Файл: Лабутина Использование данных ДЗЗ для экомониторинга.pdf

Методическое пособие

10

Отличительная особенность 

почв

 – существенные различия в инте-

гральной яркости. Наименьшей способностью отражать солнечное из-
лучение обладают черноземы, наибольшей – сильнооподзоленные су-
глинистые почвы. На отражение солнечного света почвами влияют три 
основные группы веществ: 1) светло окрашенные соединения (карби-
ды, соединения кремния и аллюминия), отражающие излучение рав-
номерно, но значительно, 2) темные гумусовые вещества, отражающие 
свет слабо и равномерно и 3) соединения железа, которые обусловли-
вают селективность (неравномерное отражение) почвами солнечного 
излучения. Очень существенно яркость почв зависит от влажности. В 
видимом участке спектра яркость почвы в состоянии полной полевой 
влагоемкости  в  2  раза  ниже,  чем  при  воздушно-сухом  состоянии,  а  в 
ближнем  и  среднем  инфракрасном  участке  (0,7–2,5  мкм)  даже  ино-
гда  в  3  раза.  Помимо  этого  оптические  характеристики  почв  зависят 
от гранулометрического состава поверхности: с уменьшением размера 
частиц коэффициент яркости возрастает экспоненциально. 

Растительность

  обладает  наибольшей  спектральной  селектив-

ностью, по сравнению с другими объектами земной поверхности. От-
ражательные свойства растительного покрова в основном зависят от 
четырех факторов: 1) оптических свойств зеленых листьев; 2) геоме-
трии  растений,  особенно  индекса  листовой  поверхности,  и  углового 
распределения  листьев;  3)  отражательной  способности  поверхности 
почвы, если растения не образуют сплошного покрова; 4) структуры 
растительного покрова, т.е. характера пространственного распределе-
ния растений. 

При  всем  многообразии  кривые  спектральной  яркости  зеленых 

растений имеют одну общую закономерность: в оптическом диапазо-
не спектра у них два минимума – в синем (0,45–0,47 мкм) и красном 
(0,68–0,69 мкм) участках спектра и два максимума – в зеленом (0,54–
0,58 мкм) и ближнем инфракрасном (0,7–1,3 мкм) участках. Большая 
доля (70–90%) солнечных лучей синего и красного участков спектра 
поглощается пигментами листьев растений, прежде всего хлорофил-
лом, и преобразуется в энергию, необходимую для процесса фотосин-
теза.  К  зеленой  зоне  приурочен  максимум  отражения  поверхностью 
листьев,  именно  поэтому  мы  воспринимаем  зеленый  цвет  листьев. 
Наиболее  высокое  отражение  –  в  ближней  инфракрасной  области 
спектра, оно связано с внутренней структурой листа. По мере роста и 
вызревания листьев их отражательная способность меняется.

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

11

Соотношение  четырех  отражательных  компонентов  в  раститель-

ном покрове – освещенных растений и почвы, затененных растений 
и почвы – меняется в зависимости от угла освещения и угла наблю-
дения. Вследствие этого варьирует коэффициент отражения покрова 
в целом, даже если оптические свойства составляющих его растений, 
морфология, а также характеристики почвы остаются постоянными.

Из  особенностей  спектральных  свойств  растительности  следует, 

что ее дешифрирование и изучение дает наилучшие результаты при 
использовании материалов съемки в нескольких спектральных зонах 
видимого и ближнего инфракрасного участков спектра, т.е. многозо-
нальной съемки. 

Водные объекты

 также обладают специфическими свойствами – 

их спектральная яркость падает с возрастанием длины волны солнеч-
ного излучения, что объясняется их высокой поглощательной способ-
ностью.  Лучи  ближнего  ИК  участка  спектра  практически  полностью 
поглощаются тонкой пленкой воды, поэтому на снимках, сделанных 
в этой съемочной зоне, можно дешифрировать только границы и по-
верхность водных объектов. Информация о водной толще, а также об 
объектах, находящихся внутри нее или на дне, может быть получена в 
видимом участке спектра от 0,4 до 0,7 мкм. 

