Физические основы получения снимков

От дистанционных методах информация об объекте исследо­вания переносится к регистрирующему прибору с помощью раз­личных излучений, обычно представляющих собой электромагнит­ные волны -ультрафиолетовые, световые, инфракрасные, радио­волны, которые имеют разную длину, но распространяются с оди­наковой скоростью - скоростью света и подчиняются общим физическим законам отражения, преломления, поляризации. Из природных источников электромагнитного излучения наиболее рас­пространены и изучены тепловые, хотя в последнее время стали обращать внимание на электромагнитное излучение, возникающее при землетрясениях, сходе снежных лавин, подвижках ледников. В основе теории теплового излучения тел лежат законы излучения абсолютно черного тела - идеального гипотетического излуча­теля и поглотителя, который поглощает все падающее на него из­лучение, ничего не отражая и не пропуская, и излучает максималь­ную энергию при данной температуре. Деполяризованное излуче­ние абсолютно черного тела полностью характеризуется одним параметром — его температурой.

Встречающиеся в природе объекты не являются идеальными излучателями. Их излучательная способность, которая не может быть 'больше, чем у абсолютно черного тела, характеризуется коэффициентом «черноты», всегда меньшим единицы (закон Кирх­гофа). При нечерном («сером») излучении форма кривой спект­рального распределения энергии подобна кривой абсолютно чер­ного тела (кривой Плавка), а интенсивность меньше. При селек­тивном излучении такого подобия не наблюдается.

Электромагнитный спектр. Известно, что классификация элект­ромагнитных волн по их длинам (или частотам) называется спект­ром электромагнитных волн.

оптическое

гамма рентген ультр.фиол. видим. инфракр. радио

1_____________1____________1____________1__________1_________1_

10^-10 10^-8 10 ^-6 10 ^-4 10² 10^0-2

Последовательность электромагнитных волн, классифицирован­ная по их длинам (или частотам), называется спектром электро­магнитных волн. Большинство современных аэрокосми­ческих методов основано на использовании оптических и ультра­коротких радиоволн с длиной от 0,3 мкм до 3 м.

Участок оптических волн (0,001- 1000 мкм) включает ультра­фиолетовый (0,001 - 0,4 мкм), видимый (0,4 - 0,8 мкм) и инфра­красный (0,8- 1000 мкм) диапазоны. Видимый диапазон, в кото­ром глаз способен выделять цветовые различия, делят на семь цветовых зон со следующими названиями цветов и границами, нм: фиолетовый (380 - 450), синий (450 -480), голубой (480 - 500), зеленый (500 -560), желтый (560 - 590), оранжевый (590 - 620) и красный (620 - 750). Диапазон инфракрасного (ИК) излу­чения разделяют на поддиапазоны, мкм: ближний (0,8-1,3), сред­ний (1,3 - 3) и дальний (3-1000). В ближнем и среднем поддиа­пазонах преобладает отраженное (солнечное) излучение, а в даль­нем, называемом тепловым, собственное излучение Земли. Вол­ны длиной 0,1 - 1 мм часто называют субмиллиметровыми.

Часть спектра, охватывающую ультракороткие радиоволны (1- 10000 мм), разбивают на диапазоны миллиметровых, сантимет­ровых, дециметровых и метровых радиоволн. Сантиметровые и дециметровые волны часто объединяют в диапазон радиоволн сверх­высоких частот (СВЧ), в котором выделяют участки, обозначае­мые латинскими буквами К, X, С, S, L, Р. Именно в этих участках работает различная радиоэлектронная аппаратура спутников, но каждая на строго фиксированных международными соглашения­ми длинах волн (или частот). Например, передачу видеоинформа­ции со спутников на наземные пункты приема наиболее часто производят по радиоканалам в так называемых Х - и Z-диапазонах на длинах волн соответственно 3 и 11 см, а L-диапазон (длина волны 22 см) отведен для глобальных систем спутникового по­зиционирования — отечественной ГЛОНАСС (Глобальная нави­гационная спутниковая система) и американской GPS (С1оbа1 Роsitioning System). Нередко миллиметровые, сантиметровые и дециметровые радиоволны собственного излучения Земли отно­сят к одному диапазону, называемому микроволновым. Надо учи­тывать, что приведенная классификация и названия отдельных участков электромагнитного спектра носят условный характер и неодинаковы у различных авторов.

