Использования космической информации для изучения географической оболочки Земли

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра геодезии и картографии









Использования космической информации для изучения географической оболочки Земли

(курсовая работа)







Выполнила студентка

1-го курса, 6-ой группы

Селевич А.Д.

______________________

(подпись)

Научный руководитель

к.г.н., доцент

Обуховский Ю.М.

______________________

(подпись)

Работа защищена

«__»_____________2018

Оценка________________

































Минск, 2018

СОДЕРЖАНИЕ




ВВЕДЕНИЕ




ГЛАВА 1

ВИДЫ МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННЫХ СЪЕМОК (МДС), ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДЫ, И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ



Дистанционное зондирование изучает поверхность Земли на большом расстоянии с помощью съемок космических и авиационных носителей в целях изучения и тематического картографирования исследуемых объектов. В области дистанционного зондирования значительную роль имеют аэро- и космические съемки Земли при физико-географических исследованиях. После получения и обработки данные обычно переписываются в кадровую форму и выдаются в качестве материалов дистанционного зондирования, которые   называются  космическими  снимками.

Благодаря усовершенствованию методов дистанционного зондирования природной среды, возникло новое направление – дистанционная аэрокосмическая картография. Применение материалов дистанционной съемки (МДС) много значит для тематического картографирования и комплексного районирования, благодаря которому возможно оперативно и эффективно изучать рельеф, растительность, почву и поверхностные воды, в разное время года, а также следить за изменениями компонентов ландшафтов в результате хозяйственного освоения территорий. Изготовленные по МДС карты, дополняют  картографический фонд  постоянно новыми данными, которые были получены оперативными дистанционными методами. 

В результате дистанционного фотографирования получают материалы аэро- и космических съемок следующих видов: контактная печать в виде отдельных аэрофотоснимков либо космических фотоснимков, увеличенные фотоизображения, фотосхемы, фотопланы, репродукции накидного монтажа.

Для визуального дешифрирования широко используются аэрофотоснимки, которые получают путем контактной печати негатива с фотобумагой. Масштаб их соответствует масштабу воздушного фотографирования. Основным достоинством этих материалов являются их высокие изобразительные свойства, а также возможность получения стереоскопического изображения местности. В зависимости от разрешающей способности пленки масштаб аэрофотоснимков может уменьшаться или увеличиваться.

С цветных негативов могут быть отпечатаны как цветные, так и черно-белые аэрофотоснимки. Для более успешного дешифрирования целесообразно одновременно использовать различные аэрокосмические фотоснимки по масштабу и времени съемки.

Фотосхемы — это изображение местности, составленное из нескольких аэро- или космических фотоснимков без использования опорных точек. Фотосхемы бывают:

Простые фотосхемы (неприведенные) – составляют из контактных 

неприведенных отпечатков;

Приведенные фотосхемы — изготавливают из фотоснимков, 

приведенных к одному масштабу;

Уточненные фотосхемы — монтаж их осуществляется по опорным 

точка.

Фотосхемы монтируют из центральных частей АФС или КФС, наклеивая их на картон либо иную жесткую основу. Эти фотоматериалы значительно увеличивают обзорность, что дает возможность выявлять общие геологические закономерности территории.

Более высокой точностью обладают фотопланы, которые составляются в основном из АФС. При их создании координаты точек местности, опознанные на снимках, определяются геодезическим способом. Фотопланы обычно изготавливаются для равнинных областей и пригодны для составления геологических карт любого масштаба. Путем трансформирования аэрофотоснимков устраняют искажения за перспективу, а редуцированием аэрофотоснимки приводятся к единому масштабу. Фотопланы изготавливаются в рамках трапеций в соответствии с международной  разграфкой. В углах рамок трапеций указывают их прямоугольные и географические координаты, вдоль рамок вычерчивают и подписывают выходы километровой сетки. Зарамочное оформление состоит из номенклатуры, численного масштаба, даты составления и подписей составителей

Репродукции накидного монтажа получаются фотографированием с многократным уменьшением всех снимков данной трапеции, наложенных друг на друга по идентичным контурам. Такой монтаж используется для подбора снимков на планшете топографической карты или его часть, для обеспечения снимками территории планируемых геологических исследований.

