ДЗЗ для экологических задач. Часть 1: Введение в теорию ДЗЗ

Использование Дистанционного Зондирования Земли для задач изучения, сохранения и восстановления Природы

О целях и планах развития

Цель статьи – дать введение в теорию и практику технологий Дистанционного Зондирования Земли (ДЗЗ) начинающим и только интересующимся этой сферой, прежде всего, в плане возможностей использования этих технологий для решения природоохранных и научных (биологических, экологических) задач.

Статья состоит из двух частей:
Часть I. Краткое введение в теорию и практику Дистанционного Зондирования Земли.
Часть II. Примеры направлений использования ДЗЗ в сопряжении с ГИС и Веб ГИС технологиями для решения природоохранных и научных (биологических, экологических) задач.

Планируется, что в дальнейшем статья будет дополняться новыми материалами, расширяя охват примеров направлений приложения ДЗЗ в экологической тематике.
Приглашаем каждого к расширению материалов статьи (возможно, в будущем, серии статей или же объединенного курса). Вы можете предложить новые примеры для включения в материал, а также поделиться идеями по поводу улучшения его изложения - в теме форума.

Цель статьи дать ответы на вопросы:

1. Что представляют собой технологии Дистанционного Зондирования Земли (ДЗЗ)?
2. Какие задачи в сфере Охраны Природы и биологических наук можно решать при использовании технологий ДЗЗ?
3. Какие первые шаги нужно сделать, чтобы начать работать с ДЗЗ?

Часть I. Краткое введение в теорию и практику Дистанционного Зондирования Земли

Немного об истории и современности ДЗЗ

Дистанционное Зондирование Земли (ДЗЗ) возникло из изучения свойств света и фотографии. Технологии шли к этому постепенно, начиная с начала XIX века.
Рождение собственно ДЗЗ произошло 23 июля 1972 года, когда США был запущен первый орбитальный спутник Earth Resources Technology Satellite, позже переименованный в Landsat, который стал собирать информацию о земной поверхности и предоставлять ее всем желающим на бесплатной основе. В наши дни вокруг Земли летает уже множество спутников многих государств, получающих данные разнообразного качества и свойства о поверхности планеты и передающих их людям, как на коммерческой, так и на бесплатной основе.

Что такое Дистанционное Зондирование Земли?

Дистанционное Зондирование Земли [Remote Sensing] это наука и совокупность технологий, которые получают, обрабатывают и интерпретируют информацию о различных объектах земной поверхности без прямого физического контакта с этой поверхностью, - посредством фиксирования отраженной солнечной энергии и излученной тепловой энергии (электромагнитного излучения) от земной поверхности, реализующегося сенсорами, расположенными на орбитальных спутниках планеты.

Схема, приведенная на рис.1. иллюстрирует общий принцип работы технологий ДЗЗ:

Рис. 1. Общий принцип работы Дистанционного Зондирования Земли
A.Источник электромагнитной радиации (Солнце)
B.Прохождение солнечной радиации через Атмосферу при взаимодействии с ней к земной поверхности
C.Отражение и испускание электромагнитного излучения от земной поверхностью
D.Фиксирование отраженной и испущенной энергии сенсором орбитального спутника и ее сохранение в специальном формате
E.Передача и первичная обработка полученных данных
F.Анализ данных (пользовательская обработка полученных данных с различными целями), интерпретация полученных результатов
G.Конечное применение полученных результатов (разработка карт, написание статей, принятие решений и пр.)

Для понимания принципа работы технологий ДЗЗ необходимо ознакомиться с несколькими базовыми теоретическими понятиями.

Электромагнитный спектр. Атмосферные окна

Рис.2. Электромагнитный спектр [1]

Электромагнитный спектр – это полный интервал всех существующих длин волн электромагнитной радиации. Он варьирует от самых коротких волн (гамма и рентгеновское излучение) до самых длинных волн (микро- и радиоволны).

