Физическая сущность аэрофото и космических исследований

Чтобы уметь хорошо работать с аэрофото и космической информацией, необходимо иметь представление о физических свойствах излучения земной поверхности и других небесных тел, регистрирующей аппаратуре и способах съемки.

При аэрокосмическом зондировании информации об излучаемом объекте исследования извлекается из результатов регистрации излучения. Данное излучение представляет собой электромагнитные волны различной длины (гамма-волны, ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные, радиоволны), но которые распространяются прямолинейно с одинаковой скоростью — скоростью света.

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

Каждый из диапазонов разбивают на более мелкие участки спектра. Каждый из диапазонов в свою очередь делится на ряд поддиапазонов также по принципу длин волн. Видимый диапазон делят на семь цветовых зон (именно столько цветов человеческий глаз способен воспринимать в оптическом диапазоне), УК спектр на ближний, средний и дальний. Ультракороткие радиоволны разбивают на миллиметровый, сантиметровый, дециметровый и метровый поддиапазоны. Каждый из поддиапазонов предназначен для определенных видов съемок, имея индивидуальные отличительные особенности. Необходимо сказать и о том, что классификация электромагнитных волн весьма условна и у различных авторов может отличаться. аэрокосмический гидрологический излучение.

Солнечное излучение и его отражение объектами земной поверхности. Основным естественным источником освещения земной поверхности является Солнце, которое излучает электромагнитные волны широкого спектра — от УФ до радиоволн. Основная энергия солнечного излучения приходится на диапазон от 0,3 до 3 мкм, а максимум на 0,5 мкм. Для количественных характеристик взаимодействия излучения с объектами используют как абсолютные, так и относительные величины. Для абсолютных измерений оперируют световой, фотометрической, энергетической и радиометрической системами. При относительных измерениях используют коэффициентами отражения, поглощения, рассеивания и пропускания, значения которых в сумме всегда составляют единицу (закон сохранения вещества и энергии). Отраженное излучение земли представляет наибольший интерес, т.к. оно определяет оптические характеристики объектов земной поверхности.

Наиболее важными для дистанционного изучения являются следующие оптические характеристики объектов:

• · коэффициент интегральной (ахроматической) яркости r* характеризует относительную величину отраженного потока излучения в заданном направлении по сравнению с освещающим потоком; иными словами это отношение яркости объекта В* к яркости абсолютно белой матовой поверхности (эталона) В*о. Другое название коэффициента интегральной яркостиальбедо. r*=В*/В*о. Для различных поверхностей r* существенно отличаются. Но и для одного и того же объекта коэффициент r* не постоянен, а является средним из r* бесконечно малых участков данного объекта. Коэффициент r* зависит от рельефа местности, подстилающей поверхности и условий освещения.
• · яркостный контраст служит для характеристики яркостных различий двух объектов с яркостью В 1 и В 2 (где В 1>В 2). Яркостный контраст имеет несколько формульных выражений:

К 0=В 2/В 1- относительный яркостный контраст Кв= (В 2-В 1)/В 2=1-(1/К 0) — визуальный яркостный контраст Интервал яркостей между наиболее светлыми Bmax и наиболее темными Bmin определяет интервал яркостей местности U= Вmax/Вmin.

• · индикатриса отражения — это графическое представление (полярная диаграмма) совокупности коэффициентов яркости объекта по различным направлениям. Различают 4 основных вида индикатрис отражения. Свойством зеркального отражения обладают спокойная водная поверхность, ледяной покров, накатанные грунтовые дороги. Ортотропная индикатриса — это когда излучение от поверхности отражается во все стороны с одинаковой интенсивностью (примером может служить ровная песчаная поверхность). С увеличением расчлененности рельефа, индикатриса меняет свою форму на обратную зеркальной, т. е. максимум отраженных пучков направлены к источнику излучения (вспаханные почвы, опушка леса и др.). Но в реальности для многих природных объектов свойственна смешанная индикатриса отражения, обладающая свойствами «элементарных индикатрис» .
• · коэффициент спектральной яркости представляет собой яркость объекта в определенной спектральной зоне (rламбда). Значения коэффициентов спектральной яркости для различных длин волн представляют в форме графика — кривой спектральной яркости. На знании спектральной яркости объектов основаны различные способы и приемы получения и обработки аэрокосмических снимков, в том числе и автоматическое распознавание объектов.

