Многозональная космическая съёмка в исследовании геоэкологических проблем территории региона

Министерство образования и науки РФ Волжский гуманитарный институт (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный университет»

Факультет естественных и гуманитарных наук Кафедра природопользования, геоинформационных и наноэкономических технологий РЕФЕРАТ По дисциплине: «Методы дистанционного зондирования Земли»

На тему: «Многозональная космическая съёмка в исследовании геоэкологических проблем территории региона»

Выполнила:

Магистрант 1-го г. обучения Группы МПР-111

Трубачёва В.В.

Волжский 2012

Содержание Введение

1. Понятие о многозональной съемке

2. Первые эксперименты по многозональной космической фотосъёмке «Союз-12», «Союз-13»

2.1. Северо-восточный Каспий, дешифрирование мелководной акватории.

2.2. Оазис Куфра, Ливия, анализ изображения сельскохозяйственных земель скважного орошения

2.3 Египет, дельта Нила, картографирование использования земель

2.4 О. Кипр, ландшафтное картографирование Заключение Приложения Список литературы многозональный съемка картографирование

Введение

Многозональная съёмка — тип изображений, получаемых в результате регистрации одного и того же кадра (например поверхности Земли или другой планеты) в разных участках электромагнитного спектра (например инфракрасной и видимой области).

Применение данного метода основано на том, что спектральная характеристика (т.е. отражательная способность) различных элементов земных ландшафтов различна, и получив несколько изображений в различных участках спектра, можно идентифицировать объекты (например становятся хорошо различимы различные виды суши, растительности и водных поверхностей) В обычной фотограмметрической съемке изображение объекта фиксируется на один снимок (цветной или черно белый). Космические съемки в оптическом диапазоне ведутся с высот значительно более 100 км, обычно 200−400 км, нередко и 800−1000 км.

Излучение реального объекта, как известно из курса физики и оптики, имеет спектр. Это означает, что в разных оптических (видимых человеческим глазом) спектральных диапазонах (или зонах) интенсивность отраженного света различна. При фотографировании на один снимок все эти излучения в разных зонах накладываются друг на друга, а на снимке получается суммарная интенсивность разных спектральных диапазонов.

В ультрафиолетовом участке спектра выделяют три зоны спектра с длиной волны в нанометрах (нм): ближний ультрафиолет (300−400 нм), средний (200−300 нм) и дальний (менее 200 нм).

В видимом диапазоне разные спектральные зоны выделяют по цветовым характеристикам.

Атмосфера по-разному пропускает излучение. В области ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 290 нм она практически непрозрачна, в интервале 290−400 нм она оказывает существенное фильтрующее влияние.

В видимом диапазоне пропускание атмосферы высокое, но неодинаковое по спектру полосы поглощения, что обусловлено ее физико-химическим состоянием (наличие в воздухе водяных паров, углекислого газа и озона).

Интеграция спектров при формировании изображения и искажения при передаче спектральных характеристик мешают анализу изображения.

Многозональная съемка основана на разделении всего спектрального диапазона на зоны, в которых и получают изображение. Вместо одного снимка получают несколько, каждый содержит изображение заданного спектрального диапазона, что облегчает анализ и интерпретацию изображения.

При использовании цифровых методов обработки изображений из спектрозонального изображения легко получит обычное. Однако спек-трозональные изображения значительно проще анализировать, особенно с применением методов автоматической обработки данных.

Одной из первых многозональных съемок можно считать съемку, осуществленную при выполнении программ «Аполлон». С космического корабля «Аполлон-9» (1969 г.) с помощью блока из четырех синхронизированных камер была выполнена съемка, при которой получили одновременно серию снимков в нескольких узких спектральных диапазонах. Четыре синхронно управляемые фотокамеры использовались для съемки Земли на черно-белую панхроматическую и инфракрасную, а также цветную инфракрасную пленку с разными светофильтрами. Однако эта съемка не была оптимизирована, поскольку ей не предшествовал выбор оптимальных съемочных зон.

