Многоспектральный сканирующий радиометр

Многоспектральный сканирующий радиометр — это прибор дистанционного зондирования Земли, предназначенный для одновременной регистрации электромагнитного излучения в нескольких узких спектральных диапазонах (каналах) с целью получения многоспектральных изображений земной поверхности. Относится к классу оптико-электронных сканирующих систем, устанавливаемых на авиационных и космических носителях. Основное назначение — сбор данных для мониторинга природных ресурсов, сельского хозяйства, океанологии, метеорологии и картографии.

Принцип действия

Многоспектральный сканирующий радиометр работает по принципу пассивного зондирования: он регистрирует естественное отражённое солнечное излучение и собственное тепловое излучение объектов. В отличие от панхроматических систем, которые фиксируют излучение в широком диапазоне (например, 0,4–0,8 мкм), многоспектральный радиометр разделяет принимаемый сигнал на несколько спектральных каналов с помощью дихроичных зеркал, призм или дифракционных решёток.

Сканирование

Для формирования изображения используется оптико-механическое или электронное сканирование. В оптико-механических системах вращающееся зеркало или призма последовательно направляет излучение от различных участков земной поверхности на детектор. В современных системах всё чаще применяются электронные сканирующие устройства (например, матрицы ПЗС или КМОП), которые позволяют получать изображение без движущихся частей, что повышает надёжность и скорость съёмки.

Регистрация излучения

Принятое излучение преобразуется в электрический сигнал с помощью фотодетекторов. Для разных спектральных диапазонов используются различные типы детекторов:

• Кремниевые (Si) — для видимого и ближнего инфракрасного диапазона (0,4–1,1 мкм).
• Арсенид-галлиевые (InGaAs) — для коротковолнового инфракрасного диапазона (1,1–2,5 мкм).
• Теллурид-кадмий-ртутные (HgCdTe) — для средневолнового и длинноволнового инфракрасного диапазона (3–14 мкм).

Сигнал с детекторов оцифровывается и передаётся на борт носителя для последующей обработки и передачи на Землю.

Спектральные каналы

Количество и ширина спектральных каналов определяются целевой задачей радиометра. Типичные каналы включают:

• Синий (0,45–0,52 мкм) — для изучения водных объектов, атмосферы и растительности.
• Зелёный (0,53–0,60 мкм) — для оценки состояния растительности и почв.
• Красный (0,63–0,69 мкм) — для анализа растительности и геологических структур.
• Ближний инфракрасный (0,75–0,90 мкм) — для определения биомассы и влажности.
• Средневолновый инфракрасный (3,0–5,0 мкм) — для теплового картирования и обнаружения пожаров.
• Длинноволновый инфракрасный (10,0–12,5 мкм) — для измерения температуры поверхности и мониторинга облачности.

Характеристики

Основные параметры многоспектрального сканирующего радиометра:

• Пространственное разрешение — минимальный размер объекта, различимый на снимке. Измеряется в метрах на пиксель. Для спутниковых систем варьируется от 0,3 м (высокодетальная съёмка) до 1000 м (метеорологические спутники).
• Спектральное разрешение — количество и ширина спектральных каналов. Чем уже каналы, тем точнее можно идентифицировать материалы.
• Радиометрическое разрешение — количество уровней яркости, регистрируемых в каждом канале. Обычно составляет 8–16 бит (256–65536 градаций).
• Временное разрешение — частота повторной съёмки одного и того же участка. Зависит от орбиты спутника и может составлять от нескольких часов до нескольких недель.
• Полоса захвата — ширина полосы земной поверхности, снимаемой за один проход. Для космических систем может достигать сотен километров.

