Особенности спектральных характеристик объектов

Различают три основных типа взаимодействия падающего электромагнитного излучения с объектами на поверхности Земли: отражение, поглощение и пропускание.

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. 1.1.

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. 1.1 – Зеркальное и диффузное отражение

 

Отражательные свойства земной поверхности можно охарактеризовать, измерив относительную долю энергии отраженного излучения, как функцию ρλ 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. 1.2 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. 1.2 – 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. 1.3).

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. 1.3 – 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 растительности, а в среднем инфракрасном диапазоне – влажность.

Почвы

Кривые спектральной отражательной способности большинства почв представлены на рис. 1.4.

Рис. 1.4 – Кривые спектральной отражательной способности некоторых почв

 

Наиболее заметным свойством излучения, отраженного от сухих почв, является, как правило, возрастание значений коэффициента отражения с увеличением длины волны, особенно в видимом и близком инфракрасном диапазонах. Взаимодействие излучения с почвой сводится к тому, что падающее излучение либо отражается, либо поглощается. Формы кривых спектральной отражательной способности почв схожи между собой, но амплитудные характеристики этих кривых могут заметно различаться в зависимости от свойств почвы. На спектральную отражательную способность почвенного покрова могут оказать заметное влияние такие факторы, как влажность, количество органических веществ, окиси железа, относительная доля песчаников и отложений, а также неровность поверхности.

Первая характеристика почвы, требующая изучения, – это ее гранулометрический состав, который определяется относительным содержанием песка, отложений и глины. Характерный диаметр частиц глины – 0,002 мм, отложений – от 0,002 до 0,005 мм, песка – от 0,05 до 2,0 мм. Глина содержит больше частиц, чем песок. При наличии влаги каждая

частица почвы покрыта тонким слоем воды, который занимает некоторое пространство между отдельными частицами. Типичные кривые спектральной отражательной способности песчаников при различных уровнях содержания влаги показаны на рис. 1.5.

Рис. 1.5 – Зависимость спектральной отражательной способности песчаников при различных уровнях содержания влаги

 

Отражательная способность сухих песчаников остается почти постоянной, в то время как кривые спектральной отражательной способности влажных песчаников имеют заметные провалы при длинах волн 1,4; 1,9 и 2,3 мкм. В видимой части спектра песчаников наблюдается заметное снижение отражательной способности влажных почв по сравнению с сухими. Спектральная яркость почв во многом зависит от размера частиц

почвы. С уменьшением размера частиц поверхность почвы становится более гладкой и доля отраженного излучения возрастает.

На отражательную способность почв большое влияние оказывает содержание органических веществ, которое характеризует количество азота в почве. Для большинства климатических зон относительное содержание органических веществ в почве колеблется от 0,5 до 5%. При содержании органических веществ более 5% почва обычно имеет темно-коричневый или черный цвет, а при меньшем содержании – светло-коричневый или светло-серый. При этом в видимом диапазоне спектра зависимость отражательной способности почвы от содержания органических веществ является нелинейной.

Спектральная отражательная способность почвы в значительной степени зависит от присутствия в ней оксида железа, который может вызвать существенное снижение отражательной способности, по крайней мере, в видимом диапазоне. Удаление из почвы этого элемента приводит к заметному увеличению отражательной способности в диапазоне от 0,5 до 1,1 мкм, но мало влияет на отражательную способность при длине волны более 1,1 мкм. Такой же эффект в тех же спектральных диапазонах наблюдается и при удалении из почвы органических веществ.

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.

Водные поверхности

По сравнению с растительными покровами и почвами, отражательная способность водных поверхностей относительно низка.

Если растительный покров может отражать до 50% падающего излучения, а почвы до 30—40%, то доля излучения, отраженного водной поверхностью, не превышает 10%. Вода отражает электромагнитное излучение в видимом и близком инфракрасном диапазонах. При длинах волн больше 1200 мкм все падающее излучение поглощается.

Наибольшей отражательной способностью обладает мутная водная поверхность, а пик отражения водоемов с большим количеством растительности приходится на зеленую часть спектра.

 

Контрольные вопросы

1. Что является причиной рассеивания, и от чего зависит величина рассеивания?

2. Суть рассеивания Релея.

3. Что является причиной рассеивания Ми?

4. При каких условиях возникает неселективное рассеивание?

5. Особенности спектральных характеристик объектов.

6.Спектральная отражательная способность зеленой растительности.

7. Спектральная отражательная способность почвы.

8. Спектральная отражательная способность водной поверхности.

Лекция 4