Дистанционные методы и аппаратура для исследования Земли из космоса Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Дистанционные методы и аппаратура

для исследования Земли из космоса

УДК 535.3; 528.727

Задачи космического землеведения в конце 1960-х гг. обусловили разработку спектральных методов исследования Земли и создание специальной бортовой аппаратуры, малогабаритной и надежной. В развитии космических спектральных методов тогда наметились два подхода. Первый - многозональная (мультиспектральная) съемка, позволяющая получать изображения Земли с высоким пространственным разрешением в нескольких отдельных спектральных зонах. Второй - спектрометрическая регистрация, при которой спектры высокого разрешения усредняются по некоторому участку земной поверхности. Симбиозом этих подходов стали появившиеся в дальнейшем видеоспектрометры.

Белорусские ученые одними из первых сконструировали приборы для изучения земной поверхности из космоса спектральными методами. В 1968 г. по инициативе и под руководством Л.И. Киселевского в Институте физики АН БССР были начаты работы по космической спектроскопии нашей планеты. Создавалась специальная аппаратура и проводились фундаментальные исследования неизвестных в то время физических и оптических свойств атмосферы и поверхности Земли, а также прикладные исследования на орбитальных научных станциях «Салют», «Мир» и Международной космической станции (МКС).

Проведенные исследования завершились основанием крупной научной школы в стенах Института физики, которая позже развивалась в Белорусском государственном университете. В 1991 г. коллектив специалистов БГУ был удостоен Государственной премии СССР в области науки и техники. В настоящее время в отделе аэрокосмических исследований Института прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко БГУ (НИИ ПФП) продолжаются работы по созданию системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) для космических, авиационных и передвижных платформ, позволяющие регистрировать спектральные, энергетические, поляризационные, угловые и пространственные характеристики излучения природных и антропогенных объектов, разрабатываются методы диагностики различных сред и объектов, а также тематической обработки данных ДЗЗ. Далее описаны отдельные системы космического базирования и методы анализа результатов измерений, разработанные в НИИ ПФП.

Значительные успехи дистанционных методов мониторинга объектов на земной поверхности и в атмосфере, а также глобального и регионального контроля природных и антропогенных процессов обусловлены применением спектральных и видеоспектральных систем высокого спектрального и пространственного разрешения.

Спектрорадиометры на области спектра 0,35^1,1 мкм и 0,35^2,5 мкм

Спектрорадиометры серии МС обеспечивают высокоточные абсолютные измерения спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) излучения в спектральном диапазоне 0,35*1,1 мкм с разрешением 2 нм [1]. В сочетании с дополнительным набором оборудования (сменные объективы, световодные и поляризационные насадки) используются и как самостоятельные исследовательские приборы, и в составе некоторых авиакосмических систем ДЗЗ в виде спектрометрических модулей (с соответствующими модификациями).

Для оперативной дистанционной диагностики состояния сельскохозяйственной и лесной растительности, почв и других объектов создан полевой спек-трорадиометр (ПСР-02), работающий в спектральном диапазоне 0,35*2,5 мкм (разрешение 2 нм в диапазоне 0,35*1,05 мкм, 8 нм в диапазоне 1,05*2,5 мкм) [2].

В ПСР-02 совмещение полей зрения двух полихроматоров (видимого и ИК-диапазонов), имеющих фотоприемные линейки для одновременной регистрации сигналов от исследуемых объектов, которая требуется при переменной освещенности либо при движении прибора (объекта), реализовано с помощью одного входного объектива и спектроде-лителя.

Борис Беляев,

завотделом аэрокосмических исследований Института прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко БГУ, доктор физико-математических наук, профессор

Гм

Леонид Катковский,

главный научный сотрудник лаборатории дистанционной фотометрии Института прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко БГУ, доктор физико-математических наук, доцент

Виктор Сосенко,

завлабораторией оптико-электронных систем Института прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко БГУ, кандидат технических наук

Рис. 1. Фотоспектральная система:

1 - модуль регистрации изображений (МРИ);

2 - модуль спектрометрический (МС);

3 - планшетный компьютер модуля электроники;

4 - объектив МРИ; 5 - объектив МС

Рис. 2.

Летный образец СФК с системой пространственного сканирования:

1 - блок электроники;

2 - блок оптический;

3 - модуль визира;

4 - система пространственного сканирования;

5 - кронштейн системы пространственного сканирования

Космические системы дистанционного исследования Земли

Одной из первых разработок НИИ ПФП по заказу НПО «Энергия» для регистрации спектров и телевизионных изображений с пилотируемой космической платформы была система «Гемма 2 видео», которая с 1989 г. использовалась на борту орбитального комплекса «Мир» при проведении геоэкоин-формационных исследований [1].

