Лекция 8. Аэрофототопографическая съёмка и основы космоаэросъёмки

Конспект лекции курса «Геодезия с основами космоаэросъёмки» (МГУ, геофак, доц. А.И. Прасолова).

Лекция 8. Аэрофототопографическая съёмка и основы космоаэросъёмки

Конспект лекции № 8 курса «Геодезия с основами космоаэросъёмки» (географический факультет МГУ, кафедра картографии и геоинформатики). Лектор — доцент Анна Ивановна Прасолова.

Где это в общей картине

Курс построен по логической цепочке «форма Земли → координаты → карты → съёмка». Сначала были рассмотрены фигура и размеры Земли, системы координат и ориентирующие углы (этот материал отрабатывается на семинаре «Координаты и ориентирующие углы»); затем — картографическая основа: разграфка и номенклатура листов карт (семинар «Номенклатура карт»), изображение рельефа горизонталями и способы его определения (семинар «Рельеф и нивелирование»), условные знаки, а полевая геометрия плана осваивалась на семинаре по теодолитному ходу. Так курс подводил к главному вопросу практической геодезии: как измерить местность и как перенести её изображение на карту.

Лекция 8 завершает блок топографической съёмки. В ней перечислены все её виды — наземные (тахеометрическая и мензульная съёмки, нивелирование поверхности), съёмка по спутниковым измерениям, лазерное сканирование — и подробно разбирается то, что оставалось за рамками полевых семинаров: аэрофототопографическая съёмка и съёмка из космоса («основы космоаэросъёмки»). Содержательно это переход от «измерений на местности» к «чтению снимков»: какие носители используются, в каких диапазонах электромагнитного спектра регистрируется изображение, что такое пространственное и временное разрешение снимка и как снимок «превращается» в карту через дешифрирование. Космические снимки высокого разрешения (Landsat и др.) — тот материал, по которому сегодня создаются и обновляются топографические карты, поэтому лекция напрямую связывает геодезические измерения и условные знаки (оформление результатов дешифрирования) с современными источниками картографической информации.

Виды топографической съёмки местности

Топографическая съёмка местности — это получение изображения местности (её ситуации и рельефа), по которому создаётся топографический план или карта. Лекция начинается с перечня видов топографической съёмки:

тахеометрическая съёмка;
мензульная съёмка;
нивелирование поверхности;
аэрофототопографическая;
съёмка с помощью глобальных систем позиционирования (GPS);
съёмка с использованием лазерных сканеров.

Первые три вида относятся к наземным (полевым) методам, которые уже знакомы по предыдущему материалу курса и отрабатывались на семинарах; съёмка по глобальным системам позиционирования и лазерное сканирование — современные инструментальные методы. Главное внимание в лекции уделено аэрофототопографической съёмке и далее — съёмке с воздушных и космических носителей, составляющей раздел «Основы космоаэросъёмки».

фотоматериал, иллюстрирующий аэрофототопографическую съёмку (в исходнике рисунок не подписан) (слайд 3 лекции)

Классификация съёмочных методов по высоте носителя

Дистанционные съёмочные методы классифицируются по высоте, с которой ведётся съёмка, то есть по типу носителя аппаратуры:

Наземные — фототеодолит, ЦК (цифровые камеры);
Авиационные — самолёты и вертолёты; дельтапланы и воздушные шары; БПЛА (беспилотные летательные аппараты);
Космические — ИСЗ (искусственные спутники Земли), пилотируемые летательные аппараты (ЛА), орбитальные станции.

Эта трёхступенчатая схема — наземная → авиационная → космическая съёмка — задаёт структуру всего последующего материала об основах космоаэросъёмки.

Спектр электромагнитных колебаний

В основе космоаэросъёмки лежит регистрация электромагнитного излучения, поэтому сначала рассматривается спектр электромагнитных колебаний — шкала, на которой показано место используемых в съёмке диапазонов.

шкала спектра электромагнитных колебаний: положение видимого диапазона и соседних участков спектра, используемых съёмочными системами (слайд 5 лекции)

Классификация по технологии получения изображения

Съёмочные системы классифицируют по технологии получения изображения. Выделяются:

фотографические — съёмка в видимом и инфракрасном (ближнем и среднем) диапазоне;
сканерные ОМ и сканерные ОЭ (два типа сканерных систем);
радиолокационные — работают в радиодиапазоне.

По отношению к источнику излучения системы делятся на:

пассивные — регистрируют естественное излучение (отражённое солнечное и собственное излучение Земли);
активные — регистрируют искусственное излучение, посылаемое самой съёмочной системой (к ним относятся радиолокационные системы).

Классификация снимков по пространственному разрешению

Ключевое понятие лекции — пространственное разрешение: пространственное разрешение — размер на местности минимального объекта, хорошо различимого на снимке. Иначе говоря, чем меньше разрешение в метрах, тем более мелкие объекты видны на снимке, тем он детальнее.

По пространственному разрешению снимки классифицируются так:

низкое — километры;
среднее — сотни метров;
высокое, внутри которого выделяют:
- относительно высокое — 30–100 м;
- высокое — 10–30 м;
- очень высокое — метры;
- сверхвысокое — доли метра.

сравнение двух снимков одной территории: пространственное разрешение 23 метра и 6 метров; видно, как с уменьшением разрешения (6 м) возрастает детальность изображения (слайд 8 лекции)

Дешифрирование снимков

Снимок — ещё не карта: чтобы использовать его для картографирования, объекты на изображении нужно распознать. Это и есть дешифрирование — чтение снимка по дешифровочным признакам. Дешифровочные признаки делятся на прямые и косвенные.

Прямые дешифровочные признаки — признаки самого объекта на изображении:

геометрические — форма, размер, тень;
яркостные — уровень яркости, спектральный образ;
структурные — текстура, структура, рисунок.

Косвенные дешифровочные признаки — это прямые дешифровочные признаки других объектов, которые выступают индикаторами: если сам объект на снимке не виден или плохо различим, о нём судят по хорошо заметным объектам-индикаторам. Индикаторы подразделяются на:

индикаторы объектов (по ним судят о наличии самих объектов);
индикаторы свойств (по ним судят о свойствах объектов);
индикаторы динамики (по ним судят о динамике процессов).

Многозональная съёмка

Отдельно рассматривается многозональная съёмка — получение нескольких изображений одной и той же территории в разных зонах спектра. В качестве примера аппаратуры в лекции показана камера МКФ-6. Многозональные изображения позволяют сравнивать яркость объектов в разных зонах спектра, то есть использовать их спектральный образ (яркостный дешифровочный признак) для распознавания.

Виды дешифрирования и технологическая схема

По способу выполнения дешифрирование делится на:

полевое, которое в свою очередь бывает:
- наземным;
- аэровизуальным (наблюдение и распознавание объектов непосредственно с воздуха);
камеральное (работа со снимками в камеральных условиях, без выезда на местность).

схема видов дешифрирования и фотографии, иллюстрирующие полевое (наземное и аэровизуальное) и камеральное дешифрирование (слайд 22 лекции)

Технологическая схема дешифрирования включает следующие этапы:

Постановка задачи;
Подготовительный этап, в который входят:
- формулировка требований к материалам — выбор материалов;
- оценка снимков;
- ознакомление с территорией;
- сбор дополнительных материалов;
- разработка легенды;
- создание эталонов дешифрирования;
Собственно дешифрирование (полевое или камеральное);
Оформление результатов.

Космические снимки в лекции: Landsat и примеры применения

Значительная часть лекции посвящена демонстрации космических снимков и их возможностей. Показаны снимки серии Landsat (в классификационных схемах фигурируют системы Landsat 1-5 с аппаратурой MSS, Landsat TM, Landsat ETM+).

