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 фиксирует энергию, отраженную и испущенную от земной поверхности?

Результат спутникового фотографирования земной поверхности в одном канале – называется "сцена снимка" (scene of image). Каждый снимок имеет такое число сцен, сколько спектральных каналов имеет сенсор. Иначе говоря, все сцены одного снимка – это фотографии одной и той же местности и одного и того же времени, сделанные в разных спектральных каналах сенсора.
Сцена снимка представляет собой растр с минимальной единицей изображений - квадратный пиксель. Увидеть эту единицу можно, если открыть сцену снимка в любом графическом редакторе и довести увеличение изображения до максимума.
Сенсор спутника регистрирует отраженное и испущенное от земной поверхности электромагнитное излучение и сохраняет это измерение для каждого пикселя снимка в особых единицах, называемых "уровень серого" или (использующийся и в русской сфере английский термин) - Digital Number (DN). Уровни серого снимков современных сенсоров делятся на 64, 256 и 65536 ступеней.
Число ступеней DN зависит от количества двоичных цифр (0 и 1) (т.е.бит), необходимых для сохранения в цифровой форме максимальное значение параметра. Чтобы получить число возможных ступеней - нужно число "2" возвести в степень, которое есть это необходимо число бит:
Так при 6 битах, число ступеней 2⁶=64, при 8 битах (наиболее частый случай), число ступеней 2⁸=256 и при 16 битах число ступеней 2¹⁶ = 65536 ступеней (например, столько ступеней имеют снимки спутника Landsat 8, в отличие от более ранних Ландсатов, имеющих 256 ступеней).

Рис. 6. Уровень серого (Digital Number) снимка с числом ступней вариации от белого до черного – 256.

Чем является каждое число "уровня серого" для каждого пикселя сцены снимка?

Для формирования правильного подхода к интерпретации результатов обработки снимков важно понимать, что представляет собой каждое число DN для каждого пикселя сцены снимка. Уровень серого (DN) каждого пикселя растра снимка представляет собой записанное среднее измерение энергии отраженной и испущенной от той территории на поверхности планеты, которая соответствует этому пикселю (это квадрат, который в современных снимках варьирует от 0,3 х 0,3 до 1000 х 1000 метров). Подчеркнем, что сенсор фиксирует в пикселе для каждого такого квадрата уровень серого, исходя из среднего показателя отраженной и испущенной энергии всех слагающих квадрат типов поверхностей.