Спутниковая фотосъёмка
Спутниковая фотосъёмка — фотографирование Земли или других планет с помощью спутников.
Содержание
История
Первая фотография Земли из космоса была получена 24 октября 1946. Запущенная в США с полигона White Sands автоматическая ракета V-2 вышла на суборбитальную траекторию с апогеем 105 км и сделала серию снимков Земли. Съемка производилась 35-мм кинокамерой на чёрно-белую киноплёнку.
Первая спутниковая фотография Земли была сделана 14 августа 1959 года американским спутником Explorer 6, а первые фотографии Луны — советским спутником Луна-3 6 октября того же года (во время выполнения фотографирования обратной стороны Луны). Знаменитое фото Blue Marble было снято в декабре 1972 года. В том же году США начало Landsat — крупнейшую программу по получению космических снимков поверхности Земли (последний спутник этой программы, LandSat-7, был запущен в 1999 году). В 1977 году в рамках разведывательной программы KH-11 был сделан первый снимок, полученный в реальном времени.
Все спутниковые изображения, сделанные и опубликованные НАСА, распространяются как общественное достояние и совершенно свободны. Другие страны также проводят программы по спутниковой фотосъёмке (в частности, европейские страны совместно работают над проектами ERS (European Remote-Sensing Satellite) и Envisat). Также существует ряд частных компаний, выполняющих коммерческие проекты спутниковой фотосъёмки.
В России для фотосъёмки использовались спутники серии Дон.
К началу XXI века результаты спутниковой фотосъёмки получили широкое распространение благодаря общедоступности и простоте работы с ними (например, многие сайты предоставляют бесплатный доступ к базам данных таких фотографий — Google Maps, NASA World Wind, TerraServer-US, Yahoo! Maps, Космоснимки, Yandex карты и др.).
Использование
Спутниковые изображения находят применение во многих отраслях деятельности — сельском хозяйстве, геологических и гидрологических исследованиях, лесоводстве, охране окружающей среды, планировке территорий, образовательных, разведывательных и военных целях. Такие изображения могут быть выполнены как в видимой части спектра, так и в ультрафиолетовой, инфракрасной и других частях диапазона. Также существуют различные карты рельефа, выполненные с помощью радарной съёмки.
Дешифрование и анализ спутниковых снимков в настоящее время все больше выполняется с помощью автоматизированных программных комплексов, таких как ERDAS Imagine или ENVI. В начале развития этой отрасли некоторые из видов улучшений изображений по заказу правительства США выполнялись фирмами-подрядчиками. Например, фирма ESL Incorporated разработала один из первых вариантов двухмерного преобразования Фурье для цифровой обработки изображений.
Технические характеристики
Разрешение спутниковых фотографий различно в зависимости от инструмента фотографирования и высоты орбиты спутника. Например, в ходе проекта Landsat была выполнена съёмка поверхности Земли с разрешением в 15 м, однако большинство из этих изображений до сих пор не обработаны.
Коммерческие спутники серии WorldView-1 фирмы DigitalGlobe имеют самую высокую на сегодняшний день разрешающую способность — 50 см, то есть позволяют опознавать объекты на поверхности Земли размером менее полуметра. [1]
Спутниковая фотосъёмка часто дополняется аэрофотосъёмкой, которая позволяет получить более высокое разрешение, но имеет большую удельную стоимость (выражаемую в затратах денежных единиц на м²). Также спутниковая фотосъёмка может быть скомбинирована с уже готовыми векторными или растровыми изображениями в ГИС-системах (при условии что на снимках устранены искажения перспективы и они соответствующим образом выровнены и смасштабированы).
Недостатки
Поскольку площадь поверхности Земли весьма велика, и разрешение аппаратуры спутниковой фотосъёмки также достаточно значительно, то базы данных спутниковых фотографий получаются крайне объёмными (десятки и сотни терабайт), а обработка изображений (в целях создания пригодных для использования изображений из «сырой» графической информации) — отнимает слишком много времени [источник не указан 358 дней] .
Кроме того, фотокамеры, установленные на спутниках, весьма чувствительны к погодным условиям, которые существенно влияют на качество снимков. Обычно крайне сложно получить изображения районов с высокой облачностью, например, вершин горных пиков.
Компании, запускающие коммерческие спутники, не переводят свои изображения в статус общественного достояния, а предлагают каждому лицензировать полученные от них изображения, поэтому возможность легального создания на их основе других продуктов сведена к минимуму.
Последняя проблема — это сохранение тайны личной жизни тех, кто не хотел бы быть «увиденным сверху», а также сохранение государственной тайны. Компания Google в FAQ сервиса Google Maps указывает: «Мы понимаем эти опасения, однако изображения, предоставляемые нашим сервисом, не отличаются от тех, что может увидеть каждый, кто пролетает и проезжает через ту же географическую точку». И хотя нет возможности окончательно знать про все намерения Google, вторая часть этого утверждения вполне поддаётся проверке.
Получение данных с орбиты в реальном времени
В 2005 году австралийская компания Astrovision обнародовала планы вывести на геостационарную орбиту первый коммерческий спутник, который бы мог в реальном времени передавать на Землю картинку в естественных цветах с разрешением до 250 м. Заявленная область покрытия — Азиатско-Тихоокеанский регион (от Индии до Гавайев и от Японии до Австралии). Получаемые данные предполагается передавать пользователям мобильных телефонов третьего поколения, новостному погодному каналу системы Pay TV, а также корпоративным и правительственным пользователям.
Источник
Виды космической съемки
Первая фотография из космоса была сделана 24 октября 1946 года с ракеты V-2 (США), но считается, что эпоха космической съёмки началась в 1972 году, когда был запущен первый аппарат программы Landsat. За практически 50-летнюю историю космическая съёмка преобразилась до неузнаваемости: пленку заменили цифровые носители, пространственное разрешение снимка улучшилось с 1000 м до 0,3 м, а количество возможных спектральных каналов съёмки увеличилось с 1 до 256.
На сегодняшний день космическая съёмка различается по нескольким признакам: направлению применения, количеству спектральных каналов, пространственному разрешению, типу съёмочной аппаратуры и т. д.
Рассмотрим особенности пространственного разрешения спутниковых снимков. В отличие от других источников пространственной информации космические снимки дешифрируются не в масштабе съёмки, а с достаточно большим увеличением. Поэтому понятие масштаба считается весьма условным, гораздо более важно для космической съёмки понятие пространственного разрешения.
Пространственное разрешение — размер самой малой детали местности, воспроизводимой на снимке, определяется размером пикселя. То есть, у снимка с пространственным разрешением 1 м пиксель имеет размер 1х1 м.
Типы пространственного разрешения спутниковых изображений:
- Очень низкое (хуже 100 м).
- Низкое (15–100 м).
- Среднее (5–15 м).
- Высокое (1–2,5 м).
- Сверхвысокое (0,3–1 м).
На данный момент не существует унифицированной классификации типов пространственного разрешения, поэтому возьмём предложенную нами за образец.
Рис. 1 Сравнение пространственного разрешения среднего, высокого и сверхвысокого.
Космическая съёмка с очень низким пространственным разрешением крайне важна для жизнедеятельности человека, и косвенно каждый из нас ежедневно пользуется этими данными. Съёмка очень низкого пространственного разрешения используется в метеорологии и мониторинге глобальных процессов на Земле. С их помощью специалисты оперативно получают всю информацию о состоянии атмосферы Земли и процессах, протекающих в ней, таких, как формирование ураганов, пылевых бурь и т. д. Спутники с очень низким пространственным разрешением являются основным источником информации о состоянии морей и океанов, например, о ледовой обстановке. Основными преимуществами снимков с очень низким пространственным разрешением являются оперативность получения данных (до 1 раза в час) и глобальность охвата. Например, КА Terra Modis имеет ширину полосы охвата в 2330 км (рисунок 2).
Примеры спутников с очень низким пространственным разрешением: Terra, Aqua (сканер Modis), ENVISAT/MERIS, SPOT/Vegetation, «Метеор»/МСУ-СМ, NOAA и др.
Рис. 2 Изображение со спутника Terra Modis на территорию Казахстана, пространственное разрешение 250 м
Космическая съёмка с низким пространственным разрешением крайне важна для решения ряда задач государственных структур, таких, как МЧС и Гидрометцентр. Их используют для глобального экологического мониторинга, контроля чрезвычайных ситуаций (наводнений и естественных пожаров), мониторинга снежного покрова и др. Данный вид спутников используется для анализа и прогноза погоды в региональном масштабе и мониторинге климата на уровне государств (рисунки 3, 4).
Примеры спутников с низким пространственным разрешением: «Метеор-М», GaoFen-4, Deimos-1, UK-DMC2 и др.
Рис. 3 Снимок со спутника Deimos-1, пространственное разрешение 22 м
Рис. 4 Снимок со спутника «Метеор-М», пространственное разрешение 50 м
Самой популярной является космическая съёмка со средним пространственным разрешением. И это легко объяснить, ведь именно к данному типу съёмки относятся бесплатные снимки с самым высоким пространственным разрешением до 10 м. Всё научное сообщество активно их использует для самых разнообразных задач, например, по ним студенты изучают космическую съёмку и методы её обработки. У таких спутников, как Landsat-8, важной особенностью является наличие большого количества спектральных каналов, что позволяет решать крайне разнообразные задачи:
- Мониторинг состояния сельскохозяйственных культур.
- Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, создание планов землепользования, точное земледелие.
- Поиск полезных ископаемых.