Для изучения из космоса оптических излучений в атмосфере Земли, обусловленных грозовой активностью, а также связанных с сейсмическими процессами, в 1999 г. НИИ ПФП по контракту с Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИ РАН) совместно с РКК «Энергия» сконструировал видеофотометрическую систему

ВФС 3М [1]. Это система в автоматическом режиме (без участия космонавтов) позволяла регистрировать изображения Red Sprites, Blue Jets и энергетическо-времен-ные распределения атмосферных эмиссий и молний, вести счет этих явлений. ВФС 3М работала на борту МКС в 2001-2003 гг.

Система космического мониторинга опасных природных и антропогенных явлений в окружающей среде дает возможность не только фиксировать, но и прогнозировать их, позволяя снижать наносимый ими ущерб.

Фотоспектральная система (ФСС). По заказу Института географии РАН и РКК «Энергия» в НИИ ПФП изготовлена система съемки изображений и спектров, управляемая оператором - ФСС [3, 4]. Она позволяет производить съемку под различными углами к надиру, отслеживать объект (удерживать в поле зрения) при движении носителя и снимать угловые зависимости (индикатрису) рассеянного объектом излучения, обеспечивает измерения и экспресс-анализ спектральных характеристик разнообразных природных и искусственных объектов и сред.

ФСС предназначена для измерения спектров отраженного излучения подстилающих поверхностей (диапазон длин волн 350-1050 нм с разрешением 2 нм), пространственно «привязанных» к фотоизображениям (R, G, B) с борта российского сегмента МКС в космическом эксперименте «Ураган» (экспериментальная отработка наземно-космической системы мониторинга и прогноза развития природных и техногенных катастроф) (рис. 1). Прототип системы - упомянутая выше «Гемма 2 видео».

ФСС выполнена в виде компактного переносного моноблока (рис. 1), включающего модуль спектрорадиометра (МС); модуль регистрации изображения (МРИ), в качестве которого используется цифровой фотоаппарат Nikon D3 (разрешающая способность -4 256^2 832 элементов, размер кадра - 35^25 км, пространствен-

ное разрешение - 8 м); модуль электроники, представляющий собой планшетный компьютер Sony VAIO VGN-UX390N.

ФСС была доставлена на борт МКС 4 июля 2010 г. и с тех пор производит периодические измерения. С ее помощью повышается достоверность обнаружения и точность классификации различных объектов из космоса на основе совместной обработки спектров и изображений, формируется база данных спектральных сигнатур объектов подстилающих поверхностей и явлений.

Применение созданного специально для данной системы метода обработки с комплекси-рованием спектров высокого разрешения и изображений (метод спектральной декомпозиции и последующей пространственной экстраполяции) позволило повысить информативность регистрируемых данных и более точно идентифицировать и классифицировать параметры подстилающих поверхностей и объектов.

Спектрофотометрический комплекс (СФК) «Гидроксил». Оптическое свечение атмосферы Земли (люминесценция атмосферных составляющих) локализовано в двух эмиссионных слоях: на высотах 85-105 км и около 300 км. Полосы излучения гидро-ксила (OH) вместе с континуумом составляют около 87% общей энергии свечения атмосферы, зеленая линия атомарного кислорода 557,7 нм - около 10%. На красную линию кислорода 630 нм, линию натрия и остальные газы приходится около 3% энергии свечения. Специфика генерации эмиссий OH и линии 557,7 нм кислорода обусловливает их высокую чувствительность к изменениям температуры и состава атмосферы. Эти свечения используются для определения температуры и концентрации малых газовых составляющих мезосферы, исследования динамики аэрономи-ческих процессов и химической кинетики, изучения природы внутренних гравитационных волн, предсказания возможных землетрясений по наблюдаемым

вариациям свечений. Последнее представляется наиболее важным на практике.

В рамках программы «Разработка и использование перспективных космических средств и технологий в интересах экономического и научно-технического развития Союзного государства» НИИ ПФП совместно с ИЗМИ РАН разработал и создал СФК «Гидроксил» для исследований с борта МКС пространственного и спектрального распределений ги-дроксильных эмиссий и эмиссии атомарного кислорода (рис. 2) [5]. СФК включает в себя блок оптический, блок электроники и систему пространственного сканирования, предназначенную для автоматического отслеживания и удержания в поле зрения комплекса во время измерений первого эмиссионного слоя (85-105 км). В настоящее время идет работа по подготовке СФК к запуску в составе многоцелевого лабораторного модуля российского сегмента МКС во второй половине 2013 г.