Примеры систем

Космические радиометры

• MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) — установлен на спутниках Terra и Aqua (NASA). Имеет 36 спектральных каналов в диапазоне 0,4–14,4 мкм. Пространственное разрешение — 250–1000 м. Используется для глобального мониторинга океана, атмосферы и суши.
• Landsat OLI (Operational Land Imager) — установлен на спутниках Landsat 8 и 9. Имеет 9 спектральных каналов в диапазоне 0,4–2,3 мкм. Пространственное разрешение — 15 м (панхроматический) и 30 м (многоспектральный). Предназначен для изучения природных ресурсов.
• МСУ-100 (Многоспектральное сканирующее устройство) — разработан в России для спутников серии «Ресурс-П». Имеет 5 спектральных каналов в диапазоне 0,5–0,9 мкм. Пространственное разрешение — 100 м. Используется для сельскохозяйственного и экологического мониторинга.
• Sentinel-2 MSI (MultiSpectral Instrument) — установлен на спутниках Европейского космического агентства. Имеет 13 спектральных каналов в диапазоне 0,4–2,3 мкм. Пространственное разрешение — 10–60 м. Применяется для мониторинга растительности, почв и водных объектов.

Авиационные радиометры

• AVIRIS (Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer) — бортовой гиперспектральный радиометр, разработанный NASA. Регистрирует излучение в 224 каналах в диапазоне 0,4–2,5 мкм. Пространственное разрешение — до 1 м. Используется для геологических и экологических исследований.
• CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager) — канадский прибор, работающий в диапазоне 0,4–1,0 мкм. Имеет до 288 спектральных каналов. Применяется для картографирования растительности и водных объектов.

Применение

Многоспектральные сканирующие радиометры широко используются в различных областях:

• Сельское хозяйство — оценка состояния посевов, определение степени увлажнения и засоления почв, прогнозирование урожайности.
• Лесное хозяйство — мониторинг вырубок, оценка биомассы, выявление очагов поражения вредителями.
• Геология и горное дело — поиск полезных ископаемых, картирование геологических структур, мониторинг оползней и карьеров.
• Океанология — изучение циркуляции вод, определение температуры поверхности моря, концентрации хлорофилла и взвешенных веществ.
• Метеорология — наблюдение за облачностью, осадками, температурой воздуха и поверхности.
• Экология — мониторинг загрязнения воздуха и воды, оценка состояния экосистем, выявление несанкционированных свалок.
• Картография — создание и обновление топографических и тематических карт.

Преимущества и ограничения

Преимущества

• Возможность различать объекты, неотличимые в одном спектральном диапазоне (например, разные типы растительности или горных пород).
• Высокая информативность данных для автоматического анализа и классификации.
• Возможность проведения съёмки в любое время суток (в тепловых каналах).

Ограничения

• Зависимость от погодных условий (облачность, дымка) особенно в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.
• Сложность и высокая стоимость разработки и эксплуатации.
• Необходимость калибровки и коррекции данных для учёта атмосферных искажений.

Интересные факты

• Первый многоспектральный радиометр был установлен на спутник Landsat 1, запущенный в 1972 году. Он имел 4 спектральных канала и пространственное разрешение 80 м.
• Современные гиперспектральные радиометры могут регистрировать излучение в сотнях узких каналов, что позволяет создавать спектральные «отпечатки» различных материалов.
• Данные с многоспектральных радиометров используются для создания цифровых моделей рельефа и трёхмерных карт местности.

Источники

• Космические методы исследования Земли: учебное пособие / под ред. В. И. Кравцова. — М.: Изд-во МГУ, 2015.
• Дистанционное зондирование Земли: методы и системы / А. А. Калинин, В. В. Козлов. — СПб.: Наука, 2018.
• NASA. MODIS Web. — URL: https://modis.gsfc.nasa.gov (дата обращения: 01.01.2025).
• European Space Agency. Sentinel-2 MSI. — URL: https://sentinel.esa.int (дата обращения: 01.01.2025).
• Роскосмос. Космический аппарат «Ресурс-П». — URL: https://www.roscosmos.ru (дата обращения: 01.01.2025).