В качестве примера использования космических снимков рассматривается изучение освоения территории (пример — работа Ясева П., 2017): по разновременным снимкам прослеживается, как меняется освоенность территории.

изучение освоения территории по космическим снимкам (Ясев П., 2017) (слайд 32 лекции)

Источник использованных в лекции иллюстраций (изображений спутников): https://spacegid.com/media/space_sattelite/

Соотношение пространственного и временного разрешения

Важная характеристика съёмочной системы — временное разрешение, то есть интервал между съёмками (как часто система может повторно снять одну и ту же территорию). На диаграмме «Соотношение пространственного и временного разрешения» по вертикали отложено пространственное разрешение (от 1 м до 10 км: 1 м, 10 м, 100 м, 1 км, 10 км), по горизонтали — временное разрешение (1 час, 1 сутки, 1 неделя, 1 месяц, 1 год).

диаграмма «пространственное разрешение (1 м–10 км) × временное разрешение (1 час–1 год)»; каждая съёмочная система занимает на ней свою точку (слайд 35 лекции)

Системы на диаграмме располагаются вдоль «диагонали», что отражает общую закономерность: чем выше пространственное разрешение (чем детальнее снимок), тем реже возможна повторная съёмка, и наоборот — чем грубее разрешение, тем короче интервал между съёмками. Самую частую съёмку дают метеорологические (в том числе геостационарные) системы с грубым разрешением: Meteosat, GMS; Meteosat-2, GOES. На диаграмме представлены также системы среднего и высокого разрешения — Метеор, Метеор-Природа, Океан (с аппаратурой МСУ-М и МСУ-С), NOAA, Terra (MODIS), SPOT 4-5, IRS (WIFS), Ресурс-О (МСУ-СК, МСУ-Э), Метеор-Природа (Фрагмент), Landsat 1-5 (MSS), Landsat TM, Landsat ETM+, Terra (Aster), SPOT 1-4, IRS (Pan), Adeos — и детальные системы метрового класса: Eros, Ikonos, Quick Bird, Ресурс-Ф (КФА-1000), Комета (КВР-1000).

Соотношение пространственного разрешения снимков и решаемых задач

Разрешение определяет и круг задач, которые можно решать по снимку. Вторая диаграмма сопоставляет пространственное разрешение снимков (1 м – 10 км) с размерами исследуемых объектов (1 м – 10 км): чтобы изучать объект, разрешение снимка должно соответствовать его размеру.

диаграмма «пространственное разрешение × размеры исследуемых объектов»: съёмочные системы и типовые задачи расположены вдоль диагонали (слайд 36 лекции)

Шкала задач выглядит следующим образом — от глобальных к локальным:

разрешение порядка 10 км (Meteosat, GMS; Meteosat-2, GOES; Метеор, Метеор-Природа, Океан (МСУ-М); NOAA; Terra (MODIS)) — изучение глобальной океанической и атмосферной циркуляции;
разрешение порядка 1 км (Метеор-Природа (Фрагмент); Landsat 1-5 (MSS)) — геологические структуры, эндогенный рельеф, лесные пожары;
разрешение порядка сотен метров (Метеор-3М (МСУ-Э); Landsat TM; IRS (Pan); Terra (Aster)) — генезис рельефа, покровное оледенение, загрязнение вод, почв и т. д.;
разрешение порядка десятков метров (Landsat ETM+; SPOT 1-4; SPOT 5) — экзогенные процессы, нарушенность земель;
разрешение порядка метров (Eros; Ikonos; Quick Bird) — горное оледенение, лавины, сели, овражная эрозия, а также крупномасштабное картографирование; мониторинг, чрезвычайные ситуации (ЧС).

Последняя строка особенно важна для курса в целом: именно снимки метрового разрешения пригодны для крупномасштабного картографирования и мониторинга, то есть для обновления топографических карт — цели, к которой ведёт весь курс от формы Земли через координаты, номенклатуру, рельеф и съёмку.

← все материалы