тема 9

Тема 9. Фізичні засади дистанційного зондування Землі

1. Електромагнітний спектр. Закони випромінювання та поглинання променевої енергії.

Електромагнітний спектр — спектр електромагнітного випромінювання. Як спектральну характеристику електромагнітного випромінювання використовують такі величини:

Довжину хвилі;

Частоту коливань;

Енергію фотона (кванта електромагнітного поля).

Випромінювання оптичного діапазону (видиме світло і близьке інфрачервоне випромінювання) вільно проходить крізь атмосферу, може бути легко відбите й заломлюється в оптичних системах. Джерела: теплове випромінювання (у тому числі Сонця), флюоресценція, хімічні реакції, світлодіоди.

Кольори видимого випромінювання, відповідні монохроматичому випромінюванню, називаються спектральними. Спектр і спектральні кольори можна побачити при проходженні вузького світлового променя через призму або будь-яке інше середовище, в якому заломлюються хвилі. Традиційно, видимий спектр поділяється, у свою чергу, на діапазони кольорів:

Ближнє інфрачервоне випромінювання займає діапазон від 207 ТГц (0,857 еВ) до 405 ТГц (1,68 еВ). Верхня межа визначається здатністю людського ока до сприйняття червоного світла, вона різна в різних людей. Як правило, прозорість в ближньому інфрачервоному випромінюванні відповідає прозорості у видимому світлі.

Діапазон хвиль інфрачервогого випромінювання лежить в межах довжин хвиль (частот) від 2000 мкм (1,5 ТГц) до 740 нм (405 ТГц). Інфрачервоне випромінювання називають ще тепловим випромінюванням — на цей діапазон припадає максимум випровінювання абсолютно чорного тіла за кімнатних температур. Фізично джерелами інфрачервоного випромінювання є коливання атомів в молекулах та твердих тілах. Вивчаючи спектри випромінювання та поглинання тіл в інфрачервоному діапазоні, можна будувати моделі таких коливань та хімічної будови відповідних речовин. Інфрачервоне випромінювання має численні технічні та військові застосування, наприклад його використовують в тепловізорах.

Для електромагнітних хвиль з частотою нижче 300 ГГц існують монохроматичні джерела, випромінювання яких придатне для амплітудної та частотної модуляції. Тому, розподіл частот в цій області проводиться з огляду на методи передачі сигналів.

Від 30 ГГц до 300 ГГц — мікрохвилі.

Від 3 ГГц до 30 ГГц — сантиметрові хвилі (НВЧ). Від 300 МГц до 3 ГГц — дециметрові хвилі.

Від 30 МГц до 300 МГц — метрові хвилі. Від 3 МГц до 30 МГц — короткі хвилі. Від 300 кГц до 3 МГц — середні хвилі. Від 30 кГц до 300 кГц — довгі хвилі.

Від 3 кГц до 30 кГц — наддовгі (міріаметрові) хвилі.

На відміну від оптичного діапазону, дослідження спектру в радіодіапазоні проводиться не за фізичним поділом хвиль, а за методами обробки сигналів.

2.Чинники які впливають на аерота космічне знімання. Освітленість аероландшафту.

Для отримання якісного зображення земної поверхні під час аерофотографування необхідно враховувати ті чинники, які впливають на якість зображення і суттєво його змінюють.

Порівняно з фотографією аерофотографування має ряд особливостей. Його виконують з рухомого літального апарата, через значну товщу атмосфери, проте вимоги до вимірних розпізнавальних властивостей зображення об'єктів у результаті аерофотографування значно вищі. Адже аерофотознімки використовують для вимірних цілей, високоточних робіт, насамперед для створення топографічних та спеціальних карт.

Саме через те аерофотографування виконують за допомогою складніших знімальних систем, а для оброблення аерофотоматеріалів створено спеціальну апаратуру і технології.

Земна поверхня освітлюється Сонцем. Від висоти Сонця залежить інтенсивність освітленості, спектральний склад світла. Освітленість виступає основною характеристикою у процесі фотографування аероландшафту.

Земну поверхню з численними деталями характеризують такі властивості об'єктів, як відбивна здатність, яскравість. Яскравість, спектральна характеристика ландшафту впливають на вибір типу аерофотоматеріалу під час знімання.

