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

Яркость земной поверхности, освещенной прямыми лучами Солн­ ца, находящегося на зенитном расстоянии Z@, и диффузным излу­ чением дневного неба, как правило, измеряется в направлении, нормальном к отражающей поверхности. Спектральным коэффици­ ентом яркости r*(Z0 ) называется отношение монохроматической яркости горизонтальной поверхности B%{Z@) в нормальном к ней направлении к монохроматической яркости горизонтальной ортотропной, полностью отражающей поверхности Во, x(Z@) в нормаль­ ном к ней направлении при освещении обеих поверхностей суммар­ ным потоком солнечной радиации. Спектральный коэффициент яр­ кости определяется для узкого спектрального интервала длин волн, интегральный коэффициент яркости, или просто коэффициент ярко­ сти r(Z©), определяется по интегральной яркости B (Z @) для срав­ нительно широкого интервала длин волн ЛЯ= А-2— М (AA,-voo). Согласно определениям

Монохроматическая Bi и интегральная В яркости поверхности определяются по формулам (индекс Z© опущен для простоты на­ писания)

где Ех и Е — монохроматическая и интегральная освещенности дан­ ной поверхности.

Индикатрисы отражения для естественных поверхностей делятся по классификации, предложенной В. В. Шароновым, на четыре типа:

1. Ортотропные индикатрисы, присущие поверхностям с диф фузным отражением; неоднородность структуры таких поверхностей соизмерима с длиной волны падающего излучения. Свойством диф­ фузного отражения обладают гладкие матовые покровы, состоящие из мелких прозрачных или полупрозрачных элементов, например, мелкозернистые пески, свежевыпавший снег и т. п.; близкие к этим свойствам — так называемые изрытые поверхности, лишенные зер­ кальности, например, леса, посевы, кустарники, взрытая почва и т. п.

30

2.Индикатрисы, вытянутые в направлении зеркально отражен­ ного луча. Свойством зеркального отражения обладают гладкие по­ верхности, например, почва, покрытая обильной росой, снег, покры­ тый настом, и т. п.

3.Индикатрисы, вытянутые в направлении источника света, ха­ рактерны для шероховатых иссеченных поверхностей.

4.Смешанные индикатрисы, характеризующиеся наличием двух максимумов: один направлен в сторону зеркального отражения, другой — к источнику освещения.

Фотографируемая местность — совокупность объектов и их де­ талей, обладающих некоторыми яркостями Б* и занимающих неко­ торую площадь Si. Средняя интегральная (или точнее средневзве­ шенная интегральная) яркость В некоторого участка земной по­ верхности, соответствующего, например, по площади отдельному

аэроснимку, маршруту снимков и т. п., вычисляется по формуле

П

Для характеристики отражательных свойств земной поверхно­ сти широко пользуются величиной альбедо. Альбедо определяется как отношение потока радиации, отраженного данной поверхностью по всем направлениям в полусферу, к потоку, упавшему на эту по­ верхность. Альбедо выражается в процентах. Различают спектраль­ ное альбедо Ля, определяемое для узкого спектрального интервала АХ, и интегральное альбедо или просто альбедо А для широкой спектральной зоны (АХ-^оо).

Интегральное альбедо всегда больше спектрального. Это разли­ чие весьма существенно для растительных образований, обладаю­ щих повышенной отражательной способностью в инфракрасной зоне спектра. Так, для зеленых растений при зенитном расстоянии Солн­

ортотропной поверхности; во всех остальных случаях эти величины различаются. Связь между А% и г% выражается сложными форму­ лами [34, с. 251].

31

1. Спектрофотометрическая классификация природных объектов

Самые фундаментальные исследования отражательных свойств природных объектов выполнены Е. Л. Криновым [47]. Разработан­ ная им спектрофотометрическая классификация природных образо­ ваний широко применяется до сих пор. В настоящее время в лите­ ратуре не имеется более поздних обобщенных данных спектральных

коэффициентов яркости по всем видам природных образований, как это сделано Е. Л. Криновым. Более поздние измерения содер­ жат значительно меньший объем наименований [29, 33, 34, 43, 64, 82, с. 60—75].

Функции спектрального коэффициента яркости различных при­

арабскими — тип объектов. Все природные образования разделены на три класса.

Кл а с с I — о б н а ж е н и я п о ч в ы — включает четыре типа: тип 1 — почвы черноземные и супесчаные, грунтовые дороги и т. п.;

32

тип 2 — почвы оподзоленные суглинистые, шоссейные дороги, неко­ торые типы строений; тип 3 — пески, обнажения пустынь, горные породы; тип 4 — известняки, глина, различные светлые объекты.