Фотокарты получаются путем совмещения фотокартографического и картографического изображений с точностью и в рамках карты. Возможны два варианта фотокарт. В первом случае на фоне тематической карты размещается фотоизображение ключевых участков. Второй способ заключается в размещении картографического изображения ключевых участков на фоне снимков.

Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных и космических аппаратов, судов и подводных лодок, наземных станций. Получаемые данные очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида (способу их получения) и высоты съемки, применяемой аппаратуры, обзорности, пространственному разделению, а также от природных особенностей местности, атмосферных условий и т.п.

Масштаб и обзорность снимков. По масштабу космические снимки делятся на следующие группы.

• Мелкомасштабные (1:10 000 000 до 1:100 000 000). Их получают с геостационарных и метеоспутников на околоземных орбитах.

• Среднемасштабные (1:1000 000 до 1:10 000 000). Получают с пилотируемых кораблей и орбитальных станций.

• Крупномасштабные (крупнее 1:1000 000). Получают со специальных картографических спутников.

Обзорность – это площадной охват территории одним снимком. По данному параметру различают снимки:

•  Глобальные, которые охватываю освещенную часть одного полушария. Получают с межпланетных космических кораблей и геостационарных спутников. Территориальный охват их составляет десятки и сотни млн км2. Пример глобального снимка на рисунке 1.1.

   





Рисунок 1.1 – Глобальный снимок



• Региональные, на  которых  изображаются  часть  материка  или крупный регион. Получают с метеорологических и ресурсных спутников. Охват исчисляется млн км2. Ширина зоны охвата варьирует от 500 км до 3 000 км. Пример регионально снимка на рисунке 1.2.



Рисунок 1.2 – Региональный снимок

          • Локальные, на которых изображается часть региона. Получают с пилотируемых кораблей, орбитальных станций, ресурсных и картографических спутников. Снимки охватывают десятки тысяч км. Пример предоставлен на рисунке 1.3.





Рисунок 1.3 – Локальный снимок

                                                



Разрешение. Разрешение – это минимальная линейная величина объекта,  которая  отображается  на  снимке.  По  данному  параметру снимки классифицируются следующим образом:

• Снимки очень низкого разрешения  (десятки  километров).  В настоящее время снимки с таким разрешением редки, в основном это радиометрические снимки.

• Снимки низкого  разрешения (несколько  километров). Эти снимки  широко распространены,  к  ним  относятся  телевизионные  и сканерные снимки с метеоспутников.

• Снимки среднего разрешения (сотни  метров). Такие  снимки получают сканирующей аппаратурой среднего разрешения и тепловой инфракрасной аппаратурой ресурсных спутников.

• Снимки высокого разрешения (десятки метров).Такое разрешение характерно для широко используемых фотографических снимков  с  пилотируемых космических  кораблей,  автоматических  картографических спутников и орбитальных станций, а также для сканерных  снимков  с  ресурсных  спутников. Эта  группа  снимков  делится еще на снимки относительно высокого разрешения (50–100 м), высокого (20–50 м), очень высокого (10–20 м), сверхвысокого разрешение меньше 1 м.

С разрешающей способностью тесно связана детальность изображения. Детальность – это количество информации на единицу площади снимка. По этому показателю выделяют снимки малой детальности – работа с ними возможна в масштабе оригинала. Средней детальности, позволяющие  работать  при  двойном  увеличении. Детальные снимки, требующие для работы увеличения оригинального снимка от двух до десяти раз.

Главные качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления карт, — это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков и изучения труднодоступных территорий. Благодаря этому данные дистанционного зондирования нашли в картографии разнообразное применение: их используют для составления и оперативного обновления топографических и тематических карт, картографирования малоизученных и труднодоступных районов (например, высокогорий). 

Съемки ведут в видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой зонах спектра. При этом снимки могут быть черно-белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже — для лучшей различимости некоторых объектов — ложно-цветными, т.е. выполненными в условных цветах. Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почти не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ночная темнота тоже не помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое время суток.

При выполнении разных видов аэрокосмических съемок, регистрируя излучение с использованием разных методов, различной съемочной аппаратуры и ее носителей, получают снимки, которые представляют основной источник информации в аэрокосмических исследований.

Возможность использования снимков при географических исследованиях зависят в первую очередь от спектрального диапазона съемки и от технологии получения снимков. Эти два параметра составляют основу классификации космических снимков.

По спектральному диапазону съемки снимки делятся на три группы:

• Снимки в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне;

• Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне;

• Снимки в радиодиапазоне.

Вид съемки определяет и технологию формирования изображения. По виду съемки снимки делятся на фотографические, телевизионные, сканерные, ПЗС-снимки, тепловые инфракрасные,  радиометрические,  радиолокационные,  микроволновые радиометрические.

Снимки в световом диапазоне. Этот спектральный диапазон включает видимый, ближний и средний ИК-диапазоны, и на него приходится большая часть солнечной энергий. Съемка в световом диапазоне возможна благодаря прозрачности атмосферы в этой части спектра. Однако большое препятствие создается облачностью. Кроме того, сказывается рассеивающее влияние атмосферы, больше всего оно влияет на съемку в коротковолновой (голубой) части спектра. Поэтому изображение в голубой зоне спектра могут быть малоконтрастными.

Фотографические снимки – снимки,  полученные с  помощью фотоаппарата, находящегося на борту авиационного или космического носителя и обработанные после приземления спускаемого аппарата.  В  зависимости  от  использования  фотоматериалов  фотоснимки подразделяются на черно-белые, цветные, спектрозональные, многозональные, синтезированные. 

Для получения цветных снимков используют двух- и трехслойные фотоматериалы (синий, красный, зеленый). 

Спектрозональные снимки также получают на двух- и трехслойных фотоматериалах, но на таких пленках отсутствует слой, который чувствителен  к  синей  зоне  спектра, поэтому вместо него помещен слой, чувствительный к ИК-лучам. Такие снимки позволяют подчеркнуть различия предметов, которые отличаются по яркости. Фрагмент снимка со спутника "Ландсат-7", полученного  9  августа  1999  года сканирующей системой  ЕТМ+. Цветной  синтезированный снимок получен по трем исходным изображениям в зонах 0,45–0,52, 0,63–0,69, 1,55–1,74 мкм в варианте синтеза с искаженной цветопередачей (растительность изображается красным цветом). На  синтезированном  снимке  выполнено  выделение  снежно-ледовых  образований  голубым цветом.

Черно-белыми снимками можно назвать однозональными. Излучение регистрируется в одной, но достаточно широкой зоне спектра. Обычно съемка ведется в видимой части спектра. 

Многозональные снимки получают с помощью специальных фотоаппаратов, имеющих от 4 до 6 объективов. Каждый объектив снабжен  определенным  светофильтром  и  ведет  съемку  в  определенной зоне спектра. В результате на одну и ту же территорию приходится 6 зональных снимков, каждый из которых содержит изображение в заданном спектральном диапазоне, что облегчает анализ. Из  многозональных  снимков  можно  получить  цветные  снимки, которые называют синтезированными. При этом каждому зональному снимку с помощью светофильтра придают определенный цвет, а затем соединяют  изображения.  Цвета  на  снимке  могут  соответствовать  реальности либо быть ложными.

Телевизионные снимки получают с помощью телевизионной камеры, установленной на борту носителя, в интервалах между экспозициями изображение считывается электромагнитным лучом и передается по радиоканалам на Землю, что обеспечивает оперативное получение снимков пользователем одновременно с процессом съемки. 

Искажения  телевизионных  снимков  зависят  от наклона  оси  съемочной  камеры  относительно  поверхности  земли,  а разрешающая способность определяется освещенностью местности и техническими параметрами съемки.

 Свойства телевизионных снимков различаются, они могут быть узко- и широкополосными, иметь разные устройства развертки в оптическом  канале  или  в канале  формирования  радиосигнала,  разные видеоусилители и т. п. 

Телевизионные снимки могут охватывать полосу местности шириной от 1 до 2 тыс. км, в зависимости от высоты полета и фокусного расстояния объектива. Изображение всей планеты получают  с  высокоорбитальных  спутников,  но  они  содержат  мало подробностей и по своему разрешению сильно уступают фотографическим снимкам. Телевизионная съемка проводится в видимом и ближнем инфракрасном  диапазоне  спектра.  Чаще  всего  получают  плоские  черно-белые или цветные изображения, реже используется аппаратура для получения стереоскопического изображения.

Сканерные снимки, получаемые при оптико-механическом сканировании в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне и передаваемые по радиоканалам, как и фотографические, отображают оптические характеристики объектов, но такую съемку отличает оперативность, вплоть до получения изображений в реальном масштабе времени.