Человеческий глаз видит мир всего лишь в небольшом интервале электромагнитного спектра, который так и называется – видимая область спектра (visible spectrum, visible radiation). Он расположен между длинами волн 0,4 и 0,7 µm (микрометров). Обычная фотосъёмка осуществляется в диапазоне только чуть шире видимого – между 0.3 µm и 0.9 µm (ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны). Однако технологии ДЗЗ позволяют получать снимки земной поверхности практически со всего электромагнитного спектра – точнее, со всех интервалов спектра, доступных к съемке.
Дело в том, что Атмосфера Земли имеет свойство – поглощать электромагнитное излучение на определенных интервалах электромагнитного спектра (то есть излучение определенных длин волн). Те участки электромагнитного спектра, которые не поглощаются Атмосферой – называются “атмосферными окнами”, и только на этих интервалах – возможно получение снимков методами ДЗЗ (рис.3).

Рис.3. Атмосферные окна [1]
Голубым цветом показаны участки спектра, поглощаемые Атмосферой, а желтым цветом показаны атмосферные окна, в которых возможно получение спутниковых снимков земной поверхности

При всех возможном к съемке диапазонах электромагнитного спектра каждым конкретным сенсором спутника он используется не полностью, а лишь в тех интервалах, в которых данный сенсор настроен производить съемку. Каждым сенсором спутника съемка поверхности производится в спектральных каналах (spectral bands), каждый из которых имеет свой четко определенный интервал электромагнитного спектра, в котором производится снимок. Число спектральных каналов и спектральный диапазон каждого канала – разное у разных сенсоров, эту информацию можно узнать, например, на официальном сайте, посвященном данному сенсору (рис.4). Загружая снимок из архива – пользователь получает столько отдельных сцен (файлов снимка), сколько спектральных каналов имеет данный сенсор (рис.5).

Рис.4. Спектральные диапазоны каналов спутников Landsat 7 и Landsat 8 [new3]

Пример

На рис.5. показаны все (семь) каналов снимка спутника Landsat-5, открытые в программе для обработки спутниковых снимков ENVI 4.8. Cпектральные диапазоны и другие характеристики каналов снимков Landsat, (которые имеют несколько поколений и, соответственно, несколько видов сенсоров: Landsat 1,2,3 (сенсор - MSS), Landsat 4,5 (сенсор - TM), Landsat 7 (сенсор - ETM+) и самый последний, запущенный в феврале 2013 года Landsat 8 (сенсоры – OLI и TIRS)) можно узнать на официальном сайте USGS по программе Landsat по данным ссылкам:

http://landsat.usgs.gov/best_spectral_bands_to_use.php
http://landsat.usgs.gov/band_designations_landsat_satellites.php

Рис.5. Все (семь) каналов снимка Landsat 5, открытые в программе для обработки спутниковых снимков ENVI 4.8

Обработка космических снимков для распознавания различных характеристик земной поверхности

Обработка спутниковых снимков способна выявлять различные характеристики земной поверхности, такие как: определение преобладающего минерального состава открытых горных пород, выявление плотности и степени нарушенности растительного покрова, преобладающего видового состава и плотности насаждений лесов, создания карт температуры воздуха, земной поверхности и поверхности водных объектов, определения влажности и минерального состава почвы, выявления пятен антропогенных загрязнений на суше и море, определение территорий с лесными пожарами, гарями, нелегальными вырубками и многое другое.

Выявление характеристик земной поверхности реализуется посредством использования специального программного обеспечения (ПО) по обработке спутниковых снимков, наиболее известные из которых – это ENVI и ERDAS IMAGINE. Работа в этих программах часто идет в сопряжении с работой в программах ГИС, например, ENVI имеет специальные опции, рассчитанные на сопряженную работу с ArcGIS. Однако, все коммерческие ПО, - довольно дорогие. Как хорошая альтернатива – существует выбор и открытого (бесплатного) ПО, которое также позволяет вести обработку спутниковых снимков и сопряженную ГИС работу (GRASS, QGIS, др). Более подробно вопрос выбора программного обеспечения для обработки спутниковых снимков в данной статье не рассматривается.

Чтобы понять принцип обработки снимков необходимо коснуться нескольких теоретических и технических аспектов, рассмотренных ниже.

Как сенсор записывает зафиксированную энергию, отраженную и испущенную от земной поверхности?