книги из ГПНТБ / Кучко А.С. Аэрофотография. Основы и метрология

2. Метеорологическая дальность видимости

М е т е о р о л о г и ч е с к о й д а л ь н о с т ь ю в и д и м о е т и 5 М называется предельно большое расстояние, начиная с которого при данной прозрачности атмосферы в светлое время суток абсолютно черный предмет с угловыми размерами, превышающими 9 - 10_3 рад, сливается с фоном у горизонта и становится невидимым.

20

3. Оптическая толщина атмосферы

Для оценки прозрачности атмосферы часто пользуются поня­ тием оптической толщины атмосферы, которая более точно, чем ко­

графическое выражение которой дано на рис. 7; в другой записи на основании формулы (22) будем иметь

Для расчета тм вертикального слоя сухой и чистой атмосферы

ненной атмосферы (5М==25 км) может быть рассчитана по прибли­ женной формуле [64, с. 139]

21

Более точно оптическую толщину атмосферы рассчитывают че­ рез значение т0,55 для опорной длины волны А = 0,55 мкм. Тогда для длины волны А с учетом формул (18) и (19) имеем

:ственно измеряется при помощи

денной высоте # п, то оптическая толщина тн атмосферы для некото­ рой конечной высоты Я будет равна

(34)

Формулы (31) и (34) дают возможность вычислить оптическую толщину атмосферы для конкретных условий аэрофотосъемки.

22

Пусть, например, требуется определить оптическую толщину ат­ мосферы, соответствующую длине волны Я = 0,6 мкм и состоянию атмосферы, характеризующемуся визуальной оптической толщиной to,55 = 0 ,2 при зенитном расстоянии Солнца Z® =60° (mz = 2,0) и высоте полета Н = 8 км.

Решение задачи состоит в следующем. По рис. 8 для Я = 0,6 мкм и to,55~ 0,2 находим т = 0,16; так как mz = 2,0, то r z = 0,32 (см. фор­ мулу (33)); искомое значение оптической толщины тя вычисляем по формуле (34), предварительно найдя Нп= 5,3 км (см. формулу (1)), тогда тн = 0,21, что соответствует коэффициенту прозрачности

Тн = 0,78 (см. рис. 7).

С учетом рассмотренных количественных показателей прозрач­ ности атмосферы: актинометрического (визуального) коэффици­ ента прозрачности Го,55, полной оптической толщины атмосферы to,55, метеорологической дальности видимости SMможно условно вы­ делить применительно к аэрофотографии три основных состояния атмосферы в зависимости от ее прозрачности, характеристика ко­ торых дана в табл. 7.

§ 4. Средняя стандартная радиационная модель атмосферы. Однослойная двухпараметрическая модель атмосферы

К средней реальной атмосфере близка плоскопараллельная мо­

23

4) концентрация аэрозоля убывает по экспоненциальному за кону.

А т м о с ф е р у с такими параметрами называют средней стан­ дартной радиационной моделью атмосферы.

В настоящее время для оценки прозрачности атмосферы широко применяется однослойная двухпараметрическая модель атмосферы,

ского состояния атмосферы в данный физический момент и хорошей сходимостью результатов расчета с экспериментальными данными (до 15%)- При построении модели использованы эксперименталь­ ные дднные об аэрозольном строении безоблачной атмосферы, о спектральном пропускании атмосферных аэрозолей и средней индикатрисе рассеяния в атмосфере.

Менее удобна для практического применения в аэрофотографии двухслойная модель атмосферы, так как в ней выходные данные вы­ ражены через индикатрису у Земли. В этой модели атмосфера разбита на два слоя, в каждом из которых индикатриса рассеяния считается постоянной; в верхнем слое используется слабо вытяну­ тая индикатриса рассеяния, соответствующая видимости SM= = 200 км; для нижнего слоя, на высотах 7— 10 км, расчет ведется для различных индикатрис рассеяния.

Исходными параметрами, характеризующими фактическое со­ стояние атмосферы в двухслойной двухпараметрической модели, яв­ ляются экспериментально определяемые в данный момент:

Прозрачность 70,55 как величина, определяемая при помощи при­ емников со спектральной чувствительностью нормального человече­ ского глаза, может быть вычислена по измеренному интегральному актинометрическому коэффициенту прозрачности Гакт [5]

§ 5. Оптическая неоднородность и нестабильность атмосферы

Изменения температуры, давления и влажности воздуха с изме­ нением высоты полета, а также непостоянство этих параметров в отдельных точках атмосферы обусловливают оптическую неодно­ родность и нестабильность атмосферы.

Оптическая неоднородность атмосферы выражается в регуляр­ ном изменении показателя преломления пв (индекса рефракции Nj>) в различных точках траектории светового луча. Регулярные измене­ ния показателя преломления, связанные с высотой фотографирова­

24

ния, принимаются в расчет при фокусировке объективов аэрофото­ аппаратов, а также при оценке влияния атмосферной рефракции

[18, 50, 52, 63].

Индекс рефракции Np для световых волн, когда влиянием влаж­ ности воздуха можно пренебречь, с ошибкой до 0,5 единиц послед­

с. 15] зависимости индекса рефракции от температуры и давления воздуха и длины волны света при некоторых экспериментально определенных постоянных.

Колебания показателя преломления воздуха Апв в зависимости от давления Рн, температуры Тн воздуха и их изменений АР, А71 относительно некоторых начальных условий 7’о = 273К, Ро =

Если достаточно знать показатель преломления на данной вы­ соте для белого света без учета конкретных значений длины волны, температуры, давления и влажности, пользуются формулой [64,

с. 117]

где рд и ро— значения плотности воздуха соответственно на высоте

Яи у Земли.

Вкачестве градиента индекса рефракции для тропосферы берут

величину, равную —4,3 м-1.

Оптическая нестабильность атмосферы означает непостоянство оптических характеристик атмосферы в какой-либо точке простран­ ства, их колебания вокруг некоторого среднего значения, а следо­ вательно, возникновение флуктуаций показателя преломления воздуха в данной точке. Источником оптической нестабильности ат­ мосферы является ее турбулентность — такие колебательные дви­ жения частиц воздуха, когда в каждой точке воздушного потока скорость меняется хаотически, пульсируя вокруг среднего значения, что приводит к образованию на пути светового луча движущихся неоднородностей воздуха (по плотности, температуре и влажно­ сти) .

25

Атмосферные возмущения, обусловливающие нестабильность ат­ мосферы, делятся на три типа:

1) низкочастотные колебания с частотами от 0,01 до 2 Гц и ам­ плитудой в несколько секунд дуги, меняющейся по нормальному закону распределения;

2)высокочастотные колебания с частотами от нескольких де­ сятков Гд до нескольких сотен Гц и амплитудой от 0,3 до 1,0" дуги;

3)турбуленция, когда частоты колебаний достигают 1000 Гц и более, амплитуды—-до 1,0" дуги.

Как следствие оптической нестабильности атмосферы возникают следующие три явления, обнаруживаемые при наблюдении объекта через слой атмосферы:

1)мгновенные изменения яркости и цвета объекта (явление мерцания);

2)мгновенное изменение формы объекта (явление пульса­

ции);

3)мгновенное изменение положения объекта (явление дрожа­

ния).

Явления мерцания, пульсации и дрожания влияют на качество изображения при аэрофотографировании, вызывают смещение точки снимка с истинного положения и снижают в ряде случаев рез­ кость изображения. При этом низкочастотные колебания могут быть причиной только смещения изображения и не влиять на его рез­ кость, так как выдержка при аэрофотографировании намного меньше 'Д периода колебаний. Высокочастотные колебания могут быть причиной как смещения точек изображения, так и снижения резкости, если выдержка при фотографировании равна или больше ’А периода колебаний; если выдержка меньше ‘А периода колеба­ ний, снижения резкости не наблюдается. Турбуленция может слу­ жить причиной снижения резкости изображения. Среднее квадрати­ ческое значение угла турбуленции, вызывающей дрожание изобра­ жения звезды в ночное время, определяется формулой [50, с. 91]

где брт, z — угол турбуленции для произвольного направления;

бРт — угол турбуленции для вертикального направления, при­ чем бЭт= ± 0,35";

mz — число масс атмосферы, определяющее положение на­ клонного луча.

