§ 16-17. Методы дистанционного зондирования.

Цель обучения: 11.2.2.1. – объяснять особенности методов дистанционного зондирования.

ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ • ДЕШИФРИРОВАНИЕ • СТЕРЕОСЪЕМКА •
​• МНОГОЗОНАЛЬНАЯ СЪЕМКА • МНОГОВРЕМЕННАЯ СЪЕМКА •
• ​МНОГОУРОВНЕВАЯ СЪЕМКА • КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД •
• ​МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

Методы дистанционного зондирования

   Что вам известно о дистанционном зондировании?
   ​Как осуществляются метеорологический и сейсмический прогнозы?
   ​Какие данные для этого необходимы?

   Общие сведения о дистанционном зондировании
​   Суть метода – интерпретация результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается или излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства. С помощью ДЗ изучают физические и химические свойства объектов.
   ​Примерами естественных форм ДЗ являются зрение, обоняние и слух человека. К методам ДЗ относят и фотографическую съемку, существенным ограничением которой является то, что эмульсионный слой фотопленки чувствителен только к излучению в видимой либо близкой к ней части электромагнитного спектра.
   ​Методы ДЗ основаны на использовании сенсоров, размещенных на космических аппаратах и регистрирующих электромагнитное излучение в форматах, более 

приспособленных для цифровой обработки, и в более широком диапазоне электромагнитного спектра.
​В большинстве методов ДЗ используют инфракрасный диапазон отраженного излучения, тепловой инфракрасный и радиодиапазон электромагнитного спектра. Процесс сбора данных ДЗ и их использование в географических информационных системах (ГИС) схематически представлены на рис. 27.
  С​хема дистанционного зондирования
   ​Идеальная схема ДЗ показана на рис. 28. Она включает источник электромагнитного излучения, процесс распространения излучения и его взаимодействие с веществом объекта, ответный сигнал, регистрацию данных и предоставление их потребителям.
   На практике зачастую отсутствует система Д3 в идеальном виде. Причины этого показаны на рис. 29.​

   Дистанционное зондирование (ДЗ) – процесс или метод получения информации об объекте, участке поверхности или явлении путем анализа данных, собранных без контакта с изучаемым объектом.

Рис.27. Интеграция данных ДЗ в ГИС
Рис.28. Идеальная схема дистанционного зондирования

Это интересно!

   В модели ДЗ источник генерирует электромагнитное излучение с высоким уровнем энергии во всем диапазоне длин волн. Интенсивность излучения – известная величина, которая не зависит от длины волны.
   ​Излучение не взаимодействует с атмосферой и распространяется через нее без потери энергии. Падающее излучение взаимодействует с веществом объекта. Возникает отраженное либо собственное вторичное излучение, однородное во всем диапазоне длины волн. Излучение от объекта попадает на сенсор, и он регистрирует пространственную информацию. Идеальный сенсор имеет простую и 

компактную конструкцию и обладает высокой точностью и почти не потребляет энергии для своей работы.
   ​Данные, зарегистрированные сенсором, передаются на наземную станцию, где мгновенно преобразуются в интерпретируемую форму. Она позволяет идентифицировать все части изучаемого объекта по их физическим, химическим и биологическим свойствам. ​В этом виде данные предоставляются потребителям, которые должны обладать большим опытом использования материалов ДЗ в своих предметных областях.

Рис. 29. Причины отсутствия на практике идеальной системы ДЗ

История развития методов дистанционного зондирования

   Понятие дистанционного зондирования появилось в XIX веке вслед за изобретением фотографии. Областью, в которой стали применять этот метод впервые, была астрономия. Затем ДЗ начали использовать в военной области для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений. В результате исследований, которые финансировались различными государствами, были разработаны технологии, позволившие создать сенсоры сначала для военных целей, а затем и для гражданского применения этого метода. После Второй мировой войны метод ДЗ стали использовать для наблюдения за окружающей средой и оценки развития территорий, а также в гражданской картографии. В 60-х годах XX века, с появлением космических ракет и спутников, ДЗ вышло в космос. Новая эра ДЗ связана с пилотируемыми космическими полетами, разведывательными, метеорологическими и ресурсными спутниками.

