Спектральні діапазони дистанційного зондування

Для дистанційного зондування дуже важливі підбивні і поглинаючі властивості різних матеріалів на поверхні планети і навіть одного і того ж матеріалу, але в різних станах: наприклад, здатність у вологому або сухому стані по-різному відображати і поглинати сонячну енергію.

Вдень поверхня Землі поглинає енергію сонячного проміння, яка перетворюється речовиною або матеріалом освітлюваних об'єктів в тепло. Гірські породи, грунти і поверхневі воли нагріваються і віддають тепло в так званому тепловому діапазоні інфрачервоного (14) випромінювання у вигляді емітерного (вторинного теплового) випромінювання. При цьому енергія і спектр емітерного випромінювання, його Інтенсивність і широта діапазону залежать від температури об'єкту, що випромінює тепло. Іноді його називають температурним випромінюванням об'єктів.

Для дистанційного зондування важливо те, що різні об'єкти на поверхні Землі нагріваються по-різному і по-різному віддають своє тепло, тобто мають різну емісію.
Взаємодія електромагнітних хвиль з атмосферою

Атмосфера є сумішшю газів, в якій зважені тверді і рідкі частинки речовини - від тонкого аерозолю до щільних хмар зі всіма можливими проміжними стадіями.

При проходженні через атмосферу електромагнітні хвилі взаємодіють з частинками пилу, дим), кристалами льоду, краплями води і т.п. При цьому процеси розсіяння і поглинання енергії зменшують інтенсивність сонячної радіації на поверхні Землі і міняють діапазонвипромінювання.

Разом із загальним зменшенням інтенсивності випромінювання є ряд мінімумів - широких і вузьких смуг поглинання. Це смуги поглинання сонячної енергії атмосферним озоном, водяною парою, вуглекислим газом і киснем. Поглинання залежить від довжини хвилі випромінювання. Електромагнітні хвилі завдовжки менше 0,27 мкм повністю поглинаються озоном. Вони не проходять крізь атмосферу і не можуть бути використаний для дистанційного зондування поверхні Землі. Більш довгохвильове випромінювання (в оптичному діапазоні 0,4-5,5 мкм) проходить через атмосферу, і якщо розсіяння і поглинання енергії в ній не дуже велике, то випромінювання відбивається від поверхні Землі і може бути зареєстроване сенсорними системами. Атмосфера прозора для теплового випромінювання тільки в двох вузьких зонах, тому для дистанційного зондування використовують тільки два інтервали довжин хвиль: 3,5-5,0 мкм і 8-14 мкм, оскільки тільки в них може бути зареєстрований сканером потік емітерної енергії.

Вся решта теплового випромінювання Землі поглинається водяною парою, озоном. вуглекислим газом і метаном. Хвилі інших довжин інфрачервоного діапазону не можуть бути зареєстрований. У міру збільшення довжини хвилі випромінювання дія атмосфери зменшується, і вона стає практично прозорою для хвиль мікрохвильового діапазону. Це єдино можливий діапазон дії радарних методів зондування, що працюють з хвилями сантиметрової і дециметрової довжини.

Розсіяння електромагнітних хвиль в атмосфері, так само як і їх поглинання, залежить від довжини хвилі. Розсіяння світлового потоку відбувається унаслідок різноспрямованого віддзеркалення проходячого проміння маленькими або великими частинками: молекулами газу і центрами концентрації аерозолів (пилом, твердими частинками диму), а також краплями води. Вигляд і інтенсивність розсіяння залежать від співвідношення між довжиною хвилі випромінювання і розміром частинки, що відображає. Так, молекулами газів розсівається короткохвильова частина випромінювання, а аерозолями, розміри частинок в яких відповідають довжині хвилі, розсівається довгохвильова частина оптичного випромінювання.

Атмосферне розсіяння світла зменшує пряму сонячну радіацію і підвищує розсіяне, дифузне, випромінювання атмосфери» У принципі розсіяння в короткохвильовій частині спектру сильніше, ніж в довгохвильовій. Особливо сильно воно в голубій і ультрафіолетовій частинах спектру, тому небо має голубий колір. Розсіяння світла в цій частині спектру іноді називають небесним свіченням або голубим серпанком. Освітленість поверхні Землі визначається сукупністю прямої сонячної радіації і дифузного випромінювання атмосфери. Розсіяне свічення атмосфери грає дуже велику роль в освітленні затінених ділянок на поверхні Землі, які на кольорових плівках і в природі набувають голубого кольору - так званий серпанок, або вуаль. Практично у всіх частинах земної кулі спостерігається цей ефект молекулярного розсіяння світла, так само як в промислових районах - сірий серпанок аерозольного розсіяння.