Понятие о многозональной съемке Многозональная съемка — съемка, основанная на разделении всего спектрального диапазона на зоны, в которых получают зональные изображения. Съемку с использованием большого числа (более 10) узких съемочных зон называют гиперспектральной.

Многозональный снимок представлен серией зональных изображений, которые различаются в соответствии с особенностями спектральной яркости объектов съемки. При использовании большого числа (до нескольких сотен) узких спектральных зон такую съемку называют гиперспектральной, а снимок — гиперспектральным. При гиперспектральной съемке увеличивается возможность выделения объектов, характеризующихся наличием полос поглощения, что характерно, например, для загрязнений. Многозональная и гиперпектральная съемки позволяют более эффективно использовать различия в спектральной яркости объектов съемки для их дешифрирования. К этому виду снимков можно отнести также радиолокационные снимки, получаемые как при регистрации отраженных радиоволн разной длины, так и при разной их поляризации.

При работе с многозональными снимками применяется ряд приемов. Наиболее универсальный — синтезирование цветного изображения при целенаправленном выборе набора зон и их окрашивании для выделения интересующих исследователя объектов. Работа с серией зональных снимков основывается на учете различий в спектральной яркости исследуемых объектов в используемых спектральных зонах, например, яркости растительности в красной и ближней инфракрасной зонах. Это реализуется сопоставлением зональных изображений при визуальном дешифрировании (приемы сопоставительного дешифрирования) и классификацией объектов по спектральным признакам при компьютерном дешифрировании.

Работа с очень большим числом съемочных зон гиперспектральных снимков, затруднена, поэтому по ним создаются так называемые индексные изображения на основе расчета специально выбранных спектральных индексов, способствующих выделению определенного типа объектов (вегетационные индексы для дешифрирования свойств растительности, индекс влажности почв, заснеженности территории, концентрации фитопланктона и др.).

Первые эксперименты по многозональной космической фотосъёмке «Союз-12», «Союз-13»

Фотографический эксперимент по многозональной фотографической съёмке с космических кораблей «Союз-12» и «Союз-13» был подготовлен при участии Института космических исследований АН СССР и географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Многозональная съёмка земной поверхности осуществлялась фотоаппаратом ЛКСА-3. Это небольшая ручная девятиобъективная трёхканальная камера с фокусным расстоянием 43,5 мм и форматом кадра 24Ч32 мм. Фотоаппарат ЛКСА-3 предназначался для выполнения синхронной съёмки на три различных по спектральной чувствительности плёнки. Каждый фильмовый канал обслуживался одновременно тремя объективами, на которых были укреплены селективные светофильтры, так, что получаемый при съёмке негатив состоял из трёх одновременно экспонированных кадров.

Съёмка была выполнена 28 сентября 1973 г. с высоты 350 км. В процессе работы отказала кассета третьего канала фотоаппарата, поэтому выполнена 6-зональная съёмка.

Лабораторная обработка полученных фильмов проводилась после изучения реальных условий съёмки (фактическое состояние погоды, характер снятой местности, условия её освещения) и предварительной обработки отрезков фильмов. В результате химико-фотографической обработки трёх многозональных фильмов было получено более 80 кадров в 6 спектральных диапазонах.

Съёмкой с «Союза-12» охвачены обширные территории — песчаные, щебнистые и глинистые пустыни северо-восточной Африки с древними останцовыми горными массивами и бессточными солончаковыми котловинами, горные хребты Малой Азии с полупустынными, степными и лесными горными ландшафтами, вулканические нагорья Армении, горные степные районы Дагестана, полупустынные ландшафты восточного Прикаспия. Помимо земной поверхности в зону съёмки попали акватории разного типа — глубоководные пространства Средиземного моря и мелководья северо-восточной части Каспийского моря. Покрытая съёмкой территория разнообразна и в отношении хозяйственного освоения — от неосвоенных пустынных земель до районов интенсивного земледелия на орошаемых землях, крупных городов, районов разработки полезных ископаемых. Таким образом, имелась возможность проверки эффективности применения многозональной съёмки для изучения районов, различных в природном и хозяйственном отношении. Оценка возможности их использования для решения широкого комплекса вопросов потребовала привлечения к работе специалистов-геологов, ландшафтоведов, геоботаников, метеорологов, экономико-географов и т. д. Ниже приведены примеры снимков с космического корабля «Союз-12» и результаты из анализа. Снимки с космического корабля «Союз-13», сделанные в декабре, при значительной облачности нашли применение, главным образом, для метеорологических целей.

