Моделі та спектральні характеристики об’єктів аерокосмічного зондування.

Вплив процесів енергомасообміну в системі грунт-вода-рослини і формування спектральних характеристик рослинного покрову

Космічні зображення певних ділянок Землі – це, насамперед, інформаційні моделі таких ділянок. Вони містять різноманітні дані про різні об’єкти та явища, про їхні взаємозв’язки, просторовий розподіл, стан, зміни в часі тощо. Ефективне використання таких зображень потребує знання про їхні інформаційні властивості та володіння спеціальними способами видобування з них необхідної інформації.

Знімання Землі з космосу забезпечується спеціальними космічними системами вивчення природних ресурсів та моніторингу навколишнього середовища. Вимоги різних користувачів до оглядовості, оперативності, роздільної здатності, періодичності, спектральних каналів інколи суттєво відрізняються. А це вимагає наявності на орбіті одночасно багатьох супутників ДЗЗ, які дозволяють отримувати різні типи космічних зображень. Класифікація останніх здійснюється за певними критеріями, наприклад:

1) за спектральним діапазоном електромагнітного випромінювання, яке використовується;

2) за типом сигналу (власне чи відбите, природне чи спрямоване від штучного джерела випромінювання), який реєструється;

3) за способом реєстрації електромагнітних хвиль (фотографічні, сканерні, телевізійні);

4) за розрізненням та оглядовістю.

Зупинимося детальніше на класифікації, пов’язаній зі спектральним діапазоном електромагнітного випромінювання. В даний час у дистанційних методах використовують відносно невелику частину спектру – від 0,380 мкм до 3 м (рис. 2.1). На зони спектру, який використовується, накладаються обмеження, пов’язані з прозорістю атмосфери. Є кілька спектральних інтервалів, у яких електромагнітне випромінювання майже цілком пропускається атмосферою ( це так названі вікна прозорості атмосфери). Найбільш широке застосування в методах ДЗЗ із космосу знаходить вікно прозорості, що відповідає оптичному діапазону (він також називається видимим). Використання короткохвильової ділянки видимої зони спектру ускладнено значними варіаціями пропускної здатності атмосфери на цьому спектральному інтервалі в залежності від параметрів її стану. Тому на практиці при ДЗЗ із космосу в оптичному діапазоні застосовують спектральний інтервал

Рис 2.1 - «Вікна прозорості» атмосфери і діапазони знімання

довжин хвиль, що перевищують 0,5 мкм. У далекому інфрачервоному (ІЧ) або тепловому діапазоні (3...1000 мкм) є тільки три вузьких вікна прозорості: 3...5 мкм, 8...14 мкм і 30...80 мкм, з яких поки в методах ДЗЗ із космосу використовують тільки перші два. В ультракороткохвильовому діапазоні радіохвиль (1мм...10м) є відносно широке вікно прозорості від 2 см до 10 м. У методах ДЗЗ із космосу застосовують його короткохвильову частину (до 1м), названу надвисокочастотним (НВЧ) діапазоном (в американській літературі для найбільш короткохвильової частини цього діапазону вживається термін «мікрохвильовий діапазон»). Крім того, в ультракороткохвильовому діапазоні радіохвиль є кілька вузьких вікон прозорості в міліметровій і субміліметровій зонах.

Коефіцієнти прозорості залежать не тільки від спектрального діапазону випромінювання, що використовується, але і від різних параметрів стану атмосфери (вмісту аерозолів, водяного пару та інших газових складових). У табл. 2.1 приведені дані про прозорість атмосфери в різних спектральних інтервалах, розраховані на основі молекулярної моделі, що використовує параметри стану атмосфери, усереднені для умов України.
Для кожного з перерахованих спектральних діапазонів характерний специфічний механізм формування сигналу, який реєструється апаратурою ДЗЗ, і залежить від виду випромінювання (відбите чи власне), а також від типу поверхні, яка зондується (суша, вода, атмосфера).

Табл. 2.1 - «Вікна прозорості» атмосфери

Основною характеристикою взаємодії випромінювання в оптичному діапазоні із середовищем є коефіцієнт спектральної яскравості (КСЯ), який характеризує просторовий розподіл спектральної яскравості поверхні та дорівнює відношенню яскравості даної поверхні B() до яскравості поверхні В0(λ) з ідеальним розсіюванням з коефіцієнтом відбивання, рівним одиниці і освітленої так само, як і дана поверхня:

r(λ) = B(λ) /B ₀(λ).

За ідеальний розсіювач звичайно приймають поверхні, які рівномірно розсіюють всі довжини хвиль спектру, наприклад, гіпсові пластинки, пластинки, покриті барієм тощо. Схематизовані криві спектральної яскравості основних класів природних об’єктів показані на рис. 2.2.

На відміну від оптичного в тепловому діапазоні можлива реєстрація не тільки відбитого сонячного випромінювання, а і власного випромінювання поверхні Землі та атмосфери.

Рис. 2.2 Схематизовані криві спектральної яскравості основних класів природних об”єктів: І - гірські породи, ІІ - рослиннй покрив, ІІІ - сніжний покрив, IV - водяні поверхні.

Коефіцієнти яскравості та випромінювання ґрунтів та гірських порід залежать від температури, вологості, структури поверхні та їх складу.