Для спектральных кривых гх этого класса характерным явля­ ется постепенный подъем в сторону длинных волн, типы поверхно­

насаждений в зимний период; тип 2— хвойные породы лесных на­

Для поверхностей этого класса характерен максимум в области *0,55 мкм, минимум в пределах главной полосы поглощения хлоро­ филла (0,66—0,68 мкм), за которым следует резкий подъем в сто­ рону длинных волн с максимумом примерно для длины волны Я = = 0,8—1,0 мкм, типы поверхностей этого класса в основном отлича­

ются величиной гх для этой области спектра.

Объекты третьего класса отличаются относительно небольшими изменениями гх в зависимости от длины волны. Причем для снеж­ ных покровов отмечается некоторое уменьшение величины гх в сто­ рону коротких длин волн и более сильное уменьшение в сторону

чески отсутствуют. Коэффициенты яркости водных поверхностей весьма малы и незначительно (примерно до 4%) изменяются по спектру.

Приведенные спектральные характеристики природных объек­ тов применяются как к отдельным элементам, образующим естест­ венный покров данной местности, так и к целым ландшафтам. На­ пример, при наличии снегового покрова весь ландшафт приобретает свойства, присущие объектам третьего класса. Пустыни, выжжен­ ные степи, голые скалы и области умеренного пояса ранней весной или поздней осенью, когда преобладает желто-бурая окраска, мо­ гут быть отнесены к первому классу, а области, покрытые зеленой растительностью, — ко .второму классу.

Приведенная спектрофотометрическая классификация природ­ ных образований отражает лишь общие закономерности, которые в каждом конкретном случае уточняются в зависимости от условий освещения, состояния поверхности и т. д.

2. И зм ен ч и в о сть с п е к т р а л ь н ы х к о эф ф и ц и е н т о в я р к о с т и п р и р о д н ы х о б ъ е к т о в

При практическом использовании данных рис. 11 следует иметь в виду, что функция г (Я), определяемая той или иной кривой для объектов данного типа, может не соответствовать функции г (Я) для однотипного объекта в данный физический момент.

Изменчивость интегрального коэффициента яркости г для раз­

зона), степени покрытия растительностью почв и грунтов и т. д. Геометрические условия освещения и наблюдения характе­

ризуются тремя углами (рис. 12): зенитным расстоянием Z© Солнца С (рис. 12,6, в), определяющим угол падения «освещающей» ра­ диации, углом визирования 0 (угол между направлением визирова-

ния и вертикалью), являющимся углом отражения радиации, и ази­ мутом визирования <р (рис. 12,а), представляющим собой разность азимутальных углов направлений падающей и отраженной ра­ диации.

Зависимость отражательной способности объекта от зенитного расстояния Солнца определяет так называемый «дневной ход» спектрального коэффициента яркости и альбедо. Установлено [34, 64], что коэффициент яркости и альбедо возрастают с увеличением зенитного расстояния Солнца, причем для Z© ^6 0 ° относительные изменения этих величин невелики (10—15%); при Z©>60° отме­ чается значительное увеличение г (на 30%); возрастание отража­ тельной способности природных объектов с увеличением зенитного расстояния Солнца объясняется повышением доли рассеянной ра-

34

диации в суммарном потоке. Наименьшее значение коэффициента яркости и альбедо отмечается в полуденное время. Степень увели­

в 2 раза.

Влияние направления визирования на величину коэффициента яркости характеризуется следующим.

Для большинства природных объектов хаотичность расположе­ ния их деталей не дает резко выраженного направления отраже­ ния при наблюдении по вертикали. В этом случае для характери­ стики отражательных свойств природных объектов правомерно пользоваться величинами альбедо для используемого спектрального интервала. Однако увеличение угла визирования способствует воз­ растанию коэффициента яркости в видимой зоне спектра, что суще­ ственно при аэрофотографировании с большими углами отклонения оптической оси аэрофотоаппарата и при использовании сверхширо­ коугольной оптики. Установлено [82, с. 60—75], что для многих объ­ ектов ландшафта коэффициент яркости возрастает в 2—3 раза при перемещении луча визирования от направления «к Солнцу» к на­ правлению «по Солнцу», для сильно расчлененных объектов, напри­ мер пашни сухой, коэффициент яркости может увеличиться в 5—6 раз.

Шероховатость поверхности уменьшает коэффициент яркости и альбедо по сравнению с выровненной поверхностью, например для чернозема г уменьшается примерно в 2 раза.