Важливу роль під час аерофотографування відіграє атмосфера, адже разом з об'єктами ландшафту на світлочутливий фотоматеріал фотографується вся товща атмосфери від сотень метрів до декількох десятків кілометрів. Атмосфера як середовище, через яке передається світлова енергія, внаслідок поглинання і розсіювання частини променів, з одного боку, ослаблює світловий потік, а з іншого - створює (внаслідок світлорозсіювання) повітряний серпанок, який має певну яскравість. Повітряний серпанок, наклавшись на оптичне зображення, знижує його контраст; особливо відчутний вплив цього явища за великих висот фотографування. Світлофільтри, які застосовують для зменшення впливу повітряного серпанку, теж додатково діють на зображення.

Наступним чинником, який треба враховувати, аналізуючи формування зображення, є аерофотографічна система.

Частина променів, які потрапляють в аерофотокамеру, розсіюються, що спричиняється до зменшення контрасту. Але особливо впливає на якість зображення падіння освітленості від центра до країв аерокамери, що зумовлює пошуки способів вирівнювання освітленості по полю зображення.

Оптичне зображення об’єкта будується в момент відкривання закривача. Внаслідок поступового руху носія виникає зсув оптичного зображення, що викликає нерізкість зображення, погіршує його якість. Отже, швидкодія закривача, як було зазначено в розділі 2, суттєво впливає на якість зображення.

Залишкові аберації об’єктива, дифракційні обмеження, розфокусування аерокамери призводять до того, що оптичне зображення стає розмитим, нерізким. Це обмежує можливості розпізнавання дрібних об’єктів.

Аерофотоплівка виступає складовою частиною фотографічної системи, на неї записується зображення у вигляді розподілу освітленостей ландшафту. Від параметрів аерофотоплівки, насамперед світлочутливості, залежить її здатність передавати яскравості об’єктів у вигляді почорнінь. Аероплівка поглинає та розсіює оптичні промені, це явище викликає додаткову розмитість, нерізкість оптичного зображення.

І нарешті, правильна витримка під час аерофотографування, визначена з урахуванням усіх попередніх чинників, є необхідною умовою для отримання зображення потрібної якості.

Отже, основними чинниками, які впливають на якість зображення, є такі:

1)освітленість земної поверхні;

2)спектрофотометричні характеристики аероландшафту;

3)вплив атмосфери.

3.Спектрофотометрична характеристика аероландшафту. Будова та характеристика атмосфери.

Відбивні властивості земної поверхні. Об’єкти земної поверхні відбивають як пряму

сонячну радіацію, так і розсіяну, створюючи яскравість об’єкта. Яскравість - це світлова

величина, яка характеризує відбивання об’єкта в певному напрямку. Відбивні властивості

об’єктів земної поверхні можна визначити за допомогою коефіцієнтів яскравості,

коефіцієнтів відбивання та індикатрис відбивання.

Коефіцієнтом яскравості називається співвідношення яскравості поверхні об’єкта в

заданому напрямку до яскравості абсолютно білої матової поверхні:

(7.6)

Для ідеальної матової поверхні яскравість однакова у всіх напрямках. За освітленості Е

яскравість Во дорівнює:

(7.7)

а для будь-якого об’єкта:

(7.8)

Ландшафт не є горизонтальною площиною, а залежить від рельєфу. З урахуванням кута α,

під яким сонячне світло падає на об’єкт, яскравість запишеться:

(7.9)

Коефіцієнт яскравості змінюється від 0 до 1. Для абсолютно білої поверхні r = 1, для свіжого снігу r = 0,9 - 1, чорнозем має r = 0,03. У таблиці 7.2 подано коефіцієнти яскравостей деяких об’єктів [27].

Таблиця 7.2.

Коефіцієнти яскравості природних об’єктів

Геометричні замови освітленості та спостереження визначають трьома кутами (рис. 7.3):

зенітною відстанню Сонця Z0, яка визначає кут спадної радіації; кутом візування θ (кутом

між напрямком візування та вертикаллю), який є кутом відбитої радіації; азимутом візування

φ (різницею азимутальних кутів напрямків спадної і відбитої радіації).

