1. Главная
    2. Блог
  1. Блог

Дистанционное зондирование

Дистанционное Зондирование Земли: Приборы И Применение

16.07.2021
image of the Earth taken due to remote sensing

Радары и лазеры давно перестали быть просто захватывающими атрибутами фантастических кинофильмов, как это было десятки лет назад. Данные инновации широко используются для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с тех пор, как наука сделала гигантский шаг вперед.
С течением времени, дистанционное зондирование Земли из космоса нашло применение в различных сферах деятельности человека. Например, фермеры ежедневно пользуются преимуществами дистанционного зондирования в сельском хозяйстве. Многие важные решения принимаются с использованием данных RADARSAT, TerraSAR-X, SRTM, EOSDA, ERS, Sentinel, Landsat и других спутников ДЗЗ.

Активное Дистанционное Зондирование

Что такое дистанционное зондирование Земли? Дистанционное зондирование Земли из космоса – это исследование нашей планеты с помощью оптических и радарных спутников.

Классификация дистанционных методов зондирования Земли основана на типе источника сигнала для исследования объекта – активном или пассивном. Инструменты активного ДЗЗ сами способны излучать сигнал или имеют собственный источник света, а в пассивном ДЗЗ используется отраженный солнечный свет. Излучение также имеет разные длины волн и бывает коротковолновым (видимый, ближний и средний инфракрасный диапазон) и длинноволновым (микроволны).

схема
Схема: Как работает активное дистанционное зондирование Земли

Радары и лидары – самые известные примеры активного метода дистанционного зондирования.

Инструменты Активного ДЗЗ

Каждый активный датчик дистанционного зондирования поверхности Земли направляет сигнал и анализирует результат – интенсивность полученного сигнала. В большинстве приборов ДЗЗ используются микроволны, поскольку на них относительно не влияют погодные условия. Технологии активного ДЗЗ бывают разные – в зависимости от того, что они передают (свет или волны) и что они измеряют (например, расстояние, высоту, атмосферные явления и т.д.):

  • Радар – это прибор, в котором для измерения дальности применяются радиолокационные сигналы. Отличительной чертой радара является антенна, излучающая импульсы. Когда сигнал радара “наталкивается” на препятствие, он в той или иной мере возвращается. По интенсивности возвращенного сигнала и затраченному времени можно определить, насколько далеко от радара находится исследуемый объект.
  • Лидар определяет расстояние с помощью света. Метод дистанционного зондирования Земли лидаром подразумевает передачу световых импульсов и измерение интенсивности возвращенного сигнала. Местонахождение исследуемого объекта на Земле и расстояние до него вычисляется умножением потребовавшегося времени на скорость света.
  • Лазерный альтиметр (высотомер) измеряет высоту с помощью лидара.
  • Инструменты для измерения дальности (дальномеры) определяют дальность с помощью одного или двух идентичных устройств на разных платформах, которые передают сигналы между собой.
  • Эхолот изучает погодные условия вертикально путем излучения импульсов (если это прибор активного ДЗЗ).
  • Скаттерометр (рефлектометр) – это специальное устройство для измерения возвращенного (рассеянного) излучения.

Активное Дистанционное Зондирование: Где Применяется И В Чем Преимущества

Кроме обширной области применения, преимуществом активных датчиков дистанционного зондирования Земли является практически полное отсутствие ограничений относительно условий работы. Активные датчики ДЗЗ полноценно функционируют в любое время суток, поскольку их работа не зависит от солнечного света. Кроме того, атмосферные рассеивания относительно не влияют на качество зондирования аппаратурой активного ДЗЗ.

Различные методы дистанционного зондирования Земли спутниками нашли применение как в научной сфере, так и в прикладных отраслях.

  • Радиолокационная топографическая миссия шаттла (SRTM) собрала данные о рельефе Земли.
  • Активное дистанционное зондирование поверхности нашей планеты из космоса с помощью лидара позволило составить цифровую модель карты высот планеты Земля.
  • Дистанционное зондирование мирового океана и отдаленных точек нашей планеты критически важно для океанологии, экологии, нефтедобывающей промышленности, а также при проведении поисково-спасательных операций.
  • Дистанционное зондирование лесов помогает обнаружить лесные пожары, обезлесение, оценить состояние лесных активов (в том чисте за счет болезней деревьев) и мониторить лесовосстановление.
  • Дистанционное зондирование почвы активно используется в сельском хозяйстве.
  • Эхолоты незаменимы при прогнозировании погоды, поскольку вертикально исследуют слои атмосферы и предоставляют данные о влажности, осадках, температуре и отсутствии или наличии облачного покрова.

