Файл: Лабутина Использование данных ДЗЗ для экомониторинга.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.05.2019
Просмотров: 2424
Скачиваний: 4
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