4.3: Супутникові знімки та аерофотозйомка

Last updated
Save as PDF

Page ID: 37043

Anonymous
LibreTexts

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Мета цього розділу полягає в тому, щоб зрозуміти, як супутникові знімки та аерофотозйомка реалізуються в додатках ГІС.

Широкий спектр супутникових знімків і аерофотозйомки доступний для використання в геоінформаційних системах (ГІС). Хоча ці продукти в основному є растровою графікою, вони суттєво відрізняються за своїм використанням в ГІС. Супутникові знімки та аерофотозйомка забезпечують важливу контекстну інформацію для ГІС і часто використовуються для проведення хедз-ап оцифрування (Розділ 5.1.4 «Вторинне захоплення даних»), завдяки чому функції з зображення перетворюються на векторні набори даних.

Супутникові знімки

Супутникові знімки з дистанційного зондування стають все більш поширеними, оскільки супутники, оснащені технологічно передовими датчиками, постійно відправляються в космос державними установами та приватними компаніями по всьому світу. Супутники використовуються для таких застосувань, як військове та цивільне спостереження за землею, зв'язок, навігація, погода, дослідження тощо. В даний час в космос відправлено понад 3000 супутників, причому понад 2500 з них походять з Росії та США. Ці супутники підтримують різні висоти, нахили, ексцентриситети, синхронізації та орбітальні центри, дозволяючи їм зображувати найрізноманітніші поверхневі особливості та процеси (рис. 4.14 «Супутники, що обертаються навколо Землі»).

Малюнок 4.14 Супутники, що обертаються навколо Землі

Супутники можуть бути активними або пасивними. Активні супутники використовують віддалені датчики, які виявляють відбиті реакції від об'єктів, опромінених штучно створеними джерелами енергії. Наприклад, активні датчики, такі як радари, випромінюють радіохвилі, лазерні датчики випромінюють світлові хвилі, а датчики сонарів випромінюють звукові хвилі. У всіх випадках датчик випромінює сигнал, а потім обчислює час, необхідний для того, щоб повернутий сигнал «відскочив» назад від якоїсь віддаленої функції. Знаючи швидкість випромінюваного сигналу, тимчасова затримка від вихідного випромінювання до зворотного може бути використана для обчислення відстані до функції.

Пасивні супутники, в якості альтернативи, використовують датчики, які виявляють відбите або випромінюване електромагнітне випромінювання від природних джерел. Це природне джерело, як правило, енергія від сонця, але можуть бути зображені і інші джерела, такі як магнетизм і геотермальна активність. Використовуючи приклад, який ми всі пережили, фотографування за допомогою камери з підтримкою спалаху буде активним дистанційним зондуванням, тоді як використання камери без спалаху (тобто, спираючись на навколишнє світло для освітлення сцени) буде пасивним дистанційним зондуванням.

Якість і кількість супутникових знімків багато в чому визначається їх роздільною здатністю. Існує чотири типи роздільної здатності, які характеризують будь-який конкретний віддалений датчик (Campbell 2002) .Campbell, J B 2002. Вступ до дистанційного зондування. Нью-Йорк: Гілфорд Прес. Просторова роздільна здатність супутникового зображення, як описано раніше в розділі моделі растрових даних (розділ 4.1 «Моделі растрових даних»), є прямим представленням наземного покриття для кожного пікселя, показаного на зображенні. Якщо супутник створює знімки з роздільною здатністю 10 м, відповідне покриття землі для кожного з цих пікселів становить 10 м на 10 м або 100 квадратних метрів на землі. Просторова роздільна здатність визначається миттєвим полем зору датчиків (IFOV). IFOV - це, по суті, ділянка землі, через яку датчик приймає сигнал електромагнітного випромінювання, і визначається висотою та кутом платформи візуалізації.

Спектральна роздільна здатність позначає здатність датчика вирішувати інтервали довжин хвиль, також звані смугами, в межах електромагнітного спектра. Спектральна роздільна здатність визначається інтервальним розміром довжин хвиль і кількістю скануваних інтервалів. Мультиспектральні та гіперспектральні датчики - це ті датчики, які можуть вирішити безліч інтервалів довжин хвиль у спектрі. Наприклад, супутник IKONOS вирішує зображення для діапазонів на синьому (445—516 нм), зеленому (506—95 нм), червоному (632—98 нм) та ближньому інфрачервоному (757—853 нм) інтервалах довжин хвиль на своєму 4-метровому мультиспектральному сенсорі.

Тимчасова роздільна здатність - це кількість часу між кожним періодом збору знімків і визначається циклом повторення орбіти супутника. Тимчасову роздільну здатність можна розглядати як істинний надир або офф-надир. Області, які вважаються істинним надиром, - це ті, що розташовані безпосередньо під датчиком, тоді як області поза надиром - це ті, які зображені похило. У випадку супутника IKONOS тимчасова роздільна здатність становить від 3 до 5 днів для вимкненої зйомки та 144 дні для візуалізації справжніх надирів.