Влажность поверхности является причиной уменьшения коэффи­ циента яркости. Как правило, мокрые поверхности уменьшают яр­ кость примерно в 1,5—2 раза; некоторое увеличение коэффициента яркости (примерно до 20%) может наблюдаться только в азимуте 0°, т. е. тогда, когда поверхность становится зеркальной.

Сезонные условия влияют на спектральный коэффициент ярко­ сти и альбедо как растительных образований, так и всех прочих природных объектов, которые в большинстве случаев покрыты той или иной растительностью. Для растительных образований опреде­ ляющим фактором является стадия вегетации, характеризующаяся высотой растений, степенью сомкнутости травостоя, цветом, степе­ нью высыхания и другими показателями. Наибольшие значения спектрального коэффициента яркости и альбедо соответствуют ста­ дии цветения, наименьшие — стадии увядания; например, г% ли­ стьев осины в зависимости от стадии вегетации имеют следующие значения (Л,= 0,8 мкм): 0,8 — в стадии цветения (июль), 0,5 — в ста­ дии пожелтения (октябрь) и 0,2 — сухие листья серого цвета (де­ кабрь) [34, с. 262].

Существенным фактором, влияющим на г%и А% растительности, является величина проективного покрытия, которая определяет в процентах покрытие одного типа поверхности другим. Так, напри­ мер, гх полыни на каменистой осыпи (Я = 0,8 мкм) уменьшается

в два раза при уменьшении покрытия от 100% (покрытие без про­ светов) до 50%.

На характер отражения света природными объектами влияет их поляризационная способность, которая зависит от типа отражаю­ щей поверхности, длины волны света и угла падения. Вследствие поляризации света возникает разница в величинах гх в разных пло­ скостях.

В табл. 12 приведены значения альбедо, характеризующие сезон­ ное изменение отражательной способности основных зон территории Советского Союза [64, с. 199].

В заключение следует отметить, что имеющиеся в литературе многочисленные и разнообразные данные о о. и А% природных обра­ зований, полученные в самых различных условиях [29, 33, 34, 35, 43, 47, 64, 78, с. 139—188, 82, с. 60—65], позволяют описать спектры большинства объектов. При этом весьма большими возможностями обладает спектрофотометрирование природных объектов с космиче­ ских кораблей, что подтверждается выполненными в СССР иссле­ дованиями [34]. Приведенные выше данные об изменчивости спект­ ральных характеристик природных образований позволяют уста­ навливать возможность использования этих характеристик и необходимость их измерения в конкретных условиях.

3. И зм ер ен и е с п е к т р а л ь н ы х к о эф ф и ц и е н т о в я р к о с т и п р и р о д н ы х о б р а зо в а н и й

Значительная изменчивость коэффициентов яркости во времени и в пространстве обусловливает в ряде случаев необходимость их измерения. Такая необходимость может быть при решении задач выбора оптимальных условий фотографирования и химико-фотогра­ фической обработки, сохранения оптимальной экспозиции, опреде­ ления вероятных размеров «разрешаемых» на изображении объек­ тов. Для современного состояния техники аэрофотографии необхо­ димая точность определения г%составляет 10—12% [33, с. 5—-15].

Для измерения спектральных коэффициентов яркости природных объектов в наземных условиях и с летательного аппарата разраба­ тываются специальные приборы. В отличие от спектральных лабо­

36

раторных приборов (универсального монохроматора УМ-2, спектро­ фотометра ИСП-30 и др. [23]) эти приборы, обеспечивая заданную точность измерений, должны быть надежными и простыми в экс­ плуатации, иметь малый вес, обладать достаточным быстродейст­ вием при установке на летательных аппаратах.

Каждый из приборов для измерения г% обеспечивает два вида измерений: а) измерение отраженного потока или яркости спектрометрируемой поверхности, в) измерение падающего потока или яр­ кости контрольного (эталонного) горизонтально расположенного образца с известным значением г%\ обычно используется ортотропная поверхность с коэффициентом яркости г ~ 1,0. Искомый коэф­ фициент яркости определяется на основе сравнения регистрируе­ мых величин потоков от измеряемой и контрольной поверхностей (см. формулу (42)).

