Прием и обработка данных дистанционного зондирования Земли с космического аппарата TERRA

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

Учебно-научный молодежный космический центр 
НУК СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана 

Прием и обработка данных  
дистанционного зондирования Земли  
с космического аппарата TERRA 
 
 
Методические указания  
к выполнению лабораторной работы № 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 

2014 

УДК 528.81:854:88 
ББК 26.12 
П75 
 
Рецензенты:  
М. М. Матюшин, зам. руководителя полета  
российского сегмента МКС, начальник отдела  
РКК «Энергия», канд. техн. наук;  
В. В. Зеленцов, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана,  
канд. техн. наук 

 

 
Прием и обработка данных дистанционного зондирования 
Земли с космического аппарата TERRA : метод. указания  
к выполнению лабораторной работы № 1 / В. И. Майорова,  
Д. А. Гришко, В. П. Малашин, С. С. Семашко. — М.: Изд-во 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 25, [3] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-3922-5 

Представлены общие сведения о данных дистанционного зондирования 
Земли, типах применяемых для этой цели космических аппаратов 
и порядке осуществления приема данных наземной станцией с 
последующей обработкой специальными программными средствами. 
Приведены примеры использования полученной информации для 
проводимых исследований различной тематической направленности. 
Для студентов кафедр СМ-1, СМ-2, СМ-3 факультета «Специальное 
машиностроение». 
Рекомендовано Учебно-методической комиссией Научно-учебного 
комплекса факультета «Специальное машиностроение» МГТУ 
им. Н. Э. Баумана. 
УДК 528.81:854:88 
ББК 26.12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-7038-3922-5 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 
© Оформление. Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 

 П75 

Цели работы — ознакомиться с аппаратурой и программным 
обеспечением для приема данных дистанционного зондирования 
Земли (ДЗЗ), получить представление об общих принципах приема 
и обработки данных этого типа, а также научиться обеспечивать 
прием изображения и его обработку с наименьшими помехами и в 
максимальном качестве. 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

Основные сведения о дистанционном зондировании Земли 

Доступ к данным дистанционного зондирования регулируется 
политикой «открытого неба» (Open Sky Policy), в соответствии с которой 
каждому потребителю гарантируется свободный доступ ко 
всем имеющимся данным на недискриминационной основе. Главным 
международным консультативным органом, созданным в 
1984 г. для обмена информацией, координации и обсуждения политики 
в области ДЗЗ, является Комитет по спутникам ДЗЗ (CEOS — 
от англ. Committee on Earth Observation Satellites). Под покровительством 
CEOS были учреждены различные технические рабочие 
группы, в том числе по данным ДЗЗ (WGD — Working Group on 
Data) и сетям передачи данных ДЗЗ (WGN — Working Group on 
Networks). Членами CEOS являются представители национальных 
космических агентств Австралии, Бразилии, Великобритании, Индии, 
Италии, Канады, Китая, России, США, Украины, Франции, 
ФРГ, Швеции, Японии, а также Европейского космического 
агентства ESA и консорциума EUMETSAT. 
Системы получения и распространения данных оперативного 
мониторинга включают в себя: 
− носители съемочной аппаратуры, в данном случае — искусственные 
спутники Земли (ИСЗ); 

− собственно аппаратуру ДЗЗ; 
− бортовые средства передачи данных на Землю по радиоканалу; 
− наземные комплексы приема данных ДЗЗ, их обработки и 
предоставления потребителям. 
Рассмотрим основные характеристики, определяющие возможности 
и особенности функционирования систем ДЗЗ. 
 

