Система дистанционного зондирования

Предлагаемая полезная модель относится к космическим системам дистанционного зондирования земной поверхности из космоса, и может быть использована для получения характеристик окружающей природной среды с борта летательного аппарата, например искусственного спутника Земли (ИСЗ), самолета, вертолета, при решении задач исследования природных ресурсов Земли и других прикладных задач. Предлагаемая Система дистанционного зондирования состоит из объекта наблюдения с характеристиками, поддающимися наблюдению, выходы которого поступают на вход установленных на ИСЗ датчиков и радиопередатчиков, выходы которых соединены с модулем обработки, интерпретации результатов и принятия решения. Отличительной особенностью системы является то, что в состав объекта наблюдения включены природные процессы, формируемые ими наблюдаемые явления и комплексное явление, которое отражает свойства природной среды и порождаемое комплексным явлениям электромагнитное излучение. Для их наблюдения в состав ИСЗ включено кодирующее устройство с радиопередатчиком, а в модуль обработки, интерпретации результатов и принятия решения включены радиоприемное устройство и материальные носители информации с файлами данных содержащих информацию о предварительной, первичной, вторичной и тематической обработке.

Предлагаемая полезная модель относится к космическим системам дистанционного зондирования, в частности к системам наблюдения за земной поверхностью из космоса, и может быть использована для получения характеристик окружающей природной среды с борта летательного аппарата, например искусственного спутника Земли (ИСЗ), самолета, вертолета, при решении задач исследования природных ресурсов Земли и других прикладных задач.

Известна система космического дистанционного зондирования Земли ¹ (¹ Заявка на получение патента Российской Федерации на изобретение №99124317), включающая орбитальную группировку спутников, оснащенных съемочной аппаратурой, и наземный сегмент, состоящий из наземного комплекса управления орбитальной группировкой и сети наземных станций приема данных.

Недостатком системы является отсутствие в ее составе объектов наблюдения, что не позволяет построить систему обработки информации, получаемую с ее помощью, адекватную целям наблюдения.

Известна система дистанционного зондирования² ( ² Дистанционное зондированием: количественный подход / М.Дейвис, Д.А.Ландгребе, Т.Л.Филлипс и др. Под ред. Ф.Свейна и Ш.Дейвис. Пер. с англ. М., Недра, 1983, с.415), включающая Землю, космический сектор, включающий размещенные на борту ИСЗ датчики и размещенные на Земле системы предварительной обработкой, анализа и хранения данных.

Ее недостатком является невозможность определения перечня конкретных операций по обработке информации данных.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является система дистанционного зондирования с оптимальной автоматической интерпретацией данных и принятием решения³ (³ Шанда Э. Физические основы дистанционного зондирования / Пер. с англ. И.А.Столярова. - М.: Недра, 1990. - с.208.), состоящая из объекта наблюдения с характеристиками, поддающимися наблюдению, выходы которого поступают на вход блока помех, выходы которого воздействуют на вход установленных на ИСЗ датчиков, на которые также подаются исходные данные от модуля обработки и представления данных выходы которого соединены с датчиком

и исходными данными об объекте, датчике, помехами, а входы соединены с модулем обработки и модулем интерпретации результатов и принятия решения.

Недостатком указанной системы также является невозможность определения перечня конкретных операций по обработке информации с целью получения конкретного результата, на который была нацелена работа системы дистанционного зондирования.

Цель изобретения (задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение), заключается в повышении информативности измерений характеристик природной среды и возможности определения состава операций при выполнении различного вида обработки данных дистанционного зондирования.

Указанная цель достигается за счет того, что в состав объекта наблюдения включают атмосферу и подстилающую поверхность, выход которой (излучение объектов) воспринимается ИСЗ, включающего размещенные на его борту датчики, содержащие устройства кодирования и радиопередатчики, выход которых - радиосигнал является входом размещенного на Земле модуля обработки, интерпретации результатов и принятия решения в состав которого включены радиоприемное устройство и материальные носители информации с файлами данных, содержащих информацию о результатах обработки, причем предварительная обработка, заключается в декодировании принятого с приемного устройства радиосигнала передатчика ИСЗ, содержащего информацию о величине сигнала с входа датчика; первичная обработка заключается в восстановлении значения параметров электромагнитного излучения, порождаемого комплексным явлением и поступающего на вход размещенного на ИСЗ датчика; вторичная обработка, заключается в восстановлении значения параметров электромагнитного излучения, формируемого отдельным явлением; тематическая обработка заключается в восстановлении характеристик протекающих в объекте наблюдения процессах, а также результаты всех этапов обработки, а в объект наблюдения дополнительно включены процессы, порождающие наблюдаемые в них явления, обусловленные свойствами природной среды.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом (Фиг.1), на котором приведена функциональная схема заявляемой системы.