Методы обработки аэрокосмических данных и результаты измерений

Первичная обработка информации МС ФСС включает в себя следующие этапы:

■ получение данных о времени регистрации спектра, выдержке, углах наклона кронштейна при съемке, величин сигналов темновых пикселей приемника излучения, другой служебной информации из файла данных МС и непосредственно массива значений регистрируемого суммарного спектра подстилающей поверхности и атмосферы в относительных единицах;

■ соотнесение номеров каналов приемника излучения с соответствующими длинами волн по калибровочным таблицам;

■ вычет из общего сигнала его шумовых значений по темновым пикселям;

■ перевод относительных отсчетов в абсолютные единицы СПЭЯ по калибровочным таблицам;

Рис. 3. а) Экспериментальные спектры восходящего излучения, измеренные из космоса: 1 - облачности; 2, 3 - водной поверхности; 4 - растительности;

б) Расчетные спектры яркости восходящего излучения на верхней границе атмосферы для зенитных углов Солнца, соответствующих измерениям из космоса, над водной поверхностью (3) и над облачными слоями с оптической толщиной 10 (2) и 30 (1) и высотой h = 1+2 км (для водной поверхности и более оптически толстого облака приведены расчетные кривые с двумя различными спектральными разрешениями)

■ сглаживание спектральных кривых для уменьшения шумов с применением релаксационного фильтра [6].

Экспериментальным путем определяются параметры фильтра, при которых не сглаживаются линии поглощения, присутствующие в спектрах. Первичная обработка изображений МРИ заключается в распаковке сжатых файлов и получении информации о времени съемки.

При пространственной привязке спектральных данных и изображений используются данные о геометрии и высоте съемки, фокусном расстоянии объектива МРИ, полях зрения МРИ и МС, скорости движения носителя, все временные характеристики сеанса съемки из служебного файла, а также углы ориентации оптических осей ФСС. Пространственная привязка спектрометрируемых областей к соответствующим изображениям необходима как для визуально-интерактивного анализа изображений и спектров, так и для подготовки данных для последующей процедуры их совместной обработки.

Взаимная ориентация полей зрения МРИ и МС определялась во время проведения наземных ка-

либровок аппаратуры ФСС [6]. Для проверки юстировки полей зрения на борту МКС проведена съемка существенно отличающихся по яркости объектов (калибровка по контрастным объектам), например воды и суши, а также специальный эксперимент по диску Луны. По полученным данным проведена коррекция лабораторной привязки полей зрения МС и МРИ. После привязки спектрометри-руемых МС областей к изображениям, зарегистрированным МРИ, выполняется «сшивка» последовательных изображений, то есть построение трассовой мозаики. В первом приближении мозаика составляется по известным координатам станции и углам положения оптической оси ФСС, соответствующим каждому кадру, а потом корректируется интерактивно с применением идентифицированных общих опорных точек в перекрывающихся областях кадров. Для абсолютной привязки данных ФСС к географическим координатам в модуле реализован экспорт данных относительной пространственной привязки спектров МС и изображений МРИ в виде изображений-масок для их использования в геоинформационных системах (например, АгсОК).

о

X X

5

X

о

X X

5

X

Рис. 4. Апробация метода декомпозиции «смешанных» спектров:

а) изображение со смешанными спектрометрируемыми участками;

б) 1 - спектр водной поверхности, восстановленный по смешанному участку из двух классов (а);

2 - спектр водной поверхности, аппроксимированный по однородному участку (а); в) 1 - спектр горной поверхности, восстановленный по смешанному участку из двух классов (а); 2 - спектр горной поверхности, аппроксимированный по однородному участку (а)

Рис. 5.

