ТЕОРИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИБОРЫ

В ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ

При рассмотрении технологии дистанционного зондирования также будем использовать системный подход. Здесь мы рассмотрим физические аспекты сбора данных дистанционного зондирования и используем идею прохождения энергии через систему и превращения ее в данные для последующей переработки в информацию.

Принято, что система сбора данных дистанционного зондирования состоит из четырех основных частей: источника излучения, пути последнего в атмосфере, объекта и датчика*. В пассивной системе дистанционного зондирования первичный источник излучения - Солнце, энергия которого спектрально распределена по всему электромагнитному спектру. Энергия распространяется в атмосфере, и ее интенсивность и спектральное распределение изменяются атмосферой. Затем это излучение взаимодействует с объектом, и отражается, передается и/или поглощается им. Часть энергии, поглощенной одной частью спектра, может быть излучена другой. Затем отраженная/излученная энергия проходит обратно через атмосферу и опять претерпевает изменения в спектральном распределении и интенсивности. Наконец, излучение достигает датчика, где оно измеряется и превращается в данные для последующей обработки.

Способ отражения и/или поглощения и излучения объектом падающей энергии (изменение ее интенсивности и спектрального распределения) - это сигнал, который необходимо зарегистрировать и преобразовать в количественную форму представления. В этой книге обычно предполагается, что форма представления - цифровые данные, пригодные для машинной обработки. Обработка данных выполняется таким образом, чтобы усиливать сигнал. Влияние атмосферы проявляется как шум в датчике и системах преобразования цифровых данных; вся система сбора данных тщательно проектируется, чтобы максимизировать отношение сигнал/шум для минимизации коэффициента усиления, необходимого для последующей обработки данных.

В гл. I рассматривалась модель системы дистанционного зондирования, состоящая из трех частей: поверхности Земли, датчика и системы обработки данных. Здесь мы используем идею системы для моделирования только узла сбора данных системы дистанционного зондирования.

в этой главе после описания солнечного излучения и его спектрального распределения будет рассмотрен электромагнитный спектр, в основном применяемый в технологии дистанционного зондирования. Дан обзор современной терминологии излучения с последующим упрощенным рассмотрением излучения абсолютно черного тела, вопроса, необходимого для понимания и солнечного излучения, и излучения поверхности Земли.

Рассматриваются атмосферные явления и их влияние на выбор спектральных диапазонов. После упрощенного обзора оптических систем подробно рассмотрен вопрос об отражательной способности объекта. После обсуждения основных принципов устройства приборов дистанционного зондирования и описания детекторов излучения приведены примеры нескольких обычных систем приборов дистанционного зондирования. Глава заверща-ется рассмотрением потока данных в системах сбора и примерами действующих многоспектральных сканеров.

Как читать эту главу?

Часто данные системы дистанционного зондирования обрабатывают для относительно простых приложений, не обращая серьезного внимания на принципы теории излучения и конструкцию соответствующих приборов. Однако при работе над более сложными проблемами, например при определении состояния сельскохозяйственных культур или детальном анализе городского землепользования, на подход к рещению задачи должны оказывать влияние характеристики датчика и отражательной способности исследуемого природного объекта. Поэтому серьезному аналитику данных дистанционного зондирования необходимо четкое понимание принципов отражения и принципов работы используемых датчиков. Вследствие обширного материала, относящегося к этим вопросам, эта глава, несмотря на ее вводный характер, довольно длинная. Читатель - новичок в дистанционном зондировании, успешно усвоит материал, если примет следующий план чтения.

Во-первых, прочитайте эту главу бегло, обращая особое внимание только на цели изучения и несколько абзацев, начинающих каждый основной раздел. Затем перечитывайте ее с рассмотрением каждый раз одного раздела вместе с изучением других глав книги. Кроме разнообразия при таком способе чтения польза еще и в том, что можно видеть, как используются принципы излучения и устройства приборов и в каких отношениях они важны.

Цели изучения.

После изучения разд. П.1, П.2, П.З читатель должен уметь:

1. Описать в общих чертах важнейшие качественные признаки внеземного солнечного спектра и привести шкалу длин волн (в микрометрах). Шкала интенсивностей должна показывать только относительную интенсивность.

2. Установить интервалы длин волн для: а) оптической части спектра; б) видимой области спектра; в) ближней, средней и дальней инфракрасных областей спектра; г) «отражательной» части спектра; д) «излучающей» части спектра.

3. Дать физическую интерпретацию абсолютно черного тела.

4. Использовать закон Стефана - Больцмана и уравнение для Ятах, чтобы показать примерную форму и величину кривых излучения абсолютно черного тела как функцию температуры.

5. Предсказать, сможет ли чувствительный к излучению прибор обнаружить объект с известной температурой Tt при наличии фонового излучения, имеющего эквивалентную температуру

6. Назвать основные процессы взаимодействия атмосферы с электромагнитным излучением и описать, что происходит с падающей энергией в каждом случае.

7. Определить понятие «атмосферное окно».

8. Набросать схему оптических систем тонкой линзы, иллюстрирующих понятия оптических диафрагм, быстродействие объектива, поля зрения, и формулы оптической силы тонкой линзы.

9. Дать физическое объяснение каждой приведенной функции отражательной способности и описать, как они взаимосвязаны.

11.1. Теория излучения и источники излучения

Системы дистанционного зондирования, которые используются в настоящее время, являются в основном пассивными, т. е. датчик просто получает энергию от объекта, который был освещен внешним источником излучения, обычно солнцем. Активная система дистанционного зондирования генерирует излучение внутри системы (например, радиолокатор). В этой главе будут рассмотрены в основном пассивные системы.

Солнечное излучение

На рис. II.1 приведен график солнечной спектральной плотности энергетической освещенности Земли как функции длины волны. Этот график показывает влияние атмосферы на солнечное излучение при его прохождении через воздушные массы к земной поверхности. Составляющие атмосферу газы обусловливают сложную «структуру» солнечного спектра. И, наоборот, спектр солнечного излучения за пределами атмосферы очень гладкий. Фактически он очень напоминает спектр, излучаемый идеальным излучателем - абсолютно черным телом, при температуре приблизительно 6000 К. Интерпретация солнечного спектра в терминах идеального излучателя - абсолютно черного тела удобна в дистанционном зондировании, также большой интерес представляет спектр объектов при тем-3-859 33.