Виды космической съемки

Первая фотография из космоса была сделана 24 октября 1946 года с ракеты V-2 (США), но считается, что эпоха космической съёмки началась в 1972 году, когда был запущен первый аппарат программы Landsat. За практически 50-летнюю историю космическая съёмка преобразилась до неузнаваемости: пленку заменили цифровые носители, пространственное разрешение снимка улучшилось с 1000 м до 0,3 м, а количество возможных спектральных каналов съёмки увеличилось с 1 до 256.

На сегодняшний день космическая съёмка различается по нескольким признакам: направлению применения, количеству спектральных каналов, пространственному разрешению, типу съёмочной аппаратуры и т. д.

Рассмотрим особенности пространственного разрешения спутниковых снимков. В отличие от других источников пространственной информации космические снимки дешифрируются не в масштабе съёмки, а с достаточно большим увеличением. Поэтому понятие масштаба считается весьма условным, гораздо более важно для космической съёмки понятие пространственного разрешения.

Пространственное разрешение — размер самой малой детали местности, воспроизводимой на снимке, определяется размером пикселя. То есть, у снимка с пространственным разрешением 1 м пиксель имеет размер 1х1 м.

Типы пространственного разрешения спутниковых изображений:

• Очень низкое (хуже 100 м).
• Низкое (15–100 м).
• Среднее (5–15 м).
• Высокое (1–2,5 м).
• Сверхвысокое (0,3–1 м).

На данный момент не существует унифицированной классификации типов пространственного разрешения, поэтому возьмём предложенную нами за образец.

Рис. 1 Сравнение пространственного разрешения среднего, высокого и сверхвысокого.

Космическая съёмка с очень низким пространственным разрешением крайне важна для жизнедеятельности человека, и косвенно каждый из нас ежедневно пользуется этими данными. Съёмка очень низкого пространственного разрешения используется в метеорологии и мониторинге глобальных процессов на Земле. С их помощью специалисты оперативно получают всю информацию о состоянии атмосферы Земли и процессах, протекающих в ней, таких, как формирование ураганов, пылевых бурь и т. д. Спутники с очень низким пространственным разрешением являются основным источником информации о состоянии морей и океанов, например, о ледовой обстановке. Основными преимуществами снимков с очень низким пространственным разрешением являются оперативность получения данных (до 1 раза в час) и глобальность охвата. Например, КА Terra Modis имеет ширину полосы охвата в 2330 км (рисунок 2).

Примеры спутников с очень низким пространственным разрешением: Terra, Aqua (сканер Modis), ENVISAT/MERIS, SPOT/Vegetation, «Метеор»/МСУ-СМ, NOAA и др.

Рис. 2 Изображение со спутника Terra Modis на территорию Казахстана, пространственное разрешение 250 м

Космическая съёмка с низким пространственным разрешением крайне важна для решения ряда задач государственных структур, таких, как МЧС и Гидрометцентр. Их используют для глобального экологического мониторинга, контроля чрезвычайных ситуаций (наводнений и естественных пожаров), мониторинга снежного покрова и др. Данный вид спутников используется для анализа и прогноза погоды в региональном масштабе и мониторинге климата на уровне государств (рисунки 3, 4).

Примеры спутников с низким пространственным разрешением: «Метеор-М», GaoFen-4, Deimos-1, UK-DMC2 и др.

Рис. 3 Снимок со спутника Deimos-1, пространственное разрешение 22 м

Рис. 4 Снимок со спутника «Метеор-М», пространственное разрешение 50 м

Самой популярной является космическая съёмка со средним пространственным разрешением. И это легко объяснить, ведь именно к данному типу съёмки относятся бесплатные снимки с самым высоким пространственным разрешением до 10 м. Всё научное сообщество активно их использует для самых разнообразных задач, например, по ним студенты изучают космическую съёмку и методы её обработки. У таких спутников, как Landsat-8, важной особенностью является наличие большого количества спектральных каналов, что позволяет решать крайне разнообразные задачи:

• Мониторинг состояния сельскохозяйственных культур.
• Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, создание планов землепользования, точное земледелие.
• Поиск полезных ископаемых.
• Мониторинг мелких и средних водоёмов.
• Мониторинг чрезвычайных ситуаций.
• Инвентаризация и оценка состояния лесов.
• Широкий круг задач в области охраны окружающей среды и т. д.