Согласно указанного чертежа система дистанционного зондирования включает:

1 - Наземный сектор;

2 - космический сектор - ИСЗ;

3 - объект наблюдения;

4 - модуль обработки, интерпретации результатов и принятия решения;

(A ₁) - физические природные процессы, протекающие в системе "атмосфера - подстилающая поверхность", характеризуемые свойством материального мира, как объективно существующей формой проявления сущности объекта материального мира (природы) ⁴ (⁴ Колотушкин С.И., Лекае В.А. Структура формулы научного открытия // Вопросы изобретательства. 1979. №7. С.37-41., Указания по составлению заявки на открытие: Постановление Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий от 03.12.81 №5 (27) // Вопросы изобретательства. - 1982, - №4. С.35-62.);

(А₂) - явления как индикаторы физических процессов - объективно существующая качественная характеристика объекта материального мира ⁴ (⁴ Колотушкин С.И., Лекае В.А. Структура формулы научного открытия // Вопросы изобретательства. 1979. №7. С.37-41., Указания по составлению заявки на открытие: Постановление Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий от 03.12.81 №5 (27) // Вопросы изобретательства. - 1982, - №4. С.35-62.);

(А₃) - наблюдаемое комплексное явление, как совокупность простых явлений (А₂);

(А₄ ) - комплексное электромагнитное излучение - спектральный образ, содержащий информацию о комплексном явлении;

(A ₅) - дистанционный датчик, содержащий информацию о комплексном излучении и влиянии на него прохождение природной среды (шумы);

(А₆) - кодирующее устройство с радиопередатчиком, содержащее на выходе информацию о комплексном излучении и шумах;

(A₇) - радиоприемное устройство с антенной, содержащее на выходе декодированное значение сигнала выхода чувствительного элемента датчика дистанционного зондирования и шумов радиотракта. Указанное значение получается путем вычислений, являющихся функцией обратных преобразований от F(6-7);

(A₈ ) - материальный носитель устройства обработки информации с файлами данных об информации по восстановленному значению измеренных параметров (характеристик излучения) комплексного явления на входе чувствительного элемента датчика дистанционного зондирования, на основе обработки сигнала выхода приемного устройства с использованием закономерности (закона) связи F(7-5) - предварительной обработки, являющегося функцией обратных преобразований от F(5-6) (система бортового преобразования сигнала-кодирования);

(А ₉) - материальный носитель устройства обработки с файлами информации, содержащая восстановленное значение параметров (характеристик) комплексного явления, на основе закономерности ⁴ (⁴ Колотушкин С.И., Лекае В.А. Структура формулы научного открытия // Вопросы изобретательства. 1979. №7. С.37-41., Указания по составлению заявки на открытие: Постановление Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий от 03.12.81 №5 (27) // Вопросы изобретательства. - 1982, - №4. С.35-62.) F(4-3) - первичной обработки - восстановления значений параметров электромагнитного излучения, порождаемого комплексным явлением и поступающего на вход размещенного на ИСЗ датчика, являющегося функцией обратных преобразований от F(3-4) (формировании электромагнитного излучения от комплексного явления);

(А₁₀) - материальный носитель устройства обработки с файлами информации, содержащая восстановленное значение параметров (характеристик) отдельных физических явлений, вызванных определенными процессами в системе "атмосфера - подстилающая поверхность" на основе закономерностей F(3-2) - вторичной обработки, являющегося функцией обратных преобразований от F(2-3) (формировании комплексного явления из отдельных "простых" явлений, возникающих при процессах, происходящих в системе "атмосфера - подстилающая поверхность");

(А₁₁ ) - продукция дистанционного зондирования - результаты тематической обработки содержащие информацию о пространственном распределении физических процессов в системе "атмосфера - подстилающая поверхность", на основе закономерности F(2-l) (связи процесс-явление); к продукции можно отнести и (А₇), (A ₈), (A₉), (А₁₀ ) в случае, если они были заказаны как отдельный вид продукции.

