Спектральная яркость основных классов природных объектов

Спектральная отражательная способность природных объектов

Фундаментальные исслед-я по спектрометрированию выполнил Е. Л. Кринов еще в 40-х годах прошлого века. Положив начало работам по оптике л-тов, он разработал первую спектрометрическую класс-цию, к-рая со временем стала классической. По спектральной яркости в видимом диапазоне, где получен наибольший объем экспериментальных данных, все многообразие объектов зем. пов-ти отчетливо делится на несколько классов, каждый из к-рых отличается по хар-ру спек-тральной отражательной способности.

I. Горные породы и почвы харак-ся увеличением коэф-тов спектральной яркости по мере приближения к красной зоне спектра. Спектральная яркость горных пород зависит от входящих в их состав минералов и элементов, а почв — от содержания соед-й железа и гумуса.

II. Растительный покров отличается характерным максимумом отражат-ой способности в зеленой (0,55 мкм), минимумом — в красной (0,66 мкм) и резким увеличением отражения в ближней инфракрасной зоне. Низкая отражат-ая способность вегетирующих растений в красной зоне связана с поглощением, а ее увеличение в зеленой зоне — с отражением этих лучей хлорофиллом. Большие коэф-ты яркости в ближней инфракрасной зоне объясняются пропусканием этих лучей хлорофиллом и отражением их от внутренних тканей листа.

III. Водные пов-ти харак-ся самыми низкими значениями и монотонным уменьшением отражательной способности от сине-фиолетовой к красной зоне спектра, поскольку длинноволновое излучение сильнее поглощается водой.

IV. Снежный покров обладает наиболее высокими значениями коэф-тов спектральной яркости с небольшим их понижением в ближней инфракрасной зоне спектра. Близки к этому классу

по хар-ру отражения облачные образования, к-рые имеют несколько узких полос поглощения в длинноволновой части спектра.

Общим для всех объектов явл-ся понижение коэф-та спектральной яркости в зоне 2-3 мкм. Обращают на себя внимание два минимума у кривых при длинах волн 1,43 и 1,93 мкм, обусловленные полосами поглощения воды. Особенно они заметны у кривой отражения зеленой растит-ти, где они добавляются к уже отмеченному минимуму в зоне 0,66 мкм.

Спектральная отражательная способность, по к-рой разделены классы, различается и у объектов внутри класса.

Коэф-ты спектральной яркости варьируют в опред-ых пределах и для объектов одного вида. Так, на отражательную способность горных пород влияют запыленность, разл. поверхностные выцветы и корки, спектральное отражение к-рых по сравнению с исх. породой может существенно отличаться. При повышении влажности почв их яркость уменьшается (при полном насыщении водой — в 2 раза), но хар-р кривой спектральной отражательной способности не меняется.

Спектральная яркость растений меняется с их возрастом: она выше у молодых растений и ниже у находящихся в стадии полной зрелости. Отражательная способность растит-ти зависит от фитопатологических изменений. При заболевании растения его листья начинают слабее поглощать красные и отражать инфракрасные лучи. Из всех объектов суши растит-ый покров имеет наиболее информативные спектральные харак-ки, к-рые чутко реагируют на его изменчивость.

Отражательная способность водных объектов сильно зависит от содержания в воде фитопланктона и ее загрязнения — наличия взвешенных частиц, нефтяной пленки и т.д.

Загрязнение снега и содержание в нем воды также приводят к изменениям отражательной способности. При насыщении снега водой отражение ближнего и среднего инфракрасного излучения резко падает.

Спектральная отражательная способность зависит от св-в объектов, их состояния, а также от сезона. Дистанционно опознавать объекты и оценивать их состояние возможно не только по величине коэф-та спектральной яркости, но и по спектральной индикатрисе отражения. Сущ-ет много объектов на зем. пов-ти, к-рые по разным направлениям отражают излучение разного спектрального состава. Напр., в составе отраженного излучения поля цветущего подсолнуха в восточном направлении всегда преобладают оранжево-красные лучи, а в западном — зеленые. Поэтому коэф-ты спектральной яркости прир. объекта, измеренные при визировании под разными углами к зем. пов-ти, могут служить его колич-ыми спектральными признаками.

Источник

4. Оптические свойства объектов земной поверхности, критерии отра­жательной способности.

При аэро- и космических съемках наибольший интерес пред­ставляют лучи, отраженные от объектов земной поверхности. По­этому под оптическими свойствами будем понимать отражатель­ную способность объектов местности. Критериями отражательной способности служат:

— коэффициенты интегральной яркости,

-коэф­фициенты спектральной яркости,

— интегральные и спектральные индикатрисы рассеяния.

