Дистанционное зондирование Земли в системе оценки качества окружающей среды

Доступ к данным дистанционного зондирования регулируется политикой «открытого неба» {Open Sky Policy), в соответствии с которой каждому потребителю гарантируется свободный доступ ко всем имеющимся данным на недискриминационной основе. Основным международным консультативным органом, созданным в 1984 г. для обмена информацией, координации и обсуждения политики в области ДДЗ, служит Комитет по спутникам дистан­ционного зондирования Земли CEOS (Committee on Earth Observation Satellites). Под покровительством CEOS были учреждены различ­ные технические рабочие группы, в том числе по данным ДДЗ (WGD — Working Group on Data) и сетям передачи ДДЗ (WGN — Working Group on Networks).

Системы получения и распространения данных оперативного мони­торинга держатся на «четырех китах»:

1) носителях съемочной аппаратуры;

2 собственно аппаратуре дистанционного зондирования;

3) бортовых средствах передачи данных на Землю по радиоканалу;

4) наземных комплексах приема этой информации, ее обработки
и предоставления потребителям.

Для получения ДДЗ могут использоваться разные космические аппараты — ракеты, пилотируемые космические корабли и орби­тальные станции, автоматические искусственные спутники Земли и другие космические аппараты. Обычно используются два основ­ных типа спутников — геостационарные и полярно-орбитальные. Если первые постоянно обеспечивают обзор одной и той же части планеты, сохраняя неизменное положение относительно опреде­ленной точки на экваторе, то вторые, находясь на орбите, плос­кость которой примерно перпендикулярна плоскости вращения Земли, через определенный период времени, продолжительность которого зависит от ширины полосы обзора искусственного спут­ника Земли (ИСЗ), оказываются над заданным районом наблю­дения. Соответственно, зона обзора со спутника на геостационар­ной орбите ограничивается широтным районом 50° с.ш. — 50° ю.ш.; полярно-орбитальная же система наблюдения сталкивается с иной трудностью: спутник может оказаться над одним и тем же райо­ном съемки в различные периоды «местного», или солнечного, времени. При этом сопоставление данных, полученных при раз­личных условиях солнечного освещения, оказывается весьма затруднительным, поэтому такие спутники выводят, как прави­ло, на так называемые солнечно-синхронные орбиты.

В зависимости от орбиты движения космического аппарата (КА) на качество космических снимков влияют несколько параметров:

- форма орбиты (в зависимости от скорости движения космического аппарата она может быть круговой, эллиптической, параболической или гиперболической);

- наклонение (в зависимости от угла между плоскостью орби­ты и плоскостью экватора орбиты могут быть экваториальные,
полярные и наклонные);

- высота (орбиты разной высоты обеспечивают решение раз­
личных съемочных задач);

- период обращения вокруг Земли.

На качество космических снимков сильное влияние оказывает также атмосфера. Ее влияние вызывает осложнения разного ха­рактера:

экранирующее влияние облачности (в каждый момент времени она закрывает более 50 % поверхности земного шара; некоторые районы остаются закрытыми облачностью большую часть времени года);

поглощение солнечных лучей определенных длин волн атмосферой (съемку выполняют, используя только те участки спектра, где электромагнитное излучение не поглощается, т.е. в окнах про­зрачности атмосферы (см. рис. 4.6). Большое окно прозрачности (0,4—1,3 мкм) приходится на видимый и ближний инфракрас­ный диапазон; в тепловом инфракрасном диапазоне 3 более узких окна, и здесь возможно использование ограниченного набора длин волн. Наибольшая прозрачность атмосферы наблюдается в радиодиапазоне:

рассеивание лучей;

влияние атмосферной дымки и др. [42].

Рассмотрим некоторые современные спутники, дающие ин­формационную базу для мониторинга состояния окружающей среды.

18 декабря 1999 г. был выведен на орбиту спутник EOS AM-1 который носит название Terra. Это первый спутник программы EOS (Earth Observing System — «Глобальный мониторинг поверх­ности Земли») в рамках программы «Инициатива изучения пла­неты Земля» (Earth Science Enterprise), проводимой НАСА (NASA — государственная организация США, занимающаяся исследованием космоса).

Работы по программе дистанционного зондирования Земли из космоса EOS были одобрены американским Конгрессом в конце 1980-х гг. в связи с усилившейся озабоченностью социальными и экономическими последствиями глобальных изменений, про­исходящих в окружающей природной среде в результате воздей­ствия естественных и антропогенных процессов.

На КА установлена аппаратура, которая в течение 6 лет будет обеспечивать сбор информации об облачном покрове, аэрозолях, радиационном балансе Земли, свойствах подстилающей поверх­ности и ее энергетическом взаимодействии с атмосферой. При этом в ходе программы будут фиксироваться происходящие гло­бальные изменения, выявляться ключевые процессы, регулирую­щие состояние окружающей природной среды, а также совершен­ствоваться модели, позволяющие изучать и прогнозировать эти изменения. Ожидается, что полученные результаты исследований будут научной основой для принятия государственных решений по вопросам, затрагивающим состояние окружающей среды в гло­бальном масштабе [14].

