Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений

Подождите немного. Документ загружается.

ГИИ

энер

'СТЬ

П01

Плотно

0,3

0,25

0,2.

0,15

ол

0,05

t—

—_———^

'*w

L-

—m

-~——,

0,15 0,3 0,45 0,6 0,75 0,9 1,05 1,2 1,35 1.5 1,65 1,8 1,95

Длина волны, мкм

Рис.

1.4. Распределение энергии в спектре Солнца согласно закону Планка

мосфере, сильно поглощает опасно воздействующее на животный и рас-

тительный мир ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче

0,3 мкм, так что при наблюдении Солнца с поверхности Земли отсут-

ствует коротковолновый скат кривой В(Х, 7) (на рис. 1.4 заштрихо-

ван). В

остальном реальный спектр Солнца мало отличается от

рис.

1.4.

Глаз

человека видит предметы в интервале длин волн

0,38—0,76

мкм,

максимум чувствительности приходится на

= 0,5 мкм.

На волнах длиной более 4 мкм собственное тепловое излучение

Земли превосходит излучение Солнца. Регистрируя интенсивность теп-

лового излучения Земли из космоса, можно достаточно точно оцени-

вать температуру

суши

и водной поверхности, которая является важней-

шей экологической характеристикой. Измерив температуру верхней

границы облачности (ВГО), можно определить ее высоту, если учесть,

что в тропосфере с высотой температура уменьшается в среднем на

6,5 °/км.

При регистрации теплового излучения со спутников используется

интервал длин волн

10—14

мкм, в котором поглощение

атмосфере не-

велико. При температуре земной поверхности (облаков), равной

—50

°С,

максимум излучения согласно (1.1) приходится на

мкм, при +50

°С

—

на 9 мкм.

Если с помощью датчика, установленного на спутнике, измерен

поток энергии мощности

В-В(Х,

от некоторого объекта, то из (1.1)

получаем Г= (Х/с

)\п (с\ /Х

В + 1). Определенная по интенсивности

^теплового излучения (радиации) температура /"называется радиаци-

онной, в отличие от

термодинамической

температуры, характеризую-

щей интенсивность теплового движения молекул вещества и измеряе-

мой контактным термометром. Для абсолютно черного тела обе

температуры совпадают, для реальных тел

—

нет, так как для них вели-

чина # составляет некоторую

долю е

от плотности потока мощности, из-

лучаемой абсолютно черным телом при той же температуре; v носит на-

звание

коэффициента теплового

излучения.

тепловом ИК-дианазоне

коэффициент теплового излучения ближе всего к

для воды 0,98-0,99.

Для облаков также е ~ 1. Сложнее дело обстоит с поверхностью суши.

Здесь проявляется характер поверхности (гладкая или нет), ее увлажнен-

ность

т.д. Для свежего снега е- 0,986, для густой травы 0,970, глини-

стой почвы 0,980, хвойного леса

0,97.

Для достаточно точного (с погреш-

ностью не более

0,2-0,5

К) определения температуры поверхности из

космоса необходимо учитывать и коэффициент теплового излучения,

и поглощение в атмосфере.

Пример определения температуры воды со спутника в предположе-

нии, что для водной поверхности е= 1, показан на рис. 1.5.

Рис.

.5.

Температурная карта озера Байкал по данным спутника NOAA-14

з&

12 июля

пн--

'd*

•

;.;;*3v

H^-.^'

•*•••-• ,:

1.2.2.

Отражение и рассеяние солнечной энергии поверхностью

Установленная на спутнике аппаратура в видимом

ближнем ИК-

диапазоне регистрирует солнечную энергию, отраженную

рассеянную

поверхностью Земли. Отражательная способность

Л —

это отношение

количества (плотности потока) отраженной и рассеянной вверх ради-

ации /

к плотности потока падающей прямой радиации Солнца /

= /

. Обычно Л выражают в

и говорят об обшей отражательной

способности для широкой области видимого

ближнего инфракрасно-

го спектра. Можно определять А и для отдельных участков спектра.

И вообще, значение

для различных типов поверхности и различных

участков спектра

—

это ключ к распознаванию деталей на спутниковых

изображениях Земли.

Для идеально матовой поверхности зависимость интенсивности

радиации, рассеянной под углом а к нормали к поверхности, в точно-

сти подчиняется закону

Ламберта.

Такую поверхность имеют, например,

облака. Для других типов поверхности закон Ламберта выполняется

приближенно.

Значение

зависит от свойств (в том числе от влажности) отража-

ющей поверхности (трава, лес, почва и т.п.), от спектра падающей ра-

диации

—

прямой

рассеянной, от угла ее падения

Е^,

рельефа

т.п.

Так,

для зеленой растительности, образующей хорошо поглощающий слой,

мало в видимой части спектра (около 5%) и велико

ближней

К-об-

ласти. У оголенных почв отражательная способность очень различна:

у подзола

—

всего 7%,

сухого песка в красной части спектра

—

до 37%

(и заметно меньше

влажного песка). И

растений, и

почвы А обыч-

но растет

увеличением £(при низком Солнце).

зимнем хвойном ле-

су

снег,

лежащий между

деревьями,

увеличиваете при малом ^и не вли-

яет на

при косых солнечных лучах.

Для свежего снега

достигает

98%

в видимых лучах

гораздо мень-

ше в ИК-области. У старого зернистого и влажного снега и морского

льда А~

43—45%.

ПриЯ=

1,55—1,65

мкм снег почти черный (А ~0), что

при спутниковых наблюдениях позволяет отличать заснеженные уча-

стки от облаков, для которых на этих длинах волн А велико.

Для поверхности водоемов в видимой области А ~

4—6%

при ма-

лых £ и еще меньше в ИК-спектре с

А,

0,8—1,5

мкм, но возрастает до

30%

и выше при большом угле падения лучей или при зеркальном их

отражении (£ > 60°), когда, например, со спутника видна светлая до-

рожка солнечных бликов на воде. Волнение увеличиваете до 13%

при малых £ и уменьшает

—

при больших. Часть отражательной спо-

собности (1—4%) обусловлена светом, рассеянным в верхнем тонком

слое воды.

Среднее значение

поверхности Земли меньше

20%

в широком по-

ясе между

55°

с. ш. и 60° ю. ш., особенно в океанических областях. Весь

год оно выше 80% в Антарктике. В северной околополярной области

и в области снежного покрова, которая зимой местами распространи-

I • Н i , „.' - I--. , •; •

ется к югу до 40° с. ш., оно меняется с сезоном, но также велико

(65-75%).

Отражательная способность облаков, наблюдаемых сверху, тем

больше, чем мощнее их слой. Так, слой слоистых облаков толщиной

300 м имеет

59-63%.

Особый интерес представляет отражательная способность расти-

тельного покрова, которая определяется пигментами листа, особенно

хлорофиллом (рис. 1.6).

синей и красной областях видимого диапа-

ч-

0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

Длина волны, мкм

Рис.

1.6. Отражательная способность листьев сои (1) и кукурузы (2) с одинаковым

содержанием влаги (66—80%)

зона отражательная способность листа низкая из-за наличия полос по-

глощения с центрами при

Х\

=0,45 и

А.

= 0,65 мкм. Между полосами,

т.е.

в зеленой области, максимум отражательной способности лежит

приблизительно при 0,54 мкм. При этом нормальная, здоровая листва

воспринимается глазом как зеленая. Когда растение находится

состо-

янии стресса и образование хлорофилла уменьшается, поглощение

энергии в полосах Х\ и Х

уменьшается, отражательная способность

повышается, что особенно заметно в красной области. Поэтому расте-

ние кажется желтоватым.

ближнем ИК-диапазоне при

X >

0,75 мкм поглощательная способ-

ность зеленого листа мала (~5%), отражательная способность достаточ-

но велика (до 45-50%), значительное количество энергии проходит

сквозь лист

(45—50%).

Отражательная способность нескольких слоев ли-

стьев выше (до 85%), чем одного листа.

среднем ИК-диапазоне вода

имеет несколько полос поглощения (при Х~ 1,4; 1,9 и 2,7 мкм), в ко-

торых спектральный отклик зеленых листьев ослаблен . У хвойного

леса для всего видимого диапазона А

6—16%,

лиственного леса ле-

том А

7-18%, у травы А = 7-25%, у поля близких к зрелости злаков

/1=

13-23%.'

• ->

Установленная на спутнике NOAA аппаратура регистрирует восхо-

дящее от земной поверхности излучение в красном (0,58—0,68 мкм,

полоса поглощения \

), ближнем инфракрасном (0,725-1,0 мкм) и не-

которых других областях спектра. Сравнивая между собой яркос-

ти/1 и/

изображения растительности в красном и ближнем ИК-участ-

ках, можно судить о состоянии растений в данном районе. Для этого

используют так называемый дифференциальный вегетационный индекс

DVI-f

—/|. Однако

DVJ

очень чувствителен к взаимному расположе-

нию источника освещения (Солнца), спутника и растений. Нормали-

зованный дифференциальный вегетационный индекс

NDVI=

AzA

(12)

в значительной степени лишен этого недостатка. Это связано

тем,

что

fi изменяются приблизительно пропорционально при изменении

взаимного расположения Солнца, спутника и растений. При обработ-

ке данных со спутника NOAA нередко используют не

NDVI,

а полови-

ну этой величины.

Для растений в нормальном состоянии NDVI близок к 0,6—0,65;

низкие значения NDVI (порядка

0,3—0,4)

свидетельствуют о недостат-

ке влаги или о заболевании растения. Угнетение вегетации может быть

вызвано неблагоприятной экологической обстановкой, поэтому NDVI

является также индикатором загрязнения окружающей среды.

Более точно о состоянии растительности из космоса можно судить,

если использовать не два, а большее число участков видимого и ближ-

него ИК-диапазона. В отличие от спутника NOAA спутники «Ре-

сурс-01-3», LANDSAT и SPOT позволяют дополнительно измерять

яркость объектов в зеленом (0,5—0,6 мкм) участке спектра, т.е. точнее

различать сельскохозяйственные культуры, определять занимаемую

ими площадь и оценивать урожайность. Спутники с многоспектраль-

ной аппаратурой эффективны при мониторинге загрязнения окружа-

ющей среды, при поиске полезных ископаемых, при изучении океан-

ских ресурсов

др.

1.2.3.

Влияние атмосферы

При дистанционном зондировании поверхности Земли атмосфера

является возмущающей средой, которая искажает спутниковые данные,

а в некоторых участках электромагнитного диапазона, например

даль-

нем инфракрасном с длиной волны около 100 мкм, вообще препятст-

вует дистанционному зондированию. С другой стороны, спектраль-

ные линии поглощения газов однозначно характеризуют ли тазы,

а интенсивность

шмриналиний отражают их физические параметры

(температуру, плотность, общее количество молекул). Полому спект-

ральные линии очень важны при дистанционном зондировании самой

атмосферы.

До высоты 100 км атмосферные газы равномерно перемешаны.

основным составляющим атмосферы относя! кислород 0

(около

21%

воздуха по объему), азот N

(около 78%) и аргон Аг (несколько менее

1%). Влияние их на наблюдение Земли из космоса незначительно.

Важным компонентом атмосферы является водяной пар, содержа-

ние которого в атмосфере непостоянно и относительно невелико. Он

имеет очень большое число линий поглощения в инфракрасном и ми-

кроволновом диапазонах спектра, начиная с ^=0,72 мкм

0,81;

0,94; 1,1; 1,38; 1,87; 2,7-3,2; 6,3 мкм. Широкая линия поглощения пе-

рекрывает диапазон длин волн примерно от 10 мкм до

см.

Углекислый газ С0

имеет две узкие линии поглощения при

= 2,7 мкм и 4,26 мкм и вызывает сильное поглощение в дальней ин-

фракрасной зоне спектра, начиная с

мкм.

Известно, что в атмосфере в небольших количествах содержится

20—30 так называемых малых газов, имеющих как естественное, так

и антропогенное происхождение. Некоторые из них, как и углекис-

лый газ, могут влиять на климат Земли и на здоровье человека. К малым

газам естественного происхождения относят закись азота N

0 и метан

СН

(результатдеятельности бактерий), сернистый ангидрид SO?, сер-

нистый карбонил COS, сероводород H

S и др. (вулканические выбро-

сы),

также озон 0

, возникающий в верхних слоях атмосферы под воз-

действием ультрафиолетового излучения Солнца. К малым газам

антропогенного происхождения причисляют отходы топок, производ-

ства, транспорта, сельского хозяйства: S0

, СО, хлорводород

НС1,

фре-

оны CCI

и др.

Естественный аэрозоль

—

твердые и жидкие частицы, взвешен-

ные в воздухе, — включает космическую, вулканическую и почвенную

минеральную пыль, пыльцу растений, частицы морской соли, капли об-

лаков и туманов, частицы дыма лесных

торфяных пожаров. Антропо-

генный аэрозоль

—

это частицы сажи, пепла, цемента

других отходов

производства и транспорта. Существенным источником загрязнения яв-

ляются топки печей, ГРЭС, тепловые двигатели.

Для многоатомных малых газов, а также С0

характерны электрон-

ные переходы с энергией диссоциации порядка 3-5 эВ,

также враща-

тельно-колебательные переходы

энергией возбуждения порядка

0,1

эВ

и менее. Первые из них связаны с солнечным излучением УФ- и види-

мого диапазонов, вторые

—

с квантами

К- и радиодиапазона.

