Фотографические процессы

Рассеяние излучения пропорционально  толщине слоя атмосферы, через который  оно проходит, что учитывают при расчетах интенсивности рассеяния.

 

График пропускной способности атмосферы:

 

 

Интенсивность рассеяния зависит от угла между  направлением падающего и отраженного  потока. Поэтому положение естественного  или искусственного источника облучения  относительно объекта съемки, а также направление излучения учитывают при съемках.

Следующий критерий, влияющий на построение снимка, — рефракция светового луча в  атмосфере (атмосферная рефракция). Атмосферная рефракция — это искривление светового луча, направленного к объективу съемочной системы.

Объясняется это тем, что в атмосфере происходит уменьшение плотности воздуха с увеличением относительно земной поверхности.

 

График вертикальной (фотограмметрической) рефракции атмосферы:

 

 

При прохождении светового луча из области с большей плотностью в область с меньшей плотностью происходит его отклонение. Если атмосферу описать моделью, состоящей из нескольких горизонтальных слоев с изменяющейся плотностью воздуха, то рефракцию можно представить в виде графика, показанного на рисунке. Asa — луч, не искаженный влиянием рефракции атмосферы, Asa' —реальный луч, строящий изображение точки а' на снимке. Расстояние ad на снимке есть искажение положения точки, вызванное влиянием рефракции атмосферы. При выполнении аэро- или космических съемок горизонтальная рефракция атмосферы значительно меньше вертикальной и ее практически не рассматривают. Вертикальная рефракция атмосферы, ее называют фотограмметрической, рассчитывается для стандартного состояния атмосферы, зенитного расстояния луча Z, угла, под которым луч проходит атмосферу, длины волны излучения, давления и т. п. Рефракцию атмосферы R измеряют в минутах.

Рассмотренные оптические свойства атмосферы оказывают  влияние при производстве аэро- и космических съемок. При их организации и проведении необходимо учитывать оптику атмосферы с целью повышения изобразительного и метрического качества получаемых снимков.

 

2.4  Объекты земной поверхности как  отражатели и излучатели энергии. Яркость и контраст изображения.

При съемке земной поверхности объект местности  представляется энергетическим полем, несущим информацию. Энергетическое излучение съемочная система регистрирует в определенном угловом интервале и с определенной точки пространства. При этом поверхность объекта представляется суммой элементарных площадок. В зависимости от расположения центра наблюдения (положения съемочной системы) и элементарной площадки объекта регистрируемое излучение изменяется по интенсивности и спектральному составу. Результаты измерений отображаются на снимке в виде полей яркости (в черно-белом или цветном варианте). При этом образовавшееся изображение уникально, так как спектральный состав, суммарная интенсивность и направленность излучения изменяются во времени. Поэтому существует малая вероятность повторения сочетания условий, определяющих свойства энергетического поля, а значит, мала вероятность получения иного снимка с аналогичным распределением полей яркости (цвета).

Изменяется  излучение вследствие множества  причин (суточные и сезонные изменения  состояния объекта, природно-естественного и антропогенного характера), которые можно разделить на две группы: первая — факторы, определяющие свойства самого объекта (физические, химические и др.), вторая — внешние условия формирования энергетического поля, например условия освещения объекта.

Полнота и достоверность информации, получаемой при съемке земной поверхности, в  значительной степени зависят от правильности учета свойств энергетического  поля, создаваемого объектом съемки.

При пассивных  аэро- и космических съемках интерес представляют лучи, отраженные и излучаемые объектами земной поверхности.

Критериями  отражательной способности служат коэффициенты интегральной яркости, спектральной яркости, интегральные и спектральные индикатрисы рассеяния.

Коэффициентом интегральной яркости  r (КЯ) называют отношение интегральной яркости объекта В в данном направлении к интегральной яркости идеально отражающей поверхности В₀, определяемых при одинаковых условиях освещения и наблюдения. Идеально отражающей считают поверхность, которая полностью и равномерно по всем направлениям отражает падающую на нее радиацию. Коэффициент интегральной яркости определяется в широкой спектральной зоне, и вычисляют его по формуле: r=В/В₀. 

Если яркости  измеряли в узких спектральных зонах, то их называют монохроматическими яркостями. Отношение монохроматических яркостей объекта B_λ и идеально отражающей поверхности B_0λ, измеряемых при одинаковых условиях освещения и наблюдения, называют коэффициентом спектральной яркости r_λ (КСЯ): r= B_λ / B_0λ

Коэффициенты  интегральной и спектральной яркости  могут определяться для различных  направлений отражения излучения.

Коэффициенты  интегральной и спектральной яркости  зависят (общий случай) от многих факторов:

 Число факторов, определяющих КСЯ и КЯ, может быть значительным. Например, для сельскохозяйственного  угодья это тип почвы, количество в почве гумуса, минеральных солей, влажность, вид растительности, фаза вегетации, угнетенность, фитопатология  и запыленность растений и т. п. Большинство  факторов оказывает свое воздействие  одновременно, что проявляется в значительных вариациях критериев отражательной способности однотипных объектов.

Коэффициенты  спектральной яркости объекта определяют одновременно в нескольких зонах  спектра. Используя полученные данные, строят кривые КСЯ, показывающие зависимость  коэффициентов от длины волны излучения.

Различные классы объектов имеют свои специфичные  формы кривых КСЯ. По форме кривых КСЯ принято разделять объекты на четыре класса: растительность; почвы и горные породы; водные поверхности; снега и облака. При выполнении съемок для целей картографирования наибольший интерес для изучения объектов поверхности Земли представляют первые три класса.

 

 

Графики КСЯ  основных классов природных образований

 

Кривые КСЯ объектов с растительными  покровами (а) имеют повышение в зеленой зоне спектра на длине волны около 0,55 нм, понижение на длине волны 0,66 нм, вызванное поглощением солнечной радиации хлорофиллом растений, резкое повышение в инфракрасной области. В зависимости от фазы вегетации, фитопатологии и иных факторов форма кривых КСЯ объектов данного класса изменяется в значительных пределах. Например, кривые КСЯ посевов злаковых культур по мере их созревания принимают плавный ход.

Кривые КСЯ  почв и горных пород имеют незначительный подъем при увеличении длины волны (б). Влажность, химический состав, содержание гумуса, минеральных солей и т. п. определяют уровень и крутизну подъема кривых.

Кривые КСЯ  водных объектов при увеличении длин волн (в) понижаются плавно и монотонно. Степень засоленности, тип иловых отложений, биологический и растительный состав воды обусловливают значения КСЯ водных поверхностей.

Сведения  о коэффициентах интегральной и  спектральной яркости приводятся в  литературе и справочниках в виде таблиц, а для КСЯ прилагаются  графики кривых.

При выполнении аэро- и космических съемок и последующем анализе изображений необходимы сведения о пространственном распределении отраженной световой энергии. Это распределение характеризуется индикатрисой рассеяния, представляющей собой поверхность, проходящую через концы векторов КЯ и КСЯ, определенных для различных углов отражения, которую соответственно называют интегральной или спектральной.

Для описания индикатрисы рассеяния используют два ее сечения: в плоскости главного вертикала солнца (А=0...180°) и перпендикулярной ему (А=90...270°). Неравномерность пространственного отражения объекта зависит от размеров, формы, пространственной ориентации элементов его поверхности, высоты солнца и его азимутального положения относительно объекта и т. п. По направленности пространственного отражения объекты разделяют:

• на отражающие равномерно по всем направлениям падающее на поверхность излучение (а). Такие поверхности называют ортотропными. К ним относят поверхности с мелкой структурой, например различные ровные песчаные поверхности;
• зеркально отражающие излучение по направлению от источника света (б). К ним относят водные поверхности без ряби и волн, снежный наст, влажные солончаки, такыры и пр.;
• отражающие световой поток преимущественно в сторону источника излучения (в), такими могут быть поверхности с крупной структурой — вспаханная пашня, сухая широколиственная растительность и др.;
• смешанная форма отражения, как в сторону источника освещения, так и в противоположном направлении (г), — увлажненные газоны, сенокосы, пастбища и другие среднеструктурные поверхности.

Сечения индикатрис рассеяния основных типов  поверхностей

(направление  сечений А = 0... 180°)

 

Неравномерность пространственного отражения в  различных спектральных зонах неодинакова. Асферичность интегральных и спектральных индикатрис уменьшается с увеличением высоты солнца.

Как отмечалось, критерии отражательной способности  объектов земной поверхности зависят от многих факторов. Поэтому их значения могут изменяться в широких пределах. Для применения их в практических целях необходим достаточный набор статистических данных, по которым вычисляют вероятностные значения критериев отражательной способности и их дисперсии. При этом критерии должны быть определены при однотипных условиях наблюдений.

Определение критериев отражательной способности, исследование их динамики выполняют  в результате проведения комплекса  работ, называемого спектрометрированием. С помощью приборов (спектрометров) по определенной методике измеряют яркости объектов и эталонной поверхности. В качестве эталонной поверхности используют любую, отражательные свойства которой известны и постоянны. При вычислении критериев отражательной способности учитывают отличия отражения эталонных поверхностей, применяемых при спектрометрировании, от идеальной поверхности. Одновременно с измерениями описывают условия освещения и состояние объекта на момент измерений. По результатам измерений вычисляют критерии отражательной способности.

Спектрометрирование выполняют в лабораториях или полевых условиях: находясь на поверхности объекта или с воздушных и космических летательных аппаратов. Спектрометрирование в лаборатории позволяет с высокой точностью и в необходимом количестве измерять образцы почв, растительности и иных материалов. Недостаток, снижающий возможность использования получаемых результатов в дистанционном зондировании, — отличие в освещении образца и объекта в естественных условиях. Пробы исследуемых образцов растений (тем более сорванных растений) также находятся в условиях, отличающихся от их естественного состояния.

Полевое наземное спектрометрирование проводят при непосредственном нахождении на объекте исследования. Спектрометры устанавливают на высокие штативы, мачты или механические подъемники (автовышки).

Спектрометрирование с летательных аппаратов существенно отличается от наземного способа организацией измерений, сложностью приборов и обработкой результатов измерений.

Как известно, абсолютно черным телом называют тело, которое полностью поглощает  все падающее на него излучение. Спектр излучения абсолютно черного  тела определяется его температурой. Распределение излучения по спектру  подчиняется закону Планка (1). Для изучения и повышения эффективности производства аэро- и космических съемок кривые излучения абсолютно черного тела, полученные при разных температурах, можно использовать для моделирования солнечной радиации и излучательной способности объектов земной поверхности. Спектральная кривая распределения излучения серого тела подобна спектральной кривой черного тела, но характеризует меньшую интенсивность (2). Нечерным телом называют объекты, самоизлучение которых избирательно (селективно) (3).

Спектральное  распределение энергии излучения  тела:

1- черного; 2 —серого; 3— нечерного

(а- селективного непрерывного, б — полосового излучения)

 

Самоизлучение объектов может быть диффузным и направленным.

Большинство природных образований в тепловой области спектра имеет сферическую  индикатрису излучения, которое практически подчиняется закону Ламберта — интенсивность излучения пропорциональна косинусу угла между нормалью к поверхности объекта и направлением наблюдения. Объекты антропогенного происхождения обычно имеют направленное излучение.

Критерии  отражательной и излучательной способности учитывают при организации и производстве аэро- и космических съемок. С их помощью:

• выбирают одну или несколько зон спектра, в которых проводят съемку объектов земной поверхности. На снимках, получаемых в выбранных зонах, обеспечивается наилучшее разделение изображений изучаемых объектов;
• определяют время суток и сезон съемки, которые обеспечат решение предыдущей задачи;
• разрабатывают технические требования к спектральной чувствительности приемников излучения съемочных систем.

Оптимизацию зон спектра и времени  съемки выполняют аналитическим или графическим способом с последующим аналитическим контролем правильности выбора.

Интегральные  и спектральные индикатрисы рассеяния  используются для расчета угла изображения (захвата) съемочной системы, в пределах которого неравномерность пространственного отражения снимаемых объектов не окажет влияния на изменение оптической плотности (цвета) их изображений на снимке. Такие съемочные системы можно считать фотометрическими. В зависимости от типа объектов угол должен быть в интервале 3...30°. Применяемые съемочные системы имеют угол захвата значительно больше. В этом случае для исключения влияния неравномерности пространственного отражения на снимках ограничивают рабочую площадь. Ее размер и расположение на снимке рассчитывают в соответствии с углом, определяемым с помощью индикатрис рассеяния.

При использовании в дистанционном  зондировании инфракрасной и тепловой областей спектра съемочную систему и условия съемки оптимизируют с учетом коэффициентов и индикатрис излучения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Условия правильного фотографирования на основе анализа характеристической кривой.