В книге изложены основы методов дистанционного зондирования поверхности Земли и атмосферы из космоса при помощи электромагнитного излучения. Главный акцент делается на физических и математических принципах, лежащих в основе этих методов, но также даются примеры их практических приложений при решении широкого круга задач исследования окружающей среды. Изложены сведения о распространении электромагнитного излучения в свободном пространстве и в среде, о поверхностном и объемном рассеивании, о взаимодействии излучения с атмосферой, об основных типах датчиков (фотографических, электрооптических, пассивных микроволновых, лазерных локаторах и лидарах, радиовысотомерах, микроволновых датчиках и построителях изображений), об орбитах спутников для дистанционного зондирования, и сведения об обработке изображений. Рассматриваются также вопросы применения техники звукового зондирования атмосферы и интерферометрическй радиолокации, использование средств Глобальной навигационной системы GPS. Обсуждения всех главных типов датчиков иллюстрируются примерами их современного воплощения в реальных инструментах.
Главный девиз, которым руководствуется автор, дать не только понять, что можно делать с помощью средств дистанционного зондирования, но и доходчиво объяснить, как эти средства работают. Поэтому, эта книга доступна, интересна и полезна широкому кругу читателей – от начинающих студентов до практикующих специалистов и ученых.

Содержание

Предисловие

1. Введение.

• 1.1. Определение и начальные сведения о дистанционном зондировании.
• 1.2. Практические применения.
• 1.3. Обзор систем дистанционного зондирования.
• 1.4. Дополнительная литература и как получать данные.

2. Электромагнитные волны в свободном пространстве.

• 2.1. Электромагнитные волны.
• 2.2. Поляризация.
• 2.3. Спектр и преобразование Фурье.
• 2.4. Эффект Доплера.
• 2.5. Описание углового распределения излучения.
• 2.6. Тепловое излучение.
  • 2.6.1. Характеристика солнечного излучения.
• 2.7. Дифракция.
• ЗАДАЧИ.

3. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом.

• 3.1. Распространение в однородных материалах.
  • 3.1.1. Комплексные диэлектрические постоянные: абсорбция.
  • 3.1.2. Диэлектрические постоянные и коэффициенты преломления реальных материалов.
    • 3.1.2.1. Газы.
    • 3.1.2.2. Твердые и жидкие вещества – электрические изоляторы.
    • 3.1.2.3. Металлы.
  • 3.1.3. Дисперсия.
• 3.2. Плоские границы.
• 3.3. Рассеяние шероховатой поверхностью.
  • 3.3.1. Основные понятия о рассеянии поверхностью.
  • 3.3.2. Простые модели поверхностного рассеяния.
  • 3.3.3. Критерий Рэлея шероховатости поверхности.
  • 3.3.4. Модели микроволнового обратного рассеяния.
    • 3.3.4.1. Модель малых возмущений.
    • 3.3.4.2. Модель Кирхгофа.
    • 3.3.4.3. Другие модели.
• 3.4. Объемное рассеяние.
  • 3.4.1. Уравнение переноса излучения.
  • 3.4.2. Поглощение и рассеяние макроскопическими частицами.
  • 3.4.3. Простые модели объемного рассеяния.
• 3.5. Отражение и излучение реальных материалов.
  • 3.5.1. Видимая и ближняя инфракрасная области.
  • 3.5.2. Излучательная способность в тепловой инфракрасной области.
  • 3.5.3. Излучательная способность в микроволновой области.
  • 3.5.4. Коэффициенты обратного микроволнового рассеяния.
• ЗАДАЧИ.

4. Взаимодействие электромагнитного излучения с земной атмосферой.

• 4.1. Газовый состав и структура атмосферы.
• 4.2. Молекулярное поглощение и рассеяние.
  • 4.2.1. Механизмы молекулярного поглощения.
  • 4.2.2. Молекулярное рассеяние.
• 4.3. Микроскопические частицы в атмосфере: аэрозоли.
• 4.4. Более крупные частицы: туман, облака, дождь и снег.
• 4.5. Ионосфера.
• 4.6. Атмосферная турбулентность.
• ЗАДАЧИ.

5. Фотографические системы.

• 5.1. Введение.
• 5.2. Фотографическая пленка.
  • 5.2.1. Типы пленки.
    • 5.2.1.1. Черно-белая пленка.
    • 5.2.1.2. Инфракрасная пленка.
    • 5.2.1.3. Цветная пленка.
    • 5.2.1.4. Квази-цветная инфракрасная пленка.
• 5.3. Свойства фотографической пленки: чувствительность, контрастность и пространственное разрешение.
• 5.4. Фотографическая оптика.
  • 5.4.1. Масштаб, угол охвата и разрешение.
• 5.5. Фотограмметрия и стереофотограмметрия.
  • 5.5.1. Отображение рельефа.
  • 5.5.2. Стереофотографии.
• 5.6. Влияние атмосферы.
• 5.7. Некоторые приборы.
• 5.8. Применение аэро и космических съемок.
• ЗАДАЧИ.

6. Электрооптические системы.

• 6.1. Введение.
• 6.2. Системы визуально-инфракрасного отображения (ВИК).
  • 6.2.1. Датчики.
  • 6.2.2. Отображение.
  • 6.2.3. Пространственное разрешение.
  • 6.2.4. Спектральное разрешение.
  • 6.2.5. Основные области применения ВИК-снимков.
  • 6.2.6. Поправки за влияние атмосферы.
• 6.3. Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне.
  • 6.3.1. Датчики.
  • 6.3.2. Отображение.
  • 6.3.3. Пространственное разрешение.
  • 6.3.4. Спектральное разрешение и чувствительность.
  • 6.3.5. Основные области применения съемок в тепловом инфракрасном диапазоне.
    • 6.3.5.1. Регистрация облачности.
    • 6.3.5.2. Температура морской поверхности.
    • 6.3.5.3. Тепловая инерция.
  • 6.3.6. Поправки за влияние атмосферы на отображения в тепловом инфракрасном диапазоне.
• 6.4. Некоторые съемочные приборы.
• 6.5. Атмосферное зондирование.
  • 6.5.1. Построение температурных профилей из точки измерения в надир.
  • 6.5.2. Построение профилей газовой концентрации в направлении надира.
  • 6.5.3. Измерение обратного рассеяния в направлении надира.
  • 6.5.4. Лимбовое зондирование.
  • 6.5.5. Спектральное разрешение атмосферного зондирования.
  • 6.5.6. Некоторые приборы.
• ЗАДАЧИ.

7. Пассивные микроволновые системы.

• 7.1. Введение.
• 7.2. Теория антенн.
  • 7.2.1. Диаграмма направленности и угловое разрешение.
  • 7.2.2. Чувствительность.
  • 7.2.3. Сканирующие радиометры.
• 7.3. Основные применения пассивной микроволновой радиометрии.
  • 7.3.1. Применения в океанографии.
  • 7.3.2. Применения для изучения земной поверхности.
• 7.4. Поправки за влияние атмосферы.
• 7.5. Пример: радиометрический прибор SSV/I.
• 7.6. Атмосферное зондирование методом пассивных микроволновых измерений.
• ЗАДАЧИ.

8. Дальномерные системы.

• 8.1. Введение.
• 8.2. Лазерное профилирование.
  • 8.2.1. Поправки за влияние атмосферы на лазерные измерения.
• 8.3. Радарная альтиметрия.
  • 8.3.1. Эффект кривизны Земли.
  • 8.3.2. Эффект когерентности: точность измерения расстояний.
  • 8.3.3. Отражение от негладкой поверхности.
  • 8.3.4. Применение радарной альтиметрии.
    • 8.3.4.1. Топография морской поверхности.
    • 8.3.4.2. Неровности морской поверхности
    • 8.3.4.3. Топография земной поверхности и ледниковых покрытий.
  • 8.3.5. Атмосферные и ионосферные поправки в измерения радарными альтиметрами.
  • 8.3.6. Пример: радарный альтиметр Envisat.
• 8.4. Другие дальномерные системы.
• ЗАДАЧИ.

