Программа картирования теплового потока (НСММ). Радиолокационная съемка

4.6. Программа картирования теплового потока (НСММ)

В начале 1978 г. НАСА был запущен спутник НСММ (Heat Capacity Mapping Mission). С помощью этого экспериментального спутника были осуществлены измерения температур больших участков поверхности для геологических, сельскохозяйственных, экологических, гидрогеологических и климатологических целей. Спутник облетает Землю на высоте 620 км при наклонении орбиты 97,6°. На нем находится двухканальный радиометр, получающий широкозахватные снимки в видимой зоне спектра (0,5-1,1 мкм) и в тепловом инфракрасном диапазоне (10,5-12,5 мкм). Датчик одновременно принимает и соответственно измеряет как отраженное, так и возбужденное тепловое излучение.
Поле зрения радиометра смещается механически в пределах угла сканирования, равного 60°, что соответствует ширине снимаемой полосы 720 км. Пространственное разрешение снимков НСММ в области надира составляет 600 м для теплового канала и 500 м для видимой области спектра. Совмещение снимков обоих спектральных каналов достигается с точностью 0,2 элемента разрешения или лучше.
Параметры орбиты спутника НСММ позволяют проводить повторные наблюдения дневных температур прежде всего в области средних широт, где спутник осуществляет измерения максимальных и минимальных температур поверхности выбранного участка (около 13 ч 30 мин и 2 ч 30 мин местного времени). Это время оптимально для фиксации временных и пространственных температурных контрастов различных образований на земной поверхности. Инфракрасные тепловые снимки НСММ могут быть использованы для изучения региональных особенностей распределения амплитуд дневных колебаний температуры поверхности. Они также могут применяться для определения кажущихся тепловых свойств (прежде всего тепловой инерции) образований, слагающих поверхность или располагающихся непосредственно под ней.
В течение пятимесячного эксперимента НСММ были получены данные по многим районам Северной
Америки, Европы и Австралии. Между прочим, было установлено, в какой мере данные о тепловых свойствах горных пород и почв могут быть использованы для их идентификации, для определения угнетения в растительных сообществах, для изучения пространственных и временных изменений влажности и для предупреждения затоплений местности талыми снеговыми водами.

4.7. Радиолокационная съемка

4.7.1. Общие положения

Свое первое применение радиолокация нашла в военной разведке для определения положения кораблей и самолетов и для измерения расстояний. Позднее она была применена в океанографии для наблюдений за поверхностью моря и в метеорологии для наблюдения за погодой. В дистанционном зондировании природных ресурсов радиолокацию начали использовать лишь после того, как были разработаны радиолокационные системы получения изображений, устанавливаемые на самолетах.
Радиолокационная съемка, применяемая в исследованиях поверхности с 1970-х гг. со все большим успехом, существенно отличается от описанной выше аэрофотографической и сканерной съемок как техникой съемки, так и геометрическими и информационными особенностями получаемых изображений. Датчики аэрофотографической и сканерной съемки пассивно воспринимают отраженное от земной поверхности солнечное или же ее собственное тепловое излучение. В применяемых для дистанционного зондирования радиолокационных станциях бокового обзора (РЛСБО) используется, напротив, съемка в активном режиме. Эти системы «освещают» снимаемую территорию сами. Во время полета антенна, установленная вдоль продольной оси самолета, посылает в перпендикулярном к полету направлении на земную поверхность высокочастотные импульсы с диаграммой излучения, имеющей форму узкого лепестка. Отраженные от облучаемой земной поверхности или объектов на ней сигналы принимаются антенной, преобразуются в видеосигналы и записываются на фотографическую пленку или же в цифровой форме на магнитную ленту (рис. 96 и 97). Интенсивность отраженного от поверхности или предметов радиоэха передается на радиолокационном (РЛ) снимке градациями фототона и фоторисунком изображения. Для тематической интерпретации РЛ-снимков важны изменения интенсивности и характера радиоэха в зависимости от структуры поверхности и вещественного состава природных объектов (почв, растений, горных пород, воды).

