Прилади дистанційного зондування

Доповідь з дисципліни: Цифрові моделі гірських об'єктів

Уральская Державна гірничогеологічні Академія, Кафедра геодезії та фотограмметрії

Єкатеринбург 2001

Прилади дистанційного зондування.

Використовувані в дистанційне зондування прилади поділяються на дві великі групи, які будемо називати системами спектральних даних і формують зображення системами. Зазвичай системи спектральних даних не формують зображення, а дають спектральну детальну інформацію про об'єкт. Системи, що формують зображення, дають інформацію щодо просторової структури об'єкта і зазвичай спектральну деяку інформацію.

Системи спектральних даних отримують дані шляхом спектрального сканування (у відмінності від просторового сканування в формують зображення системах). У дистанційне зондування системи спектральних даних зазвичай використовують при польових дослідженнях.

Системи, формують зображення, ділять на два типи: кадрові системи і скануючі. У кадрових системах елементи зображення, або пікселі, виходять одночасно в основної одиниці зображення - кадрі. У скануючих системах елементи зображення виходять послідовно, але після отримання можуть бути приведені у формат кадру. Обидва типи таких систем дають спектральну інформацію, звичайно утворюючи багатоспектральні елементи зображення, що складаються з набору вимірів у обраних діапазонах довжин хвиль спектру.

Системи спектральних даних

Розглянемо три різних типи польових спектральних приладів. Всі вони спектрорадіометра, оскільки для них джерелом випромінювання є сонце, а не внутрішні джерела випромінювання. Три основні типи приладів такі: інтерферометр, спектрорадіометра з диспергуючих призмою або дифракційної гратами і спектрорадіометра з обертовими змінними фільтрами. В основному ці прилади відрізняються тим, як вони диспергуючих вхідна випромінювання на його спектральні компоненти. Різні способи діспергтрованія визначають шляхи встановлення внутрішніх опорних випромінювачів в приладі.

В протягом багатьох років інтерферометри використовувалися в спектроскопії високої точності. Пристрій польового інтерферометра відрізняється від лабораторного варіанту в основному способом, яким приводиться в рух рухоме дзеркало. У лабораторних приладах для приведення в рух дзеркала застосовується гвинт з дуже малим кроком, рухоме дзеркало застосовується в конструкції польових приладів воно швидко приводиться в рух за допомогою системи електродинамічних котушок, що дає декілька спектральних сканів в 1с. Прилад не дає зображення сцени в його поле зору, а просто спостерігає інтерференційну картину виникає внаслідок випромінювання енергії сценою.

Другий тип польових приладів, які часто використовуються в дистанційному дослідження, -- прилади, в яких у якості основних диспергуючих елементів застосовуються призми і дифракційні решітки. Звичайно для перетворення оптичного сигналу в змінний сигнал, більше підходить для обробки в електронній частини приладу, в цих приладах використовується система оптичного переривання.

Характеристикою приладу з дифракційної гратами служить те, що кілька порядків спектру відображаються в заданому напрямок. Кратні частоти випромінювання відносяться до одного і того ж порядку. Необхідно провести сортування порядків, використовуючи фільтри перед детектором для відображення дифракційної решітки. Крім того диспергуючих призма дає єдиний порядок в даному напрям і немає необхідність у сортуванні порядків. Однак просторова дисперсія приладу з диспергуючих призмою з механічної точки зору набагато складніше.

Крім того, з спектральної точки зору прилади з дифракційної гратами більше точні, так як результуючий спектр розтягується на велику площу. Прилад з дифракційної гратами вимагає більш обережного поводження і зазвичай не здатний на таке швидке спектральна сканування, як прилад з диспергуючих призмою, оскільки механізм, який використовується для кріплення дифракційної гратки, повинен бути досить масивним і механічно складним для того, що б забезпечити правильне положення дифракційної гратки в даному діапазоні спектра. Механізм призми більш грубий і простий і тому, по суті, він здатний на більш швидке спектральна сканування. Однак спектральний охоплення приладу з диспергуючих призмою обмежується матеріалом, з якого виготовлена призма. Оскільки призма - це в основному заломлює промені прилад, то для того, щоб охопити оптичний діапазон спектру, для виготовлення диспергуючих призм повинні використовуватися матеріали різних типів.

Ще один тип польових приладів - це ті в яких у якості основних диспергуючих елементів використовуються інтерференційні фільтри. Інтерференційний фільтр -- це багатошарова діелектрична структура, яка дозволяє випромінювання проходити через неї. У результаті багаторазових відображень та пропускання виникає явище інтерференції. Тільки один спектральна смуга, Відповідна певної довжині хвилі, інтерферують з посиленням і тому проходить цю багатошарову структуру без істотного ослаблення.

Даний метод диспергирування вимагає такої сортування порядків, яка застосовується в системах з дифракційної гратами. Будь-яка довжина хвилі, кратна первинної довжині хвилі, що пройшла через інтерференційний фільтр, також пройде через нього, так як інтерференція з посиленням буде так само мати місце для компонент кратних довжин хвиль. Необхідний фільтр, здатний видаляти всі кратні порядки випромінювання, падаючого на фільтр. Довжина хвилі, яка повинна пройти через інтерференційний фільтр, залежить від товщини діелектричних елементів. Тому, щоб зробити регульований диспергуючих елемент, зручно використовувати конічний інтерференційний фільтр. Замість того, щоб застосовувати щілини, що визначають кратні довжини хвиль, можна поставити перед вхідними щілиною детектора приладу такий фільтр і змінювати його положення щодо щілини, щоб виділити з приходить потоку з приходить потоку випромінювання спектральну компоненту.