Рис. 7.3. Геометричні умови освітленості та спостереження

Під час практичного використання коефіцієнтів яскравості слід враховувати їх зміну для різних географічних зон, геометричних умов освітлення та спостереження, характеру відбивної поверхні, вологості, вегетаційного періоду рослинності, сезону знімання тощо.

Більшість об'єктів земної поверхні мають забарвлення, тому коефіцієнти яскравості залежать від довжини хвилі і називаються спектральними коефіцієнтами яскравості. Їх позначають r :

де В - монохроматична яскравість об’єкта в нормальному до нього напрямку;

В0, -монохроматична яскравість горизонтальної, ортоторопної, цілком відбивної поверхні в нормальному до неї напрямку.

Враховуючи (7.10), інтегральний коефіцієнт яскравості r запишемо:

Для дослідження загальних закономірностей зміни спектральних коефіцієнтів яскравості і врахування їх інтегральних значень в розрахунках всі об’єкт земної поверхні розбиті на три класи:

І - геологічні породи, оголення і ґрунти,

ІІ – рослинність,

III - водні поверхні і снігове покриття.

Кожен із цих класів має характерні особливості кривих спектральних коефіцієнтів яскравості. Своєю чергою, у кожному класі розглядають ряд характерних типів.

Клас 1. Геологічні породи, оголення і ґрунти Тип 1. Ґрунти чорноземні, суглинисті, ґрунтові дороги.

Тип 2 Ґрунти опідзолені. суглинисті, шосейні дороги, деякі види будівель.

Тип 3. Піски, різні оголення пустель, деякі гірські породи.

Тип 4. Вапняки, глина, деякі світлі об’єкти.

Клас II. Рослинність

Тип 1. Хвойні породи дерев у зимовий період.

Тип 2. Хвойні породи дерев у літній період, суходільний луг, трав’янисте покриття з недостатньо соковитою рослинністю.

Тип 3. Листяні породи лісу в літній період і всі види соковитих трав.

Тип 4. Листяні породи лісу восени, визрілі, пожовклі польові культури.

Клас III. Водні поверхні і снігове покриття.

Тип 1. Сніг, покритий льодовою кіркою.

Тип 2. Свіжий сніг.

Тип 3. Водна поверхня, яка відбиває голубе небо.

Таку класифікацію об’єктів подає Є.Л. Кринов [24]. На рис 7.4 наведено криві спектральних коефіцієнтів яскравості відповідно до поданої класифікації.

Типи об’єктів розрізняють за нахилом кривих. Для першого класу характерне плавне збільшення r залежно від довжини хвилі. Найменше значення r має в цьому класі перший тип, найбільше - тип 4, до якого входять світлі об’єкти.

Найскладніші криві зміни коефіцієнта показує рослинність. Приблизно до 0,5 мкм коефіцієнти яскравості для всіх видів рослинності малі. У зоні від 0,5 мкм до 0,6 мкм вони збільшуються, максимум припадає на 0,55 мкм - це зона відбивання для хлорофілу. У зоні 0,6

- 0.7 мкм спостерігається мінімум. Це зона поглинання радіації хлорофілом. Коефцієнти r в цій зоні зменшуються. Восени, коли утворюються інші пігменти, а хлорофіл руйнується,

зниження в цій зоні не спостерігається (крива ІI-4).

У довгохвильовій зоні спектра криві різко йдуть вгору - саме в цій зоні спостерігається найбільше відмінностей між спектральними коефіцієнтами яскравості. Довгохвильова та інфрачервона зони найсприятливіші, коли аерознімання здійснюють для розпізнавання типів рослинності та для спостереження за їх станом.

Для рослинних об’єктів має значення кут спостереження для визначення спектральної відбивної здатності. Значна різниця спектральних кривих виявлена для польових культур

(пшениця, жито, овочі).

Третій клас об'єктів дає криві спектральних коефіцієнтів, що різко відмінні від кривих I та

II класів Спостерігається зниження кривих у червоній та інфрачервоній зонах.

Рис. 7.4. Криві спектральних коефіцієнтів яскравості різних об’єктів.

Крива III-1 майже не виявляє зміни r , тобто є ахроматичною. Щодо водних поверхонь і свіжого сніп-, то вони відбивають голубий колір неба - тоді спостерігається сильніше зменшення r в бік довгих хвиль Для об'єктів цього класу характерна велика зміна відбивної здатності зі зміною кута спостереження

Наведена спектрофотометрична характеристика природних об'єктів виражає лише загальні закономірності, які змінюються залежно від умов освітлення, структури відбивної поверхні, пори року, вологості, обширів рослинного покриття тощо.

Встановлено, що коефіцієнт яскравості збільшується зі збільшенням зенітної відстані Сонця: для Z0< 60° спостерігаються незначні зміни коефіцієнта яскравості - приблизно на 10-

15 %, для Z0> 60° значення r змінюється значно - до 30 %. Збільшення відбивної здатності об’єктів зі збільшенням Zо пояснюється підвищеною дією розсіяної радіації. З тієї причини найменше значення коефіцієнта яскравості спостерігається опівдні. Ступінь збільшення r

різний для різних об’єктів, наприклад, для грунтів він змінюється в 1,1 раза, трави - в 1,2

раза, жовтої кукурудзи - у 2 рази.

Збільшення кута візування впливає на збільшення коефіцієнта яскравості у видимій зоні спектра. Це має практичне значення за значного нахилу оптичної осі аерокамери та застосування ширококутної оптики.

Залежно від азимута візування коефіцієнт яскравості збільшується у 2-3 рази, а для деяких об’єктів, наприклад, сухої оранки, може збільшитися в 5-6 разів

Шорсткість поверхні знижує коефіцієнт яскравості порівняно з гладкою поверхнею,

наприклад, для чорнозему він може зменшитися у 2 рази.

Приблизно в 1,5-2 рази зменшують яскравість мокрі поверхні; деяке збільшення коефіцієнта яскравості (до 10-20%) спостерігається для дзеркальних поверхонь.

Сезонні зміни значно впливають на спектральний коефіцієнт рослинності та об’єктів, що покриті рослинними утвореннями. Найбільші значення r відповідають стадії цвітіння,

найменші - стадії засихання; спектральний коефіцієнт яскравості може змінюватися в 3-4

рази.

Інші методи визначення відбивної здатності об’єктів пов’язані з визначенням коефіцієнтів відбивання.

Коефіцієнт відбивання - це відношення відбитого від поверхні світлового потоку до потоку, який упав на земну поверхню F0 :

(7.12)

Індикатриса відбивання характеризує залежність яскравості об’єкта від кута спостереження. Розрізняють індикатриси дзеркального, дифузного та змішаного відбивання

(рис. 7.5).

Рис. 7.5. Індикатриси відбивання:

а) дзеркальне; б) дифузне: в) змішане.

Дзеркальне відбивання мають водні поверхні. Дифузне властиве поверхням з дрібною структурою - це пісок, сніг, поверхні .лісів, посівів, кущів. Більшість об’єктів мають змішану індикатрису відбивання.

Деколи для характеристики відбивної здатності об’єктів використовують величину альбедо

Альбедо визначається як співвідношення потоку радіації, відбитого певною поверхнею у всіх напрямках у напівсферу, до потоку, який упав на цю поверхню. Альбедо визначають у процентах. Розрізняють інтегральне альбедо для широкої спектральної зони і спектральне альбедо для вузького спектрального інтервалу.

Спектральні альбедо завжди вужчі, ніж інтегральні. Для зелених рослин за зенітних відстаней Сонця Z0 = 30 - 60° інтегральне альбедо А = 23%, а спектральне для видимої зони спектра А = 8%.

Між коефіцієнтом яскравості, коефіцієнтом відбивання й альбедо існує знак рівності тільки за дифузного відбивання.

Для визначення спектральних характеристик аероландшафту в польоті застосовують спектрографи, встановлені на борту літального апарата.

Принцип роботи спектрографів ґрунтується на вимірюванні відбитого і спадного світлових потоків. Це порівняння дає можливість визначити спектральний коефіцієнт яскравості r . При цьому для визначення спадного потоку використовують еталонну ділянку, коефіцієнт якої близький до 1.

