Физические основы, технические средства и технологии получения аэрокосмических снимков

При аэрокосмическом зондировании информация об объекте исследования извлекается из результатов регистрации излучения, представляющего собой электромагнитные волны, которые имеют разную длину, но распространяются прямолинейно с одинаковой скоростью – скоростью света – и при взаимодействии с веществом подчиняются одинаковым физическим законам.

Электромагнитный спектр

Последовательность электромагнитных волн, классифицированная по их длинам (или частотам) называется спектром. Электромагнитные волны условно делят на диапазоны по различным признакам (способу получения, способу регистрации, характеру взаимодействия с веществом). У разных авторов классификация может различаться.

Источники электромагнитного излучения. Оптические характеристики объектов

Основным естественным источником излучаемой энергии является Солнце. И Земля как планета в целом не только поглощает энергию, но и излучает ее. В аэрокосмических методах помимо естественного излучения Земли и Солнца используется и искусственное излучение.

Солнечное излучение

Солнце излучает различные электромагнитные волны – от ультрафиолетовых до радиоволн. Основная энергия приходится на излучение с длинами волн 0,3 – 3 мкм, причем максимум энергии – на волны длиной около 0,5 мкм.

Для характеристики взаимодействия излучения с объектами используют различные величины.

Первостепенной характеристикой является яркость (плотность потока регистрируемого излучения). На нее влияет освещенность, которая складывается из освещенности прямым солнечным светом, рассеянным светом небосвода и светом, отраженным от соседних объектов.

Влияние атмосферы на регистрирующее излучение

Электромагнитное излучение, прежде чем попасть в регистрирующий прибор, расположенный на некоторой высоте над земной поверхностью, проходит сквозь атмосферу, которая является основным источником помех и искажений при изучении земной поверхности и которую называют ахиллесовой пятой космического зондирования в оптическом диапазоне. Даже маломощные облака блокируют все оптическое излучение. Только радиоволны длиной свыше 2 см беспрепятственно проходят сквозь облачный покров.

Но даже проходя сквозь безоблачную атмосферу, электромагнитное излучение испытывает рефракцию (искривление лучей), связанную с изменением коэффициента преломления в разных слоях атмосферы, что обусловлено их различной плотностью, температурой, влажностью.

Кроме того, происходит ослабление излучения вследствие рассеяния и поглощения атмосферными компонентами, главным образом частицами влаги, пыли, озоном, углекислым газом, метаном.

Атмосфера подобно фильтру пропускает лучи различных длин волн избирательно, селективно, поэтому вести исследования можно только в отдельных зонах спектра электромагнитных волн, получивших название окна прозрачности.

Регистрирующий прибор, находящийся над земной поверхностью, фиксирует суммарное излучение, которое слагается из излучения исследуемого объекта и излучения нижележащего атмосферного слоя.

Таким образом, оптические характеристики объектов, определенные сквозь толщу атмосферы, отличаются от характеристик, полученных в непосредственной близости от объектов; яркости объектов могут быть усиленными или ослабленными, а относительные контрасты сглаженными. Опыт показывает, что из-за отрицательного влияния атмосферы разрешение космических снимков может снизиться в 2 раза по сравнению с расчетным.

Методы регистрации электромагнитного излучения

В аэрокосмических системах используются различные приемники излучения – фотографические материалы, электрические элементы,  антенны, а также совершенный биологический приемник – человеческий глаз. В современных аэрокосмических методах зрение играет исключительно важную роль для получения информации как во время аэровизуальных и космических наблюдений земной поверхности, так и в процессе обработки снимков.

Основу фотографических материалов составляет светочувствительный слой, в котором взвешены микроскопические (около 1 мкм) кристаллы бромистого серебра. Чем крупнее кристаллы, тем выше светочувствительность. Резкость изображения зависит от толщины фотослоя – она выше у тонкослойных фотоматериалов. Наименьшую резкость имеет изображение на многослойных цветных материалах. Возможность раздельного воспроизведения фотослоем мелких близко расположенных деталей изображения характеризуется разрешающей способностью. В качестве единицы измерения разрешающей способности приняты миллиметры в минус первой степени (мм^-1). Когда говорят, что фотоматериал имеет разрешающую способность 50 мм^-1, то это означает, что он может раздельно воспроизвести на одном погонном миллиметре 50 пар черно-белых штрихов.

Съемочная аппаратура

Аэрокосмические снимки получают с помощью съемочных систем многократного действия. Каждая из систем состоит из целого ряда взаимосвязанных приборов и устройств, но главными из них являются  фотографические аппараты, сканеры и радиолокаторы, которые также имеют по несколько разновидностей. Неотъемлемой частью съемочных систем служит бортовой компьютер. Аппаратура дополняется комплексом приборов для точного определения пространственных координат и углов наклона носителя. Работа съемочных систем связана со средствами передачи информации на Землю и наземными пунктами приема этой информации.

Каждый аэрокосмический снимок, помимо изображения земной поверхности, содержит служебную информацию: регистрационный номер, дату и время съемки, параметры аппаратуры, координатные метки и другие характеристики, необходимые для обработки и практического использования.

Носители съемочной аппаратуры

Для выполнения съемки аппаратура устанавливается на носитель. Носители аппаратуры можно разделить на две основные группы: авиационные и космические.

Виды орбит космических летательных аппаратов

При съемке земной поверхности существенную роль играет выбор орбиты полета ИЗС. Важными параметрами орбиты являются форма, наклонение, высота, положение ее плоскости по отношению к Солнцу.

По форме предпочтительными являются круговые орбиты, благодаря чему достигается одинаковый охват, масштаб и разрешение снимков.

Виды дистанционных съемок

Аэрокосмические съемки различают в зависимости от назначения, используемых носителей, съемочной аппаратуры, технологии выполнения съемки, формы представления результатов.

По виду используемых носителей аппаратуры съемки делят на две группы: аэросъемки  и  космические съемки.