Для рослинного покриву інтенсивність власного випромінювання залежить від його термодинамічної температури. Спостереження за нею має велике значення для моніторингу агроресурсів та екологічного моніторингу (виявлення захворювання рослин, їх ураженні шкідниками).

Теплові характеристики водної поверхні залежать від термодинамічної температури, наявності і товщини поверхневих плівок, хвилювання, солоності тощо. Так, нафтова плівка на поверхні води зменшує її випарювання і цим самим спостерігається ефект підвищення температури поверхневого шару води.

Вплив атмосфери на теплове випромінювання проявляється в тому, що додається таке ж випромінювання атмосфери, яке більш інтенсивне в смугах поглинання.

В НВЧ-діпазоні ДЗЗ, як і в тепловому, можлива реєстрація як відбитого, так і власного випромінювання поверхні. Але для реєстрації відбитого випромінювання необхідно використовувати активні методи зондування за допомогою радіолокаторів (радарів) різних типів.

Цими методами вивчається, насамперед, вологість, склад, щільність рослинного покриву, структура поверхні і товщина льоду.

Атмосфера для НВЧ-зондування є практично прозорою.

Основною характеристикою космічних знімків є роздільна здатність (resolution). Вона характеризує можливість розрізняти пікселі, які близько розташовані у просторі або спектрально подібні. В дистанційному зондуванні Землі термін «роздільна здатність» має надзвичайно важливе значення в першу чергу як характеристика зображень поверхні Землі та об’єктів (тобто знімків ДЗЗ).

Просторова роздільна здатність - це міра найменшого кутового або лінійного поділу двох об’єктів (звичайно виражена в радіанах або в метрах). При цьому чим меншою є чисельна величина параметру роздільної здатності, тим більшу роздільну здатність він позначає.

В широкому розумінні роздільна здатність зображення визначає його здатність відображати більш дрібні деталі об’єктів. Оцінка просторової роздільної здатності здійснюється за такими показниками, як контраст (різниця показників яскравості об’єкту та його оточення), форма об’єкту (точність передачі форми в зображенні), співвідношення геометричних розмірів (збереження пропорцій), кількість об’єктів на знімку (як багато об’єктів зафіксовано зйомкою), однорідність і детальність фону.

Спектральна роздільна здатність - це міра як дискретності одних смуг частот, так і чутливості датчика для розрізнення градацій яскравості. Наприклад, три датчики супутників Ландсат-1 і Ландсат-2 були чутливі в ділянках довжин хвиль більше 0,1 мкм і могли розрізняти 128 рівнів спектральної інтенсивності; 4-й датчик був чутливим в ділянці 0,3 мкм і міг розрізняти 64 рівні інтенсивності. Іноді для опису чутливості датчиків, які вимірюють енергію, що випромінюється, користуються також терміном «теплова роздільна здатність». Просторова роздільна здатність системи дистанційного зондування є також функцією спектральних відмінностей між об’єктами та їх фоном, форми об’єктів і відношення системи сигнал/шум.

Для того, щоб виміряти роздільну здатність зображень, використовуються певні підходи. Найпростішою мірою роздільної здатності є розміри найменших об’єктів, які ще можна вирізнити на знімку. Наприклад, коли кажуть про роздільну здатність знімку 2 м, це означає, що об’єкти такого розміру і більше можна розрізнити на цьому зображенні. Іноді використовують так званий підхід функції передачі модуляції (ФПМ), тобто роздільна здатність вимірюється за тим, як знімок передає зміни просторової частоти на об’єкті.

Важливим параметром є лінійна роздільна здатність зображень R, яка визначається за формулою: R= 1/2l [мм]-1,

де l - лінійний елемент роздільної здатності, під яким розуміють ширину зображення окремого лінійного видовженого об’єкту, який ще можна розпізнати на знімку. Існують різні методики визначення цього параметру - через параметри фотографічної апаратури, емпіричні формули, показник контрасту та ін.

Часто за межу роздільної здатності беруть визначену в натурних умовах середньостатистичну ширину видовженого об’єкта (мінімальну, яку можна розрізнити), відношення довжини якого до ширини становить не менше 10.

Особливої уваги заслуговує явище «змішаних пікселів». Як відомо, піксель - це найменша ділянка, яку можна ідентифікувати на знімку. Дуже часто, коли на знімок попадають великі за розмірами об’єкти, їх краї разом з фоном (тобто границя контрасту) припадають на окремі пікселі. Це створює проблеми для інтерпретації зображень, тому що точні деталі (наприклад, межі водойм) відображаються в розмірах, менших ніж розміри найменших одиниць зображення - пікселів. Було підмічено, що чим менша роздільна здатність знімків, тим більша кількість «змішаних пікселів» на зображеннях. Таким чином, краща роздільна здатність підвищує точність і достовірність інформації, яка отримується при аналізі матеріалів ДЗЗ.

За просторовим розрізненням виділяються знімки низького (R<1 км), середнього (0,1 км R 1 км), високого (10 м R 100 м), дуже високого (1 м R 10 м), надвисокого розрізнення (R < 1 м).

За оглядовістю розрізняють знімки глобальні (площа знімка S складає близько 108 км2), континентальні (S106), регіональні (S104), локальні (S102).