Коэффициенты интегральной яркости некоторых объектов

(видимый диапазон)

Объект	г*	Объект	г*
Снег свежевыпавший	1,00	Лес лиственный	0,07
Лед речной	0,30	Лес хвойный	0,05
Вода	0,03	Луг суходольный	0,07
Песок кварцевый	0,20	Дороги грунтовые на суглинке и песке	0,20
Почва серая лесная	0,15	Дороги грунтовые на черноземе	0,08
Почва чернозем	0,03	Шоссе	0,30

В таблице 1 приведены значения некоторых коэффициентов ин­тегральной яркости r, определенных в отвесном направлении, которые свидетельствуют об их значительном колебании у раз­личных объектов. Но и для одного и того же объекта коэффициент г* не строго постоянен, а может меняться в определенных преде­лах. Среднее значение коэффициента интегральной яркости для всей территории нашей страны принимают равным: зимой — 0,50, ле­том — 0,14, весной — 0,12.

Необходимо учитывать, что абсолютная величина яркости, определяемая отражательными свойствами объекта, функциональ­но зависит еще и от относительного положения Солнца, съемоч­ной системы и объекта, а также от наклона отражающей поверх­ности, т.е. от рельефа местности (Рис.1).

(

Поэтому склоны на местности с одинаковыми отражательными свойствами, но раз­ными углами наклона будут иметь разную яркость и изобразятся на снимке разным тоном. Таким образом, на яркостное поле мес­тности существенно влияют рельеф и условия освещения.

Яркостный контраст. Помимо абсолютных величин яркостей: и коэффициентов яркости для характеристики оптических свойств объектов используют еще несколько производных показателей. Распространенной характеристикой различения двух объектов является их яркостный контраст, для которого применяется несколько выражений. Среди них наиболее употребительны относительный (фотографический) контраст и визуальный (физиологический) контраст. Величина интервала яркостей зависит от физико-географиче­ских особенностей района и условий его освещения. Например, наименьшее значение интервала яркостей (1,5) имеют степ­ные районы с однородным растительным покровом, наибольшее (300) - высокогорные районы со снежниками, ледниками и обнаженными горными породами. В среднем значение интервала яркостей для летнего ландшафта принимают равным 10, а для зимнего он увеличивается до 30.

Индикатриса отражения. Совокупность коэффициентов ярко­сти объекта по разным направлениям изображают графически в виде полярной диаграммы — индикатрисы отражения.

Различают четыре основных вида индикатрис отражения. Свой­ством зеркального отражения обладают спокойная водная повер­хность, ледяной покров, накатанные грунтовые дороги (рис. 2.3, а).

Рис.3 Индикатрисы отражения: гладкой, шероховатой, расчленённой поверхностей

плоские песчаные поверхности. Объекты с расчлененной поверх­ностью имеют индикатрису отражения, вытянутую к источнику света, т. е. противоположную индикатрисе зеркальной поверхнос­ти (рис. 2.3, в). Максимальная яркость таких объектов (вспаханные почвы, заросли тростника) наблюдается со стороны падающих лучей. Асимметрия индикатрис возрастает с увеличением расчле­ненности отражающей поверхности. Строго говоря, любое отра­женное излучение состоит из двух частей — зеркальной и диф­фузной. Поэтому для многих природных объектов характерна сме­шанная индикатриса отражения с двумя максимумами: один на­правлен в сторону зеркального отражения, другой — к источнику света (Солнцу).

Коэффициент спектральной яркости. На земной поверхности наиболее распространены окрашенные (хроматические) объек­ты. Считается, что природная палитра местности включает около 60 000 цветовых оттенков. Яркость таких объектов в разных спект­ральных зонах неодинакова и характеризуется коэффициентами спектральной яркости. Значения коэффициентов спектральной яркости для различных длин волн представляют в форме графи­ка — кривой спектральной яркости. В аэрокосмическом зондирова­нии различают кривые спектральной яркости объектов, которые получают по результатам прямых спектрометрических измерений, и так называемые кривые спектрального образа, определяемые обычно по некалиброванным многозональным снимкам. Хотя не­редко понятие «спектральный образ» трактуется более широко и объединяет то и другое.

На знании спектральной яркости объектов основаны различ­ные способы и приемы получения и обработки аэрокосмических снимков, в том числе и автоматическое распознавание объектов. Поэтому изучение спектральной отражательной способности раз­личных объектов и геосистем различных таксономических рангов представляет собой одну из задач аэрокосмических методов.

Более того, коэффициенты спектральной яркости варьируют в определенных пределах и для объектов одного вида. Так, на отра­жательную способность горных пород влияют запыленность, раз­личные поверхностные выцветы и корки, спектральное отраже­ние которых по сравнению с исходной породой может существенно отличаться. При повышении влажности почв их яркость уменьша­ется (при полном насыщении водой — в два раза), но характер кривой спектральной отражательной способности не меняется.

