Инфракрасный снимок с космоса

Инфракрасный снимок с космоса

Космические системы дистанционного зондирования в тепловом инфракрасном диапазоне

Первые изображения Земли из космоса в тепловом инфракрасном диапазоне были получены с американского метеорологического спутника TIROS-1. Спутник запускался в интересах Национального аэрокосмического агентства (NASA) и Министерства обороны США. Несмотря на то, что данные, полученные сенсорами спутников TIROS-1 и 2, характеризовались низким пространственным разрешением, была впервые показана возможность использования данных теплового дистанционного зондирования для решения целого ряда метеорологических задач.
С 1962 года осуществляются запуски спутников серии «Космос», которые составили существенную часть советской программы космических исследований. Очень важную роль спутники «Космос» сыграли в совершенствовании службы погоды: на базе метеоспутников «Космос-144» и «Космос-156» в 1967 году была создана экспериментальная метеорологическая система «Метеор».

По прошествии времени космические технологии получения спутниковых данных в тепловом диапазоне совершенствовались как в отношении пространственного разрешения, так и температурного. Например, снимки, получаемые радиометрами со спутника NOAA в начале 70-х годов, характеризовались пространственным разрешением 6 км при температурном разрешении 1°С; затем сканирующая система AVHRR спутника NOAA позволила получать тепловые инфракрасные снимки с пространственным разрешением 1,1 км и температурным 0,1 — 0,2 °С. Совершенствование технологии получения тепловых изображений привело к разработке радиометров, позволяющих регистрировать тепловое излучение Земли не в одном канале, а в нескольких узких спектральных каналах в диапазоне от 8 до 14 мкм. Использование нескольких спектральных каналов теплового инфракрасного диапазона обеспечивает развитие различных направлений исследования Земли и планет, например, определение температуры поверхности суши и океана, распознавание геологических структур и типов горных пород на основе тепловой инфракрасной спектрометрии.

В Таблице 1 приведены сведения о космических системах дистанционного зондирования Земли в тепловом диапазоне, начиная с самых первых.

* после аварии на спутнике в мае 2003 г. снимки поступают в режиме выключенного корректора линий сканирования (Scan Line Corrector — Off).

Геостационарные и полярноорбитальные метеорологические спутники получают снимки с пространственным разрешением 1000 м в надире. Это разрешение является достаточным для для исследования теплового баланса Земли, формирования изображений глобального распределения температур на поверхности суши и океана. Интервалы получения изображений составляют от 15 — 30 мин. (Meteosat-9 и Meteosat-8 соответственно) до нескольких часов.

В географических исследованиях средних и крупных масштабов (изучение городских островов тепла, мониторинг состояния сельхозугодий и др.) необходимо привлечение данных более высокого пространственного разрешения. В настоящее время наилучшее пространственное разрешение тепловых инфракрасных снимков (60 м) даёт система ETM+. Семейство спутников Landsat уже многие годы является ценным источником данных дистанционного зондирования для географических исследований среднего масштаба. Система ETM+ получает изображения в видимом, ближнем, среднем и тепловом инфракрасном диапазонах, а также панхроматические снимки высокого разрешения что даёт возможность комбинировать данные дистанционного зондирования различных типов в географических исследованиях для получения наилучших результатов. Очевидно, что в некоторых случаях пространственного разрешения 60 м оказывается недостаточно, однако, по состоянию на 2013 год, использование для съемки из космоса тепловых датчиков с лучшими характеристиками пространственного разрешения в ближайшее время не планируется.

Современные спутниковые съёмочные системы получают тепловые снимки совместно с данными в других зонах спектра, что позволяет использовать их, объединяя достоинства разных типов данных.