Солнечное излучение. Солнце посылает на Землю очень широ­кий сплошной спектр электромагнитных волн, но земная атмо­сфера пропускает только некоторые из них в спектральном интер­вале от 0,3 мкм до 20 м. Интенсивность разных спектральных лучей неодинакова. Основную энергию несут солнечные лучи с длинами волн 0,3—3 мим. Интенсивность излучения в видимом диапазоне почти неизменна во времени, а в ультрафиолетовом и радиодиапазонах колеблется в зависимости от солнечной актив­ности. В солнечной освещенности поверхности Земли выделяют три составляющие: освещенность прямой радиацией, рассеянной ра­диацией небосвода и отраженной земными объектами. Суммарная освещенность в летнее время в основном определяется двумя пер­выми факторами. В зимнее время, особенно при малой высоте Солнца и облачности, заметно влияние рефлексной радиации, отра­женной от снежного покрова. Прямая освещенность изменяется с прозрачностью атмосферы и высотой Солнца. Прямую солнечную освещенность земной по­верхности в средних широтах обычно принимают равной 100 тыс. люкс. Рассеянная освещенность определяется яркостью небосвода. Рассеянное излучение освещает все объекты, в том числе находящиеся в тени. Утром и вечером в освещении основ­ную роль играет рассеянное излучение, а в полдень — прямое; при высоте Солнца в 25° прямая и рассеянная освещенность примерно одинаковы. Спектральный состав рассеянной и прямой радиации неодина­ков. В рассеянной радиации преобладает коротковолновое излуче­ние, и в синей зоне спектра рассеянная освещенность в несколько раз больше, чем прямая. При ясном небе спектральный состав суммарной освещенности стабилен в течение дня (до высоты Солнца в 10—15°).

Оптические характеристики объектов. Излучение Солнца, попадая на какой-либо объект, определенным образом взаимодейст­вует с ним: одна его доля отражается, другая - поглощается, третья - рассеивается внутри объекта, четвертая - пропускается. Доли потоков излучения, определяя баланс потоков, оценивается коэффициентами отражения, поглощения, рассеяния и пропуска­ния, которые, по закону сохранения энергии, в сумме всегда со­ставляют единицу. Для изучения объектов суши дистанционными методами наибольший интерес представляет отраженная радиа­ция, определяющая их оптические свойства, благодаря различиям которых мы отличаем объекты друг от друга и судим о их свойствах и состоянии. Знание оптических свойств объектов необходимо как для разработки технологии получения снимков, так и для эффективного извлечения из снимков необходимой информации.

Оптические свойства объектов непостоянны во времени - они меняются в течение года, сезона и суток. На них оказывает влия­ние целый ряд природных факторов и явлений. Например, опти­ческие характеристики горных пород после пыльной бури и после дождя существенно отличаются друг от друга. Характер отраже­ния света росистым лугом совершенно иной, чем сухим.

Из оптических характеристик объектов земной поверхности мы остановимся на важнейших: коэффициенте интегральной яркости, яркостном контрасте, индикатрисе отражения и особенно на коэф­фициенте спектральной яркости.

Коэффициент интегральной яркости. Важнейшей характеристи­кой оптических свойств объекта является его яркость, которая определяется лучистым потоком, отраженным в определенном на­правлении, обычно в направлении, перпендикулярном отражаю­щей поверхности. Если объект отражает (или излучает) лучистую энергию диффузно, то его яркость не зависит от направления на­блюдения (закон Ламберта). Коэффициенты яркости являют­ся наиболее распространенной характеристикой оптических свойств объектов и на практике употребляются значительно чаще, чем аб­солютные величины яркостей.

Ахроматическая абсолютно белая идеально матовая поверх­ность, принимаемая в качестве эталона, равномерно отражая свет, одинаково ярка в различных направлениях, ее коэффициент Яр­кости равен единице. В отличие от плоской поверхности эталона поверхность 'большинства объектов ландшафта всегда изрыта, расчленена. Такие поверхности из-за наличия собственных теней имеют меньшую яркость, чем плоские. Степень затененности ландшафта определяется площадью теней, которая растет с чис­лом, высотой и шириной неровностей и с уменьшением высоты Солнца.

В таблице 1.1 приведены ориентировочные значения некоторых коэффициентов интегральной яркости r, которые свидетельствуют об их значительном колебании. В пределах одного ландшафта и даже фации наблюдается существенное варьирование коэффи­циентов яркости. Например, коэффициент яркости лесостепных районов колеблется в пределах 0,11—0,25, а степных еще больше (0,10 — 0,34). Отмечено также, что по мере продвижения с севера на юг, из зоны тундры в зону пустыни, их коэффициент яркости возрастает в среднем от 0,05 до 0,25. Среднее значение коэффи­циента интегральной яркости для территории нашей страны в це­лом принимают равным 0,15 (летом) и 0,50 (зимой).

Таблица 1

Дата добавления: 2014-01-06