Взаимодействие электромагнитных волн с атмосферой и различными веществами на поверхности Земли

Физические основы дистанционного зондирования

Распространение энергии в пространстве в виде волн или прямолинейного потока световых частиц – фотонов – называют электромагнитным излучением. В соответствии с этим определением оно обладает двоякой природой. Оно может быть описано специфическими волновыми параметрами (скоростью распространения, длиной волны, частотой) или в понятиях корпускулярной теории как поток световых квантов или фотонов, когда речь идет о световом излучении. Двойственность природы электромагнитного излучения становится очевидной на примере солнечного света. Доказательством его волновой природы служит явление интерференции, например: общеизвестны радужные интерференционные картины на тонких пленках мыльного пузыря или разлитого по поверхности воды масла. Корпускулярная природа света проявляется в фотоэлектронной эмиссии, например, при попадании света на фотоэлемент в нем возникает электрический импульс, который по величине пропорционален числу попавших на него квантов света или фотонов.

Характер всех электромагнитных волн одинаков. Они распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга собственной частотой, длиной волны и энергией, занимая соответствующее положение в электромагнитном спектре.

Общий спектр встречающегося в природе электромагнитного излучения охватывает волны длиной от фемтометров (10^-15м) до километров (10³м). Он непрерывен и делится на несколько областей или групп (зон или диапазонов). Для дистанционного зондирования используются следующие спектры электромагнитных волн, представленные на рисунке 8.1.1.

Для дистанционного зондирования очень важны отражательные и поглощательные свойства разных материалов на земной поверхности и даже одного и того же материала, но в разных состояниях, например, способность почвы во влажном и сухом состоянии по-разному отражать и поглощать солнечную энергию.

Днем поверхность Земли поглощает энергию солнечных лучей, которая преобразуется веществом объекта в тепло.

Для дистанционного зондирования важно то, что разные объекты на Земле нагреваются по-разному и по-разному отдают свое тепло, то есть имеют разную эмиссию.

Атмосфера представляет собой смесь газов, в которой взвешены твердые и жидкие частицы вещества от тонкого аэрозоля до плотных облаков со всеми промежуточными стадиями.

При прохождении через атмосферу электромагнитные волны взаимодействуют с содержащимися в ней частицами пыли, дыма, кристаллами льда, каплями воды. При этом возникают процессы рассеяния и поглощения, которые уменьшают интенсивность солнечной радиации на поверхности Земли и меняют диапазон излучения.

Поглощение зависит от длины волны излучения l. Электромагнитные волны длиной менее 0.27 мкм полностью поглощаются озоном, они не проходят атмосферу и, следовательно, не могут быть использованы при дистанционном зондировании. Более длинноволновое излучение (в оптическом диапазоне 0.4 – 5.5мкм) проходит через атмосферу и при небольшом рассеивании и поглощении отражается от Земли и может быть зарегистрировано сенсорными системами (приемниками) на борту носителя (самолет, космический аппарат).

Атмосфера прозрачна для теплового излучения только в двух узких зонах: 3.5 – 5.0 мкм и 8.0 – 14.0 мкм. Все остальное тепловое излучение Земли поглощается озоном, водяным паром, углекислым газом и метаном. По мере увеличения длины волны воздействие атмосферы уменьшается и она становится практически прозрачной для микроволнового диапазона. Это единственно возможный диапазон действия радарных методов дистанционного зондирования.

Рассеяние электромагнитных волн, также как и поглощение, зависит от длины волны. Оно представляет собой ослабление направленного потока электромагнитного излучения вследствие отклонения направления его падения, но без поглощения электромагнитного излучения или перехода светового потока в другие виды энергии. Оно происходит вследствие разнонаправленного отражения проходящих лучей маленькими или большими частицами газа и аэрозолями (пыль, дым), а также каплями воды. Вид и интенсивность рассеяния зависит от соотношения длины волны электромагнитного излучения и размера отражающей частицы. Так, например, молекулами газов рассеивается коротковолновая часть электромагнитного излучения (рассеяние Рэлея), а аэрозолями, размеры частиц в которых соизмеримы с длиной волны, рассеивается длинноволновая часть оптического излучения (рассеяние М_u).

