Общие сведения

Более двух десятилетий ведутся космические исследования, в ходе которых накоплено значительное количество разнооб­разных космических снимков, опубликовано множество работ об особенностях получения, свойствах и способах их использо­вания. Применение материалов космической съемки открыло новые перспективы развития многих наук, в том числе геодезии, аэрофотосъемки и картографии.

В последние годы все большее развитие получают дистанци­онные методы изучения земной поверхности и других небесных тел, основанные на использовании космических кораблей, снаб­женных специальной аппаратурой для получения снимков и различной измерительной информации.

Советскому Союзу принадлежат выдающиеся достижения в освоении космоса, в частности в получении уникальных сним­ков поверхностей Луны, Марса, Венеры, Земли автоматиче­скими межпланетными станциями «Луна», «Зонд», «Марс», «Венера», долговременными орбитальными космическими стан­циями «Салют», космическими кораблями «Союз» и др.

Большое внимание развитию дистанционных методов изуче­ния поверхностей Земли, планет и их спутников уделяется в США. С борта космических кораблей «Лунар-Орбитер», «Ап-полон», «Маринер», «Викинг» и других получены материалы съемки поверхностей Луны, Марса и других небесных тел.

В настоящее время космическая съемка осуществляется фо­тографическими (фотокамерами) и нефотографическими систе­мами (телевизионными, инфракрасными, лазерными, радиоло­кационными, сканерными). Фотоснимки имеют наибольшую разрешающую способность, наименьшие геометрические иска­жения, лучшие информационные, изобразительные и измери­тельные свойства, фотометрические характеристики. При их получении используют обычные и многозональные фотока­меры.

Многозональная камера служит для одновременного фотогра­фирования местности в нескольких зонах спектра (преимущест­венно в видимой ближней инфракрасной). Она имеет несколько объективов и ряд сочетаний светофильтр — пленка. Так, для съемок с пилотируемых КК «Союз» и орбитальных станций «Салют» специалистами СССР и ГДР изготовлены многозональ­ная фотокамера (МКФ-6) и оптико-механический синтезирующий проектор (МСП-4), позволяющие получать снимки в узких зонах спектра (при длинах волн 0,48; 0,54; 0,50; 0,66; 0,72 и 0,81 мкм) и вести их обработку. Разрешающая способность этих снимков неодинакова (изменяется в несколько раз) и составляет в сред­нем несколько десятков метров. В целях расширения дешифро-вочных возможностей по зональным черно-белым снимкам получают в камеральных условиях цветное синтезированное изображение в выбранной цветовой гамме. Следует отметить, что при синтезе цветового изображения возникают несовпаде­ния идентичных контуров из-за геометрических различий зо­нальных черно-белых снимков. Возможности применения мно­гозональной съемки требуют дальнейшего изучения.

Телевизионные системы подразделяются на электронно-маг­нитные и фототелевизионные, которые получают кадровые изо­бражения, а также электронные оптико-механические с одно-строчным сканированием, транслирующим изображение по ра­диотелевизионным каналам связи практически в реальном масштабе времени.

Для получения снимков в ближайшей инфракрасной зоне спектра используют обычные фотоаппараты, в средней и даль­ней— тепловизоры, в основу которых положены оптико-меха­нические системы, обеспечивающие однострочное сканирование местности. Лазерные снимки также получают методом одно­строчного сканирования, как при условиях освещения местно-сти солнцем, так и при ее подсветке направленным излучением лазера. Радиолокационные снимки, получаемые системами бо­кового обзора (РЛС БО), имеют ряд достоинств. Их качество

1 1 Заказ № 221

практически не зависит от времени суток и метеорологических условий, разрешающая способность на местности принципи­ально не зависит от расстояний до объектов и существует воз­можность передачи с борта носителя информации на большие расстояния. Сканерные снимки получают системами с одно­строчным или коническим вертикальным и горизонтальным ска­нированием. К первым относятся телевизионные, инфракрасные и лазерные снимки. По геометрии построения в эту группу можно также включить снимки, получаемые системами с линей­ками (матрицами) полупроводниковых приемников.

Формирование изображения по кадру во всех системах с однострочным сканированием, а также в системах с верти­кальным коническим сканированием осуществляется за счет движения носителя; в системах с горизонтальным коническим сканированием — за счет изменения угла наклона оси собираю­щей зеркальной системы относительно местной вертикали.

Достоинства телевизионной и сканирующей аппаратуры со­стоят в том, что она не громоздка, может быть установлена на легких искусственных спутниках Земли, обеспечивает оператив­ность получения снимков. Нефотографические системы делают многоспектральными, охватывающими одновременно ультра­фиолетовую, видимую, инфракрасную и частично микровол­новую область спектра (могут иметь 13 съемочных каналов и более). Однако все снимки, получаемые нефотографической ап­паратурой, имеют меньшее разрешение, меньшую передачу то­новых градаций, чем фотографические; на них имеются полосы, строчная или строчно-сетчатая (растровая) структура изобра­жения, наползание или разрывы полос, значительные геометри­ческие искажения. Для этих изображений более сложно и менее точно решается задача определения их элементов ориен­тирования. Однако следует отметить, что качество нефотографи­ческих изображений непрерывно улучшается и они все более приближаются по своим параметрам к фотографическим. Это позволяет уже в современных условиях частично использовать их для решения картографо-фотограмметрических задач.

В настоящем учебнике рассмотрим только некоторые ас­пекты применения космических фотоснимков, так как именно эти материалы в наиболее полной мере обеспечивают возмож­ность картографирования поверхностей небесных тел, а также решение других задач.

Использование космических фотоснимков вызвало необхо­димость рассмотрения и решения комплекса вопросов, важных для картографо-геодезических наук. В частности, к ним отно­сятся:

— получение высококачественных материалов космической съемки;

— создание и сгущение сетей опорных точек, необходимых для выполнения фотограмметрических и картографических ра­бот;

— исследование эффективности использования космических
снимков;

— исследование геометрических и изобразительных свойств
$ изображений, разработка методов дешифрирования;

Ф — разработка способов определения координат и преобра- ф_ зования космических снимков;

— разработка методических вопросов картографирования
Земли, планет и их спутников (изучение особенностей поверх­
ностей, их картографической изученности, разработка матема­
тической основы, установление типов создаваемых карт, их со­
держания и т. п.).

Вопросы космического фотографирования, выполнения науч­ных фотографических экспериментов в разных спектральных зонах, исследование разнообразных аспектов получения фото­снимков с высокими измерительными свойствами, их использо-'|; вание в различных отраслях науки и народного хозяйства рас-*| смотрены в работах профессоров В. Д. Большакова, Н. П. Лав-$ ровой, Л. А. Богомолова, А. Н. Лобанова, В. И. Аковецкого, | доцента Б. Ф. Федорова, В. Д. Пермякова и других. Эффектив­ность использования космических снимков исследуется в раз-Р личных направлениях: научном, методическом, технологическом Л и экономическом. Научная эффективность заключается в полу­чении новых данных об особенностях ландшафта, о взаимосвя­зях и соотношениях отдельных компонентов природной среды; | методическая эффективность — в повышении детальности и до-|. стоверности этих исследований; технологическая эффектив­ность— в определении последовательности и объема съемок, обработки материалов; экономическая эффективность — в повы­шении качества и снижении стоимости картографических | работ.

Использование дистанционных методов позволяет получать | информацию о любом районе и всей поверхности Земли в ко-| роткие сроки (вся поверхность земного шара может быть за­снята за четверо суток со спутника, перемещающегося по по­лярной орбите на высоте 500 км). В последние годы возникло новое научное направление — космическое землеведе­ние, изучающее закономерности географической сферы по J-снимкам, полученным аппаратурой космических кораблей. При ■-.помощи их исследуют обширные и отдаленные территории или [различные компоненты геосферы, рассматривают динамические ■Изменения одной и той же территории по последовательным |изображениям, выполненным через заданные промежутки вре-гмени.

Для решения картографических задач по космическим сним-

^!кам разрабатываются способы преобразования их в заданные

картографические проекции, определения систем координат,

{[улучшения качества изображения с помощью аналоговых и

Цифровых устройств, преобразования полутонового изображе-

■11*

ния в эквиденситное *, способы дешифрирования снимков, по­лучения по ним максимума информации. Так, при преобразова­нии изображений осуществляется их расслоение по плотности, или квантование, усиление контуров, контраста и выявление изменений путем сложения, вычитания, осреднения изображе­ний, выполнение контратипирования (с использованием элек­тронно-копировальных приборов, позволяющих уменьшать или усиливать контраст изображения). Кроме того, возможно уве­личение масштаба изображения, получение цветных снимков путем синтеза зональных черно-белых, проведение фильтрации, при которой избыточная для решения определенной задачи ин­формация отсеивается, а остальная приводится к виду, удоб­ному для использования, а также выполнение других аналогич­ных процедур.

Важной проблемой является обработка больших массивов информации, собираемых современными средствами дистанци­онных наблюдений, разработка методов сжатия данных и вы­яснения степени их избыточности. Используя статистические ме­тоды, например, сглаживание, осреднение, выборку, выделение признаков, первичные данные приводят к меньшему объему. Разрабатывают качественные и количественные методы ана­лиза обработки и интерпретации материалов космических съемок и сбора наземных данных. При разработке вопросов получения и использования космических снимков для создания карт следует иметь в виду, что многие из них, такие, как, на­пример, исследование изобразительных свойств снимков, мето­дов и эффективности дешифрирования снимков, их обработки на фотограмметрических приборах и т. п., изучаются в фото­грамметрии. Поэтому ниже рассмотрим только некоторые ас­пекты геометрии одиночных космических кадровых фотосним­ков, их преобразования и использования для картографических целей.

§ 61. Основы геометрии кадровых фотоснимков

При решении разнообразных научных и практических задач по кадровым фотоснимкам, в том числе картографировании по­верхностей различных небесных тел, возникает необходимость определения прямоугольных координат точек на снимках по их геодезическим координатам и наоборот.

Предположим, что поверхность Земли или другого небесного тела аппроксимируется поверхностью эллипсоида (сферы). Кроме того, известны все элементы внешнего и внутреннего

* Эквиденситное изображение — штриховое изображение, преобразованное из полутонового, состоящее из линий — геометрических мест точек, в которых величина оптической плотности не выходит из заданного узкого предела.

и вычисляют

(68)

и далее

(69)

где е, е' — первый и второй эксцентриситеты эллипсоида вра­щения.

Получив широты 5⁽¹⁾ в первой итерации, находят по фор-

'(2)

муле (66) значения N₀, а затем из выражений (65), (68), (69)—величины z^{2), №, B⁽²⁾ второго приближения. Вновь по

'(3)

формуле (66) определяют JVo и повторяют все вычисления в данной и последующих итерациях до тех пор, пока широты В, полученные в двух смежных приближениях, будут разли­чаться на допустимую величину.

Используя широту В из последней итерации, находят дол­готы

(70)

(71)

(72)

Формулы частных масштабов длин, площадей и других ха­рактеристик для этих проекций сферы и эллипсоида опреде­ляют, исходя из общей теории картографических проекций. На­пример, частные масштабы длин вдоль вертикалов и альмукан-таратов, площадей, наибольших искажений углов азимутальной проекции сферы на горизонтальную плоскость Т₀ имеют вид

(73)

(74)

. . _.-...._. (75)

Из анализа этих формул следует, что для рассматриваемых проекций характерно наличие очень больших искажений длин, площадей и углов, быстро возрастающих от точки надира к краям снимков. Так, на крайнем альмукантарате z₀ = = N₀/(Nq+H), ограничивающем область картографируемой по­верхности, видимую из точки S, искажения длин составляют вдоль вертикалов 100%, вдоль альмукантаратов — 50% (при H<No)', искажения площадей при этом достигают 100 %, а уг­лов—180°. Добавим, что на перспективных фотоснимках добавляются еще искажения за счет углов наклона.

Для сравнения отметим, что геометрические искажения кос­мических фотоснимков значительных по площади областей в де­сятки раз больше, чем в различных картографических проек­циях (стереографической, Гаусса — Крюгера, Чебышева и др.).

Таким образом, использование космических фотоснимков для решения картографических задач возможно только на ос­нове строгого учета особенностей их геометрии, выполнения со­ответствующих преобразований или введения редукций в изме­ренные величины.

Дата добавления: 2015-10-13