Функционирование системы (Фиг.1) рассмотрим на примере мониторинга лесных пожаров⁵ (⁵ Арцыбашев Е.С., Гучев В.Г., Поминов В.Ф., Хилов A.M. Использование спутниковой информации для определения координат лесных пожаров // Борьба с лесными пожарами. - СПб., 1998. - С.15-22. (Труды СПбНИИЛХ)) с учетом того, что продукцией при указанных действиях является лесопожарные карты, а характер проявления поражающего фактора - пламя, дым⁶ ( ⁶ ГОСТ Р 22.1.09-99 Государственный стандарт Российской Федерации. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование лесных пожаров. Общие требования.).

Процессами, происходящие при лесных пожарах (A₁) являются теплофизические процессы горения лесных горючих материалов ⁵ (⁵ Арцыбашев Е.С., Гучев В.Г., Поминов В.Ф., Хилов A.M. Использование спутниковой информации для определения координат лесных пожаров// Борьба с лесными пожарами. - СПб., 1998. - С.15-22. (Труды СПбНИИЛХ)). Указанный процесс сопровождается явлениями (A₂) повышенной температуры объектов поверхности Земли 1 (леса), пространственным распределением продуктов горения (выгоревших лесных участков) и в распространение дымового факела. Комплексным явлением (А ₃) будет наличие тепловых аномалий на выгоревших участках леса. Комплексным излучением (F₄) будет спектр электромагнитного излучения, содержащий информацию о лесном пожаре, который характеризует:

- зависимость от температуры (нагрев объектов);

- зависимость от цвета (выгоревшие участки леса и дымовой факел). Такой спектр включает диапазон инфракрасного излучения 8-12 мкм и спектр видимого излучение 0,5-0,8 мкм. Этот спектр излучения, проходя атмосферу, искажается, и на вход чувствительного элемента датчика дистанционного зондирования ИСЗ2 (А ₅) поступает излучение, отличное от (А₄ ) на величину атмосферных "шумов".

На борту космического аппарата этот сигнал кодируется (в цифровой или аналоговый вид с помощью кодирующего устройства (А₆). Закодированный сигнал через радиопередатчик

(А ₆) по радиоканалу поступает на радиоприемное устройство (А₇) модуль обработки, интерпретации результатов и принятия решения 4.

Указанное значение получается путем вычислений, являющихся функцией обратных преобразований от F(6-7).

Записанный на носители информации сигнал может быть самостоятельным видом продукции дистанционного зондирования (А ₁₁), отображающим декодированное значение сигнала с выхода чувствительного элемента датчика дистанционного зондирования и шумов радиотракта. При мониторинге лесных пожаров указанный сигнал используется как промежуточный вид информации, который передается по радиоканалам потребителям и для дальнейшей обработке.

Если сигнал подвергается далее предварительной обработке F(7-4), которая заключается в декодировании (обратных преобразований от F(5-6)) сигнала (А₇), то ее результатом является восстановленное значение параметров (характеристик) излучения комплексного явления на входе чувствительного элемента датчика дистанционного зондирования (A₈ ). При мониторинге лесных пожаров указанный сигнал используется как промежуточный вид информации, который передается по радиоканалам потребителям и для дальнейшей обработке.

Записанный на носители информации такой сигнал может быть самостоятельным видом продукции дистанционного зондирования (А₁₁ ), как пространственным распределением характеристик излучения комплексного явления на входе чувствительного элемента датчика дистанционного зондирования.

Если сигнал подвергается далее первичной обработке, которая состоит в восстановлении значения параметров (характеристик) комплексного явления (А ₉), на основе закономерности F(4-3), являющегося функцией обратных преобразований от F(3-4) - формировании электромагнитного излучения от комплексного явления без учета влияния атмосферы и шумов. При мониторинге лесных пожаров указанный сигнал используется как промежуточный вид информации, показывающий качественные характеристики комплексного явления - пожара как источника повышенной температуры и аномалий - дымовых факелов, который передается по радиоканалам потребителям и для дальнейшей обработке.

