Дистанционное зондирование (получение информации на расстоянии) оказало сильное влияние на деятельность человека в современной истории. На данном снимке Британского пляжа (кодовое название одной из точек высадки в Нормандии в июне 1944 г.) полученном при помощи специального оборудования V корпуса Армии США, хорошо видны вооружённые солдаты, высаживающиеся на берег с больших и малых десантных судов. Семь десятилетий спустя дистанционное зондирование, даже когда его применение простирается в невообразимые дали, остается самым значительным методом наблюдения и зондирования поверхности Земли.
Вид сверху
Преимущества дистанционного зондирования
Люди всегда искали точки наблюдений за ландшафтом на высотах. На протяжении всей истории человечества обзор сверху (с макушки дерева, вершины горы и скалистого утеса) давал нашим предкам возможность ответить на важные вопросы: Где здесь есть вода? Где находятся лучшие охотничьи угодья? Где мои враги? Аэрофотосъемка впервые была осуществлена над Парижем воздухоплавателем Гаспаром-Феликсом Турнашоном в 1858 году. С появлением фотографии и воздушных полётов в начале двадцатого века высотные наблюдения совершили квантовый скачок, и появилась область науки - дистанционное зондирование.
Технология быстро совершенствовалась в течении Первой Мировой войны в качестве превосходного нового военного потенциала. С 1914 по 1918 годы аэро-зондирование развилось практически с нуля до сложной точной науки. Многие методы, процедуры и термины дистанционного зондирования, использующиеся по сей день, появились в тот период. В течение Второй Мировой войны точность и теоретические основы удаленного зондирования стремительно развивались.
Следующий огромный шаг в эволюции дистанционного зондирования Земли связан с полетами в космос и появлением цифровой фотографии. Спутниковые технологии обеспечивают возможность постоянного получения изображений всей планеты, а организация цифровой съемки и передачи ее результатов позволяют непосредственно применять и использовать эти растущие объемы изображений. Сегодня в различных областях человеческой деятельности необходим постоянный поток изображений, большинство которых отображаются в веб-сети в момент их получения.
Дистанционное зондирование запечатлевает историю
Как данные дистанционного зондирования подтверждают истину
Первый аэрофотоснимок был получен в 1858 году, за сто лет до того, как начал свое существование термин "дистанционное зондирование". Задолго до появления спутников и цифровых снимков люди получали изображения земной поверхности издалека, документируя многие исторические моменты для будущих поколений.
Множество платформ, масса приложений
Высота сенсора играет важную роль в определении цели
Современные изображения получаются на высотах в широком диапазоне: от уровня Земли и свыше 35 000 километров над поверхностью Земли. Изображения, снятые на каждой из высот, имеют различные преимущества для каждой из сфер их применения. На данной схеме показаны самые часто используемые диапазоны высот сенсоров, хотя это далеко не полная классификация:
Геостационарные – 35 800 километров
Спутники, согласованные с вращением Земли, для земных наблюдателей выглядят неподвижными в небе. Спутники с геостационарными орбитами в основном используются для обеспечения связи, но в то же время, подобно гиперспектральному формирователю изображений GIFTS, применяются для мониторинга изменяющихся явлений, например, погодных условий. Syncom от NASA, запущенный в начале 60-х годов, был первым успешным высотным спутником.
Солнечно-синхронные – 600–800 километров
Спутники на такой орбите по возможности сохраняют постоянным угол освещения поверхности Земли, поэтому ученые получают возможность сравнивать изображения одного и того же сезона, полученные за несколько лет, например, изображения Landsat. Это основные высоты для сенсоров наблюдений за земной поверхностью.
Атмосферные спутники – 30 километров
Эти беспилотные летательные аппараты, называемые также псевдо-спутниками, скользят по верхней границе определяемой атмосферы. Например, экспериментальный летательных аппарат NASA Helios измерял солнечные вспышки, пока не упал в Тихий океан недалеко от Кауаи.
Реактивный самолет – 9 000–27 500 метров
Реактивный самолет совершает полеты на высоте 9 000 метров и выше и за короткое время может пролететь над районами бедствий, что делает его подходящей платформой для определенных типов применения оптических и спектрозональных изображений.
