Характеристики знімальної апаратури й космічних знімків

Найважливішими характеристиками знімальної апаратури й зображення, що нею формується, є:

а) просторова розрізнююча здатність;

б) радіометрична розрізнююча здатність (РРЗ);

в) спектральна розрізнююча здатність;

г) часова розрізнююча здатність (ЧРЗ).

Основними геометричними характеристиками одержуваних зображень є ПРЗ і ширина смуги огляду.

Просторова розрізнююча здатність визначає мінімальні лінійні розміри елемента (пікселя) зображення, які може зареєструвати система, тобто визначає мінімальну лінійну величину об'єкта місцевості, що відображається, зафіксованого пікселем.

ПРЗ залежить від довжини хвилі прийнятого випромінювання λ, висоти орбіти космічного апарата Н, діаметра об'єктива D (у випадку радіолокаційного спостереження - апертури антени):

(6.3)

ПРЗ знімків, одержуваних оптико-електронними сканерами, обчислюється по формулі:

, (6.4)

де w - лінійний розмір датчика;

Н - висота орбіти;

f- фокусна відстань оптичної системи.

Об'єкти, менші розміру пікселя, наприклад, дороги, можуть бути виділені на зображенні, якщо вони контрастують з фоном. З іншого боку, об'єкти, порівнянні за розміром з пікселем або крупніше, не можуть бути виділені, якщо поруч перебувають більш яскраві або домінуючі об'єкти.

Чим вище ПРЗ, тем менше його числове значення. Наприклад, просторова розподільна здатність в 79 м є більш грубою, ніж ПРЗ в 10 м. Розрізняють системи:

низької (R > 1 км);

середньої (100 м ≤ R ≤ 1 км);

високої (R < 100м) просторової роздільної здатності.

Границі показників ПРЗ в указаній градації в цей час мають тенденцію до зменшення. Так, до КЗ середньої ПРЗ відносять знімки з роздільною здатністю від 20-30 м до 500 м, до КЗ високої ПРЗ - знімки з розподільною здатністю меншою за 20 м. Виділяють також знімки надвисокої розподільної здатності (ПРЗ менша за 2 м).

Низька ПРЗ не завжди є недоліком. Такі системи звичайно характеризуються широкою смугою огляду, безперервністю збору інформації й малим часовим циклом повторної зйомки. КЗ низької ПРЗ значно дешевше, тому при моніторингу більших територій їх використання може бути більш виправданим.

Ширина смуги огляду залежить від висоти супутника й максимального відхилення променя зору камери від напрямку в надир. Як правило, чим ширше смуга огляду, тем нижче просторова роздільна здатність.

Радіометрична роздільна здатність цифрових КЗ визначається шириною динамічного діапазону використовуваного датчика, тобто кількістю рівнів дискретизації, відповідних до переходу від яскравості абсолютно чорного до абсолютно білого кольору. РРЗ вказується числом біт. РРЗ 8 біт відповідає 256 рівням градації яскравості. Для виявлення елементарного об'єкта повинна виконуватися умова:

, (6.5)

де I_об - яскравість об'єкта;

S- його площа;

R - просторова роздільна здатність;

ΔI -радіометрична роздільна здатність.

Спектральна роздільна здатність відповідає кількості діапазонів ЕМ спектра й розміру зон зйомки, що реєструються знімальною апаратурою. Залежно від кількості спектральних діапазонів, у яких реєструється зображення, знімальна апаратура й, відповідно, КЗ, одержувані з її допомогою, діляться на:

- монохроматичні (однотональні, інтегральні або панхроматичні);

- мультиспектральні (від 2 до 10 діапазонів, що реєструються);

- гіперспектральні (може бути більше 100 зон).

Панхроматичні знімки використовують одну більш-менш широку зону спектра й зазвичай мають більш високу ПРЗ. Багатозональні включають кілька зональних знімків, що одночасно реєструються у різних вузьких ділянках ЕМ спектра. Необхідна кількість діапазонів забезпечується застосуванням фільтрів, призм, дифракційних ґраток. Гіперспектральні використовують більш вузькі зони.

Мультиспектральні (багатозональні) КЗ дозволяють ідентифікувати об'єкти з унікальними спектральними характеристиками, тому їх використання краще, через те що характерні риси природних об'єктів різних класів найбільш чітко проявляються в різних ділянках ЕМ спектру. При тематичних дослідженнях слід вибирати той діапазон, який найбільше відокремлює досліджуваний об'єкт. Для відображення багатозональних КЗ використовують різні комбінації зон, що підкреслюють ті або інші особливості об'єктів. Оскільки такі зображення, в основному, призначені для візуалізації на екрані дисплея в палітрі RGB, то комбінації будують із використанням трьох зон, порядок яких відповідає червоної, зеленої й синьої колірним гарматам монітора, а процес називають синтезуванням. Зазвичай використовують три стандартні комбінації зон:

а) червоний, зелений й синій тони створюють композицію дійсного кольору, у якій об'єкти виглядають так, як вони повинні були б сприйматися неозброєним оком.