Спектральная яркость растений меняется с их возрастом: она выше у молодых растений и ниже у находящихся в стадии полной зрелости. Отражательная способность растительности зависит от фитопатологических изменений. При заболевании растения его листья начинают слабее поглощать красные и отражать инфра­красные лучи. Из всех объектов суши растительный покров имеет наиболее информативные спектральные характеристики, которые чутко реагируют на его изменчивость.

Спектрометрирование. Основной путь изучения спектральной отражательной способности — экспериментальный. Спектральные яркости или коэффициенты спектральной яркости и индикатри­сы отражения получают на основе абсолютных или относитель­ных измерений, выполняемых с помощью фотоэлектрических спектрометров.

Спектрометрические измерения, которые выполняют с точно­стью 5—10%, могут быть лабораторными, полевыми, самолет­ными и космическими.

Лабораторные спектрометрические измерения небольших по размеру образцов выполняют для выявления зависимости отра­жательной способности, например, почвы от содержания гумуса, механического состава, влажности и т.д.

Полевое спектрометрирование проводится в целях определе­ния спектральных коэффициентов яркости и индикатрис отраже­ния отдельных объектов и геосистем низших рангов (рис. 2.4). В по­левых условиях изучают суточную и сезонную динамику отража­тельной способности природных объектов, влияние погодных ус­ловий (дождь, ветер и т.д.) и условий наблюдения (положение Солнца, угол визирования).

Аэроспектрометрирование выполняется с самолета или верто­лета для изучения более крупных и менее однородных объектов — сельскохозяйственных полей (угодий), водоемов и т.д.

Принципиальная особенность космического спектрометриро­вания заключается в том, что спектрометр, установленный на космическом аппарате, регистрирует суммарное излучение зем­ной поверхности и атмосферы. Поэтому одной из задач космичес­кого спектрометрирования является изучение влияния атмосфе­ры на оптические характеристики земных объектов.

При практическом использовании результатов спектрометри­рования необходимо учитывать, что отражательная способность, например отдельного древесного листа (лабораторные измерения), отличается от отражательной способности дерева -

Рис. 4. Определение спектральной отражательной способности в поле.

700 X, нм

Рис5 Кривые спектральной яр­кости основных типов почв:

1 — серозем; 2 — дерново-подзолис­тая; 3 — темно-каштановая; 4 — тем­но-серая лесная; 5 — чернозем

Рис. 6. Кривые спектральной яркости деревьев разных пород:

1 — береза; 2 — дуб; 3 — сосна; 4 — ель

Спектральная отражательная способность природных объектов. Фундаментальные исследования по спектрометрированию выпол­нил Е. Л. Кринов¹ еще в 40-х годах прошлого века. Положив нача­ло работам по оптике ландшафтов, он разработал первую спект­рометрическую классификацию, которая со временем стала клас­сической. По спектральной яркости в видимом диапазоне, где получен наибольший объем экспериментальных данных, все мно­гообразие объектов земной поверхности отчетливо делится на не­сколько классов, каждый из которых отличается по характеру спек­тральной отражательной способности (рис. 2.5).

Горные породы и почвы характеризуются увеличением коэф­фициентов спектральной яркости по мере приближения к красной зоне спектра. Отражательная способность водных объектов сильно зависит от содержания в воде фитопланктона и ее загрязнения — наличия взвешенных частиц, нефтяной пленки и т. д.

Загрязнение снега и содержание в нем воды также приводят к изменениям отражательной способности. При насыщении снега водой отражение ближнего и среднего инфракрасного излучения резко падает.

Таким образом, спектральная отражательная способность за­висит от свойств объектов, их состояния, а также от сезона. Дистанционно опознавать объекты и оценивать их состояние возмож­но не только по величине коэффициента спектральной яркости, но и по спектральной индикатрисе отражения. Существует много объектов на земной поверхности, которые по разным направле­ниям отражают излучение разного спектрального состава. Напри­мер, в составе отраженного излучения поля цветущего подсолну­ха в восточном направлении всегда преобладают оранжево-крас­ные лучи, а в западном — зеленые. Поэтому коэффициенты спек­тральной яркости природного объекта, измеренные при визиро­вании под разными углами к земной поверхности, могут служить его количественными спектральными признаками.

Характеристика собственного излучения Земли. Известно, что Земля как планета в целом не только поглощает лучистую энергию, но и излучает ее. В соответствии с температу­рой Земли, которая в среднем составляет 17 °С, максимум энер­гии земного излучения приходится на инфракрасные лучи с дли­нами волн около 10—12 мкм. Земное тепловое излучение, про­стираясь в сторону более коротких инфракрасных волн, становит­ся слабее и при длине волны 3 мкм имеет интенсивность пример­но одинаковую с инфракрасным солнечным излучением. В сторо­ну длинных волн оно распространяется на радиодиапазон и его удается регистрировать даже на метровых радиоволнах. Уходящее излучение Земли, как и регистрируемое излучение техногенного происхождения, можно условно разделить на инфратепловое и радиотепловое.

Инфратепловое излучение. В соответствии с физическим зако­ном Стефана— Больцмана интенсивность теплового излучения Р

Таблица 2

Дата добавления: 2014-01-06