Интенсивность рассеяния, также как и интенсивность поглощения, возрастает с длиной пути луча в атмосфере. Этим определяется освещенность земной поверхности, которая зависит от положения Солнца и, в первую очередь, от высоты Солнца над горизонтом. В общем случае при проведении аэрокосмических съемок предпочтительнее большая высота – 60⁰ – 80⁰ над горизонтом. При ней лучше условия ландшафта, более четки различия в цвете и яркости отдельных элементов, меньше теневые контуры рельефа. В некоторых случаях тематических съемок, например, для картирования тектонических структур, когда рельеф подчеркивает морфологию, лучше условия низкого стояния Солнца. Поэтому выбор оптимальных условий аэрокосмических съемок зависит от конкретных топографических условий района, целей съемки, ее методов,

Рисунок 8.1.1 - Спектры электромагнитных волн, используемые при дистанционном зондировании

Важность процессов рассеяния и поглощения для дистанционного зондирования объясняется ещё и тем, что с одной стороны, ими определяются ширина и интенсивность спектра солнечного или искусственного электромагнитного излучения, а с другой стороны, ими же определяются спектральные диапазоны и интенсивность отраженного и эмиттерного (вторичного теплового) излучения, регистрируемых бортовой аппаратурой. Поэтому зависимость прохождения электромагнитных волн сквозь атмосферу от их диапазона должна учитываться при проведении аэрокосмической съемки. Таким образом, для получения качественных результатов дистанционного зондирования необходимо учитывать ряд факторов:

- состояние атмосферы;

- высоту Солнца и азимут на него во время полета;

- технические параметры аппаратуры.

Для правильного использования возможностей выбранного диапазона электромагнитных волн при дистанционном зондировании местности важно учитывать то, что вид и интенсивность взаимодействия между потоками солнечной радиации (или искусственного излучения) и средой, на которую они падают, зависит от длины волны и вещества среды. Спектр излучения, атомный и молекулярный состав вещества на поверхности Земли определяют диапазоны, в которых электромагнитные волны будут отражаться, рассеиваться или поглощаться веществом на поверхности Земли, а также способность тела излучать вторичное тепло.

Представляющие интерес для дистанционного зондирования материалы на поверхности Земли (горные породы, почвы, растительность, водные поверхности и т.п.) подчиняются вышерассмотренным закономерностям, и широта спектра их температурного излучения зависит от вещества. Большинство этих материалов имеют свой характерный спектр отраженного, поглощенного и вторичного теплового излучений. Исходящий от них поток энергии регистрируется на борту носителя приемниками и может быть обработан в числовом или аналоговом виде, например, в виде кодированного телевизионного или фотоизображения.

Поэтому в качестве характеристики объекта принимается энергетическая величина идущего от него сигнала, то есть плотность мощности энергетического потока. Она регистрируется специальными системами дистанционного зондирования, может быть измерена и систематизирована по классам природных объектов. Таким образом, спектральные характеристики объектов являются их опознавательными признаками при дистанционном зондировании. Особенно это важно при числовой обработке данных дистанционного зондирования и автоматизации процесса дешифрирования материалов аэрокосмических съемок.

Для дистанционного зондирования важна ширина интервала длин волн видимого и инфракрасного диапазонов, в котором горные породы, почвы и т.п. наиболее интенсивно отражают или поглощают поток энергии.

Наиболее важными свойствами поверхности горных пород и почв, определяющими их спектральные признаки, являются:

-вид неровностей поверхности;

-их размер и форма;

-скульптурность (текстура и структура);

-размер и степень связности частиц;

-минеральный состав частиц, образующих массу горной породы;

-цвет пород или почв.

Таким образом, поверхности горных пород, почв и растительного покрова имеют свою вещественно обусловленную специфику исходящего от них спектрального сигнала или импульса, что и используется при дистанционном зондировании.

Дата добавления: 2014-01-07