На спутнике Terra установлены 2 прибора, представляющие осо­бый интерес для мониторинга окружающей среды.

Радиометр ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) — совместная разработка НАСА и японского Министерства торговли и промышленности. Радиометр состоит из 3 отдельных телескопических систем и позволяет проводить съемку земной поверхности в 14 спектральных диапазонах — от видимого до дальнего инфракрасного — с разрешением от 15 до 90 м (см. табл. 4.3).

Спецификация радиометра ASTER Наименование Спектральные Пространственное Спектральные сканера каналы разрешение, м диапазоны, мкм VNIR 1-3 15 0,52-0,86 SWIR 4-9 30 1,60-2,43 TIR 10-14 90 8,125-11,65

С помощью ASTER предполагается также получение высокоин­формативных стереоскопических (за счет изменения направления съемки) изображений земной поверхности [18].

На спутнике Terra установлен также спектрорадиометр MODIS (the Moderate Resolution Imaging Spectrometer), обеспечивающий съем­ку Земли в 36 спектральных каналах с пространственным разре­шением 250 м (2 канала), 500 м (5 каналов) и 1000 м (29 каналов). Характеристики спектрорадиометра приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4 Характеристики спектрорадиометра MODIS

Спектральные Спектральные Пространственное Ширина полосы каналы диапазоны, мкм разрешение, м обзора, км 1-2 0,62-0,88 250 3-7 0,46-2,16 500 8-19 0,41-0,97 1000 20-25 3,66-4,55 1000 26 1,36-1,39 1000 27-36 6,54-14,39 1000

Информация MODIS передается на распределенные наземные станции непрерывно и бесплатно — для оперативного получения данных требуется лишь приемная станция. Примеры изображений представлены на рис. 4.7 и 4.8.

В России доступ к этим данным в Интернет в режиме онлайн предоставляет ИТЦ «СканЭкс». Онлайновый доступ к данным MODIS реализует следующие возможности:

- планирование сеансов приема на ближайшие дни;

- индикацию статуса процессов обработки данных (временное
разрешение ~ 1 мин);

- готовность данных ~ 30 мин после приема;

просмотр уменьшенных копий изображений (quick-look) с на­ложением географической карты;

Рис. 4.7. Каспийское море.

Мозаика снимков, выполненных спектрорадио-метром MODIS со спутника Terra выбор фрагментов данных для получения в режиме онлайн; возможность предоставления данных в масштабе 1:1.

Практическое использование американской системы изучения природных ресурсов Земли Landsat начато в 1972 г. с запуска космического аппарата Landsat-1.

15 апреля 1999 г. был успешно выведен на орбиту очередной спутник этой серии Landsat-7 — совместный проект Геологиче­ской службы США (USGS), NASA и NOAA.

Информация, поступающая со спутников системы Landsat, широко используется при решении множества проблем эконо­мического, научного, политического и военного характера. В частно­сти, данные дистанционного зондирования широко применяют­ся в следующих областях: географии, океанографии, гидрологии, геологии, изучении природных ресурсов отдельных регионов, стран и Земли в целом, картировании земной поверхности, контроле окружающей среды [14].

Рис. 4.8. Примеры данных MODIS в зимне-весенний период навигации 2001 г. для мониторинга ледовой обстановки Финского залива (а) и Пе­чорского моря (б)

Рис. 4.9. Пригород Москвы (квадратом отмечен аэропорт Шереметьево). Снимок сделан со спутника Landsat- 7 радиометром ЕТМ+ 6 октября 1999 г. Разрешение 30 м.

Основные задачи КА Landsat- 7:

- обеспечение непрерывности потока информации ДЗЗ путем
получения данных, совместимых с ранее полученными в рамках
всей программы Landsat в части геометрии наблюдения, пространственного разрешения, калибровки, географического охвата и
спектральных характеристик;

- наращивание объема и периодическое обновление содержания глобального архива свободных от облачности изображений
освещенной земной поверхности;

- продолжение предоставления данных стандартного формата
американским и иностранным пользователям и расширение
использования таких данных для глобальных измерений и коммерческих целей.

Основной аппаратурой ДЗЗ КА Landsat- 7 является усовершен­ствованный (по сравнению с его аналогами на ранее запущенных КА серии Landsat) многоспектральный оптико-механический ска­нирующий радиометр ЕТМ+ (Enhanced Thematic Mapper Plus). Ра­диометр ETM+ рассчитан на получение изображений поверхно­сти Земли в восьми участках видимого и инфракрасного диапазо­нов спектра (от 0,45 до 12,5 мкм, в том числе в панхроматическом диапазоне — от 0,52 до 0,9 мкм). При номинальной высоте полета 705 км радиометром ЕТМ+ обеспечивается обзор полосы земной поверхности шириной 183 км. Размер элементаразрешения со­ставляет 15 м в панхроматическом режиме (т.е. в 2 раза повышена детальность получаемых изображений по сравнению с возможно­стями предыдущих КА серии Landsat), 30 м — в видимом и ближ­нем инфракрасном, 60 м — в тепловом инфракрасном диапазонах спектра [18]. Характеристики сканера ЕТМ+ спутника Landsat-7 приведены в табл. 4.5. Пример изображения снимка со спутника Landsat приведен на рис. 4.9.