Если, например, mz = 2, Z@ =60°, то б(3Т| z = ±0,5".

Приближенное среднее квадратическое значение угла, вызываю­ щего смещение изображения вследствие низкочастотных колебаний, может быть принято равным ±1,3" [50, с. 43 и 93], что на аэро­ снимке вызывает смещения, среднее квадратическое значение кото­ рых ±1,7 мкм. Предельное значение угла, характеризующего раз­ мытость изображения точки на аэроснимке вследствие турбулент­ ности атмосферы, в дневное время может достигать 4" [34, с. 249].

26

Г л а в а II

ЯРКОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ОТРАЖЕННОЙ РАДИАЦИИ

§ 6. Естественная освещенность земной поверхности

Световой режим земной поверхности определяют три источника освещения: первичный — Солнце и вторичные — атмосфера, рассеи­ вающая солнечный свет (небо), и объекты местности, отражающие падающий на них свет Солнца и неба. Основной характеристикой светового режима для данного пункта является освещенность гори­ зонтальной поверхности.

Естественная суммарная освещенность Ес любой поверхности при безоблачном небе или частичной облачности складывается из прямой освещенности Еа, создаваемой непосредственно лучами Солнца, и рассеянной освещенности Ер, поступающей от небесного свода и отраженной от земной поверхности, т. е.

Если небосвод покрыт сплошной облачностью, то Eii==0 и £ с= = ЕР, т. е. при сплошной облачности суммарная освещенность равна рассеянной, причем во многих случаях вклад рассеяния света под­

ний стандартной радиационной двухпараметрической модели атмо­

27

где Сэ— световой эквивалент [лк/(Вт • м~2)], для безоблачной по­ годы и зенитного расстояния Солнца Z®<^ 70° величина коэффици­ ента Сэ с точностью до 10% равна Сэ= 100,3 лк/(Вт-м~2).

Величина светового эквивалента Сэ [лк/(Вт • м-2)] суммарной освещенности при безоблачной погоде и слабой облачности в за­

Величина суммарной освещенности при данном зенитном рас­ стоянии существенно зависит от облачности, что показано на рис. 9, где кривая 1 построена для без­

прозрачности атмосферы Го,55, измеренной приемником, спектраль­ ные характеристики которого соответствуют кривой относительной

58

Из табл. 9 следует, что с увеличением зенитного расстояния Z0 и уменьшением прозрачности атмосферы доля рассеянной освещен­ ности возрастает; в утренние и вечерние часы суммарная освещен­ ность в основном создается рассеянной радиацией; в полуденные часы основную роль играет освещенность, создаваемая прямыми солнечными лучами; при Z® —75° прямая и рассеянная освещенно­ сти примерно одинаковы.

Влияние зенитного расстоя­ ния Солнца на спектральный состав суммарной освещенно­ сти иллюстрируется рис. 10, на

ния Солнца доля коротковолно­ вой радиации уменьшается, на­ блюдается «покраснение» сум­

марной радиации, с появлением облачности трансформация спектра становится несущественной. Содержание коротковолновой радиации в рассеянном свете по сравнению с прямым солнечным светом для Z @=40° показано в табл. 10, откуда следует, что при Z® =40° в синей зоне спектра рассеянная освещенность примерно в 4 раза больше прямой.

Для оценки спектрального состава падающего на землю свето­ вого потока во время фотографирования измеряют фактическую цветовую температуру Тц. Величина Тц может быть измерена спе­ циальными приборами— цветными тестами [108, 123].

§ 7. Яркость и коэффициент яркости природных объектов

Природные объекты по-разному отражают падающую на них солнечную радиацию. Отражательные свойства земной поверхности, как и любой другой поверхности, однозначно характеризуются спектральным или интегральным коэффициентом яркости в соче­ тании с индикатрисой отражения.

29