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

Спектральное разрешение и спектральная эффективность сканерных систем

4.3.5. О спектральном разрешении и спектральной эффективности сканерных систем

Возможность сканера принимать и измерять интенсивность излучения в разных спектральных диапазонах устанавливается расчетом технических параметров сканерной системы. Часть из них определяется оптической системой, а именно: в скольких и в каких частях спектра может быть принято отраженное или вторичное тепловое излучение объектов ландшафта, т.е. определяется спектральное разрешение сканера. Вид и число детекторов важны для спектральной чувствительности и для динамической зоны сканерной системы (в соответствии с его радиометрическим разрешением). Качественные измерения могут быть проведены только тогда, когда они сопровождаются тарированием самой системы, а референц-данные записываются синхронно с данными измерений.
Простой вариант сканерной системы – тепловой сканер, на основе которого позднее был разработан и создан многозональный сканер МСС. В этом варианте теплового сканера поток длинноволнового ИК-излучения, идущий от объектов ландшафта на охваченном сканером элементе площади, фокусировался телескопической системой на детектор, который был чувствителен к тепловому длинноволновому ИК-излучению (8-14 мкм). Различаемые температуры излучения от охваченных в процессе сканирования объектов ландшафта воспроизводились на тепловых изображениях (радиационных снимках) ступенями серого тона, соответствующими по плотности определенному интервалу температур градуировочной шкалы сканера. Тепловой сканер вышеописанного типа называют одноканальным, так как схема его действия и технические параметры позволяют измерять интенсивность потока излучения только в каком-либо одном диапазоне электромагнитных волн, диапазоне, который обычно называют спектральным каналом или зоной измерения.
Температурное разрешение (наименьшее значение разницы регистрируемых температур) тепловых сканеров, как правило, намного меньше (т.е. хуже или больше по абсолютной величине), чем минимальная разница радиационных температур объектов (величин интенсивности потока излучения), и зависит от типа детекторов. Температурное разрешение современных тепловых сканеров около 0,1 К.
Тепловые сканеры могут быть и двухканальными, т.е. регистрирующими восходящий тепловой поток в двух частотных диапазонах. В одном из таких вариантов сканера использовались следующие интервалы длин волн: канал 1 – от 3,0 до 5,5 мкм и канал 2 – от 8 до 14 мкм. Таким образом, была возможна регистрация как отраженного, так и эмиттерного потока инфракрасного излучения. Для этого необходимо было общий, восходящий от поверхности планеты, поток энергии, который захватывался сканирующим зеркалом, разделить в оптической системе сканера сначала на два потока, выделив только тепловое излучение, а затем уже это тепловое излучение вновь разделить, промодулировав его по фазе на два потока, каждый из которых попадает на соответствующий детектор. В противном случае они регистрировали бы энергию смешанного потока. Преобразование солнечной энергии в электрические импульсы здесь идет в двух раздельных блоках детекторов.
В другом варианте такого же сканера в одном канале регистрировалось ИК-излучение оптического диапазона в интервалах длин волн 0,7-0,9, или 1,0-2,5, или 3,0-5,5 мкм, а во втором – вторичное тепловое в интервале, совпадающем с окном прозрачности атмосферы для длинноволнового теплового излучения (8-14 мкм). При таком способе съемки поток энергии, попадающий со сканирующего зеркала в оптическую систему сканера, сразу разделяют на два потока – коротковолновый (0,4-5,5 мкм) отраженный и длинноволновый (8-14 мкм) эмиттерный (рис. 73), которые направляют на два разных детекторных блока.
Многозональные сканеры, устанавливаемые дляорбитальных измерений со спутников, как правило, имеют от четырех до двенадцати спектральных каналов. Интенсивность излучения в отдельных зонах спектра принимается специальными детекторами или, точнее, блоками детекторов, фассеты которых подобраны для оптимальной работы в режиме определенного интервала длин волн. Детекторы различаются по типу физических процессов, которые в них происходят и благодаря которым поток солнечной энергии, попадающий на них из окружающего пространства, преобразуется в электрический сигнал (измеряемый в вольтах). Подробное описание типов детекторов, принципа их действия и реакции на излучение определенных диапазонов (англ. spectral response) имеется в специальной литературе (например, в руководствах и справочниках по дистанционному зондированию).
В качестве примера многозональных сканеров укажем на самый известный из них вариант мультиспектрального сканера МСС, который был установлен на двух первых спутниках «Лэндсат» (см. рис. 80). Он регистрировал отраженный поток солнечной радиации в четырех спектральных диапазонах: канал 4 – от 0,5 до 0,6 мкм, канал 5 – от 0,6 до 0,7 мкм, канал 6 – от 0,7 до 0,8 мкм, канал 7 – от 0,8 до 1,1 мкм. Сканер МСС на спутнике «Лэндсат-3» был снабжен дополнительным каналом (канал 8), который благодаря двум дополнительным блокам детекторов измерял тепловое излучение во втором окне прозрачности атмосферы – в интервале длин волн от 10,4 до 12,6 мкм.
Узкоканальный сканер – бендикс-сканер M2S, технические характеристики которого приведены в табл. 4, является типичным примером многозональных сканеров для съемок с самолетов. Он имеет восемь каналов для видимого диапазона, два канала ближнего ИК-диапазона и один – теплового ИК-диапазона (табл. 4). Ширина каналов неодинакова, она изменяется в зависимости от диапазона излучения, так же как и спектральная чувствительность. О достоинствах этого сканера читатель может судить самостоятельно, сравнив разные кадры на рис. 72.