Молекулы озона 0

, находящиеся

основном

стратосфере, силь-

но влияют на общее поглощение только

одном небольшом участке ин-

фракрасной зоны

(X —9,59

мкм). Однако озон активно поглощает энер-

гию в ультрафиолетовой зоне и в зоне миллиметровых радиоволн.

Например, слой озона толщиной всего

мм (при нормальном давлении

температуре) в

раз ослабляет УФ-излучение Солнца длиной вол-

ны ^ =

0,255

мкм. И озон, и другие газы при поглощении преобразуют

энергию Солнца в тепловую.

Малые газы, водяной пар

С0

вызывают ослабление излучения из-

за

дискретного поглощения

таких важных диапазонах длин волн, как

ближний инфракрасный

(~1

мкм)

тепловой инфракрасный (>10мкм).

результате

дальнем

И К

остается прозрачным только один широкий

диапазон длин волн 8—12 мкм, а в ближнем и среднем

И К

в зоне длин

волн менее 4 мкм имеются четыре узких диапазона, которые и исполь-

зуются для дистанционного зондирования. Прозрачен и видимый ди-

апазон, однако в наиболее коротковолновой его части (фиолетовый

и голубой участки) велики «помехи» от молекулярного рассеяния сол-

нечного света.

Атмосфера не прозрачна в дальней ИК-зоне спектра, где длина

волны более

мкм. И только при волне длиной около I мм атмосфе-

ра вновь становится более прозрачной, поскольку лишь некоторые,

более слабые переходы вызывают поглощение (рис. 1.7). Ослабление ат-

мосферой восходящего излучения от поверхности Земли в полосах

прозрачности описывается объемным коэффициентом поглощения а,

л рассеяние света молекулами газов, капельками воды, пылинками

—

объемным коэффициентом рассеяния о. Оптическая толщина т

—

это

произведение объемного коэффициента ослабления света атмосферой

на геометрическую длину пути светового луча. Если коэффициенты а

и о зависят от координаты (а плотность атмосферы меняется с высотой),

то на пути между точками с координатами

/*,

и г

6 100

У.

*ч{\

t VJ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Длина волны, мкм

:,\

Рас. 1.7. Окна прозрачности атмосферы в оптическом диапазоне

**!

W *

*я

1(г

)

J|a(r)

a(r)|rfr.

;ИЙ*'

'-•V .,

/•Л!'

' i J •

И v

•i '

t^M'Vii

.'jf/i:

!.:, •

Солнечное

излучение Спутник

Отражение

от поверхности

При малых эффектах многократного рассеяния, т.е. в пределах

справедливости закона Бугера, /|- /

ехр(-т), где /

и /|

—

интенсивно-

сти в начальной (на поверхности Земли) и в конечной (на орбите спут-

ника) точках при наблюдении в надир. Эффектами многократного рас-

сеяния можно пренебречь для зеленого (G) и более длинноволновых

участков спектра, но не для синего (В).

Приведенная формула

справедлива для наблюдения

в надире. Если поверхность

наблюдается под углом 5 к на-

диру, то путь, пройденный из-

лучением

атмосфере, увели-

чится (рис. 1.8).

этом случае

спутник регистрирует излуче-

ние /

= /

ехр(-т sec б). Фор-

мула не учитывает кривизну

, „ „ ^ Земли; существуют методики,

Рис.

1.8, Диаграмма, поясняющая наблюдение под

углом

к надиру

позволяющие провести такой

учет. Не учитывается также

влияние возможных горизонтальных локальных неоднородностей (на-

личие тумана, дымки, облаков пыли

т.д.),

поэтому расчет приближен-

ный.

атмосфере рассеяние света молекулами различных веществ под-

чиняется некоторым закономерностям. Интенсивность молекулярно-

го

рассеяния пропорциональна Яг

, что наиболее заметно в коротковол-

новой части спектра, ответственной за голубой цвет неба. Рассеяние на

аэрозолях (размер частиц от

0,1

до \0Х) пропорциональное", 0< а< 4.

Размеры молекул дыма

облаков много больше длины волны видимо-

го и ИК-диапазонов, поэтому интенсивность рассеянного солнечного

излучения не зависит от длины волны и цвет дымов и облаков близок

к белому.

Спутник может принимать информацию с больших площадей,

при этом различные участки поверхности наблюдаются под разными уг-

лами 6

луч от них проходит разные расстояния в атмосфере.