Солнечное излучение не только отражается поверхностью воды, но 

и проникает на глубину, где частично поглощается молекулами воды 
и растворенными органическими  веществами.  Проникновение  света 
на глубину спектрально селективно: сине-зеленого света значительно 
больше, чем красного. При наличии в воде минеральных взвешенных 
частиц типичный вид кривой спектральной яркости изменяется: воз-
растает  яркость  в  желто-зеленом  участке  спектра.  Содержащийся  в 
воде фитопланктон вызывает понижение яркости в синей (около 0,4 
мкм) и красной (0,64–0,69 мкм) частях спектра, т.е. в полосах погло-
щения хлорофилла.

Серия зональных снимков представляет спектральный образ объ-

ектов и может быть использована для выявления их сущности. Дешиф-
рирование одного из зональных снимков возможно, если какая-либо 
из  съемочных  зон  в  наибольшей  степени  удовлетворяет  поставлен-
ной задаче. Так, за счет практически полного поглощения излучения 
ближней инфракрасной области спектра объекты гидрографической 
сети  изображаются  самыми  темными,  что  облегчает  их  распознава-
ние. Контраст между водными объектами и окружающим фоном при-

Методическое пособие

12

водит к тому, что водотоки изображаются на снимках, размер пиксела 
которых в 2–3 раза больше, чем ширина водотоков. Однако в этом слу-
чае нельзя судить о реальной ширине русла. 

Изменчивость  геосистем  во  времени

,  смена  состояний 

природно-территориальных  комплексов  –  одна  из  особенностей 
территории,  которые  необходимо  иметь  в  виду  при  выборе  аэро-
космических  снимков.  Объекты  земной  поверхности  существуют 
не только в пространстве, но и во времени, т.е. постоянно изменя-
ются.  Масштабы  происходящих  изменений  различны:  суточные, 
сезонные, многолетние, вековые. Со временем меняются физионо-
мические свойства объектов, их внешний облик, а значит, в момент 
съемки  каждый  из  географических  объектов  фиксируется  в  неко-
тором  определенном  состоянии.  От  того,  насколько  хорошо  выра-
жены в этом состоянии важные для исследования характеристики, 
зависят  результаты  дешифрирования.  Сезонные  изменения  могут 
служить  дополнительным  дешифровочным  признаком,  например 
растительности, поскольку смена фаз вегетативного развития у рас-
тений разных видов наступает в разное время. Если предполагается 
изучать  по  снимкам  многолетнюю  динамику  природных  объектов, 
то  выявление  различий  в  сезонных  состояниях  становится  обяза-
тельным, так как в противном случае можно получить искаженные 
данные.  Учет  состояния  объекта  наблюдения  –  обязательное  усло-
вие проведения мониторинга.

Суточная  динамика  большинства  объектов  земной  поверхности 

связана  с  высотой  Солнца  и  метеорологическими  условиями  и,  как 
правило,  в  большей  мере  сказывается  на  результатах  дешифрирова-
ния снимков высокого пространственного разрешения. Учет положе-
ния Солнца важен при сопоставлении разновременных снимков, так 
как направленные в разные стороны тени ухудшают визуальное вос-
приятие  изображения,  а  при  компьютерном  дешифрировании  при-
водят  к  появлению  фиктивных  изменений.  Существенно  влияют  на 
достоверность результатов и метеорологические условия. Например, 
граница  лугов  низкого  и  среднего  уровня  может  быть  неправильно 
определена после сильных дождей. 

Знание  закономерностей  изменений,  происходящих  в  географи-

ческих  ландшафтах,  существенно  повышает  качество  результатов 
дешифрирования  при  выявлении  по  снимкам  динамики  объектов  и 
явлений.

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

13

2.2. выбор системы координат

Система координат – это способ задания положения точек в про-

странстве. Главное свойство всех систем координат – положение лю-
бой точки однозначно определяется ее координатами. Использование 
снимков для мониторинга, т.е. для сопоставления и выявления изме-
нений,  в  обязательном  порядке  предполагает  их  геометрическое  со-
ответствие, т.е. привязку к пространственной системе координат. Мо-
ниторинг на локальном или региональном уровне ведется в крупных 
и средних масштабах топографических карт, т.е. не мельче 1:500 000. 
В этом случае возможен выбор одной из трех систем пространствен-
ных координат: географической (широта–долгота) или двух прямоу-
гольных (СК-42 и WGS-84), наиболее часто используемых в настоящее 
время (табл. 2). 