 
а 
 
 
 
б 
 
Рис. 1. Орбитальная схема систем ДЗЗ: 
а — геостационарные, высота орбиты Н ≈ 36 000 км; б — полярно-
орбитальные, Н ≈ 500…1 000 км 
 

Для ДЗЗ обычно используются два основных типа спутников 
(рис. 1): геостационарные и полярно-орбитальные. Первые ИСЗ постоянно 
обеспечивают обзор одной и той же части планеты, сохраняя 
неизменное положение относительно определенной точки на 
экваторе. Вторые, двигаясь по орбите, плоскость которой примерно 
перпендикулярна экватору Земли, через определенный период времени, 
продолжительность которого зависит от ширины полосы обзора 
ИСЗ, оказываются над заданным районом наблюдения. Соответственно, 
зона обзора со спутника на геостационарной орбите 
ограничивается широтным районом: 50° северной широты — 50° 
южной широты. При использовании полярно-орбитальной системы 
наблюдения возникают иные трудности: спутник может оказаться 

над одним и тем же районом съемки в различные периоды местного 
или солнечного времени. При этом сопоставление данных, полученных 
при различных условиях солнечного освещения, становится 
весьма затруднительным, поэтому такие спутники выводят, как правило, 
на солнечно-синхронные орбиты. 
Съемочная аппаратура ДЗЗ, устанавливаемая на спутнике, может 
работать в четырех основных диапазонах: ультрафиолетовом, 
видимом, инфракрасном и микроволновом — только в этих областях 
спектра земная атмосфера прозрачна для электромагнитных 
волн. В видимом диапазоне датчики (фотоэлементы, матрицы приборов 
с зарядовой связью и т. п.) регистрируют отраженное от земных 
покровов и прошедшее через атмосферу солнечное излучение; 
в инфракрасном диапазоне превалирует собственное тепловое излучение 
поверхности Земли; в микроволновом диапазоне используют 
собственное излучение планеты либо отраженные сигналы искусственных 
источников облучения, установленных на борту ИСЗ. 
Возможности аппаратуры дистанционного зондирования в различных 
спектральных диапазонах существенно различаются. Оптические 
системы дают наиболее качественные, привычные для наблюдателя 
цветные изображения с высоким пространственным 
разрешением, синтезированные из нескольких монохроматических 
снимков. Инфракрасную съемку можно проводить в темное время 
суток, наблюдая температурные аномалии поверхности, а для специфических 
случаев зондирования в микроволновом диапазоне не 
является помехой даже облачный покров. 
Важнейшая характеристика формируемого изображения — 
разрешение съемочной аппаратуры: пространственное r, радиометрическое (
яркостное, температурное) ΔI, спектральное и временное. 
Пространственное разрешение зависит от длины волны 
принимаемого излучения λ, диаметра объектива (в случае радиолокационного 
наблюдения — от размеров апертуры антенны) D и 
высоты H орбиты следующим образом: 

 
.
H
r
D
λ
∼
 
 (1) 

Пространственное разрешение снимков, полученных оптико-
электронными съемочными системами, определяется размером эле-

мента изображения (пикселя): 
2,
r
s
=
 где s — размер пикселя, м. 
Радиометрическая разрешающая способность определяется, прежде 
всего, шириной динамического диапазона используемого датчика, 
т. е. числом уровней дискретизации, соответствующих переходу от 
яркости абсолютно черного тела к яркости абсолютно белого. 
Спектральная разрешающая способность также имеет большое 
значение. Все снимки с оптических сенсоров принято делить на 
мультиспектральные и гиперспектральные. В случае мультиспектральных 
изображений в распоряжении пользователя имеются 
данные четырех каналов: синего, зеленого, красного и ближнего 
инфракрасного, при этом каждый из каналов располагается в соответствующем 
широком диапазоне длин волн. Эти снимки нашли 
широкое применение при составлении карт, оценке вегетативной 
активности, в исследованиях состояний гидросистем и т. д. Вместе 
с тем для расчета специальных индексов, выявления на снимках 
двух объектов, характерные спектральные свойства которых лежат 
в узких зонах спектра, необходимо использовать гиперспектраль-
ные изображения. Такие снимки представляют собой множество 
каналов в узких зонах спектра на всем протяжении оптического 
диапазона. Заметим, что даже если все каналы будут находиться, 
например, в красной зоне спектра, снимок все равно будет считаться 
гиперспектральным. 
Для спектрального обнаружения элементарного объекта должно 
выполняться условие 

 
об
2
,
S
I
I
r
> Δ
 
(2) 