резуль-

тате яркость одинаковых по оптическим свойствам участков поверхно-3

сти будет различной. Для расчетов по формуле Бугера необходимо

знать оптическую толщину атмосферы т, для чего на Земле следует из-

мерять ослабление солнечной радиации. Значение т можно опреде-

лять со спутника, наблюдая яркость объектов с заранее известными

оптическими характеристиками. Можно также грубо оценить

в види-

мом участке спектра, используя зависимость между

и метеорологиче-

скими характеристиками тропосферы: температурой воздуха, скоростью

ветра, относительной влажностью и упругостью водяного пара.

Более точно учесть влияние атмосферы можно на основе теории пе-

реноса излучения в атмосфере, которая позволяет оценить яркость

объектов поданным измерения восходящего излучения путем решения

обратной задачи.

1.3. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА

1.3.1.

Оптические методы

Первые изображения Земли из космоса были получены с помо-

щью фотокамеры. Эта методика применяется и в настоящее время.

Спутник с фоторегистрацией «Ресурс-Ф1 М» (Россия) позволяет фото-

графировать Землю в интервале длин волн

0,4—0,9

мкм. Отснятые ма-

териалы спускаются на Землю

проявляются. Анализ снимков, как пра-

вило,

проводится визуально с помощью проекционной аппаратуры,

которая позволяет также получать цветные фотоотпечатки. Метод обес-

печивает высокую геометрическую точность изображения; можно уве-

личить снимки без заметного ухудшения качества. Однако он малоопе-

ративен, поскольку изображение представлено в виде фотографий, а не

в цифровой форме, и эффективен в види-

мом и ближнем ИК-диапазонах.

Этих недостатков лишены ска-

перные методы. Сканере цилинд-

рической разверткой в принципе

представляет собой маятник,

закрепленный в одной точ-

ке и колеблющийся попе-

рек направления дви-

жения аппарата

(рис.

1.9). На кон-

це маятника в его

фокальной плос-

кости установлен

объектив с точеч-

ным фотоприем- Рис. 1.9.

Схема

сканирования поверхности Земли

Направление

движения

спутника

Поверхность Земли

ным устройством (фотоэлектронный умножитель, фотодиод, фоторе

зистор). При движении аппарата над Землей с выхода фотоприемного

устройства снимается сигнал, пропорциональный освещенности в ви

димом или ближнем ИК-диапазоне того участка земной поверхности,

на который

в данный

момент направлена

ось

объектива.

Если фотопри

емное устройство

—

фоторезистор, то можно регистрировать излучение

тепловом ИК-диапазоне

определять температуру поверхности

об

лаков. На практике сканер неподвижен, а качается (вращается) зерка-

ло,

отражение от которого через объектив попадает на фотоприемнос

устройство. Сканерная информация в цифровой форме передается со

спутника в реальном времени или в записи на бортовой магнитофон;

на Земле она обрабатывается на ЭВМ.

Линейный сканер содержит расположенные

в линию

неподвижные

фоточувствительные элементы 190-1000

более на приборах

зарядо-

вой связью (ПЗС) —линейку ПЗС или несколько

таких

линеек длиной

порядка сантиметра.

На

линейки через объектив фокусируется изобра-

жение земной поверхности, все элементы находятся

фокальной пло-

скости. Линейка, ориентированная поперек направления движения

спутника, перемешается вместе с ним, последовательно «считывая»

сигнал, пропорциональный освещенности различных участков поверх-

ности и облаков. Линейные сканеры на ПЗС работают в видимом

и ближнем ИК-диапазонах.

Сканер МСУ-СК, устанавливаемый на российских спутниках «Ре-

сурс-О» и др., единственный, в котором реализован перспективный

принцип конической развертки, заключающийся в перемещении ви-

зирного луча

по поверхности конуса

осью,

направленной

надир.

Ска-

нирующий луч описывает по сферической поверхности Земли дугу

(обычно

переднем секторе сканирования). За счет перемещения спут-

ника изображение представляет собой совокупность

дуг.

Достоинством

такого вида развертки является постоянство угла между поверхностью

Земли и направлением на спутник, что особенно важно при изучении

растительности. Постоянно также расстояние

от спутника

до

каждой

точки дуги, так что разрешение сканера МСУ-СК,

отличие от скане-

ров с цилиндрической и линейной разверткой, постоянно по всему

изображению. При этом для достаточно больших участков изображе-

ния постоянно

атмосферное ослабление восходящего излучения и нет

необходимости в атмосферной коррекции. Отсутствуют также иска-

жения изображения за счет кривизны Земли, характерные для других

сканеров.

Важными характеристиками сканера являются полоса обзора (7,

радиометрическая разрешающая способность

Л/,

мгновенное поле зре-

ния А/и разрешение на местности

&L.

Радиометрическая разрешающая