Спутники «Лэндсат-4» и «Лэндсат-5»

4.4.4. Спутники «Лэндсат-4» и «Лэндсат-5».

(Характеристика орбиты, перекрытие снимков, съемочные системы.)

Летом 1982 г. был запущен первый из спутников второго, оперативного, по концепции НАСА, поколения – спутник «Лэндсат-4». Он был оснащен двумя системами сканирования: уже опробованной на первых трех спутниках мультиспектраль-ной системой МСС, несколько модифицированной, и вновь разработанной, более совершенной системой сканера ТМ (Thematic Mapper – тематический картограф). По сравнению со сканерами системы «Лэндсат-МСС» этот сканер имеет улучшенное спектральное и пространственное разрешение и высокую радиометрическую чувствительность. Обе системы сканеров оптико-механические по своей конструкции, но сканирование сканером ТМ ведется по семи каналам. Приведенные характеристики и возможности сканера ТМ даны нами в соответствии с проспектом НАСА (NASA Landsat Data Users Notes, July 23, 1982):

Спектральный канал 1 (0,45-0,52 мкм).
Предназначен для изучения прибрежных вод океанов, морей и озер, так как световые волны этой длины проходят в глубь воды. Кроме того, в этом спектральном диапазоне открываются хорошие возможности по определению лиственных и хвойных пород деревьев и почв, обнаженных и закрытых растительным покровом.

Спектральный канал 2 (0,52-0,60 мкм).
Предназначен для определения жизнеспособности растений (пик излучения, отраженного зеленью, около 0,55 мкм).

Спектральный канал 3 (0,63-0,69 мкм).
В этом интервале длин волн находится полоса поглощения света хлорофиллом. Смещение этой полосы по спектру может быть использовано для определения видового состава растений.

Спектральный капал 4 (0,76-0,90 мкм).
Наиболее эффективен при определении состава биомассы в прибрежных водах и конфигурации береговых линий водоемов.

Спектральный канал 5 (1,55-1,75 мкм).
Предназначен для определения содержания воды в растениях и почвах. Позволяет наиболее эффективно разделить облачный и снежный покровы. Кроме того, наиболее оптимален при геологическом картировании, определении запасов минерального сырья и при мониторинге окружающей среды, так как волны длиной около 1,6 мкм наиболее сильно отражаются от большинства горных пород [87].

Спектральный канал 6 (10,40-12,50 мкм).
Предназначен для выявления локализации угнетенных сообществ растений (фитоценозов), находящихся в условиях стресса, для разделения почв по влажности и для тепловых съемок (разделения площадей поверхности Земли по температурам и тепловому потоку).

Спектральный канал 7 (2,08-2,35 мкм).
В этом диапазоне, по-видимому, открывается особая возможность распознавания горных пород по их спектральным характеристикам, так как диапазон 2,0-2,5 мкм содержит узкие характерные полосы поглощения, которые очень важны при определении минералов групп слоистых силикатов и карбонатов (разд. 3.2.1). Канал 7 специально был выбран для составления прогнозных карт минерального сырья, тогда как остальные каналы сканера ТМ подбирались в основном для оценки состояний окружающей среды, ее мониторинга и картирования растительных сообществ.

Радиометрическая спектральная чувствительность сканера ТМ заведомо выше, чем сканера «Лэндсат-МСС», так как его (ТМ) каналы уже (меньше ширина диапазона) и предельное разрешение на местности (пиксель-элемент) лучше, чем сканера «Лэндсат-МСС». С увеличением спектрального разрешения повышаются ширина динамической зоны, а соответственно и число градаций яркости при приеме спектральной интенсивности сигнала-от 64 до 128 и от 128 до 256. Повышенное радиометрическое разрешение системы сканера ТМ предполагает прием даже малых колебаний величин спектральной яркости объектов в заданных каналах съемки. В связи с этим открывается возможность дифференцировать спектральные данные и их взаимосвязь в пределах одного канала сканирования.
Рассмотрим принцип сканирования системы ТМ (рис. 88). Ряды детекторов каналов с первого по четвертый расположены в плоскости фокуса оптической системы съемки. Каждый спектральный канал воздействует на 16 детекторов, а канал 6 (тепловой ИК-диапазон)-на 4 детектора. Следовательно, каждое качание сканирующего зеркала сопровождается записью (разверткой) по 16 рядам детекторов (в каналах 1-5) и соответственно по четырем рядам в канале 6. Развертка изображения производится при качании зеркала вперед (с запада на восток) и назад (с востока на запад). Внутренняя калибровка сигнала в сканере ТМ позволяет контролировать работу детекторов. Вследствие этого становится возможной радиометрическая коррекция сигналов как в процессе формирования изображения, так и при их числовой обработке. Первичная числовая обработка данных по спектральным каналам (кодирование по 8 бит) транслируется на Землю в информационном потоке 84,9 Мбит/с на частоте Х-диапазона (8-11 ГГц).

