Лекция 16: Дистанционные методы зондирования в экологическом мониторинге

Дистанционные методы контроля широко используются в экологической диагностике. Они основаны на изучении закономерностей взаимодействия электромагнитного излучения с объектами окружающей среды.

Физическая сущность дистанционного зондирования

Все природные объекты способны отражать, поглощать или излучать электромагнитные волны характеристическим образом. Регистрация их электромагнитного излучения на расстоянии, включая ближний космос, является задачей дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

В зависимости от длины волны или частоты спектр электромагнитных излучений можно разделить условно на следующие диапазоны: рентгеновский, ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный, микроволновый, радиоволновый (рис.1) (слайд 2). Если учесть поглощение атмосферы, то наиболее приемлемыми на данном этапе развития аппаратных средств приема информации следует считать диапазоны: видимый 0,4—0,7 мкм; отраженный инфракрасный 0,7—3 мкм; тепловые инфракрасные 3— 5 мкм, 8—14 мкм; радиоволновый 30—3000 мм .

Основным фильтром отраженных и собственных излучений природных объектов является атмосфера Земли.

Излучение в определенных диапазонах спектра в той или иной степени поглощается атмосферными газами: О₂, О₃, СО₂, парами Н₂О,ионами и пылеобразными частицами. Диапазоны минимального поглощения образуют окна прозрачности атмосферы, через которые излучение доходит до бортовых приемников спутника. Излучение с λ < 3 мм интенсивно рассеивается и поглощается частицами воды в облаках и тумане. Собственное тепловое излучение объектов ∆λ = 3—5 и ∆λ = 8—14 мкм, а также микроволновое ∆λ = 3—1000 мм проходит без значительного поглощения в атмосфере.

При дистанционном зондировании Земли можно использовать естественный источник излучения - Солнце. Поверхность Солнца имеет температуру ≈ 6000 К, что обеспечивает излучение в: УФ-видимом и ИК- диапазонах. В солнечном спектре преобладающими для человеческого глаза являются волны λ = 0,5 мкм, зеленый свет. Температура поверхности Земли составляет около 300 К (слайд 3). Согласно закону смещения Вина преобладающая длина волны находится в области теплового инфракрасного излучения электромагнитного спектра. (9,7 мкм). Энергию излучения Земли проще зарегистрировать ночью, так как она имеет гораздо меньшую интенсивность по сравнению с отраженной солнечной энергией. При дистанционном зондировании длины волн λ ≈ 2,5 мкм используются как предельные для регистрации отраженной солнечной энергии, а волны λ ≈ 6 мкм — как нижний порог для фиксируемой тепловой самоизлучаемой энергии. Волны в диапазоне ∆λ = 2,5—6 мкм по своей природе обусловлены отраженной солнечной энергией и собственным излучением Земли.

Определенное количество энергии отражается поверхностью Земли, часть излучения проникает в облучаемые объекты в виде рефракционного волнового фронта, который может быть поглощен или пропущен в зависимости от природы материалов и длины волны излучения.

Отражение энергии зависит от свойств поверхности этих предметов по отношению к воздействующим на них электромагнитным волнам. Если поверхность гладкая то, имеет место зеркальное отражение. Равномерное отражение (диффузное рассеяние) от земных объектов дает информацию о цвете объекта, что очень важно при дистанционном зондировании. Для количественной оценки степени отражения энергии, излучаемой обратно в космическое пространство используется коэффициент отражения, или альбедо (слайд 4) .

Общая схема взаимодействий в энергетической цепи имеет вид: источник энергии — фильтрующая среда — объект исследова­ния— поглощенная, отраженная, генерированная энергия — фильтрующая среда — приемник энергии . Эта цепь энергетических взаимодействий определяет тип зондирования, который может быть активным или пассивным ( рис.2). (слайд 5)

При активном зондировании (а) используется искусственное зондирующее облучение и видоизмененный отраженный сигнал, который и несет полезную информацию об объекте исследования. Пассивное зондирование может быть двух типов: в варианте (б) исследуется собственное излучение исследуемого объекта, а в случае вариантов (в) используется луч Солнца в качестве зондирующего сигнала, а отраженный сигнал дает необходимую информацию о наблюдаемом объекте.