Длина волны – это расстояние между двумя последовательными

волновыми гребнями. Единицы измерения: метр, микрометр

(1 мкм = 10 6 м), нанометр (1 нм = 10 -9 м).

Круговая частота ν – количество циклов волновых колебаний в

фиксированной точке пространства за определенный интервал времени.

Частоту обычно измеряют в герцах (Гц). Один герц – это частота, равная

одному циклу колебаний в секунду.

Поскольку скорость света – величина постоянная, длина волны и

частота обратно пропорциональны друг другу:

ν = с/λ (1.1)

Рис. 1.12 – Волновая модель электромагнитного излучения

В корпускулярной теории излучение моделируется потоком

фотонов. Этот подход полезен при определении количества энергии,

измеряемой многозональным сенсором. При заданной длине волны

энергия фотона Q определяется как

Q=h ν = h с/λ, (1.2)

где h – постоянная Планка (6,6262 × 10 34 Дж•с).

Согласно (1.2), энергия фотона уменьшается с увеличением длины волны. Наибольшей энергией обладает гамма-излучение (длина волны около 10 -9 м), а наименьшей – радиоволны (длина волны более 1 м).

Характеристики электромагнитного спектра

Любое тело, температура которого выше абсолютного нуля (0 К),

является источником электромагнитного излучения, поскольку его

молекулы находятся в возбужденном состоянии, которое отличается от

состояния полного покоя. Тело, которое способно полностью поглощать

все падающее на него электромагнитное излучение, а затем заново его

испускать, называют абсолютно черным телом. У абсолютно черного тела

излучательная (е) и поглощательная (а) способности равны единице.

Количество излучаемой объектом энергии зависит от его абсолютной температуры и излучательной способности и является функцией длины волны. Излучательные свойства реальных тел по отношению к абсолютно черному телу характеризуют излучательной способностью. Поскольку абсолютно черных тел в природе не существует, излучательная способность природных объектов меньше единицы. Только часть полученной энергии (обычно около 80–98%) возвращается такими объектами в виде излучения, а остальная ее часть полностью ими поглощается. Все тела при температуре выше абсолютного нуля излучают электромагнитные волны, которые могут иметь разную длину волны.

Диапазон длин волн от гамма-излучения до радиоволн называют электромагнитным спектром (рис. 1.13).

Рис. 1.13 – Диапазоны электромагнитного спектра

В дистанционном зондировании используют несколько диапазонов электромагнитного спектра. Часть спектра, в которой применимы законы

оптики, называют оптическим диапазоном.

К оптическому диапазону относится рентгеновское излучение (0,002

мкм), видимый свет и инфракрасное излучение вплоть до дальней зоны

(1000 мкм). Наименьшие длины волн, которые используют при

дистанционном зондировании, относятся к ультрафиолетовой части

спектра, расположенной непосредственно за фиолетовой зоной видимого

диапазона. Некоторые породы земной поверхности, в частности основные

породы и минералы, испускают под действием ультрафиолетового

излучения видимый свет. Диапазон длин волн от 1 мм до 1 м называют

микроволновым или СВЧ-диапазоном.

Видимый (световой) диапазон занимает относительно небольшую

часть электромагнитного спектра. Это единственный диапазон, в котором

применимо понятие цвета. Основными цветами принято считать синий,

зеленый и красный (рис. 1.13).

Наибольшие длины волн, которые используют при дистанционном

зондировании, принадлежат тепловому инфракрасному и микроволновому

23

дапазонам. Тепловое инфракрасное излучение содержит информацию о

температуре поверхности, которая может быть связана, например, с

минеральным составом пород или с определенной растительностью.

Микроволновый диапазон используют для получения информации о

шероховатости и других свойствах поверхности, например о содержании

влаги.

1.2.2. Взаимодействие излучения с атмосферой

Типы взаимодействия излучения с атмосферой

Основным источником электромагнитного излучения является

Солнце. Прежде чем солнечное излучение достигнет Земли, оно должно

пройти через атмосферу. Выделяют три основных типа взаимодействия

излучения с атмосферой: поглощение, перенос и рассеивание (рис. 1.14).

Рис. 1.14 – Взаимодействие излучения с атмосферой

Излучение, прошедшее через атмосферу, отражается или

поглощается земной поверхностью.

Поглощение и перенос излучения в атмосфере

При распространении электромагнитного излучения через атмосферу

оно частично поглощается молекулами различных газов. Наибольшей

способностью к поглощению солнечного излучения обладают озон (0 3 ),

пары воды (Н 2 0) и углекислый газ (С0 2 ). На рис. 1.15 показана кривая

прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн от 0 до 20 мкм.

Примерно половина спектрального диапазона является бесполезной

с точки зрения дистанционного зондирования земной поверхности,

поскольку соответствующее излучение не может пройти через атмосферу.

Рис. 1.15 – Окна прозрачности атмосферы

Для дистанционного зондирования используют только те диапазоны

длин волн, которые лежат вне основных интервалов поглощения. Такие

диапазоны называются окнами прозрачности атмосферы. К ним относятся

окно прозрачности в видимом и инфракрасном диапазоне от 0,4 до 2,0

мкм. В этом диапазоне «работают» оптические сенсоры и человеческое

зрение, а также три окна прозрачности в тепловом инфракрасном

диапазоне: два узких окна вблизи 3 и 5 мкм и одно относительно широкое

в интервале приблизительно от 8 до 14 мкм.

Из-за молекул воды в атмосфере наиболее сильное поглощение

наблюдается при длинах волн в диапазоне от 33 мкм до 1 мм. Атмосфера

почти не пропускает излучения. Еще одним более или менее прозрачным

диапазоном является микроволновый диапазон, соответствующий длинам

волн больше 1 мм.

Рассеивание излучения

Причиной рассеивания является изменение  направления

распространения электромагнитных волн из-за их взаимодействия с

молекулами газов и присутствующих в атмосфере частиц. Величина

рассеивания зависит от длины волны электромагнитного излучения,

количества частиц и концентрации атмосферных газов, а также от пути

распространения через атмосферу. В диапазоне видимого света доля

рассеянного излучения при регистрации сенсором составляет от 100% при

сплошной облачности до 5% при абсолютно ясном небе.

Выделяют три типа рассеивания в атмосфере: рассеивание Релея,

рассеивание Ми и неселективное рассеивание.

Рассеивание Релея. Преобладает при взаимодействии

электромагнитного излучения с частицами, размер которых меньше длины

волны падающего света. Примеры таких объектов: частицы пыли,

молекулы азота (N 2 ) и кислорода (0 2 ). Величина рассеивания Релея обратно пропорциональна длине волны (чем меньше длина волны, тем сильнее рассеивание).

При дистанционном зондировании с помощью спутников

основным видом рассеивания является рассеивания Релея.

В отсутствие рассеивания небо было бы черным. В дневное время

солнечные лучи проходят через атмосферу по кратчайшему пути.

Благодаря рассеиванию Релея человек видит синее небо, поскольку синий

свет обладает наименьшей длиной волны, которую может наблюдать

человеческий глаз. На закате и восходе солнечные лучи проходят более

длинный путь через атмосферу. Коротковолновая часть излучения

успевает рассеяться, и поверхности Земли достигают только волны с

относительно большой длиной волны. В результате небо окрашивается в

оранжевый или красный цвет. Вызванное им искажение спектральных

характеристик отраженного света по сравнению с измерениями вблизи

земной поверхности приводит к тому, что интенсивность

коротковолнового излучения оказывается завышенной.

Рассеивания Релея является причиной снижения контрастности

снимков. Оно отрицательно влияет на возможность дешифрирования

цифровых снимков, полученных с помощью сканирующих систем

спутников, а также ограничивает возможности классификации объектов.

Рассеивание Ми. Возникает, если длина волны падающего

излучения сравнима с размерами частиц. Наиболее важной причиной

рассеивания Ми являются аэрозоли, представляющие собой смесь газов,

паров воды и частиц пыли. Как правило, рассеивание Ми возникает в

нижних слоях атмосферы, где крупные частицы встречаются чаще, и

доминирует в условиях сплошной облачности. Рассеивание проявляется в

нескольких спектральных диапазонах: от ближнего ультрафиолетового

диапазона до ближнего инфракрасного диапазона.