Інтенсивність розсіяння сонячного випромінювання так само, як інтенсивність його поглинання, зростає з довжиною шляху променя в атмосфері. Цим визначається освітленість поверхні Землі, яка залежить від положення Сонця по відношенню до площини екватора і в першу чергу від висоти Сонця над горизонтом. Положення, або стояння, Сонця визначає спектр і інтенсивність потоку сонячної радіації, який відображається і поглинається елементами ландшафту. При проведенні зйомок переважно велика висота Сонця - > 40° над горизонтом; при ній створюються кращі умови освітленості ландшафту, відмінності в кольорі і яскравості окремих його елементів стають більш чіткими, а тіньові контури рельєфу зменшуються до мінімуму. В деяких випадках, навпаки, низьке стояння над горизонтом створює кращі умови для проведення спеціальних, тематичних, зйомок. Тому вибір оптимальних умов аерокосмічних і наземних зйомок значною мірою залежить від конкретних топографічних умов району, мети зйомки, її методів, вирішуваних задачі і самі об'єкти дослідження.

Разом з процесами селективного розсіяння в атмосфері електромагнітних хвиль певної довжини (або частоти) відбувається інше, більш повне розсіяння світла в диму, тумані і хмарах, якщо розмір частинок на його шляху приблизно на порядок перевищує довжину світлової хвилі. Частинки таких розмірів однаково розсіюють електромагнітні хвилі будь-якої довжини, чому і здаються хмари білими, хоча краплі води в них забарвлення не мають.

Для дистанційного зондування вищеописані процеси дуже важливі. З одного боку, ними визначається ширина і інтенсивність спектру сонячного або штучного електромагнітного випромінювання, що досягає поверхні Землі. З другого боку, ними ж визначаються спектральні діапазони і інтенсивність потоків відображеного і емітерного (вторинного теплового) випромінювань, реєстрованих апаратурою. Тому залежність проходження електромагнітних хвиль крізь атмосферу від їх частотного діапазону повинна враховуватися як при проведенні зйомок, так і при обробці їх результатів.

Молекулярне або аерозольне, а частіше комбіноване розсіяння сонячного світла в атмосфері приводить до дифузного, розсіяного, випромінюванню в ній, має також різні частотні характеристики і що викликає її свічення. Це свічення атмосфери, або, як прийнято називати, серпанок або вуаль створює перешкоди в прийомі корисних сигналів апаратурою. Це приводить до спотворень сигналів від досліджуваних об'єктів, зменшенню контрастності і яскравості зображення ландшафту, погіршенню просторового дозволу. Іншими словами, перешкоди знижують технічні можливості знімальної апаратури. Щоб позбулися перешкоди, дифузне свічення атмосфери фільтрують, наприклад, за допомогою світлофільтрів або наперед вибирають такі спектральні діапазони для зйомки, в яких ці перешкоди будуть мінімальні.

В багатьох районах Землі, прихованих під постійним або тимчасовим суцільним або розрідженим хмарним покривом, дистанційне зондування Землі представляє велику проблему. Хмари непрозорі - краплі води поглинають і розсіюють всі електромагнітні хвилі менше 3 мкм. В таких районах можуть бути застосований тільки активні методи дистанційного зондування, засновані на мікрохвильовому випромінюванні.

Всі розглянуті вище приклади способів отримання даних в найважливіших для дистанційного зондування діапазонах довжин хвиль показують, як впливають на отримання спектральної характеристики об'єктів ландшафту процеси розсіяння і поглинання проміння в атмосфері залежно від довжини хвилі. Тому при плануванні зйомок необхідно враховувати не тільки частку відображеного, поглиненого і емітерного потоків енергії, висхідних від поверхні Землі, але і процеси взаємодії електромагнітних хвиль з атмосферою.

Таким чином, для отримання якісних результатів дистанційних зйомок необхідно брати до уваги багато чинників:

• стан атмосфери,

• висоту стояння Сонця,

• технічні параметри апаратури.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: