Авиакосмические системы и технологии в дистанционном зондировании Земли Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2015 8. Issue 6. 690-700

УДК 528.8; 629.78

Aerospace Systems and Technologies in Remote Sensing of the Earth

Boris I. Beliaev*

Research Institute of Applied Physical Problems named after A.N. Sevchenko of the Belarusian State University

7 Kurchatov, Minsk, 220108, Belarus

Received 03.02.2015, received in revised form 17.04.2015, accepted 07.08.2015

The long-term studies of natural formations in the optical wavelength range are described. The results of development and the creation of devices and ground-based, air- and spaceborne videospectral systems for study of the earth's surface by spectral methods, laboratory and flight equipment adjustment are considered.

Keywords: remote sensing, air- and spaceborne systems, equipment and systems adjustment, spectrometers, spectroradiometers.

DOI: 10.17516/1999-494X-2015-8-6-690-700.

Авиакосмические системы и технологии в дистанционном зондировании земли

Б.И. Беляев

Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного университета Республика Беларусь, 220108, Минск, ул. Курчатова, 7

Описываются многолетние исследования природных образований Земли в оптическом диапазоне длин волн. Рассматриваются результаты разработки и создания приборов и видеоспектральных систем наземного, авиационного и космического базирования для изучения земной поверхности спектральными методами, лабораторные и полетные калибровки аппаратуры.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, авиакосмические системы, калибровки приборов и систем, спектрометры, спектрорадиометры.

© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: remsens@mail.ru

Введение

Измерение, преобразование и анализ физических параметров световых полей объектов составляют основу дистанционных оптических методов изучения природных и искусственных образований.

Актуальность исследований в этой области определяется как необходимостью фундаментального изучения характеристик природных процессов, сред и объектов, так и решением конкретных прикладных задач.

Методы и системы дистанционного зондирования, использующие видеоспектральную информацию об объектах, находят все более широкое применение в научных исследованиях, в экономике (ГИС и производственно-хозяйственная инфраструктура), в сельском и лесном хозяйстве, экологии, в отслеживании и контроле чрезвычайных ситуаций (пожары, наводнения, природные и техногенные катастрофы) и т.д.

В данной работе описывается развитие основных элементов аэрокосмического мониторинга природных образований (методы, аппаратура, метрология, результаты обработки и представления данных), необходимых для эффективного решения как фундаментальных, так и прикладных задач.

Спектрометры и спектрорадиометры для дистанционной диагностики состояния сред и объектов

В настоящее время в НИИПФП БГУ разработаны, созданы и широко используются в натурных экспериментах микропроцессорные спектрометрические модули (МС). Это серия дистанционного зондирования. В НИИПФП БГУ была разработана и изготовлена линейка многофункциональных приборов от МС-02 до МС-16 с комплектом специальных насадок и специальным программным обеспечением. Приборы (в комплекте с ПК) можно использовать для проведения измерений в лабораторных, наземных, полевых условиях, а также с борта летательных аппаратов [1, 2].

Основные характеристики последних модификаций спектрорадиометров сведены в таблице.

Для расширения функциональных возможностей средств ДЗЗ и повышения точности диагностики состояния объектов в НИИПФП БГУ разработаны и созданы широкодиапазонные полевой спектрорадиометр ПСР-02 на диапазон 0,35-2,5 мкм со спектральным разрешением 2 нм в области 0,35-1,05 мкм и 10 нм для поддиапазона 1,05-2,5 мкм и переносной высокоточный спектрометр ПВС-02 (рис. 1) [3, 4].

С помощью созданных приборов проведен большой объем исследований по выявлению связей между оптическими характеристиками и физическими параметрами изучаемых объектов. Исследованы связи оптических характеристик внутренних водоемов с уровнем эвтрофиро-вания, содержанием фитопланктона и минеральных взвесей. Разработаны методики определения уровня минерального питания сельскохозяйственных растений, оценки фитосанитарного состояния посевов картофеля, определения биомассы зерновых культур [2].

Спектрально-энергетические наземные и полетные калибровки приборов и систем

Повышение требований к точности измерения радиометрических характеристик приемных датчиков оптоэлектронных приборов обусловлена усложнением и расширением круга за- 691 -

Таблица. Основные характеристики спектрорадиометров

Характеристики МС-08 МС-09 (10) МС-11 (12) МС-16

Спектральный диапазон, нм 3501050 3401070 3501070 380950

Спектральное разрешение, нм 2 1,2 2 2

Шаг

дискретизации, нм/канал 0,7 0,35 0,2 0,1

Число каналов 1024 2048 3648 3648

Детектор Фотодиодная линейка ПЗС линейка ПЗС линейка ПЗС линейка

Диспергирующий Многосекционная Многосекционная Многосекционная Вогнутая

элемент, (штр/мм) вогнутая решетка, (120) вогнутая решетка, (120) вогнутая решетка, (120) голограммная решетка, (315)

Модель SubNotebook от 386/486 IBM/ Comp Partner E415L Partner E415L Смартфон

компьютера (G320) (G320) HUAWEI PG-U06

Вес оптического модуля, кг 4,0 3,7 3,2 1,9

дач, решаемых методами дистанционного оптического зондирования, и необходимостью корректного сопоставления данных, получаемых различными приборами.

В НИИПФП им. А. Н. Севченко БГУ в 1989 г. создан метрологический комплекс «Камелия-М» в соответствии с поверочной схемой средств измерения спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) и модернизирован в 2003 г. Он предназначен для высокоточной калибровки различной спектрометрической и видеоспектральной аппаратуры в рабочем спектральном диапазоне от 0,35 до 2,5 мкм (рис. 3). Комплекс аккредитован в Госстандарте Республики Беларусь, регистрационный номер BY/112 02.5.0.0012 [5].

Основными операциями при калибровке аппаратуры на комплексе «Камелия-М» являются: определение рабочего спектрального диапазона; определение пороговых значений СПЭЯ и

ж т

i

ч »

9»

_J

п. j |\/ и 1

V \ /

__ f

Питан

-псспк С -qKjimjti.

-L-тплпи лс^скьги:

-—снят

— JlDt;

——ашСИ™

НО (Я) «О <Н 7Я ЕЯ ио

г

V

■ \

| ! i I

ш

/ 1 т

/М Я

г' "Г

- ирсшайрпы,

- l^i^HJULOJU

- трал.

- ртоертст,

ПК«,

ю да

I5!—с. 2. Иллюс трация многоо (эрр^зия отражател1>ных характеристик природных и искусственных объектов в диапазоне 0,35 - 1,0 мкм (а) и 0,35 - 2,5 мкм (б)

Рис. 3. Внешний вид метрологического комплекса «Камелия-М»

динамического диапазона; определение спектральной чувствительности по абсолютным значениям СПЭЯ.

После создания, наземной калибровки и запуска оптоэлектронных съемочных систем ДЗЗ, предназначенных для долговременного функционирования в условиях космического по- 6935 -

лета, встает важнейшая задача абсолютных радиометрических калибровок систем на борту космического носителя. Для осуществления полетных калибровок нами разработана методика многоуровневых измерений тестовых участков полигона БГУ «Западная Березина», включающая квазисинхронные измерения спектральных отражательных характеристик на трех уровнях - наземном, авиационном и космическом - и методики совместной тематической обработки спектров и изображений, позволяющие увеличить точность классификации подстилающих поверхностей за счет значительного увеличения количества спектральных каналов [2].

Исследов ание характерист ик при родных образований с авиационных носителей

Одной из систем авиационного мониторинга территорий РБ является авиационная система контроля АСК-ЧС, которая предназначена для определения масштабов и оценки последствий от ЧС ризличного уровня (рис. 4а). Основные научно-технические задочи, решаемые с помощью АСК-ЧС в интересах ММ ЧС РБ: о пе ративное построение картосхем тепловых полей лесных, торфяных пожаров и других объектов в условиях сильной задымленности с координатной привязкой очагов горения, определение масштабов пожаров и последствий от них; определение масштабов утечек из нефте- и продуктопроводов, оценка их последствий; построение картосхем повреждений от ураганов; построение; картосхем затопленных территорий и оценка пое следствий от наводнений. Система АСК-ЧС была установлена на самолете Ан-2 МЧС РБ и эффективно используется для решения задач предупреждения и ликвидации ЧС [6].

Еще одна авиационная спекгрозональная с истема АВИС (рис. 4 б) еысокого простран-ственново и спектралсного разрешения прерназначена для регистрации спектрозональных, монохромных и тепловых изображений земной поверхности при авиационном мо ниторинге.

Рис. 4. Авиационные системы: а - внешний вид блоков и датчиков АСК-ЧС (1 - модуль зональной съемки;

2 - сменная кассета со светофильтрами; 3 - модуль ноординатной привязки; ° - бормовой компьютер; 5 - модуль некопнения видеодкнных; б - модуль трассовой съемки; 7 - монитор) пилота; 8 - модуль питания и коммутации; 9 - модуль инфракрасной съемки); б - внешнтй вид блока оптических даочиков АВИС (1 - объеккив модуля съемочной камеры оператора; 2 - объекеив модуля инфракрасной камеры;

3 - объектив модуля спектрорадигметр а; 4 - три объектива съемочных камер модула спектрозонального видеонаблюдения; 5 - объектив излучателя и к - объектив приемника модуля ла зерного высотомера)

АВИС предназначена для осуществления съемок объектов и территорий с авиационных носителей типа Ан-2, оборудованных специальным люком и гироплатформой с высот от 100 до 2500 м. АВИС обеспечивает: регистрацию ИК-изображений в диапазоне длин волн 7,5-13 мкм с числом элементов изображения 640 х 480; регистрацию спектрозональных изображений в диапазоне длин волн 400-900 нм с числом элементов изображения 33 Мпкс с пространственным разрешением 10 см с высоты 500 м; регистрацию спектров высокого разрешения в диапазоне 400-900 нм (МС14). Система АВИС эксплуатируется на самолетах ГП «Беллесавиа» МЧС РБ [7].

В ходе проведения съемок системами АСК-ЧС и АВИС получены тематические картосхемы с выделением основных классов лесных территорий для целого ряда лесничеств РБ. Результаты компьютерной классификации сравнивали с таксационными описаниями в базе данных ГИС «Лесные ресурсы». Корреляция результатов классификации и описаний ГИС «Лесные ресурсы» во всех случаях достаточно высокая и составляет 75-95 % [2].

Космические видеоспектральные системы

Космические исследования подстилающих поверхностей проводились нашими приборами - малогабаритными скоростными спектрометрами серии МСС-2 - с борта ОНС «Са-лют-4» «Салют-6» «Салют-7». С 1988 г. на борту орбитальной станции «Мир» функционировала микропроцессорная система регистрации, накопления и обработки видеоспектральной информации «Гемма 2-видео», разработанная и созданная в НИИПФП БГУ С системой «Гемма 2-видео» была проведена обширная серия космических экспериментов по геоэкологическим исследованиям спектральных отражательных характеристик различных типов подстилающих поверхностей и атмосферы Земли [2].

К настоящему времени в НИИПФП БГУ совместно с Институтом географии РАН по заказу ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева» разработана и изготовлена фотоспектральная система ФСС (рис. 5а), предназначенная для регистрации спектров отраженного излучения подстилающих поверхностей в диапазоне длин волн 350-1050 нм, однозначно «привязанных» к цветным изображениям высокого пространственного разрешения с борта российского сегмента МКС в космическом эксперименте «Ураган» [8] - «Экспериментальная отработка наземно-космической системы мониторинга и прогноза развития природных и техногенных катастроф». Цель научной программы «Ураган» - выработка требований к наземно-космической системе предупреждения катастроф. С августа 2010 г. всеми экспедициями на МКС проводятся регулярные съемки аппаратурой ФСС спектров и изображений различных участков земной поверхности при различных условиях освещения и наблюдения. Получен большой объем информации по многим регионам земного шара. Ведется обработка данных [9, 10].

Логическим развитием системы ФСС явилась разработанная и созданная в НИИПФП БГУ видеоспектральная система ВСС (рис. 56), также предназначенная для проведения измерений характеристик отраженного излучения подстилающих поверхностей в диапазоне длин волн от 400 до 950 нм на служебном модуле российского сегмента МКС при выполнении мониторинга земной поверхности в ходе проведения научно-прикладных исследований в космическом эксперименте «Ураган» [11]. В результате применения разработанной нами методики декомпозиции и последующей интерполяции спектров, применяемой к совокупности данных, полу- 695 -

Рис. 5. Внешний вид космических видеоспектральных систем: а - ФСС (1 - модуль регистрации изображений (МРИ); 2 - модуль спектрометрический (МС); 3 - планшетный компьютер модуля электроники; 4 - объектив МРИ; 5 - объектив МС), б - ВСС (1 - базовый блок; 2 - блок объектива; 3 - блок монитора; 4 - камера видеосопровождения)

чаемых ВСС, последняя по информативности будет близка к видеоспжтрометрам, и это дает возможность применять методы классификации, основанные на совместном использовании спектральной, пространственной (текстурной) и угловой информации. Система ВСС успешно прошла все испытания и в октябре 2014 г. доставлена на МКС.

Некоторые результаты исследований! Земли ез космоса

Солнечный спектр является непрерывным в крайне широком диапазоне частот - от низкочастотного радиоволнового до сверхвысокочастотного рентгеновского и гамма-излучения. В спектре солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, присутствуют линии Фра-унгофера (поглощение химическими элемтсаами в атмосфере Солнца в деепазоне 390-520 нм), а такса теллурические ленеи и полосы, обусловленные поглощением компонентами атмосферы - преимущественно озоном, парами воды и молекулярным кислородом (рис. 6а). На рис. 6б показана геометрическая схема измерений спектров рассеяния излучения атмосферой при спектрометрировании с поверхности Земли при различных углах визирования по отношению к зениту и из космоса.

Исследования оптических характеристик фонов Земли (системы «подстилающая поверхность - атмосфера») проводили с целью систематизации данных, составления каталогов и атласов спектроэнергетических характеристик основных классов природных фонов и формирования модели фонов Земли как планеты в целом. На рис. 7 приведены некоторые результаты геофизических экспериментов по исследованию яркостей природных фонов и их зависимостей от зенитного угла Солнца [2, 12].

Было установлено, что яркости излучения, отраженного от поверхности воды, зависят не только от зенитного угла Солнца, но для акваторий океана зависят также от атмосферных аэрозольной и молекулярной индикатрис рассеяния. Чем короче длина волны отраженного излучения, тем меньше яркость зеркального отражения от поверхности воды. В ходе иссле-

200

150

лЛ/

V

100

s" 50 ■ !

Л

A.

iwv л

Л J \л

г*. ln\

4,

MJ5

I Ц П

н— 44» Ж

350

550 750

Дли ни волны, мм

9 S0

б

Рис. 6. А - Зарегистрированный прибором МС-12 спектр отражения с обозначенными фраунгоферовыми и теллурическими линиями; б - схема геометрии измерений при ДЗО: 1 - уходощая и пропущенная солнечная радиация; 2 - СПЭЯ восходящего излучения при космических и наземных измерениях; 3 - СПЭЯ облачности

а

дований были определены оптимальные условия наблюдения цветовых различий и спем-тральных контрастов, благоприятных для обнаружения биопродуктивных районов океана. Найдены статистические связи выходящего из воды излучения с содержанием пигментов фитопланктона.

На основе анализа полученных данных было пока-ано, что по спектральной яркости отраженного Землей излучения можно ироводить фиоиеоагеоорафическое раНонирование территорий, т.е . различать физико -географические зоны и физиео-географические провинции. Даже такому мелкому географическому делению, как провинция, соответствует свой среднестатистический спектральный образ [2].

Исследования светового ореола Земли проводили при спектрофотометрировании дневного горизонта пбонеты методом пространственного сканирования горизонте Земли оптичеакой осью аппаратуры под розными углами!.

Были опреде лены толщины оптичзакого слоя атмосферы в различных а частках саектра. Так, для красной области (0,62-0,72 мкм) она равна (27 ± 4) км, а для синей - (36 ± 4) км, что связано с особенностями рассеяния света в атмосфере. Уверенно обнаруживаются при этом оптические неоднородности на высотах 17-20 км - это аэрозольный слой Юнге.

Оптико-физические характеристики серебристых облаков были определены в результате впервые полученных уникальных данных инструментальных измерений из космоса. Серебристые облака - это самые высотные облака в атмосфере Земли. Они образуются в районе высокоширотной летней мезопаузы на высотах 80-85 км. Имеют очень малую оптическую толщину. На основании наших исследований удалось установить, что серебристые облака -

Рис; . 1 Оптические характеристики фонов Земли: а - спектральные яркости фонов при одном 7®: 1 - облачность, 2 - пустышя, 3 - растительность, 4 - вода; б - зависимость спектральной иркости Вх от зенитного угла (Солнца 7® для основных классов природных фонов

350 450 550 650 750 S50 Длина волны, им

600 ь 500

350 450 550 650 750 850

Длина волны, им

б

Рис. 88. А- Экспериментальные спектры1 восходящего излучения, измеренные из космоса: 1 - о блачности; 2 - водной поверхности; 3 - растительно-ти; б - экспериментальные спектры восходящего излучения, измеренные из космоса над водными поверхностями при различных зенитных углах Солнца: 1 - 22,3; 2 - 31,1; 3 - 58,1; 4 - 63,5; 5 - 67,9

это полидисперсная среда, состоящая из ансамбля идентичных с ферических частиц, где распределение частиц по размерам высражается законом Юнге (rmi„ = 0,025 мкм - минимальный и гтах = 1,9 мкм - максимальаы>ш радиусы>1 частиц в ансамбле). Конаентрация частиц в облаке составляет 6 см~3 [2].