Пассивное Дистанционное Зондирование Земли

В отличие от активных, пассивные датчики ДЗЗ не имеют собственного источника энергии, чтобы направить ее на исследуемый объект или поверхность Земли. Пассивное ДЗЗ зависит от природной энергии – солнечных лучей, которые отражает объект. По этой причине такой метод дистанционного зондирования Земли возможен только при достаточном количестве солнечного света – иначе отражать будет нечего.

В пассивном дистанционном зондировании применяются мультиспектральные и гиперспектральные датчики, которые измеряют полученное количество сигнала с помощью сочетаний разнообразных диапазонов. Эти сочетания могут включать разное количество каналов (с двумя длинами волн и более). Диапазоны охватывают спектры в пределах и за пределами восприятия органами зрения человека (видимый, инфракрасный, ближний, тепловой инфракрасный диапазон).

Данная технология ДЗЗ используется во многих отраслях. В частности, гиперспектральное дистанционное зондирование в геологическом картировании позволило обнаружить и картировать месторождения полезных ископаемых, горные породы и минералы, гидротермальные проявления, определить геологическую ситуацию по минералам-индикаторам.

схема
Схема: Как работает пассивное дистанционное зондирование Земли

Приборы Пассивного Дистанционного Зондирования Земли

Самые популярные примеры приборов пассивного ДЗЗ – это различные радиометры или спектрометры.

Названия инструментов ДЗЗ дают представление о том, что они измеряют:

  • Спектрометр различает и анализирует спектральные диапазоны.
  • Радиометр определяет силу исходящего от объекта излучения в определенных диапазонах спектра (видимый, инфракрасный, микроволновый).
  • Спектрорадиометр измеряет силу излучения в нескольких диапазонах спектра).
  • Гиперспектральный радиометр относится к наиболее точным приборам пассивного метода дистанционного зондирования. Благодаря высокому разрешению, гиперспектральный радиометр способен различать сотни очень узких диапазонов спектра в пределах видимого, а также ближнего и среднего инфракрасного излучения.
  • Радиометр с функцией формирования изображений сканирует объект или поверхность Земли и передает их изображение.
  • Эхолот зондирует атмосферные явления Земли вертикально.
  • Акселерометр обнаруживает изменения скорости за единицу времени (например, линейный или ротационный).

Применение И Преимущества Пассивного Дистанционного Зондирования Земли

Landsat – один из самых значимых и ярких примеров всевозможной аппаратуры пассивного ДЗЗ, а его миссия наблюдения Земли является самой продолжительной. Спутник Landsat собирал и фиксировал данные о нашей планете более 40 лет, что позволило проанализировать, как изменилась Земля за этот период. Большой плюс этой миссии – открытый доступ к данным ДЗЗ, которые применяются в геологии, картографии, экологии, лесном и сельском хозяйстве, океанологии, метеорологии и других отраслях.

Дистанционное зондирование Земли в сельском хозяйстве основано на отражательных способностях растений. Измерение степени отражения позволяет оценить здоровье культур по вегетационным индексам. Получение результатов дистанционного мониторинга Земли возможно благодаря тому, что определенные значения вегетационных индексов соответствуют определенным культурам на определенной стадии развития. Платформа EOS Crop Monitoring помогает аграриям во всем мире в решении повседневных задач, а также информирует о состоянии полей, что позволяет сохранить вегетацию здоровой. Таким образом, фермеры смогут получить высокий урожай.

EOS Crop Monitoring

Платформа для мониторинга полей, которая использует спутниковые снимки с высоким разрешением – выявляйте изменения и принимайте меры дистанционно!

Микроволновое Дистанционное Зондирование Земли

Микроволновое ДЗЗ подразделяется на активные и пассивные виды. Принцип их классификации зависит от функционала приборов ДЗЗ: рассчитаны ли они на передачу и получение сигнала или только на его получение. Методы микроволнового дистанционного зондирования Земли отличаются от вышеописанных активного и пассивного методов длиной волн. В этом конкретном случае ДЗЗ длина волн варьируется от 1 см до 1 м.

Коротковолновые приборы дистанционного наблюдения Земли имеют существенное преимущество, по сравнению c коротковолновыми. Микроволны могут проникать практически через все атмосферные явления, за исключением сильных дождей. Благодаря отсутствию чувствительности микроволн к атмосферным аэрозолям, дистанционный мониторинг становится возможным почти в любую погоду.