Таблица 4. Спектральные диапазоны и чувствительность многозонального бендикс-сканера MS [309] (доступно только при скачивании полной версии)

НАСА и другие ведомства США проводят эталонные тестовые залеты при спектральных съемках объектов ландшафта 24-канальным сканером. Диапазон измерений такой системы – от ультрафиолетового (УФ – 0,34 мкм) до теплового инфракрасного (ИК – 13 мкм). Наименьшая ширина зоны измерения – около 0,4 мкм, наибольшая – 1,0 мкм. Отраженное от объектов ландшафта излучение регистрируется с точностью от 0,05 до 1,2% (последнее при наибольшей мощности потока излучения), вторичное тепловое излучение – с точностью от 0,26 до 0,72 К.
Как это ни парадоксально, но съемки с помощью 24-канального сканера показали, что большое число спектральных каналов не является необходимым и достаточным условием для дистанционного зондирования и что оптимальные результаты сканерных съемок для выявления спектральных характеристик объектов не зависят от максимально возможного количества каналов. С одной стороны, большинство объектов ландшафта характеризуется такими отражательными и излучательными способностями и имеют такие спектральные характеристики, что их можно получить и при небольшом числе спектральных каналов сканера, если только правильно выбрать каналы. С другой стороны, увеличение числа спектральных каналов сканера ведет автоматически к увеличению количества данных до такого объема, что подготовка их к первичной обработке, сама первичная обработка и представление ее результатов для интерпретации находятся в очень невыгодных соотношениях с эффективностью и экономичностью самой спектрометрической съемки.
Основными вопросами, возникшими при разработке технического задания и внедрения многозональных сканеров, были вопрос выбора спектральных зон (интервалов длин электромагнитных волн), имеющих значение для постановки задач пользователя, и вопрос о том, в каких и скольких спектральных каналах проводить съемки. В табл. 5 показано, что отдельные группы пользователей предъявляли прямо противоположные, а не просто различные требования к ресурсным спутникам и что количество, ширина и положение каналов съемки в спектре электромагнитных волн различны. Эти неоднозначность и противоречивость наблюдались в требованиях, предъявляемых к многозональным сканерам и к периодичности съемок. Различны требования геологии, географии, сельского и лесного хозяйства, океанологии, пространственной планировки в строительстве и других отраслей науки и практики. Выдвигавшие их специалисты исходили из разных спектральных характеристик и размеров тех объектов, которые представляли интерес для данного направления науки или практики. Точно так же в требованиях к пространственному разрешению в первую очередь внимание обращалось на то, что с улучшением разрешения резко возрастет объем данных, и, как следствие, ожидалось, что это приведет к качественному скачку в исследованиях. Табл. 6 дает представление о существующих и планируемых съемочных системах для дистанционного зондирования (спектральные диапазоны, количество каналов и их параметры, пространственное разрешение).

Таблица 5. Обзор технических требований к системам съемки для землеведения со спутников [27] (доступно только при скачивании полной версии)

Таблица 6. Землеведческие спутники и установленная и планируемая для установки на них съемочная аппаратура [26, 27] (доступно только при скачивании полной версии)

Об оптимальном количестве спектральных каналов, широте их диапазона и положении в общем спектре электромагнитного излучения пользователь может, безусловно, судить только тогда, как это уже упоминалось, когда он четко представляет цель и задачу исследований, когда он в качестве предпосылки исследования имеет некоторые типовые спектральные характеристики объектов.
Итак, выраженность спектральных признаков объектов ландшафта и возможность их распознавания на фоне других объектов в значительной мере зависят от технических характеристик и выбора спектрального канала многозонального, сканера, а именно: от его широты и частотного диапазона в общем спектре электромагнитного излучения, типа детектора и его спектральной эффективности и т. п. В принципе этим определяется возможность качественной (аналоговой) или количественной (числовой) обработки полученных результатов аэрокосмической съемки. При составлении программы исследования и технического задания на разработку многозонального сканера и обеспечивающей его аппаратуры обычно в первую очередь учитывают как технологические возможности создания новых детекторов и технические параметры имеющихся, так и те спектральные диапазоны, в которых особенности спектральных характеристик исследуемых объектов будут наиболее выражены и отличимы среди прочих среднестатистических величин. Существенны также контраст зависящих от длины волн излучения оптических и (или) тепловых свойств объекта и величина и контрастность фоновых значений тех же свойств окружающих его объектов ландшафта, которые также могут быть лучше всего выражены именно в выбранном и заданном для съемки интервале длин волн (рис. 6 и 7). Например, очень часто в одном и том же узком интервале различные типы почв и горных пород, граница воды и суши бывают наиболее отчетливо выражены. Влияние частотной широты (узости) спектрального канала на захват и силу выраженности спектрального потока показано на графике и диаграмме рис. 76. На верхнем графике показана кривая спектральной яркости типичного живого зеленого листа, которая характеризуется определенными, четко выраженными полосами поглощения и резкими переходами от поглощения к отражению примерно в полосе 0,7 мкм. Позиция (т.е. средняя длина волны) спектрального канала и величина интервала длин волн будут иметь влияние хотя бы потому, что типичные, зависящие от длины световой волны свойства отражения листа могут быть раздельно приняты при съемке и использованы для аналоговой или числовой обработки или же (при большей ширине спектрального диапазона) они будут замаскированы («запечатаны») типичными признаками листа. Гистограмма (рис. 76) показывает результаты измерения данных при широте диапазона 0,1 мкм (пунктир) и при широте 0,2 мкм (сплошная линия). Очевидно, что измерение данных с меньшей широтой диапазона отразит типичные изменения, определяющиеся длиной волны излучения, на спектральной кривой листа более подробно, чем более широкий диапазон спектральных измерений. Если результаты измерения в очень узком спектральном канале слабо выражены на фоне других спектральных характеристик, полученных во время съемочного полета, то, исходя из вышеизложенного, можно предположить, что этот интервал длин волн для спектрального канала либо был неправильно выбран, т.е. выбран для той части спектра излучения, в которой характерные признаки исследуемого объекта слабо различимы, либо этот узкоканальный спектральный канал попал в ту небольшую критическую часть спектра, в которой специфические для объекта признаки выражены очень четко, но контрасты спектральных характеристик других наблюдаемых объектов (горных пород, почв, растений, вод) тоже велики.

Рис. 76. График спектральной отражательной способности типичного листа (вверху) и тот же спектр, записанный с помощью многозонального сканера МСС при ширине каналов 0,2 и 0,1 мкм (внизу) [262]. (доступно только при скачивании полной версии)

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