Рассмотрим несколько примеров использования снимков с космического корабля «Союз-12»:

1. Северо-восточный Каспий, дешифрирование мелководной акватории

2. Оазис Куфра, Ливия, Анализ изображения сельскохозяйственных земель скважного орошения

3. Египет, дельта Нила, картографирование использования земель

4. О. Кипр, ландшафтное картографирование Северо-восточный Каспий, дешифрирование мелководной акватории Мелководные участки Каспийского моря с большой детальностью отразились на космических снимках (снимок 3). Их различное изображение на снимках в разных зонах спектра позволяет решать целый комплекс географических задач, среди которых:

— изучение глубин и рельефа дна в мелководной части, выявление отмелей, баров, выходов коренных пород на дне;

— изучение содержания в воде минеральных частиц — взвешенных наносов, определение мутности воды, степени загрязнения водоёмов;

— исследование распространения водной и подводной растительности и отложений ила.

На снимке хорошо обрисовываются светлые пятна отмелей вокруг островов — до глубины 1,5 м. Довольно чётко виден южный уступ общего основания островов Тюленьего архипелага, просматривается система параллельных борозд и гряд северо-западнее острова Кулалы. Обычно посветление фототона соответствует уменьшению глубин, а потемнение — их увеличению. Однако, изменение тона изображения обусловлено не только изменением глубин, но и такими факторами, как мутность воды, наличие в ней взвешенных частиц, распространение растительности, различия донного материала. Это вносит существенные осложнения в дешифрирование глубин и рельефа дна. Некоторые из названных объектов, изображение которых осложняет дешифрирование рельефа дна, динамичны, например водные массы с большим содержанием взвешенных частиц за счёт волнового взмучивания донных осадков или перемещения речных наносов. Для их выделения целесообразно использование разновременных снимков, что позволяет как бы снять влияние динамичных факторов.

Оазис Куфра, Ливия. Анализ изображения сельскохозяйственных земель скважного орошения Северная Африка, юго-восток Ливии, Ливийская пустыня, оазис Куфра (снимки 4,5).

Одним из необычных объектов съёмки с космического корабля «Союз-12» явились новоосваиваемые сельскохозяйственные земли оазиса Куфра в юго-восточной части Ливии. Они чётко выделяются на общем фоне пустынных ливийских ландшафтов — древних останцовых гор Джебель-Гардеба, Дхебель-Фадиль и Джебель-адь-Хавайт, Джебель-ан-Нари, достигающих высоты 500−700 м, и межгорных долин и котловин, заполненных песками и другими континентальным отложениями. К горам Джебель-эн-Нари с юга примыкает грабен — синеклиза Куфра, сложенная нубийскими песчаниками, в которой и расположена группа оазисов Куфра — старых и вновь осваиваемых.

Диаметр поля-круга определяется длиной более чем 500-метровой трубы, скреплённой с основанием колодца, расположенного в центре поля. Из скважины с помощью дизельного насоса качается вода, которая затем разбрызгивается вращающейся на колесах вокруг колодца трубой.

Египет, дельта Нила, картографирование использования земель Северная Африка, Египетское побережье Средиземного моря, дельта Нила.