Спектрограф складається із вхідного оптичного блока, який містить об'єктив із закривачем, вхідну щілину та коліматор диспергувального елемента (дифракційної решітки або призми); приймача випромінення і позиційної фотокамери. Оптичний канал будує зображення на поверхні диспергувального елемента.

Площа ділянки дослідження може змінюватися від 1 м2 до 3 км2. Її розміри залежать від розмірів вхідної щілини, фокусної відстані камери, відстані до об’єкта.

Відбитий від диспергувального елемента світловий потік надходить у приймальний пристрій.

Реєстрацію спектральних потоків, які проходять через дифракційну решітку на приймач,

можна здійснювати фотографічним або фотоелектричним способами. Для прив'язки спектрограм використовують позиційну фотокамеру, за допомогою якої отримують фотографічне зображення місцевості.

За допомогою спектрофотометрування встановлено, що інтегральні коефіцієнти яскравості під впливом різних чинників для різних ландшафтних зон змінюються в межах;

лісові райони - 0,11-0,38;

лісостеп - 0,11 -0,25;

степ -0,10-0,34;

напівпустельні райони - 0,12-0,25.

Найчастіше коефіцієнт яскравості становить 0,15 - 0,20, а для рослинності він ще менший.

Інтервал яскравості. У фотографії важливе значення для розпізнавання об’єктів за їх зображеннями має співвідношення максимальної Вmax та мінімальної Вmin яскравостей суміжних об’єктів, або контраст :

(7.13)

Якщо два об’єкти з коефіцієнтами яскравості rтах і rтin освітлені сонячним світлом під кутами α1 і α2 з однаковою освітленістю E то контраст дорівнює:

,

а у випадку α1 = α2

(7.14)

Відношення (7.13), (7.14) називають відносним, або фотографічним контрастом.

Візуальний контраст К, названий фізіологічним, обчислюють за формулою:

(7.15)

Інтервал яскравостей об’єкта - це різниця десяткових логарифмів найбільшої та найменшої яскравостей, або десятковий логарифм контрасту.

У логарифмічній формі, що зручно для зіставлення з фотографічною широтою, інтервал яскравості записують:

(7.16)

Мірою контрасту суміжних деталей об’єкта з яскравостями В1, і В2 є величина, яка називається деталлю яскравості :

(7.17)

Внаслідок розсіяного світла інтервал яскравості зменшується.

Для аероландшафту зі сніговим покриттям мінімальне значення I0 (за формулою 7.16)

становить 1,0, а залежно від освітленості воно може збільшуватися до 2,2. Для безснігового ландшафту інтервал яскравості змінюється від 0,2 до 0,9, а в деяких випадках він становить

2,0. На основі статистичних даних встановлено, що 50% об’єктів мають величину І0 не більшу 1,4, а 90% об’єктів вкладаються в інтервал яскравостей І0=2,0.

Для розрахунку експозиції практичне значення має середня яскравість об'єктів. За наявності в ландшафті об’єктів, які займають приблизно однакові площі, отримують середню

яскравість:

̅

Якщо ж необхідно враховувати розміри площ S, середню інтегральну яскравість

визначають за формулою:

яскравості можна визначити за формулою (7.6).

Середнє значення коефіцієнта яскравості становить для:

літнього ландшафту – 0,14;

весняного – 0,12;

зимового близько полудня - 0,69;

зимового за висоти Сонця 1-7° - 0,30.

4. Коефіцієнт повітряного серпанку та методи боротьби з ним.

Повітряний серпанок. Повітряним, або атмосферним, серпанком називається явище світіння атмосфери, викликане розсіюванням світлових променів.

Світловий потік, відбитий від природних об'єктів, проходячи товщу атмосфери,

послаблюється пропорційно коефіцієнтові Т і створює розсіяну радіацію. Повітряний серпанок є особливо важливою характеристикою під час аерофотографування, тому що на оптичне зображення об'єкта накладається яскравість розсіяного світла.

Якщо позначити яскравість сумарного потоку В', яскравість об'єкта - В, коефіцієнт пропускання атмосфери - Т, а яскравість повітряного серпанку - , то

(7 .39)

Розрізняють серпанок першого та другого роду.