Самолет авиации общего назначения – 30–3 000 метров
Малая авиация, осуществляющая полеты на малой скорости и небольшой высоте, долго была основным средством для получения высококачественных аэро- и ортофотоснимков. От Сессны до сверхлегких вертолетов, это рабочие лошадки для съемки изображений в оптическом диапазоне частот для городских территорий.
Беспилотники – 30–150 метров
Беспилотники – новички в этой сфере. Их способность парить на небольшой высоте и дистанционное управление представляют привлекательные преимущества для аэрофотосъемки с разрешением до 1 дюйма. Военные летательные аппараты – это либо небольшие беспилотники, либо самолеты.
На поверхности Земли/портативные – Поверхность Земли
В последнее время все чаще в рабочих процессах ГИС находят применение изображения, полученные с поверхности Земли. Ресурсы типа Google Street View, изображения уровня улиц HERE и Mapillary, мультиспектральные изображения с наладонников и других наземных сенсоров находят применение в таких областях, как работа с трубопроводами, недвижимостью, обеспечение безопасности, туризм, природные ресурсы и развлекательные мероприятия.
Тенденции применения изображений
Дистанционное зондирование уже является частью многих отраслей экономики
В качестве достоверных записей изменяющихся условий на земной поверхности, изображения дистанционного зондирования находят широкое применение в традиционной человеческой деятельности, связанной с землепользованием. По этой причине такие сферы экономики, как лесное хозяйство, горнодобывающая промышленность и геологоразведка одними из первых начали применять дистанционное зондирование, способствуя его дальнейшему развитию.
Измерение отраженной солнечной энергии
Пассивные датчики фиксируют отраженный свет по всему спектру
Пассивный датчик изображений фиксирует волны, отражаемые или испускаемые с наблюдаемой им сцены. Отраженный солнечный свет является обычным источником электромагнитных волн, измеряемых пассивными датчиками. Такие датчики обеспечивают возможность получения глобальных наблюдений за Землей и ее атмосферой.
Измерение передаваемых волн
Активные датчики посылают и получают собственные сигналы
Активные датчики излучают энергию и фиксируют излучение, отражаемое обратно от поверхности Земли или других целей. Они находят практическое применение в изучении метеорологии и атмосферы, например, радиолокатор (радар) измеряет эхо от определенных объектов, таких как дождевые облака, лазерный локатор (лидар) фиксирует подробные значения высот поверхности, а гидролокатор (сонар) измеряет глубину морского дна.
Лидар
Радар
Сонар
Глядящие с небес
Созвездие спутников на земной орбите
Сейчас на орбите вокруг земного шара вращается около 3 300 спутников, и их число постоянно растет. Эти мириады "глаз в небе" доставляют в руки географических аналитиков бесценную информацию данных изображений, находящую применение практически во всех сферах человеческой деятельности. Они занимают низкие, средние и высокие (геостационарные) земные орбиты. Они управляются правительственными агентствами (такими как NASA, Европейское космическое агентство или РОСКОСМОС) и частными компаниями (например, Digital Globe и Airbus). Спутники охватывают все сегменты электромагнитного спектра от ультрафиолетового до естественных цветов и дальше до ближнего, среднего и теплового инфракрасного, и активируют микроволновые датчики, например, радар.
Но в космосе становится тесно. В добавление к 3 000 активным космическим аппаратам, мировые космические агентства совместно отслеживают еще 10 000 обломков "космического мусора" – это отработавшие ракетоносители, спутники с севшими аккумуляторами, инструменты, оброненные космонавтами, и прочий мусор от различных событий и неудачных маневров.
По мере того, как становятся популярными частные запуски и микроспутники, мы ожидаем увеличение количества датчиков. Все уплотняющаяся сетка датчиков сулит перспективы для большого диапазона приложений, но и приведет к серьезным проблемам, когда дело дойдет до эффективного использования и распространения беспрецедентного потока необработанной информации.
Прочие перспективы
Перспективные изображения и изображения уровня улиц намечают новый курс
Географические данные не обязательно показываются только сверху. Виды, наклоненные под углом, предоставляют уникальные перспективы, имеющие определенное применение в изысканиях и работе с недвижимостью, и это всего лишь две из многих областей применения. Изображения на уровне улиц, популяризованные Google Street View, – еще одна многообещающая форма пространственных данных, создающая эффект присутствия и интерфейс интегрированной навигации.
Перспективные
Уровень улиц
Reality Lens
Сравнение разрешения снимков и наземной точности
Важной концепцией снимков является их разрешение деталей земной поверхности. У каждого снимка есть разрешение на местности, обычно выражаемое как расстояние на поверхности Земли. Специалисты называют его разрешением снимка (ground sample distance – GSD). Это разрешение ячейки является измерением ширины и высоты квадратной ячейки в единицах измерения поверхности, например, футах или метрах.
Слово профессионалу: Кас Грин
Снимки раскрывают свои характеристики и структуру различными путями
Как и большинство произведений искусства, снимки раскрывают свою суть и структуру разными путями, но это всегда волнует, иногда озадачивает, иногда ставит в тупик. Сначала они ошеломляют своей исходной красотой: застывшие ледники Гренландии, ступенчатые края уступов на радаре, яркая зелень тропиков, четкие линии антропогенных объектов, возрождение лесов на горе Св. Елены, причудливые завитки пахотных угодий Азии и Африки, исчезающие снега Килиманджаро. Каждое изображение побуждает нас на новые открытия, заставляя смотреть снова и снова.
После беглого знакомства, мы приступаем к исследованиям. Что создает этот уникальный спектральный сигнал? Почему на этой территории на северных склонах растут деревья, а на южных – кустарники? Связано ли местоположение различных видов деревьев с уклоном и высотой? Почему этот дом сгорел, а соседний даже не затронут огнем? Сколько человек живет в этой деревне? Какие зерновые культуры здесь выращиваются? Будет ли урожай достаточным, чтобы прокормить этих людей? Почему так сильно изменился ландшафт? И кто его изменил?
Затем, используя силу ГИС, мы находим связь явлений. Если повезет, мы едем на полевые исследования с нашим приложением Collector, чтобы самим увидеть, как ландшафт отличается от снимков и других ГИС-слоев. Мы используем ArcGIS для организации и совместной регистрации слоев информации и ищем сведения для переменных, которые наиболее прогнозируемы. Мы учимся извлекать информацию о местоположении, высоте, форме, текстуре, контексте, тенях, оттенках и цвете каждого объекта из изображений и ГИС-данных. А затем мы создаём карты – собираем ресурсы и следим, как они изменяются во времени.
Снимки всегда были моим билетом в большой мир. С ним я путешествую по земному шару, собирая чудные истории и встречая интересных людей, влюбленных в свою работу. Я очень счастлива, что смогла раскрыть красоту снимков и таким образом найти для себя работу, для которой я предназначена.
Быстрый старт
Лучше всего приступить к делу и понять, как снимки можно применять на платформе ArcGIS, – посмотреть их в действии при решении реальных задач (или хотя бы при осуществлении информационной поддержки). Следующие карты-истории дают возможность заглянуть в мир изображений и их важнейших сфер применения при решении некоторых наиболее актуальных мировых задач.
В конце каждой карты-истории вы найдете ссылки на использовавшиеся исходные данные и рекомендации по получению данных при работе непосредственно в ArcGIS.
Урок Learn ArcGIS
Изучите в 3D закономерности экологического землепользования при помощи данных Living Atlas в ArcGIS Earth
Общий обзор
На карте Global Ecological Land Units (ELU) отображены систематическое деление и классификация биосферы с использованием экологических и физико-географических объектов земной поверхности. Поскольку это набор данных на весь мир, он является идеальным источником данных для анализа с помощью ArcGIS Earth.
На этом уроке вы откроете ArcGIS Earth лёгкое приложение для доступа к данным ELU и их отображения, которое выявит закономерности изменений земной поверхности. Вы проанализируете различные области планеты и увидите, насколько хороши ваши собственные наблюдения этих областей по сравнению с текущими эмпирическими данными.
Вы приобретете навыки в следующих областях:
- Навигация в ArcGIS Earth
- Загрузка данных из Living Atlas
- Доступ к 3D-данным KML
Вам потребуется:
- ArcGIS Earth
- Предполагаемое время: 15 минут
Предыдущая глава
Imagery Is Visible Intelligence
A geographic Rosetta stone
Следующая глава
Defining Imagery
GIS and imagery are synergistic