Любой природный объект обладает свойством отражать падающее на него излучение. Но для каждого диапазона отражательная способность будет иметь свое значение, поэтому спектральная отражательная способность объекта характеризует его для всего электромагнитного спектра. Таким образом, для каждой группы природных объектов характеререн свой график спектральной отражательной способности. По последнему определяются диапазоны, в которых целесообразно проводить съемку того или иного объекта.

Собственное излучение Земли. Наряду с тем, что земная поверхность отражает падающее на нее излучение, она сама также способна излучать энергию в определенных диапазонах спектра. Все тепловое излучение Земли можно условно разделить на инфратепловое и радиотепловое излучение Инфратепловое излучение выражается в способности тел излучать тепловую энергию в зависимости от их абсолютной температуры. В формульном выражении это выглядит следующим образом Р=Е*сигма*Т 4, где Ринтенсивность теплового излучения, Екоэффициент излучения конкретного объекта, сигмапостоянная Стефана-Больцмана, Табсолютная температура тела. На основе данного свойства основана тепловая съемка земной поверхности.

Радиотепловое излучение, как и инфратепловое, формируется поверхностным излучательным слоем (скин-слоем). Интенсивность радиотеплового излучения характеризуется радиояркостной температурой Тя — произведение абсолютной температуры и коэффициента излучения. Радиояркостная температура зависит в основном от излучательной способности объектов, а не от температуры.

Влияние атмосферы на регистрируемое излучение. Земная атмосфера для аэрокосмических методов играет двоякую роль: с одной стороны представляет предмет отдельных исследований, а с другой — является источником помех и искажений при изучении земной поверхности.

Облачность, покрывая в каждый момент времени более половины площади земной поверхности, является очень мощным препятствием для космического в оптическом диапазоне. Только лишь радиоволны с длиной волны более 2 сантиметров беспрепятственно проходят через облака. Поэтому данный вид съемок необходимо проводить с учетом метеорологических условий изучаемой территории. Но даже безоблачная атмосфера является источником помех, т.к. электромагнитное излучение испытывает рефракцию и ослабление.

Атмосферная рефракция (искривление лучей) происходит в связи с изменением коэффициента преломления в разных слоях атмосферы и составляет несколько угловых секунд. Ее стоит принимать во внимание при точных фотограмметрических измерениях снимков.

При прохождении через различные слои атмосферы излучение ослабевает за счет частичного поглощения и рассеяния. Поглощение электромагнитного излучения атмосферными компонентами (водяной пар, озон, метан, углекислый газ и др.) приводит к нагреванию определенных слоев атмосферы, в которых концентрация перечисленных газов максимальна.

Атмосферное рассеяние различают двух видов: молекулярное (Релея) и аэрозольное. Рассеяние молекулами газов (релейное) быстро возрастает при уменьшении длины волны. С этим связан голубой фон небосвода. Аэрозольное же рассеяние (рассеяние Ми) неизбирательное и его воздействию подвержен весь спектр электромагнитных волн. Вследствие этого происходит свечение слоев атмосферы (воздушная дымка).

В результате селективной пропускной способности атмосферы, выделяются, так называемые, окна прозрачности, где коэффициент прозрачности атмосферы достаточно велик для ведения съемки. Таким образом, зондирование земной поверхности возможно далеко не во всех зонах электромагнитного спектра, а лишь в отдельных его ламбда-отрезках.

Находящийся на некотором расстоянии от земной поверхности фиксирующий прибор, регистрирует суммарное излучение. Оно складывается из излучения исследуемого объекта, преобразованного нижележащим слоем атмосферы, и излучения этого слоя. Таким образом, чем меньше будет слой атмосферы, через который проходит электромагнитное излучение, тем меньше искажений. Поэтому наблюдения целесообразно проводить так, чтобы изображение исследуемого объекта было перспективным. Иными словами лучи должны проходить возможное наименьшее расстояние от изучаемого объекта, до регистрирующего прибора.

Регистрация излучения. Научно-технический прогресс никогда не стоял на месте и касался практически всех сторон хозяйственной деятельности человека. Так, благодаря НТП, взамен простому наблюдению за земными объектами представилась возможность регистрировать электромагнитное излучение для дальнейшего хранения и использования.

Сначала регистрация излучения происходила с помощью черно-белых фотографических материалов (фотопленок). С открытием цветной фотографии стала возможной цветная фотосъемка объектов земной поверхности. От качества фотографических материалов зависит качество отображения изучаемого объекта на снимках.

Наряду с фотографической регистрацией, в настоящее время широко применяется электрическая регистрация электромагнитного излучения, что во многом облегчает процесс получения конечных продуктов съемки. Электрическая регистрация основана на способности отдельных веществ (полупроводников) изменять свое сопротивление под действием электромагнитного излучения.

