XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Автоматизированная роботизированная система обеспечения зондирования, исследования и мониторинга космических объектов (планет, искусственных объектов, астероидов и т.д.).
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Цель: познакомиться с обеспечением зондирования, исследования и мониторинга космических объектов (планет, искусственных объектов, астероидов и т.д.).
Задачи:
Изучить понятие дистанционных методов изучения поверхности космических объектов
Предложить свои варианты изучения и исследования космических объектов
Провести эксперимент, создав свой личный «Спутник»
Проблема исследования: низкие возможности зондирования космических объектов, низкая заинтересованность молодого поколения в проблемах изучения космоса
Гипотеза: Обеспечение зондирования, исследования и мониторинга космических объектов - важная составляющая в формировании молодежных знаний в области робототехники и других областях знаний (географии, геологии, физики)
Методы работы:
Анализ и работа с литературой
Диагностический: методика «наблюдение и поиск»
Создание продукта исследования
Предмет исследования - возможность обучающихся школ в развитии дистанционных методов изучения поверхности космических тел.
Объект исследования - зондирование, исследование и мониторинг космических объектов.
Оборудование: компьютер, научная литература, ресурсы интернет.
Время работы над проектом: 2021 год
ВВЕДЕНИЕ
Дистанционное зондирование - сбор информации об объекте или явлении с помощью регистрирующего прибора, не находящегося в непосредственном контакте с данным объектом или явлением.
Дистанционное зондирование используется для сбора и записи информации обо всех географических оболочках Земли и даже о всей Солнечной системе.
Материалы исследований Земли, полученные из космоса, широко применяются во всех науках о Земле. Космическую съемку используют в исследованиях, направленных на изучение природных ресурсов, динамики природных явлений, в задачах охраны окружающей среды.
Таким образом, методы изучения Земли из космоса относят к высоким технологиям с новым подходом к получению и распознаванию результатов измерений.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСТАНЦИОННЫХ МЕТОДОВ
1.1. Электромагнитное излучение
Электромагнитное излучение – это электромагнитные волны, которые возникают при возмущении магнитного или же электронного поля. Малой порцией электромагнитного излучения считается квант, но в тоже время оно имеет частотно-волновые свойства, определяющие его основные черты.
Принцип дистанционных методов организуется на анализе результатов измерения электромагнитного излучения, которое регистрируется в отдалившейся от него точке местности.
1.2. Взаимодействие электромагнитного излучения с атмосферой
Ведущей проблемой анализа данных дистанционного зондирования, приобретенного в оптическом спектре, считается адекватный учет модификации проходящего через атмосферу излучения, или так называемой атмосферной коррекции. При прохождении через атмосферу электромагнитные волны поглощаются и рассеиваются.
Некоторые атмосферные газы поглощают электромагнитную энергию в разнообразных областях спектра, и это определяет, какие части электромагнитного диапазона мы можем использовать для целей дистанционного зондирования, а какие нет.
Рассеивание излучения. Предпосылкой рассеивания считается модификация направления распространения электромагнитных волн из-за их взаимодействия с молекулами газов и находящихся там частиц.
Выделяют три типа рассеивания в атмосфере:
рассеивание Релея
рассеивание Ми
неселективное рассеивание.
1.3. Взаимодействие излучения с поверхностью Земли
Выделяют три основных типа взаимодействия падающего электромагнитного излучения с объектами на поверхности Земли:
отражение
поглощение
пропускание
Отражение – это способность одних объектов в результате взаимодействия с другими объектами воспроизводить через изменение своего состояния некоторые особенности этих объектов в своей собственной природе.
Поглощение — переход энергии излучения в энергию атома.
Пропускание—прохождение сквозь среду оптического излучения без изменения набора частот составляющих его монохроматических излучений и их интенсивностей.
Свойства отраженного, поглощенного и пропущенного излучения отличаются для разных объектов на поверхности Земли и зависят от вещества объекта и физических условий, в которых он находится. Эти различия и позволяют идентифицировать объекты на снимке.
Различные элементы земной поверхности – растительность, почвы, вода – по-разному отражают падающее на них излучение в разных зонах электромагнитного спектра.
2. ОБЗОР СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
2.1. Общие сведения
Дистанционные приборы обеспечивают измерение черт удаленных объектов, из-за этого они должны быть размещены на устойчивой платформе, удаленной от изучаемого объекта или наблюдаемой поверхности.
Дистанционное зондирование основано на регистрации солнечного излучения, отраженного объектами в соответствии с их спектральной отражательной способностью. На снимках отображаются оптические характеристики объектов – их спектральная яркость.
Съемку с помощью оптических камер и сканеров в различное время осуществляли или осуществляют в настоящее время многозональные российские сканеры МСУ-М, МСУ-СК и МСУ-Э на спутниках «Ресурс-О», «Метеор» и «Океан».