Таблица 4.5 Спецификация сканера ЕТМ+ спутника Landsat- 7

Спектральные Спектральные Пространственное Ширина полосы каналы диапазоны, мкм разрешение, м обзора, км 1 0,45 — 0,515 30 2 0,525-0,605 30 3 0,63-0,69 30 4 0,75-0,9 30 5 1,55-1,75 30 6 10,4-12,5 60 7 2,09-2,35 30 PAN 0,52-0,9 15

Важно отметить то, что изображения Landsat-7 не имеют ограни­чений на копирование и распространение. Однако данные Landsat-7 доступны только при пользовании архивами этих данных.

Канадский космический аппарат RADARSAT-1 {Radar Satellite) выполняет съемку поверхности Земли с помощью радиолокатора бокового обзора с синтезированной апертурой (РСА). Основные задачи, решаемые с помощью КА: глобальные всепогодные, не зависящие от времени суток, наблюдения за состоянием ледового покрытия и растительности; оценка урожайности сельскохозяй­ственных угодий, степени разрушений в районах стихийных бед­ствий; геологоразведка; лесное хозяйство; исследования береговой зоны и океанология, мониторинг разливов нефтепродуктов; мониторинг районов наводнений. В последнее время все большее применение находит использование данных RADARSAT для конт­роля нелегального рыболовства. Прозрачность радиолокационной съемки для облачного покрова и ночного времени суток особенно актуальна для северных и приполярных территорий.

РСА может работать в одном из семи основных режимов. Ха­рактеристики получаемых в этих режимах данных (т.е. изображе­ний поверхности) приведены в табл. 4.6. Примеры снимков при­ведены на рис. 4.10. Сравнение данных, полученных со спутников Terra, Landsatw RADARSAT на одну территорию, см. на рис. 4.11.

Таблица 4.6 Характеристики режимов работы RADARSAT-1

Индийская система дистанционного зондирования IRS (Indian Remote Sensing Satellite System) — первая национальная система, специально предназначенная для изучения природных ресурсов Земли, и составная часть национальной системы управления при­родными ресурсами Индии NNRMS (National Natural Resources Management System) [14]. Космическая система дистанционного зондирования Земли /ftS представлена спутниками IRS-1B (функционирует с 1991 г.), IRS-1C (с 1995 г.), IRS-P3 (с 1996 г.), IRS-1D (с 1997 г.) и IRS-P4 (Oceansat) (с 1999 г.) [18].

р Ширина полосы Пределы смещения Разрешение, обзора, км полосы обзора, км м Стандартный ЮО 500 28x25 {Standard) Широкополосный 150 500 28x23—35 {Wide) Детальный (Fine) 50 500 9x8-9 Обзорный широкий 500 500 ЮОхЮО (ScanSAR- W) Обзорный узкий 300 500 50x50 (ScanSAR-N) Расширенный 75 425 28x25 дальний (Extended) (High) Расширенный 75 250 28x25 ближний (Extended) (Low)

Рис. 4.10. Данные радиолокационной съемки RADARSAT-1 для монито­ринга природных явлений и чрезвычайных ситуаций: разливов нефти и распространения пятен (а); паводков и наводнений (б); ледовой обста­новки (в)

Рис. 4.11. Фрагменты изображения Москвы на спутниковых снимках: а - Landsat-7(ETM+), б- Terra {ASTER) и в - RADARSAT-1 (детальный {Fine) режим съемки) с различным пространственным разрешением.

Данные спутников IRS-1C и IRS-1D с разрешением 5,8 (пан­хроматические изображения, сделанные во всем видимом диапа­зоне спектра), 23 и 188 м (многоспектральные изображения) мо­гут быть успешно использованы для геологического изучения тер­риторий, природоохранного мониторинга и решения многих дру­гих задач.

Спецификация съемочной аппаратуры спутников IRS-1C и IRS-1D приведена в табл. 4.7. Примеры снимков даны на рис. 4.12, обработка снимков — на рис. 4.13.

Таблица 4.7 Технические характеристики съемочной аппаратуры КА IRS-1C и IRS-1D

Сканер Пространственное Спектральные Ширина полосы разрешение, м диапазоны, мкм обзора, км PAN 5-8 0,5-0,75 70 LISS-3 23 0,52-0,59 142 23 0,62-0,68 23 0,77-0,86 WIFS 188 0,62-0,68 810 188 0,77-0,86

Среди других широко известных программ и систем дистанци­онного зондирования Земли необходимо упомянуть следующие.

Французская космическая система изучения природных ресур­сов Земли SPOT {Systeme Probatoire d'Observation de la Terre) ак­тивно функционирует с февраля 1986 г. Система преимуществен­но используется для получения информации дистанционного зон­дирования, необходимой для решения задач картографирования, землепользования, сельского и лесного хозяйства, планирования градостроительства, для составления цифровых карт местности и контроля за изменениями состояния окружающей среды [14].

Геометрическое разрешение данных SPOT при панхроматиче­ской съемке — 10 м, при многозональной — 20 м. Кроме высокого геометрического разрешения этих цифровых съемок есть возмож­ность получения стереопар для получения информации о рельефе. Точность определения рельефа местности по снимкам с КА SPOT в основном соответствует, требованиям к топографической карте масштаба 1:50 000 [18].