По данным среднего пространственного разрешения также можно проводить работы по созданию и обновлению топографических карт масштаба от 1:100 000 и мельче. Именно данные среднего пространственного разрешение большинство популярных приложений используют в качестве единой подложки с космическими снимками на всю территорию Земли.

На этом преимущества снимков со средним пространственным разрешением не заканчиваются. За счёт достаточно большой площади снимка (200–300 км по ширине) покрытие обновляется с завидной регулярностью — каждые 2–3 дня на одну и ту же территорию (рисунок 5).

Примеры спутников со средним пространственным разрешением: Landsat-8, Sentinel-2, Terra Aster и др.

Рис. 5 Снимок со спутника Landsat-8, пространственное разрешение 15 м

Несмотря на множество преимуществ, снимки со средним пространственным разрешением не позволяют решать абсолютно все задачи. Для многих сфер жизнедеятельности человека необходимы снимки с гораздо более высоким пространственным разрешением.

Первые космические снимки высокого пространственного разрешения были получены в 1980-е годы. Такие съёмочные системы находились на военных спутниках, были созданы специально для нужд разведки и поставляли данные для составления карт вражеских территорий во время холодной войны. На советских спутниках «Комета» находилась камера КВР-1000, которая позволяла делать детальные снимки с пространственным разрешением 2 м.

Сейчас спектр применения данных высокого пространственного разрешения стал гораздо шире, а с появлением группировки PlanetScope покрытие обновляется практически ежедневно.

Краткий перечень задач, решаемых с помощью снимков с высоким пространственным разрешением:

• Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:25 000.
• Создание цифровых моделей рельефас точностью 5–10 м по высоте.
• Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.
• Мониторинг экологического состояния территорий в районах добычи, переработки, транспортировки нефти и газа, других полезных ископаемых.
• Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования муниципальных районов и субъектов федерации.
• Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация лесов, регулярный контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.
• Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, мониторинг состояния посевов, оценка засоренности, выявление вредителей и болезней сельскохозяйственных культур, прогнозирование урожайности.
• Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров и т. п.

Сейчас практически у каждой развитой страны есть собственные спутники высокого пространственного разрешения, которые активно используются в государственных целях.

Примеры спутников с высоким пространственным разрешением: GaoFen-1, ZiYuan-2, Spot-6,7, «Канопус-В» и др. (рисунок 6).

Рис. 6 Снимок со спутника GaoFen-2, пространственное разрешение 2 м

С 1999 года началась эпоха развития космической съёмки. 24 сентября 1999 года был запущен первый спутник со сверхвысоким пространственным разрешением — 1м — Ikonos. Практически следом за ним, 18 октября 2001 года, был запущен первый спутник, позволяющий делать изображения с разрешением 0,6 м — QuickBird.

Компания GeoEye (ныне Maxar Technologies) задала новый вектор развития космической съёмки, и с тех пор пространственное разрешение улучшилось до 0,3 м (WorldView-3). Помимо высокого пространственного разрешения в панхроматическом канале, были сделаны большие успехи и в мультиспектральном диапазоне: на спутнике WorldView-3 расположена камера с 28-ю спектральными каналами высокого разрешения.

Краткий перечень задач, решаемых с помощью данных сверхвысокого пространственного разрешения:

• Создание и обновление топографических карт и планов масштаба до 1: 2 000.
• Создание цифровых моделей рельефа высокой точности.
• Инженерные изыскания для строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.
• Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация и оценка состояния лесов.
• Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, мониторинг состояния посевов, оценка засоренности, выявление вредителей и болезней сельхозкультур, прогнозирование урожайности.
• Создание планов землепользования.
• Создание планов городов и схем территориального планирования муниципальных районов.
• Инвентаризация и мониторинг состояния транспортных, энергетических и информационных коммуникаций.
• Наблюдение за природными бедствиями.
• Контроль использования природных ресурсов.

С появлением съёмки со сверхвысоким пространственным разрешением стало возможно выявлять незаконные свалки, незаконную добычу полезных ископаемых, мелкие участки вырубок и другие правонарушения, а также решать территориальные споры.

На данный момент операторы спутников решают непростую задачу — оставить в использовании только космическую съёмку со сверхвысоким пространственным разрешением и добиться частоты её обновления, как у съёмки с высоким разрешением.

Примеры спутников со сверхвысоким пространственным разрешением: WorldView-2,3, Kompsat-3,3А, SuperView, Gaofen-2, TripleSat и др. (рисунок 7).

Рис. 7 Снимок со спутника WorldView-3, пространственное разрешение 0,3 м