2.2. Основные технологии получения снимков
При съемке в разных спектральных диапазонах используют различные технологии и получают снимки разных типов.
Фотографические снимки
Аэрофотоснимки
Космические снимки
Итак, большие природные объекты были изучены по телевизионным снимкам. Впрочем, более многообещающими они оказались для обнаружения, определения объемов, оценки интенсивности, прогнозирования развития разных природных процессов, таких как движение морских льдов, сход и перемещение снежного покрова, перемена влаги почв и сезонные конфигурации закрытых бассейнов рек.
2.3. Разрешающая способность систем дистанционного зондирования
Разрешающая способность как аналоговых, так и цифровых систем дистанционного зондирования определяется следующими параметрами:
спектральным разрешением
радиометрическим разрешением
временным разрешением
пространственным разрешением.
Понимание этих данных очень важно для правильного использования информации дистанционного зондирования.
В общем, разрешающая способность детектора ориентируется площадкой на поверхности Земли, соответствующей одной простой ячейке детектора.
Снимки по пространственному разрешению, определяемому объемом мельчайшего элемента поверхности Земли, отображенного на нем, дифференцируются на категории.
На снимках низкого пространственного разрешения заметны только большие объекты. А вот на снимках высокого разрешения уже можно обозначить почти детали объектов.
Характеристика орбит спутников
Орбита - это траектория движения спутника Земли.
Я узнала, что тип орбиты зависит от ее высоты и ориентации относительно поверхности Земли, а также от направления движения спутника по орбите.
По параметрам орбиты выделяют два основных типа спутников: геостационарные и полярно-орбитальные. Каждая орбита обладает своими преимуществами и недостатками.
Полярные орбиты намного ниже, чем геостационарные, из-за этого приборы, находящиеся на полярно-орбитальных носителях, чаще всего, обеспечивают лучшее пространственное разрешение.
Полярно-орбитальные спутники, располагаясь на орбите, плоскость которой перпендикулярна плоскости вращения Земли, через определенный период времени оказывается над нужным районом наблюдения. При этом полярно-орбитальная система наблюдения сталкивается с трудностью: спутник может оказаться над одним и тем же районом съемки в различные периоды «местного», или солнечного времени.
3. ОБРАБОТКА ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Гигантская доля данных дистанционного зондирования сразу поступает в цифровом облике, что позволяет сразу же применять для их обработки современные компьютерные технологии, при применении коих делается вероятным воплотить в жизнь усвоение и реализацию спутниковой информации с поддержкой автоматических систем обработки данных. Похожие системы как правило содержат две группы блоков, различающихся по технологическому предназначению.
Первая группа обеспечивает автоматизацию решения технических задач, в таком количестве и географическую привязку изображения.
Вторая группа позволяет автоматизировать решение содержательных задач, т. е. выдает информацию о свойствах исследуемых объектов.
3.1. Основные этапы обработки спутниковых изображений
Способы цифровой обработки изображений играют важную роль в галактических исследовательских работах, в том числе при составлении карт по космическим снимкам.
В общем случае обработка данных дистанционного зондирования включает три шага:
1-й период – предшествующая обработка;
2-й период – изначальная обработка;
3-й период – вторичная или тематическая обработка.
Современные пакеты программ, предназначенные для обработки спутниковых данных, предугадывают возможность географической привязки по опорным точкам, разрешая оператору в интерактивном режиме задавать на спутниковом изображении точки, географические координаты коих есть в базе данных.
Любая фотография –это, во-первых, информационная модель местности, рассматриваемая исследователем как целостный объект, а объекты анализируются в развитии и постоянной связи с окружающим их миром.
4. ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
4.1. Применение данных дистанционного зондирования в картографии
Данные аэрокосмического зондирования активно применяются в картографии. Они имеют важные преимущества перед другими источниками для составления карт:
обзорность космических изображений – дает экономичное картографирование обширных пространств;
наглядность и выразительность космических снимков обусловили появление новых видов картографической продукции – фотокарт и спутниковых карт;
комплексное отображение на одном снимке всех компонентов земных ландшафтов.
Аэрокосмические снимки помогают при составлении и обновлении топографических карт, создании тематических карт и фотокарт, картографировании малоизученных и труднодоступных районов.
4.2. Применение данных дистанционного зондирования в метеорологии и климатологии
Создание метеоспутников сильно расширило возможности развития мировой климатологии.
Использование спутниковых данных для прогнозирования метеорологических условий. Космические снимки облачности используются как для анализа положения, так и для прогноза. Анализ облачности по снимкам проводится одновременно с анализом метеорологических данных на синоптических и других видах карт.
