Відбиваюча і поглинальна здатності гірських порід. Частина 2

Відбивні здатності найважливіших мінералів і гірських порід у видимому і ближньому ІЧ-діапазонах в лабораторних умовах всебічно досліджували Хант і його колеги [119-128]. Результати їх досліджень послужили найважливішим початком для всіх наступних вимірювань спектральних характеристик гірських порід. Порівняно скоро стало відомо, що ні в подрібнених, гомогенних, пробах, ні на пришліфованих поверхнях штуфів відбивна здатність гірських порід (їх коефіцієнт спектральної яскравості) не збільшується. Ці дані не можуть бути прямо використані при вимірах на місцевості. У природних умовах відбивна здатність, або альбедо, природних поверхонь визначається впливом ряду змінних параметрів, які лише частково залежать від матеріалу поверхні, а частково пов'язані з впливом навколишнього середовища (див. розд. 2.3). Точніше, порівняння даних лабораторних та польових вимірювань показало, що спектральна яскравість однакових типів гірських порід змінюється в залежності від величини вікна або щілини спектрометра або радіометра, тобто поля вимірювань, в якому проводиться визначення коефіцієнту спектральної яскравості об'єкту. Якщо при лабораторних вимірах охоплюється площа в кілька квадратних міліметрів, то для польового спектрометра або радіометра поле вимірювань може змінюватися від квадратних дециметрів до квадратних метрів, що залежить від технічних даних приладу і методики вимірювань. Мультиспектральний сканер, встановлений на борту супутника «Landsat», охоплює мінімальну площу близько 6000 м кв. Крім того, поверхні проб, вимірюваних в лабораторії, гомогенні. Природні природні поверхні, які потрапляють в поле вимірювань спектрометра, радіометра або сканера, встановленого на борту літака або супутника, майже завжди гетерогенні, неоднорідні, через можливі відмінності в структурі поверхні, варіацій мінерального складу і т. п. Доведено, що зі зміною вмісту залізистих мінералів може змінюватися спектральна яскравість поверхні гірської породи, так як змінюється грунтоутворення, вид і склад рослинності на ній. Спектральні яскравості поверхонь гірських порід, які були отримані в різний час, в різних районах і за допомогою різних вимірювальних і знімальних систем, що залежать від призначення зйомок, не варто прямо порівнювати і зіставляти один з одним. Незважаючи на це, наявні дані колишніх спектральних вимірювань показують, що відносні відмінності відбивної, поглинальної і емісійної здатностей найважливіших типів гірських порід можуть бути використані при ландшафтних дослідженнях і складанні тематичних карт. В окремих випадках навіть можна знайти деякі специфічні ознаки для виділення якихось певних типів гірських порід або змін їх мінерального складу на аерокосмічних зображеннях. Відмінності спектральних яскравостей матеріалів або середовищ в окремих діапазонах видимого та ближнього інфрачервоного випромінювання можна використовувати і при числовій обробці даних зйомки, і при синтезі поліпшених зображень, для того щоб ще раз їх обробити, підвищуючи контрастність. Але спочатку необхідно розглянути результати деяких основоположних досліджень спектральних характеристик мінералів і гірських порід.

Уотсон [315] провів дослідження чотирьох типів гірських порід однієї з долин штату Оклахома в лабораторних і польових умовах. Ним були обрані свіжі подрібнені проби кварцового пісковика і граніту, штуфи вивітрілого вапняку, граніту і доломіту, а також покриті шаром лишайників граніти. Кожен раз вимірювалися спектральні яскравості декількох проб різних типів порід. За даними проведених вимірювань були побудовані графіки (рис. 8а), на яких показана відбивна здатність порід (у відсотках відносно референц-поверхні, тобто еталонної білої матової поверхні).

Рис. 8а. Спектральна відбивна здатність свіжої та вивітрілої поверхні різних гірських порід

1 – стандартна поверхня;
2 – кварцовий пісковик (свіжий зріз);
3 – граніт (свіжий зріз);
4 – граніт, вкритий зеленим лишайником;
5 – вапняк звітрілий;
6 – граніт звітрілий;
7 – доломіт звітрілий.

Відбивна здатність підвищується у всіх пробах зі зростанням довжини хвилі. Але графіки не відображають особливостей, пов'язаних з довжиною хвилі випромінювання. Тільки криві, відповідні свіжим і вивітрілим гранітам, показують чітке зростання відбивної здатності в інтервалі 0,525-0,65 мкм. Уотсон пов'язує це підвищення зі зміною забарвлення польового шпату в гранітах завдяки окисленню в них гематиту. Криві, що характеризують граніти, поверхня яких покрита зеленим лишайником, не мають такого зростання, так як лишайник маскує породу. У більшості випадків у видимій частині спектру свіжі, невивітрілі поверхні гранітів відбивають випромінювання сильніше, ніж поверхні тих же порід, але звітрілі чи покриті лишайниками. Вивітрені шорсткі поверхні гірше відбивають у всіх інтервалах довжин хвиль. Скоринка зелених лишайників підсилює відбивання у видимій частині спектру, не дивлячись на розсіюючий вплив лишайника [102]. В порівняно довгохвильовій червоній частині спектру відбивання поверхнями, покритими лишайниками, ще більше зростає порівняно з вивітреними, але позбавленими кірки лишайників поверхнями.

У видимому діапазоні електромагнітних хвиль поверхні вивітрених вапняків відбивають велику частину падаючого випромінювання завжди сильніше, ніж поверхні вивітрених доломітів (рис. 8а). Кварцовий пісковик на свіжому зламі завдяки своїй чистій та однорідній поверхні відбиває падаючий потік значно сильніше, ніж інші типи порід (рис. 8а).

Польові вимірювання відбивної здатності тих же типів порід показали збільшення відбивання зі зростанням довжини хвилі для всіх різновидів. Однак величина відбивання (яскравість) всіх виміряних поверхонь істотно менша, ніж виміряна в лабораторії. У зоні близько 0,6 мкм відбивна здатність вивітрених і покритих лишайниками гранітів інверсивно змінюється. Вивітрені граніти збільшують відбивання зі зростанням довжини хвилі при натурних вимірах. Посилення відбивання в діапазоні 0,52-0,65 мкм, встановлене при лабораторних вимірах, підтвердилося і в полі. Крім того, натурні вимірювання підтвердили, що вивітрений вапняк має більшу яскравість, ніж вивітрений доломіт у всьому видимому діапазоні електромагнітних хвиль. Після польових вимірювань було виявлено, що в короткохвильовій частини спектру відбивні здатності вапняку і доломіту сильно різняться. Але в інтервалі довжин хвиль більше 0,75 мкм відбивна здатність обох типів порід різко зростає, і збільшення її для вапняку спостерігається в інтервалі довжин хвиль до 1,55 мкм.

Уотсон [315] підкреслює, що порівняння значень відбивання, виміряних в лабораторії і на місцевості, може бути тільки наближеним. Перш за все нагадаємо, що спектрометром в лабораторії і на місцевості вимірюються різні за величиною площі. Вже тому можливі сильні відмінності у виміряних величинах відбивання. До того ж кут освітлення в лабораторії постійний або регульований, а в природних умовах кут падіння сонячних променів змінюється в залежності від пори дня і року, що призводить до змінного освітлення об'єкта. Різні значення природної освітленості змінюють інтенсивність спектрального відображення одних і тих же поверхонь протягом дня і в різні пори року. Тому значення спектральних яскравостей, отримані в різний час наземними вимірами або в результаті обльотів тестових ділянок, не співставні або співставні умовно один з одним. Порівняння, звичайно, можливе, якщо дані вимірювань приведені до стандартного спектру і проведена радіометрична корекція освітленості за висотою і азимутом на сонце і прозорості атмосфери, тобто при прецизійних вимірах. Такі прецизійні вимірювання природних поверхонь гірських порід були проведені в 1982 р [144]. Особлива увага при цьому зверталася на спрямованість (геометрію) відбитого потоку випромінювання і геометричні параметри обстановки експерименту. Більшість вимірювань було зроблено в лабораторії, де імітувались природні умови. Цей експеримент показав, що величина відбивання енергії залежить від геометрії тієї обстановки, в якій проводилися вимірювання. Висота сонця, кут сходження і положення приймача випромінювання враховувалися в якості додаткових параметрів. При класифікації та ідентифікації гірських порід за їх спектральними ознаками, отриманим при дистанційному зондуванні, як показав експеримент, необхідно враховувати геометрію рельєфу місцевості, що знімається, інакше кажучи, геометрію оточення, що знімається, умови його освітленості і розташування його по відношенню до приймача випромінювання.