Записанный на носители информации сигнал может быть самостоятельным видом продукции дистанционного зондирования (А₁₁) - восстановленным значением параметров электромагнитного излучения, порождаемого комплексным явлением.

Если сигнал подвергается далее вторичной обработке, то по ее окончании получим восстановленное значение параметров (характеристик) отдельных физических явлений

(А₁₀), вызванных определенными процессами в системе "атмосфера - подстилающая поверхность" на основе закономерностей F(3-2), являющейся функцией обратных преобразований от F(2-3) - формировании комплексного явления из отдельных "простых" явлений, возникающих при процессах, происходящих в системе "атмосфера - подстилающая поверхность". При мониторинге лесных пожаров указанный сигнал используется как промежуточный вид информации, показывающий количественные характеристики отдельных явлений - аномального повышения температуры и аномалий - дымовых факелов, который передается по радиоканалам потребителям и для дальнейшей обработке.

Если указанные выше результаты обработки (А ₇)-(А₁₀) и результаты тематической обработки - восстановленное значение параметров (характеристик) физических процессов в системе "атмосфера - подстилающая поверхность", на основе закономерности F(2-1) - связи процесс - явление представляются как их пространственного распределения то получим продукцию дистанционного зондирования (А ₁₁) - распределение характеристик, описывающих теплофизические процессы в различной стадии их интерпретации. При мониторинге лесных пожаров указанный сигнал используется как продукция, которая представляет пространственное распределение процесса - лесного пожара в виде карты, построенной по определенным правилам с использованием (А₁₀).

Устройства обработки, осуществляющие соответствующие преобразования, могут быть реализованы на базе стандартных ЭВМ.

1. Система дистанционного зондирования, состоящая из объекта наблюдения с характеристиками, поддающимися наблюдению, выходы которого поступают на вход установленных на искусственном спутнике Земли (ИСЗ) датчиков и радиопередатчиков, выходы которых соединены с модулем обработки, интерпретации результатов и принятия решения, отличающаяся тем, что в состав объекта наблюдения включены природные процессы (A₁), формирующие наблюдаемые явления (А₂) и комплексное явление (А ₃), обусловленные свойствами природной среды и порождаемое комплексным явлениям электромагнитное излучение (А ₄), в состав ИСЗ включено кодирующее устройство с радиопередатчиком (А₆), а в модуль обработки, интерпретации результатов и принятия решения включены радиоприемное устройство (А₇) и материальные носители информации с файлами данных (A₈)-(A ₁₁).

2. Система дистанционного зондирования по п.1, отличающаяся тем, что материальный носитель (A ₈) содержит размещенные в файле данные, содержащие информацию о предварительной обработке, заключающейся в декодировании F(7-5) принятого с приемного устройства радиосигнала передатчика ИСЗ, содержащего информацию о величине сигнала с входа датчика.

3. Система дистанционного зондирования по п.1, отличающаяся тем, что материальный носитель (А₉) содержит размещенные в файле данные, содержащие информацию о первичной обработке F(4-3), заключающейся в восстановлении значения параметров электромагнитного излучения, порождаемого комплексным явлением и поступающего на вход размещенного на ИСЗ датчика.

4. Система дистанционного зондирования по п.1, отличающаяся тем, что материальный носитель (А₁₀) содержит размещенные в файле данные, содержащие информацию о вторичной обработке F(3-2), заключающейся в восстановлении значения параметров электромагнитного излучения, формируемого отдельным явлением.

5. Система дистанционного зондирования по п.1, отличающаяся тем, что материальный носитель (А₁₁) является продукцией системы, включающей информацию о тематической обработке F(2-l), заключающейся в восстановлении характеристик протекающих в объекте наблюдения процессах, а также результаты всех этапов обработки (A₈)-(A₁₀ ).

6. Система дистанционного зондирования по любому из пп.2-5, отличающаяся тем, что выход материального носителя информации (A₈) соединен с входом (А ₉), выход которого соединен с входом носителя информации (А₁₀), выход которого соединен с входом носителя информации (А₁₁).

7. Система дистанционного зондирования по п.6, отличающаяся тем, что в качестве устройства обработки информации, размещенной на носителях информации, осуществляющего преобразования F(7-5), F(4-3), F(2-1) используются стандартные ЭВМ.