(Спектральные распределения яркости излучения Земли из космоса. На рис. 8а приведены, экспериментальный спектры1 восходянеего излучения, измеренныые ФСС из космоса, при углах наблюдения, б-изких к надир)}' (для диапазона 350-700 н—).

Из рис. 8а и 8б и других имеющихся в нашем распоряжении измерений из космоса видно, что максимум уходящего излучения смещен в синюю область по отношению к максимуму солнечного излучения (Хшах = 460-470 нм) на 50-60 нм для слабоотражающих в «синей» области поверхностей (водных и растительных) и находится на длинах волн 1шах = 410-415 нм. Среднестатистическое значение «голубого» смещения для безоблачной атмосферы составляет 55 нм.

Положение максимума яркости над водными поверхностями в чистой атмосфере (рис. 9б) при изменении зенитных углов Солнца от 20 до 70 ° остаётся практически постоянным в окрестности 410 - 415 нм, что свидетельствует о преобладающем в этом случае вкладе молекулярного рассеяния света в атмосфере, обладающего практически круговой индикатрисой рассеяния.

Заключение

В статье представлены результаты разработок оптико-электронных систем дистанционной спектрометрии, предназначенные для исследований различных природных и искусственных образований и сред в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра в наземных условиях с авиационных носителей и из космоса.

Приведены некоторые результаты комплексных исследований оптико-спектральных характеристик природных образований с помощью созданных приборов и систем дистанционного зондирования Земли.

Представленные в статье оптико-спектральные характеристики природных образований, полученные с помощью созданных приборов и систем ДЗЗ, использовались для диагностики состояния различных сред и объектов. Все описанные приборы и комплексы прошли всесторонние испытания и нашли применение в различных организациях и ведомствах Беларуси, России и странах ближнего зарубежья.

Список литературы

[1] Беляев Б.И., Сосенко В.А. // Журнал прикладной спектроскопии. 1997. Т. 64. № 6. С. 827833.

[2] Беляев Б.И., Катковский Л.В. Оптическое дистанционное зондирование. Минск: БГУ, 2006. 455 с.

[3] Беляев Б.И., Беляев Ю.В., Нестерович Э.И. и др. // Приборы и техника эксперимента. 2010. № 3. С. 127-132.

[4] Беляев Б.И., Беляев Ю.В., Цикман И.М. // Журнал прикладной спектроскопии. 2010. Т. 77. № 5. С. 774-780.

[5] Беляев Б.И., Беляев Ю.В., Залетный В.М. и др. Приборы для научных исследований: Каталог приборов, комплексов, установок, разработанных по ГКНТ «Приборы для научных исследований». Минск, 2006. С. 13-16.

[6] Катковский Л.В., Хвалей С.В., Шукайло В.Г., Сизиков А.С. // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. 2013. № 2 (34). С. 66-80.

[7] Хвалей С.В., Беляев Б.И., Беляев Ю.В. и др. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Тезисы докладов 9-й открытой Всероссийской конференции. М., 2011.

[8] Беляев Б.И., Катковский Л.В., Сосенко В.А. // Наука и инновации. 2013. № 5 (123). С. 1518.

[9] Беляев Б.И., БеляевМ.Ю., Десинов Л.В. и др. // Журнал прикладной спектроскопии. 2012. Т. 79. № 4. С. 669-675.

[10] Беляев Б.И., Беляев М.Ю., Десинов Л.В. и др. // Исследование Земли из космоса. 2014. № 6. С. 27-39.

[11] Беляев Б.И., Беляев М.Ю., Гусев В.Ф. и др. // Материалы Шестого Белорусского космического конгресса. 2014. Т. 1. С. 211-214.

[12] Беляев Б.И. // Информатика. 2007. № 3. С. 103-113.