Кронберг П.
Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии

Взаимодействие электромагнитных волн с атмосферой

2.2. Взаимодействие электромагнитных волн с атмосферой

Атмосфера представляет собой смесь газов, в которой взвешены твердые и жидкие частицы вещества – от тонкого аэрозоля до плотных облаков со всеми возможными промежуточными стадиями [31].
При прохождении через атмосферу электромагнитные волны взаимодействуют с содержащимися в ней частицами пыли, дыма, кристалликами льда, каплями воды и т. п. При этом процессы рассеяния и поглощения энергии уменьшают интенсивность солнечной радиации на поверхности Земли и меняют диапазон излучения. Это становится очевидным, если сравнить спектры излучения, измеренные вне атмосферы и у поверхности Земли (рис. 2). Наряду с общим уменьшением интенсивности излучения нижняя кривая на рисунке имеет ряд минимумов – широких и узких полос поглощения. Это полосы поглощения солнечной энергии атмосферным озоном, водяным паром, углекислым газом и кислородом. Поглощение зависит от длины волны излучения. Электромагнитные волны длиной менее 0,27 мкм полностью поглощаются озоном. Они не проходят сквозь атмосферу и не могут быть использованы для дистанционного зондирования поверхности Земли. Более длинноволновое излучение (в оптическом диапазоне 0,4-5,5 мкм) проходит через атмосферу, и если рассеяние и поглощение энергии в ней не очень велики, то излучение отражается от поверхности Земли и может быть зарегистрировано сенсорными системами (приемниками), на борту носителя – самолета или спутника. Атмосфера прозрачна для теплового излучения только в двух узких зонах (рис. 1). Поэтому для дистанционного зондирования используют только два интервала длин волн: 3,5-5,0 и 8-14 мкм, – так как только в них может быть зарегистрирован сканером поток эмиттерной энергии. Все остальное тепловое излучение Земли поглощается водяным паром, озоном, углекислым газом и метаном. Волны других длин инфракрасного диапазона не достигают аппаратуры, установленной на борту самолета или спутника и не могут быть зарегистрированы. По мере увеличения длины волны излучения воздействие атмосферы уменьшается, и она становится практически прозрачной для волн микроволнового диапазона (рис. 1). Это единственно возможный диапазон действия радарных методов зондирования, работающих с волнами сантиметровой и дециметровой длины.
Рассеяние электромагнитных волн в атмосфере, так же как и их поглощение, зависит от длины волны. Рассеяние светового потока происходит вследствие разнонаправленного отражения проходящих лучей маленькими или большими частицами: молекулами газа и центрами концентрации аэрозолей (пылью, твердыми частицами дыма), а также каплями воды. Вид и интенсивность рассеяния зависят от соотношения между длиной волны излучения и размером отражающей частицы. Так, молекулами газов рассеивается коротковолновая часть излучения (рассеяние Рэлея), а аэрозолями, размеры частиц в которых соизмеримы с длиной волны, рассеивается длинноволновая часть оптического излучения (рассеяние Ми).
Атмосферное рассеяние света уменьшает прямую солнечную радиацию и повышает рассеянное, диффузное, излучение атмосферы. В принципе рассеяние в коротковолновой части спектра сильнее, чем в длинноволновой. Особенно сильно оно в голубой и ультрафиолетовой частях спектра, поэтому небо имеет голубой цвет. Рассеяние света в этой части спектра иногда называют небесным свечением или голубой дымкой. Освещенность поверхности Земли определяется совокупностью прямой солнечной радиации и диффузного излучения атмосферы. Рассеянное свечение атмосферы играет очень большую роль в освещении затененных участков на поверхности Земли, которые на цветных пленках и в природе приобретают голубой цвет – так называемая дымка, или вуаль. Практически во всех частях земного шара наблюдается этот эффект молекулярного рассеяния света, так же как в промышленных районах – серая дымка аэрозольного рассеяния.
Интенсивность рассеяния солнечного излучения так же, как интенсивность его поглощения, возрастает с длиной пути луча в атмосфере. Этим определяется освещенность поверхности Земли, которая зависит от положения Солнца по отношению к плоскости экватора и в первую очередь от высоты Солнца над горизонтом. Положение, или стояние, Солнца определяет спектр и интенсивность потока солнечной радиации, который отражается и поглощается элементами ландшафта. В общем при проведении аэрокосмических съемок предпочтительнее большая высота Солнца – около 60-80° над горизонтом; при ней создаются лучшие условия освещенности ландшафта, различия в цвете и яркости отдельных его элементов становятся более четкими, а теневые контуры рельефа уменьшаются до минимума. В некоторых случаях, наоборот, низкое стояние над горизонтом создает лучшие условия для проведения специальных, тематических, съемок. Так, например, при съемках равнинных территорий для картирования тектонических структур, когда рельеф подчеркивает морфологию структуры и является важным критерием, предпочтительнее малые высоты стояния Солнца. Поэтому выбор оптимальных условий аэрокосмических съемок в значительной мере зависит от конкретных топографических условий района, целей съемки, ее методов, решаемых задач и самих объектов исследования.
Интенсивность рассеяния солнечного света в ближнем инфракрасном диапазоне незначительна. При нормальной, ясной, атмосфере рассеяние не играет никакой роли. Слабая задымленность приповерхностного слоя атмосферы, также мало влияет на излучение ближнего ИК-диапазона, если размеры твердых частиц дыма в целом не более 1 мкм. Туман и облака, наоборот, очень сильно рассеивают ИК-излучение в этом интервале длин волн (0,75-1,1 мкм), так как размеры водяных капель имеют размер около 4 мкм.
Наряду с вышеописанными процессами селективного рассеяния в атмосфере электромагнитных волн определенной длины (или частоты) происходит другое, более полное рассеяние света в дыму, тумане и облаках, если размер частиц на его пути примерно на порядок превышает длину световой волны. Частицы таких размеров одинаково рассеивают электромагнитные волны любой длины, почему и кажутся облака белыми, хотя капли воды в них окраски не имеют.
Для дистанционного зондирования вышеописанные процессы очень важны. С одной стороны, ими определяется ширина и интенсивность спектра солнечного или искусственного электромагнитного излучения, достигающего поверхности Земли. С другой стороны, ими же определяются спектральные диапазоны и интенсивность потоков отраженного и эмиттерного (вторичного теплового) излучений, регистрируемых бортовой аппаратурой носителя. Поэтому зависимость прохождения электромагнитных волн сквозь атмосферу от их частотного диапазона должна учитываться как при проведении аэрокосмических съемок, так и при обработке их результатов.
Молекулярное или аэрозольное, а чаще комбинированное, т.е. и то и другое, рассеяние солнечного света в атмосфере приводит к диффузному, рассеянному, излучению в ней, имеющему также разные частотные характеристики и вызывающему ее свечение. Это свечение атмосферы, или, как принято называть, дымка, или вуаль, при аэрокосмических съемках регистрируется вместе с «полезным» излучением (восходящим от поверхности Земли потоком энергии, несущим полезную информацию), и создает помехи в приеме полезных сигналов бортовой аппаратурой. Это приводит к искажениям сигналов от исследуемых объектов, уменьшению контрастности и яркости изображения ландшафта, ухудшению пространственного разрешения. Другими словами, помехи снижают технические возможности съемочной аппаратуры. Чтобы избавиться от помех, диффузное свечение атмосферы отфильтровывают, например, с помощью светофильтров или заранее выбирают такие спектральные диапазоны для съемки, в которых эти помехи будут минимальны. Так, при аэрокосмических фотосъемках засветку атмосферной дымкой, происходящую из-за сильного рассеяния волн в ультрафиолетовой и голубой частях спектра, уменьшают поставленным перед объективом фотокамеры желтым или оранжевым светофильтром. Они поглощают ультрафиолетовые и голубые лучи, пропуская световые волны с длиной более 0,5 мкм – соответственно 0,5-0,9 и 0,53-0,9 мкм. При съемке на цветную пленку с этой же целью ставят дымчатый светофильтр, который еще больше поглощает голубые лучи.
Влияние атмосферного рассеяния света на качество получаемых при дистанционном зондировании изображений становится более понятным, если сравнить принятые со спутника «Лэндсат» изображения одного ландшафта в четырех спектральных диапазонах (см. рис. 81). Если эти снимки положить рядом, то сразу бросаются в глаза их различия в контрастности, четкости и детальности отображения сюжета в разных спектральных каналах. Особенно велика эта разница в качестве и информативности изображений для снимков, сделанных в канале 4 и канале 7 многозонального сканера спутника «Лэндсат». Изображения канала 4, т. е. сделанные в зеленой зоне спектра от 0,5 до 0,6 мкм, намного хуже по контрастности фотообразов, четкости и детальности проработки, иначе говоря, по «резкости изображения», чем снимки в канале 7. Отснятый в канале 4 сюжет оказывается сильно завуалированным. Очевидно, что рассеяние света в этой спектральной зоне так велико, что интенсивность атмосферного рассеяния и потока излучения, отраженного от поверхности Земли, близки по величине. Другими словами, в этом спектральном диапазоне полезный сигнал почти полностью гасится импульсом диффузного излучения. В канале 7 сканер регистрирует длинноволновую часть светового излучения, включая и ближний ИК-диапазон (0,8-1,1 мкм), которая почти не рассеивается в атмосфере. Поэтому на снимке этого спектрального канала так ясно передается сюжет, выше четкость и контрастность образов, т. е. выше информативность снимка. В принципе информативность снимков в канале 7 выше, чем в других каналах – 4, 5, 6.
