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

Отражательная и поглотительная способности горных пород. Часть 2

Отражательные способности важнейших минералов и горных пород в видимом и ближнем ИК-диапазонах в лабораторных условиях всесторонне исследовали Хант и его коллеги [119-128]. Результаты их исследований послужили важнейшим началом для всех последующих измерений спектральных характеристик горных пород. Сравнительно скоро стало известно, что ни в измельченных, гомогенных, пробах, ни на пришлифованных поверхностях штуфов отражательная способность горных пород (их коэффициент спектральной яркости) не увеличивается. Эти данные не могут быть прямо использованы при измерениях на местности. В природных условиях отражательная способность, или альбедо, естественных поверхностей определяется влиянием ряда переменных параметров, которые лишь частично зависят от материала поверхности, а частично связаны с влиянием окружающей среды (см. разд. 2.3). Точнее, сравнение данных лабораторных и полевых измерений показало, что спектральная яркость одинаковых типов горных пород изменяется в зависимости от величины окна или щели спектрометра или радиометра, т.е. поля измерений, в котором проводится определение коэффициента спектральной яркости объекта. Если при лабораторных измерениях охватывается площадь в несколько квадратных миллиметров, то для полевого спектрометра или радиометра поле измерений может меняться от квадратных дециметров до квадратных метров, что зависит от технических данных прибора и методики измерений. Мультиспектральный сканер, установленный на борту спутника «Лэндсат», охватывает минимальную площадь около 6000 м кв. Кроме того, поверхности проб, измеряемых в лаборатории, гомогенны. Естественные природные поверхности, которые попадают в поле измерений спектрометра, радиометра или сканера, установленного на борту самолета или спутника, почти всегда гетерогенны, неоднородны, из-за возможных различий в структуре поверхности, вариаций минерального состава и т. п. Доказано, что с изменением содержания железистых минералов может меняться спектральная яркость поверхности горной породы, так как изменяется почвообразование, вид и состав растительности на ней. Спектральные яркости поверхностей горных пород, которые были получены в разное время, в разных районах и с помощью разных измерительных и съемочных систем, зависящих от назначения съемок, едва ли следует прямо сравнивать и сопоставлять друг с другом. Несмотря на это, имеющиеся данные прежних спектральных измерений показывают, что относительные различия в отражательной, поглотительной и эмиссионной способностях важнейших типов горных пород могут быть использованы при ландшафтных исследованиях и составлении тематических карт. В отдельных случаях даже возможно отыскать некоторые специфические признаки для выделения каких-то определенных типов горных пород или изменений их минерального состава на аэрокосмических изображениях. Различия спектральных яркостей материалов или сред в отдельных диапазонах видимого и ближнего инфракрасного излучения можно использовать и при числовой обработке данных съемки, и при синтезировании улучшенных изображений, для того чтобы еще раз их обработать, повышая контрастность выделяемых объектов. Но прежде необходимо рассмотреть результаты некоторых основополагающих исследований спектральных характеристик минералов и горных пород.
Уотсон [315] провел исследование четырех типов горных пород одной из долин шт. Оклахома в лабораторных и полевых условиях. Им были выбраны свежие размельченные пробы кварцевого песчаника и гранита, штуфы выветрелого известняка, гранита и доломита, а также покрытые коркой лишайников граниты. Каждый раз измерялись спектральные яркости нескольких проб разных типов пород. По данным проведенных измерений были построены графики (рис. 8а), на которых показана отражательная способность пород (в процентах по отношению к референц-поверхности, т. е. эталонной белой матовой поверхности).

Рис. 8а. Спектральная отражательная способность свежей и выветрелой поверхности различных горных пород. (Spectral reflectance and photometric properties of selected rocks, by R. Watson, Remote Sensing of Environment, Vol. 2, 1972, pp. 95-100.)
1 – стандартная поверхность; 2 – кварцевый песчаник (свежий скол); 3 – гранит (свежий скол); 4 – гранит, покрытый зеленым лишайником; 5 – известняк выветрелый; 6 – гранит выветрелый; 7 – доломит выветрелый. (доступно только при скачивании полной версии)