Неселективное рассеивание. Возникает при условии, что размер

частиц существенно больше длины волны излучения. К таким частицам

относятся капли воды и крупные частицы пыли. Неселективное

рассеивание не зависит от длины волны и наиболее отчетливо проявляется

при наличии облаков, содержащих водные капли.

Поскольку излучение с разной длиной волны рассеивается одинаково, облака выглядят белыми. В условиях сплошной облачности излучение в оптическом диапазоне не проникает через атмосферу.

1.2.3. Особенности спектральных характеристик объектов

Различают три основных типа взаимодействия падающего

электромагнитного излучения с объектами на поверхности Земли:

отражение, поглощение и пропускание (рис. 2.4).

Соотношение, связывающее между собой три компонента излучения

после его взаимодействия с поверхностью, можно получить из

Закона сохранения энергии.

Учитывая, что все компоненты являются функциями длины волны, запишем это соотношение в следующем виде:

E I (λ) = E R (λ) + Е А (λ) + Е Т (λ) (1.3)

где E I (λ) — энергия падающего излучения,

E R (λ) — энергия отраженного излучения,

Е А (λ) — поглощенная энергия,

Е Т (λ) — энергия излучения, прошедшего через вещество.

Свойства отраженного, поглощенного и пропущенного излучения различаются для разных объектов на поверхности Земли и зависят от вещества объекта и физических условий, в которых он находится. Эти различия и позволяют идентифицировать объекты на снимке. Даже у объектов одного типа соотношение между поглощенным, отраженным и пропущенным излучением зависит от длины волны. В результате, два объекта могут оказаться неразличимыми в одном спектральном диапазоне, но хорошо различимыми в другом. В видимой части спектра эти различия воспринимаются как изменения цвета. Объекты кажутся синими, когда отражают большую часть излучения в синей части спектра, и зелеными, когда максимум отражательной способности расположен в зеленом спектральном диапазоне. То же самое относится и к любому другому цвету. Амплитудные вариации спектра отраженного излучения используют для дешифрирования различных объектов на снимке.

Поскольку множество систем дистанционного зондирования работает в тех спектральных диапазонах, где доминирует отраженное излучение, отражательные свойства различных объектов играют очень важную роль при их идентификации. В этой связи равенство (2.3) полезно записать в виде соотношения (2.4), в котором энергия отраженного излучения полагается равной энергии падающего излучения за вычетом либо поглощенной энергии, либо энергии пропущенного излучения:

E R (λ) = E I (λ) – [Е А (λ) + Е Т (λ)] (1.4)

Важно учитывать геометрические характеристики отражения,

которые в основном зависят от неровности поверхности. На плоской

поверхности наблюдается зеркальное отражение, при котором угол

отражения равен углу падения. На неровной поверхности возникает

диффузное отражение, при котором падающее излучение отражается

равномерно во всех направлениях. В реальной ситуации отражение носит

смешанный характер. Различные виды отражения показаны на рис. 1.16.

Категория поверхности зависит от отношения размеров ее

неровностей к длине волны падающего излучения.

Например, песчаный пляж в видимом диапазоне является неровной

поверхностью, но в длинноволновой части электромагнитного спектра он

ведет себя как плоская поверхность.

Таким образом, если длина волны падающего излучения много

меньше вариаций высоты поверхности или размеров слагающих ее частиц,

то отражение будет диффузным.

В отличие от зеркального отражения, спектр излучения,

образованного при диффузном отражении, содержит информацию о цвете

поверхности. Поэтому измерение диффузных отражательных

характеристик различных территорий является важной составляющей

дистанционного зондирования.

Рис. 1.16 – Зеркальное и диффузное отражение

Отражательные свойства земной поверхности можно охарактеризовать,

измерив относительную долю энергии отраженного излучения, как функцию

ρ λ длины волны. Эта функция называется спектральной отражательной

способностью.Значение ρ λ определяется по формуле:

ρ λ = E R (λ) / E I (λ) . 100. (1.5)

где E R (λ) – энергия отраженного излучения с длиной волны λ.

E I (λ) – энергия падающего излучения с длиной волны λ.

График зависимости спектральной отражательной способности

объекта от длины волны называется кривой спектральной отражательной

способности. На рис. 1.17 показаны усредненные кривые спектральной

отражательной способности лиственных и хвойных деревьев.