4.3. Применение данных дистанционного зондирования в задачах сельского хозяйства
Так как я живу в сельской местности, этот вопрос особо актуален для меня, ведь использование снимков значимо их применение в сельскохозяйственных целях. Аграрная промышленность играет одну из ведущих ролей в экономиках как развитых, так и развивающихся стран.
Четкая и актуальная информация о состоянии посевов и земли, оценка свойства и числа грядущего урожая и, как последствие сего, прогноз цен на аграрную продукцию оказывает существенное влияние, как на экономику отдельного региона, так и на всю мировую торговлю в целом.
Обширные территории, занимаемые сельскохозяйственными угодьями, достаточно непросто держать под контролем по причине недочета карт, неразвитой сети пунктов оперативного прогнозирования, наземных станций, в том числе и метеорологических, отсутствия авиа поддержки и т.п.
4.4. Применение данных дистанционного зондирования в задачах охраны окружающей среды
Многие виды воздействия человека на окружающий мир передаются на фотоснимках. Специфичное изображение имеет промышленное и сельскохозяйственное воздействие на природу, неплохо заметны места открытой добычи полезных ископаемых: карьеры и терриконы.
Фото отображают как формы хозяйственной деятельности человека, так и изменения окружающей среды, связанные с этой деятельностью.
Заинтригованность населения Земли в массовых экологических дилеммах отыскала резонанс в разработке спутниковых программ массового исследования Земли и мониторинга озонового слоя, загрязняющих примесей в атмосфере, сосредоточении углекислого газа и иных парниковых газов, вызывающих нарушения теплового баланса Земли и многое другое.
5. ПРАКТИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
Так как создать настоящий спутник, выходящий на большое расстояние от поверхности Земли, мы не можем, продуктом нашей деятельности стали макеты спутников, которые при должном обеспечении материалами, могут быть созданы и запущены в космическое пространство для зондирования космических объектов. Я считаю, что основами этих спутников могут являться сложные многогранники, какие мы и создали.
Кроме того, мы решили предложить более упрошенный вариант, так называемого «Спутника», созданного на основе «Китайского фонарика», который в результате опыта может являться спутником для дистанционного зондирования небольших территорий.
Опыт №1
Для создания моего «Спутника» мне потребовалось:
Камера GO-PRO
Китайский фонарик
Картонная коробка
Спички
Нить
Ход работы:
Мы с одноклассниками к твердой проволоке фонарика прикрепили подвешенную на лентах коробку с встроенной камерой GO-PRO (маленькая камера с функцией дистанционной записи фото и видео).
Далее к фонарику мы прикрепили длинную нить (20 метров) для контролирования полета «Спутника». Разожгли сухое горючее и постепенно фонарь начал нагреваться и надуваться.
В результате нашего эксперимента мы получили, что фонарь вместе с грузом, включающим коробочку и камеру, может подняться на 13 метров и при этом запечатлеть изображение.
Мой опыт удался. Китайский фонарь может являться спутником дистанционного зондирования небольшого участка территории
Фото, сделанное самодельным «спутником»
Опыт №2
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исходя из знаний, полученных мной при сборе и переработке информации по теме моей работы, я поняла, что дистанционное зондирование Земли и других космических объектов очень важная часть изучения всего космического пространства.
Теперь, я понимаю, что с помощью Дистанционного зондирования Земли мы можем не только рассматривать фотоснимки космического пространства, но и изучать нашу планету и вообще целую вселенную.
Также, лично для себя я провела интересный эксперимент с созданием небольшого Спутника и смоделировала дополнительные модели спутников.
СПИСКИ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
docplayer.ru/25808962-Fotogrammetriya-i-distancion...oe-zondirovanie.html
www.webkursovik.ru/kartgotrab.asp?id=-184213
kursak.net/pervye-voprosy-1-vektornaya-struktura-dannyx-v-gis/
kubsau.ru/upload/iblock/b60/b609433dea9df19580f73ede02b80ab3.pdf
dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/6661/ДИСТАНЦИОННОЕ
Е. Н. Сутырина ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ Учебное пособие УДК 528.8(076.5). ББК 26.11я73 С Печатается по решению учебно-методической комиссии географического факультета Иркутского ...»
Возможности построения автоматизированных систем обработки спутниковых данных на основе программного комплекса XV_SAT / В. А. Егоров [и др.] //
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных объектов и явлений. – М. : Полиграфсервис, 2004. – С. 431–436.
Лабутина И. А. Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ : метод. пособие / И. А. Лабутина, Е. А. Балдина. – М., 2011. – 88 с.
Трифонова Т. А. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических
ФГУНПП «Росгеолфонд». Сибирский филиал [Электронный ресурс]. – URL: http://geol.irk.ru.
Царев В. А. Неконтактные методы измерения в океанологии / В. А. Царев, В. П. Коровин. – СПб. : Изд-во РГГМУ, 2005. – 184 с.