авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Широбоков, Александр Михайлович

Оптико­электронные приборы для экологического

мониторинга и ликвидации экологических

катастроф

Москва

Российская государственная библиотека

diss.rsl.ru

2006

Широбоков, Александр Михайлович.

   Оптико­электронные приборы для экологического

мониторинга и ликвидации экологических катастроф [Электронный ресурс] : Дис. ... д­ра техн. наук : 05.11.07. ­ СПб.: РГБ, 2006. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).

Радиоэлектроника ­­ Инфракрасная техника ­­ Тепловизоры ­­ Исследование Биологические науки ­­ Общая экология ­­ Методика и техника научно­исследовательской работы ­­ Аппаратура Оптические и оптикоэлектронные приборы и комплексы Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/06/0407/060407039.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, находящемуся в фонде РГБ:

Широбоков, Александр Михайлович Оптико­электронные приборы для экологического мониторинга и ликвидации экологических катастроф СПб.  Российская государственная библиотека, 2006 (электронный текст) 71:06-5/ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ШИРОБОКОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И ЛИКВИДАЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАТАСТРОФ ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК Президиум БАК у х-,•,;

••.'-:!":•;

•;

Л:/-.

Санкт-Петербург 1^ Оглавление стр.

Введение Глава 1 Исследование принципов построения и разработка многоспектрального тепловизора.

1.1. Методы и аппаратура для дистанционного зондирования. 1.1.1. Методы дистанционного зондирования. 1.1.2. Аппаратура для дистанционного зондирования. 1.2. Выбор основных спектральных диапазонов для многоспектрального тепловизора.

1.2.1. Спектральные коэффициенты отражения природных образований 1.2.2. Основные спектральные диапазоны для многоспектрального тепловизора 1.3. Необходимость одновременной регистрации информации в многоспектральном тепловизоре 1.4. Разработка оптической сканирующей системы базовой модели тепловизора 1.5. Разработка многоспектрального тепловизора "Терма-2" 1.5.1. Проведение энергетических расчетов и выбор основных # оптических характеристик тепловизора "Терма-2" 1.5.2. Технические характеристики тепловизора "Терма-2" Выводы по первой главе Глава 2 Т Применение многоспектрального тепловизора "Терма-2" для контроля нефтепродуктопроводов с воздушных носителей с целью предотвращения экологических катастроф.

2.1. Дистанционный тепловизионный контроль магистральных трубопроводов на предмет подземных утечек нефтепродуктов.

2.2. Дистанционный тепловизионный контроль магистральных трубопроводов на предмет несанкционированных врезок.

2.3. Подготовка тепловизора "Терма-2" к натурным испытаниям 2.3.1. Обработка тепловизионных изображений, получаемых многоспектральным тепловизором "Терма-2".

# 2.3.2. Измерение температурных контрастов в зоне залегания магистральных трубопроводов.

2.4. Оценка потенциальных возможностей тепловизора "Терма-2" применительно к поставленной задаче диагностики магистральных трубопроводов.

2.5. Натурные испытания тепловизора "Терма-2"с целью диагностики магистральных трубопроводов.

2.5.1. Размещение тепловизора "Терма-2" на воздушных носителях. 2.5.2. Полигонные испытания тепловизора "Терма-2". 2.5.3. Натурные исследования с тепловизором "Терма-2". 2.6. Основные технические характеристики специализированного тепловизора для выявления несанкционированных врезок в магистральные трубопроводы с борта воздушного носителя.

# Выводы по второй главе Глава 3 ' {4 Инфракрасное сканирующее устройство для эффективного тушения лесных пожаров с воздушных носителей - танкеров.

3.1. Предпосылки для создания инфракрасного прицельного 1O устройства (ИКПУ) 3.2. Разработка ИКПУ и способа пожаротушения на его основе. 1O 3.2.1. Существующие способы и аппаратура для тушения ЮЗ лесных пожаров с воздушных носителей.

3.2.2. Способ пожаротушения с использованием ИКПУ. ЮЗ 3.2.3. Расчет основных параметров ИКПУ. Выбор спектрального диапазона. Ю 3.2.4. Технические характеристики и экспериментальные Ю исследования ИКПУ "Терма-5" Выводы по третьей главе. Глава 4 Пути дальнейшего совершенствования инфракрасного прицельного устройства "Терма-5".

4.1. Оценка недостатков ИКПУ "Терма-5" 4.2. Разработка управляющего алгоритма бортового вычислителя с учетом аэродинамики слива жидкости с летательных аппаратов.

4.3. Экспериментальная проверка разработанного алгоритма. 4.4. Использование ИКПУ "Терма-5" в составе комплекса бортовой аппаратуры воздушных носителей - танкеров.

Выводы по четвертой главе. Выводы по работе Список литературы Введение \ Научно-технический прогресс и быстрый рост производственных мощно стей во всем мире привели к резкому увеличению антропогенной нагрузки на природную среду, В основе развития экологического кризиса лежит тот факт, что экономическое развитие общества пришло в явное противоречие с ограни ченными ресурсами, воспроизводящими и жизнеобеспечивающими возможно стями биосферы. Все виды природопользования - промышленное, сельскохо зяйственное, лесохозяйственное, рекреационное и другие сопровождаются не только получением желаемых результатов, но и нежелательными различными экологическими и социальными последствиями. В результате наблюдается ис тощение ресурсов суши и океана, безвозвратная потеря различных видов рас тений и животных, техногенное нарушение биохимических круговоротов ве ществ, загрязнение всех составляющих природной среды, упрощение и дегра дация экосистем. [45] Поэтому среди задач экологического мониторинга и рационального ис пользования ресурсов Земли вопросы, связанные с контролем за состоянием природной среды и вопросы, связанные с ее охраной от возможных экологиче ских катастроф, имеют первостепенное значение.

При этом представляется целесообразным определение основных ис точников экологических катастроф, которые могут быть предотвращены с по мощью приборов, работающих в ИК - диапазоне спектра, причем наиболее опе ративно и эффеетивно. [47] Действительно, с точки зрения расстановки при оритетов, контроль с воздушных носителей за заболеваниями лесов (пораже ние вредителями - насекомыми) не может быть сопоставим с выявлением не санкционированных врезок в нефтепроводы, [53,48] которые могут приводить к экологическим катастрофам регионального масштаба. С другой стороны, ис пользование того же тепловизора для контроля экологии лесов для обнаруже ния сквозь дым очагов возгорания в лесу и применение ИК систем для точного попадания пожаротушащей жидкости из самолетов (вертолетов) - танкеров на зарождающийся очаг лесного пожара является одной из самых актуальных за дач предотвращения экологических катастроф такого же регионального мас штаба. [52] Поэтому, безусловно, те ИК - приборы, о которых пойдет речь ниже, предназначены для решения, в первую очередь, оперативных задач, что не ис ключает возможность их использования в народном хозяйстве для других це лей. [51] Автор диссертации отдает себе отчет, что в рамках данной работы не возможно охватить все оптико-электронные приборы, предназначенные для решения указанных выше задач. Поэтому в работе будет рассмотрено несколь ко направлений, которыми автор занимался в течение последних 10 лет, а именно: разработкой многоспектрального самолетного тепловизора для эколо гического мониторинга и созданием новых технологий экологического монито ринга с использованием этого тепловизора, а также разработкой инфракрасной аппаратуры для эффективного тушения лесных пожаров с воздушных носите лей-танкеров и разработкой методики применения таких приборов.

Широкие возможности для экологического контроля окружающей среды открывают тепловизионные системы наблюдения, базирующиеся на воздушных носителях как на самолетах, так и на вертолетах. Общеизвестно, что теплови зионные методы наблюдения обладают высокой точностью и чувствительно стью, имеют широкий динамический диапазон, работают в реальном времени и могут быть использованы в труднодоступных для наземных методов контроля местах, причем в любое время суток и при любых погодных условиях, включая дым и туман. Наличие воздушного носителя позволяет осуществлять лостроч ное сканирование, перпендикулярное движению носителя, а кадровое сканиро вание производится за счет движения носителя. Именно этот тип тепловизоров со строчным сканированием (тип Line Scan),будет в дальнейшем рассматри ваться. Отсутствие оптико-механического кадрового сканирования, применяе мого в тепловизорах "впередсмотрящих" (FLIR), формирующих целиком тепло визионный кадр, выгодно отличает системы Line Scan тем более с учетом того обстоятельства, что число элементов разложения по строке в системе Line Scan в среднем в 2 раза превышает число элементов разложения по строке в тепловизорах FLIR при одинаковых углах обзора.

Начало разработок тепловизоров строчного сканирования было осущест влено в Государственном Оптическом Институте им. С И. Вавилова (г. Ленинград) в середине 60-х годов. К концу 60-х годов коллектив сотрудников под руководством д.т.н. проф. М.М. Мирошникова имел законченные разработ ки самолетных сканирующих тепловизоров "Тепло-4" и "Тепло-М", выполненные при участии автора диссертации. В дальнейшем результаты разработки были переданы на Азовский Оптико-механический завод (АОМЗ), где был налажен мелкосерийный выпуск самолетных (вертолетных) тепловизоров "Вулкан" (под робные характеристики этого изделия будут приведены в первой главе). Далее, по приказу Миноборонпрома автору с группой сотрудников было предложено оснастить двухспектральный тепловизор "Вулкан" третьим спектральным кана лом (1...1,3 мкм), а также добиться устранения рассеянного света внутри се рийных корпусов тепловизоров "Вулкан" (шифр работы "Проба"). Оснащенный третьим спектральным каналом тепловизор "Вулкан" был передан в Лаборато рии аэрометодов в геологии (ЛАЭМ) г. Ленинграда, а доработанная документа ция была внедрена на АОМЗ.

