Видеоспектрометры новая перспективная аппаратура для дистанционных исследований

УДК 621.383

В.М. Красавцев, А.Н. Семенов, К.Н. Чиков СПбГУИТМО, Санкт-Петербург В.Б. Шлишевский СГГ А, Новосибирск

ВИДЕОСПЕКТРОМЕТРЫ - НОВАЯ ПЕРСПЕКТИВНАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Дистанционное зондирование (ДЗ) представляет собой процесс измерения характеристик интересующих пользователя объектов с помощью чувствительных датчиков, не находящихся в непосредственном контакте с предметом исследования [1]. Подобные датчики устанавливаются, как правило, на борту авиационных и космических носителей.

Начало эффективному и широкомасштабному использованию методов ДЗ для получения информации о Земле из космоса было положено немногим более трех десятилетий тому назад с вводом в эксплуатацию метеорологических искусственных спутников Земли и спутников для исследования природных ресурсов. Особое место среди этих методов заняли оптические методы ДЗ, основанные на регистрации и измерении в разных диапазонах электромагнитного спектра энергии, излучаемой или отражаемой исследуемыми объектами, имеющими различные спектральные коэффициенты яркости (СКЯ).

На ранних этапах развития спектральных средств ДЗ подавляющее большинство исследований, направленных на получение графиков и таблиц СКЯ, проводилось в лабораторных и полевых условиях с помощью различного типа спектрорадиометров с низким и средним спектральным разрешением. Отмечая особенности указанных видов измерений, следует подчеркнуть, что при наземных измерениях наблюдения обычно ведутся непосредственно над изучаемым объектом, как правило, на высоте 1,0—1,5 м и очень редко - со специальных вышек. В результате исследователь может быть совершенно уверен не только в правильном выборе необходимого объекта (тип почвы или горной породы, вид растительности и т. п.), но и в оценке условий его нахождения.

Напротив, при авиационных и, тем более, космических наблюдениях фиксируются некоторые усредненные по полю зрения прибора спектральные характеристики земной поверхности, которые могут существенно отличаться от реальных данных, особенно для небольших объектов на местности.

Следовательно, сопоставление результатов наземных и авиационнокосмических измерений наталкивается на фактически непреодолимые методические трудности. Более того, исследования показывают [2], что результаты обеих методик имеют значительные расхождения даже для однородных протяженных объектов. Так, для растительности и некоторых горных пород значения СКЯ по данным наземных измерений обычно больше авиационных и спутниковых на величину от 30 до 60 %. Это очень большое расхождение в результатах.

Отсюда можно сделать вывод, что обе методики нередко дают неудовлетворительные результаты при изучении тонких спектральных различий у объектов земной поверхности, интересующих потребителей. В то же время, проведенные в последние два десятилетия детальные исследования СКЯ природных (естественных) и антропогенных (искусственных) образований показали [1], что именно небольшие спектральные различия являются индикаторами важнейших характеристик объектов и явлений.

Научная и практическая реализация выявляемых особенностей поведения СКЯ оказалась возможной в полной мере лишь с появлением в последние два десятилетия нового класса приборов с высоким пространственным, спектральным и радиометрическим разрешениями -видеоспектрометров, (imaging spectrometers), обеспечивающих поэлементную регистрацию одновременно и СКЯ, и структуры рассматриваемых удаленных объектов. Эти приборы открывают широкие возможности зондирования Земли и околоземного пространства, преодолевая самые изощренные естественные и искусственные маскировки исследуемых объектов. Получаемые данные от таких приборов могут использоваться как совместно с видеоданными о топологии наблюдаемых объектов, так и самостоятельно. Их высокие информационные возможности определяются выявлением и формированием новой системы спектральных признаков, основанных на характерных различиях в спектрах собственных излучений и спектрах отражений природных и антропогенных объектов. При этом обработка видеоспектральных данных хорошо поддается автоматизации.

Особенностью аппаратурного построения видеоспектральных средств, содержащих обычно видеоспектрометр и специальную телевизионную камеру, является их объединение в бортовой аэрокосмический информационно-измерительный комплекс. В таком случае спецтелекамера позволяет оператору на борту носителя или в камеральных (лабораторных) условиях анализировать в реальном масштабе времени всю наблюдаемую в данный момент картину.

Видеоспектрометр, как правило, включает в себя проецирующий объектив и полихроматор (спектрометрическую часть). На выходе полихроматора обычно устанавливают матричный фотоприемник (МФП) излучения, позволяющий одновременно осуществлять пространственное и спектральное сканирование. Каждая строка матричного приемника, располагаемая строго поперек направления (трассы) полета носителя, фактически регистрирует детальное монохроматическое изображение узкой полосы земной поверхности и обеспечивает развертку этого изображения по пространству, а сканирование по пространству происходит за счет движения носителя. Сканирование по спектру, осуществляемое электроникой матричного приемника, а также максимальное количество спектральных интервалов, разрешаемых видеоспектрометром, определяются числом строк МФП приемника. Сколько таких строк в МФП - столько, в принципе, можно зарегистрировать монохроматических узкополосных изображений участка местности, над которой пролетает носитель.

