2 Билет

1.

Оптические характеристики природных объектов

Все объекты земной поверхности при наблюдении и съемке в видимом и ближнем ИК диапазонах воспринимаются раздельно благодаря их яркостным различиям. Яркость объекта зависит от освещенности, отражательной способности, поглощения отражательного излучения промежуточной средой.

К показателям, характеризующим яркость объектов и определяющим дешифровочные возможности материалов дистанционных съемок, относят:

коэффициент полного отражения, или альбедо А;

коэффициент яркости r;

коэффициент спектральной яркости rл,

яркостной контраст К;

интервал яркости U.

Эти показатели учитывают при расчете условий съемки для получения наиболее информативных съемочных материалов и для их дешифрирования. Краткая характеристика данных показателей приводится ниже.

Альбедо - это отношение светового потока, отраженного данной поверхностью по всем направлениям F, к полному потоку, поступающему на исследуемую поверхность F0: A=F/F0. Различают спектральное Ал и интегральное А альбедо. Ал, определяемое в некотором интервале длин волн л1л+?л, составляет:

Ал= Fл/Foл.

Коэффициент яркости r определяется отношением яркости лучистого потока В, отраженного в каком-либо фиксированном направлении, к яркости лучистого потока от идеально рассеивающей поверхности в данном направлении, имеющей коэффициент отражения, равный единице, и находящейся в тех же условиях освещения и наблюдения, r=В/В0. За идеально рассеивающую (абсолютно белую) поверхность принимают обычно гипсовую пластинку, покрытую окисью магния, или белую бумагу, покрытую сернокислым барием. Они примерно на 90 % отражают световые лучи и во всех направлениях имеют почти одинаковую яркость. Отражательную способность их условно считают равной единице. Коэффициент яркости характеризует суммарную отраженность света в интервале длин волн видимого и ближнего ИК диапазонов электромагнитного спектра, поэтому его называют также интегральным.

Объекты оптически нейтральные (серые) имеют одинаковый коэффициент яркости для всех видимых и ближних ИК лучей спектра. Для объектов с тоновыми или цветовыми различиями коэффициент яркости неодинаков для разных участков спектра; его называют коэффициентом спектральной яркости и определяют по формуле:

rл=Bл/B0л,

где Вл - спектральная яркость объекта; В0л - спектральная яркость идеально рассеивающей поверхности в одинаковых условиях освещения и наблюдения.

Объекты земной поверхности выявляются на снимках в значительной степени благодаря различиям в их яркости, которые оцениваются яркостным (пограничным) контрастом К. Он равен отношению разности яркостей (коэффициентов яркостей) смежных объектов к большей из них:

K = (Bl-B2) /Bi= (rl-r2) /rl.

Объекты, у которых К=1, называют объектами абсолютного контраста. Такой контраст имеет комбинация абсолютно черных и абсолютно белых объектов. В природе их практически нет. Близкий к абсолютному контраст имеют, например, свежевыпавший снег на фоне хвойного леса, солнечный блик (зеркально отраженный солнечный свет) на фоне остальной поверхности водоема, т.е. объекты, яркость одного из которых очень мала по сравнению с яркостью другого. Различают объекты, имеющие большой контраст - контрастные (К>0,5), мало - (К<0,2) и среднеконтрастные (К=0,2-0,5). В природе преобладают малые и средние контрасты.

Яркость лучистого потока - это показатель, характеризующий яркостные особенности естественной освещенности (падающей или отраженной).

Наименьшее значение контраста, начиная с которого объект становится доступным для зрения, называют порогом зрительного восприятия, или пороговым контрастом, - для большинства людей он равен 0,01-0,02 (в оптимальных условиях наблюдения и освещения, при четкой границе между объектами и фоном и в достаточно крупных размерах объекта).

Яркость, или цвет, объекта определяется характером отраженного лучистого потока и спектральной отражательной способностью, зависящей от структуры поверхности объекта; последняя влияет на изменение яркости с изменением направления ее измерения. Рассеяние света и изменение формы отраженного светового пучка принято характеризовать индикатрисой рассеяния (отражения), которую представляют в виде полярной диаграммы. Индикатриса - это поверхность, построенная вокруг элемента, рассеивающего лучистый поток так, чтобы рассеяние частиц от этого элемента было пропорционально коэффициенту рассеяния в соответствующих направлениях. При этом между длиной волны рассеянной радиации и индикатрисой рассеяния имеется связь, которую необходимо учитывать при планировании спектрофотометрических и съемочных работ и дешифрировании полученных материалов. По виду индикатрисы рассеяния выделяют три типа поверхностей.