Рис. 96. Схема устройства и работы радиолокатора бокового обзора ([95], с изменениями).

Рис. 97. Схема работы радиолокатора бокового обзора (по данным Вестингауза, 1967, с изменениями).

Установлено, что характер взаимодействия зондирующего электромагнитного излучения с поверхностью и природными объектами определяется длиной волны, ее поляризацией и углом падения. Это должен учитывать интерпретатор при тематическом анализе РЛ-снимков [278].
В дистанционном зондировании применяются два типа радиолокационных систем: съемочные радиолокационные системы с реальной апертурой антенны (РЛСБО, или некогерентные системы; SLAR в английской терминологии) и съемочные радиолокационные системы с синтезированной апертурой антенны (SAR-в английской терминологии, РЛСА-в русской-см. разд. 4.7.3 и 4.7.4). Последние системы основаны на волновых фазовых (когерентных) эффектах. Радиолокационные системы с реальной апертурой относительно просты и не требуют сложной обработки данных при построении изображения. Применение их ограничивается относительно невысоким пространственным разрешением.
Системы с синтезированной апертурой позволяют получить высокое пространственное разрешение независимо от расстояния между антенной и объектом. Однако получение и обработка данных более сложны, поэтому применение систем с синтезированной апертурой обходится дороже.
Работа радиолокационных съемочных станций не зависит от условий естественной освещенности. Кроме того, при длине волны более 2 см РЛ-съемка не зависит от погодных условий. Облака, дождь, туман, делающие невозможными фотографические и сканерные съемки, полностью прозрачны для электромагнитного излучения с длиной волны более 2 см. Для РЛ-съемки облака, дождь и турбулентные движения в атмосфере порождают лишь так называемые фазовые погрешности и особенно влияют на радиолокационные аппараты с синтезированной апертурой, обусловливая нерезкие («расфокусированные») снимки. Таким образом, относительная независимость от погодных условий дает РЛ-съемке существенные преимущества перед фотографическими и сканерными съемками. РЛ-съемка становится решающим методом изучения и картирования поверхности в тех районах, которые значительную часть года покрыты дымкой или облаками. Это прежде всего тропические зоны с их густыми дождевыми лесами, в которых топографические съемки и тематическое картографирование вплоть до появления РЛ-съемок оказывались невозможными или проводились в очень тяжелых условиях. В этих до сих пор еще слабо изученных районах РЛ-съемки являются ныне важнейшим средством при исследовании природных ресурсов-нефти, газа, руд и др. С этой целью с начала 1970-х гг. были проведены обширные радиолокационные съемки в Центральной и Южной Америке, в тропическом поясе Африки, в Индонезии, в районах Филиппин и Австралии. Большая часть этих съемок проводилась в рамках проектов развития поисков месторождений. Результатами РЛ-съемок являются прежде всего радиолокационные мозаичные мелкомасштабные изображения (фотосхемы), смонтированные из отдельных полос. Откорректированные радиолокационные мозаики для многих заснятых районов представляли собой первые картографические материалы удовлетворительной точности. Они послужили удобной основой для картирования и анализа тектонической структуры. Кроме того, РЛ-снимки и фотосхемы хорошего разрешения, передающие особенности рельефа, помогают опознавать и разграничивать литофациальные единицы по характеру рельефа и растительности, отражаемому фототоном и фоторисунком снимков. Правда, определение литофациального состава без полученных ранее данных по исследуемой территории или хотя бы ограниченного объема сопутствующих наземных исследований остается во многом проблематичным. Это связано с тем, что интенсивность и характер отраженного микроволнового излучения, передаваемые фототоном РЛ-снимков, зависят как от вещественного состава отражающей поверхности, так и от условий проведения съемок и от локальных условий объекта – поверхностной влажности, растительности и др. Интерпретатор радиолокационных снимков должен знать кроме принципов радиолокационной съемки и геометрических особенностей изображения также и параметры, которые влияют на отражение радиолокационного сигнала от поверхности объектов.