б) ближній ІЧ, червоний і зелений тони створюють композицію хибного кольору.

в) середній ІЧ, ближній ІЧ і зелений тони створюють композицію псевдокольору, що дозволяє підкреслити кольором відмінності об'єктів, що зручно для візуального дешифрування знімків.

Часова розрізнююча здатність визначає, як часто датчик одержує зображення певної ділянки на поверхні Землі. ЧРЗ є важливою при вивченні та виявленні змін поверхні й залежить від висоти орбіти, ширини смуги огляду, кількості супутників, що одночасно перебувають на орбіті. Landsat має ЧРЗ 16 днів, SPOT - 1 день, NOAA - кілька годин. Деякі космічні системи оснащені спеціальним обладнанням, що дозволяє відхиляти апаратуру ДЗЗ від напрямку в надир і проводити бічну зйомку під кутом до траси прольоту. У результаті можна не лише скоротити періодичність повторної зйомки заданого району земної поверхні, але й розширити сумарну смугу огляду.

KA Landsat-1,2,3, відомі так само за назвою ERTS (Earth Resources Technology Satellites), були оснащені телевізійними камерами RBV (Return Beam Vidicon Camera) і мультиспектральним скануючим обладнанням MSS. Особливістю КА другого покоління Landsat-4,5 є заміна телевізійної камери на оптикоелектронну камеру ТМ і модернізація сканера MSS. Landsat-5 функціонує в цей час. Камера ТМ дозволяє формувати зображення в семи ділянках ЕМ спектра із ПРЗ 30 м у видимому та ІЧ діапазонах, 120 м у тепловому ІЧ діапазоні, РРЗ 8 біт, ширина смуги огляду 185 км. Запуск шостого супутника був невдалий.

КА Landsat-7 був виведений на сонячно-синхронну орбіту висотою 705 км. Установлена на супутнику Landsat-7 знімальна апаратура ЕТМ+ (Enhanced Thematic Mapper Plus - удосконалений тематичний картограф), забезпечує зйомку земної поверхні в шести каналах із ПРЗ 30 м, у тепловому ІЧ каналі із ПРЗ 60 м і панхроматичну зйомку із ПРЗ 15 м. Ширина смуги огляду для всіх каналів становить близько 185 км. Періодичність зйомки 16 днів, РРЗ 8 біт. У цей час, через збої в роботі апаратури, космічна зйомка на замовлення із супутника Landsat-7 не ведеться. Однак великі накопичені архівні дані поширюються практично безкоштовно й можуть бути використані при вивченні динаміки земної поверхні.

Для ідентифікації й упорядкування знімків Landsat уведена світова координатна система, яка зветься "Всесвітня система координат" і являє собою сітку, утворену перетинанням «проходів» (сукупність сцен уздовж траси польотів, Row,) і «рядів» (сукупність сцен, вибудуваних поперек сусідніх трас на одній географічній широті, Path). Запис числа Path збільшується зі сходу на захід, беручи початок з Path = 1 і закінчуючи Path = 233. Запис числа Row збільшується з півночі на південь, a Row = 60 збігається з екватором. Запис дат відбувається у форматі Місяць/Число/Рік.

У табл. 6.1 наведені області застосування даних, одержуваних із супутників Landsat у різних спектральних діапазонах.

Під керівництвом Міністерства оборони США, NASA і NOAA розробляється Національна супутникова система США але спостереженню за навколишнім середовищем XPOESS (National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System). Супутники серії NPOESS прийдуть на зміну супутникам серії Landsat. Система NPOESS повинна об'єднати військову й цивільну програми США в єдину систему, що допоможе поліпшити прогнози погоди й прогнозування зміни клімату, а також підвищить оперативність оповіщення про погроз стихійних лих.

Таблиця 6.1 − Призначення спектральних каналів знімальної апаратури супутників Landsat

Апаратура, встановлена на борту NPOESS, буде збирати дані про стан океанів, атмосфери, земної поверхні, клімату й космічного середовища. Одним з інструментів буде сенсор OLI (Operational Land Imager), який дозволить одержувати цифрові зображення земної поверхні з ПРЗ від 30 до 800 м. У цей час ведеться розробка апаратури й нових технологій. Строк реалізації програми NPOESS розрахований до 2018 р.