где Iоб — относительная яркость объекта; S — его площадь, м2;  
r — пространственное разрешение снимка, м; ΔI — радиометрическое 
разрешение, бит/пикс. 
С учетом выражения (2) получим, что минимальная площадь 
наблюдаемого лесного пожара (Iоб = 1024) при пространственном 
разрешении r = 62 м и радиометрическом разрешении ΔI =  
= 8 бит/пикс составляет около 30 м2. 
Из приведенного соотношения (1) также ясно, что при установке 
аппаратуры дистанционного зондирования на геостационарном 
космическом аппарате (КА), находящемся на орбите высотой 

36 000 км, сложно реализовать пространственное разрешение, типичное 
для полярно-орбитального ИСЗ с высотой орбиты около 
1000 км. 
Пространственное и радиометрическое разрешение аппаратуры 
вместе с шириной полосы, в которой проводится съемка, и общим 
числом монохроматических каналов определяют необходимую 
скорость передаваемого на Землю информационного потока: 

 
2
,
I N K L
C
r
⋅
⋅
⋅
⋅
=
υ  
 (3) 

где I — число бит на пиксель изображения; N — число каналов;  
K ≥ 1 — коэффициент, зависящий от типа применяемого в канале 
помехоустойчивого кодирования; L — ширина полосы обзора;  
υ — скорость перемещения подспутниковой точки по трассе ИСЗ. 
Например, для r = 10 м, L = 100 км, υ = 8 км/с, N = 3, I = 8 бит и  
K = 1 необходимая скорость передачи информации C составит  
192 Мбит/с, или 24 МБ/с. 
В свою очередь, необходимая для передачи этого информационного 
потока ширина полосы пропускания радиоканала «борт — 
Земля» зависит от энергетических характеристик как приемного 
(наземного), так и передающего (бортового) комплексов. Пропускная 
способность канала связи возрастает с увеличением мощности 
бортового передатчика, диаметра приемной антенны наземного 
комплекса и с уменьшением расстояния до ИСЗ. Так, для 
приведенного выше примера диаметр приемной антенны должен 
быть не менее 10 м. 
В зависимости от типа орбиты, на которой находится ИСЗ, 
мощности бортового передатчика и направленных свойств бортовой 
передающей антенны различают следующие типы приемных 
антенн: 
− ненаправленные антенны, предназначенные для приема низкоскоростных (
до нескольких десятков килобит в секунду) информационных 
потоков; 
− направленные стационарные антенны, предназначенные для 
приема информации с геостационарных спутников; 
− направленные антенны с автоматическим или программным 
сопровождением ИСЗ по угловым координатам, обеспечивающие 

прием высокоскоростных потоков информации с низкоорбиталь-
ных спутников. 
К основным системам изучения природных ресурсов, оснащенным 
оптической аппаратурой ДЗЗ, относятся программы 
LANDSAT, SPOT, IRS, ADEOS, МЕСВ, CBERS и российская программа «
Ресурс-О». 
К радиолокационным системам изучения природных ресурсов 
относятся ERS, ENVISAT, JERS, ALOS, RADARSAT и российская 
система «Алмаз». Открытый и бесплатный доступ для всех пользователей 
согласно концепции Всемирной метеорологической организации 
имеется к основным полярно-орбитальным (NOAA, 
МЕТОР, FENGYUN 1, «Метеор») и геостационарным (GOES, 
METEOSAT, GMS, INSAT, FENGYUN 2, «Электро») метеорологическим 
системам. 
Существует также широкий спектр КА ДЗЗ (EOS-AM, РМ, 
COLOR, AERO, CHEM, ALT, ALTR), разрабатываемых в рамках 
программы EOS. 
Созданы и используются также специальные океанографические 
системы (MOS, TOPEX/POSEIDON, SEASTAR, «ОКЕАН») и 
космические аппараты исследования атмосферы Земли (UARS, 
TOMS, TRMM, ODIN). 
Особенно актуальны в последнее десятилетие активно разрабатываемые 
перспективные малые КА ДЗЗ (TERRASAT, LEWIS, 
CLARK и др.). Имея массу от нескольких сот до нескольких килограммов, 
они могут выводиться на полярные орбиты кластерным 
запуском, в том числе и на конверсионных ракетах-носителях. Таким 
образом, возможен качественный переход от использования 
единичных систем ДЗЗ к сериям идентичных КА, повышающих 
оперативность съемки заданного района. 

