Файл: Лабораторный практикум В. Ф. Говердовский, А. В. Дикинис.pdf

ВВЕДЕНИЕ

Дистанционное зондирование как метод научного исследования 

спутниковой метеорологии формировалось во второй половине про­

шлого  века  дополнительно  к  традиционным  гидрометеорологиче­

ским наблюдениям и измерениям у земной поверхности и в атмосфе­

ре. В широком смысле понятие «дистанционное зондирование» (англ. 

remote  sensing - чувствующий на расстоянии) означает изучение не­

контактным способом состояния объектов, процессов и явлений без 
непосредственного соприкосновения с ними.

В настоящее время под дистанционным зондированием Земли 

из  космоса  понимают  изучение  либо  планеты  Земля  (системы 
«Земля-атмосфера») в целом, либо составляющих компонентов ее 
географической  оболочки  (среды), либо  отдельных  естественных 
объектов,  образований  или  природных  явлений,  путем  селекции 
(лат, selecto - выбор, отбор), регистрации и анализа их собственно­

го или отраженного ими электромагнитного излучения с помощью 

определенных технических  средств,  устанавливаемых  на аэро-  и 

космических носителях.

Географической  называют  оболочку  земного  шара,  состоя­

щую из атмосферы, земной коры (литосферы), гидросферы, почв, 
растительности  и  животного  мира,  которые  в  своем  строении  и 

развитии неразрывно связаны друг с другом и взаимообусловлены, 

образуют единое целое, генетически связанное с земной поверхно­
стью и обладающее своими специфическими законами существо­
вания.

Вместо термина «географическая оболочка», подчеркивая осо­

бый смысл понятия, часто используют его синонимы (rp.  synony- 

mos  -  одноименный):  «географическая  среда»,  «климатическая 

система», «система «Земля-атмосфера» и др.

Географическая среда - это  окружающая Общество  природа, 

являющаяся необходимым и постоянным условием жизни людей 

на Земле (иногда говорят проще - окружающая природная среда).

Под климатической системой понимают совокупность погодо- 

и кпиматообразующих компонентов: атмосферы, литосферы, гидро­

сферы,  криосферы  и  биосферы,  имеющих  различные  физические

6

свойства и находящихся в состоянии сложнейших взаимодействий 

друг с другом, характеризуемых прямыми и обратными связями.

Система Земля-атмосфера - это термин (rp. terminus - предел, 

граница), чаще всего обозначающий вполне определенные погодо­

образующие взаимоотношения земной поверхности и атмосферы.

Все понятия и термины, разные по звуковой форме, но близ­

кие по значению, сущности, употребляются для различия тех или 

иных смысловых оттенков.

Дистанционное зондирование Земли из космоса позволяет по­

лучать сведения о состоянии земной поверхности (суши и моря), 

снежного  и  ледникового  покрытия,  облачности;  следить  за  воз­

никновением  и  эволюцией  барических  образований  и  атмосфер­
ных  фронтов;  обнаруживать  и  исследовать  аэрозоли  и  примеси 

различного происхождения,  а также газовые компоненты в атмо­

сфере; изучать тепловой режим планеты в целом и отдельных ее 

регионов, радиационный баланс и многое другое.  Состав аппара­

туры на спутниках может меняться, конкретные технические уст­

ройства  (приборы)  постоянно  модифицируются,  поэтому  в  про­

цессе  обучения  целесообразно  принимать  во  внимание  прежде 

всего  физический  принцип работы  того  или  иного  устройства и 

использовать обобщенное понятие «сенсор» (от англ. sensor - дат­

чик)  для  обозначения любого  комплекса или прибора, регистри­

рующего излучение и сохраняющего неизменным основной прин­

цип  работы  (телевизионный,  сканерный,  радиолокационный,  ла­

зерный и т. п.).

В  гидрометеорологических  исследованиях  Земли  из  космоса 

анализируют  не  только  дискретную  информацию  о  природных 

объектах, процессах и явлениях, получаемую в результате регист­

рации электромагнитного  излучения  в  отдельных точках орбиты 

спутника или по определенным трассам, но и широко используют 

визуализированную  форму представления  спутниковой информа­

ции - космические изображения.

Совокупность работ по получению изображения Земли в це­

лом  или  специальной визуализированной  информации  (снимков)

об  изучаемых  компонентах  ее географической  оболочки  с помо­

щью  космических летательных  аппаратов принято  называть  кос­

мической съемкой.

7

Получение дискретной информации и съемка считаются пас­

сивными,  если  при  этом регистрируются  естественные  отражен­
ные или излучаемые радиационные потоки, -и активными - в слу­
чае фиксации отражаемого объектами природной среды излучения 

(радиолокатора или лидара, нанример).