Отражательная способность повышается во всех пробах с возрастанием длины волны. Но графики не отражают особенностей, связанных с длиной волны излучения. Только кривые, соответствующие свежим и выветрелым гранитам, показывают четкое возрастание отражательной способности в интервале 0,525-0,65 мкм. Уотсон связывает это повышение с изменением окраски полевых шпатов в гранитах благодаря окислению в них гематита. Кривые, характеризующие граниты, поверхность которых покрыта зеленым лишайником, не имеют такого возрастания, так как лишайник маскирует породу. В большинстве случаев в видимой части спектра свежие, невыветрелые поверхности гранитов отражают излучение сильнее, чем поверхности тех же пород, но выветрелые или покрытые лишайниками. Выветрелые шероховатые поверхности хуже отражают во всех интервалах длин волн. Корка зеленых лишайников усиливает отражение в видимой части спектра, несмотря на рассеивающее воздействие лишайника [102]. В сравнительно длинноволновой красной части спектра отражение поверхностями, покрытыми лишайниками, еще более возрастает по сравнению с выветрелыми, но лишенными корки лишайников поверхностями.
В видимом диапазоне электромагнитных волн поверхности выветрелых известняков отражают большую часть падающего излучения всегда сильнее, чем поверхности выветрелых доломитов (рис. 8а). Кварцевый песчаник на свежем изломе благодаря своей чистой и однородной поверхности отражает падающий поток значительно сильнее, чем другие типы пород (рис. 8а).
Полевые измерения отражательной способности тех же типов пород показали увеличение отражения с возрастанием длины волны для всех разностей. Однако величина отражения (яркость) всех измеренных поверхностей существенно меньше, чем измеренная в лаборатории. В зоне около 0,6 мкм отражательная способность выветрелых и покрытых лишайниками гранитов инверсивно изменяется. Выветрелые граниты увеличивают отражение с возрастанием длины волны при натурных измерениях. Усиление отражения в диапазоне 0,52-0,65 мкм, установленное при лабораторных измерениях, подтвердилось и в поле. Кроме того, натурные измерения подтвердили, что выветрелый известняк имеет большую яркость, чем выветрелый доломит во всем видимом диапазоне электромагнитных волн. После полевых измерений было обнаружено, что в самой коротковолновой части спектра отражательные способности известняка и доломита сильно различаются. Но в интервале длин волн более 0,75 мкм отражательная способность обоих типов пород резко возрастает, и увеличение ее для известняка наблюдается в интервале длин волн до 1,55 мкм.
Уотсон [315] подчеркивает, что сравнение значений отражения, измеренных в лаборатории и на местности, может быть только приближенным. Прежде всего напомним, что спектрометром в лаборатории и на местности измеряются разные по величине площади. Уже поэтому возможны сильные различия в измеренных величинах отражения. К тому же угол освещения в лаборатории постоянный или регулируемый, а в естественных условиях, на природе, угол падения солнечных лучей меняется в зависимости от времени дня и года, что приводит к переменному освещению объекта. Различные значения естественной освещенности изменяют интенсивность спектрального отражения одних и тех же поверхностей в течение дня и в разное время года. Поэтому значения спектральных яркостей, полученные в разное время наземными измерениями или в результате облетов тестовых участков, не сопоставимы или сопоставимы условно друг с другом. Сравнение, конечно, возможно, если данные измерений приведены к стандартному спектру и проведена радиометрическая коррекция освещенности по высоте и азимуту на солнце и прозрачности атмосферы, т. е. при прецизионных измерениях. Такие прецизионные измерения естественных поверхностей горных пород были проведены в 1982 г. [144]. Особое внимание при этом обращалось на направленность (геометрию) отраженного потока излучения и геометрические параметры обстановки эксперимента. Большинство измерений было сделано в лаборатории, где имитировались природные условия. Этот эксперимент показал, что величина отражения энергии зависит от геометрии той обстановки, в которой проводились измерения. Высота солнца, угол восхождения и положение приемника излучения учитывались в качестве дополнительных параметров. При классификации и идентификации горных пород по их спектральным признакам, полученным при дистанционном зондировании, как показал эксперимент, необходимо учитывать геометрию рельефа снимаемой местности, иначе говоря, геометрию окружения снимаемого объекта, условия его освещенности и расположение его по отношению к приемнику излучения.

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