Виды съемок в зависимости от используемой аппаратуры и спектрального диапазона

Возможности использования снимков при географических исследованиях зависят в первую очередь от спектрального диапазона съемки, который определяет физическую сущность характеристик объектов, передаваемых снимками, и от технологии получения изображения, влияющей на качество снимков, их измерительные и изобразительные свойства. Эти два параметра – спектральный диапазон и технология съемки составляют основу классификации космических снимков.

В зависимости от используемой аппаратуры и спектрального диапазона различают следующие виды съёмок: фотографическая, многозональная, телевизионная, сканерная, инфракрасная, инфракрасная тепловая (инфратепловая), радиотепловая, радиолокационная, спектрометрическая, лазерная (лидарная). Основные методы съёмок можно представить в следующем виде:

Фотографическая съёмка. Выполняется в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра электромагнитных волн (0, 4–0, 9 мкм). Фотографическая съемка проводится с самолетов, пилотируемых кораблей и орбитальных станций, картографических спутников и т. д., кадровыми, панорамными и щелевыми фотокамерами, работающими в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режиме.

Основной задачей фотографической съемки является повышение информативности изображений, что в свою очередь связано с увеличением разрешающей способности фотографий, выбором определенных спектральных зон, обеспечением высоких фотографических, фотометрических и фотограмметрических качеств. Решение данных вопросов требует комплексирования на борту летательных аппаратов различных типов фотоаппаратов.

Материалы фотографической съемки обладают высокими геометрическими, изобразительными и информационными свойствами. Их отличает высокая разрешающая способность, надежность и освоенность аппаратуры для получения и обработки снимков. Легкость зрительного восприятия изображения позволяет их использовать для визуального дешифрирования различных объектов.

Ограничение в использовании фотографической съемки связано с невысокой оперативностью, обусловливаемое необходимостью возвращения пленки на Землю для фотохимической обработки и получения снимков, а также ограниченностью ее запасов на борту летательного аппарата.

Материалы фотографической съемки широко используются для изучения природных явлений, составления тематических и топографических карт. Разновидности фотосъёмки: чёрно-белая, цветная, спектрозональная, многозональная.

Многозональная съёмка представляет собой съёмку на чёрно-белую плёнку с использованием светофильтров, разделяющих световой поток на отдельные участки спектра. Сущность многозональной фотографической съемки заключается в том, что одна и та же территория или участок местности одновременно фотографируются в нескольких узких зонах электромагнитного спектра, при одних и тех же технических и погодных условиях съемки. Для съёмки в ближней инфракрасной части спектра используется инфрахроматическая плёнка. Таким образом, многозональный фотографический снимок представляет собой серию из нескольких чёрно-белых снимков. Существуют приборы, синтезирующие проекторы, с помощью которых можно совмещать зональные изображения аддитивным путём и получать цветное синтезированное изображение в натуральных или искажённых цветах.

В последние десятилетия многозональная съёмка стала преобладающим типом фотосъёмки. Одна из широко используемый в настоящее время для съёмок из космоса фотокамера МК-4 имеет 4 канала: в трёх из них получают зональные чёрно-белый снимки в участках спектра 0, 515-0, 565, 0, 635-0, 690 и 0, 810-0, 900, а в четвёртом – снимок на цветной спектрозональной плёнке в широкой зоне 0, 570-0, 810 мкм.

Многозональная съемка является одним из перспективнейших направлений в вопросах изучения различных природных явлений. Отличительной особенностью данного вида съемки от обычной является то, что одновременное фотографирование одного и того же объекта в нескольких узких зонах спектра дает дополнительный дешифровочный признак, т. е. различие в спектральной яркости одного и того же объекта в разных зонах спектра, обусловленное определенными его свойствами. Например, если на снимках, полученных в красной зоне спектра, контрастно светлым тоном выделяются горные хребты, покрытые снегом и льдом, то на снимках, полученных в инфракрасной зоне спектра, очень четко темным тоном изображаются гидрографические объекты (реки, озера), а также переувлажненные участки.

Телевизионная съёмка применяется для оперативных исследований состояния и динамики окружающей среды. Она ведётся телевизионными камерами в оптическом диапазоне. Принципиальное отличие телевизионной камеры от фотоаппарата заключается в том, что оптическое изображение местности через объектив проектируется не на фотопленку, а на светочувствительный экран, на котором формируется электронное изображение, которое преобразуется в электрический видеосигнал. По сравнению с фотографическими телевизионные приёмники обладают гораздо большей чувствительностью, что важно при съемке в условиях малой освещенности и невысокой отражательной способности объектов местности. Однако они имеют значительно меньшую разрешающую способность, чем фотопленка, а также имеют значительные геометрические искажения.

