Відбиваюча і поглинальна здатності гірських порід

До числа перших робіт, в яких наведені спектральні яскравості поверхонь гірських порід і доведено значення їх вибіркових вимірювань для інтерпретації аерофотознімків, належить публікація Рея і Фішера [308]. На підставі експериментів ними було встановлено, що літофаціальні відмінності між гірськими породами якогось ландшафтного району не завжди контрастні і тому вони не завжди впевнено можуть бути виділені повторно на аерофотознімку, зробленому на звичайній чорно-білій панхроматичній плівці. Ці дослідники шукали техніку зйомки і обробки, яка дозволила б краще використовувати відбивну і поглинальну здатність різних типів гірських порід і тим самим отримати поліпшені по контрастності вторинні дані для певних гірських порід на чорно-білих аерофотознімках. Рей і Фішер шукали спектральний канал, відповідно діапазон довжин хвиль, в якому відбивні здатності певних різновидів порід були б найбільш різні. За допомогою колориметра вони досліджували відбивні здатності звітрілих і свіжих проб глинистих сланців, вапняків і пісковиків з Нью-Мексико. Вони встановили, як змінюється відбивна здатність окремої поверхні гірської породи, і побудували за цими даними графіки відбивання за спектром. Форма і положення кривої на ньому показують, скільки відсотків енергії світлового потоку відбилося від поверхні гірської породи в певному інтервалі довжин хвиль (рис. 6 і 7).

Рис. 6. Спектральні відбивні здатності чотирьох типів гірських порід: світло-коричневого пісковика (А), сірого вапняку (В), червоного алевроліту (С) і сірого пісковика (D) [249]

Рис. 7. Спектральні відбивні здатності двох типів порід: червоного алевроліту (А) і звітрілиго сірого вапняку (В) [249]

Загалом відбивна здатність вивчених гірських порід зменшується зі зменшенням довжини хвилі (рис. 6). Кожен раз спектральна складова інтенсивності відбивання визначається рівнем і формою окремої спектральної кривої. Різне положення цих кривих на графіку для чотирьох типів гірських порід показує, що відбивна і поглинальна здатності гірських порід залежать від речовини. Якщо порівнювати положення окремих спектральних кривих цього графіка, то можна визначити, з одного боку, області спектру, в яких криві підходять близько один до одного або перетинаються, і області спектру або, вірніше, зони спектру, в яких відбивні здатності вивчених гірських порід явно подібні, і, з іншого боку, зони спектру, в яких криві відображення різних порід з усією очевидністю розходяться між собою. У цій спектральної зоні вивчені типи порід відбивають падаючий світловий потік з найбільшою відмінністю. Ця ситуація пояснюється графіком рис. 7, на якому представлені криві відображення червоного алевроліту (А) і звітрілого сірого вапняку (В). У зоні спектру 0,45-0,5 мкм, так само як в зоні 0,65-0,7 кмк, відмінність відбивної здатності обох типів гірських порід особливо чітко виражена. У зоні 0,45-0,5 мкм (блакитний) вапняк (5) відображає падаючий на нього світловий потік набагато сильніше, ніж червоний алевроліт (А). І навпаки, в зоні 0,65-0,7 мкм (червоною) відбивання червоного алевроліту (А) набагато більше, ніж вапняку (В). У зоні 0,575 мкм відбивна здатність обох порід однакова, тут перетинаються їх спектральні криві. На цьому прикладі з'ясовується, що:

1. відмінності відбивної здатності двох типів гірських порід у певному інтервалі довжин хвиль або частині спектру виражені сильніше, ніж в інших;
2. відношення відбивних здатностей двох типів гірських порід в діапазоні видимого випромінювання може бути зворотнім;
3. спектральні характеристики різних гірських порід в певному інтервалі довжин хвиль можуть бути схожі або однакові.

З аналізу графіків (рис. 6) випливає, що відмінності відбивних здібностей двох або більше типів гірських порід у видимому діапазоні електромагнітного випромінювання можуть більш-менш змінюватися. Так, в короткохвильової частини спектру криві спектральної яскравості світло-коричневого пісковика (А), сірого вапняку (В) і сірого пісковика (D) знаходяться близько один до одного. Породи, що мають різні колір, мінеральний склад і величину зерен, мають схожі форми кривих спектральної яскравості. З іншого боку, ці три види порід відбивають падаючий на них світловий потік в блакитній частині спектру сильніше, ніж червоний алевроліт (С). У червоній частині спектра (близько 0,65-0,7 мкм) світло-коричневий піщаник (А) відбиває падаючий на нього світловий потік сильніше, ніж сірий вапняк (В), червоний алевроліт (S) і сірий піщаник (D), які в цій частині спектру виявляють близькі спектральні характеристики.

Рей і Фішер [308] за даними аналізу отриманих ними відбивних здатностей гірських порід встановили, що виділення різних типів порід на обраній тестовій ділянці за чорно-білими аерофотознімками, знятими на панхроматичну плівку з жовтим фільтром, можливе тільки при дуже малій різниці сірих тонів. Це зумовлено тим, що чорно-біла плівка з встановленим перед нею жовтим фільтром сприймає відбитий від ландшафту потік світла у відносно широкому діапазоні спектру, в інтервалі довжин хвиль 0,5-0,7 мкм, тобто в такому спектральному діапазоні, в якому спектральні яскравості гірських порід типу А і В (рис. 7) приблизно однакові. Таким же чином (незначними контрастами відтінків сірого тону) на аерофотознімках виділялися чотири типи гірських порід з іншою відбивною здатністю (рис. 6). Але якби для зйомки місцевості з оголеннями порід типу А і В була застосована комбінація фільтр-плівка, при якій через світлофільтр на плівку потрапляли б промені певного кольору, тобто довжини хвилі, наприклад, блакитні (0,4-0,5 мкм) або червоні (0,6-0,7 мкм), то можна було б очікувати, що на такій спектрозональній (вузькозональній) фотографії різкими контрастами відтінків сірого тону виділяться червоні аргіліти (А) і сірі вапняки (В). На такому знімку, зробленому в блакитний зоні спектру, темно-сірі вапняки виділилися б більш світлими, а червоні аргіліти – темнішими відтінками. На аерофотознімку, зробленому в червоній зоні спектру, фототони змінилися б на протилежні, але збереглася б величина контрастності між ними.

Якщо місцевість з чотирма виділеними типами порід (рис. 6) сфотографувати в променях блакитного діапозону, то на аерофотознімку оголення порід типу С виділяться найтемнішим відтінком сірого тону серед більш світлих відтінків порід інших типів (А, В і D), які сильніше відбивають світло. При відповідній пропусканню червоних променів комбінації фільтр-плівка на вузькозональному знімку оголення порід типу А виділяться найсвітлішими тонами серед темніших виходів порід типу В або C/D. Грунтуючись на цих відомостях і використовуючи відповідні комбінації фільтр-плівка, Рей і Фішер досягали найбільш контрастних зображень різних типів гірських порід на аерофотознімках. Їх дослідження показали насамперед, наскільки важлива технологія зйомки, той спектральний діапазон, в якому проводиться зйомка місцевості і який визначається спектральними характеристиками (кожен раз своїми) матеріалів або середовищ – поверхонь природних і антропогенних об'єктів зйомок. У методику досліджень і використанні експериментальних даних, застосованих Реєм і Фішером, були закладені найважливіші основи для розвитку багатозональних зйомок і способів обробки даних при дистанційному зондуванні.

Для контрастного зображення відтінками сірого тону сусідніх поверхонь різних літофаціальних одиниць на аерофотознімках (відповідно на вузькозональних спектральних знімках) має значення величина відмінності у відбиванні поверхнями цих гірських порід обраного для зйомок діапазону електромагнітних хвиль (див. розділ 4.1 та рис. 53). Поліпшене по контрастності зображення досліджуваних поверхонь гірських порід на вузькозональному аерофотознімку слід очікувати перш за все в такому діапазоні довжин хвиль, в якому ці типи гірських порід найбільш сильно відбивають або поглинають (в порівнянні з сусідніми оголеними ділянками) падаючий на них потік електромагнітного випромінювання.

Для вибору оптимального спектрального каналу або діапазону зйомки і отримання оптимального зображення при обробці даних дистанційного зондування перш за все необхідно знати відбивні і поглинальні здатності об'єктів зйомки в передбачуваному діапазоні довжин хвиль. У 1960-1970 рр. вивченню цих закономірностей були присвячені виміри відбивних здатностей (альбедо) найважливіших мінералів і гірських порід в лабораторіях, на місцевості, а також з літаків і супутників. Дослідження обмежувалися спочатку вимірами у видимому і ближньому інфрачервоному діапазонах електромагнітного випромінювання. Пізніше стали вивчати спектральні яскравості мінералів і порід в середньому ІЧ-діапазоні, а також їх емісійну здатність (або коефіцієнти теплового випромінювання) в температурному, або тепловому, діапазоні інфрачервоного випромінювання.