Это интересно!

   Возможности ДЗ в военной области значительно возросли после 1960 г. в результате запуска разведывательных спутников в рамках программ CORONA, ARGON и LANYARD, целью которых было получение фотоснимков с низких орбит. Вскоре были получены стереопары снимков с разрешением 2 метра. Первые спутники работали на орбите от 7 до 8 дней. В дальнейшем эти аппараты были способны поставлять данные в течение нескольких месяцев. 

Во время программ пилотируемых полетов в США в 1961 г. человек впервые высадился на поверхность Луны (1969 г.).
   ​В программе Mercury были получены снимки Земли.
   ​Проект Gemini (1965-1966) – систематический сбор данных ДЗ.
   ​По программе Apollo (1968-1975) велось дистанционное зондирование земной поверхности (ДЗЗ) и состоялась высадка человека на Луну. При запуске космической станции 

Skylab (1973-1974) проводились исследования земных ресурсов. Во время полетов космических кораблей многоразового использования, начатые в 1981 г., были получены многозональные снимки с разрешением 100 метров в видимом и близком инфракрасном диапазоне с использованием 9 спектральных каналов.

По материалам информационных порталов.

   В СССР, а затем в России космические программы развивались параллельно с космическими программами США. Полет Юрия Гагарина 12 апреля 1961 г., ставший первым полетом человека в космос, запуски космических кораблей «Восток» (1961-1963), «Восход» (1964-1965) и «Союз», работа на орбите космических станций «Салют» (впервые 19.04.1971) – это небольшая часть того, что можно упомянуть. Первый метеорологический спутник был запущен в США 01.04.1960 для прогноза погоды, наблюдения за перемещением циклонов и др. подобных задач.

Это интересно!

   Первым среди спутников, которые применялись для регулярной съемки больших участков земной поверхности, стал TIROS-1 (Television and Infrared Observation Satellite). Первый специализированный спутник был запущен в 1972 г. Он назывался ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) и использовался для целей сельского хозяйства. В настоящее время спутники этой серии носят название Landsat. Они 

предназначены для регулярной многозональной съемки территорий со средним разрешением. В 1978 г. был запущен первый спутник со сканирующей системой SEASAT. Он передавал данные всего 3 месяца. Первый французский спутник серии SPOT, с помощью которого можно было получать стереопары снимков, был выведен на орбиту в 1985 г. Запуск первого индийского спутника ДЗ – IRS (Indian Remote Sensing), 

состоялся в 1988 г. Япония вывела на орбиту спутники JERS и MOS. С 1975 г. Китай периодически запускал собственные спутники, но полученные ими данные до сих пор находятся в закрытом доступе. Европейский космический консорциум вывел на орбиту свои радарные спутники ERS в 1991 и 1995 гг., а Канада – спутник RADARSAT в 1995 г.

По материалам информационных порталов.

Этапы дистанционного зондирования и анализа данных

   Дистанционное зондирование можно рассматривать как составную часть информационной системы. Во многих областях данные ДЗ являются ключевым компонентом в процессе принятия решений. Простая замкнутая схема такого процесса без обратных связей показана на рис. 30.
   Начальная точка, которая одновременно является и конечной точкой всего процесса, – информационные запросы групп специалистов. Потребитель, а точнее, его нужды – главное звено любой системы управления информацией. На схеме представлены различные дисциплины, связанные с Землей и ее ресурсами. Глобус на заднем плане символизирует глобальный масштаб такой системы. Информационные запросы логически связаны с требованиями заказчиков и потребителей продукции к материалам ДЗ. Оптимальный способ использования данных наблюдения поверхности Земли со спутников заключается в том, чтобы анализировать их совместно с информацией из других источников.

​ Данные становятся необходимой составляющей процесса принятия решений и моделирования в любой предметной области.
   Еще один принцип ДЗ – многокомпонентность – реализуется в виде разных методов съемки и анализа данных (рис. 31).​
​   Большинство данных ДЗ имеет географическую привязку. Полученные данные изучают во взаимосвязи друг с другом, поэтому для каждодневной работы и принятия решений необходимо иметь эффективное средство манипулирования ими. Таким автоматизированным средством является географическая информационная система – инструмент единого подхода к управлению и обработке пространственной информации, включая и материалы ДЗ.