В верхней части снимка 6 тёмным тоном изобразилось Средиземное море. Правую часть снимка занимает тёмный массив обрабатываемых плодородных аллювиальных земель дельты Нила, пересечённый светлой сетью дорог, расположенных вдоль каналов. В центре дельты хорошо видна тёмная извилистая лента русла левой ветви Нила — р. Рашид со светлыми пятнышками островов и отмелей, особенно многочисленными в верховьях рукава. Слева и справа от мыса Умм-эн-Набайиль, места впадения реки Рашид в Средиземное море, песчано-солончаковое низменное побережье дельты, изобразившееся на снимке светлым тоном, отделяет бывшие морские лагуны — современные солоноватые озера Идку и Буруллус. В местах развития тростниковой растительности они выделяются более тёмным, чем аллювиальные земли дельты, тоном. Западнее залива Абу-Кир чётко виден серый контур города Александрия, ограниченный с юга озером Марьют, в котором в настоящее время производится добыча соли. Здесь видны разделённые дамбами участки с разным тоном изображения, соответствующие водам с разной концентрацией солей. Западная часть озера, превратившаяся в солончак, протягивается узкой полоской параллельно Средиземноморскому побережью. Здесь видна серия вытянутых солончаковых впадин — бывших лагун, разделённых старыми береговыми валами — барами, возникшими в результате динамики берега.

В дельте выделяются крупные светлые пятна городов и мелкие точки сельских населённых пунктов. По характеру изображения чётко разделяются давно освоенные земли дельты, имеющие более ровный и тёмный тон, и осваиваемые в последнее время территории с прямоугольной структурой и чередованием светлых и тёмных массивов. В результате анализа снимка составлена схема использования земель.

Динамика береговой зоны на многозональных снимках.

На многозональных снимках Средиземноморского побережья (снимок 7) в районе Александрии хорошо отразилась динамика береговой зоны, зафиксированная в формах древнего берегового рельефа. К юго-западу от Александрии прослеживается серия современных и древних береговых баров, разделённых между собой продольными понижениями, занятыми солёными озёрами или солончаками.

Бары и солончаки лучше разделяются в коротковолновых зонах — голубой и зелёной.

О. Кипр, ландшафтное картографирование На чёрном фоне Средиземного моря чётко выделяется контур острова Кипр. Западная половина острова имеет гористый, сильно расчленённый характер. Широкой тёмной полосой выделяется хребет Троодос, покрытый лесами из вечнозелёных дубов, которые у подножия восточных склонов гор сменяются кустарниковыми зарослями маквиса с участием сосновых пород. На снимке изображение этого района имеет более светлый тон. (снимок 8)

Параллельно северо-восточному берегу Кипра протягивается асимметричный хребет Кирения, представляющий собой куэсту. Северный склон его крут и изрезан узкими долинами, спускающимися к морю. Верхняя залесённая часть склона выделяется на снимке тёмной полосой. Центральная часть острова, имеющая довольно равнинный характер, пересечена тёмными извилистыми линиями долин пересыхающих водотоков. На ней выделяются также тёмно-серые пятна заболоченных низин, которые особенно хорошо заметны вблизи побережья залива Морфу в северо-западной части острова, а также севернее мыса Гата, выступающего на южном побережье острова Кипр. В западной части острова серый тон с пёстрым мелкоконтурным рисунком изображения обязан широкому распространению здесь виноградников.

На восточном побережье острова довольно чётко выделяется серый контур города Фамагуста, оттенённый тёмным фоном изображения окружающих садов. В центральной части острова прослеживается тёмно-серый контур города Никосия на более светлом фоне окружающей территории.

Заключение

Многозональная съемка ведется многие годы, и исследователи накопили большой объем эмпирических данных. Уже хорошо известно, какие соотношения яркости в различных зонах спектра соответствуют растительности, обнаженной почве, водным поверхностям, урбанизированным территориям и другим распространенным типам ландшафта, существуют библиотеки спектров различных природных образований. Выразив эти соотношения в виде линейных комбинаций различных зон, можно получать так называемые индексы. Так как многие современные системы дистанционного зондирования Земли осуществляют съемку в видимой красной и ближней инфракрасной частях спектра, то распространенным методом является вычисление нормализованного вегетационного индекса (NDVI). Нормализованный вегетационный индекс показывает наличие и состояние растительности по соотношению отраженных энергий в 2 спектральных каналах. Эта зависимость основана на различных спектральных свойствах хлорофилла в видимом и ближнем ИК диапазонах.