- Мониторинг мелких и средних водоёмов.
- Мониторинг чрезвычайных ситуаций.
- Инвентаризация и оценка состояния лесов.
- Широкий круг задач в области охраны окружающей среды и т. д.
По данным среднего пространственного разрешения также можно проводить работы по созданию и обновлению топографических карт масштаба от 1:100 000 и мельче. Именно данные среднего пространственного разрешение большинство популярных приложений используют в качестве единой подложки с космическими снимками на всю территорию Земли.
На этом преимущества снимков со средним пространственным разрешением не заканчиваются. За счёт достаточно большой площади снимка (200–300 км по ширине) покрытие обновляется с завидной регулярностью — каждые 2–3 дня на одну и ту же территорию (рисунок 5).
Примеры спутников со средним пространственным разрешением: Landsat-8, Sentinel-2, Terra Aster и др.
Рис. 5 Снимок со спутника Landsat-8, пространственное разрешение 15 м
Несмотря на множество преимуществ, снимки со средним пространственным разрешением не позволяют решать абсолютно все задачи. Для многих сфер жизнедеятельности человека необходимы снимки с гораздо более высоким пространственным разрешением.
Первые космические снимки высокого пространственного разрешения были получены в 1980-е годы. Такие съёмочные системы находились на военных спутниках, были созданы специально для нужд разведки и поставляли данные для составления карт вражеских территорий во время холодной войны. На советских спутниках «Комета» находилась камера КВР-1000, которая позволяла делать детальные снимки с пространственным разрешением 2 м.
Сейчас спектр применения данных высокого пространственного разрешения стал гораздо шире, а с появлением группировки PlanetScope покрытие обновляется практически ежедневно.
Краткий перечень задач, решаемых с помощью снимков с высоким пространственным разрешением:
- Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:25 000.
- Создание цифровых моделей рельефас точностью 5–10 м по высоте.
- Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.
- Мониторинг экологического состояния территорий в районах добычи, переработки, транспортировки нефти и газа, других полезных ископаемых.
- Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования муниципальных районов и субъектов федерации.
- Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация лесов, регулярный контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.
- Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, мониторинг состояния посевов, оценка засоренности, выявление вредителей и болезней сельскохозяйственных культур, прогнозирование урожайности.
- Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров и т. п.
Сейчас практически у каждой развитой страны есть собственные спутники высокого пространственного разрешения, которые активно используются в государственных целях.
Примеры спутников с высоким пространственным разрешением: GaoFen-1, ZiYuan-2, Spot-6,7, «Канопус-В» и др. (рисунок 6).
Рис. 6 Снимок со спутника GaoFen-2, пространственное разрешение 2 м
С 1999 года началась эпоха развития космической съёмки. 24 сентября 1999 года был запущен первый спутник со сверхвысоким пространственным разрешением — 1м — Ikonos. Практически следом за ним, 18 октября 2001 года, был запущен первый спутник, позволяющий делать изображения с разрешением 0,6 м — QuickBird.
Компания GeoEye (ныне Maxar Technologies) задала новый вектор развития космической съёмки, и с тех пор пространственное разрешение улучшилось до 0,3 м (WorldView-3). Помимо высокого пространственного разрешения в панхроматическом канале, были сделаны большие успехи и в мультиспектральном диапазоне: на спутнике WorldView-3 расположена камера с 28-ю спектральными каналами высокого разрешения.
Краткий перечень задач, решаемых с помощью данных сверхвысокого пространственного разрешения:
- Создание и обновление топографических карт и планов масштаба до 1: 2 000.
- Создание цифровых моделей рельефа высокой точности.
- Инженерные изыскания для строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.
- Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация и оценка состояния лесов.
- Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, мониторинг состояния посевов, оценка засоренности, выявление вредителей и болезней сельхозкультур, прогнозирование урожайности.
- Создание планов землепользования.
- Создание планов городов и схем территориального планирования муниципальных районов.
- Инвентаризация и мониторинг состояния транспортных, энергетических и информационных коммуникаций.
- Наблюдение за природными бедствиями.
- Контроль использования природных ресурсов.
С появлением съёмки со сверхвысоким пространственным разрешением стало возможно выявлять незаконные свалки, незаконную добычу полезных ископаемых, мелкие участки вырубок и другие правонарушения, а также решать территориальные споры.
На данный момент операторы спутников решают непростую задачу — оставить в использовании только космическую съёмку со сверхвысоким пространственным разрешением и добиться частоты её обновления, как у съёмки с высоким разрешением.
Примеры спутников со сверхвысоким пространственным разрешением: WorldView-2,3, Kompsat-3,3А, SuperView, Gaofen-2, TripleSat и др. (рисунок 7).
Рис. 7 Снимок со спутника WorldView-3, пространственное разрешение 0,3 м
Источник
➤ Adblockdetector