Таким образом, видеоспектрометры обеспечивают разложение в спектр узких протяженных участков земной поверхности, расположенных перпендикулярно трассе полета и изображаемых проецирующим объективом во входной щели полихроматора. Движение носителя позволяет формировать полноразмерные монохроматические кадры в виде последовательности соответствующих монохроматических изображений узких полос земной поверхности, распределенных непрерывно вдоль трассы полета. В итоге, видеоспектрометры совмещают в себе высокое пространственное разрешение, свойственное высококачественным аэрофотоаппаратам, и высокое спектральное разрешение, присущее дисперсионным спектральным приборам высокого класса.

В полной мере позитивные свойства видеоспектральной аппаратуры бортового базирования (на атмосферных или внеатмосферных носителях) раскрываются при выполнении прикладных исследований, когда необходимо получить высококачественные монохроматические изображения объектов естественного и/или искусственного происхождения с одновременной интегральной визуализацией кадра, что позволяет измерять пространственные и спектральные характеристики излучения у широкой номенклатуры целей и фонов.

Аэрокосмические видеоспектральные информационно-измерительные комплексы особенно эффективны при обеспечении гидрометеорологических служб оперативной информацией, позволяющей дать:

- Синоптический анализ и прогноз погоды в глобальном, региональном и локальном масштабах (характер и параметры облачных образований, фронтальные разделы, особенности циркуляции воздушных масс, стихийные гидрометеорологические явления);

- Анализ и прогноз состояния акваторий морей и океанов (ледовые условия, сгонно-нагонные процессы у побережий);

- Анализ и прогноз состояния внутренних водоемов, рек, процессов на реках и водохранилищах (паводки, половодья, ледовые условия, снегозапасы в бассейнах рек, запасы воды в водохранилищах);

- Анализ и прогноз условий для полетов авиации (высота верхней границы облачности, струйные течения, зоны болтанки летательных аппаратов, зоны развития активной конвекции в атмосфере);

- Анализ и прогноз гелиогеофизической обстановки;

- Анализ климата и глобальных климатических изменений.

Как показывает международный опыт последних десятилетий, видеоспектральная аппаратура становится незаменимой при выполнении различных геологических и инженерно-геологических изысканий, в частности, проводимых в интересах проектирования и строительства подводных газопроводов. Так, при реализации подводного газопровода Россия -Турция через Черное море или Северо-Европейского газопровода на акватории Финского залива множество прикладных задач может быть решено

видеоспектральными средствами. Здесь по мере перемещения от глубоководных участков к мелководным прослеживается сложная гамма тоновых переходов от темных тонов к светлым. При этом светлым тоном изображаются мутные воды. Поскольку коротковолновая часть спектра солнечных лучей проникает в морскую толщу на большую глубину, то получаемые видеоспектральные изображения способны охарактеризовать распространение мутных вод до границ мелководных участков и контролировать глубины. Кроме того, по некоторым данным, видеоспектральные съемки позволяют визуализировать литодинамические процессы, которые могут заметно влиять на заносимость подводных траншей (прорезей) на морском дне, вымывание засыпки заглубленных трубопроводов, миграцию береговой черты и оказывать непосредственное динамическое воздействие на трубопровод.

Исключительное значение имеют литодинамические исследования на Черноморском побережье Кавказа. Это определяется сложной геоморфологией района. В данном районе присутствуют многочисленные подводные долины и каньоны, которые в большинстве случаев извилисты и имеют хорошо выраженные склоны, легко выделяемые на космических видеоспектральных изображениях. Такой рельеф дна может вызвать на отдельных участках магистрали протяженные провисания труб, а также значительные вибрационные нагрузки, вплоть до разрушения металла, что можно предотвратить с помощью мер, принятых на основе проанализированных видеоспектральных данных.

Видеоспектральные аэрокосмические изображения позволяют выделять и картографировать разрывные нарушения, литолого-стратиграфические комплексы, выявлять складчатые структуры в условиях расчлененного рельефа. Например, область интенсивного проявления грязевого вулканизма, которая легко выделяется на видеоспектральных изображениях, парагенетически связана с нефтеносностью района. В частности, такие области характерны для районов западного побережья Каспийского моря.