TIROS-1 («Television Infrared Observation Satellite» — Телевизионный инфракрасный наблюдательный спутник) был первым метеорологическим спутником. Он был запущен на околоземную орбиту с наклонением 51,3° 1 апреля 1960 года. Спутник был оснащён двумя телевизионными камерами. TIROS-1 проработал на орбите 78 дней, продемонстрировав технические возможности наблюдения из космоса за облаками, покрывающими Землю, и метеорологическими особенностями. Спутники TIROS начали непрерывный обзор Земли в 1962 году. На Рис. 1 представлено первое телевизионное изображение, полученное TIROS с высоты 700 км над поверхностью планеты. Хотя и грубое по современным стандартам, изображение демонстрирует начало важного и актуального приложения космической технологии.

Рис. 1 Первое телевизионное изображение, полученное
TIROS с высоты 700 км над поверхностью Земли

Снимки в тепловом диапазоне, получаемые с КА TIROS, позволяли следить за метеорологической обстановкой не только в дневное, но и в ночное время. Их пространственное разрешение составляло 8 — 10 км, а радиометрическое — 8 бит.

Снимки с отечественных метеорологических спутников получают с 1967 года, когда начала действовать спутниковая система «Метеор» Гидрометеослужбы нашей страны, включающая 2 — 3 одновременно работающих спутника на круговых субполярных орбитах высотой 800 — 1200 км. Работали более 50 таких спутников; сменилось их третье поколение, спутники которого переведены на солнечно-синхронные орбиты. Со спутников первого поколения получали с помощью двух телевизионных камер снимки с охватом 1000 км и пространственным разрешением 3 — 8 км в масштабе 1:8 000 000. Затем сканерные снимки с полосой охвата 2500 км и разрешением по надирной линии снимка 1 — 2 км записывались в масштабе 1:12 000 000. С последних спутников выполнялась многозональная съёмка в видимом, ближнем инфракрасном и тепловом инфракрасном диапазонах. Кроме снимков облачности, со спутников Метеор получают информацию для исследования теплового баланса Земли и решения других задач.

По снимкам со спутников Метеор выполнялось дешифрирование облачного покрова, составление карт облачности и анализ её распределения, что необходимо для служб погоды. Эти снимки использовались также для изучения снежного покрова и его динамики в целях гидрологического прогнозирования, для анализа ледовой обстановки в морях. Снимки применялись для изучения тектонических структур земной поверхности. Таким образом, спутники Метеор обеспечивали решение довольно широкого круга задач.

В 2009 году запущен КА «Метеор-М» №1. Назначением этого спутника является глобальное наблюдение атмосферы и подстилающей поверхности Земли, позволяющее систематически получать гидрометеорологическую и гелиогеофизическую информацию в планетарном масштабе. На борту установлена съёмочная система МСУ-МР, позволяющая получать снимки в тепловом инфракрасном диапазоне.

Европейская геостационарная метеорологическая спутниковая система Meteosat успешно используется с 1977 г. (к 1997 г., было запущено 7 таких спутников, а к 2011 г. — 9). Она обеспечивает практически непрерывную передачу изображений Земли. В создании спутников этой серии принимал участие ряд западноевропейских стран (Бельгия, Великобритания, Дания, Италия, Франция, ФРГ, Швейцария и Швеция). Точка «стояния» Meteosat находится над гринвичским меридианом и обеспечивает получение снимков на Европу, Африку и Ближний Восток, на Атлантический и Индийский океаны.

Снимки в видимом и тепловом инфракрасном диапазонах получали вначале с разрешением 5 км, а с 1986 г. — 2,5 км. Со спутников Meteosat второго поколения предусмотрена съёмка в 12 каналах оптического диапазона. Разрешение у получаемых изображений варьирует в пределах от 1 до 3 км в зависимости от диапазона съёмки. Интервалы получения изображений составляли 30 минут у Meteosat-8 и 15 минут у Meteosat-9.

GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) — геостационарный спутник США, предназначенный для обеспечения службы погоды, действующий с 1975 г. Новое поколение этих спутников обеспечивает получение снимков в 12 — 18 каналах от 0,47 до 13,3 мкм с пространственным разрешением в видимом диапазоне 0,5 км, а в тепловом инфракрасном — 2 км при возможности обзора диска Земли за 5 — 15 минут.

