Оптико-механические и оптико-электронные сканеры

Сканирующие системы появились в сере­дине 70-х годов и к концу 80-х почти полностью вытеснили традицион­ные фотографические и телевизионные системы. Сегодня они являются основными поставщиками данных ДЗЗ при решении задач природно-­ресурсного и экологического мониторинга.

В общих чертах механизм сканирования заключается в следующем. На спутнике имеется сканер, который оснащён фотоэлектрическим или термоэлектрическим приёмником. В этот приёмник попадает отражённое излучение с некоторого участка земной поверхности. Приёмник генерирует электрический сигнал, завися­щий от интенсивности излучения. Величина сигнала фиксируется в памяти устройства, а датчик начинает принимать сигнал со следующего участка земной поверхности. Таким образом, участок за участком, начинает формироваться изображение. Каждый такой участок земной поверхности, отражение от которого было одномоментно зарегистрировано датчиком, на снимке отображается в виде пиксела – наименьшего неделимого элемента изображения. На каждом пикселе отражается осреднённое значение яркости всех объектов, попавших в пределы данного пиксела. Таким образом, чем меньше размер пиксела, тем качественнее изображение можно получить на снимке, так как становится возможным отображение более мелких объектов.

Сканерные системы дистанционного зондирования бывают двух видов – оптико-механические (делятся на линейные и поперечные) и оптико-электронные (продольные и планарные).

В линейных сканерах (для съёмки всей сцены используется один-единственный детекторный элемент

Рисунок 1 – Линейный оптико-механический сканер

В сканерах этого типа установлено зеркало, которое качается из стороны в сторону поперёк направления движения спутника. На зеркало последовательно попадает отраженное излучение от разных участков поверхности вдоль строки, а с зеркала оно уже попадает на детектор. Дойдя до крайней точки строки зеркало начинает вращаться в обратную сторону, считывая следующую строку (спутник за это время пролетел расстояние, соответствующее одной строке пикселов). Таким образом, строка за строкой изображение наращивается. Колебание зеркала поперек маршрута съемки реализует строки изображения, а благодаря движению носителя происходит накопление строк и формируется полное изображение снимка, имеющее строчно-сетчатую поэлементную структуру.

Другой разновидностью линейных сканеров является сканер, в котором зеркало не качается из стороны в сторону, а вращается всегда в одном направлении вокруг своей оси, в диапазоне 360 градусов. Здесь датчик считывает сигнал вдоль строки, а затем, пока датчик делает вокруг своей оси, спутник продвигается на некоторое расстояние вперёд и датчик вновь начинает считывать следующую строку в том же направлении. За одну секунду осуществляется около 7 таких циклов.

В поперечных ПЗС-сканерах, например, сканер TM (Thematic Mapper) спутника Landsat-5, используется линейка детекторов, расположенных вдоль маршрута съёмки. Такая линейка называется линейка ПЗС (прибор с зарядовой связью; название отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу). В результате, при каждом цикле движения зеркала все детекторные элементы осуществляют параллельное сканирование земной поверхности. Как и для линейных сканеров, движение датчика может осуществляться из стороны в сторону, когда следующая строка считывается в противоположном направлении, либо вокруг своей оси.

Основным недостатком устройств такого типа является наличие механического сканирующего зеркала, ограничивающего точность географической привязки получаемых изображений и снижающего долговечность и надежность устройства в целом. В оптико-электронных камерах на приборах с зарядовой связью (ПЗС), получивших наименование «push-broom scanner», элементы с механическим сканированием не используются. Строка изображения в одном спектральном диапазоне формируется при помощи линейной матрицы (линейки) детекторов на ПЗС, ориентированной перпендикулярно направлению полета спутника.

Продольные ПЗС-сканеры оснащены ПЗС-линейкой, состоящей из тысяч детекторных элементов, расположенных поперёк маршрута. В результате параллельное сканирование всего набора данных происходит просто за счёт движения платформы по орбите.

Планарный ПЗС представляет собой матрицу датчиков, аналогично матрице в обычном цифровом фотоаппарате. Необ­ходимо обеспечить достаточное время, чтобы определенное количество фотонов попало на датчик. Если датчик находится в движении относи­тельно цели, то применяется пошаговое формирование изображения, чтобы предотвратить размывание.

Независимо от типа сканирующей системы полный угол сканирования поперек маршрута съемки называется углом обзора, а соответствующая величина на поверхности Земли шириной полосы съемки (другое название — ширина полосы охвата). Расстояние на земной поверхности, соответствующее расстоянию между центрами соседних пикселов, называется наземным интервалом дискретизации (другое название – наземный шаг сканирования). Наземные интервалы дискретизации вдоль и поперек маршрута съемки определяются соответствующими частотами дискретизации, а также скоростью движения платформы. На практике частоту дискретизации обычно подбирают так, чтобы величина наземного интервала дискретизации была равна размеру мгновенного поля обзора, то есть ширине проекции одного детекторного элемента на земную поверхность (рис. 2 и 3). Таким образом, мгновенные поля обзора соседних пикселов примыкают друг к другу как в продольном, так и в поперечном направлении. Наземный интервал дискретизации вдоль маршрута съемки определяется скоростью платформы и либо частотой дискретизации (для продольных ПЗС-сканеров), либо скоростью сканирования (для линейных и поперечных ПЗС-сканеров), которые подбираются так, чтобы соответствовать мгновенному полю обзора в надире. Использование в некоторых системах более высокой частоты поперечной дискретизации приводит к наложению мгновенных полей обзора и, как следствие, к некоторому улучшению качества данных. Такой метод «избыточного сканирования» применяется, в частности, в съемочных системах Landsat MSS и AVHRR KLM.

Рисунок 2 – Простейшая геометрическая схема расположения детекторного элемента в фокальной плоскости датчика

Рисунок 3 – Связь между проекцией мгновенного поля обзора и интервалом дискретизации для типовых сканеров и для приборов MSS и AVHRR

Наземный интервал дискретизации GSI определяется высотой расположения платформы Н, фокусным расстоянием f и междетекторным интервалом (или, как было отмечено выше, пространственной частотой дискретизации). Если частота дискретизации равна одному пикселу на один междетекторный интервал, наземный интервал в надире, то есть непосредственно под датчиком, задаётся простой формулой:

Где m = f/H – коэффициент геометрического увеличения, а величина междетекторного интервала обычно равна ширине детекторного элемента w.

Мгновенное поле обзора GIFOV зависит от величин H, f и w аналогичным образом. При этом следует заметить, что инженеры-разработчики систем дистанционного зондирования предпочитают использовать в своих расчётах другой параметр – величину мгновенного угла обзора IFOV, равную углу, который образует детекторный элемент с осью оптической системы (рисунок 2). Это обусловлено тем, что IFOV является величиной постоянной и не зависит от рабочей высоты датчика.

Данные, получаемые при помощи оптических датчиков с высоким пространственным разрешением, используются при решении большого числа тематических задач, включая, например, измерение протяженности и классификация растительного покрова, определение состояния сельскохозяйственных культур, геологическое картирование, контроль эрозии почв в береговой зоне и т.д. Однако область применимости этих данных несколько ограничивается тем, что получение качественных оптических снимков возможно только на освещенной части поверхности Земли в ясную, безоблачную погоду.