9. Скаттеринговые системы (системы измерения рассеяния).

• 9.1. Введение.
• 9.2. Лидар.
• 9.3. Уравнение радара.
• 9.4. Микроволновая скаттерометрия.
  • 9.4.1. Применения микроволновой скаттерометрии.
    • 9.4.1.1. Микроволновая скаттерометрия поверхности океана.
    • 9.4.1.2. Микроволновая скаттерометрия земной поверхности.
  • 9.4.2. Пример: скаттерометр ASCAT.
• 9.5. Съемочные радары с реальной апертурой.
  • 9.5.1. Дисторсия изображения.
  • 9.5.2. Приборы и применения.
• 9.6. Радары с синтетической апертурой (РСА).
  • 9.6.1. Более строгий анализ азимутального разрешения.
  • 9.6.2. Спекл.
  • 9.6.3. Дисторсия изображений, получаемых РСА .
  • 9.6.4. Ограничения, обусловленные неоднозначностью.
  • 9.6.5. САР-интерферометрия.
  • 9.6.6. Основные применения радарных съемок.
  • 9.6.7. Пример: Radarsat.
• ЗАДАЧИ.

10. Платформы для дистанционного зондирования.

• 10.1. Введение.
• 10.2. Авиация.
• 10.3. Искусственные спутники Земли.
  • 10.3.1. Запуск спутников.
  • 10.3.2. Описание орбиты.
  • 10.3.3. Влияние несферичности Земли.
  • 10.3.4. Специальные орбиты.
    • 10.3.4.1. Геостационарные орбиты.
    • 10.3.4.2. Орбиты российских спутников «Молния».
    • 10.3.4.3. Низкоорбитальные спутники.
    • 10.3.4.4. Строго повторяющиеся орбиты.
    • 10.3.4.5. Орбиты для целей альтиметрии.
    • 10.3.4.6. Стабильность и коррекция орбит.
  • 10.3.5. Эволюция орбит и время существования.
• ЗАДАЧИ.

11. Обработка данных.

• 11.1. Введение.
• 11.2. Передача и хранение данных.
• 11.3. Обработка изображений.
  • 11.3.1. Предварительная обработка.
    • 11.3.1.1. Радиометрические поправки.
    • 11.3.1.2. Геометрические поправки.
  • 11.3.2. Коррекция изображений.
    • 11.3.2.1. Изменение контрастности.
    • 11.3.2.2. Пространственная фильтрация.
  • 11.3.3. Групповое трансформирование.
    • 11.3.3.1. Основные и канонические компоненты трансформирования.
  • 11.3.4. Классификация изображений.
    • 11.3.4.1. Уровни плотности и псевдоцветовое отображение.
    • 11.3.4.2. Многоспектральная классификация.
    • 11.3.4.3. Структурная классификация.
    • 11.3.4.4. Матрица погрешностей и точность классификации.
  • 11.3.5. Определение геометрических свойств.
  • 11.3.6. Сжатие данных.
• ЗАДАЧИ.

Приложение 1. Глобальная система позиционирования.

• А.1.1. Введение.
• А.1.2. Космический сегмент.
• А.1.3. Определение местоположения.

Приложение 2. Таблицы данных.

• А.2.1. Физические константы.
• А.2.2. Единицы измерений.
• А.2.3. Излучательная способность земной поверхности.
• А.2.4. Данные о Солнце и Земле.
• А.2.5. Координаты Солнца.

Литература.

Ответы и решения численных задач.

Алфавитный указатель.