Сенсор AVHRR является основным прибором, установленным на полярно-орбитальных спутниках Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA). Спутники NOAA функционируют с середины 70-х годов XX века на орбитах высотой 830-880 км. AVHRR измеряет отражательную способность Земли в 5 относительно широких спектральных диапазонах (0,6 мкм, 0,9 мкм, 3,5 мкм, 11 и 12 мкм). На спутниках NOAA, работающих в настоящее время, установлены два комплекса приборов: AVHRR и комплект аппаратуры для вертикального зондирования атмосферы. Прибор AVHRR получает изображения с пространственным разрешением 1,1 км в полосе обзора 2500 км, составляя полное изображение поверхности Земли за одни сутки. Основное назначение инструментов — мониторинг облачного покрова и измерение исходящего теплового излучения Земли. По данным, получаемым этим сенсором, определяются температуры поверхности океана и суши. Данные AVHRR, накопленные за более чем 20-летний период, имеют большое значение при изучении изменений климата и деградации окружающей среды.

Японский КА ADEOS-I (Advanced Earth Observation Satellite) был запущен 17 августа 1996 года. Космические аппараты серии ADEOS используются Национальным агентством космических разработок Японии NASDA для решения различных геофизических задач, связанных с изучением химического состава и динамики атмосферы, включая влагооборот и процессы глобального теплообмена, а также в интересах океанографических исследований. На борту КА установлен сканер цвета и температуры океана OCTS (Ocean Colour and Temperature Scanner), предназначенный для определения температуры поверхности океана, изучения динамики развития фитопланктона, анализа состояния окружающей природной среды, а также исследования процессов взаимодействия океана и атмосферы. Сканер позволяет вести съёмку в 5 диапазонах в видимом участке спектра, в 2 диапазонах в ближнем инфракрасном, 1 — в среднем инфракрасном и в 3 диапазонах в дальнем (тепловом) инфракрасном участках спектра. Снимки системы OCTS характеризуются пространственным разрешением 700 м и шириной полосы обзора 1400 км.
В 2002 году был запущен следующий космический аппарат этой серии — ADEOS-II, в задачи которого входили регулярный мониторинг кругооборота воды и энергии, количественная оценка биомассы, выявление тенденций климатических изменений. Спутник прекратил свою работу после аварии солнечных батарей в 2003 г.

Космический аппарат MTI (Multispectral Thermal Imager), созданный по заказу Управления по национальной безопасности и нераспространению оружия массового уничтожения Министерства энергетики США, был запущен 12 марта 2000 г. и проработал до ноября 2000 года, выполнив съемку отдельных районов США, после чего вышла из строя система управления. Попытки наладить управление предпринимались в 2001 и 2003 гг., но были неуспешны.

Съёмочная аппаратура MTI включала в себя телескоп, с помощью которого проводилась съёмка поверхности Земли в 15 спектральных диапазонах, три из которых расположены в видимой области спектра электромагнитных волн, а остальные — от ближней до дальней инфракрасной. В тепловом ИК диапазоне использовались диапазоны 8.0–8.4 мкм, 8.4–8.8 мкм и 10.2–10.7 мкм. Разрешение получаемых изображений в тепловом инфракрасном диапазоне составляло 20 м. По заявлению разработчиков, чувствительность аппаратуры MTI превзошла все запускавшиеся до неё на орбиту образцы и сравнима с той, которую до последнего времени можно было получить только в лабораторных условиях. Это позволило регистрировать отражённые от поверхности Земли и излучаемые различными средами и объектами тепловые потоки. Одновременно с проведением съёмки поверхности Земли выполнялись измерения содержания водяных паров, а также кристаллов водяного льда и аэрозолей в атмосфере для учёта вызываемых ими эффектов при последующей обработке изображений.
Что касается практического использования данных MTI, то с помощью такой аппаратуры предполагалось обнаруживать выбросы сточных вод в реки и озёра, утечки химических веществ, нефтяные плёнки на поверхности водоемов, «хвосты» горных выработок; осуществлять мониторинг состояния растительности и вулканической активности. Данные MTI использованы для проведения исследований в рамках программы GCRP (Global Change Research Program).

За время функционирования этой системы была произведена съемка различных участков на территории США, примущественно сцелью оценки теплопотерь на электростанциях. По состоянию на 2012 г. доступных снимков системы MTI нет.

Cканирующий спектрорадиометр MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), установленный на спутниках Terra и Aqua, ведёт съёмку в 36 каналах: из них 12 в видимом диапазоне, 8 — в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах, 16 — в тепловом инфракрасном диапазоне, в том числе: 6 — в окне прозрачности 3-5 мкм, 8 — в окне прозрачности 8-14 мкм и 2 — между этими окнами прозрачности (для изучения содержания водяного пара в атмосфере и облаков). 2 канала имеют пространственное разрешение 250 м, 5 каналов — 500 м, и 29 каналов(в том числе все тепловые инфракрасные) характеризуются пространственным разрешением 1000 м. Сканер позволяет производить регулярную съёмку одной территории. Ширина полосы съёмки составляет 2300 км.

Широкое распространение данных MODIS прежде всего обусловлено главными достоинствами системы: ежедневным всепланетным покрытием съёмкой, большим числом диапазонов, в которых производится регистрация изображений и наличием большого числа каналов со средним пространственным разрешением.

Данные MODIS используются для решения разнообразных задач по регулярному мониторингу природных явлений: изучение облачного покрова, концентрации взвешенных частиц (аэрозолей), распределения водяного пара в атмосфере, мониторинг опасных атмосферных явлений; оперативное картографирование и изучение температурного режима океана, распространения морских льдов; анализ распространения и динамики распространения фитопланктона в целях определения биопродуктивности океана; оперативное автоматизированное выявление очагов лесных пожаров; выявление мест сжигания попутного газа и мониторинг факелов; определение и мелкомасштабное картографирование биопродуктивности лесных массивов и сельскохозяйственных угодий; мониторинг процессов заболачивания и опустынивания, засоления, половодий, паводков; мониторинг природных и антропогенно-спровоцированных катастроф на региональном и глобальном уровнях (наводнения, цунами, извержения вулканов и т.п.) и т.д.

ATSR — (Along Track Scanning Radiometer) — сканирующий многоканальный радиометр, установленный на спутнике ERS-1 (European Remote Sensing satellite), запущенном Европейским космическим агентством ESA в 1991 г. Этот спутник имел на борту 5 инструментов для сбора информации о Земле. Помимо многоканального инфракрасного радиометра на спутнике ERS -1 находился радарный альтиметр, радар с синтезированной апертурой, скаттерометр для определения направления и скорости ветра и микроволновой радиометр. Этот набор инструментов положил начало осуществлению всепогодной, глобальной и систематической съёмки земной поверхности с целью уточнения прогнозов погоды на основе измерения направления ветра и температуры морской поверхности, картографирования ледовых покровов, выявления зон загрязнения морской поверхности, контроля состояния прибрежных зон и решения других, прежде всего океанографических и других задач.
Радиометр ATSR имел 4 спектральных диапазона (1,58-1,64, 3.6-3.9, 10.4-11.3 и 11.5-12.5 мкм) и был предназначен для получения данных о температуре поверхности океана с пространственным разрешением 1 км. Усовершенствованный вариант радиометра ATSR-2, установленный на спутнике ERS-2 (запуск в 1995 г.), был дополнен 3 каналами видимого и ближнего инфракрасного диапазона, комплект аппаратуры ERS-2 был дополнен инструментом для мониторинга атмосферного озона. Третий спутник Европейского космического агентства — Envisat — был оснащен уже 10 инструментами для сбора информации о Земле. Спутники ERS-1,2 и Envisat обеспечили 20-летний ряд наблюдений за различными оболочками Земли, а потому представляют большой интерес для оценки происходящих изменений окружающей среды.