Супутникова система спостереження за поверхнею Землі SPOT (Satellite Pour L'obscrvation dе la Terre) спроектована Національним космічним агентством Франції разом з Бельгією й Швецією. Система SPOT містить у собі ряд космічних і наземних засобів, призначених для керування супутником, програмування збору даних, одержання даних і виробництва зображень. Оператором супутників є компанія SPOT Image (Франція). У цей час можуть бути отримані дані з супутників SРОТ-2, SPOT-4 і SРОТ-5.

КА SPOT-4 був виведений на сонячно-синхронну орбіту висотою 822 км і відрізняється від попередніх супутників даної серії наявністю додаткового короткохвильового ІЧ діапазону, використовуваного для виділення різних видів земної поверхні. SPOT-4 несе на своєму борту додаткове корисне навантаження у вигляді приладу Vegetation 1, який призначений для широкомасштабного моніторингу Землі, включаючи спостереження за рослинним покривом, прогнозування врожайності, вивчення океану в наукових цілях і в інтересах рибальства, дослідження навколишнього середовища й процесів взаємодії біосфери та геосфери. ПРЗ сенсора становить 1 км при ширині смуги огляду 2250 км.

КА SPOT-5 оснащений високоточним стереоскопічним детектором, що дозволяє одержувати стереопари для побудови глобальної моделі рельєфу SPOT-DEM. Дві оптико-електронні камери високої роздільної здатності HRG дозволяють одержувати панхроматичні зображення із ПРЗ 5 м і мультиспектральні (зелений, червоний, ближній і середній ІЧ канали) із ПРЗ 10 м. У режимі Supermode обидві камери HRG одночасно знімають у панхроматичному режимі ту саму територію, а потім, у результаті інтерполяції, що проводиться у центрі обробки даних, виходить зображення із ПР 2,5 м. Спектральні діапазони камери HRG залишилися ті ж, що й у камери HRVIR, установленої на SPOT-4, (0,50-0,59; 0,61-0,68; 0,78-0,89; 1,58-1,75 мкм), за винятком збільшення панхроматичного діапазону з 0,61-0,68 мкм на HRVIR до 0,48-0,71 мкм на HRG. Також на SPOT-5 встановлено камеру Vegetation 2, що дозволяє одержувати практично щодня знімки всієї поверхні Землі із ПРЗ 1 км і шириною смуги огляду до 2000 км.

Компанія SPOT Image пропонує налагоджений сервіс замовлення зйомки, що дозволяє замовникам одержати зображення потрібної території саме в той часовий інтервал, який їм необхідний. Дані SPOT являють собою величезний архів, з 1986 р., що безупинно поповнюється результатами зйомки із усіх супутників SPOT, що містить більш 10 млн зображень і доступний в мережі Internet (http://sirius.spotimage.fr/).

Програма Pleiades High Resolution, спрямована на заміну супутників SPOT, є складовою частиною європейської супутникової системи зондування Землі й ведеться під керівництвом французького космічного агентства CNES, починаючи з 2000 р. Програма передбачає створення двох супутників Plciadcs-hr1 і Plciadcs-hr2. Запуск першого космічного апарата серії Pleiades відбувся 2010 р. Супутник виведено на сонячно-синхронну орбіту висотою 694 км. Апаратура, встановлена на супутнику, дозволяє одержувати цифрові зображення земної поверхні з ПРЗ порядку 60 см у панхроматичному режимі та з ПРЗ порядку 2,8 м у мультиспектральному режимі при ширині смуги огляду не менше 20 км. Можливий строк перебування на орбіті становить не менше 5 років.

Космічна програма Індії IRS (Indian Remote Sensing) існує з моменту запуску першого супутника цієї серії IRS-1A. Програма реалізується під керівництвом урядового департаменту космічних досліджень Індії.

Супутники IRS-1C і IRS-1D були виведені на полярну сонячно-синхронну орбіту висотою 817 км і 373-823 км відповідно. Супутники призначені для одержання цифрових зображень земної поверхні із ПРз 5,8 м у панхроматичному режимі, з роздільною здатністю 23,5 і 70 м у мультиспектральному режимі (сканер LISS-3), а також із ПР 188 м (сканер Wifs).