В телевизионных камерах могут использоваться два вида передающих телевизионных трубок:

1. Диссекторные трубки. Телевизионные камеры оснащены широкоугольным объективом, что позволяет фиксировать в пределах кадра значительные территории. В качестве светочувствительного элемента в этих трубках используется фотокатод, работа которого основана на внешнем фотоэффекте (фотокатод диссектора, на который проектируется оптическое изображение, испускает электроны с плотностью, пропорциональной освещенности). Эти телевизионные камеры используются для глобальных съемок с геостационарных спутников. Недостатком таких телевизионных камер является невысокая разрешающая способность при широком угле зрения и громоздкость аппаратуры.

2. Видиконовые трубки. В качестве светочувствительного экрана используется полупроводниковый фотоэлемент, работа которого основана на внутреннем фотоэффекте. На плоскую поверхность прозрачного в требуемом спектральном интервале баллона трубки напыляется тончайшая пленка металла – сигнальный электрод, на которую наносится слой полупроводника (фотосопротивление). Если спроектировать изображение на светочувствительную мишень, то отдельные ее участки вследствие внутреннего фотоэффекта изменят электрическое сопротивление обратно пропорционально их освещенности. В результате оптическое изображение трансформируется в электрическое. Такие трубки отличаются небольшими размерами; использование узкоугольных длиннофокусные объективы позволило значительно повысить разрешающую способность снимков.

Сканерная съёмка. Принцип сканерной съёмки заключается в поэлементном считывании вдоль узкой полосы отражённого земной поверхностью излучения, а развёртка изображения идёт за счёт движения носителя, поэтому оно принимается непрерывно. Излучение, поступившее от источника, преобразуется в электрический сигнал, затем в виде радиосигнала сбрасывается на Землю, где снова преобразуется в электрический сигнал и фиксируется на магнитных носителях. При такой съёмке появляется возможность в течение длительного времени непрерывно получать информацию и оперативно (в режиме реального времени или с задержкой на несколько часов) передавать её на приёмную станцию.

Рисунок – Сканерный снимок г. Гомеля и окрестностей

(американский спутник «Landsat», 2002 г.)

Принцип работы оптико-механического сканирующего устройства заключается в следующем: сканирующий элемент (вращающееся зеркало), поэлементно просматривая местность поперек движения носителя (рисунок), посылает лучистый поток в объектив и далее на точечный фотоприемник (детектор), который преобразует его в электрический сигнал, передаваемый с носителя по каналам связи на наземные приемные станции.

Оптико-механические сканеры с вращающимся зеркалом достаточно сложны в изготовлении и эксплуатации. В последнее время широко начали использоваться для сканирования многоэлементные приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые отличаются простотой и надежностью сканирования. В качестве светочувствительного элемента в этих системах используются линейки, которые смонтированы из нескольких тысяч кристаллических детекторов. На линейку проецируется изображение местности и с каждого детектора снимается электрический сигнал, характеризующий спектральную яркость снимаемого объекта (рисунок). Для сканирования в различных зонах спектра применяют несколько линеек, регистрирующих каждая свой спектральный интервал.

Рисунок – Схема сканерной съёмки с помощью вращающегося зеркала	Рисунок – Схема сканерной съёмки линейкой кристаллических детекторов

Основное отличие изображений полученных сканером от фотоизображений – их дискретный характер. Каждое такое изображение состоит из неделимых фрагментов – пикселов. В пределах пиксела яркостные и другие характеристики изображения одинаковы и представляют собой среднее значение характеристик всех объектов в пределах пиксела. Благодаря этому обстоятельству и записи в виде электрического сигнала сканерные снимки имеют преимущество перед фотографическими при автоматизированной компьютерной обработке и дешифрировании. В то же время сканерные снимки уступают фотографическим по геометрическим свойствам. Размер пиксела определяет разрешение сканерных снимков. Первые такие снимки имели разрешение 1-2 км, современные сканирующие системы позволяют добиться разрешения в первые метры.

Сканерная съёмка выполняется в настоящее время, как правило в многозональном варианте. Существует три основных канала, в которых работают практически все сканерные системы – 0, 5-0, 6 мкм, 0, 6-0, 7 мкм, 0, 8-1, 1 мкм. К ним могут добавляться дополнительные каналы в зависимости от целей съёмки – в ближнем и тепловом инфракрасном диапазонах, в панхроматическим диапазоне и др. В последние годы появились гиперспектральные съёмочные системы, работающие одновременно в более чем 10 диапазонах.