Слабошероховатые (ортотропные), у которых составляющие элементы ориентированы различно, а яркость во всех направлениях одинакова, поверхность матовая; свет имеет равномерное диффузное рассеяние, индикатриса круговая (рис.2.5, а). Такой тип поверхности характерен для травянистой растительности. Вид индикатрисы, а соответственно и фототон изображения устойчивы. У увлажненных слабошероховатых поверхностей индикатриса может превратиться в вытянутую.

Гладкозеркальные с направленным рассеиванием, у которых яркость усиливается в сторону источника света или сторону зеркального отраженного луча и индикатриса вытянута в этих направлениях (рис.2.5, б, в). Вытянутость индикатрисы изменяется от изменения угла наклона солнечных лучей и поэтому имеет суточный ход, соответственно в течение дня меняется и фототон изображения. Такой тип поверхности характерен для некоторых обнаженных грунтов (известняка, базальта, солончака и др.), воды, снега, льда.

Смешанные с рассеянно-направленным отражением, у которых элементы поверхности ориентированы большей частью одинаково. В связи с этим яркость меняется в зависимости от угла направления солнечных лучей, а индикатриса вытянута одновременно в стороны источника света и отражения. Вытянутость индикатрисы зависит также от угла наклона солнечных лучей и имеет суточный ход. Такой тип поверхности имеют объекты заметной высоты - лес, микрорельеф и пр.

Исследования ахроматических и спектральных индикатрис отражения и их динамики показали существенные различия между спектральными индикатрисами отражения. Для каждого элемента ландшафта характерна индикатриса отражения определенного типа. Форма ее зависит от высоты Солнца, фенологического состояния, погодных условий. С уменьшением высоты Солнца возрастает неравномерность углового распределения отраженного излучения, особенно интенсивно у объектов с сильно иссеченной или гладкой поверхностью. Роса увеличивает вытянутость индикатрисы в сторону зеркального отражения и освещения.

2. Спектральные отражательные свойства растительного покрова определяются следующими основными физическими факторами: оптическими свойствами листа (количество хлорофилла, каротина и других пигментов), геометрией покрова и угловым распределением листьев, отражательной способностью почв, на которых она находится, проективным покрытием почвы растительностью, углом освещения и углом наблюдения, состоянием атмосферы.

На рис. 8 приведена спектральная отражательная способность различных классов растительность в трех спектральных каналах.

Растительность в хорошем состоянии с большим количеством хлорофилла в листьях (ярко-зелёные лиственные леса, густые, сочные луга) имеет характерную спектральную кривую: высокое значение в зелёном участке спектра, резкое падение в красном участке спектра и очень высокий подъём в ближней ИК-области (рис. 8, кривая 1).

С ухудшением состояния растительности падает отражательная способность в диапазоне 500–600 нм, исчезает падение в красном диапазоне и резко уменьшается подъём в ближней ИК-области (рис. 8, кривые 3, 4), т. е. постепенно спектральная кривая растительности превращается в спектральную кривую почвы, на которой она растёт. То есть для очень плохой растительности (проективное покрытие менее 15 %) кривая спектральной отражательной способности практически вырождается в плавно возрастающую прямую и приближается к кривым, характерным для открытых почв

Здоровая зелёная растительность в ближнем ИК-диапазоне по сравнению с видимым диапазоном длин волн характеризуется очень высокой отражательной способностью. Отражение листьями солнечной энергии, наблюдаемое в ближнем ИК-диапазоне, связано с различными коэффициентами преломления света между воздушным пространством и оболочками клеточных структур. Растения с более рыхлой структурой листа в ближнем ИК-диапазоне имеют больший коэффициент отражения, чем растения с плотной структурой.

Отражательная способность нескольких слоёв листьев больше, чем одного листа, что можно наблюдать в ближнем ИК-диапазоне.