Американская метеорологическая система на базе полярно-ор­битальных космических аппаратов серии NOAA используется На­циональным управлением по исследованию океана и атмосферы {NOAA) при решении задач, связанных с прогнозированием по­годы, а также для получения информации дистанционного зондирования в интересах сельского и лесного хозяйства, климато­логии и океанографии, мониторинга состояния окружающей сре­ды, при изучении околоземного космического пространства, озо­нового слоя и содержания аэрозолей в атмосфере, при исследова­ниях снежного и ледового покровов Земли, для выявления пожа­ров, измерения вегетационного индекса. Кроме того, на спутни­ках этой серии устанавливается аппаратура сбора данных с назем­ных метеорологических платформ, а также оборудование приема сигналов бедствия в рамках системы Коспас/SARSAT [14].

Данные AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) с ме­теорологических спутников серии NOAA широко используются бла­годаря тому, что они бесплатны. Несмотря на невысокое простран­ственное разрешение (1,1 км), эти данные обладают очень высо­ким радиометрическим разрешением и возможностью абсолют­ной калибровки информации. Еще одним важным достоинством этих данных можно назвать высокую периодичность съемок (15 — 20 раз в сутки) [85].

Первые метеорологические космические аппараты по программе NOAA, известные также под наименованием TIROS (Television and Infrared Observation Satellite), запускались в интересах НАСА и Министерства обороны США [14].

Система европейских КА ERS {European Remote Sensing Satellite) Европейского космического агентства ESA работает с 1981 г. Пер­вый космический аппарат ERS-1 был запущен в 1991 г., и с тех пор осуществляется всепогодная, глобальная и систематическая съемка земной поверхности с целью уточнения прогнозов погоды на основе измерения направления ветра и температуры морской поверхности, картирования ледяных покровов, выявления зон за­грязнения морской поверхности, контроля состояния прибрежных зон и решения других, прежде всего океанографических, задач. Кроме того, ИСЗ ERS могут быть использованы для получения информации ДЗЗ в интересах сельского и лесного хозяйства, про­ведения геологических изысканий, а также в ряде других прило­жений [14].

Российские космические аппараты серии «Ресурс-О» оснаща­ются аппаратурой высокого и среднего разрешения, обеспечиваю­щей съемку поверхности Земли в нескольких спектральных диа­пазонах. Разработка и создание космических аппаратов серии «Ресурс-О» осуществляются во ВНИИ электромеханики (Москва).

Отдельные приборы дистанционного зондирования, методики обработки и интерпретации поступающей информации, а также особенности практического применения спутников первого по­коления «Ресурс-О 1» отрабатывались на космических аппаратах серии «Метеор-Природа». Основным отличием спутников типа «Ре­сурс-О 1» от своих предшественников можно назвать возможность передачи с борта ИСЗ цифровых изображений, благодаря чему стали доступны не только многозональные фотографии земной поверхности, но и оцифрованные снимки на магнитных лентах.

Рис. 4.12. Снимки территории Греции, сделанные со спутника IRS-1C-

а — Коринфский залив, Дельфы, г. Итея, LISS-3 (разрешение 23 м);

б — там же, PAN (разрешение 6 м)

Бортовой информационный комплекс космического аппарата серии «Ресурс-О 1» предназначен для получения, формирования, уплотнения и передачи на наземные пункты приема информации дистанционного зондирования, полученной в видимом и инфра­красном диапазонах спектра [14]. Для этого используются сенсоры МСУ-Э (разрешение 35—45 м) и МСУ-СК (разрешение ~ 150 м).

Первый оперативный ИСЗ «Ресурс-01» № 2 («Космос-1939») был запущен 20 апреля 1988 г. с полигона Тюратам.

К сожалению, после 1998 г. возникли проблемы с программой «Ресурс-01»: вышли из строя передатчики диапазона 8 ГГц на КА «Ресурс-01» № 3; вскоре после запуска вышел из строя спутник «Ресурс-01» № 4.

Однако архив изображений, полученных со спутников этой серии, очень велик, и они широко используются для решения многих природоохранных задач.

Российский спутник «Комета» специально разработан для ин­формационного обеспечения создания топографической продукции. Основное предназначение КА «Комета» состоит в информацион­ном обеспечении именно создания топографических карт местно­сти (масштаба 1:50 000 с точностью 10 м по высоте и 15 м в пла­не), требуемый уровень которого достигается благодаря синхронно работающему комплексу следующей аппаратуры: обзорного фо­тоаппарата ТК-350, фотоаппарата КВР-1000, лазерного высото­мера, системы звездных датчиков, аппаратуры позиционирова­ния [18].

Как правило, спутники «Комета» запускаются на короткие сро­ки — около одного месяца. Последний успешный полет «Кометы» прошел в сентябре —ноябре 2000 г.

Фотографические данные получают также со спутников серии «Ресурс-Ф», оснащенных фотографическими камерами КФА-1000, КФА-3000, МК-4 и КАТЭ-200. Фотографические данные, требую­щие сканирования для перевода в цифровую форму, доступны из архива в основном до 1994 г. Отдельные территории России были сняты в ноябре—декабре 1997 г.