Особливо зручна форма інтерференційного фільтра - це обертаються змінні фільтри, у яких товщина діелектричних елементів змінюється в залежності від кутового положення на обід. Сортують порядок фільтра розташований на поверхні кільця фільтра перед детектором, який використовується для уловлювання що проходить через фільтр випромінювання, ВСФ можуть обертатися для отримання швидких спектральних сканів і по суті являють собою грубий метод диспергирування в польовому приладі.

багатоспектральних порядково - прямолінійні сканери

Сканери дають зображення послідовно. Об'єкт сканується растровим способом, звичайно оптико - механічною системою. Випромінювання проходить через що збирає оптичну систему, що створює миттєве поле зору. Загальна поле зору створюється скануючим рухом оптичної системи. Потім за допомогою диспергуючих призм, дифракційних решіток, діхроічних дзеркал або фільтрів випромінювання розкладається на спектральні складові. Набір детекторів вловлює диспергирование випромінювання. Детектори в просторі розташовані так, щоб відповідні детектори могли вловлювати той діапазон довжин хвиль до якого вони чутливі.

Сигнали, що йдуть з кожного детектора посилюються й обробляються, і далі записуються або передається інформація, що стосується джерел колібровкі, вони як і сцена, також скануються оптико-механічної системою.

Фотографічні системи

Часто фотографічні системи вважаються родоначальниками систем дистанційного зондування по суті виникла в науці як інтерпретація фотографій. У фотографічної системі плівка виступає в ролі детектора, а об'єктиви фокусують зображення на площині плівки - у ролі оптичної системи. Видима система - кадрова система: всі дані про зображення виходять одночасно. Плівка, яка використовується в фотографічної системі як детектор, в порівнянні з багатоспектральних сканерна системою має додаткове обмеження, а саме щодо обмежений спектальний діапазон. Однак за порівняно з багатоспектральних сканерна системами фотографічні системи характеризуються дуже високим просторовим дозволом. Добре розвинена фотограмметрія, що підкреслює геометричні аспекти, іноді звані метричними, в аналізі зображень. Ця високо розвинена технологія, а також відносно низька вартість фотографічних систем у порівнянні з багатоспектральних сканерна системами сприяє широкому використанню її у дистанційному зондуванні.

Оптична частина фотографічної системи призначена для формування з кадрового зображення, і тому її поле зору відносно велика в порівнянні з миттєвим полем зору порядково - прямолінійного сканера. Поле зору деяких фотографічних систем може досягти 800 і більше.

Телевізійні системи

Електронні системи формують зображення, подібні до фотографічними системами в те, що зображення вони утворюють на фотоелектричної поверхні подібно тому, як у фотографічних системах воно утворюється на фотохімічної поверхні. Зазвичай ці системи включають затвор, оптичну систему і, можливо, систему компенсації смаза зображення, подібні до тих, що входять до стандартну фотокамеру. Оскільки телевізійна система - по кадровий прилад, збирає дані, що заповнюють кадр практично миттєво, немає необхідності в настільки точний контроль положення датчика, як це потрібно для порядково -- прямолінійного сканера. Хоча електронно - променеві телевізійні системи зазвичай отримують зображення у вигляді, аналогічний тому, що отримує фотографічна система зображення, індуковані на фотоелектричної поверхні, обробляються швидше за електронним, ніж хімічним шляхом, і піддаються швидкому Електронна передачі з платформи датчика на прийомну станцію. Або ж зображення можуть бути записані в зручному вигляді на магнітну стрічку для подальшої передачі, коли платформа датчика виявиться поблизу приймальні станції.

Аналогове - цифрові перетворення

Для перетворення аналогового сигналу в його цифрове представлення використовують систематичну процедур, яка ще називається оцифровуванням.

Крок квантування повинен бути більше або дорівнює приблизно подвоєною компоненті самої високої частоти, яка повинна зберігатися самою системою. Зберігається сама високочастотна компоненту буде визначати правильність відтворення сигналу після процесу оцифровки. Число рівнів оцифровки зазвичай обирається на підстава характеристик роботи цифрової системи. На практиці було встановлено, що зазвичай цілком задовільним для даних дистанційного зондування є квантування на 256 рівнів (вісім двійкових бітів). Вибір кроку квантування залежить від висоти сканера і його миттєвого поля зору, обидва параметри впливають на приватні характеристики електричного сигналу.

Часто в літакових системах дешевше записати сигнали, що йдуть з детектором, на аналоговий магнітофон, ніж попередньо пропускати їх через бортовий аналого - Цифровий перетворювач. Пізніше аналогова стрічка обробляється в наземної системі аналого - цифрового перетворення, що дає машинно - сумісну цифрову магнітнкю стрічку. Часто за цим йде додаткове перетворення даних на цифровий магнітній стрічці у формат, придатний для прграммной обробки даних. Хоча такий підхід і може знизити собівартість систем збору даних, він вимагає додаткового кроку обробки в підсистемі введення системи цифрової обробки даних на ЕОМ. Крім того, якщо в процес включається крок аналогового запису, то це неминуче призводить до певної втрати динамічного діапазону сигналу і зниження відносини сигнал/шум. Інший підхід полягає в оцифровці сигналів на виході детекторів і запису отриманих цифрових сигналів прямо на цифрову магнітну стрічку. На етапі цифрового запису, виходячи з природи цього процесу, ніякої втрати динамічного діапазону сигналу і зниження відносини сигнал/шум не відбувається. Сигнали записуються в двійковому вигляді, тобто сигнал або є, або його немає, і втрати його якості обумовлені тільки процесами квантування і оцифрування.

Список літератури

1. Гарбун. Гершем. : "Космічні помилки дистанційного зондування"

2. Ф. Свейн. "Дистанційне зондування: кількісний підхід"

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.refz.ru/