Аппаратура МСУ-СК (многоканальное сканирующее устройство среднего разрешения с конической разверткой), установленная на борту космических аппаратов «Океан-О» и «Ресурс-О», предназначалась для получения видеоинформации о поверхности Земли. Её использование началось с середины 1980-х гг. Сканер МСУ-СК позволял получать изображения в 4 спектральных диапазонах видимой и ближней инфракрасной зон спектра в диапазоне 0,5-1,0 мкм, а также в средней (3,5-4,1 мкм) и тепловой инфракрасной зонах (10,4-12,6 мкм). Разрешение получаемых снимков составляло 160-600 м, а полоса обзора — 600 км. Это была первая и пока единственная отечественная съёмочная система, позволяющая получать изображения в тепловом инфракрасном диапазоне.

Американская программа Landsat начала своё существование в 1972 году, с этого времени было запущено шесть спутников. Эта программа является самой продолжительной и наиболее успешной гражданской программой космической съёмки Земли. Собранный архив снимков позволяет анализировать изменения, произошедшие на Земле на протяжении уже более 40 лет.

Спутники Landsat 3-5 были оснащены двумя типами сканеров, обеспечивающими съёмку земной поверхности с различным пространственным и спектральным разрешением — MSS (Multispectral Scanner) и TM (Thematic Mapper). Данные MSS (пространственное разрешение 80 м в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах); данные TM (пространственное разрешение 30 м в видимой, ближней и средней инфракрасных зонах, 120 м в тепловом диапазоне) — с 1982 года. MSS и TM — оптико-механические сканеры, обеспечивающие съёмку в полосе шириной 185 км.

Cпутник Landsat-7 находится на орбите с 15 апреля 1999 года. Установленный на спутнике радиометр ETM+ является усовершенствованным вариантом сканеров TM (enhanced). Основным отличием данного прибора является наличие панхроматического канала высокого разрешения (15 м) и увеличение пространственного разрешения в тепловом канале до 60 м. С конца мая 2003 г., в связи с выходом из строя одного из элементов съёмочной системы, радиометр ETM+ работает некорректно, сбои в работе аппаратуры привели к снижению качества данных. В связи с возникшими проблемами была возобновлена оперативная эксплуатация спутника Landsat-5, который находится на орбите с 1984 года. 18 ноября 2011 года съёмка со спутника Landsat-5 приостановлена в связи с техническими проблемами.

Запуск нового спутника Landsat-8 (проект LDCM — Landsat Data Continuity Mission) состоялся в феврале 2013 г. Сканер теплового ИК диапазона TIRS (Thermal InfraRed Sensor) ведет съемку в двух каналах: 10,6 — 11,2 и 11,5 — 12,5 мкм с пространственным разрешением 100 м

ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer — Усовершенствованный космический радиометр теплового излучения и отражения) установлен на КА Terra, который был запущен в декабре 1999 года. ASTER – это многоканальный сенсор высокого разрешения, позволяющий проводить дистанционное зондирование как в видимом, так и в тепловом инфракрасном диапазоне. Программа ASTER введена для более детального и глубокого изучения явлений на земной поверхности и в атмосфере Земли в рамках американской программы EOS. Программа выполняется совместно США и Японией – Япония разработала радиометр ASTER и наземные станции по приему сигналов, а NASA ответственна за управление, запуски и развитие системы. И США и Япония в равной мере осуществляют получение и распространение данных, получаемых этим инструментом.

Радиометр получает данные в 14 спектральных диапазонах: 3 — в видимой и ближней инфракрасной зонах спектра, 6 — в средней инфракрасной и 5 — в тепловой, с пространственным разрешением соответственно 15, 30 и 90 метров и размером кадра 60 х 60 км на местности. Данные среднего инфракрасного диапазона прекратили поступать в начале 2008 г. в связи с перегревом датчиков этого диапазона.

Зоны видимого и ближнего инфракрасного диапазонов предназначены для решения широкого спектра задач мониторинга и картографирования поверхности Земли. Зоны среднего инфракрасного диапазона наиболее полезны для распознавания минералов. Зоны теплового диапазона предназначены для регистрации теплового излучения земной поверхности и дешифрирования основных типов горных пород, определения температуры поверхности суши, выявления очагов тепла, мониторинга вулканической активности и др.

Источник