КА IRS-P6 (Resourcesat-1) був виведений на сонячно-синхронну орбіту висотою 817 км 17 жовтня 2003 р. Конструктивно супутник Resourcesat -1 виконаний на базі платформи КА IRS-1C/1D. Крім обладнання LISS-3, на його борту встановлений удосконалений сканер LISS-4, що дозволяє одержувати цифрові зображення земної поверхні із ПРЗ 5,8 м як у панхроматичному, так і в мультиспектральному режимах з підвищеною радіометричною якістю, а також сканер нового покоління A Wifs, який надає можливість одержання зображень з ПРЗ 55 м у смузі шириною 740 км. Розрахунковий строк перебування на орбіті Resourcesat -1 становить не менш 5 років.

КА Cartosat-2 також розроблений фахівцями космічного агентства Індії ISRO і був запущений 10 січня 2007 р. Супутник виведений на навколоземну сонячно-синхронну орбіту висотою 630 км, що забезпечує його проходження над будь-яким районом Землі кожні 4 дня, і призначений для високодетальної оптичної зйомки поверхні Землі в панхроматичному режимі із ПРЗ краще 1 м, РРЗ 10 біт і шириною смуги огляду 9,6 км. Період повторної зйомки становить 4 доби, з урахуванням можливості орбітального маневрування супутник може повторно зняти потрібний об'єкт на наступну добу після першого прольоту. Забезпечує максимальне відхилення від надира 45°.

КА Quickbird було запущено 18 жовтня 2001 р., виведений на навколоземну сонячно-синхронну орбіту висотою 450 км, що забезпечує його проходження над будь-яким районом Землі кожні 1-5 днів (залежно від широти). Власником супутника є компанія Digitakilobc (США). КА Quickbird призначений для одержання цифрових зображень земної поверхні із ПРЗ 61 см у панхроматичному режимі й 2,44 м у мультиспектральному режимі (4 канали) при зйомці в надир. Радіометричний дозвіл 11 біт. Основними перевагами супутника Quickbird є широка смуга огляду (розмір сцени - 16,5x16,5 км), висока метрична точність, можливість замовлення полігонів складної форми.

КА Formosat-2 був запущений 21 травня 2004 р. космічним агентством Тайваню - NSPO (National Space Organization). Ексклюзивні права на поставку даних із супутника Formosat-2 одержала компанія SPOT Image (Франція). Супутник виведений на сонячно-синхронну геостаціонарну орбіту висотою 891 км. Formosat-2 призначений для одержання цифрових зображень земної поверхні із ПРЗ 2 м у панхроматичному режимі й 8 м у мультиспектральному режимі. Радіометрична роздільна здатність 8 біт, ширина смуги охоплення 24 км. Основними перевагами супутника є маневреність (супутник може виконувати зйомку з відхиленням 45° від надира), можливість щоденної зйомки, а також більш раннє проходження над будь-якою точкою Землі (9 год 30 хв ранку за місцевим часом, тоді як у більшості супутників - 10 год 30 хв), що збільшує можливість безхмарної зйомки.

Космічний апарат “Січ” (Україна) призначений для спостереження поверхні Землі в інтересах господарської діяльності та проведення наукових експериментів по дослідженню іоносфери та магнітосфери. Характеристики КА “Січ” наведены у табл. 6.2.

Основні задачі КА “Січ”:

- контроль стану рослинності, забруднення ґрунту та внутрішніх водойм;

- межі та стан снігового пласту;

- льодове розвідування;

- дослідження фізико-геологічних структур;

- дослідження планетарного розподілу електричних полів та струмів;

- дослідження конвективних рухів іоносферної плазми;

- виявлення електромагнітних випромінювань, що викликані сейсмічною активністю Землі;

- дослідження впливу інфразвуку на іоносферу;

- експерименти з наземними джерелами потужного акустичного випромінювання;

- модифікація плазми навколо космічного апарату - телеметричним випромінюванням бортового передавача;

- порівняння незалежних експериментальних методик виміру густоти електричного струму у іоносфері.

Таблиця 6.2 − Характеристики КА “Січ”:

Супутник дистанційного зондування Землі"Сiч-1М" багатофункціонального призначення. Створений у рамках Загальнодержавної (Національної) космічної програми України.

Супутник призначений для одержання інформації одночасно в оптичному, інфрачервоному і мікрохвильовому діапазонах. Встановлений на космічному апараті "Сiч-1М" комплекс дослідницької апаратури дозволяє вирішувати ряд практичних і наукових задач по дослідженню атмосфери і Світового океану, моніторингу гідрологічної і льодової обстановки, рослинних і ґрунтових покривів суші й ін..

Розроблено національну науково-прикладну програму використання даних супутника "Січ-1М".

На супутнику розміщена апаратура міжнародного проекту "Варіант" для дослідження іоносфери. Це перший міжнародний науковий проект, очолюваний українськими фахівцями.