Таблица 2

Наиболее распространенные геодезические системы координат

Геодезическая 
система координат 

Проекция

Эллипсоид

СК-42 (Пулково)

Гаусса–Крюгера

Красовского

WGS-84

UTM (поперечно-

цилиндрическая 

Меркатора)

WGS-84

При работе с данными в растровом формате можно использовать 

и географическую, и геодезические системы, если же планируется со-
ставление карт в векторном формате, то лучше выбрать прямоуголь-
ные геодезические системы. 

Геодезические  системы  координат  фиксируют  положение  точек 

или  объектов  в  метрической  системе,  чаще  в  метрах.  Каждая  систе-
ма  координат  имеет  два  параметра  (сложных  математических  выра-
жения):  по  одному  из  них  выполняется  переход  от  «неправильной» 
фигуры Земли к строгой математической форме – эллипсоиду, а вто-
рой – проекция – задает правило развертки эллипсоида в плоскость 
(карты). До недавнего времени большинство развитых стран с обшир-
ной территорией имели собственные системы координат. Появление 
съемочных  космических  систем  и  систем  спутникового  определения 
координат (GPS) привело к необходимости иметь общую, всемирную 
систему  координат  (World  Global  System).  Космические  цифровые 

Методическое пособие

14

снимки  поставляются  зарубежными  фирмами-распространителями 
уже преобразованными в систему координат WGS-84, в то время как 
отечественные топографические карты составлялись в государствен-
ной системе координат СК-42. Отсчет координат в обеих системах ве-
дется от экватора (в СК-42 это ось координат 

x

, а в WGS-84 ось 

y

) и от 

осевого меридиана зоны (соответственно 

y

 – в СК-42 и 

x

 – в WGS-84). 

В  координатных  системах  для  удобства  отсчета  координат  поверх-
ность эллипсоида делится на 60 6-градусных зон, счет которых ведет-
ся в нашей системе от Гринвичского меридиана, а в WGS-84 – от 180° 
в. д. Разница в значениях координат точки в этих двух системах на тер-
ритории  нашей  страны  может  достигать  по  оси 

y

  в  системе  WGS-84 

(

x

 в системе СК-42) до 2 км, а по другой оси – нескольких сотен метров.

Для совместного использования снимков и отечественных карт не-

обходимо привести их в единую систему. Выполнять геометрические 
преобразования приходится и в некоторых других случаях. Первичная 
привязка  космических  снимков  выполняется  по  орбитальным  дан-
ным, точность ее  у разных съемочных  систем  неодинаковая. Напри-
мер,  высокой  точностью  привязки  отличаются  съемочные  системы 
спутников  Landsat,  а  космические  снимки  системы  Cartosat  со  спут-
ника IRS-P5, наоборот, привязаны по орбитальным данным неточно. 
В  программных  пакетах  высокого  уровня  пересчет  координат  из  си-
стемы WGS-84 в СК-42 выполняется автоматически соответствующей 
программой. Если такой программы нет, переход к другой системе ко-
ординат выполняется по опорным точкам. 

Согласование  систем  координат  необходимо  также  при  использо-

вании в процессе обработки снимков точек наземных наблюдений, ко-
ординаты которых определены приемником спутникового позициони-
рования  (GPS,  ГЛОНАСС).  Во  многих  современных  GPS-приемниках 
предусмотрен переход от WGS-84 к СК-42 (Пулково). При отсутствии в 
установках приемника координатной системы СК-42 создают пользова-
тельскую систему путем ввода общепринятых коэффициентов пересчета 
координат, которые можно найти в Интернете или учебной литературе.

2.3. выбор программных пакетов

Выбор программных средств зависит от решаемых задач, объемов 

данных,  предполагаемых  к  обработке,  и  квалификации  исполните-
лей.  В  настоящее  время  обработка  ДДЗ  ведется  преимущественно