Разработка и совершенствование видеоспектральной аппаратуры имеет большое значение при ее использовании и в военных целях, что связано с высокой эффективностью ее применения в случае, когда в получаемом изображении для выявления демаскирующих признаков требуется раздельно опознать смежные элементы или объекты, имеющие предельно близкие цвета или их оттенки, что абсолютно невозможно при использовании традиционных видов аэрокосмической съемки. Данное свойство

видеоспектральной аппаратуры придает ей особую ценность при решении целого ряда военных задач, среди которых следует выделить разведку, контроль заметности вооружения и военной техники, а также

гидрометеорологическое обеспечение и экологический мониторинг военных объектов.

В обзоре военных программ космической видовой разведки [3] отмечена важность программ создания аппаратуры для спутниковой

видеоспектральной съемки. Военные задачи включают получение видеоспектральных изображений для оценки обстановки на сухопутном

театре военных действий, номинации целей (определения локальных районов повышенного интереса, обнаружения крупномасштабных объектов и камуфляжа), трехмерного картографирования, обнаружения перемещения подразделений и крупномасштабных изменений в инженерных сооружениях, мониторинга погодных условий и прибрежных зон. Ожидается, что видеоспектральный принцип зондирования обеспечит повышение степени обнаружения тактических целей, даже если они укрыты с помощью новейших маскировочных средств. Вместе с тем, указано, что до выяснения потенциальных возможностей военного применения информации, получаемой посредством бортовых американских видеоспектрометров, правительством США наложен запрет на распространение среди зарубежных заказчиков видеоспектральных изображений с разрешением на местности лучше 20 м. Работы в этом направлении ведутся NASA по программе «Наблюдение за местностью» (ЕО-1) и космическим командованием США по программе «Уорфайтер».

Вышеизложенное, а также многочисленные результаты зарубежных испытаний видеоспектральной аппаратуры [4, 5], позволяют сделать вывод об исключительных перспективах развития видеоспектральной съемки как принципиально нового направления совершенствования методов и систем ДЗ в оптическом диапазоне. К сожалению, по экономическим причинам в отечественных исследованиях последнего десятилетия известны единичные примеры применения видеоспектрометрии [6-12].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли. - М.: Мир, 1988. - 343 с.

2. Чапурский Л.И. Отражательные свойства природных объектов в диапазоне 4002500 нм. - М.: Изд. МО СССР, 1986.

3. Яблонский Л., Воронин Е., Кашин В. Зарубежные военные программы космической видовой разведки // Зарубежное военное обозрение. - 2002. - № 7.

4. Proceedings of the Fourth Intern. Airborne remote sensing conf. and exhibit // 21 Canadian symp. on remote sensing. Ottawa, Canada, 21 - 24 June 1999.

5. Proceedings of the Fourteenth conf. and workshops applied geologic remote sensing // Las Vegas, USA, 6 - 8 November 2000.

6. Гуд В.В., Красавцев В.М., Сандаков А.Н., Чиков К.Н. Видеоспектрометрические космические комплексы для исследования Земли и планет солнечной системы // Опт. журн. - 1995. - № 8. - С. 67-71.

7. Чиков К.Н., Гуд В.В., Красавцев В.М., Сандаков А.Н. Видеоспектрометры для экологического мониторинга // Изв. вузов «Приборостроение». - 1998. - № 3. - С. 5-10.

8. Чиков К.Н., Гуд В.В., Красавцев В.М. Бортовой видеоспектральный комплекс для целей геолого- и экологического картирования // Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию. Сб. статей / СПб.: Санкт-Петербургский горный ин-т. - 2000. - С. 173-175.

9. Батян П.В., Гуд В.В., Коняхин И.А. и др. Опыт использования видеоспектрометра ИТМО в натурных условиях // Изв. вузов «Приборостроение». - 2002. - № 2. - С. 46-51.

10. Чиков К.Н., Панков Э.Д., Порфирьев Л.Ф. и др. Особенности построения бортовых оптико-электронных систем спектрозонального мониторинга // Изв. вузов. Приборостроение. - 2004. - № 9. - С. 60-67.

11. Рафаилович А.С., Шлишевский В.Б. Краткие итоги разработки элементной базы и оптико-электронных модулей специального назначения для ультрафиолетового диапазона спектра // Сб. материалов Междунар. конгресса «ГЕО-СИБИРЬ-2006». Т. 4. -Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 31-34.

12. Марков А.В., Рафаилович А.С., Шлишевский В.Б. и др. Некоторые предварительные результаты натурных испытаний оптико-электронной аппаратуры специального назначения для ультрафиолетового диапазона спектра // Сб. материалов междунар. конгресса «ГЕ0-СИБИРЬ-2006». Т. 4. - Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 34-37.

© В.М. Красавцев, А.Н. Семенов, К.Н. Чиков, В.Б. Шлишевский, 2007