CC BY
16УДК 621.396.969
Мониторинг лесных массивов методом многоспектрального дистанционного зондирования
Никитин О. Р., Кисляков А. Н., Шулятьев А. А.
Приведён обзор метода многоспектрального дистанционного зондирования и рассмотрена возможность его применения в задаче мониторинга лесных массивов.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, многоспектральный метод, лесные массивы, ком-плексирование.
Введение
По мере развития техники и роста потребностей в оперативном мониторинге экологической обстановки всё более широкое применения для наблюдения за различными объектами и явлениями на поверхности Земли находят дистанционные методы исследования. Их важнейшей особенностью является возможность получения информации о параметрах исследуемого объекта на расстоянии путём измерений некоторых связанных с параметрами объекта величин, таких, как, например, интенсивность электромагнитной энергии, излучаемой исследуемым объектом в различных диапазонах длин волн.
Спектр излучения многих природных объектов лежит в достаточно широком диапазоне частот, вследствие чего зачастую различить природные объекты между собой с достаточной долей вероятности в одном диапазоне частот не представляется возможным. Наиболее эффективным путём преодоления этого недостатка является использование метода многоспектрального мониторинга, предоставляющего возможность надёжного различения объектов за счёт проведения исследований в очень широком диапазоне длин волн. Системы мониторинга, использующие данный метод, могут найти применение для дистанционного контроля инфраструктуры городского, лесного, сельского хозяйства, контроля состояния магистральных газо- и нефтепроводов. Анализ данных дистанционного зондирования позволяет зафиксировать районы пожаров и оценить масштабы бедствия, выявить антропогенные тепловые загрязнения природных объектов [1, 2].
К настоящему времени многоспектральный метод дистанционного зондирования разработан весьма слабо: отдельные результаты позволяют делать выводы о работоспособности и перспективности данного метода, однако область исследований, относящаяся к основной его особенности - комплексирова-нию результатов многоспектральных измерений - находится пока ещё в зачаточном состоянии. Это говорит о необходимости проведения дальнейших исследований в данной области.
Принцип работы системы многоспектрального мониторинга
Современные системы ДЗЗ широко используют метод одновременной съемки земной поверхности в нескольких спектральных диапазонах, используя сканерный принцип съемки на базе линеек приборов с зарядовой связью. Разрешающая способность съемки, которая определяет четкость снимков и различимость объектов, определяется количеством фотоприемных элементов ПЗС-линеек. Улучшение этой характеристики является сложной проблемой, которая обычно решается путем совершенствования технологии изготовления ПЗС линеек с большим числом фотоприемных элементов [2, 5].
В отличие от традиционного технологического способа повышения четкости формируемых изображений, в данной статье рассматривается технология, позволяющая за счет радиометрического комплексирования изображений повысить их четкость. В данном случае не требуется создание нового более совершенного сканирующего устройства.
ISSN 2221-2574
Дистанционное зондирование сред
направление полета (НП)
радиометр
антенна
угол обзора
Борт ЛА
- 1 2 ' Iй!
Л
фотоприемник на ПЗС
ЛА НП^
объектив
* / / Ч/
■ полоса обзора-*■/
^ центр приема
^^ кадровая развертка
Рис. 1. Принцип формирования сканерных изображений
Дистанционное зондирование Земли основано на измерении с аэрокосмических аппаратов энергетических и спектральных характеристик наблюдаемой сцены. С этой целью на спутниках и самолётах устанавливаются сканирующие устройства, которые осуществляют съемку одновременно в нескольких спектральных диапазонах, после чего цифровая информация передается на наземные пункты приема и обработки.
Кадровая развертка получаемого изображения вдоль оси осуществляется за счет движения летательного аппарата (ЛА). При этом сканирующий луч перемещается по подстилающей поверхности в поперечном относительно полета направлении. Передача изображения, полученного радиометром (1) и оптическим приемником на ПЗС (2), с борта ЛА на наземные центры приема осуществляется по радиоканалам связи.
Основными параметрами датчика (как оптического, так и радиометрического) являются полоса обзора и разрешающая способность на местности, измеряемая в метрах или километрах.
При проведении зондирования в радиодиапазоне на фиксированной частоте результатом измерений является распределение ра-диояркостной температуры совокупности объектов (сцены) земной поверхности, а значит, и интенсивности излучаемой энергии. Однако спектральное распределение в радиодиапазоне дает еще больше информации об объектах сцены и её условиях. Информативность также возрастет при использовании различных диапазонов длин волн, например,
подключении оптического или инфракрасного диапазонов [2, 3, 6].
Для повышения информативности признаков необходимо использовать комплексную систему мониторинга земной поверхности, включающую в себя радиометрическую и оптическую системы.
Постановка эксперимента
Для оценки эффективности применения метода многоспектрального зондирования к мониторингу лесных массивов был поставлен эксперимент по снятию радиотепловой и оптической картины сцены лесного массива и проведено сопоставление результатов, полученных для разных частотных диапазонов и погодных условий. Экспериментальная установка представляла собой штатив с закреплённым на нём измерительным устройством, в роли которого выступали попеременно радиометр на длину волны 8 мм (ширина ДН антенны 5°), радиометр на длину волны 3 мм (ширина ДН антенны 4°) и направленный оптический датчик (ширина ДН 1°). В ходе эксперимента снималась одна скан-строка изображения. Всего было поставлено два опыта для ясной погоды и условий тумана.
Результаты экспериментов представлены на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Результаты измерения радиояркостной температуры сцены
-Хорошая видимость Сильный туман
Рис. 3. Результаты измерения интенсивности видимого излучения
В ходе экспериментов было установлено, что результаты измерений в радиодиапазоне несущественно зависят от погодных условий, поэтому графики рис. 2 одинаковы как для условий хорошей видимости, так и для условий тумана. По результатам экспериментов были сделаны следующие выводы. Во-первых, с уменьшением длины волны возрастает разрешающая способность измерения, что объясняется возможностью реализации узких ДН приёмников излучения. Во-вторых, при измерении в оптическом диапазоне имеется существенная зависимость результатов измерения от погодных условий, в
то время как в миллиметровом диапазоне она выражена гораздо слабее. Таким образом, следует сделать вывод, что измерения в различных диапазонах длин волн являются взаимно дополняющими, а значит, использование комплексирования результатов этих измерений для повышения итоговой достоверности является целесообразным.
Литература
1. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений: Учебное пособие. / М.: Логос, 2001. - 264 с. ISBN 5-94010-138-0.
2. Гарбук С. В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. -М.: Издательство А и Б, 1997. - 296 с. ISBN 589227-002-7.
3. Под ред. А.Л. Горелика. Селекция и распознавание образов на основе локационной информации / А.Л. Горелик, Ю.Л. Барабаш, О.В. Кри-вошеев, С.С. Эпштейн; - М.: Радио и связь, 1990.- 240 с. ISBN 5-256-00721-1.
4. Ш.М. Дейвис, Д.А. Ландгребе, Т.Л. Филипс и др. Дистанционное зондирование: количественный подход / Под ред. Ф. Свейна и Ш. Дейвис. Пер. с англ. - М.: Недра, 1983. - 415 с. - Пер изд. США 1978. - 296 с.
5. Под ред. Никитина О. Р. Решение экологических задач наземно-дистанционными радиофизическими методами: Монография / О. Р. Никитин, В. М. Гаврилов // Изд. Полиграфический центр МИ ВлГУ, Муром. - 2009. - 105 с.: ил.
6. Андреев Г.А. Тепловое излучение миллиметровых волн земными покровами. / Зарубежная радиоэлектроника, 1982, № 12, С. 3 - 39.
Поступила 8 декабря 2010 г.
An overview of the method of multispectral remote sensing is given and a possibility of its usage in the task of monitoring forests is considered.
Key words: remote sensing, multispectral method, forests, aggregation.
Никитин Олег Рафаилович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники и радиосистем ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых».
Кисляков Алексей Николаевич - магистрант ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых».
Шулятъев Аркадий Андреевич - магистрант ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых».