Также широко распространена термоэлектрическая регистрация излучения, основанная на нагревании чувствительного элемента от электромагнитных волн. На данном виде регистрации основана тепловая (ИК) съемка земной поверхности.

С помощью антенны, которая одновременно является источником и приемником электромагнитного излучения, можно получать информацию об изучаемом объекте без помощи излучения Солнца и теплового излучения Земли. Технические решения делают антенны узконаправленными и высокочувствительными.

Съемочная аппаратура и ее носители. Применяемые в настоящее время виды съемочной аппаратуры (аэрофотоаппараты, космические фотоаппараты, сканеры, радиолокаторы) позволяют решать очень широкий спектр задач по изучению земной поверхности.

Аэрофотоаппараты по определению применяются на летательных аппаратах с достаточно низкой высотой полета, для обеспечения необходимого качества снимков. В качестве носителей могут выступать такие самолеты, как Ту-134, Ил-18, АН-2, а также АН-30. Кроме перечисленных моделей самолетов возможно применение и других аппаратов, удовлетворяющих техническим требованиям аэрофотосъемки.

Космические фотоаппараты являются модификациями аэрофотоаппаратов и применяются для фотографирования из космического пространства. Носителями данной аппаратуры служат искусственные спутники Земли (ИСЗ), пилотируемые космические корабли и орбитальные станции.

Панорамные фотоаппараты и сканерные устройства (сканеры) имеют общие черты. И те, и другие, как правило, устанавливаются на космические носители для широкого охвата территории. Панорамные фотоаппараты и сканеры имеют определенную полосу для фотографирования. Но при панорамной съемке происходит последовательная регистрация продольных полос, а сканерная съемка основана на последовательной регистрации отдельных фрагментов изучаемой поверхности.

Радиолокаторы бокового обзора применяются, прежде всего, на воздушных летательных аппаратах. Их действие основано на эхолокации параллельных полету полос местности, находящихся по обе стороны от самолета. Наряду с самолетами, в качестве носителей могут применяться и космические носители, что приводит к увеличению ширины локационных полос.

Виды съемок. В зависимости от применяемой аппаратуры и ее носителей, а также основных принципов съемки, принято различать несколько видов съемки. Фотосъемка применяется для регистрации электромагнитного излучения в видимом и ближнем ИК диапазонах с различных высот. Следует отметить, что фотосъемка на данный момент времени является самым информативным видом съемки из космического пространства.

Сканерная съемка, в отличие от фотосъемки, может проводиться во всех спектральных зонах, но особенно эффективна она также в видимом и ИК диапазонах. Наряду с широким охватом территории, сканерная съемка обеспечивает высокую четкость и контрастность конечного изображения.

Радиолокационная (РЛ) или радарная съемка применяется в тех случаях, когда непосредственное наблюдение за поверхностью изучаемого объекта затруднено или вовсе невозможно. Сущность съемки заключается в посылке радиосигнала, отражающегося по нормали от изучаемого объекта и фиксируемого на приемнике, установленном на борту носителя. По структуре радиолокационного снимка проводится его дешифрирование.

Инфракрасная (ИК), или тепловая съемка основана на выявлении тепловых аномалий путем фиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным теплом или солнечным излучением. На основе ИК съемки выделяют температурные аномалии на поверхности Земли.

Спектрометрическая съемка ставит своей целью измерение отражательной способности горных пород. А, зная коэффициент спектральной яркости горных пород, становится возможным их автоматическое распознавание на снимках. Это дает возможность решать не только геологические проблемы, но и прикладные геоэкологические задачи.

Лидарная съемка является активной и основана на непрерывном получении отклика от отражающей поверхности, подсвечиваемой лазерным монохромным излучением с определенной длиной волны. В местах заметных концентраций изучаемого вещества отклик излучения будет повышенным. В целом, лидарная съемка-это геохимическая съемка приповерхностных слоев атмосферы. Кроме перечисленных видов съемки существуют и другие, применяемые при узкотематических исследованиях.

Дешифрирование снимков. После получения снимков с ними начинается работа по дешифрированию, т. е. по извлечению из них необходимой информации. В настоящее время дешифрирование снимков производится с помощью компьютерных программ-дешифровщиков при ограниченном участии человека. Иными словами, по ряду дешифровочных признаков, которые хранятся в базах данных, компьютерная программа производит очень быстрое дешифрирование, а непонятные ей фрагменты «разбирает» специалист-дешифровщик.