Вегетационные индексы можно рассматривать как промежуточный этап при переходе от эмпирических показателей к реальным физическим свойствам растительного покрова. При классификации растительного покрова по цифровым изображениям часто используют индекс площади листьев — LAI (Leaf Area Index). Есть формулы перехода от NDVI к LAI.

Индекс LAI можно измерить в натурных условиях. В настоящее время в Интернет ежемесячно публикуются растровые изображения LAI (пространственное разрешение 250 м) на весь мир. Эти данные в сочетании с методами классификации мультиспектральных изображений могут значительно повысить достоверность при обработке изображений в экспертных системах, учитывающих множество различной информации.

Приложения Снимок 1 Снимок 2

Комплект зональных снимков на Комплект зональных снимков на территорию песчаных пустынь участок восточного побережья Каспия

юго-востока Ливии, Оазис Куфра с Мангышлакским заливом и полуостровом Тюб-Караган На снимках 1,2 в 1 (580 нм), 2 (660 нм), 3 (680 нм) и 6 (640 нм) зонах хорошо видны светлые пятна солончаков и солонцов. Больше всего тоновых различий, отражающих различную степень засоления, можно выделить в 3 зоне: чем светлее тон изображения, тем больше степень засоления. Участки, сохраняющие светлый тон изображения во всех шести зонах, — это выходы соли на поверхность, а участки, светлый тон изображения которых в 4 зоне меняется на серый, — это незакреплённые светлые барханные пески.

Снимок 3

Результаты дешифрирования мелководной акватории северо-восточного Каспия в районе Тюленьего архипелага по многозональным снимкам:

1 — песчаные отмели с глубинами до 1,5 м;

2 — уступы;

3 — гряды и борозды;

4 — подводные бары;

5 — участки средних глубин (3−5 м) со слабо просматривающимся донным рельефом;

6 — участки значительных глубин (более 5 м) с непросматривающимся донным рельефом;

7 — заросли подводной растительности;

8 — заросли подводной растительности и отложения ила;

9 — загрязнение вод в придонном слое;

10 — загрязнение вод в среднем слое;

11 — загрязнение вод в приповерхностном слое;

12 — облака.

Снимок 4

Пятно старых оазисов выделяется общим потемнением фототона и неоднородностью структуры внутри него. Южнее его чётко видна цепочка окружностей и кругов, имеющих различный тон изображения — от светло-серого, такого же, как тон окружающей пустыни, до тёмно-серого, почти чёрного. Это — изображение новых земледельческих ферм, орошаемых артезианскими водами недавно открытого подземного бассейна.

Исходный снимок увеличен в 5 раз, выделенный фрагмент приведён ниже с 25-кратным увеличением относительно оригинала.

Различия в фототоне внутри окружностей обусловлены разными сельскохозяйственными культурами на этих полях. Изображение полей-ферм на зональных снимках неодинаково. Часть кругов, относящихся к обрабатываемым полям, очерчена чётко, другие не имеют чётких границ; видимо, они относятся к подготавливаемым полям, где скважины уже прорыты, но обработка земель не завершена. Чётко очерченные круги имеют неодинаковый тон изображения в зависимости от вида сельскохозяйственных культур, сроков сева и, следовательно, фазы вегетации растений и количества биомассы. По аналогии с изображением на панхроматических снимках с орбитальной станции «Салют», которые анализировались с использованием материалов о распределении культур и сроках сева, полученных из наземных источников и литературных данных, можно предположить, что поля, изобразившиеся на снимках тёмно-серым, почти чёрным тоном, заняты многолетними травами — например, люцерной; поля, имеющие серый тон изображения — зерновыми культурами — пшеницей, ячменём, поля светло-серого тона относятся к массивам, недавно убранным, не занятым посевами, или недавно засеянным. В центре некоторых полей видны светлые пятна, соответствующие, вероятно, положению хозяйственных построек на участках, где заложены скважины.