Супутник "Січ-1М" створюється на конструктивній платформі супутника "Січ-1" і серії супутників "Океан-01", але по апаратурному комплексу це буде супутник значно більш високого рівня:

Удосконалений сканер забезпечує роздільну здатність на порядок вище (просторова роздільна здатність 24 м).

Поліпшені параметри локатора бічного огляду - смуга огляду радіолокатора бічного огляду розширена з 450 до 700 км.

Оптико-мікрохвильовий сканер МТВЗА-ОК для одночасних вимірювань у видимому, ІЧ і СВЧ-діапазонах забезпечує глобальний моніторинг навколишнього середовища в інтересах метеорології, океанології, рішення задач рибальського промислу, вивчення клімату.

На супутнику встановлена апаратура супутникової навігації космічної системи NAVSTAR і цифрова радіолінія 3 міжнародних діапазонів 8,2 ГГц і 1,7 ГГц із дисковим запам'ятовуючим пристроєм нагромадження даних, що виводить супутника на високий технічний рівень.

По тактико-технічних параметрах дослідницької апаратури вітчизняний супутник знаходиться в одному ряді із супутниками SPOT, TRS-1, "Ресурс".

КА World View-1 був запущено 18 вересня 2007 р. з авіабази Ванденберг (США). Власником супутника є компанія Digitalglobe (США). Супутник Worldview-1 виведений на навколоземну сонячно-синхронну орбіту висотою 496 км. Worldview-1 здатний забезпечувати щоденне покриття площею в 750000 км2 із середнім періодом прольоту над однією й тією же територією в 1,7 доби. Worldview-1 оснащений телескопом з апертурою 60 см для зйомки тільки в панхроматичному режимі із ПР до 50 см у надирі. Максимальне відхилення від надира 40°. Супутник може знімати по різних схемах: кадрова зйомка, маршрутна зйомка (уздовж берегових ліній, доріг і інших лінійних об'єктів), площинна зйомка (зони розміром 60x60 км), а також стереозйомка. У порівнянні з попередником КА Quickbird на супутнику Worldview-1 застосовуються нові технологічні рішення для забезпечення високої продуктивності зйомки, якості й точності координатної прив'язки зображень. Розрахунковий строк перебування на орбіті складе не менше 7 років.

Паралельно зі створенням супутника Worldview-1 велася розробка космічного апарата Worldview-2. Супутник Worldview-2 повинен бути виведений на сонячно-синхронну орбіту висотою 770 км, що забезпечує його проходження над будь-яким районом Землі кожні 1-2 дня (залежно від широти). Worldview-2 дозволить одержувати цифрові зображення земної поверхні із шириною смуги огляду 16,4 км, ПРЗ 50 см у панхроматичному режимі й 1,8 м у мультиспектральному режимі (8 каналів) при зйомці в надир.

КА Geoeye-1 був запущений в 2008 р. Власником супутника є компанія Geoeye (США). Супутник виведений на полярну сонячно-синхронну орбіту висотою 684 км, що забезпечує його проходження над будь-яким районом Землі кожні 1-3 дня (залежно від широти). Супутник Geoeye -1 призначений для одержання цифрових зображень земної поверхні із ПРЗ 41 см у панхроматичному режимі та 1,65 м у мультиспсктральному режимі при зйомці в надир. Максимальне відхилення від надира 60°, ширина смуги огляду 15,2 км, РРЗ 11 біт, є можливість одержання стереопари. Супутник Geoeye-1 має високу маневреність, що дозволяє одержувати великий обсяг даних за один проліт. Розрахунковий строк перебування на орбіті становить нс менше 7 років.

Група з п'яти міні-супутників Rapideye була запушена з космодрому Байконур російською ракетою-носієм «Дніпро» 29 серпня 2008 р. Власником космічних апаратів є німецька компанія Rapideye AG. Кожний з супутників, створених британською компанією SSTL і канадською MDA, оснащений мультиспектральною оптико-електронною камерою Jena-Optronik для зйомки із ПР 6,5 м. Вага кожного супутника Rapideye становить 175 кг. Супутники були виведені на навколоземну сонячно-синхронну орбіту висотою 630 км. Група Rapideye здатна забезпечувати щоденне покриття зйомками площі в 4 млн км2. Періодичність зйомки одного і того ж району Землі - 24 ч. Зйомка земної поверхні ведеться в п'ятьох каналах. Унікальним для супутників високої розподільної здатності є канал «крайній червоний», який оптимально підходить для спостереження й вимірювання змін стану рослинного покриву. Розрахунковий строк перебування супутників на орбіті становить 7 років.

Поиск по сайту: