Дистанционное зондирование Земли

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

ДИСТАНЦИОННОЕ  ЗОНДИРОВАНИЕ  
ЗЕМЛИ 

Допущено Министерством обороны Российской Федерации 
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся  
по специальности 210601.65 «Радиоэлектронные системы  
и комплексы» (рег. № 492 от 11.12.2013) 

Под редакцией доктора технических наук 
В. М. Владимирова 

Красноярск 

СФУ 
2023 

УДК 528.8 
ББК  26.0 

Д487 

Авторы: 
В. М. Владимиров, Д. Д. Дмитриев, О. А. Дубровская,  
А. М. Кармишин, В. Н. Тяпкин, Ю. Л. Фатеев, А. Н. Фомин,  
Л. И. Шарова, А. Н. Борисевич, В. В. Иванов 

Д487
Дистанционное зондирование Земли : учеб. пособие / 
В. М. Владимиров, Д. Д. Дмитриев, О. А. Дубровская [и др.] ; ред. 
В. М. Владимиров. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2023. – 196 с. 

ISBN 978-5-16-016372-7 

Приведены основные сведения о системах дистанционного зондирования Земли и применении их в хозяйственной и научной областях. Изложены 
принципы работы целевой аппаратуры действующих и перспективных российских и зарубежных космических аппаратов. Рассмотрены перспективы 
развития российских систем дистанционного зондирования Земли. 
Предназначено для студентов специальности 210601.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы», а также может быть использовано студентами (курсантами) военных кафедр (учебных военных центров), обучающимися по военно-учетной специальности «Эксплуатация и ремонт радиолокационных комплексов и систем РТВ ВВС». 

Электронный вариант издания см.: 
УДК 528.8 

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК  26.0 

ISBN 978-5-16-016372-7 
© Сибирский федеральный 

университет, 2023  

Предисловие 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Практика получения изображений поверхности Земли из космоса насчитывает более полувека. Первый снимок земной поверхности 
был получен при помощи фотоаппарата, установленного на баллистической ракете Fau-2 немецкого производства, запущенной в 1945 г. 
с американского военного полигона White Sands. Ракета достигла высоты 120 км, после чего фотоаппарат с отснятой пленкой был возвращен на Землю в специальной капсуле. Началом систематического обзора поверхности Земли из космоса можно считать запуск 1 апреля 
1960 г. американского метеорологического спутника Tiros-1. Первый 
отечественный спутник аналогичного назначения «Космос-122» был 
выведен на орбиту 25 июня 1966 г.  
С тех пор область применения данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса значительно расширилась. В сельском хозяйстве космические снимки используют для инвентаризации 
сельскохозяйственных угодий, выделения и идентификации различных типов сельскохозяйственных культур, прогнозирования урожаев. 
В климатологии важно контролировать концентрацию газов, вызывающих парниковый эффект, содержание озона, загрязнение атмосферы, температуру поверхности океана, облачный покров. Космическая информация широко используется в геологических исследованиях для изучения структурных особенностей новейших тектонических 
движений, при поисках нефтегазоносных структур и рудных месторождений. Для решения вопросов землепользования важно отслеживать растительный покров, пастбища, снежный и ледовый покровы, 
городские территории, водные массивы.  
Очень важным является наблюдение прибрежных зон и океанов, 
контроль динамики развития фитопланктона, изучение океанских ресурсов (поиск рыбы, а также полезных ископаемых: нефти, газа), выявление источников загрязнения океана.  
В лесном хозяйстве с помощью космических снимков ведется 
картографирование лесов, определяются типы лесонасаждений и доминирующие породы. Космические снимки используют для обнаружения 
участков, поврежденных шелкопрядом и другими вредителями леса.  
Космические снимки имеют важное значение для мониторинга 
чрезвычайных ситуаций: паводков и наводнений, лесных пожаров 
и землетрясений. 