Рис. 30. Процесс получения и анализа данных дистанционного зондирования
Рис. 31. Методы съемки и анализа данных

Области применения данных дистанционного зондирования

   Области применения космических снимков можно разделить на пять общих категорий (рис. 32)

Рис. 32. Области применения космических снимков

   ДЗ является перспективным методом формирования баз данных, пространственное, спектральное и временное разрешение которых будет достаточным для решения задач рационального использования природных ресурсов. Ресурсы Земли небесконечны, и поскольку их эксплуатация увеличивается по мере роста количества и уровня жизни населения, все более насущной становится задача их разумного и бережливого использования. В этом отношении ДЗ является эффективным методом инвентаризации природных ресурсов и мониторинга их состояния. Поскольку ДЗ позволяет получать информацию о любых областях Земли, включая поверхность морей и океанов, сферы применения этого метода действительно безграничны. Сельское и лесное хозяйство, география, геология, археология, метеорология и климатология, исследования морской среды, оценка состояния и использования водных 

ресурсов – вот неполный перечень сфер применения данных ДЗ. Основой для эксплуатации природных ресурсов служит анализ информации о землепользовании и состоянии земных покровов. Помимо сбора такой информации ДЗ используют также для изучения таких природных катастроф, как землетрясения, наводнения, оползни и оседания почвы. Краткая сводка областей применения данных ДЗ представлена в Приложении 3, таблице 2.

Проверь себя!

Внедрение технологий дистанционного зондирования Земли в Казахстане

   В Казахстане ведется активная работа по созданию и освоению космических технологий, в частности, в сфере дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). В Стратегии «Казахстан-2050» запланировано, что к 2030 году Казахстан расширит свою нишу на мировом рынке космических услуг. Будут завершены проекты: сборочно-испытательный комплекс космических аппаратов в Нур-Султане, космическая система ДЗ, национальная система космического мониторинга и наземной инфраструктуры, система высокоточной спутниковой навигации.

Это интересно!

   В апреле 2014 года осуществлен запуск первого казахстанского спутника ДЗЗ высокого разрешения KazEOSat-1 с космодрома Куру (Французская Гвиана). В июне 2014 года осуществлен запуск второго казахстанского спутника ДЗЗ среднего разрешения KazEOSat-2 с российской пусковой базы «Ясный» (Оренбургская область). В июне 2015 года осуществлена окончательная приемка космического аппарата ДЗЗ высокого пространственного разрешения KazEOSat-1 и ввод его в эксплуатацию. В декабре 2015 года произвели окончательную приемку космического аппарата ДЗЗ среднего пространственного разрешения KazEOSat-2 и осуществили ввод в эксплуатацию.

   В рамках госпрограммы по развитию космической деятельности создана Национальная система космического мониторинга территории республики. С помощью спутниковых данных она обеспечит госструктуры оперативной информацией о состоянии окружающей среды и использовании природных ресурсов.
   ​В Казахстане разработаны технологии в области тематического дешифрирования данных ДЗЗ. Создается сеть референцных (базовых) станций. Такая сеть будет обеспечивать единую временную геодезическую основу точных и высокоточных глобальных навигационных систем, определение координат отдельных пунктов в заданной системе координат на всей территории страны. РГКП 

«Астанатопография» установило три базовых станции и создало сеть между ними. Сеть предназначается для определения координат с помощью GPS по Нур-Султану и Акмолинской области. В структуру сети таких станций входит вычислительный центр Нур-Султана. В его функции входят сбор и архивация данных сети, предоставление информации пользователям.
   ​При помощи ДЗЗ решается перечень задач в сфере мониторинга сельского хозяйства страны: мониторинг снежного покрова, оценка весеннего запаса влаги в почве, оценка посевных площадей и контроль севооборота, дистанционная диагностика состояния посевов яровых культур и прогноз урожайности, отслеживание динамики уборочных работ.   ​