В 1981 г. принят в штатную эксплуатацию космический комп­лекс «Ресурс-Ф1», в 1988 г. — «Ресурс-Ф2». С начала 90-х гг. в штат­ной эксплуатации находится КА «Ресурс-ФЗ», выполняющий съем­ки камерой КФА-3000 с пространственным разрешением поряд­ка 2 — 3 м. Комплекс работ по модернизации КА «Ресурс-Ф 1» завершился запусками в декабре 1997 г. и в октябре 1999 г. КА «Ресурс-Ф 1М» № 1 и 2.

Фотоаппаратура КА этой серии работает в оптическом диапа­зоне и обеспечивает получение разномасштабной информации на негативных фотопленках с пространственным разрешением от 2 до 30 м с рабочих высот околокруговых орбит от 220 до 275 км. Используемые типы фотосистем и фотопленок позволили прово­дить многозональную и интегральную фотосъемку на черно-белые, спектрозональные и цветные пленки и получать изображения^ выдерживающие (в зависимости от типа пленки, условий съемки и т.д.) увеличение в 15 раз и более [18].

Сейчас функционируют также метеорологические системы с низким геометрическим разрешением (1 км и менее) — Meteosat, GOES, GMS. Данные с этих спутников можно бесплатно получать из сети Интернет [59].

Отдельно следует упомянуть малые космические аппараты. Под малыми космическими аппаратами дистанционного зондирова­ния Земли принято понимать спутники массой до 500 кг стои­мостью не более 50 млн дол. и с ограниченным составом целевой аппаратуры (чаще всего, это 1 — 2 оптико-электронные камеры высокого или среднего разрешения). Развитию проектов, связан­ных с разработкой малых спутников ДЗЗ, способствовали как новые достижения в области совершенствования датчиков дис­танционного зондирования, аппаратуры ориентации ИСЗ, источ­ников энегрообеспечения и других бортовых подсистем, так и из­вестные сложности в продвижении широкомасштабных программ. Малые спутники дистанционного зондирования разрабатываются, как правило, частными фирмами с максимальным использовани­ем существующего отечественного и зарубежного опыта создания космических аппаратов ДЗЗ, а также военных спутников анало­гичного назначения. При этом делается расчет на рентабельность каждой отдельной системы на базе малых ИСЗ.

Работы по созданию собственных малых ИСЗ дистанционного зондирования ведутся в России, Аргентине, Бразилии, Велико­британии, Германии, Израиле, Испании, Италии (совместно с Испанией и Грецией), Республике Корее, США, Тайване и Южно­африканской Республике [14].

Возможности использования данных дистанционного зондиро­вания Земли могут быть различны. Общие проблемы доступа к дан­ным дистанционного зондирования в России связаны со сверх­централизацией и, соответственно, сверхмонополизацией досту­па к информации подобного рода. Дело в том, что весьма ограни­ченное число наземных приемных комплексов уже не позволяет сегодня обслуживать быстро растущий рынок широкого потреб­ления информации ДЗЗ.

Необходимо также учитывать особенности тематических задач, стоящих перед отечественными потребителями: колоссальные раз­меры подлежащих контролю территорий; высокую динамику из­менения природно-ландшафтных комплексов, связанную с ак­тивной и зачастую стихийной хозяйственной деятельностью по­следних лет, и т. п.

Пропускная способность существующих общедоступных средств передачи данных (Интернета) не позволяет получать необходи­мые объемы информации дистанционного зондирования (типич­ный объем снимка высокого разрешения составляет несколько сотен мегабайтов). Это приводит к необходимости пересылки за­регистрированной информации ДЗЗ с использованием магнитных, магнитооптических и других подобных носителей, что существен­но снижает оперативность доставки данных потребителям и услож­няет процедуру их использования.

Альтернативой отправке выбранных снимков на магнитных носителях по почте из ограниченного числа крупных центров приема и архивации данных может стать внедрение собственных систем оперативного доступа, обеспечивающих непосредственный прием информации ДЗЗ в пунктах тематической обработки и анализа спутниковых данных (рис. 4.14).

Решением вопроса может стать создание сети малогабаритных недорогих станций приема и обработки природно-ресурсной ин­формации. Такого рода системы нашли повсеместное распростра­нение в последнее десятилетие для приема и обработки метеоро­логической информации по вполне естественной причине: невы­сокий темп передачи этих данных сделал возможным реализацию недорогих, доступных массовому потребителю систем (антенн, демодуляторов, интерфейсов) для регистрации сигналов в реаль­ном времени в процессе пролета спутника в зоне приема станции. Отметим, что комплексов для приема цифровой метеорологиче­ской информации насчитывается сегодня более 1000; для приема общедоступного стандарта передачи данных в аналоговом виде (режимы APT и WEFAX) — десятки тысяч.