Пассивное Дистанционное Зондирование Земли Микроволнами

Приборы пассивного микроволнового ДЗЗ рассчитаны на получение микроволнового излучения от изучаемого объекта на Земле. Пассивный датчик ДЗЗ (например, радиометр или сканнер) определяет естественную энергию и фиксирует ее – с той разницей, что антенна прибора настроена на получение именно микроволн, а не других, более коротких волн. Благодаря данному дистанционному методу зондирования Земли, специалисты могут получить данные о температуре и влажности исследуемого объекта, поскольку между этими параметрами и силой излучения существуют определенные соответствия.

Этот тип дистанционного датчика измеряет интенсивность излученного, переданного или отраженного сигнала. Данные, полученные таким методом, нашли применение в метеорологии, гидрологии, сельском хозяйстве, экологии, океанологии. В частности, ДЗЗ в сельском хозяйстве позволяет определить влажность почвы, уровень влажности и концентрацию озона в атмосфере. Дистанционное зондирование в экологическом мониторинге помогает обнаружить разливы нефти и устранить загрязнение водных ресурсов.

Активное Дистанционное Зондирование Земли Микроволнами

Микроволновые датчики активного метода ДЗЗ направляют собственный сигнал на исследуемый объект, а затем измеряют интенсивность возвращенного сигнала. Различные объекты имеют различные отражательные способности, поэтому дистанционное зондирование Земли спутниками позволяет определить их контуры. Зная время, за которое сигнал достиг цели и вернулся, ученые могут вычислить, на каком расстоянии от датчика находится объект. Интенсивность возвращенного сигнала также зависит от угла излучения и степени ровности поверхности.

Самым типичным примером таких устройств дистанционного зондирования служит радар (микроволновый).

Два основных вида спутникового ДЗЗ в этой категории:

  • со снимками (двухмерные, например, радары);
  • без снимков (линейные, например, альтиметры или скаттерометры).

Данная технология особенно востребована в аэрокосмической промышленности, метеорологии, при дистанционном зондировании водных объектов и других отраслях.

Данные ДЗЗ: Суть И Целевые Применения

Данные дистанционного зондирования Земли – это спутниковые снимки, обработанные и представленные в виде растровых изображений нашей планеты и файлов с геопространственными данными о каждом снимке. Обработанные снимки – это материалы ДЗЗ.

Обработка снимков ДЗЗ осуществляется в процессе геопространственного анализа и состоит из двух этапов:

  • Предварительная обработка подразумевает коррекцию изображения (геометрическую, радиометрическую, атмосферную), а также соотношение местонахождения объектов с их положением на географической карте Земли (географическая привязка).
  • Тематическая обработка – это классификация объектов на снимках по их характерным признакам (вегетация, населенные пункты и т.д.).

Использование данных ДЗЗ особенно востребовано при мониторинге малых по площади объектов, не указанных на карте по причине генерализации или когда наблюдение за территориями непосредственно на Земле невозможно (пожары, стихийные бедствия, отдаленные и труднодоступные места). Кроме того, такие материалы часто используются в качестве «подложки» в ГИС-картировании.

Полученные материалы применяются во многих сферах:

  • оценка ущерба от лесных пожаров и стихийных бедствий;
  • дистанционное зондирование природных ресурсов;
  • контроль незаконных вырубок лесов;
  • мониторинг обезлесения;
  • оценка состояния вегетации на полях;
  • дистанционное (аэрокосмическое) зондирование природной среды и экосистем;
  • обнаружение разливов нефти;
  • ликвидация последствий техногенных катастроф;
  • текущее местонахождение морских судов;
  • мониторинг ледников;
  • обнаружение нелегального строительства объектов;
  • организация аварийно-спасательных мероприятий во время бедствий и др.

Надежность Данных ДЗЗ И Широкий Спектр Их Применения

Спутники ДЗЗ облетают нашу планету с определенным интервалом и предоставляют данные о ней в около реальном времени. Полученная информация о Земле позволяет анализировать не только текущее положение дел в интересующей области, но и историческую ретроспективу.

Наработки технологии подпитывают научные изыскания и упрощают ежедневную работу специалистов во многих сферах – как теоретических, так и практических. Область применения дистанционного зондирования Земли спутниками необычайно широка, а преимущества многочисленны. Несмотря на это, узнать о возможностях и открытиях ДЗЗ еще предстоит многое.