По степени разрешения сканерные снимки делятся на:

– сверхвысокого и высокого разрешения (1-40 м);

– среднего разрешения (50-200 м);

– низкого разрешения (300-1000 м).

Снимки низкого разрешения позволяют охватить значительно большую территорию. Каждый из уровней разрешения обеспечивает изучение определённого иерархического уровня природно-территориальных комплексов.

Инфракрасная съемка ведется в длинноволновой зоне оптической части спектра с длиной волн в пределах от 0, 76 до 1, 75 мкм. В этих сканирующих системах в качестве приемников применяются фотонные детекторы, чаще кремневые (0, 4-1, 1 мкм) и германиевые (1, 1-1, 75 мкм).

Источником инфракрасного излучения является земная поверхность, нагретая Солнцем, внутренним теплом Земли или искусственными источниками тепла.

Сканерные инфракрасные снимки используются при изучении влажности почвогрунтов и видового состава растительности.

Инфракрасная тепловая съёмка (инфрасъёмка) может производиться в диапазоне от 3 до 1000 мкм. Эта съёмка регистрирует собственное тепловое излучение Земли. На снимках, получаемых инфракрасными (тепловыми) радиометрами, изображаются температурные различия объектов. Из-за экранирующего влияния атмосферы съёмка возможна лишь в нескольких съёмочных каналах: 3-5, 8-14 и 30-80 мкм. На интервал 10-12 мкм приходится максимум теплового излучения Земли, поэтому он чаще всего используется для съёмок.

Пространственное разрешение этих снимков различно: от 1-5 км при съёмке с метеорологических спутников до 60-600 м – с ресурсных. Температурное разрешение составляет десятые доли градуса. Этот вид съёмки в основном используется для изучения температурного режима Мирового океана, а также температуры облачных покровов с целью метеорологических прогнозов. Также он может использоваться для выявления природных и антропогенных очагов повышенной температуры (вулканической активности, термальных источников, очагов возгорания, сбросов, выбросов и утечек нагретых вод и газов и др.), различий во влажности почв и грунтов (что отражается на их температуре) и т. д.

Кроме того, учитывая, что рассеяние в инфракрасном диапазоне меньше, чем в видимом, тепловую съемку можно проводить в условиях сильной дымки (обусловленной пожарами или промышленными выбросами) или слабого тумана, в данном случае она имеет существенное преимущество перед телевизионной и фотографической съемкой и позволяет получать снимки с изображением хорошего качества

Пример инфракрасного теплового снимка представлен на рисунке, где изображена северная часть Атлантического океана с течением Гольфстрим и её температурные различия. Для лучшего визуального восприятия снимок подвергся цветокодированию, то есть определённым ступеням серой шкалы был присвоен определённый цвет.

Рисунок – Фрагмент космического снимка в тепловом инфракрасном диапазоне (MODTS/Terra, США) с изображением течения Гольфстрим: температурные различия от +7° С (пурпурный цвет) до +22° С (красный цвет)

Радиотепловая съёмка. Радиотепловая съемка, или микроволновая радиометрия, основана на пассивном измерении излучения в диапазоне длин волн 1-100 мм, то есть на регистрации собственного радиоизлучения Земли и различных природных объектов. Интенсивность излучения любого объекта земной поверхности зависит от диэлектрической постоянной, температуры, размера и ее шероховатости. Например, диэлектрическая постоянная большинства природных объектов составляет от 2 до 10, а для воды при +20 °С – около 80 при частоте 1 ГГц. Поэтому применение микроволновой радиометрии особенно эффективно для зондирования природных объектов и явлений, содержащих влагу. Главными особенностями радиотепловой съёмки являются: низкая пространственная разрешающая способность (более 1 км); широкий диапазон волн фиксируемого излучения; а также возможность проникновения высокочастотных электромагнитных волн соответствующей длины через непрозрачную для оптического диапазона атмосферу, т. е. через туман, дымку и облака, что существенно повышает значение данного вида съёмки для изучения природных явлений.

Радиолокационная съёмка заключается в зондировании земной поверхности радиосигналом. На борту носителя – самолёта или спутника устанавливается радиолокатор – активный микроволновой датчик, способный передавать и принимать поляризованные радиоволны в заданном диапазоне частот. Развёртка сигнала производится по принципу сканера, то есть переход от одной строки к другой осуществляется за счёт перемещения носителя. Количество энергии, возвращённой на антенну локатора, называется обратным рассеянием. Каждый пиксел радиолокационного снимка показывает суммарный коэффициент отражения данного участка поверхности, или мощность возвратившегося к антенне сигнала. Высокая яркость пиксела означает, что большая часть сигнала вернулась к антенне, низкая – наоборот. Отличительная особенность радиолокационных изображений – наличие так называемого спекл-шума (рисунок).