Станции приема данных дистанционного зондирования Земли. Пер­сональными принято называть станции приема и первичной об­работки спутниковых данных, представляющие собой комплексы, которые не требуют специального обслуживания и сопровожде­ния в текущей работе, ориентируются на использование персо­нальных компьютеров и могут эффективно эксплуатироваться одним оператором или исследователем. Из этого достаточно об­щего определения вытекает ряд конкретных требований к персо­нальным приемным станциям:

- все вспомогательные, служебные функции должны быть пол­
ностью автоматизированы — от расчетов расписания работы стан­
ции до распаковки и калибровки принятых данных;

- стоимость комплекса приема и обработки спутниковых дан­
ных должна быть сопоставима со стоимостью персональных ком­
пьютеров, необходимых для регистрации и обработки интересую­
щих информационных потоков;

- система наряду с современным дизайном должна обладать
достаточным ресурсом и надежностью в работе: простотой адап­
тации к появлению новых источников данных (новых средств
дистанционного зондирования, средств передачи данных с ИСЗ
и т.п.), «дружественным» пользовательским интерфейсом, прежде
всего в смысле программного обеспечения (ПО), простотой экс­
порта данных в стандартные форматы, универсальностью паке­
тов обработки изображений, а также возможностью наращива­
ния ПО.

В идеальном случае пользователь должен иметь возможность, исходя из стоящих перед ним задач, выбрать оптимальную кон­фигурацию приемной системы как для регистрации передаваемых со спутников данных, так и в смысле использования для дальней­шей обработки тех или иных прикладных алгоритмов [14].

Малые станции приема спутниковой информации производятся как у нас в стране, так и за рубежом. Из зарубежных станций необходимо упомянуть следующие:

Eagle Vision {Deployable Multisatellite Acquisition System — DMAS) — совместная разработка французской компании Matra Systemes & Information {MS & I) и американской компании DATRON Transco, Inc. Эта станция может принимать данные со спутников RADARSAT, SPOT, дополнительно — со спутников Landsat, JERS, ADEOS, IRS, ERS;

Fast TRACS (Fast Transportable Acquisition System) — разработка канадской компании Macdonald Detwiller & Associates Ltd. Эта стан­ция может принимать данные со спутников RADARSAT, ERS, JERS, IRS, Landsat, SPOT, MOS, ADEOS;

MEOS (Multi-mission Earth Observation System) — разработка нор­вежской компании Kongsberg Spacetec. Эта станция может прини­мать данные со спутников RADARSAT, ERS, NOAA, Meteosat, SPOT.

SENTRY system — разработка канад­ской компании IOSAT. Эта станция может принимать данные со спутни­ков RADARSAT, ERS, SPOT, допол­нительно — со спутника Landsat,

RAPIDS — разработка англо-ни­дерландской компании RAPIDS Con­sortium (NRI& BURS& NLR). Эта стан­ция может принимать данные со спутников ERS, JERS, SPOT;

Vexed Off-the-Shelf system — раз­работка американской компании Vexcel Corp. Эта станция может при­нимать данные со спутников RADAR­SAT, ERS, JERS, Landsat.

В России производством, постав­кой и обслуживанием станций при­ема спутниковой информации зани­мается ИТЦ «СканЭкс». К ним от­носятся станции «Лиана», «Скан­Экс», «ЕОСкан», «УниСкан».

Станция «Лиана» (рис. 4.15) пред­назначена для приема изображений Земли, передаваемых с по­лярно-орбитальных спутников серии NOAA в формате APT {Auto­matic Picture Transmission) в диапазоне 137 МГц. Основную часть принимаемой информации составляют данные двух спектральных каналов (ближнего ИК и теплового ИК) сканирующего радио­метра AVHRR. Изображения имеют пространственное разреше­ние 3,3 км в полосе обзора около 3000 км и обычно используются в метеорологических целях. Станция получает изображение окру­жающей ее территории 8 — 12 раз в сутки. Объем информации, получаемой за один сеанс связи, т. е. пока спутник проходит через зону видимости станции, может составлять 3—3,5 Мбайт.

Программное обеспечение станции состоит из двух приложений: SL Receiver и Scan Viewer (подробно о программном обеспечении — см. далее).

Станция «Лиана» используется в региональных, областных и авиационных гидрометеорологических центрах, аэрофотосъемоч-ных отрядах, образовательных и научно-исследовательских орга­низациях.

Станция «СканЭкс» (рис. 4.16)'предназначена для приема и записи информации, передаваемой с полярно-орбитальных спут­ников серии NOAA в формате HRPT {High Resolution Picture Trans­mission) в диапазоне 1,7 ГГц.

Основную часть принимаемого потока составляют данные ска­нирующего радиометра AVHRR, который формирует изображения подстилающей поверхности в пяти спектральных диапазонах (от видимого до теплового инфракрасного), в полосе обзора ши­риной 3000 км, с пространственным разрешением в середине полосы 1,1 км.

Рис. 4.16. Приемная станция Рис. 4.17. Приемная станция

«СканЭкс» «ЕОСкан»

Станция получает изображение окружающей ее территории 8 — 12 раз в сутки. Объем информации, получаемой за один сеанс связи, т. е. пока спутник проходит через зону видимости станции, может составлять до 80 Мбайт.