Орбиты метеорологических  спутников должны обеспечивать 

детальность обзора земной поверхности в полосе заданной шири­
ны,  определенное время существования МСЗ,  оптимальные усло­

вия функционирования установленной на спутнике научной аппа­
ратуры.  Наиболее  удобными для  изучения  системы  Земля-атмо­
сфера из космоса являются круговые или близкие к ним орбиты, 

которые  к  тому  же  чаще  всего  бывают  солнечно-синхронными. 

При движении по таким орбитам обеспечиваются одинаковая пе­

риодичность  обзора,  наблюдения  над  определенными  районами 

Земли в одно и то же время, а также упрощается обработка и ана­

лиз  принимаемой  спутниковой  информации.  Определение  поло­

жения  МСЗ  в  пространстве  относительно  Земли  в  заданные  мо­

менты времени осуществляется астрономическими методами. При 
изучении движения небесных тел - как естественных, так и искус­
ственных - прежде всего необходимо принимать во внимание си­
лы взаимного притяжения тел в пространстве, а это задача класси­
ческой небесной механики, для решения которой используется за­
кон всемирного тяготения.

Регулярная  смена времен  года на Земле является следствием 

трех астрономических  причин:  годового  обращения  Земли вокруг 

Солнца,  наклона  земной  оси  к  плоскости  земной  орбиты  (совпа­

дающей с плоскостью эклиптики) и сохранение земной осью своего 

направления в пространстве на протяжении длительных промежут­

ков времени. Благодаря совместному действию этих причин проис­

ходит видимое годовое движение Солнца по эклиптике, наклонен­

ной  к небесному  экватору,  и  поэтому положение  суточного  пути 
Солнца над горизонтом различных мест земной поверхности изме­

няется с годичным периодом, а следовательно, с этим же периодом 
изменяются условия их освещения и обогревания Солнцем.

Под  влиянием  сложных  процессов,  происходящих  в  иссле­

дуемых естественных объектах, отраженное солнечное или собст­

венное тепловое излучение претерпевает преобразования и моду­

лируется. При этом меняется его спектральный состав, энергия и 

степень поляризации. Это излучение содержит информацию о ве­
щественной сущности (внутреннем содержании) объекта и его со­

стоянии, структуре поверхности и архитектонике (сочетании час­
тей в одном стройном целом, композиции). Однако по пути от ис­

следуемого объекта к приемнику излучение подвергается влиянию 

атмосферы  и  ее включений - аэрозолей  и  облаков,  воздействию 

помех, искажается за счет поступательного движения космическо­

го аппарата, неравномерного распределения освещенности по по­

лю снимка, аберрации объектива съемочной системы и т. п. Здесь 

уже невозможно обойтись без знания общей метеорологии, дина­
мической метеорологии, физики атмосферы и общей физики.

Выполняемое на борту космического носителя цифровое ко­

дирование  видеосигналов,  преобразование  информации  (сжатие, 

уплотнение, устранение избыточности и пр.) сопровождается оп­
ределенными, заранее ограниченными потерями информации. По­
этому  процесс  получения  информации  всегда  предусматривает 

контроль условий съемки и дистанционного зондирования - про­

странственных координат искусственного  спутника Земли  (ИСЗ) 

в определенные моменты времени, источников электромагнитного 

излучения,  географического  местонахождения  изучаемого  объек­

та,  влияния  атмосферы,  точности  оценки  параметров  состояния 

естественных образований, процессов и т. д.

Практикум  лабораторных работ  по  курсу  «Спутниковая  ме­

теорология» условно подразделяется на три самостоятельные,  но 
вполне  взаимосвязанные  части:  «Дистанционное  зондирование 

Земли из  космоса»,  «Источники гидрометеорологической инфор­

мации  при  дистанционном  зондировании  Земли  из  космоса»  и 

«Прием  и  первичная  обработка  информации  метеорологических 

спутников Земли».

Первая часть определяет важнейшие условия дистанционного 

зондирования Земли из космоса: вычисление положения спутника 

в космическом пространстве, особенности счета времени при изу­

чении Земли из космоса, а также расчет координат подспутнико­

вой точки и трассы ИСЗ на поверхности планеты.

Вторая часть посвящена характеристике основных источников 

информации при дистанционном зондировании Земли из космоса,

трансформации излучения в системе Земля-атмосфера и специфи­
ке использования спутниковой информации для оценки состояния 

естественных  объектов  и  образований  (облачности),  погодообра­

зующих процессов и явлений, контроля (мониторинга) окружаю­
щей природной среды.

Третья  часть  практикума  объединяет  лабораторные  работы, 

посвященные изучению организации слежения за МСЗ, особенно­

стей получения и первичной обработки данных спутниковых на­

блюдений на автономном пункте приема информации (АППИ).

10