Коэффициентом интегральной яркости (КЯ) называют отноше­ние интегральной яркости объекта (В) в данном направлении к интегральной яркости идеально отражающей поверхности (В 0 ), определяемых при одинаковых условиях освещения и наблюде­ния:

Коэффициент интегральной яркости определяют в широкой спектральной зоне. Идеально отражающей считают поверхность, которая полностью и равномерно по всем направлениям отражает падающую на нее радиацию.

Если яркости измеряли в узких спектральных зонах, то их на­зывают монохроматическими яркостями. Отношение монохрома­тических яркостей объекта (Вλ) и идеально отражающей поверхно­сти (В°λ), измеряемых при одинаковых условиях освещения и на­блюдения, называют коэффициентом спектральной яркости (КСЯ):

Коэффициенты спектральной яркости объекта определяют од­новременно в нескольких зонах спектра. Используя полученные данные, строят кривые КСЯ (рис. 1.4), показывающие зависи­мость коэффициентов от длины волны излучения:

Различные классы объектов имеют свои специфичные формы кривых КСЯ. Принято разделять объекты по форме кривых КСЯ на четыре класса:

1 — растительность,

2 — почвы и горные поро ды,

3 — водные поверхности,

4 — снега и облака.

При выполнении съемок для целей картографирования, изучения объектов поверх­ности Земли наибольший интерес представляют первые три класса.

Кривые КСЯ объектов с растительными покровами (см. рис. 1.4, а) имеют незначительный максимум в зеленой зоне спектра на длине волны около 0,55 мкм, понижение на длине волны λ= 0,66 мкм, вызванное поглощением солнечной радиации хлоро­филлом растений, резкое повышение в инфракрасной области. В зависимости от фазы вегетации растений, фитопатологии и иных факторов форма кривых КСЯ объектов данного класса изменяется в значительных пределах. Например, кривые КСЯ посевов злако­вых культур по мере их созревания принимают плавный вид.

Кривые КСЯ почв и горных пород имеют незначительный подъем при увеличении длины волны (см. рис. 1.4, б). Влажность, химический состав, содержание гумуса, минеральных солей и т. п. определяют значение КСЯ и крутизну подъема кривых.

Кривые КСЯ водных объектов при увеличении длин волн (см. рис. 1.4, в) плавно и монотонно понижаются. Степень засоленнос­ти, тип иловых отложений, биологический и растительный состав воды обусловливают значение КСЯ водных поверхностей.

Сведения о коэффициентах интегральной и спектральной яр­кости приводят в литературе и справочниках в виде таблиц, а для КСЯ имеются графики кривых. Справочные сведения должны иметь описание физических, химических свойств почв, тип расти­тельности, фазу вегетации, состояние растений, условия освеще­ния и т. п.

При выполнении аэро- и космических съемок и последующем анализе изображений необходимы сведения о пространственном распределении отраженной световой энергии. Это распределение характеризуется индикатрисой рассеяния, представляющей собой поверхность, проходящую через концы векторов КЯ и КСЯ, опре­деленных для различных углов отражения. Соответственно инди­катрису будут называть интегральной или спектральной.

Для описания индикатрисы рассеяния используют два ее сече­ния: в плоскости главного вертикала Солнца (А= 0. 180°) и пер­пендикулярной ему (А = 90. 270°). Неравномерность простран­ственного отражения объекта зависит от размеров, формы, про­странственной ориентации элементов его поверхности, высоты Солнца и его азимутального положения относительно объекта и т. п.

По форме пространственного отражения объекты имеют сле­дующую классификацию:

— отражающие равномерно по всем направлениям падающее на поверхность излучение (рис. 1.5, а). Такие поверхности называют ортотропными. К ним относят поверхности с мелкой структурой, например различные песчаные поверхности;

— зеркально отражающие излучение по направлению от источни­ка света (рис. 1.5, б), к ним относят водные поверхности без ряби и волн, снежный наст, влажные солончаки, такыры и пр.;

-отражающие световой поток преимущественно в сторону ис­точника излучения (рис. 1.5, в), такими могут быть поверхности с крупной структурой — вспаханная пашня, сухая широколиствен­ная растительность и др.;

— смешанная форма отражения, как в сторону источника освеще­ния, так и в противоположную (рис. 1.5, г) — увлажненные газо­ны, сенокосы, пастбища и другие среднеструктурные поверхнос­ти.

Неравномерность пространственного отражения в различных спектральных зонах неодинакова. Асферичность интегральных и спектральных индикатрис уменьшается с увеличением высоты Солнца.

Критерии отражательной способности объек­тов земной поверхности зависят от многих факторов. Поэтому их значения могут изменяться в широких пределах. Для применения их в практических целях необходим достаточный набор статисти­ческих данных, по которым вычисляют вероятностные значения критериев отражательной способности и их дисперсии. При этом критерии должны быть определены при одинаковых условиях на­блюдений.

Источник