Программное обеспечение состоит из двух приложений: SXReceiver и ScanViewer. Оно обеспечивает полностью автоматический прием, просмотр полученных изображений и их предварительную обра­ботку — как общую (привязку, фрагментацию и т.д.), так и спе­цифическую для AVHRR.

Станция «ЕОСкан» (рис. 4.17) предназначена для приема ин­формации с ИСЗ Terra (EOS AM-1) в режиме DB (Direct Broadcast — прямое вещание). ИСЗ Terra находится на полярной солнечно-син­хронной орбите с периодом обращения около 100 мин. В режиме DB с темпом 13,125 Мбайт/с передается информация со сканирующе­го радиометра MODIS (Moderate Resolution Spectroradiometer), кото­рый выполняет непрерывную съемку поверхности Земли вдоль трас­сы полета в полосе обзора около 2000 км, в 36 спектральных зонах с пространственным разрешением от 250 до 1000 м.

Программное обеспечение станции разработано для Windows 98 и включает приложения EOScan -

Receiver, ScanViewer, пакет программ IMAPP (International MODIS/ AIRS Processing Package, адаптированный для работы на платформе MS Windows. Оно обеспечивает ав­томатический прием данных, их просмотр и оценку в формате Level 0, а также преобразование в форматы Level 1 А/1В.

Станции «УниСкан» (рис. 4.18) позволяют принимать информа­цию, передаваемую по радиокана­лам нескольких различных форма­тов в диапазоне 8 ГГц. Состав фор­матов зависит от аппаратной и про­граммной конфигурации данной конкретной станции, и эта конфи­гурация достаточно легко изменя­ема. Сейчас предлагаются компо­ненты для приема информации со спутников IRS-1C/1D, Terra (фор­мат DB), «Метеор-ЗМ».

Программное обеспечение станции работает под Windows 98/2000 и включает приложения IMAPP, ScanReceiver, пакет IRSTools. Оно обеспечивает прием и запись дан­ных, их просмотр, переформатирование, географическую при­вязку, радиометрическую коррекцию и абсолютную калибровку.

Программное обеспечение для обработки данных дистанцион­ного зондирования Земли. Ключевой элемент в успешном при­менении ДЗЗ — наличие простых в использовании и доступных программных средств. Чтобы извлекать из снимков наиболее по­лезную и точную информацию, эти средства с самого начала должны разрабатываться с пониманием всех аспектов дистанци­онного зондирования.

Одна из самых популярных в мире программ обработки дан­ных дистанционного зондирования Земли — ERDAS IMAGINE, созданный компанией ERDAS Inc. (распространением этих дан­ных в России занимается компания ДАТА+). Эта система позво­ляет выполнять всевозможную коррекцию снимков, их очистку и анализ. Мощные средства классификации дают возможность проводить дешифрирование изображений, а встроенные сред­ства экспертных систем позволяют формировать базы данных для проведения комплексного дешифрирования изображений, что дает возможность существенно повысить эффективность обработки изображений.

Дополнительные модули ERDAS IMAGINE позволяют эффек­тивно решать более специализированные задачи. Создание цифровых ортофотопланов по данным блочной аэросъемки выполня­ется модулем OrthoBASE. Дешифрирование стереопар в стереоре-жиме выполняется в модуле Stereo Analyst. Модуль Subpixel Classifier (разделение смешанных пикселов) позволяет не просто отнести участки земли к тому или иному классу (лесу, обнаженной почве, водным поверхностям, урбанизированным территориям и т.д.), но и определить процентное содержание каждого класса на участ­ках их смешения. Модуль VirtualGIS (виртуальная ГИС) — инст­румент трехмерной визуализации географических карт и аэрокос­мических снимков [4].

В России известны также такие программы, как ErMapper, ENVI и др.

Для обработки данных, поступающих на станции «Лиана», «СканЭкс», «ЕОСкан», «УниСкан», используется следующее про­граммное обеспечение.

Основные функции приложения SL Receiver:

- расчет расписаний приема (т. е. прохождения спутников через зону видимости станции) по орбитальным элементам спутников в стандартных форматах TLE и TBUS;

- автоматическая активизация станции по расписанию;

- запись принимаемых данных на диск ПЭВМ;

- визуализация принимаемых изображений в реальном времени. Основные функции приложения SX Receiver:

- расчет траектории спутников и расписания приема (т.е. вре­мени прохождения спутников через зону видимости станции) по орбитальным элементам спутников в стандартных форматах TLE и TBUS;

- автоматическая активизация приложения и станции по рас­писанию;

- автоматическое управление антенной во время приема; -запись принимаемых данных на диск ПЭВМ;

- визуализация принимаемых изображений в реальном времени;

- измерение характеристик аппаратно-программных устройств (АПУ) и ручное управление антенной;

- сквозное и пошаговое тестирование станции;

- индикация состояния станции на всех этапах работы.

Приложение SX Receiver обеспечивает полностью автоматиче­ский — без участия оператора — прием данных до тех пор, пока есть место на диске и не устарели орбитальные элементы спутников.