Влияние атмосферных помех велико для волн с длиной менее 0,8 мкм и меньше в ближнем ИК-диапазоне. Действительно, изображения канала 7 должны получаться самыми четкими, так как в нормальной атмосфере волны этой длины почти не рассеиваются и отраженный от объектов на поверхности Земли поток излучения в ближнем ИК-диапазоне почти без искажений достигает бортовых сенсоров. Это же излучение практически без искажений проходит через атмосферу слабо задымленных районов, в то время как остальная, коротковолновая, часть светового потока рассеивается твердыми частицами дыма. Следовательно, для того чтобы получить высококачественные снимки таких районов, аэросъемку над ними надо проводить с инфракрасной черно-белой пленкой и темно-красным светофильтром. Зональные черно-белые ИК-пленки специально сенсибилизированы для диапазона волн 0,75-0,9 мкм, а темно-красный фильтр не пропускает свет с длиной волны менее 0,7 мкм. Поэтому на пленках такого типа регистрируется только полезный сигнал-индикатор объекта, т. е. отраженное от объекта излучение в диапазоне 0,7-0,9 мкм. Только спектральной избирательностью съемочной техники и объясняется то, что качество изображений в ближнем ИК-диапазоне всегда выше (лучше по детальности и контрастности), чем аналогичные кадры, снятые в тех же условиях, но на черно-белую панхроматическую пленку через желтый светофильтр.
Во многих районах Земли, скрытых под постоянным или временным сплошным или разреженным облачным покровом, дистанционное зондирование Земли представляет большую проблему. Облака непрозрачны - капли воды поглощают и рассеивают все электромагнитные волны менее 3 мкм. В таких районах могут быть применены только активные методы дистанционного зондирования, основанные на микроволновом излучении. Речь идет о радарных системах бокового обзора (РБО). Одна или две антенны радара посылают монохроматические волны длиной 0,86-100 см поперек направления полета самолета соответственно в одну или две стороны от направления полета. На распространение волн с длиной более 2 см не влияют ни облака, ни туман, ни дождь. Отраженный от поверхности Земли сигнал возвращается и принимается антенной радара. С помощью ЭВМ эти сигналы могут быть преобразованы в радиолокационное изображение местности, несколько отличающееся от обычных аэрофотоснимков, но с большой степенью точности передающих рельеф местности, так как длинноволновые импульсы радарных систем практически без искажений проходят через атмосферу.
Все рассмотренные выше примеры способов получения данных в важнейших для дистанционного зондирования диапазонах длин волн показывают, как влияют на получение спектральной характеристики объектов ландшафта процессы рассеяния и поглощения лучей в атмосфере в зависимости от длины волны. Поэтому при планировании аэрокосмических съемок необходимо учитывать не только долю отраженного, поглощенного и эмиттерного потоков энергии, восходящих от поверхности Земли, но и процессы взаимодействия электромагнитных волн с атмосферой.
Таким образом, для получения качественных результатов дистанционных съемок необходимо принимать во внимание много факторов: состояние атмосферы, высоту Солнца и азимут на него во время полета, а также технические параметры аппаратуры (спектральное, радиометрическое, частотное, температурное и пространственное разрешения). При необходимости количественной оценки результатов съемки в ряде случаев проводят не только геометрическую коррекцию изображения, но и радиометрическую коррекцию приемника. Она основана, с одной стороны, на теоретических математических моделях процессов распространения электромагнитных волн, а с другой – на практических измерениях спектральных характеристик во время полета. Для коррекции важнейших параметров измеряют содержание водяного пара, концентрацию пыли и аэрозолей, определяют размеры частиц, измеряют температурный профиль, а также учитывают данные об изменениях погоды (осадки, ветер) [30]. Большинство этих данных на практике получают с метеорологических спутников и при специальных наземных и воздушных измерениях в районе съемок.

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом