Дистанционное зондирование

План 

1. Дистанционное зондирование
2. Зондирование в инфракрасном диапазоне. Взаимосвязь отражательной и излучательной способности.

Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Дистанционное зондирование

 

Дистанционное  зондирование (ДЗ) -  это  наблюдение  и  измерение 

энергетических  и  поляризационных  характеристик  собственного  и  отраженного  излучения элементов суши, океана и атмосферы в различных диапазонах электромагнитных  волн,  способствующие  описанию  местонахождения,  характера  и  временной  изменчивости  естественных  природных  параметров  и явлений,  природных  ресурсов,  окружающей  среды,  а  также  антропогенных  объектов и образований.

     Методы наблюдения и измерения разделяются на:

- контактные;

- неконтактные (дистанционные).

     Преимущество  контактных  методов –  более  высокая  точность  измерения исследуемых показателей по сравнению с дистанционными методами.

     Преимущества дистанционных методов:

- высокая обзорность, возможность получения одновременной  информации о больших территориях; 

- возможность  перехода от дискретной картины  значений показателей состояния  объекта зондирования в отдельных  точках к непрерывной картине 

пространственного распределения показателей;

- возможность  получения информации в труднодоступных  местах;

- высокая степень  генерализации (обобщения) информации.

     Методы ДЗ не могут полностью заменить традиционные контактные  методы  наблюдения,  а  только  эффективно  дополняют  их.  При решении  большинства  задач  наиболее  эффективным  является  комплексное применение методов ДЗ и контактных методов наблюдения. Это позволяет: 

- оценить точность  измерений дистанционными методами; 

- осуществить  переход от относительной шкалы  измерений методами ДЗ к абсолютной;

-  оптимизировать  локализацию  пунктов  контрольных   измерений  контактными методами.

    Носители средств ДЗ:

- авиационные; 

- космические  аппараты (КА);

- прочие.

    При размещении оборудования ДЗ на космических аппаратах преимущества методов ДЗ раскрываются наиболее полно. 

Области использования данных ДЗ:

1. Изучение земной  коры:

- получение   изображений  рельефа  поверхности;  распределений  высот, наклонов;

- определение   зон разломов и  зон  залегания  жил рудных месторождений;

- получение информации  о  вещественном  составе   горных пород, их плотности  и влажности;

- выявление   геологических  структур  под   растительным  покровом  и рыхлыми  слоями почвы;

- определение  зон увлажнений, водотоков, снежных  покровов;

- определение  ущерба, наносимого стихийными бедствиями;

- контроль уровня  воды в водохранилищах;

- определение  береговых линий морей, озер, рек,  болот;

- изучение динамики  развития побережий. 

2. Сельское хозяйство:

- измерение влажности  почвы и их влагосодержания;

- оценка плотности  посадки и степени зрелости  сельскохозяйственных культур;

- предсказание  урожайности;

- определение   границ полей и их площадей (решение  задач  землеуст-

ройства). 

3. Ледовая разведка:

- получение информации о трещинах и разводьях, скрытых под снегом;

-  определение   толщины,  возраста и направления   дрейфа  льдов и  айс-

бергов;

- разработка  наиболее безопасных маршрутов  движения судов и обес-

печение судоходства в сложных ледовых условиях;

- использование  результатов ДЗ при изучении  ледников (гляциология) 

и вечной мерзлоты (геокриология);

-  исследованиях   характеристик  дрейфующих  льдов   морей  и  океанов, 

ледовых покровов озер и рек. 

4. Метеорология:

- определение  интегрального содержания водяного пара в атмосфере;

- определение водозапаса облаков;

- оценка степени  волнения моря, размера волн, направления  их движе-

ния;

- осуществление  руководства всепогодным движением  судов и работой 

портов. 

5. Мониторинг  окружающей среды:

-  обнаружение   нефтяных пятен  на  воде,  районов  заболоченности  и других аномалий на водной поверхности и суше;

- решение задач  по охране окружающей среды. 

6. Военно-техническая  область:

- решение задач  военной разведки;

-  обнаружение   и  распознавание  воздушных,  наземных  и  подземных скрытых  или замаскированных целей;

-  получение   карт  различных  электрофизических   параметров  и  статистических  характеристик зондируемой поверхности;

- навигация летательных  аппаратов по картам местности;

В настоящее  время в методах ДЗ используют относительно небольшую часть спектра  – от 300 нм до 3 м, включающую следующие  области:

- видимую; 

- инфракрасную (ИК);

- сверхвысокочастотную (СВЧ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Зондирование  в инфракрасном диапазоне. Взаимосвязь отражательной и излучательной способности.

 

В отличие от светового диапазона в ИК-диапазоне  при использовании

пассивных методов  ДЗ возможна регистрация не только отраженного солнечного излучения, но и собственного теплового излучения подстилающей

поверхности и  атмосферы.

Как следует  из теоремы взаимности обобщенного  закона Кирхгофа,

коэффициенты  излучения k и отражения R связаны соотношением:

k·B(T)=(1−R)·B(T).

Откуда следует, что изменение отражательной  способности среды

приводит к  изменению ее излучательной способности, причем излучательная способность  увеличивается при уменьшении отражательной  и наоборот.

В случае, когда  ЭМИ проникает под поверхность  среды, при расчете

коэффициента  отражения необходимо учитывать  не только отражение на

границе раздела  сред, но и объемное отражение средой.

Регистрируя в  пассивных методах ДЗ собственное  излучение среды,

можно получить дополнительную информацию о свойствах  объектов, а также вести наблюдения за ними в ночное время, что является одним из существенныхпреимуществ использования ИК-диапазона.

Недостатки:

- невозможность  наблюдения за объектами, закрытыми  облаками;

- более низкое  по сравнению с оптическим  диапазоном пространствен-

ное разрешение;

- ограниченность  использования активных методов  при ДЗ из космоса. 

Зондирование  водных объектов

Высокие значения спектрального показателя поглощения чистой водой в ИК-диапазоне  обуславливают  незначительную  глубину проникновения  излучения  под  водную  поверхность,  поэтому  восходящий  из-под  водной  поверхности  отраженный  поток  излучения  и  собственное  излучение  водной среды формируются в узком  приповерхностном слое глубиной до 0,02 мм. По этой причине интенсивности  отраженного и собственного излучения  зависят в основном от различных  образований на поверхности воды. Собственное излучение, кроме того, в  значительной степени  зависит  от термодинамической температуры  поверхностного слоя воды. Эта зависимость  определяется функцией Планка и лежит  в основе определения температуры  поверхностного слоя воды. Характер  влияния  волн  на  коэффициент  отражения  в  ИК-диапазоне зависит  от угла наблюдения: при малых углах  наблюдения коэффициент отражения  возрастает с увеличением волнения, а коэффициент излучения соответственно убывает; при больших углах наблюдается  обратная картина. На отражательные  свойства воды также оказывает влияние  и ее соленость, что может быть использовано для различения солёной  и пресной вод.

Зондирование  поверхности суши.

Почвы и минералы. Характер зависимостей коэффициента яркости от свойств почв аналогичен  характеру зависимостей  в оптическом  диапазоне. Причем  увеличение влажности приводит к более динамичному изменению КЯ, ввиду более высоких значений показателя поглощения воды в ИК-диапазоне. Сильное влияние на интенсивность собственного излучения почв оказывает их температура.  

Растительный  покров. Спектральные  зависимости КЯ и коэффициента излучения растительного покрова аналогичны зависимостям в оптическом диапазоне. Основным  фактором,  влияющим  на  отражательные и излучательные характеристики фитоэлементов, является влагосодержание. В ИК-диапазоне для КЯ фитоэлементов характерны очень низкие значения, а для коэффициента излучения – напротив, значительно более высокие, чем в оптическом диапазоне. При обезвоживании растений КЯ возрастает.

Более значительным фактором, влияющим на интенсивность  собственного излучения растительного  покрова, является его термодинамическая  температура. Наблюдение  за  этим  фактором  имеет  большое  значение  для  ряда сельскохозяйственных и  экологических задач (выявление  заболеваний растений, их поражение  вредителями и др.). Архитектура  растительного покрова влияет главным  образом на угловое распределение  рассеяния и излучения растительного  покрова и при ДЗ  из космоса  существенного вклада в формирование сигнала не вносит.  

Снег. Отражательные характеристики  снега в ИК-диапазоне изучены слабо, так как ввиду высоких значений показателя поглощения воды в этом спектральном диапазоне для КСЯ снега характерны очень низкие значения.

Резкое уменьшение КСЯ снега в ИК-диапазоне по сравнению с оптическим  обуславливает  возможность  идентификации  облачности  и  снега  на

основе совместного  использования снимков в этих диапазонах. Излучагельная  способность  снега  в  ИК-диапазоне,  напротив,  при-

ближается к  единице, и, следовательно, интенсивность  его собственного из-

лучения определяется главным образом термодинамической  температурой.

 

Атмосфера. При  распространении ИК-излучения  в  атмосфере  процесс  рассеяния является  существенным  только  при  наличии  крупных  аэрозольных  частиц, рассеивающих свет не селективно по спектру. Вследствие этого при отсутствии облачности прозрачность атмосферы определяется практически только поглощением  газовыми  составляющими и  аэрозольным поглощением,  а  яркость атмосферной дымки пренебрежимо мала. Среди газовых составляющих атмосферы основной вклад в поглощение ИК-излучения вносят водяные пары, углекислый газ и озон.  Кроме того, в этом диапазоне имеются полосы поглощения некоторых важных (в  задачах мониторинга) малых  газовых  составляющих: метана,  закиси азота, сернистого газа, азотной кислоты, аммиака, двуокиси азота.