Несмотря на то, что тепловизор "Вулкан" применялся во многих отраслях народного хозяйства СССР,[8] являясь единственным серийным тепловизором класса Line Scan, к концу 80-х годов стало очевидным, что невысокое геометри ческое и энергетическое разрешение прибора, а также запись изображения на фотопленке и большие габариты оптико-механического блока не позволяют в полной мере реализовать все возможности тепловизионного метода дистанци онного зондирования с воздушных носителей, особенно с легких самолетов и тем более с беспилотных носителей.

Борьбе с лесными пожарами во всем мире уделяется большое внимание.

Как показывает мировая практика, наиболее эффективным способом борьбы с лесными пожарами является авиация, обеспечивающая оперативную доставку огнетушащей жидкости к очагам возгорания, а также картирование очагов воз горания сквозь дым.

По мере развития авиации появились большие возможности для транс портировки к месту пожара огнетушащей жидкости, состав которой видоизме нялся от простой воды до сложной химической смеси, повышающей эффектив ность подавления огня. В настоящее время наиболее крупных успехов в транс портировке добилась Россия, самолеты и вертолеты которой могут оперативно доставлять к месту лесного пожара от 3 до 50т жидкости. [36] По-видимому, нет смысла останавливаться на вопросах оснащения са молетов и вертолетов лесопожарной авиации резервуарами для доставки жид кости к месту лесных пожаров, на конструкции этих резервуаров и на недостат ках, присущих этим конструкциям. Отметим лишь одно обстоятельство - неза висимо от конструкции и размещения резервуаров на борту воздушного носи теля слив жидкости во всем мире осуществляется вручную, т.е. путем механи ческого нажатия пилотом на кнопку сброса жидкости с носителя. По мировой статистике вероятность попадания составляет 50%. Попытки применения из вестных оптических прицелов (о чем будет доложено во второй главе) наталки ваются на непреодолимые препятствия, связанные с высокими скоростями по лета носителя на малых, порядке 40м, высотах. Поэтому, разработка методики и аппаратуры для автоматизированного прицельного слива пожаротушащей жидкости с борта воздушного носителя-танкера без участия человека является наиболее актуальной задачей.

Цель и задачи работы Целью работы является исследование основных принципов, на базе ко торых должны быть разработаны и подвергнуты натурным испытаниям инфра красные сканирующие приборы, предназначенные для эффективного экологи ческого мониторинга и ликвидации экологических катастроф. Указанная цель достигается решением следующих задач.

1. Выявление особенностей построения тепловизоров с одномерным оптико механическим сканированием.

2. Анализ особенностей тепловизионного Tpaiaa в УФ, видимой, ближней 0,8...1,2 мкм;

средней 3...5 мкм и дальней 8...13,5 мкм областях ИК- спектра.

3. Анализ спектральных характеристик в УФ, видимой, в ближнем и дальнем ИК -диапазоне различных классов и типов природных образований.

4. Разработка принципиально новой схемы оптико-механического блока тепло визора, обеспечивающего одновременное сканирование в 4 областях спек тра (базовая модель).

5. Реализация результатов разработки в экспериментальном базовом образце тепловизора.

6. Проведение натурных испытаний базовой модели с воздушных носителей.

7. Проведение сравнительного анализа существующих методов тушения очагов пожаров с воздушных носителей.

8. Анализ спектральных характеристик очагов горения.

9. Разработка требований к оптико-механической схеме оптико-электронного устройства для автоматизированного сброса жидкости на очаги пожаров.

10. Изготовление автоматизированного оптико-электронного устройства для эффективного пожаротушения и его натурные испытания на воздушных но сителях- -танкерах.

Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.

1. Анализ спектральных характеристик отражения различных классов и типов природных оьразований по классификации Кринова, проведенный с целью выявления возможных пределов их изменения и зависимости от различных факторов и условий и, как следствие, выявления степени их пригодности для дистанционных исследований.

2. Обоснование выбора схемы четырехспектрального самолетного тепловизора со строчным сканированием на основе анализа основных закономерностей формирования температурного поля земной поверхности и значений тепло вого и яркостного контраста.

3. Разработка методики дистанционного тепловизионного контроля на предмет выявления несанкционированных врезок в нефте-продуктопроводы.

4. Обоснование выбора схемы оптико-электронного сканирующего устройства, обеспечивающего автоматический точный сброс жидкости на очаг пожара с воздушного носителя-танкера.

5. Способ тушения лесных пожаров с использованием инфракрасного прицель ного устройства.

Практическая ценность работы 1. Разработанный многоспектральный самолетный тепловизор "Терма-2", на схему оптико-механической развертки которого получен Патент РФ, позволил сформировать новый подход к экологическому мониторингу магистральных нефте-продуктопроводов.

2. Предложенная методика дистанционного тепловизионного контроля магист ральных трубопроводов для выявления несанкционированных врезок позво ляет оперативно предотвращать экологические катастрофы от выброса неф ти и нефтепродуктов из мест криминальных нарушений трубопроводов.

3. С учетом полученных практических результатов поступило предложение от Руководства ФСБ РФ о докладе в Совете Безопасности РФ по вопросу воз душной многоспектральной разведке с использованием тепловизионной ап паратуры "Терма-2" и ее модификаций.

4. Разработанное по заказу Федеральной службы лесного хозяйства России инфракрасное сканирующее устройство (ИКПУ "Терма"), предназначенное для автоматического слива пожаротушащей жидкости на очаги пожаров без участия человека с самолетов-танкеров, легло в основу нового способа ту шения лесных пожаров, защищенного Патентом РФ.

5. Результаты применения нового способа эффективного подавления очагов пожаров с использованием инфракрасного сканирующего устройства рас смотрен на Парламентских слушаниях в Государственной Думе Российской Федерации.

Апробация работы Материалы работ докладывались на следующих конференциях и семинарах:

- международной конференции "Прикладная оптика (1996 г. г. С. Петербург) 2 доклада - международной конференции "Физике - 96"(1996 г., г. Велико Тырново, Болга рия) - международном научно-практическом семинаре "Прикладные вопросы точно сти приборов и механизмов" (1997 г., ИТМО, г. С. Петербург) - конференции "Методы дистанционного зондирования и ГНС - технологии для контроля и диагностики состояния окружающей среды (1997 г., г. С. Петер бург) - российском научно-техническом семинаре "Концепция обеспечения достовер ности экоаналитической информации в России за период до 2020 г. (2001 г., ИТМО, г. С. Петербург) - конференции "Высокоскоростная фотография и фотоника" (2001г., ВНИИОФИ, г. Москва) - конференции "Научно-техническая конференция ППС ИТМО" (2002 г., ИТМО, г. С. Петербург) - Парламентских слушаниях "Экологические проблемы лесов России" (0.02.2003 г.. Государственная Дума, г. Москва).

Внедрение материалов диссертации.

1. Экспериментальные образецы многоспектрального тепловизора "Терма-2" были внедрены в организации: ЗАО "Котлин-Новатор" холдинговой компании "Ленинец" (г. С. Петербург), НПК "Аэрокосмосгеологический" при Лаборато рии аэрометодов в геологии (г. С. Петербург) 2. Работы по экологической безопасности магистральных нефте-продуктопроводов с использованием многоспектрального тепловизора "Терма-2", в том числе по выявлению несанкционированных врезок, выпол нялись с интересах ОАО "Черномортранснефть" (ОАО "АК " Транснефть"), ОАО "Сургутнефтегаз", ОАО Рязаньтранснефтепродукт" (ОАО "АК "Транс нефтепродукт").

3. Инфракрасное сканирующее устройство ИКПУ "Терма-5" успешно прошло межгосударственные российско-украинские испытания на самолете-танкере АН-32П.

4. По согласованию с Центральной Базой охраны лесов России ИКПУ "Терма-5" будет установлено на самолет-амфибию БЕ-12П.

5. Документация на установку ИКПУ "Терма-5" в корпусе самолета БЕ-12П вне дрена в ОАО "ТАНК" им. Бериева (г. Таганрог).

6. После успешной демонстрации ИКПУ "Терма-5" в Португалии на вертолетах "Пума" и "Ве11-205" 2 комплекта аппаратуры были закуплены лесопожарной службой этой стороны.

Публикации 1. На оптико-механический блок тепловизора "Терма-2" получен патент РФ.

2. Способ борьбы с лесными пожарами с использованием ИКПУ "Терма-5" за патентован в РФ.

3. По материалам работы имеется 21 публикация.

Глава Исследование принципов построения и разработка многоспектраль ного самолетного сканирующего тепловизора 1.1. Методы и аппаратура для дистанционного зондирования Актуальность анализа возможных методов и аппаратуры для контроля за схъ стоянием природной феды и природных ресурсхэв нашей планеты обусловлена причи нами, указанными во введении.

Широкие возможности в осуществлении такого контроля открывают аэро космические средства наблюдения, которые базируются на использовании методов дистанционного зондирования с самолетов, вертолетов и космических аппаратов.

Дистанционное зондирование (ДЗ) природной среды - это изучение при родных объектов на расстоянии, т.е. без непосредственного контакта приемных чувствительных элементов аппаратуры с поверхностью этих объектов. В практике природно-ресурсных и экологических исследований под ДЗ понимают различные виды фотофафических, телевизионных, сканерных, тепловых, радиолокационных, лидарных и других видов съемок поверхности Земли и Мирового океана с целью изу чения их состояния или тематического картофафирования.