Электромагнитное излучение и отражательная способность 
основных видов природных объектов 

Солнечное излучение, достигая Земли, частично отражается ее 
поверхностью и частично поглощается, превращаясь в тепловую 
энергию и составляя собственное излучение Земли. Отраженная и 
излучаемая поверхностью Земли радиация обладает свойством 
корпускулярно-волнового дуализма и представляет собой спектр 

электромагнитных колебаний. Часть этого спектра в диапазоне 
400…700 нм воспринимается глазом человека и называется видимым 
диапазоном. Лучи с длинами волн короче 400 нм называют 
ультрафиолетовыми, с длинами волн в диапазоне 700…3000 нм — 
ближними инфракрасными.  
Большинство природных образований обладает различиями в 
спектральной отражательной способности, т. е. по-разному отражают 
солнечное излучение в различных частях спектра электромагнитных 
колебаний.  
Практически у всех минералов и почв отражательная способность 
в видимом диапазоне спектра растет с увеличением длины 
волны, при этом большое значение имеют уровень дисперсности и 
влагосодержания, а также элементный состав объектов. 
У растений в видимом диапазоне происходит наибольшее интенсивное 
поглощение солнечной энергии. Кривые спектральной 
яркости зеленых растений имеют общую закономерность: в оптическом 
диапазоне спектра они имеют два минимума — в синей 
(450…470 нм) и красной (680…690 нм) частях спектра и два максимума — 
в зеленой (540…580 нм) и ближней инфракрасной 
(700…1300 нм) частях спектра. Как и для всех других объектов, 
для растений характерно падение яркости в двух полосах поглощения 
воды — 1450 и 1950 нм. 
Спектральная яркость воды падает с увеличением длины волны 
солнечного излучения. Лучи ближнего инфракрасного диапазона 
практически полностью поглощаются тонкой пленкой воды, позволяя 
видеть на снимке только наличие и границы водных объектов. 
Наиболее сильно водой поглощается красно-оранжевая часть 
спектра, в значительно меньшей степени — синяя. При наличии в 
воде минеральных взвешенных частиц возрастает яркость в желто-
зеленой части спектра. Содержащийся в воде фитопланктон вызывает 
понижение яркости в синей и красной частях спектра (т. е. в 
полосах поглощения хлорофилла) и повышение яркости в ближней 
инфракрасной части. 
Максимум отражения у снега и облаков приходится на синюю 
часть спектра, минимум — на ближнюю инфракрасную. Это самые 
яркие природные объекты земной поверхности. Суммарная яркость 
облаков за некоторый период времени ниже, чем яркость 
снежного покрова.  

Примеры применения данных  
дистанционного зондирования Земли в народном хозяйстве 

Гиперспектральный мониторинг посевов сельскохозяйственных 
культур является основой защитных мероприятий от поражения 
различными патогенными факторами. Получение информации 
о появлении, развитии и распространении заболеваний требует 
больших затрат труда и времени. Степень поражения сельскохозяйственных 
культур, например пшеницы, можно установить 
только с применением гиперспектральных снимков. Так, в области 
750 нм спектральная яркость слабо реагирует на степень поражения 
пшеницы бурой ржавчиной. В то же время в области 600…700 нм 
яркость отраженного излучения здоровой и зараженной пшеницы 
различается в несколько раз (рис. 2). Кроме того, имеется возможность 
определять содержание влаги в растениях по полосам воды 
723 и 944 нм. 
 
 

 
 
Рис. 2. Спектры отражения пораженной бурой ржавчиной и здоровой 
пшеницы в диапазоне 450…1120 нм (в процентах указана степень поражения):  

1 — 540…600 нм; 2 — 630…690 нм; 3 — 690…720 нм; 4 — 720…860 нм