуют крупные разнородные объекты. Синхронные спектрометрические измерения на земле, с самолета и космического аппарата проводятся для оценки влияния атмосферы на оптические характеристики объектов. Надо учитывать, что отражательная способность, например, отдельного древесного листа (лабораторные измерения) отличается от отражательной способности дерева (наземные измерения), а она, в свою очередь, от отражательной способности участка леса (самолетные измерения) или лесного массива (космические измерения).

41