Все методы являются косвенными методами, так как с аэрокосмических но сителей проводятся не прямые измерения интересующих нас величин (например, температуры поверхности Земли), а измерения характеристик уходящего излуче ния (интенсивность, поляризация, спеюрапьное, пространственное, угловое распре деление и другие), являющиеся сложными функционалами сосгояния природной среды.

1.1.1. Методы дистанционного зондирования.

Видимый и ближний ИК-диапазон. Непосредственным результатом ДЗ в видимом и ближнем ИК-диапазоне является совокупность значений яркости поверх ности, полученных при определенных сочетаниях условий измерений: спектральных зон, углов наблюдения, пространственных координат и времени измерения. После коррекции влияний условий наблюдения: освещенности (путем перехода от яркости к коэффициенту слеюральной яркости КСЯ), высоты Солнца (лутем редукции значе ний КСЯ к стандартной высоте Солнца или отбора результатов измерений, выпол ненных при примерно одинаковой высоте Солнца) и влияния атмосферы, получен ная спектральная, временная, угловая, пространственная или поляризационная зави симость КСЯ* может ислользоваться для восстановления параметров объектов. Физи ческой предпосылкой возможности такого восстановления является само влияние на эту зависимость, которое оказывают различные параметры состояния наблюдаемых объектов. Значения КСЯ, измеренные при "л"сочетаниях условий измерения, мо гут рассматриваться как комлоненты п- мерного векгора признаков, который может использоваться для раслознавания классов объекгов и их состояния стандартными методами многомерной статистической классификации. Этот подход требует де тальной каталогизации отражательных характеристик природных объектов. По следняя задача далека от своего решения даже в отношении каталогов наиболее хо рошо исследованных спектральных характеристик. Основная трудность решения данной задачи связана с зависимостью отражательных характеристик объектов одно временно от многих факгоров.

Спектральные методы. Спеюральные методы наиболее хорошо раз работаны и широко используются в практике ДЗ. Они основаны на измерении зна чений КСЯ исследуемых объектов в разных спектральных зонах::Я,( Хп и оценке по ним параметров состояния объектов.

Несмотря на то, что в настоящее время накоплен офомный экспери ментальный материал о спеюральных характеристиках природных объектов, сущест вующие каталоги спеюральных характеристик [1,2] очень немногочисленны и неполны.

Такое положение объясняется тем, что результаты измерений, выполненных разными приборами в разных условиях наблюдений, часто трудносопоставимы между собой, тем более, что характеристики приборов, условия наблюдения и состояния объектов далеко не всегда указываются с необходимой детальностью. Так например, согласно [3] данные различных авторов о коэффициентах отражения одних и тех же объектов могут различаться до 200%.

Спе1арально-временные методы. При ДЗ растительности эффективными оказались спектрально-временные методы, основанные на использовании времен ной динамики спектральных характеристик растительности, которая обусловлена П изменением на протяжении сезона ^е1]етщии^01ттичес!их_сврйд13^^итоэ^^ ' их биомассы и вкладом почвы в отражательные характеристики растительногоПто^ крова. В период от появления всходов сельскохозяйственных культур до их цвете ния, когда оптические характеристики листьев и стеблей изменяются незначительно, основным фактором является увеличение биомассы, сопровождающееся повышени ем вклада растительности в КСЯ системы почва-растительность. При этом КСЯ по нижается в видимом диапазоне и повышается в ближнем ИК-диапазоне. При со зревании плодов и пожелтении листьев происходят обратные изменения КСЯ. Во время цветения возможны значительные вариации спеюральных характеристик рас тительности.

Спектрально-временные методы исследования растительности могут быть основаны на выборе определенного времени для спеюгральных измерений или на проведении долговременных спектральных измерений и оценке параметров состоя ния растительности по изменению ее спектральных характеристик.

Первый подход нашел применение для решения задач распознавания видов растительности и основан на межвидовых различиях динамики развития культур. При этом согласно [4] точность распознавания основных сельскохозяйственных культур достигает 90-95%.

Многовременный подход может быть основан на определении вида фазы вегетации, скорости развития и продолжительности вегетационного периода - па раметры, необходимые для прогнозирования урожайности посевов.

Угловые методы. Зависимость отражательных характеристик исследуемых объектов от направления наблюдения может быть использована как для оптими зации выбора направления наблюдения, так и для оценки состояния объектов по угловым признакам.

При исследовании растительных покровов вклад почвы в суммарное из лучение системы почва-растительность уменьшается с увеличением угла на блюдения. Точно также уменьшается и влияние растительности нижнего яруса на суммарный КСЯ растительного покрова (например, низкорослых сорняков в по севах сельскохозяйственных культур). Поэтому, если для оценки коэффициента проективного покрытия почвы растительностью, биомассы растительности и ее за соренности сорняками наиболее эффективны измерения, проводимые в надир, то для задач распознавания типов и состояния растительности измерения целесо образно проводить под некоторым углом к вертикали (тем большим, чем меньше коэффициент проективного покрьгжя или разностъ высот посевов и сорняков) [5,6] Особенности угловой зависимости КСЯ объектов позволяют сделать общие за кпючения о структуре их поверхности. При этом наиболее информативны измерения в плоскости солнечного вертикала, где угловой ход КСЯ наиболее ярко выражен. Поверх ность, показывающая зависимость КСЯ от угла визирования, называется про странственной индикатрисой КСЯ. По виду индикатрис отражения поверхности бывают четырех видов: ортотропные, зеркальные, анжзеркальнье, комбинированные.

Поляризационные методы. Дополнительная информация для оценки па раметров состояния объектов может быть получена путем измерения по ляризационных параметров принимаемого излучения: компонентов вектора Стокса или степени и азимута поляризации.

Структурометрические методы. Опыт дешифрирования аэрокосмических изображений показал, что земные объекты могут эффективно распознаваться по пространственной структуре их поля яркости.

^Тепловой ИК-диапазон. Дистанционные измерения, выполняемые в те пловом~И}^дйапазоне, используются для обнаружения тепловых явлений на расстоянии. Физической предпосылкой использования методов является разли чие в температуре и коэффициенте излучения компонентов ландшафта. Для изу чения природных ресурсов метод пассивного дистанционного зондирования в те пловой области можно реализовать в двух основных вариантах. Первый - это инте фальный метод, когда сравнивают значения радиационной температуры или темпе ратурные контрасты, причем излучение регистрирует в первом или втором атмо сферных окнах (3-5 мкм или 8-14 мкм) или их более узких участках. Второй - это спектральный метод, когда для обнаружения и распознавания объектов сравни вают их спектры в диапазоне 8-14 мкм.

Как показывает ряд исследований [7,8], этот метод весьма перспективен для карти рования горных пород и почв, различающихся по содержанию фемнезема (на блюдаются четкие минимумы коэффициента излучения этих пород в интервале 9- мкм).

Интефальный метод, называемый еще тепловой или термофафической съемкой, используют в двух модификациях. В первой для проведения количествен ных радиометрических измерений, связанных с определением яркостной темпера туры поверхности, применяют инфракрасные радиометры. Они сравнительно просты по устройству, надежны в работе, однако профильный характер информации затруд няет ее интерпретацию с точки зрения регистрации, опознания и привязки малораз мерных объектов. Поэтому радиометры находят применение при изучении протя женных температурных фонов с небольшими температурными фадиентами, напри мер, для определения температуры воды в акваториях, снежного и ледяного покро ва, однородных поверхностей почвы и растительности.

Вторая модификация интефального метода предназначена для качественного анализа тепловых явлений. В этом случае речь идет о визуализации теплового рас пределения объектов, которое непосредственно глазом не воспринимается. Систе ма (тепловизионная, термографическая) при этом формирует изображение, в кото ром видимый яркостный контраст пропорционален тепловому контрасту наблюдаемо го объекта. Это изображение позволяет проводить обзор, определять местополо жение объектов и распознавать их формы, так как информация о распределении температурного поля объектов достаточно малого размера (несколько метров и менее) обладает высокой чувствительностью (десятые доли фадуса).

СВЧ-диапазон. Электромагнитные волны радиодиапазона, охватывающего область спекфа от 1 мм до десятков метров, находят все более широкое применение в ДЗ. Так как этот диапазон не является предметом исследования в данной работе, то только укажем на три основные метода СВЧ-зондирования, не рассматривая их сущность. Обычно различают методы активной (моностатической), полуактивной (бистатической) и пассивной (СВЧ-радиометрия) радиолокации.

1.1.2. Аппаратура для дистанционного зондирования Бортовые устройства для ДЗ Земли и в первую очередь их схемные и кон структорские решения наглядно отражают пути развития адекватных им методов и технологи. Физические и методические возможности наблюдения ограничивают спектральный диапазон излучения, используемого для этих целей, рамками опти ческой и микроволновой областей спектра.

Фотофафические системы. При наблюдении поверхности Земли широко ис пользуются различные типы аппаратуры. Исторически первыми был фотофафиче ские системы, которые применяются и до настоящего времени. Они обладают це лым рядом достоинств, которые позволяют им выдерживать конкуренцию с самыми современными элеюронными системами. В них изображение фиксируется на фото материале и может анализироваться, размножаться и храниться без дополнитель ного использования сложных технических средств. Фотоизображение обладает очень высоким разрешением и высокой геометрической точностью изображения. Кроме того эта технология высоко развита, а стоимость аппаратуры относительно низка. Фо тофафические системы разделяются на следующие основные типы: обзорные, па норамные, топофафические, многозональные и звездные.

