Введение и основные понятия
Дистанционное зондирование Земли (далее — ДЗЗ) открывает невероятные возможности для современных исследователей. Без него мы не смогли бы искать руины инков в сельве перунских Анд. Чтобы лучше объяснить, что это и как мы с этим работаем, давайте сначала определим сам термин «дистанционное зондирование».
Дистанционное зондирование — это метод измерения свойств объектов на земной поверхности, в котором используются данные, полученные с помощью воздушных летательных аппаратов и искусственных спутников Земли [1].
На самом деле есть и более широкие определения, но мы не будем их касаться, так как они не относятся к нашей теме: например, эхолокация морского дна с помощью звуковых волн или рентгеновское исследования пациентов в больнице. В случае со спутниками и самолётами информация об объекте зондирования на регистрирующий сенсор передаётся электромагнитными волнами (далее — ЭМ волны). В процессе ДЗЗ можно выделить семь последовательных шагов:
- Источник ЭМ энергии (в большинстве случаев это Солнце, однако есть и другие варианты: собственное тепловое излучения Земли или микроволновое излучения, которое испускает сам спутник)
- Прохождение ЭМ энергии через атмосферу (пока излучение проходит через среду, оно рассеивается, поглощается и претерпевает другие изменение)
- Взаимодействие с объектом зондирования (поглощение или отражение ЭМ волн)
- Запись ЭМ энергии датчиком, установленным на платформе (в данном случае — на спутнике)
- Передача данных ДЗЗ на приёмную станцию и первичная обработка этих данных
- Интерпретация и анализ данных в специальном программном обеспечении
- Применение результатов анализа для решения стоящих задач
Для понимания ДЗЗ важно отметить несколько понятий. Во-первых, это диапазон ЭМ излучения, который регистрирует сенсор. Наши с вами глаза способны воспринимать только узкий спектр ЭМ излучения, называемый «видимым», однако датчики, используемые в ДЗЗ, способны регистрировать излучение и других, невидимых нам диапазонов. Это даёт возможность наблюдать «ненаблюдаемое», так как привычные нашим глазам объекты по-разному отражают ЭМ волны разных длин, и соответственно, выглядят совсем иначе.
Во-вторых, все сенсоры делятся на два вида: пассивные и активные. Первые регистрируют естественное излучение, будь то отражённая солнечная радиация (как это делает фотокамера в вашем телефоне) или же собственное тепловое излучение объекта (при термальной съёмке). Вторые же сами освещают цель и регистрируют отражённые волны, как например, при радиолокационной съёмке или при лазерном сканировании.
Появление открытых данных ДЗЗ
В Paititi Research мы используем в основном спутниковые данные ДЗЗ, доступные широкому кругу лиц бесплатно либо за разумные деньги. Нам, как независимым исследователям, особенно важно не только качество данных (например, высокое пространственное разрешение), но и финансовая сторона вопроса. Так откуда же взялись эти общедоступные космические снимки, спросите вы? Не будем углубляться далеко в историю, хотя это и интересно — почитайте хотя бы про аэрофотосъёмку с использованием почтовых голубей во времена Первой мировой войны [2]. Вместо этого постараемся перечислить основые вехи:
- Начало современному ДЗЗ (с цифровыми снимками, а не с плёночными, а также с высоким пространственным разрешением, в отличие от метеорологических спутнков) положено в 1972 году, когда NASA запустила первый спутник миссии Landsat — тогда он ещё назывался ERTS (Earth Resources Technology Satellite) [3] [4]. Это одна из самых успешных программ ДЗЗ — сейчас на орбите находится их новейший спутник Landsat-8. Особенность Landsat была в том, что эти космические аппараты были предназначены в первую очередь именно для исследований Земли в гражданских целях, что в условиях холодной войны было значительным шагом.
- Со временем число спутников росло, а качество и разнообразие данных становились всё лучше и больше. Однако ДЗЗ по-прежнему оставалось уделом очень узкой группы специалистов, так как большая часть спутников управлялась американскими или русскими военными и предназначаласть для разведки [5].
- После окончания холодной войны напряжение спало, и спутники становились всё более «гражданскими». И вот, в 1999 году случился прорыв — запущен коммерческий спутник ДЗЗ IKONOS [6], который снимал Землю с беспрецедентным на тот момент пространственным разрешением в 1 м. Так как подобная детализация уже позволяла решать частому бизнесу многие свои задачи, это ещё больше подстегнуло развитие ДЗЗ.
- В 2001 году выходит первая версия программы Google Earth — большого популяризатора дистанционного зондирования [7]. На самом деле тогда Google Earth ещё называлась по-другому, так как была изначально разработа компанией Keyhole, которую Google приобрёл в 2014.
- В 2002 году в открытом доступе публикуются результаты Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) — международной исследовательской работы по созданию глобальной цифровой модели рельефа с высоким разрешением [8].
- В 2008 году Американская геологическая служба USGS открыла бесплатный доступ к огромному архиву снимков миссии Landsat [9]. Учёные и специалисты со всего мира стали активно использовать эти данные.
- В 2014 году стартовал первый спутник ДЗЗ Европейского космического агенства (ЕКА) по программе Sentinel. Сейчас на орбите их уже несколько, и данные ДЗЗ этих спутников доступны бесплатно [10].
- ЕКА вот уже несколько десятилетий держит курс на открытые данные и открытую науку. В результате в 2017 они официально приняли политику открытого доступа к информации и данным ЕКА, чтобы способствовать широкому использованию и развитию результатов своей космической деятельности [11].
На текущий момент мы видим, что уже есть коммерческие компании, которые создают свои ракеты, спутники и другие сопутствующие продукты [12], и даже позволяют себе такие глупости, как запуск автомобиля в космос [13]. Так что сейчас уже очевидно, что не только дистанционное зондирование Земли, но и космос в целом коммерциализировался и вошёл в широкие массы. Чтобы оценить степень освоения человеком околоземного пространства, достаточно взглянуть на эту картинку:
Космические снимки — не просто картинки
Многие из работали с космическими снимками в онлайн картах или программах наподобие Google Earth. Однако то, что вы там можете увидеть — это лишь вершина айсберга данных ДЗЗ. Суть в том, что изображения в онлайн картах имеют уменьшенное спектральное, радиометрическое и часто пространственное разрешение. Космические снимки, а вернее данные ДЗЗ, позволяют измерять разные характеристики целей:
- длины
- площади
- объёмы и высоты (например, если по стереоснимкам построить цифровую модель местности)
- химический состав (по мультиспектральным снимкам можно, например, выявить тип растения или горной породы)
Взгляните на иллюстрации ниже, чтобы понять, о чём идёт речь:
Фрагмент территории националького парка Ману (Перу):
- Скришот из программы Google Earth, показывающий территорию в естественных цветах. Данные Landsat/Copernicus.
- Псевдоцветной композит (ВИД+БИК), полученный из данных спутника Sentinel-2. Copernicus Sentinel data 2016.
- Псевдоцветной композит из разных поляризаций L-диапазона, полученный радаром с синтезированной апертурой (HH – красный, HV – зелёный, VV – синий). Данные любезно представленны NASA/JPL-Caltech.
- Термальный снимок. Данные Landsat-8, любезно представленные Геологической службой США.
- Снимок в коротковолновом ИК диапазоне. Данные Landsat-8, любезно представленные Геологической службой США.
Фрагмент территории националького парка Ману (Перу) в крупном масштабе:
- Скришот из программы Google Earth, на котором очевидно низкое пространственное разрешение данных. Landsat/Copernicus.
- Снимок со спутника WorldView-2, данные компании DigitalGlobe.
Применение ДЗЗ в археологии
С запуском американцами первого спутника программы Landsat в 1972 г началась новая эпоха ДЗЗ для археологии [14, стр.1]. На сегодняшний день продукты ДЗЗ из космоса, доступные для широкого потребителя, позволяют:
- Экономить, так как не требуются дорогостоящие наземные изыскания или аэросъёмка (на сегодняшний день накоплены огромные архивы данных ДЗЗ, стоимость доступа к которым относительно низкая)
- Изучать труднодоступные территории (для спутника всё равно, снимать промышленный центр или удалённые районы Амазонки)
- Получать снимки обширных районов (широкие полосы захвата спутников позволяют в короткий срок отснять тысячи квадратных километров)
- Получать снимки Земли вне зависимости от погоды при использовании спутников, оснащённых радаром с синтезированной апертурой (РСА)
- Получать высокодетальные снимки, сопоставимые по характеристикам с аэросъёмкой
- Выявлять скрытые феномены в ландшафте с помощью спектрального анализа, 3d-моделирования и свойств некоторых диапазонов ЭМ-волн проникать под покров листвы и почвы
Конечно, спутниковое ДЗЗ — это не панацея. Оно должно интегрироваться в геоинформационные системы (ГИС) совместно с другими методами исследований, включая воздушные и наземные. Так, при поиске археологических объектов, спрятанных под густым покровом леса особенно эффективно проявил себя лидар — лазерный сканер, являющийся активным инструментом ДЗЗ, работающий в видимом и БИК-диапазонах, и устанавливаемый на самолёт или дрон. РСА-спутники, которые также являются активными инструментами ДЗЗ, могут с помощью микроволн зондировать подстилающую поверхность в густом тропическом лесу [17]. С помощью лидара археологи обнаружили легендарный «Белый город» (La Ciudad Blanca) в густом лесу на юго-востоке Гондураса [15]. Недавно были открыты десятки тысяч построек майя в джунглях Гватемалы — это тоже результат применения этого устройства [16]. Недостатки лазерного сканирования заключены в большой стоимости его применения, малой площади покрытия и зависимости от погодных условий. Оно подходит только для работ детального масштаба, когда район поиска максимально сужен.
В книге «Remote Sensing in Archaeology» (Wiseman; El-Baz, 2007) хорошо описано комплексное применение различных данных ДЗЗ и ГИС при исследовании Петенского бассейна Гватемалы — района цивилизации майа, большая часть которого покрыта густыми лесами [14, cтр.137-160 и стр.263-282]. Почитайте статью «Проверяя наши способности», где вы можете узнать, как конкретно мы использует ДЗЗ для поиска Пайтити.
Источники открытых данных
Наш проект во многом зависит от общедоступных снимков ДЗЗ, и мы сами являемся апологетами открытости науки, данных и инструментов для их обработки. Ниже предоставляем вам список основных источников бесплатных данных и инструментов, которыми мы пользуемся:
Бесплатные данные ДЗЗ
- EarthExplorer — портал Геологической службы США, на котором можно получить доступ к большому перечню данных ДЗЗ, покрывающих весь мир, включая снимки программы Landsat, цифровые модели рельефа, радиолокационные снимки, рассекреченные снимки американской разведовательной миссии CORONA и прочее.
- Copernicus Open Access Hub — портал Европейского космического агенства (ЕКА), который обеспечивает полный, свободный и открытый доступ к продуктам ДЗЗ с радиолокационных спутников Sentinel-1, мультиспектральных оптических спутников Sentinel-2 и спутников глобального мониторинга океаны и суши Sentinel-3.
- UAVSAR Data Search — портал Лаборатории реактивного движения НАСА, где можно получить снимки L, P и Ka-диапазонов (микроволны), снятых с беспилотного летательного аппарата, оснащённого радаром с синтезированной апертурой.
Бесплатное программное обеспечение для работы с данными ДЗЗ
- QGIS — свободная кроссплатформенная геоинформационная система, которая также содержит инструменты для обработки, анализа и визуализации данных ДЗЗ. Разрабатывается международным сообществом.
- Sentinenel Toolboxes — наборы инструментов с открытым исходным кодом для научного использования результатов миссий по наблюдению Земли. Разрабатывается ЕКА.
- Orfeo ToolBox — библиотека для обработки изображений дистанционного зондирования, разрабатываемая Национальным центром космических исследований Франции (CNES).
- Google Earth — спутниковая карта всей земной поверхности в оптическом диапазоне ЭМ спектра, особенно эффективная при просмотре в 3d-режиме.
- ArcGIS Earth — аналог Google Earth от компании ESRI.
Ссылки
- SCHOWENGERDT, Robert A. Remote Sensing: Models and Methods for Image Processing. 3rd Edition, 2006. ISBN: 978-0123694072, стр.2
- Pigeon photography, Wikipedia, последнее обновление 24.12.2017. Доступно по URL https://en.wikipedia.org/wiki/Pigeon_photography
- QUITNEY, Jeff. First Landsat: «Earth Resources Technology Satellite» (ERTS) 1973 NASA. YouTube, 2016. Доступно по URL https://youtu.be/XiNs7ij8RHk
- Landsat Missions: Imaging the Earth Since 1972. U.S. Geological Survey, последнее обновление 25.04.2018. Доступно по URL https://landsat.usgs.gov/landsat-missions-timeline
- Air Force Space & Missile Museum Foundation. The Corona Story — A Point In Time. YouTube, 2016. Доступно по URL https://youtu.be/k3bzHk_6yHM
- IKONOS Satellite Imagery: First Commercial Space-based Imaging. GISGeography.com, последнее обновление 21.04.2018. Доступно по URL https://gisgeography.com/ikonos-satellite/
- WALKER, Tim. How google earth changed the world. The Independent, 05.09.2012. Доступно по URL
https://www.independent.co.uk/life-style/gadgets-and-tech/features/how-google-earth-changed-the-world-8107056.html - U.S. topography data from shuttle mission unveiled. NASA NEWS RELEASE, 23.01.2002. Доступно по URL https://spaceflightnow.com/news/n0201/23srtm/
- Opening the Landsat Archive/Product Specifications. U.S. Geological Survey, 21.04.2008. Доступно по URL https://landsat.usgs.gov/opening-landsat-archiveproduct-specifications
- SENTINEL Program Overview. ESA. Доступно по URL https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions
- TROVATELLO, Marco. Open access at the european space agency. ESA, 15.02.2017. Доступно по URL http://open.esa.int/open-access-at-esa/
- List of private spaceflight companies, Wikipedia, последнее обновление 11.05.2018. Доступно по URL https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_private_spaceflight_companies
- AMOS, Jonathan. Elon Musk’s Falcon Heavy rocket launches successfully. BBC, 07.02.2018. Доступно по URL http://www.bbc.com/news/science-environment-42969020
- WISEMAN, James R.; EL-BAZ, Farouk (Eds). Remote Sensing in Archaeology, 2007. ISBN 978-0-387-44455-0
- PRESTON, Douglas. Exclusive: Lost City Discovered in the Honduran Rain Forest. National Geographic, 02.03.2015. Доступно по URL https://news.nationalgeographic.com/2015/03/150302-honduras-lost-city-monkey-god-maya-ancient-archaeology/
- Sprawling Maya network discovered under Guatemala jungle. BBC, 02.02.2018. Доступно по URL https://www.bbc.com/news/world-latin-america-42916261
- Penetrating Tree Cover to See the Forest Floor. NASA Earth Observatory, 25.04.2013. Доступно по URL
https://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=80982