Фрагмент

ГИС-проекта

территории

тестового участка

«карьер Криницы»

содержит

контурную

часть (результат

дешифрирования),

материалы

авиасъемки

и отнесенные

к объекту

спектральные

характеристики

Измеренные с борта МКС спектры яркости уходящего излучения и их сравнение с расчетными данными показывают, что спектральные распределения уходящего излучения, обусловленного суммарным ослаблением - результатом молекулярного, аэрозольного рассеяния и поглощения света в атмосфере, характеризуются сдвигом максимума в коротковолновую область относительно солнечного спектра (голубое смещение). Аэрозольная компонента рассеяния для рассматриваемых условий слабее рэлеевской и имеет более слабую спектральную зависимость. Экспериментально зарегистрирована величина голубого смещения максимума спектрального распределения излучения, уходящего с верхней границы атмосферы, по отношению к максимуму спектральной солнечной постоянной (рис. 3). Наибольшее зарегистрированное аппаратурой ФСС значение голубого смещения составляет 50-60 нм для прозрачной атмосферы и слабо отражающих в коротковолновой области поверх-

ностей, таких как вода и растительность. Среднестатистическое значение голубого смещения для безоблачной атмосферы - 55 нм. Положение максимума яркости над водными поверхностями в чистой атмосфере при изменении зенитных углов Солнца от 20 до 70° остается практически постоянным - 410-415 нм.

Разработан метод совместной обработки цветных (И, О, В) изображений подстилающей поверхности высокого пространственного разрешения и связанных с ними спектров отраженного излучения отдельных пространственных областей на изображении. Спектры соответствуют областям спектро-метрирования, содержащим большое число пикселей и, как правило, несколько типов (классов) поверхности. Метод используется для приближенной декомпозиции измеренных спектров на спектры отдельных однородных классов поверхности, а также для увеличения числа спектральных зон, то есть получения изображений в тех спектральных каналах, где съемка не проводилась, расчетным путем. Проведена апробация метода на данных фотоспектральной системы, зарегистрированных с борта МКС (рис. 4).

В рамках программы Союзного государства «Космос НТ» для решения хозяйственных и прикладных задач с использованием Белорусской космической системы дистанционного зондирования открыт полигон-стационар «Западная Березина» на базе географической станции БГУ. НИИ ПФП обеспечивает наземные и

авиационные измерения спектров отражения эталонных и тестовых участков полигона с использованием спектрорадиометров собственной разработки, в частности портативного МС 12 и полевого ПСР-02. Созданы методики наземных, авиационных и космических измерений спектрально-угловых характеристик отражения тестовых участков полигонов [7]. В 2009-2012 гг. проведены наземные и авиационные исследования этих участков, в которые включены объекты, хорошо видимые на космических снимках: водоемы, река Западная Березина и прилегающая пойма, географическая станция (асфальтированные площадки и крыши зданий), песчаные карьеры, торфяники и др. Среди естественных поверхностей для калибровок подходят песчаные карьеры и торфяники, которые имеют стабильные отражательные характеристики и являются почти ламбертовскими отражателями с гладкими спектральными зависимостями (рис. 5).

По результатам наземных и авиационных измерений сформирован каталог спектров отражения калибровочных и тестовых участков полигона с описанием условий спектрометрирования, создается географическая информационная система (ГИС) полигона «Западная Березина». ■

Литература

1. Беляев Б.И., Катковский Л.В. Оптическое дистанционное зондирование. - Мн., 2006.

2. Беляев Б.И., Беляев Ю.В., Нестерович Э.И. и др. Полевой спектрорадиометр ПСР-02 на область спектра 0,35-2,5 мкм // Приборы и техника эксперимента. 2010, №3. С. 127.

3. Беляев Ю.В., Крот Ю.А., Нестерович Э.И. и др. Фотоспектральная система дистанционного зондирования Земли с борта МКС // Четвертый Белорусский космический конгресс: Материалы, Минск, 27-29 октября 2009 г. Т. 2. С. 30-34. - Мн., 2009.

4. Беляев Б.И., Беляев Ю.В., Домарацкий А.В., Катковский Л.В., Крот Ю.А., Роговец А.В., Хвалей С.В. Фотоспектральная система для космического эксперимента «Ураган» // Кос-мнна наука i технолопя. 2010. Т. 6, №2. С. 41-48.

5. Беляев Б.И., Катковский Л.В., Хвалей С.В. Расчет параметров спектрофотометрического комплекса для измерения яркости свечений верхней атмосферы из космоса// Журнал прикладной спектроскопии. 2008. Т. 75, №1. С. 125-133.

6. Беляев Ю.В., Катковский Л.В., Крот Ю.А., Хвалей С.В., Хомицевич А.Д.. Исследование и оптимизация угловых характеристик фотоспектральной системы // Косм(чна наука i технолопя, Т. 17, № 1 (2011). С. 80-83.

7. Беляев Ю.В., Крот Ю.А., Катковский Л.В., Роговец А.В., Хвалей С.В.. Организация и использование белорусского подспутникового полигона для полетных калибровок оп-тическихсистем космических аппаратов // Космiчна наука i технолопя. Т. 17, №1 (2011). - С. 65-69.