Основные функции приложения просмотра и предваритель­ной обработки данных ScanViewer:

- визуализация изображений — произвольных прямоугольных фрагментов в произвольном масштабе, в сером тоновом, псевдо-цветном или композитном цветном (RGB) представлении;

- географическая привязка изображений с наложением карты и возможностью коррекции привязки по опорным точкам;

- фрагментация изображений и запись фрагментов в исходном формате;

- экспорт изображений в формат BMP и вывод на печать;

- калибровка данных A VHRR и экспорт в формат HRPT Level IB.

В приложение Scan Viewer встроены алгоритмы расчета темпе­ратуры поверхности моря (ТПМ), вегетационного индекса (ВИ) и поиска очагов лесных пожаров по данным AVHRR. Поля ТПМ и ВИ могут быть представлены в виде черно-белых или псевдо­цветных изображений с палитрой, формируемой пользователем. Точки, отнесенные к лесным пожарам, наносятся цветным мар­кером на исходном изображении.

Основные функции приложения EOScan Receiver:

- расчет траектории спутников и расписаний приема (т.е. про­хождения спутников через зону видимости станции) по орби­тальным элементам спутников в формате NORAD TLE;

- автоматическая активизация приложения и станции по рас­писанию;

- автоматическое управление антенной (сопровождение спутни­ка) во время приема;

- кадровая синхронизация принимаемых данных и ввод в ПЭВМ;

- распаковка данных, преобразование в формат Level О (PDS) и запись на диск;

- контрольная визуализация изображения одного из каналов в реальном времени;

-измерение характеристик антенной системы и ручное управ­ление антенной;

- контроль функционирования станции;

- индикация состояния станции на всех этапах работы. Пакет программ IMAPP (International MODIS/AIRS Processing

Package) предназначен для преобразования данных сканера MODIS из формата Level 0 в форматы уровней Level 1 А и 1В. Это преобра­зование включает в себя следующие операции:

- переформатирование данных сканера MODIS и бортовой те­леметрии в продукт Level 1A в формате HDF;

- географическую привязку изображения на основе поступаю­щих с борта данных о положении и ориентации спутника. Выход­ной продукт содержит географические координаты и углы съемки для каждого пиксела;

- радиометрическую калибровку данных MODIS, осуществляе­мую стандартными алгоритмами с использованием бортовых ка­либровочных данных и таблиц, публикуемых MODIS Characterization Support Team (MCST).

Пакет IRSTools состоит из двух приложений, выполняющих сле­дующие функции обработки данных IRS:

- распаковку и преобразование формата данных: изображение с каждого из датчиков {PAN, LISS-VNIR, LISS-SWIR, WIFS) записывается в отдельный файл формата HDFb растровом виде (уро­вень обработки 1А)\

- радиометрическую коррекцию и абсолютную калибровку дан­ных уровня 1А (уровень 1Б).

При принятии стратегических решений регионального масштаба часто необходимо получить сжатое интегральное представление огромного объема информации в обозримом и наглядном виде. Наибольшую трудность при этом представляет преобразование разнородной и зачастую противоречивой информации в состоя­ние, позволяющее увидеть картину в целом, без мелких деталей, затрудняющих восприятие.

Решением этой проблемы может стать использование наиболее современных интеллектуальных методов обработки больших мас­сивов информации, основанных на нейросетевых технологиях.

Нейросетевая технология ScanEx NeRIS GIS позволила создать систему, специально предназначенную для интегральной обра­ботки всей имеющейся в ГИС пространственной информации с последующим представлением результатов обработки в карто­графическом виде, пригодном для систем поддержки принятия решений.

Основные возможности системы ScanEx NeRIS GIS:

- интеграция разнородной пространственной информации (ха­рактеристик территории), представленной в виде векторных карт, растровых карт, данных дистанционного зондирования и таблиц;

- способность пространственно унифицировать и интегриро­вать всю информацию. Эта задача решается с использованием фир­менной нейросетевой технологии с использованием специальным образом организованных классов нейронной сети Кохонена. Глав­ным отличием от традиционных систем классификации является использование тематически ориентированных нейронных сетей, позволяющих не только оптимально для данной территории опи­сать типичные сочетания характеристик, но и показать их связи и взаимные переходы;

- отсутствие заранее определенных требований на состав и пред­ставление информации. Возможность построения пользователем собственных экспертных систем за счет настройки прогнозных воз­можностей обученных нейронных сетей на основе имеющихся пре­цедентов. Это позволяет оценить различные варианты развития событий (например, оптимистический, реалистический и песси­мистический);

- использование для создания итоговой картины специальных методов пространственной генерализации, позволяющих получить обобщения, наиболее согласованные со всей имеющейся инфор­мацией;

- экспорт полученных карт в формате наиболее распростра­ненных ГИС для дальнейшей обработки.

Алгоритмы, базирующиеся на работе нейронных сетей (по срав­нению со стандартными алгоритмами обработки растра), более устойчивы к изменению признакового пространства в пределах снимка (изменению обрабатываемой площади, масштабированию); менее требовательны к стандартизации изображения (угол солнца, атмосферные искажения); легко воспроизводятся; дообучаемы в случае изменения или усложнения задач; просты при дальнейшем использовании в качестве стандартов выделения тех или иных

объектов.

При этом дешифровщик-интерпретатор получает возможность влиять на результаты автоматизированного дешифрирования на всех этапах обработки (рис. 4.19).