Рисунок – Изображение водной поверхности и небольшого острова на радиолокационном снимке

Радиолокационные системы бокового обзора обеспечивают получение снимков с разрешением порядка 1-2 км, радиолокационные системы с синтезированием апертуры антенны – 10-25 м. Высокое разрешение достигается за счёт излучения когерентного сигнала короткими импульсами. Излучаемый радиосигнал может иметь разную частоту и поляризацию, поэтому в результате съёмки можно получить набор из нескольких снимков, что повышает дешифрируемость объектов земной поверхности.

Особо следует отметить возможности радиолокационной съемки для оперативного наблюдения за обстановкой в полярных и приполярных широтах. Важнейшим преимуществом по сравнению с оптическими съемочными системами является то, что радиолокационную съемку, возможно проводить и днем, и ночью при любых погодных условиях: облака для такой съемки прозрачны. В условиях зимы с очень коротким световым днем и при продолжительных периодах непогоды радиолокационная съемка может быть единственной технологией для получения оперативной информации о состоянии земной поверхности. Зимой на севере, а также в умеренных и южных широтах типична ситуация, когда сплошная облачность держится неделю и более, что не позволяет вести съемку в оптическом диапазоне. Области применения радиолокационных снимков включают обеспечение судоходства и наблюдение за ледовой обстановкой, оперативный мониторинг ледяного покрова, изучение береговой линии и др.

Другими преимуществами РЛ-съёмки являются независимость разрешающей способности станции от дальности объекта; возможность съемки без непосредственного полета над объектом; большая полоса захвата на местности при малой высоте полета; возможностью обнаружения объектов по их радиолокационным, а не оптическим контрастам; возможностью передачи полученной информации с борта носителя на наземные пункты по радиоканалу на значительные расстояния.

Спектрометрическая съёмка. Этот вид съемки позволяет получать данные о спектральных отражательных свойствах природных объектов. Спектрометрирование может выполняться в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра электромагнитного излучения. При спектрометрировании местности одновременно ведется ее фотографическая или телевизионная съемка для привязки результатов спектрометрирования. Результаты спектрометрической съемки получаются в виде кривых хода яркости по спектру – регистрограммы, либо сразу на экране электронно-лучевой трубки.

При спектрометрической съемке из космоса существенным препятствием является атмосфера, которая селективно (выборочно) рассеивает солнечную радиацию и ослабляет отраженное земной поверхностью излучение, искажая тем самым полученные данные. Для выявления степени влияния атмосферы одновременно проводятся наземные наблюдения, а также с самолета и с космических летательных аппаратов.

Кроме того, знание отражательных и излучательных свойств различных объектов позволяет наиболее эффективно подбирать фотоматериалы как для съемок, так и для дешифрирования определенных объектов.

Лазерная съёмка. Создание лазера положило начало разработкам, имевших целью использование лазерных систем для дистанционного зондирования. Результатом таких исследований было создание лазерного локатора (лидара), состоящего из передатчика и приемника. Лазерной локацией называют область, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами. Лазерное зондирование относится к активным видам съемок, которое может вестись от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона. Оптическое когерентное дистанционное зондирование основано на облучении когерентным световым потоком объектов наблюдения и регистрации отраженного облучения.

Чем меньше длина волны, тем меньше размеры объекта, который можно обнаружить с помощью активной локации. Поэтому преимуществами лазерной локации являются более высокая точность определения положения объекта и более высокое разрешение.

Еще одно преимущество лазерной локации – относительное снижение шумов в полезном сигнале. Чем больше спектр излучения, тем сильнее влияние помех и «белого шума». Когерентное оптическое излучение осуществляется в узком диапазоне с заданной частотой, что повышает помехоустойчивость и позволяет эффективно применять методы обработки отраженного сигнала, используя точное значение несущей частоты.

Ввиду поглощения атмосферой коротких волн, используемых в лидаре, он эффективно работает только при ясном небе.

В настоящее время созданы лидары трех типов:

– высотомер, который позволяет строить профили;

– сканирующий лидар, который можно использовать как инструмент для картографирования,

– лидар для спектроскопических исследований и создания карты распределения загрязняющих атмосферу веществ.