Телевизионные системы. Телевизионные системы являются кадровыми системами и работают в том же диапазоне, что и фотофафические (0,4 - 0,9мкм). Они в основном используют камеры типа "Видикон". Изображение формируется заряда ми на плоском светочувствительном экране и считывается развертывающим элек тронным лучом. Величина яркости точек изображения преобразуется в соответст вующие величины напряжения, которые кодируются по частоте и амплитуде, пре вращаются в числовую запись импульса и передаются на Землю. На Земле она вновь преобразуется в соответствующие величины яркости элементов изображения и с экрана снимается на фогоплен1у.

Преимущества телевизионных систем перед фотофафическими в том, что видеосигнал передается на Землю оперативно, как величина напряжения, что позво ляет использовать автоматические методы обработки. Основным недостатком те лесистем является сравнительно малое пространственное разрешение.

Многоспектральные сканирующие системы. В настоящее время эти систе мы являются основным средством получения видеоинформации о состоянии при родной среды. Они осуществляют съемки в широком диапазоне от ультрафиолето вого до теплового инфракрасного (0,3 - 14,0 мкм). В них электромагнитное излуче ние, отраженное или испускаемое объектами ландшафта, с помощью оптической сис темы сканера фокусируется на фотоприемниках. Они преобразуют падающее на них излучение в электрический сигнал, который записывается на магнитной ленте в аналоговом или цифровом виде. Особенность этих приборов состоит в том, что их чувствительный элемент (фотоприемник) регистрирует излучение в малых телес ных углах, обеспечивая высокое разрешение объектов на земной поверхности.

Для обеспечения получения информации о всей исследуемой местности прово дится сканирование этой местности малым угловым полем по определенному закону.

Для этого используют различные типы оптико-механических сканирующих систем. Не которые приборы используют элекфонное сканирование на основе ПЗС-матрицы.

Благодаря использованию магнитных носителей для записи спеюральных данных, последние легко поддаются репродуцированию, т.е. размножению и широкому рас пространению потребителям. Возможность записи многоспектральных данных от крыла новые широкие возможности обработки и представления многозональных изображений с помощью ЭВМ.

Системы с электронным сканированием. В этом типе систем несколько тысяч фотодетекгоров образуют ряды ("линейки"), ориентированные перпендику лярно направлению полета носителя. Для каждого спеюрального канала предна значается один ряд таких фотодетекторов, которые последовательно один за другим включаются в действие связывающим их устройством зарядовой связи. Ряды фо топриемников располагаются в фокальной плоскости оптической системы, проеци рующей на них изображение земной поверхности. Поступательное движение носителя обеспечивает кадровую развертку изображения. Развертка изображения в направ лении перпендикулярном направлению полета производится последовательным элек тронным включением фотодетекгоров. Кгощъм ряд фотодетекгоров опрашивается с временным интервалом, позволяющим осуществить непрерывный переход от од ной полосы сканирования к другой. При этом исходящие от каждого дете1стора аналоговые сигналы суммируют за некоторый малый промежуток времени, что обуславливает определенную ширину элемента разрешения на местности. Высо кая геометрическая точность изображения поперек направления полета задается точностью расположения каждого фотодетекгора на линейке. Взаимосвязь между действием соседних линеек фотоприемников, чувствительных к разным диапазонам излучения, делает возможным также точную регистрацию многозональных съемоч ных данных и корреляцию данных одного спекфального диапазона с друтм.

Видеоспектрометрические системы и гиперспектральные сканирующие системы. Видеоспектрометры представляют собой новый класс многозональных видеоинформационных приборов, обеспечивающих возможность комплексного изу чения спекфальных и текстурных харакгеристик наблюдаемых объектов. Способ ви деоспектрометрирования состоит в том, что световой поток от участка местности со бирается набором входных оптических систем и фокусируется на щели, длина кото рой определяет ширину полосы обзора по поверхности Земли. После прохождения света через спекгрометр каждый элемент изображения полосы обзора, перпенди кулярной направлению полета, одновременно отражается на поверхности мозаично го фотоприемника во многих смежных спектральных каналах (порядка ста). Такое устройство обладает следующими двумя преимуществами перед сканирующей сис темой:

• каждый детекгорный элемент может интефировать сигнал в течение всего пе риода строки, а не только в течение периода наблюдения одного элемента изображения при сканировании, что обеспечивает повышение отношения сиг нал/шум при заданных размерах апертуры оптической системы;

• благодаря высокой точности установки фотодетекторов в мозаике улучшаются геометрические харакгеристики изображения.

Термин гиперспеюральные сканеры появился в самое последнее время и под ними понимаются авиационные сканеры с количеством каналов условно более 15.

Факгически этот термин связан с появлением в конце 80-х годов приборов нового типа - видеоспекгрометров. Несмотря на множество преимуществ видеоспектрометры имеют несколько серьезных недостатков. Диапазон спектральной чувствительности видеоспектрометров офаничен пока ближней ИК-областью, а угол обзора редко пре вышает 30 угл.фад. из-за большого размера мозаики фотоприемников и необходи мости использовать узкоугольную оптику. Гиперспекфальные сканеры используют традиционный оптико-механический способ формирования изображения. Поэтому они имеют более широкую область спектральной чувствительности (0,3 -14,0 мкм), большой угол обзора (80-90фад.), но худшее спекфальное разрешение и меньшее количество каналов.

Из приведенного выше обзора следует, что тепловизионные методы и теплови зионная аппаратура (тепловизоры) являются одним из составных элементов гло бальной системы ДЗ и исследования природных ресурсов Земли. Вся дальнейшая глава целиком и полностью посвящена тепловизионным методам и самим теплови зорам и это не случайно, т.к. эти приборы значительно расширяют, а иногда дают уникальные возможности человеку наблюдать и исследовать картину окружающего мира в ранее недоступной для его зрения ИК-области спектра, в том числе и в пол ной темноте.

Тепловизионная аппаратура дпя дистанционного зондирования.

Рассмотрим некоторые технические реализации тепловизоров, предназначенных для дистанционного зовдирования, которые предшествовали настоящей разработке или появились в последнее время.

На риа1 представлен omviKO-механический блок (0МБ) многозонального скани рующего устройства МСУ-СК [9]. Дефлектор состоит из сферичеаюго зеркала 1, установ ленного под углом 39° к вертикали, объектва 4, вращающего вокруг зеркальной оси. Объ ектив выполнен в виде четъ1рех оптических ветвей, какцая из которых содержит корректор 2 и плоское зеркало 3. Поток излучения собирается сферическим зеркалом в его фокаль ной плоскости, где располагаются вращающиеся с объективом линзовый корректор и плоское зеркало, с помощью которых формируются четыре строки за один оборот объек тива. Поток, прошедший линзовый корректор, направляется плоским зеркалом, зеркаль ной пирамидой 5 и поворотным зеркалом 6 на слектроделительный блок и далее на чувст вительные элементы фотоприемников 8.0МБ МСУ-СК имеет следующие характеристики:

скорость сканирования 48 с 'V угол обзора 66°, мгновенный угол обзора построке0,27 мрад, по кадру 0, мрад.

На рис. 2 показан 0МБ теплового инфракрасного многоспеюрального сканера TIMS [10]. Вращающееся плоское зеркало 1 направляет поток излучения на коллимирую щий объектив, образованный параболическим зеркалом 3, плоским поворотным зеркалом 2 и вторым параболическим зеркалом 5. Этот объекшв служит для уменьшения диаметра входного параллельного потока, который поступает с помощью плоского зеркала 4 на с|х кусирующий объектив 6 и через оптический фильтр 7 на чувствительные элементъ! фото приемника 8. Сканер обеспечивает четыре скорости сканирования 7,3;

8,7;

12;

25 с'^;

угол обзора составляет 77°, мгновенное поле зрения равно 2,5 мрад.

0МБ самолетного тепповизора "Вулкан" [11], выпускаемого Азовским оптико механическим заводом с 1977 г. предславлено на рис. 3.

Дефлектор выполнен по так называемой схеме Кеннеди и содержит вращающуюся четъ1рехфанную призму 3 и две пары Ж1естко закрепленных плсхзих зеркал 1,2 и 4,6. Вход ной поток разделяется фанями зеркальной призмы на две части и направляется на зерка ла 2 и 4, отразившись от которых попадает на зеркала 1 и 6. Последние устанавливаются так, что каяедая часгъ потока после отражения собирается на с^кусирующем объективе 5, в фокальной плоскости которого расположена чувствительная площадка с}х)топриемника 7.

В серийном двухспекфальном (3...5 и 8...13,5 мкм) тепловизоре "Вулкан" были при менены два с)х)топриемных устройства, которые охпаццались жццким азотом, причем размер чувствительного элемента в каждом спекфальном канале составлял 150x150 мкм.

В дальнейшем по инициативе Лаборатории аэрометодов в геолоп^и была прове дена при участии автора доработка серийной аппаратуры "Вулкан" в части дополнения 0МБ третьим спекфальным каналом 1...1,2 мкм рис. 4. При этом масса 0МБ практически не изменилась и составила величину порядка 60 кг. Это объяснялось тем, что для получе ния удовлетворительного геометрического разрешения на местности было выбрано большое с|юкусное расстояние приемных объективов, определяемое большим размером приемной площадки чувствительных элементов ИК - приемниюв, что, в свою очередь, оп ределялось требованием к энергетической чувствительности тепловизора.

в Рис. 1 Оптическая схема МСУ-СК Рис. 2 Оптическая схема TIMS Рис. 3 Оптическая схема тепловизора «Вулкаи»

Рис. 1. Призма сканера 2. Зеркало 3. Зеркало 4. Зеркало 5. Пластина с дихроичным покрытием 6. ФПУ c?i3...5 мкми 8.,.13,5 мкм 7. ФПУсХ1...1,Змкм Большое фокусное расстояние приемных объективов с учетом высо1юй светосилы повлекло за собой большой входной зрачок и соответственно большой диаметр сканера, что и определило массу 0МБ.