Приборы для измерения гя, природных объектов имеют входной оптический канал (входной объектив с затвором, входная щель, коллиматор), диспергирующий элемент, приемник излучений и по­ зиционную камеру. Оптический канал строит изображение иссле­ дуемого участка поверхности на поверхности диспергирующего эле­ мента: дифракционной решетки или призмы. Площадь исследуе­ мого участка поверхности объекта зависит от размера входной щели, фокусного расстояния входного объектива, а также от рас­ стояния до объекта и изменяется от 1 м2 при наземном спектрометрировании до 1 км2, если прибор установлен на космическом лета­ тельном аппарате. Отраженный от диспергируемого элемента све­ товой поток поступает в приемное устройство, где регистрируется. При помощи позиционной камеры получают фотографическое изо­ бражение исследуемого участка местности; это изрбражение ис­ пользуется для опознавания объектов, спектральные коэффициенты яркости которых измеряются. Регистрация отраженных от диспер­ гирующего элемента спектральных потоков осуществляется фото­ графическим или фотоэлектрическим путем. В первом случае при­ емником излучения служит фотоэмульсия, во втором — фотокатод ФЭУ или фотосопротивление. Наиболее простой и надежный фото­ графический способ регистрации позволяет получать спектры отра­ жений одновременно от нескольких участков поверхности; точность

грамм, малый спектральный диапазон, ограниченный зоной спект­ ральной чувствительности фотопленки, охватывающей обычно только видимую область спектра. Фотоэлектрический способ реги­ страции спектральных потоков обладает большей точностью (1%), однако одновременно можно получить спектр только одного вы­ бранного участка местности; при этом аппаратура сложнее, надеж­ ность ниже, более сложна расшифровка и привязка к местности записанной информации.

В последние годы создано несколько приборов для измерения г% природных объектов с летательного аппарата: спектрографы

37

с фотографической регистрацией РСС-2 [34], ЛС-2 [29] и др., спек­ трографы с фотоэлектрической регистрацией С-8 и др. [33, с. 35— 46]. В настоящее время эти приборы совершенствуются, создаются лазерные фотометры [33, с. 35—46].

§ 8. Контраст, деталь яркости и градация объекта

Контраст объекта характеризует свойство его отличаться от дру­ гих объектов благодаря яркостным различиям. Общий контраст ха­ рактеризуется отношением экстремальных яркостей Втах и Bmin; контраст смежных деталей объекта определяется яркостными пере­ ходами.

В зависимости от решаемых задач и приемника, фиксирующего яркостные различия, применяют различные выражения контраста: используют как нелогарифмические, так и логарифмические вели­ чины, называемые и н т е р в а л а м и я р к о с т е й .

Относительный или фотографический контраст U есть отноше­ ние яркостей самой светлой Втах и самой темной Вт1п детали объ­ екта фотографирования; если детали объекта находятся в одинако­ вых условиях освещения, то яркости Втах и Bmln заменяются коэф­ фициентами яркости rmax и гтin. Таким образом,

Визуальный контраст К, называемый также физиологическим, вычисляется по формуле

Если объекты освещены неравномерно, то применяются более общие формулы

где Ei и —освещенность объектов, имеющих соответственно мак­ симальный и минимальный коэффициенты яркости.

Сравнивая формулы (48) и (49), имеем

При анализе фотографических систем при помощи частотных методов (см. § 19, 36) контраст описывается математическим вы­ ражением

^max ~\г ^m in

38

десятичных логарифмов наибольшей Втах и наименьшей Bmin ярко­ стей объекта, или десятичный логарифм контраста

Мерой контраста смежных деталей является величина, называе­ мая д е т а л ь ю я р к о с т и .

Нелогарифмическая деталь яркости фв, оцениваемая отноше­ нием яркостей Bi/B2, применяется редко. Чаще применяется поня­ тие логарифмической детали яркости, называемой просто деталью яркости А.

Д е т а л ь ю я р к о с т и называется разность десятичных лога-) рифмов яркостей (коэффициентов яркостей) двух соседних деталей объекта фотографирования

Яркостные характеристики объекта фотографирования являются величинами спектральными.

Детали яркостей характеризуют яркостные переходы в объекте. Различаемость деталей яркости оценивается пороговым контрастом яркостей. Наименьшее значение обнаруживаемого приращения яр­ кости выражается через минимально различимую деталь яркости, величина которой зависит от исходной яркости объекта, структуры поверхности и резкости границы между деталями. Различаемость деталей в объекте лучше при средней яркости; с уменьшением ярко­ сти величина Amln падает. Так, например, для объекта с большим количеством деталей (листва и т. п.) при средней яркости Amm = = 0,1, а при малой яркости Amin = 0.2. При очень больших яркостях различаемость деталей также уменьшается. Различаемость деталей

стями объекта. Совокупность различимых деталей яркости в объ-1

По результатам исследований яркостных свойств летнего и зим­ него ландшафтов для видимого спектра, выполненных различными авторами [29, 33, 34, 35, 47, 54, 64, 82, с. 60—75], составлена табл. 13.

Величины яркостей не приводятся, так как они могут быть вычис­ лены по формуле (45).

39