Рис. 88. Принципиальная схема устройства и съемки сканером ТМ (Thematic Mapper – Тематический картограф). Ряды детекторов расположены в первичной плоскости фокуса оптической системы. Слева внизу – проекция детекторного ряда на поверхность Земли. В первичной фокальной плоскости расположено 16 детекторов (без охлаждения) спектральных каналов 1-4 (SiO2-детекторы). Слева вверху – охлаждаемые детекторы спектральных каналов 5-7, соответственно по 16 детекторов на канал, работают от спектрального фильтра-диска, который установлен в первичной плоскости фокуса. Для каналов 5 и 7 вводятся InSb-детекторы, а для канала 6 – HgCdTe-детекторы (Manual of Remote Sensing, 2nd ed.).

Описание технического устройства и принципа действия сканера ТМ, так же как и принцип передачи информации на Землю и ее обработки, заимствованы из «Руководства по дистанционному зондированию» (Manual of Remote Sensing, 2nd ed., 1983).
Спектральные каналы сканера МСС на спутнике «Лэндсат-4» аналогичны сканерам этого типа на предшествующих спутниках «Лэндсат», но, к сожалению, имеют иную нумерацию или другое наименование. Прежние каналы 4-7 названы каналами 1-4. Разрешение на местности сканера МСС 4 оказалось неожиданно хуже (82х82 м) при более низкой орбите, чем у сканеров, установленных на первых спутниках (79х79 м).
Орбита спутника «Лэндсат-4» имеет наклон к плоскости экватора Земли 98,2° при высоте Н = 705 км (для первых трех спутников этой серии H = 917 км). Время обращения по орбите 99 мин. При восходящей (с юга на север) орбите спутник «Лэндсат-4» пересекает плоскость экватора Земли в 9 ч 45 мин местного времени. Оно примерно совпадает с временем съемок первыми тремя спутниками «Лэндсат». Съемочный цикл четвертого спутника 16 дней; за это время он может полностью отснять всю поверхность Земли.
Более низкая орбита для спутника «Лэндсат-4» была выбрана только для того, чтобы получить разрешение сканера ТМ на местности, равное 30 м. Но снижение орбиты привело к изменениям в последовательности рядов съемки (и соответственно снимков) и, следовательно, в перекрытии сенсорами обзора поверхности Земли по сравнению с первыми тремя спутниками этой серии (рис. 87 и 90). Для «Лэндсат-4» каждая последующая полоса съемки смещается на запад и возвращается к западной границе первой полосы только через 7 сут (рис. 89). Иначе говоря, повторные снимки соседних рядов получаются только с интервалом 7 сут. Схема съемки Земли этим спутником характерна тем, что два соседних витка орбиты отстоят по экватору Земли друг от друга на 2752 км (при смещении на запад). Этот интервал между двумя витками (соответственно полосами съемки) снимается за 16 сут после чего цикл съемки возобновляется.

Рис. 89. Орбиты «Лэндсат-4» [56]. (Следует отметить, что все технические параметры для «Лэндсат-4» действительны и для стартовавшего в феврале 1985 г. спутника «Лэндсат-5».) Смещающиеся на запад орбиты (полосы съемки) оказываются рядом через 7 сут полета.

Рис. 90. Фрагмент «Индекс-карты» для снимков МСС и ТМ со спутника «Лэндсат-4», лист 4. Показаны расчетные центры снимков (Earthnet 1983).

Ширина полосы захвата обоими сканерами (МСС и ТМ) составляет 185 км. Пространственное разрешение сканера ТМ соответствует разрешению на местности 30х30 м, т. е. оно вдвое выше, чем для сканера МСС 4. К сожалению, канал 6 теплового ИК-диапазона сканера ТМ имеет разрешение на местности 120 м.
На экваторе снимки соседних рядов, снятых со спутника «Лэндсат-4», перекрываются по стороне на 7,6%. От экватора к полюсам Земли перекрытие снимков в соседних рядах увеличивается в отличие от постоянной величины перекрытия по стороне, принятой при аэросъемках.
За 16-сут цикл спутник «Лэндсат-4» покрывает всю поверхность Земли рядами снимков с 233 витков. Поэтому систему определения центров снимков (рис. 87 и разд. 4.4.3.2), рассчитанную на 18-сут цикл съемки первыми тремя спутниками «Лэндсат», применять для заказа снимков, полученных с «Лэндсат-4», не имеет смысла, и для него рассчитана новая система пат-роу, которая состоит из 233 витков (дорожек или колонн), пронумерованных с востока на запад от 001 до 233. При этом виток 001 пересекает экватор по 64,95° з. д. Число рядов остается прежним. Они расположены так, что ряд 60 по восходящей орбите совпадает с экватором.