Угол обзора по строке в тепловизоре "Вулкан" составляп 80° что с учетом мгновен ного угла зрения 10' позволило получить до 480 элементов разложения по cnpoie, а поро говая энергетическая чувсгеительностъ оценивалась на уровне 0,5 К.

В 90-егодыпод руководством Ясинаюго Г.И. была проведена переработка тепло визора "Вулкан" на четырехспекфальный тепловизор "Везувий ЭК". Этот тепловизор име ет 2 канала в BIWIMOM - ближнем ИК -диапазоне и 2 канала в диапазоне 3...5 мкм и 8...13, мкм. Угол обзора 84°, мгновенный угол 1 мрад и энергетическая чувствш'ельность состав ляет 0,1 К Несмотря на существенную переработку, масса 0МБ тепловизора" Везувий" была уменьшена, по фавнению с 0МБ тепловизора "Вулкан" всего с 60 до 40 кг.

По данным Департамента заповедников и офужающей среды Австралии, штат Виктория, успешно эксплуатируется бортовая многоспектральная станция с линейным сканированием " Daedalus 1260", имеющая следующие характеристики.

Количество основных спекфальных каналов - 4, включающих ультрафиолетовый, видимый - ближний ИК, 3...5 мкм и 8...13 мкм. В канале "видимый - ближний ИК" возможно вьщеление 10 узких спекфальных зон. Угол обзора 85°, мгновенный угол зрения 2,5 мрад, пороговая энергетическая чувствительность 0,2 К, масса 0МБ порядка 30 кг.

Представленный перечень тепловизионных приборов, осуществляющих построч ное сканирование в плоскости предметов, по-вццимому, не может претендовать на пол ный охват всех моделей да1« в России, однако он отражает общий подход аппаратурного решения задачи дистанционного зондирования с использованием нескольких спекфаль ных каналов в одном тепловизоре.

1.2. Выбор основных спектральных диапазонов для многоспектрального теплови зора.

Общеизвестно, что наиболее информативно объекты и подстилающие поверхно сти (фоны) представлены в диапазоне дпин волн от ультрафиолетового до инфракрасного (включительно) и находятся в спекфальном интервале 0,3...14 мкм. Не требует доказа тельств и тот факт, что невозможно создатьодноканальнуюсистему, позволяющую эф фекшвно регистрировать весь объем информации в указанном спекфальном диапазоне, тем более, как будет показано ниже, в некоторых случаях требуется совместная обработка разноспекфальных изображений, полученных одновременно. Поэтому, иосодя из спек тральной чувствительности приемников излучения и окон прозрачности атмосферы, раз делим спекфальный диапазон 0,3...14 мкм на по[одиапазоны: ультрафиолетовый 0,3...0,4 мкм, видимый 0,4...0,75 мкм, ближний инфрафасный 0,75...2 мкм, средний инфра фасный 3...5 мкм и дальний инфрафасный 8...14 мкм.

Задачей настоящего анализа является выбор основных спекфальных интервалов, которые будучи реализованными в многоспекфальном тепловизоре, позволят при мини мальных габаритах прибора получатъ максимальную информацию об объектах и фонах.

Здесь следует сделать два пояснения. Во-первых, на самом деле многоспекфальный прибор, о котором идет речь, следовало бы именовать спектровизором, так как только в спекфальном диапазоне 3....14 мкм присутствует собственное (тепловое) излучение тел, в то время как в других спекфальных диапазонах анализируется отраженная часть солнеч ного спекфа излучения, однако предлагается использовать привычное название - тепло визор. Во вторых, под основными спекфальными диапазонами понимаются отмеченные выше поддиапазоны, внуфи которых за счет введения спекфальных фильтров могут вы деляться сравнительно узкие (порядка 50 нм) спеюральные полосы.

Начнем анализ с собственного (теплового) излучения тел. При рассмотрении теп лового излучения твердых тел фундаментальным понятием является понятие об абсо лютно черном теле (АЧТ). АЧТ называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение любых длин волн. Спеюральное распределение АЧТ описывается законом Планка:

dX где R ( X,J) - спектральная плотность энергетмчеаюй светимости или спеюральная по верхностная плотность потока излучения.

Встречаемые в природе тела не являются абсолютно черными телами. Такие нечерные тела поглощают только часть ладающего излучения и характеризуют слекфальным ко эффициентом излучения" е", зависящим от температуры тела и длины волны. Любое те ло, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, излучает в широком диапазоне длин волн, однако максимум излучения приходится на дпину волны, определяемую заю ном смещения Вина:

Следовательно, можно сказать, что объекг при температуре офужающей среды Т=290° имеет максимум спекфальной плотности энергетической светимости при Ятах =10 мкм, а для более нагретых обьекгов Хтах смещается в коротковолновую область.

Для определения величины слекфальной ллотности энергетической светимости в интервале Д X используют выражение [12] (1) X1 dX I^K будет показано ниже, в спекфальных диапазонах 3...5 мкм и 8...14 мкм величины R д X не только дополняет друг друга, но и не могуг рассматриваться отдельно в негаторых случаях. Поэтому в мировой практике многоспекфальных тепловизоров эти два спекфальных канала обязательно лрис/гсгвуют, позволяя проводить наблюдение в усло виях плохой видимости днем и ночью.

Не имеет альтернативы и спекфальный канал в ультрафиолетовой области спек тра. В этом диапазоне содержится большой обьем информации о составе морсгай воды, о содержании в ней хлорофилла в различной концентрации [13], а тают о наличии мас ляных пятен зафязнения [13].

Переходя к анализу спектральных характеристик обьектов в видимой и ближней ИК - области слектра, еще раз отметим, что все выбранные спек тральные каналы тепловизора должны работать одновременно и их количест во, с одной стороны, должно быть минимально с учетом габаритов прибора, но с другой стороны, не приводить к существенной потере информации.

1.2.1 Спектральные коэффициенты отражения природных образований При использовании спектральных методов в тепловидении спектральные характеристики отражения и излучения природных образований оказывают важнейшее влияние на формирование изображения. С другой стороны сами спектральные характеристики отражения и излучения в большой степени зави сят от вида и состояния природных объектов, от вида и степени нарушения эко логического равновесия природной среды. Поэтому для правильной интерпре тации результатов тепловизионных изображений необходимо провести анализ факторов, влияющих на изменчивость спектральных характеристик отражения и излучения природных образований.

Ближняя ИК-область В ближней ИК-области спектральное отражение природных образований характеризуется либо спектральным альбедо, либо коэффициентом спектраль ной яркости. Спектральное альбедо поверхности равно отношению спектраль ной плотности потока, отраженного во всех направлениях данной поверхностью к спектральной плотности полного потока, упавшего на поверхность. Коэффи циент спектральной яркости (КСЯ) поверхности в данном направлении при дан ных условиях освещенности есть отношение спектральной плотности яркости этой поверхности к спектральной плотности яркости идеального рассеивателя, находящегося лри тех же условиях освещения. Под идеальным рассеивателем понимается ортотропная поверхность, полностью отражающая по закону Лам берта весь падающий на нее поток излучения. Спектральное альбедо (спек тральный коэффициент отражения) и КСЯ связаны соотношением:.

.С'Л-/2 п/ (2) Ая = I \гх (&,(р)'COS(p-s\n(p-d(p-d&, ОО к х- спектральное альбето;

где Гх(и,ф)-КСЯ;

Ф - надирный угол наблюдения;

U - азимутальный угол между вертикалями сканирования и источни ка освещения (Солнце).

Для ортотропно отражающих поверхностей спектральное альбедо и КСЯ равны между собой.

Поверхность, изображающая зависимость Г;

^( и,ф) от направления визирования ( и,ф), характеризует пространственную индикатрису коэффициента спектраль ной яркости и является наглядной характеристикой угловой анизотропии отра жения. Согласно [14]по виду индикатрис отражения поверхности бывают четы рех видов (рис.5).

а) ортотропные поверхности отражают диффузно или равномерно во всех направлениях. Такие образования как вспаханная и пробороненная су хая почва, песок, свежевыпавший снег могут служить примерами поверхностей, приближающихся к ортотропной;

б) зеркальные поверхности отражают падающий поток преимущественно в плоскости падающего луча и под углом, равным углу падения. Примерами по верхностей, обладающих отражением, приближающимся к этому, могут слу жить ровная водная поверхность и сильно накатанная грунтовая дорога или ас фальтовая дорога;

в) антизеркальные поверхности отражают максимально к источнику излучения (сельскохозяйственные культуры, луга, другая растительность);


г) комбинированные поверхности обладают двумя максимумами: зеркальным и антизеркальным (рисовые поля, покрытые росой луга).

Полностью ортотропно отражающих объектов в природе не существует.

Чаще всего наблюдается смешанное отражение - одновременно и зер кальное и диффузное, причем в зависимости от конкретных условий одно из них может превалировать над другим.

Анализ опубликованных данных о КСЯ природных образований [1,27,16] показывает их большую изменчивость. К примеру, как указывается в [1], КСЯ од них и тех же объектов, полученные при идентичных условиях, по данным раз личных авторов отличаются на 100-200%.