Каждая из этих кривых представляет собой огибающую линию

некоторого набора значений, поскольку значения спектральной

отражательной способности у разных видов лиственных и хвойных

деревьев, так же как и у отдельных деревьев одного и того же вида,

никогда полностью не совпадают.

Таким образом, график зависимости спектральной отражательной

способности объекта от длины волны позволяет изучить спектральные

характеристики объекта и имеет большое значение при выборе

спектрального диапазона, в котором будет проводиться сбор данных

дистанционного зондирования для прикладной задачи.

Кривые спектрального излучения характеризует освещенность

объекта, а энергия отраженного излучения — его яркость. Каждый объект

обладает собственной кривой спектральной отражательной способности.

Она определяется как отношение энергий отраженного и падающего

излучения и является функцией длины волны. С помощью такой кривой

можно получить общую оценку спектральной отражательной способности

объекта в некотором относительно широком диапазоне (например, от 400

до 480 нм), повышая надежность измерений. Кривые спектральной

отражательной способности строят для оптической части

электромагнитного спектра (до 2,5 мкм).

Рис. 1.17 – Кривые спектральной отражательной способности

древесной растительности

Отражательную способность можно измерить с помощью

спектрометра в лабораторных или полевых условиях.

Растительный покров

Кривая спектральной отражательной способности зеленой

растительности имеет весьма характерный вид, ее поведение сильно

изменяется в зависимости от длины волны (рис. 1.18).

Некоторые виды деревьев вырабатывают в больших количествах

антоциан и из-за этого имеют красный цвет. При внимательном изучении

влияния различных пигментов на отражательную способность

растительного покрова оказывается, что в отличие от видимого диапазона,

в котором наблюдаются значительные различия, в близком и среднем

инфракрасном диапазонах этих различий почти не существует.

В ближней инфракрасной части спектра отражательная способность

увеличивается при переходе через пороговое значение 0,7 мкм. В этом

диапазоне зеленый растительный покров характеризуется высокой

отражательной способностью, высокой прозрачностью и низким

поглощением. Значения коэффициентов отражения и прозрачности

достигают величины порядка 45—50%, а доля поглощенного излучения

составляет всего около 5%. Важную роль играет также структура листвы.

Рис. 1.18 – Кривая спектральной отражательной способности

зеленого растительного покрова

Разница в отражательной способности одноярусной и многоярусной

древесной растительности может достигать 85%. Причина этого проста:

дополнительное излучение, прошедшее через первый ярус отражается от

второго, а затем, частично, еще раз проходит через первый ярус. Этот

эффект особенно заметен при сравнении отражательной способности в

центре исследуемого массива и на его краю, где нет многоярусности.

В среднем инфракрасном диапазоне отчетливо заметен эффект,

связанный с окнами поглощения воды, центры которых соответствуют

длинам волн 1,4; 1,9 и 2,7 мкм. Существует еще два окна поглощения воды

вблизи 0,9 и 1,1 мкм, но эти окна очень узкие и практически не влияют на

кривую спектральной отражательной способности.

Пики спектральной отражательной способности в среднем

инфракрасном диапазоне приходятся на 1,6 и 2,2 мкм. Чем меньше

влажность листвы, тем выше ее отражательная способность.

Отчетливые различия отражательной способности в видимом,

ближнем и среднем инфракрасных диапазонах. В видимой части спектра

на отражательную способность наибольшее влияние оказывет

пигментация листвы, в ближнем инфракрасном диапазоне – структура

30

растительности, а в среднем инфракрасном диапазоне – влажность.

Почвы

Кривые спектральной отражательной способности большинства почв

представлены на рис. 1.19.

Основные выводы о спектральных характеристиках почв:

− увеличение влажности почвы ведет к снижению отражательной

способности ее во всем спектральном диапазоне отраженного излучения.

− отражательная способность грунта увеличивается с уменьшением

размера слагающих его частиц.

− при уменьшении неровности поверхности увеличивается ее

отражательная способность.

− отражательная способность почвы уменьшается с увеличением

содержания в ней органических веществ.

− увеличение содержания оксида железа ведет к снижению

отражательной способности.