Предисловие 

4 

Для получения всей этой информации используется широкий 
спектр космических аппаратов (КА) ДЗЗ, оснащенных многими видами целевой аппаратуры (ЦА). 
Цель дисциплины «Дистанционное зондирование Земли» – дать 
основные понятия о предмете, изучить основные типы систем ДЗЗ, 
виды прикладных задач, решаемых с применением данных ДЗЗ, основные направления развития систем ДЗЗ. В результате изучения 
дисциплины обучающиеся должны знать основные характеристики 
данных ДЗЗ, принципы построения системы ДЗЗ, методы и приборы 
ДЗЗ, прикладные задачами, решаемые с помощью данных ДЗЗ. 
В связи с бурным развитием систем ДЗЗ существующая литература быстро устаревает. В настоящем учебном пособии авторы систематизировали как действующие КА ДЗЗ, так и перспективные. 
Кроме того, изложены способы применения данных ДЗЗ в интересах 
науки и народного хозяйства. 
В первой главе учебного пособия изложены общие сведения 
о методах наблюдения Земли из космоса; дана общая характеристика 
систем ДЗЗ. Приведены характеристики космической информации. 
Особое внимание уделено рассмотрению принципов выбора орбит КА. Приведены характеристики орбит, орбитальные элементы 
и эволюции. Освещены способы приема информации с КА ДЗЗ. Приведены назначение, состав и основные характеристики наземных 
комплексов приема и обработки данных. 
Во второй главе изложены различные методы и приборы ДЗЗ. 
Основное внимание уделено описанию оптико-электронных приборов, при этом подробно рассмотрены основные схемы построения 
объективов и принципы работы матриц приборов с зарядовой связью. 
Кроме того, детально освещены вопросы радиолокационного 
наблюдения в ДЗЗ и методы увеличения разрешающей способности 
при этом. Рассмотрены принципы создания радиолокаторов бокового 
обзора с синтезированной апертурой. Также приведены сведения 
о многозональной и гиперспектральной съемке. 
Третья глава посвящена рассмотрению КА ДЗЗ как российского, 
так и зарубежного производства. Подробно изложены характеристики 
ЦА и средств связи каждого из КА. 
В четвертой главе приведены примеры использования космической информации, получаемой при помощи систем ДЗЗ, в хозяйственной и научной сфере. Рассмотрены дистанционные методы изучения 
сейсмичности, приведены примеры оценок сейсмической обстановки. 

Предисловие 

5 

Применение систем ДЗЗ в природопользовании показано на 
примерах мониторинга загрязнения водных поверхностей разливом 
нефти и нефтепродуктов, окружающей среды отходами промышленного производства и обнаружения лесных пожаров и оценки выброса 
в атмосферу дымовых газов и аэрозоля. Кроме того, приведены примеры оценки гидрологической обстановки и динамики снегового покрытия в паводкоопасный период, а также контроля за развитием 
и оценкой последствий чрезвычайных ситуаций на примере аварии на 
японской атомной электростанции (АЭС) «Фукусима-1». 
Пятая глава посвящена рассмотрению основных направлений 
развития российских систем ДЗЗ: подробно изложены требования 
к составу орбитальной группировки; приведены необходимые данные 
по строящимся космическим системам и комплексам, требования, 
предъявляемые к ним. 
В каждой главе даны вопросы для самоконтроля с целью повторения и закрепления учебного материала обучающимися. 
В конце учебного пособия приведены перечень сокращений 
и библиографический список. 
Изложение учебного материала соответствует учебной программе дисциплины «Дистанционное зондирование Земли», при этом 
предполагается, что обучаемые имеют необходимый объем знаний по 
основным разделам математики, физики, информатики, радиоэлектронных систем. 
В основу учебного пособия положен учебный материал, апробированный на протяжении ряда лет авторами при проведении занятий 
по дисциплине «Дистанционное зондирование Земли» со студентами, 
обучающимися по военно-учетной специальности «Эксплуатация 
и ремонт радиолокационных комплексов и систем РТВ ВВС» Военноинженерного института Сибирского федерального университета. 
Актуальность данного учебного пособия обусловлена требованиями к высокому качеству подготовки офицеров, необходимостью 
проводить обучение на высоком теоретическом и методологическом 
уровне, а также недостаточностью учебной литературы по данной теме.  
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 
210601.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы», а также может 
быть использовано студентами (курсантами) военных кафедр (учебных военных центров) по военно-учетной специальности «Эксплуатация и ремонт радиолокационных комплексов и систем РТВ ВВС».  

Глава 1 

6 

Глава 1. ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ  О  МЕТОДАХ 
НАБЛЮДЕНИЯ  ЗЕМЛИ  ИЗ  КОСМОСА 
 
 
1.1. Общая характеристика систем  
дистанционного зондирования Земли 
 
Дистанционное зондирование Земли – получение информации 

о поверхности Земли и объектах на ней, атмосфере, океане, верхнем 
слое земной коры бесконтактными методами, при которых регистрирующий прибор удален от объекта исследований на значительное 
расстояние. Общей физической основой дистанционного зондирования является функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта 
и его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением. 
Учитывая чрезвычайно большое разнообразие сфер хозяйственного и научного использования космической информации (КИ) ДЗЗ, 
полный состав задач ДЗЗ содержит весьма разнородные требования 
к видам и характеристикам космических данных и велик по номенклатуре. Однако существует важная особенность, объединяющая весь 
спектр задач ДЗЗ в одно целое и позволяющая решать большинство 
подобных задач на КА, оснащенных бортовой аппаратурой для съемки и зондирования в разных диапазонах спектра. Известно, что в основе всех методов ДЗЗ лежит требование регистрации и измерения 
потоков собственного (т. е. теплового) или отраженного электромагнитного излучения от интересующих природных и хозяйственных 
объектов, расположенных на земной поверхности, несколько заглубленных под ней или существующих в атмосфере нашей планеты. 
По результатам таких наблюдений и измерений, передаваемым 
в виде поступающей КИ ДЗЗ на наземные пункты ее приема, обнаруживаются, отождествляются и конкретизируются (классифицируются) типы и фиксируется состояние природохозяйственных объектов и процессов, важных для проведения эффективной природоохранной деятельности, прогнозирования погоды и опасных гидрометеорологических 
явлений, оценки масштабов чрезвычайных ситуаций (ЧС) с целью принятия адекватных мер по уменьшению их последствий и минимизации 
ущерба, налаживания эффективных производственных процессов в отраслях природопользования, научного изучения эволюции Земли и т. д. 

Общие сведения о методах наблюдения Земли из космоса 

7 

ДЗЗ в основном осуществляется в видимой области спектра, что 
соответствует современному уровню развития высокоточных бортовых приборов ДЗЗ. Вместе с тем уже́ в настоящее время широко применяются и развиваются опережающими темпами методы и аппаратура ДЗЗ в радиодиапазоне (радиолокаторы с синтезированной антенной, скаттерометры, радиовысотомеры и другие приборы активного 
СВЧ–зондирования – сверхвысокочастотного зондирования), а также 
пассивные микроволновые многоканальные радиометры инфракрасной (ИК) области спектра (ИК-радиометры и спектрометры, Фурьеспектрометры, абсорбционные спектрометры и т. д.). Постепенно 
возрастает разнообразие новых приборов ДЗЗ для наблюдения в ультрафиолетовой (УФ) области спектра и для реализации новых технологий ДЗЗ (новые методы лимбового и затмéнного зондирования, многополяризационные и многоугловые методы, двух- и многопозиционная радиолокация, формирование сверхбольшой апертуры для СВЧзондирования на основе кластерных систем спутников и т. д.). Некоторые традиционные методы наблюдения Земли, использовавшиеся 
еще в годы существования СССР, например, фотографические, повидимому, близки к практическому исчезновению из состава перспективных способов ДЗЗ. Таким образом, в ближайшем будущем 
должно произойти существенное расширение методов и номенклатуры приборов ДЗЗ в направлении внедрения все более эффективных 
средств зондирования в СВЧ-, ИК- и УФ-областях спектра, хотя ведущая роль многоспектральных съемочных приборов видимой (В) 
области спектра в целом должна сохраниться. 
В соответствии с составом и характеристиками задач ДЗЗ выделим следующие основные области применения КИ ДЗЗ и кратко 
сформулируем их особенности:  
1. Гидрометеорология, для решения конкретных задач которой 
необходимо высокопериодическое получение в глобальном масштабе 
космических данных об облачном и снежно-ледовом покровах, трехмерных полях температуры и влагосодержания атмосферы, трехмерном поле ветра, температуре и других физико-химических параметрах 
поверхности Земли, зонах и интенсивности осадков, крупномасштабных и опасных процессах в атмосфере и на поверхности Земли (циклоны, антициклоны, тропические штормы и ураганы, стихийные 
гидрометеорологические явления и др.), всех составляющих элементов для изучения эволюции климата (альбедо Земли, малые газы, аэрозоль, вариации солнечного излучения и т. д.), гелиогеофизических 

Глава 1 

8 

параметрах «погоды» Земли в околоземном космосе и динамике изменения растительного покрова. 
2. Экологический мониторинг на глобальном, региональном и локальном уровнях за распространением загрязнений во всех трех основных природных сферах (атмосфера, поверхность суши, водная среда), 
развитием эрозионных и других процессов деградации природной среды; обнаружение факта и адресная локализация крупных промышленных и иных источников загрязнения окружающей среды; контроль 
трансграничного переноса загрязнений; экологический мониторинг 
районов добычи полезных ископаемых, транспортировки углеводородного топлива и других химических продуктов (аммиак и т. д.) и крупнейших скоплений промышленных предприятий и мегаполисов. 
3. Мониторинг чрезвычайных ситуаций, включая обнаружение 
факта ЧС, оценку масштабов и характера разрушений; прогнозирование 
землетрясений и других разрушительных природных явлений; оповещение о цунами, наводнениях, селях, химическом и ином заражении 
местности, лесных пожарах, крупных разливах нефтепродуктов и т. д. 
4. Создание и обновление широкого спектра общегеографических 
и тематических картографических материалов (топографические карты, 
карты в цифровом виде, геоинформационные системы (ГИС) разного 
назначения, карты сейсмичности и геологического риска, карты лесных 
массивов, сельхозугодий и другие карты тематического назначения). 
5. Информационное обеспечение деятельности по землеустройству, прокладке транспортных магистралей, строительству промышленных объектов и градостроительству, составлению кадастров земельных и иных природных ресурсов. 
6. Информационное обеспечение хозяйственной деятельности 
в ведущих отраслях социальной экономики, связанных с использованием и переработкой возобновляемых и невозобновляемых природных ресурсов, включая сельское, рыбное, лесное, водное хозяйство, 
геологию и разработку месторождений полезных ископаемых. 
7. Океанография и океанология (зондирование водных поверхностей с целью определения их температуры, солености, цветности, 
прозрачности, биопродуктивности, загрязнений, течений, ледовой обстановки, волнения, привóдного ветра, а также изучение шельфа). 
8. Фундаментальное изучение закономерностей и тенденций изменения глобальных и крупнейших региональных процессов в атмосфере и других оболочках нашей планеты (гидросфера, криосфера, 
биосфера, околоземный космос и магнитосфера). 