Причины, приводящие к изменению КСЯ природных образований, можно разделить, в основном, на две фуппы. С одной стороны это причины, зависящие от внешних условий измерений и не зависящие от свойств самого объекта. Внешние условия определяются высотой Солнца и метеорологическими факторами. К ним относятся облачность, ее форма, количество облаков и их распределение по не босводу, характер воздушной дымки (прозрачность атмосферы), направление и сила ветра (особенно важно при растительности, т.к. ветер изменяет ориентацию листьев). С другой стороны, на изменение КСЯ природных образований оказывает влияние состояние самой поверхности. Сюда следует отнести: степень увлажнен ности почв и листьев растений;

состояние поверхности почв (боронованная, све жевспаханная, наличие комков, глыб и т.д.);

состояние водной поверхности (вол нение, штиль, степень загрязненности);

вид растительности (лес, кустарники, сель хозкультуры и т.д.);

проективное покрытие одного типа поверхности другим (соче тание почв, грунтов с растительным покровом и т.п.);

состояние растительности, ее вегетационный период и фазу фенологического развития как и многое другое.

Кроме указанных причин на большую изменчивость данных о КСЯ природных образований оказывает отсутствие единой методики и аппара туры спекгрометрических измерений.

Приводимые в литературе немногочисленные данные о КСЯ в ближней ИК- области 0,8-1,3 мкм, как правило, являются результатом единичных из мерений и из-за разных методик мало сопоставимы. Кроме того, часто от сутствует четкое описание самих объектов исследования. Эти обстоятельства значительно затрудняют использование таких данных, и для решения кон кретных задач их следует считать ориентировочными.

Несмотря на это, в литературе известно несколько классификаций при родных образований по их спектральным отражательным свойствам. Мы оста новимся на классификации, предложенной Е.Л.Криновым, так как она является одной из наиболее полных и чаще всего встречается в литературе. Несмотря на многообразие форм кривых зависимости КСЯ от длины волны. Кринов вы делил ограниченное число типичных кривых, к которым можно отнести все ос тальные. Все они были разделены на три группы, названные классами. Внутри каждого класса выделены характерные типы. Классы пронумерованы римскими цифрами, а соответствующие им типы -арабским цифрами. Вид этих кривых показан на рис.6. Название классов и типов природных образований следую щее:

1 КЛАСС I. - Обнажения и почвы.

Типы: 1-почвы черноземные и супесчаные, фунтовые дороги и пр.

2-почвы подзолистые, суглинистые, шоссейные дороги, некоторые типы строений и пр.

3-пески, различные обнажения пустыни, некоторые горные породы и пр.

4-известняк, глина и некоторые другие наиболее светлые объек ты.

КЛАСС II. Растительные образования.

Типы: 1-хвойные породы лесных насаждений в зимний период.

2-суходольные луга, травяные покровы с недостаточно сочной растительностью, хвойные породы лесных насаждений в летний период.

3-лесные насаждения лиственных пород в летний период, травяные покровы с густой и сочной растительностью.

4-лесные насаждения в период осенней раскраски и созревшие поле вые культуры.

КЛАСС1II.Водные поверхности, водоемы и снеговой пофов.

Типы: 1-снег, покрытый коркой.

2-свежевыпавший снег.

3 -водная поверхность.

В табл. 1 представлены данные о КСЯ природных образований по типам и клас сам в спектральном интервале 0,8-1,3 м Таблица № X Класс 1 Класс II Класс III мкм Типы 1 2 3 5 6 7 8 10 0,80 0.08 0.46 0.55 0. 0.24 0,33 0,16 0.25 0,60 0,79 0, 0,825 0.09 0. 0.25 0,34 0,16 0.25 0.57 0,48 0,58 0,78 0, 0.10 0.26 0,34 0.48 0.15 0. 0,85 0.24 0.49 0.54 0.73 0, 0,90 0.12 0. 028 0.35 0.49 0.24 0.58 0.52 0.51 0.66 0. 0,95 0.13 0,30 0.51 0.14 0.58 0. 0.35 0.23 0.46 0.64 0, 0.32 0,36 0. 0.13 0.15 0.22 0. 1.00 0.55 0.41 0.60 0, 0.34 0,36 0. 1,05 0.14 0.54 0.20 0,58 0.54 0.37 0.58 0, 1.10 0.14 0.35 0.38 0.55 0.14 0.18 0,59 0.54 0.34 0,57 0, 0.14 0.37 0. 1.15 0.14 0.16 0.57 0.53 0.31 0.54 0. 0.38 0.58 0.15 0.15 0.53 0,53 0.26 0.49 0. 1.20 0. 0,59 0. 0.40 0.38 0.13 0.13 0.53 0.22 0.47 0, 1.25 0. 0,38 0.60 0.12 0.51 0. 0.41 0.12 0.50 0.45 0. 1.30 0. Как уже было отмечено ранее, спектральные характеристики отражения природных образований характеризуются большой изменчивостью и зависимо стью от множества не связанных между собой факторов. Несмотря на это су ществует несколько классификаций природных образований по их спектраль ному отражению. В данной работе мы воспользовались широко известной классификацией - классификацией Кринова, в которой все природные образо вания отнесены к трем классам, внутри которых выделены характерные типы (11 типов, рис.6).

В дальнейшем более подробно будут рассмотрены спектральные отра жательные свойства различных классов и типов природных образований. Так же будет проанализировано то влияние, которое оказывают на эти характери Солпечтшя. радиация ТТГПЦИНШППИПШ'Г II Рис 5 Пространственные индикатрисы КСЯ поверхностей: а) ортогональные;

б) зеркальные;

в) акшзеркальные;

г) комбинированные soo\ рис 6 Спектрографическая классификация природных образований отики внешние условия, в которых проводится наблюдение, и состояние соб ственно самой наблюдаемой поверхности.

При этом анализе мы будем использовать численные значения спектральных отражательных характеристик различных объектов, которые являются их важ нейшим дешифровочным признаком. Следовательно, необходимо иметь ка кой-то численный критерий, позволяющий оценить степень изменчивости спек тральных отражательных свойств природных объектов в плане их применимо сти для дистанционных наблюдений. В первом приближении можно использо вать тот факт, что энергетическая чувствительность современных приборов, работающих в ближней ИК-области, составляет 0,5-1,0% от яркости фона. Это означает, что номинально прибор сможет зарегистрировать объекты, имеющие разницу в своих КСЯ больше указанной цифры.

Спектральные отражательные свойства обнажений и почв Как видно из рис.6, кривые спектральной отражательной способности об нажения и почвы (объекты 1-го класса) не так сложны по внешнему виду, как, например, кривые отражательной способности растительности. Взаимодейст вие энергии и вещества почв по сравнению с растительностью менее сложно, так как вся передающая энергия в этом случае поглощается либо отражается, и нет пропускания энергии через почву, как в случае с растительностью. Однако сама почва представляет собой сложную смесь минеральных и органических веществ, обладающих различными физическими и химическими свойствами, которые могут влиять на ее поглощательную и отражательную способность и определять изменение ее КСЯ. К факторам длительного действия, опреде ляющим вариации КСЯ почв, относятся количество гумуса (перегноя) в почве и его состав, а также состав минеральной части почвы. К временным факторам относятся степень измельчения и уплотнения почвы (связанные с ее обработ кой и обусловленные воздействием воды, ветра, солнечного излучения и тем пературы), содержание влаги, вьюота Солнца над горизонтом и состояние рас сеянной и прямой солнечной радиации в суммарном нисходящем потоке осве щенности.

Химический и минеральный состав почвы Можно отметить, что существенные различия в спектральном отражении наблюдаются как между разными видами почв, так и между однотипными поч вами в разных районах. В широтном распределении почв прослеживается зако номерность увеличения отражательной способности от почв тундры, торфов, луговых и болотных почв к подзолистым и серым лесным почвам. Далее при переходе от серых лесных почв к черноземам величина отражения резко убы вает и затем у каштановых и бурых почв вновь возрастает, достигая макси мального значения в сероземах [16].

Вариации КСЯ почв, находящихся в воздушно-сухом состоянии опре деляются процентным составом органической части (гумуса) и минеральной основой почвы. Коллоидные соединения гуминовой кислоты и окислы железа снижают значения КСЯ, а фульвокислоты и закиси железа, наоборот, по вышают значения КСЯ почв. Различные почвообразующие минералы обычно увеличивают КСЯ почв, так как они имеют величину отражения от 0,15 до 0, на длине волны 0,85мкм. При повышении содержания органики отражательная способность почв практически не меняется при изменении концентрации гумино вых кислот.

На равнинах и слабоскладчатых территориях под верхними гумусосо держащими слоями почв обычно залегают элювиальные (т.е. коренные, не смытые) слои. Еще ниже залегают иллювиальные (т.е. вмывные) слои, куда с водой попадают подвижные кислоты и соли. Отражательная способность об разцов почв, взятых на разных горизонтах, возрастает по мере увеличения глубины их залегания. Так по данным работы [17] отражение верхнего слоя почвы составляет 0,1-0,2;

для почв на глубине 0,5-1,5 м возрастает до 0,2-0,3.

Такие вариации отражательной способности почв обусловлены вертикаль ным распределением концентрации органических веществ.

Неоднородность отражательной способности почв, располагающихся на разной глубине, позволяет при дистанционных исследованиях распознать нарушения естественного состояния почвенно-растительного покрова земной поверхности, связанные с прокладкой подземных коммуникаций, дренажной сети и т.д.


Процессы эрозии (разрушения) почв под действием воды, ветра и хо зяйственной деятельности человека приводят к большим вариациям отража тельных свойств верхних слоев почвенного покрова, как по спектру, так и по величине отражения.

В [18] указано, что отражательная способность сухих карбонатных почв увеличивается с ростом длины волны до 1,3 мкм. У чернозема такое воз растание наблюдается до 2,1 мкм. Согласно [1] большинство минералов лучше всего отражают излучение с длинами волн 1-2 мкм, У почв и минералов в ближней ИК-области наблюдаются неглубокие минимумы отражательной спо собности вблизи 1,4 и 1,9 мкм, связанные с поглощением воды, У ряда горных пород и минералов, входящих в состав почв, наблюдается селективное отра жение, связанное с полосами поглощения самого вещества.

Степень измельчения почв и горных пород Влияние степени измельчения почв и горных пород на их отражатель ную способность проявляется в возрастании КСЯ с уменьшением размеров элементов материала.

У почв наблюдается нелинейное возрастание отражательной способности с уменьшением размеров агрегатов. Так согласно [1,18], при уменьшении размера агрегатов образцов сухих почв от 8 до 2 мм отражение возрастает не значительно. Начиная с размеров частиц от 2мм и менее интегральное от ражение возрастает в 1,3-1,5 раза у черноземов и в 1,5-2,0 раза у подзолистых почв.

Диффузионная отражательная способность монолитного гранита на длине волны 2,1 мкм составляет 38%. Обломки того же гранита размером 1- мм отражают 4 1 % падающей энергии. Дальнейшее превращение гранита в по рошкообразное состояние с размерами частиц 0,1-0,25 мм и менее 0,038 мм приводит к возрастанию отражения до значений 66% и 68%, соответственно [1], Приведенный пример иллюстрирует возможные диапазоны изменений отража тельной способности коренных пород в зависимости от размера частиц мате риала.

Приведенные выше данные о влиянии химического состава и степени измельчения почв и минералов на их диффузную отражательную способность получены в лабораторных условиях и относятся к сухим образцам, В реаль ных условиях отражательная способность пахотных почв возрастает при уменьшении замеров комьев за счет уменьшения удельной площади, за нимаемой тенями, которые образуются на поверхности агрегатов при их ко сом освещении. Согласно данным работы [19] при высоте Солнца 50° КСЯ в надире свежевспаханной почвы, имеющей размеры комьев от 20 до 25 см, в 1,08-1,12 раза ниже, чем КСЯ слежавшейся после зимы почвы на пашне. КСЯ ровной плотной необработанной почвы в 1,4-1,6 раза выше, чем вспаханной, и практически не изменяется с изменением высоты Солнца.

КСЯ пашни с бороздами, направление которых совпадает с направлени ем солнечных лучей, всегда выше, чем пашни с бороздами, расположение кото рых перпендикулярно солнечным лучам.

КСЯ почв, комья которых сглажены дождем, на 10-15% больше, чем у све жевспаханной почвы, имеющей такую же влажность.

КСЯ почв, облученных только рассеянной радиацией, не меняются при из менении размеров комьев. КСЯ почв, измеренные при рассеянном освещении, чис ленно равны КСЯ почв, имеющих размер комков около 10 см.

Спектральный состав отраженного от почв излучения в диапазоне длин волн от 0,40 до 0,85 мкм постоянен и не зависит от степени обработки почвы.

Влажность почвы Влияние влажности почвы на ее отражательные свойства выражается в уменьшении ее отражения с ростом степени увлажнения. Это вызвано изме нением,,оптической неоднородности почвы под влиянием уменьшения отно сительного показателя преломления света отдельных частиц, слагающих почву.

В ближней ИК-области происходят наибольшие изменения отражатель ной способности с изменением степени увлажнения [20,3]. При увлажнении почв от воздушно-сухого состояния до полной влагоемкости их яркость уменьшается до двух раз.

Наибольшие изменения КСЯ различных почв происходят при разных ин тервалах влажности: для супесчаных от 0,3 до 3%, для легкосуглинистых от 0, до 10%, для тяжелосуглинистых от 2 до 12%, для глинистых от 4 до 25%, для перегнойно-глеевых от 7 до 30% [18]. Согласно данным работы [60] у песка ли нейная зависимость уменьшения КСЯ наблюдается при влажности до 5-6%. При дальнейшем увлажнении происходит плавное уменьшение интенсивности падения значений КСЯ и при относительной влажности более 10% дальнейшее снижение КСЯ песка не наблюдается. Яркости монолитных, не впитывающих влагу горных сухих и смоченных пород, практически не различается.

Угловая высота Солнца и соотношение рассеянной и прямой солнечной радиации Влияние угла высоты Солнца ho и соотношение рассеянной Dx и пря мой S;

t. солнечной освещенности на результаты измерений спектральной от ражательной способности почв проявляется по разному, если измерения проводятся с помощью аппаратуры, имеющей различные углы поля зрения.

Эти различия обусловлены шероховатостью поверхности почв. В общем случае КСЯ в надире, измеряемый узкоугольным прибором, возрастает при увеличении угла высоты Солнца над поверхностью почвы, а альбедо убыва ет, поскольку оно измеряется прибором с углом поля зрения 180° или рас считывается через индикатрису яркости поверхности, измеренную узко угольным прибором. В случае наблюдения слежавшихся почв с относительно ровной поверхностью значения спек трального альбедо и КСЯ в надире сближаются и практически не зависят от ho.

Исследования [19,21] показали, что КСЯ и спектральное альбедо почв за счет освещения только рассеянным излучением при изменении углов высоты Солнца от 15 до 60°меняются незначительно, поскольку при ясном небе в тече ние дня нисходящий поток рассеянной радиации примерно постоянен.

Подводя итог анализу влияния различных факторов на КСЯ почв отме тим, что наиболее существенным из постоянных факторов являются про центное содержание гумуса в почве и химический состав минеральной основы почвы. Из переменных факторов наиболее существенны степень обработки, влажность почвы, высота Солнца и состояние неба. Под воздействием пере менных факторов КСЯ почвы в надире могут изменяться в 3,5-4 раза от их ми нимальных значений, а с учетом изменения углов сканирования, азимута и вы соты Солнца фо и ho, максимальные изменения КСЯ почв могут достигать 10- раз.

Спектральные отражательные свойства растительных об разований Спектральная отражательная способность зеленой растительности яв ляется характерным признаком и сильно изменяется с длиной волны.

Растительные образования состоят из скопления листьев, которые со вместно образуют растительный покров со своими собственными рассеиваю щими свойствами, поэтому вначале рассмотрим основные закономерности от ражения листьями растений.

Основные закономерности формирования спектров от ражения листьями растений Рассмотрим влияние пигментов и воды на оптические свойства зеленого листа. Зеленый растительный покров имеет специфический спектральный ход отражения и излучения в видимой и ближней ИК-областях спектра, связанный с присутствием в листьях растений различных пигментов и воды. В видимой об ласти определяющее влияние на спектральный ход отражения и пропускания оказывают хлорофилл и каротин [22]. Хлорофилл имеет главный максимум по глощения в красной зоне спектра на длинах волн от 0,666 до 0,689, а также ряд полос в синей зоне с максимумами вблизи 0,44 и 0,46 мкм. Каротин наиболее интенсивно поглощает излучение с длинами волн 0,455 и 0,485 мкм. Поэтому зеленые растения поглощают до 93-95% излучения видимого диапазона спек тра, и лишь небольшой минимум поглощения пигментами листьев вблизи 0, мкм придает листьям зеленую окраску.

В районе красной границы видимой области поглощение хлорофиллом и каротином с ростом длины волны резко падает. В связи с этим в ближней ИК области на длинах воли 0,75-1,3 мкм отражательная способность зеленых ли стьев достигает максимума, который составляет 40-60%. Одновременно воз растает и прозрачность листьев до значений 30-50%.

С дальнейшим ростом длины волны вначале прозрачность, а затем и от ражательная способность листьев начинают убывать за счет поглощения воды, находящейся в клетках листа. Минимумы отражения листьев в ближней ИК области находятся на длинах волн 0,98;

1,15;

1,47;

1,98 мкм и они сдвинуты в длинноволновую область по сравнением с положением центров полос поглоще ния водяного пара.

Сезонные изменения отражательной способности листьев В начале вегетаци онной фазы отражательная способность самых молодых листьев в ближней ИК-области максимальна и достигает 60-75%. По мере развития листьев отра жательная способность снижается. В конце фазы вегетации отражение возрас тает и для желтых листьев осенью достигает 40-50% [ 1 ].

В отличие от видимой области в ближней ИК-области отражательная способность верхней и нижней стороны листа примерно одинакова.

Влияние ШИРОТЫ произрастания. У растений, произрастающих в южных широтах, отражение в ближней ИК-области выше, чем у растений, растущих в более северных широтах [1].

КСЯ крон деревьев Спектры отражения крон деревьев формируются совокупными эффек тами отражения, поглощения и пропускания лучистой энергии отдельными ли стьями или ветвями. В работе [16] показано, что разные виды древесной расти тельности имеют сходные кривые КСЯ, и спектральные альбедо отличаются только максимальными значениями в области спектра 0,55 и 0,8-1,0 мкм. В ус ловиях наибольшей сомкнутости крон КСЯ лиственных пород выше, чем хвой ных пород.

КСЯ растительных сообществ Рассмотренные выше особенности отражательной способности отдель ных листьев, частей растений и крон деревьев, которые обусловлены физиоло гическими факторами, проявляются в той или иной степени, в особенности КСЯ растительных сообществ как элементов ландшафта. Однако на величины КСЯ растительных сообществ помимо главных факторов - фаз вегетации и физиоло гических факторов, большое влияние оказывают следующие структурные (соб ственные) и внешние факторы:

• величина проективного покрытия растительностью подстилающей по верхности Snn, выражаемая в относительных единицах или процентах;

• архитектура растений (высота, форма кроны, ориентация листьев и вегтвей, • распределение по ярусам различных растений и др.;

• условия наблюдения - угол сканирования и азимут Солнца;

• высота Солнца над горизонтом;

• соотношение рассеянной и прямой радиации;

• метеорологические факторы - ветер, влага, температура.