Снимок 5

Снимок 6

1 — города или городские агломерации с населением 30 000 чел. и более; 2 — территории с ленточными формами расселения вдоль береговой линии; 3 — участки разработок полезных ископаемых. Добыча соли: а — выпаренные водоёмы с солевой коркой на поверхности, б — комплекс водоёмов выпаривания с различной степенью концентрации солей в каждом, в — подсобные территории, используемые для пополнения водой водоёмов выпаривания; 4 — территории сельскохозяйственного освоения с вкраплёнными в них населёнными пунктами до 30 000 жителей, пересечённые сетью оросительных каналов и дорог: а — сравнительно давно освоенные территории, б — территории недавнего сельскохозяйственного освоения, в — территории, освоение которых только начинается; 5 — песчаная глинистая и щебнистая пустыня; 6 — песчано-солончаковые пляжи; 7 — солончаки; 8 — заросли фреатофитовой растительности; 9 — водные поверхности.

Снимок 7

голубая зона зелёная зона Дл. волны — 0,47 мкм Дл. волны — 0,54 мкм красная зона ближняя ИК зона Дл. волны — 0,64 мкм Дл. волны — 0,68 мкм Снимок 8

Субтропические средиземноморские ландшафты.

Горные: I — эрозионно-денудационные среднегорья, сильнорасчленённые, сложенные диабазами, перидотитами, серпентинами верхнего мела со скелетными горными почвами с маквисом, сосновыми и дубовыми лесами, садами; II — эрозионно-расчлененные предгорья, сложенные вулканическими породами верхнего мела, со скелетными горными почвами, с маквисом, хвойными, вечнозелёными лесами, садами; III — эрозионно-расчленённые предгорья, сложенные известняками, с горными коричневыми почвами, с вечнозелёными лесами и садами; IV — эрозионно-денудационные предгорья, с куэстовым рельефом, сильнорасчленённые, сложенные мраморами юрского возраста, радиоляриевыми сланцами триаса и зеленокаменными породами, со скелетными горными почвами, с листопадными и вечнозелёными лесами и маквисом; V — эрозионно-расчленённые предгорья, сложенные флишем миоцена, с горными коричневыми почвами, с листопадными лесами и пастбищами.

Равнинные: VI — равнины возвышенные, эрозионно-расчленённые, сложенные песчаниками и мергелями плиоценового возраста с коричневыми почвами, вечнозелёными и листопадными лесами, маквисом и пашнями; VII — равнины плоские, слаборасчленённые, сложенные песчаниками и мергелями плиоценового возраста, с коричневыми почвами, с листопадными и хвойными лесами, маквисом, пастбищами и пашнями; VIII — равнины приморские, слаборасчленённые, сложенные флишем миоцена, с коричневыми почвами, с пашнями; IX — равнины приморские, слаборасчленённые, сложенные мергелями и песчаниками плиоцена, с коричневыми плиоценовыми почвами, с маквисом и пашнями; X — равнины приморские, слабоволнистые, слаборасчленённые, сложенные карбонатными породами (мергелями), с коричневыми карбонатными почвами (возможно засоленными), с маквисом, дубовыми лесами, пашнями; XI — равнины приморские, пониженные, сложенные осадочными породами, с болотными засолёнными почвами, с влаголюбивыми травами; XII — днища долин, плоские, с пересыхающими водотоками, сложенные аллювиальными песчаниками и галечниками, с влажными коричневыми почвами, с пашнями и вечнозелёными лесами.

Использованная литература

1. Системы GPS

http://systemgps.ru

2. Межуниверситетский аэрокосмический центр при Географическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова

www.geogr.msu.ru

3. Научные статьи по экологии. Статья: «Многозональная съемка»

http://ecotext.ru

4. Геогрфические информационные системы и дистанционное зондирование.

http://gis-lab.info

5. Сайт Дата+

http://www.dataplus.ru