Четвертий і останній тип роздільної здатності, радіометрична роздільна здатність, відноситься до чутливості датчика до змін яскравості і конкретно позначає кількість рівнів відтінків сірого, які можуть бути зображені датчиком. Зазвичай доступні радіометричні значення для датчика є 8-бітними (дають значення від 0 до 255 як 256 унікальних значень або як 2 ⁸ значень); 11-бітові (0—2,047); 12-бітові (0—4095); або 16-бітні (0—63 535) (докладніше про біти див. розділ 5.1.1 «Типи даних»). Наприклад, Landsat-7 підтримує 8-бітну роздільну здатність для своїх діапазонів і тому може записувати значення для кожного пікселя, які варіюються від 0 до 255.

Через технічні обмеження, пов'язані з супутниковими системами дистанційного зондування, існує компроміс між цими різними типами роздільної здатності. Поліпшення одного типу роздільної здатності часто викликає необхідність зменшення одного з інших типів роздільної здатності. Наприклад, збільшення просторової роздільної здатності зазвичай пов'язане зі зменшенням спектрального дозволу, і навпаки. Аналогічно, геостаціонарні супутники (ті, що оточують землю проксимально екватора один раз на день) дають високу часову роздільну здатність, але низьку просторову роздільну здатність, тоді як сонячно-синхронні супутники (ті, що синхронізують навколополярну орбіту датчика з сонячним освітленням) дають низьку часову роздільну здатність, забезпечуючи високу просторову роздільну здатність. Хоча технологічний прогрес, як правило, може покращити різні роздільні здатності зображення, завжди слід подбати про те, щоб вибрані вами зображення були адекватними представляти або моделювати геопросторові особливості, які є найбільш важливими для вашого дослідження.

Аерофотозйомка

Аерофотозйомка, як і супутникові знімки, являє собою величезне джерело інформації для використання в будь-якій ГІС. Платформи для обладнання, що використовується для зйомки аерофотознімків, включають літаки, вертольоти, повітряні кулі, ракети тощо. Хоча аерофотозйомка передбачає зображення, зроблені з видимого спектру, датчики для вимірювання смуг в невидимому спектрі (наприклад, ультрафіолетовий, інфрачервоний, ближній інфрачервоний) також можуть бути закріплені на повітряних джерелах. Аналогічним чином аерофотозйомка може бути активною або пасивною і може бути зроблена з вертикальних або косих кутів. Слід бути обережним з аерофотознімками, оскільки датчики, що використовуються для зйомки, схожі на камери при використанні об'єктивів. Ці об'єктиви додають зображенням кривизну, яка стає більш вираженою в міру віддалення від центру фотографії (рис. 4.15 «Помилка кривизни через лінзовидні властивості камери»).

Рисунок 4.15 Помилка кривизни через лінзоподібні властивості камери

Іншим джерелом потенційної помилки на аерофотознімку є рельєфне зміщення. Ця помилка виникає з тривимірного аспекту особливостей місцевості і розглядається як явне відхилення вертикальних об'єктів від центральної точки аерофотознімка. Щоб уявити собі такий тип помилки, врахуйте, що димний стек виглядав би як пончик, якщо камера перегляду була безпосередньо над функцією. Однак, якби цей самий димовий стек спостерігався біля краю огляду камери, можна було спостерігати боки димової труби. Ця помилка часто спостерігається з деревами та багатоповерховими будівлями і погіршується зі все більш високими рисами.

Ортофотографії - це вертикальні фотографії, які були геометрично «виправлені» для усунення кривизни та похибки, викликаної територією, із зображень (рис. 4.16 «Ортофото»). Найбільш поширеним ортофотопродуктом є цифровий орточетвертний чотирикутник (DOQQ). DoQQ доступні через Геологічна служба США (USGS), яка почала виробляти ці зображення зі своєї бібліотеки 1:40 000 фотографій Національної програми аерофотозйомки. Ці зображення можуть бути отримані у градаціях сірого або кольоровому кольорі з 1-метровою просторовою роздільною здатністю та 8-бітною радіометричною роздільною здатністю. Як випливає з назви, ці зображення охоплюють чверть чотирикутника USGS 7.5 хвилин, що дорівнює приблизно 25 квадратних милі площі. У комплекті з цими фотографіями є додатковий 50-300-метровий край навколо фотографії, що дозволяє користувачам мозаїчно багато DOQQ в єдине безперервне зображення. Ці DOQQ ідеально підходять для використання в ГІС як фонової інформації для відображення, для редагування даних та для оцифрування хедз-ап.

Малюнок 4.16 Ортофото

Джерело: Дані, доступні з Геологічної служби США, Центр спостереження та науки про Землю (EROS), Сіу-Фоллс, SD.

Ключові виноси

Супутникові знімки є загальним інструментом для картографічних додатків ГІС, оскільки ці дані стають все більш доступними через постійний технологічний прогрес.
Супутникові знімки можуть бути пасивними або активними.
Чотири типи роздільної здатності, пов'язані з супутниковими знімками, - це просторові, спектральні, часові та радіометричні.
Вертикальні та похилі аерофотознімки забезпечують цінну базову інформацію для додатків ГІС.

Вправа

Перейдіть на веб-сайт EarthExplorer (EdCSns17.cr.usgs.gov/EarthExplorer) і завантажте два супутникові зображення місцевості, в якій ви проживаєте. Які різні просторові, спектральні, часові та радіометричні дозволи для цих двох зображень? Чи забезпечують ці супутники активні або пасивні знімки (або обидва)? Вони геостаціонарні або сонячно-синхронні?