Коротко остановимся на некоторых особенностях КСЯ растительных со обществ. У растительных сообществ сезонные вариации КСЯ проявляются ме нее резко, чем вариации КСЯ отдельных листьев. Это вызвано совместным влиянием КСЯ почв, теней растений, разнородными оптическими и структурны ми свойствами разных растений, входящих в сообщество [23].

Интегральные (по пространству) величины КСЯ растительных сооб ществ определяются отражательными свойствами не только растений, но и почв. Таким образом влияние величины проективного покрытия растения на КСЯ растительных сообществ проявляется в изменении относительного вкла да различных типов растений и почв в суммарную (по площади) величину КСЯ выделяемого аппаратурой элемента ландшафта. При расчетах КСЯ расти тельных сообществ необходимо также учитывать степень затенения расти тельности нижнего яруса, почв или иных объектов растениями верхнего яру са, имеющими шарообразную, конусообразную или иную геометрическую форму.

Согласно [22,24] надирные значения КСЯ посевов на черноземах по ме ре роста растений и увеличения Snn убывают в видимой и возрастают в ближ ней ИК-области. Так, например, при посадке и развитии капусты на богатой орга никой почве площадь проективного покрытия изменялась от О до 30%. При этом КСЯ поля в диапазоне 0,5-1,2мкм увеличился в 2-3 раза. Дальнейшее развитие растений до Snn = 80% не привело к существенным изменениям КСЯ поля [1].

Условия освещения определяются углом высоты Солнца ho и соотношени ем рассеянной Dx и прямой Sx радиации в суммарном потоке падающей Qx радиации.

Результаты экспериментальных исследований показали, что у несомкнутых растительных сообществ с преимущественно вертикальной ориентацией листьев и стеблей наблюдается рост КСЯ с ростом ho. У сомкнутых растительных по кровов с преимущественно горизонтальной или сферической ориентацией ли стьев при возрастании ho величина КСЯ либо остается постоянной, либо слабо убывает. Для всех типов растительных сообществ с увеличением ho альбедо убывает. Однако в зависимости от типа почвы, длины волны, сомкнутости посе вов и вида растений существуют такие значения ;

углов поля зрения аппарату ры, при которых альбедо не меняется при изменении ho [22,25,24].

В работе [33] указано, что при уменьшении величины прямой солнечной радиации Sx. от Sx.« Qx- ДО Sx=O в суммарном нисходящем потоке Qx= Sx.+ Dx происходит возрастание КСЯ в 2,9 -1,45 раза. За счет уменьшения угла высоты Солнца ho над поверхностью посева КСЯ убывает. При суточных измене ниях ho и соотношения Dx / Sx (при росте ho соотношение Dx / Sx убывает) происходят примерно равные, но противоположные по знаку изменения составляющих сум марной величины КСЯ, обусловленные отражением прямой и рассеянной радиа ции.

Подводя итог анализу КСЯ растительных образований необходимо отме тить, что как экспериментальные, так и теоретические исследования многих ав торов указывают на весьма сложную зависимость величин КСЯ от множества параметров и факторов. В связи с этим при решении обратных задач дистан ционных исследований необходим правильный выбор рабочих диапазонов ап паратуры, а также привлечение теоретической и экспериментальной априорной информации. С учетом пофешностей измерения сигналов в аппаратуре и мето дов обработки сигналов при сложных зависимостях от перечисленных факторов при дистанционных исследованиях растительных образований необходимо ис пользовать (иметь) эталонные участки на исследуемых территориях [1] Спектральные отражательные свойства снежного покрова Особенности спектрального отражения снега определяются однократ ным и многократным рассеянием излучений кристаллами льда и спектром по лос поглощения льда с центрами 1,03;

1,26;

1,49 и 2,00 мкм [26]. За счет силь ного поглощения излучений при многократном рассеянии в кристаллах льда его коэффициент отражения на длинах волн больше 1,3 мкм резко убыва ет.

При повышении температуры центры полос поглощения несколько сдвигаются в коротковолновую область спектра. При таянии снега его отража тельная способность убывает, особенно сильно в области 0,9-1,3 мкм [1].

Кроме того на поверхности тающего снега в естественных условиях находится много частиц пыли и сажи, снижающих его отражательную способность.

Согласно работе [18] максимальные значения отражательной способно сти достигаются при толщине слоя 2 см. Однако в реальных условиях при такой небольшой толщине снегового покрова сильное влияние на величины КСЯ ландшафта оказывают вертикальные неоднородности рельефа, обусловлен ные растительным покровом, бороздами и т.д. При уплотнении снегового покрова его отражатель ная способность снижается примерно на 12% [25].

Угловая структура отражения снега характеризуется наличием зеркаль ной составляющей, величина которой зависит от состояния поверхности. Мак симальная анизотропия отражения наблюдается у снега, покрытого ледяной коркой. В ра боте [16 ] показано, что при уменьшении высоты Солнца ho от 39° до 9° коэф фициенты анизотропии снежной поверхности на всех длинах волн возрастают почти пропорционально углу высоты Солнца. При 110=55° снежная поверхность становится изотропной.

Согласно работе [1] при увеличении угла сканирования до 75° в на правлении, соответствующем азимуту Солнца (фо = 0°), КСЯ снега возраста ет в 3-6 раз в ближней ИК-области. При наблюдении в направлении ф = 90°, 180°, 270° величины КСЯ не изменяются при изменении угла сканирования.

При углах сканирования от 0° до 30° максимальные изменения КСЯ не пре вышают 1,3 раза.

Спектральные отражательные свойства водных поверхностей.

Значения КСЯ водных поверхностей сильно варьируют в зависимости от глубины водоема, цвета дна, прозрачности воды, наличия планктона или (и) взвесей, интенсивности и направления волнения, ветра, количества об лачности. Максимум КСЯ прозрачной воды находится вблизи 0,48мкм. При наличии планктона в воде максимум отражения приходится на 0,55-0,6 мкм.

Наличие глинистой и песчаной взвеси в воде приводит к увеличению КСЯ от 4 до 10 раз соответственно в видимой и ближней ИК-областях [1,16]. В работе [1] указано, что наличие мелкой ряби от винта вертолета повышает КСЯ водоема в 4-8 раз на длине волны больше 0,6 мкм.

Тонкий лед, образовавшийся на поверхности водоема, увеличивает его КСЯ в 1,5-4 раза. В соответствии с [1,25] отражательная способность молодого толстого льда на длинах волн больше 0,9 мкм аналогична отражательной спо собности снега.

Загрязнение морской поверхности нефтью приводит к увеличению ее отражательной способности. Тонкая нефтяная пленка приводит к увеличению КСЯ поверхности воды в 1,2-2 раза по всему спектру. Мощное нефтяное пятно на воде имеет величины КСЯ, возрастающие с длиной волны начиная с крас ной части спектра;

на длинах волн, соответствующих атмосферным окнам про зрачности ближней ИК-области спектра, значения КСЯ достигают 21-28% [1].

Этот эффект может быть вызван аккумуляцией нефтью атмосферной пыли и взвесей песка.

В заключение можно отметить, что водные поверхности характеризуются низкими величинами КСЯ в надире при высотах Солнца менее 80-60°. При на блюдении в направлении солнечных бликов (солнечные дорожки) яркость отно сительно надира может изменяться от трех и более порядков, что затрудняет эксплуатацию приборов, не имеющих устройства автоматической регулировки чувствительности. В то же время, солнечные блики несут инфома цию об особенностях волнения морской поверхности [16].

На основании вышеизложенного можно сделать несколько замечаний.

1. в отношении объектов первого класса - обнажения и почвы - из посто янных факторов, влияющих на их КСЯ, наиболее существенными являются процентное содержание гумуса в почве и химический состав минеральной осно вы почвы. Из переменных факторов наиболее существенны степень обработки, влажность почвы, высота Солнца и состояние неба. Под воздействием пере менных факторов КСЯ почв в надире могут изменяться в 3,5-4 раза от их мини мальных значений, а с учетом изменения углов сканирования, азимута и высо ты Солнца максимальные изменения КСЯ почв могут достигать 10-12 раз.

2. Значения КСЯ растительных образований в ближней ИК-области до вольно высоки, однако они связаны весьма сложной зависимостью с мно1€сгвом параметров и факторов.

3. Снежный покров обладает самой высокой отражательной способно стью, достигающей в ближней ИК-области 0.79%.

4. Чистые водные поверхности обладают самым низким отражением, достигающим 0,03-0,02. Однако включения в чистой воде сильно влияют на ее отражение, например, наличие глинистых и песчаных взвесей увеличивает КСЯ воды до 10 раз в ближней ИК-области. Наличие загрязнения морской поверхности нефтью приводит к увеличению ее отражательной способности в 1,2-2 раза.

5. В ближневолновых диапазонах 0,5...0,7 и 1,0-1,3 мкм все указанные в классификации природные образования имеют разницу в значениях своих КСЯ более, чем 1%. Это относится как к природным образованиям разных классов, так и для находящихся в пределах одного класса.

Анализируя табл. 1 и рис. 6, можно сделать промежуточный вывод, что мак симальные значения КСЯ в большинстве рассмотренных случаев находятся в диа пазоне 0,4...0,75 мкм (видимый диапазон) и 0,9...1,4 мкм (ближний ИК - диапазон).



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.