 В ходе съемки с самолета или спутника сканирующее устройство (качающееся зеркало или призма) последовательно, полоса за полосой, просматривает местность поперек направления движения носителя. Отраженный сигнал поступает на точечный фотоприемник, и в результате получаются снимки с полосчатой или строчной структурой, причем строки состоят из небольших элементов — пикселов. Каждый из них отражает суммарную усредненную яркость небольшого участка местности, так что детали внутри пиксела неразличимы. Пиксел — это элементарная ячейка сканерного изображения.

Сканерные снимки поступают со спутников и используются для оперативных целей (прогноз погоды, гидрологические прогнозы) и тематического картографирования. Как правило, сканерные снимки — многозональные.

ПЗС-снимки получают с помощью оптико-электронных сканеров с линейными ПЗС-приемниками излучения и передаются со спутника по радиоканалам, и характеризуются они высоким разрешением.

ПЗС  представляет  собой  линейку  или  матрицу,  состоящую  из нескольких  тысяч  миниатюрных  (10–20  мкм)  светочувствительных элементов-детекторов. Их малые размеры обеспечивают высокое разрешение  подобных  снимков.  Линейный  ряд  детекторов  (линейка ПЗС) обеспечивает строку снимка, накопление строк происходит за счет движения носителя аппаратуры. Такая аппаратура, по сравнению со сканерной съемкой, не имеет колеблющегося или вращающегося элемента конструкции, поэтому позволяет получать снимки с лучшими геометрическими  свойствами. Важным достоинством этого вида съемки также является возможность настройки детекторов на заданный спектральный диапазон, вплоть до   монохроматического.

Снимки в тепловом ИК диапазоне. Получают в тепловом инфракрасном диапазоне, отображают температурные характеристики поверхности (холодные и теплые объекты изображаются на них разными тонами).

Можно получать снимки независимо от условий освещения, например полярной ночью, однако облачность является препятствием для съемки — на снимках отображается холодная верхняя поверхность облака.

Тепловая съемка выполняется теми же сканирующими радиометрами, что и съемка в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, дополненными тепловыми каналами.

Пространственное разрешение тепловых снимков, передаваемых с метеоспутников составляет 1 км, температурные различия регистрируются с точностью 0,1—0,2°С.

При значительном охвате 2-3тыс. км и большом угле сканирования для них характерны геометрические искажения. С ресурсных спутников передают тепловые снимки более высокого пространственного разрешения, достигающего 60 м при охвате 180 км.

Съемка используется при изучении различных явлений, связанных с выделением  тепловой энергии,  например,  при  мониторинге  лесных  пожаров, тепловых или атомных электростанций.

Снимки в радиодиапазоне. Радиолокационные снимки получают со спутников и самолетов. Бортовые радиолокаторы бокового обзора, установленные на аэро-, космических носителях, ведут съемку по правому и левому бортам перпендикулярно к направлению движения носителя.

На радиолокационных снимках отображаются шероховатость и влажность поверхности, ее рельеф, особенности структуры и состав пород, слагающих поверхность, характер растительного покрова. При определенных длинах волн излучения на снимках отображаются подповерхностные неоднородности грунта, грунтовые воды. Возможность получения снимков не зависит от условий погоды и освещения — облачность на них не отображается.

Радиолокация позволила впервые подробно картографировать рельеф далеких планет.

Пространственное разрешение радиолокационных снимков определяется прежде всего размером антенны. У снимков, сделанных радиолокатором бокового обзора с реальной антенной, оно составляет 1—2 км, но в большинстве случаев при использовании радиолокаторов с синтезированной длиной антенны получают снимки с разрешением 10—30 м при ширине обзора около 100 км.

Специфику радиолокационного снимка составляет мелкая пятнистость изображения – технические спекл-шумы и своеобразное отображение горного рельефа.

Материалы аэро- и космических фотосъемок нашли применение во всех видах геологических исследований. На их основе проводят геолого- съемочные и поисковые работы всех масштабов; изучают тектонику и геодинамический режим территорий; выявляют структурные факторы, контролирующие размещение рудной минерализации, ловушек нефти и газа; выполняют гидрогеологические, инженерно-геологические, гео- морфологические и эколого-геологические исследования.






Основные виды снимков: фотографические, сканерные, ПЗС-снимки, тепловые инфракрасные снимки, микроволновые радиометрические снимки, радиолокационные снимки........................