Общие сведения о методах наблюдения Земли из космоса 

9 

1.2. Характеристики космической информации 
 
Космическая информация ДЗЗ, получаемая в интересах решения 
природохозяйственных и научных задач, должна удовлетворять ряду 
требований к ее параметрам, основными из которых являются следующие: 
• пространственное разрешение (т. е. разрешение на местности); 
• радиометрическое разрешение (характеризует число градаций 
яркости на космических снимках или чувствительность приборов ДЗЗ); 
• количество спектральных каналов или спектральное разрешение; 
• периодичность обзора (перерывы между повторениями наблюдений одних и тех же местностей); 
• общий интервал электромагнитного спектра (ширина спектральной области съемки) для рассматриваемого бортового 
прибора ДЗЗ; 
• размах полос захвата; 
• ширина полос обзора (в пределах которых фиксируется в текущий момент полоса захвата); 
• географические районы наблюдений; 
• ежегодные площади съемок для разных видов КИ ДЗЗ или 
иной показатель требуемой производительности ДЗЗ; 
• географическая точность привязки снимков на местности; 
• оперативность доставки КИ ДЗЗ потребителям. 
Конкретные значения требований к перечисленным параметрам 
существенно изменяются в зависимости от рассматриваемой задачи 
ДЗЗ и используемого для ее решения типа бортового съемочного или 
зондирующего прибора, т. е. от вида получаемой КИ ДЗЗ. 

Качество данных, получаемых в результате дистанционного 

зондирования, зависит от их пространственного, спектрального, радиометрического и временнóго разрешения. 
Разрешение – количественные показатели, характеризующие 
изобразительное качество снимков, их детальность. Разрешение определяет возможности использования снимков для решения определенного круга задач. В космическом зондировании наибольшее распространение получили два показателя: разрешающая способность 
и пространственное разрешение. 

Глава 1 

10 

Разрешающую способность определяют числом белых и черных 
штрихов, раздельно воспроизводимых на 1 мм изображения снимка 
и выражают в мм в минус первой степени. Для цифровых снимков нередко выражают разрешающую способность числом точек на дюйм. 
 
 
1.2.1. Пространственное разрешение 
 
Под пространственным разрешением обычно понимают минимальную линейную величину изображающихся на снимке деталей 
местности. Для фотографических снимков в качестве такого количественного показателя принимают линейное разрешение, т. е. наименьшую ширину на местности линейного протяженного объекта, 
еще воспроизводимого конкретным снимком. Под пространственным разрешением цифровых снимков понимают размер на местности 
минимального элемента изображения – пиксела. Космические снимки 
варьируют по разрешению от низкого, измеряемого километрами, до 
очень высокого, субметрового. 
Кроме количественных, для оценки снимков предложен также 
качественный показатель – географическое разрешение, которое характеризует воспроизводимость на снимках определенных (репрезентативных) объектов. 
Помимо пространственного, используют и другие виды разрешения. 
 
 
1.2.2. Радиометрическое разрешение 
 
Радиометрическое (яркостное) разрешение определяется числом уровней яркости, регистрируемых приемником излучения. Обычно варьируется от 8 до 14 бит, что дает от 256 до 16 384 уровней. 
 
 
1.2.3. Спектральное разрешение 
 
Спектральное разрешение определяется шириной спектральных зон съемки при многозональной и гиперспектральной съемке и 
измеряется в нанометрах или микрометрах. Наиболее низкое спектральное разрешение в сотни нанометров имеют панхроматические 
снимки, а наиболее высокое, до 10 нм – гиперспектральные. 
Тепловое разрешение характеризуется величиной разности температур различных объектов, которые удается зарегистрировать тепловым снимком. У лучших снимков оно составляет десятые градуса.