   Данные ДЗЗ широко использовались в ходе реализации проекта по управлению засушливыми землями в Шетском районе Карагандинской области. Проект осуществлялсяВсемирным банком и Глобальным экологическим фондом. На примере экосистемы района изучалась технология расчета величины углекислого газа, поглощенного растительным и почвенным покровом. Специалисты составили для данной территории карты типов подстилающей поверхности и землепользования. Проведена оценка состояния и продуктивности надземной части растительного покрова, изучена зависимость объема зеленой биомассы от погодных условий в вегетационный период и составлены карты сезонной продуктивности пастбищ.   ​

   Использование космического мониторинга позволяет оперативно получать информацию об обстановке по линии МЧС. В Казахстане систему космического мониторинга чрезвычайных ситуаций с 2001 года начал развивать Институт космических исследований. С 2002 года ведетсяоперативный космический мониторинг пожаров, с 2003 года начато наблюдение за паводковой обстановкой в ряде областей. Система космического мониторинга ЧС работает в Западно-Казахстанской, Восточно-Казахстанской и Карагандинской областях. Здесь ведется наблюдение за пожарами и паводками. В Актюбинской области осуществляется мониторинг пожаров, а в Кызылординской области ведется наблюдение за паводками и состоянием Шардаринского водохранилища.   

​   Проведение исследований с применением информации ДЗЗ, дешифрование космических снимков и сравнение полученных результатов с имеющимися материалами может позволить сократить объем буровых работ в стране. В транспортной отрасли - позволит определить оптимальные маршруты прокладки автомобильных и железнодорожныхмагистралей. Также позволит выявить участки дорожного покрытия, больше других нуждающиеся в ремонте. В сфере городского хозяйства использование методов ДЗЗ позволит получить информацию об участках незарегистрированной застройки или самозахваченных землях.
   Из сказанного следует, что Казахстан активно внедряет технологии ДЗЗ для решения самых разных задач.​

Подведем итоги

Проверь себя!

   1. Дайте определение новых понятий: дистанционное зондирование, дешифрирование, стереосъемка, многозональная, многовременная и многоуровневая съемки, комбинированный метод, междисциплинарный анализ.
   ​2. Дайте общие сведения метода дистанционного зондирования.
   ​3. Как выглядит идеальная схема дистанционного зондирования?
   ​4. Какова история развития методов дистанционного зондирования?
   ​5. Объясните процесс получения и анализа данных дистанционного зондирования.
   ​6. Какова область применения данных дистанционного зондирования? Как ДЗЗ применяется в Казахстане?

   Самостоятельная деятельность!

   Задание 1. Используя дополнительный материал, интернет-источники, подготовьте базовый материал о преимуществах и недостатках данных дистанционного зондирования Земли. Работу выполните в виде таблицы или блок-схемы по своему усмотрению. Обсудите работу в классе и сделайте вывод.

   Задание 2. Подготовьте реферат по одной из тем:
   ​1. Космические снимки.
   ​2. Методы дешифрирования аэрофотоснимков.
   ​3. Ресурсные спутники (метеорологические спутники, океанологические спутники, съемочные системы SeaWiFS).
   ​4. Дешифровочные признаки.
   ​Подготовка сообщений выполняется с использованием дополнительной литературы, интернет-источников. Выступление с докладом необходимо запланировать на 5-6 минут. Представьте свою работу, обсудите и сделайте выводы по теме.

   Задание 3.
   ​Используя дополнительный материал по теме, составьте кластер «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Обсудите в классе. Сделайте вывод.

   Моя точка зрения!

   1. В журнале «Все о космосе» в одной из научных статей написано, что предмет дистанционного зондирования требует консолидации географии, экологии, биологии и многих других наук, особенно физики и математики, а также высокой компетенции в использовании средств и методов, отличных от простой визуальной интерпретации спутниковых изображений.
   ​Согласны ли вы с этим утверждением? Почему автор так пишет? Любой ваш ответ (положительный/отрицательный) объясните и аргументируйте.

Өтінемін күте тұрыңыз