ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2019
Просмотров: 2142
Скачиваний: 19
1ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ПРИ СЪЕМКАХ.
Основным естественным источником облучения земной повер¬хности является Солнце. Электромагнитное излучение, поступаю¬щее на снимаемую поверхность, состоит из двух составляющих: прямое солнечное излучение и диффузное — рассеянное атмосфе¬рой и отраженное объектами земной поверхности. От их соотно¬шения зависит освещенность объектов. В общем случае при без¬облачном небосводе вклад рассеянной радиации в суммарную ос¬вещенность невелик.
Максимальное количество (до 99,9 %) солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, приходится на спектральный интервал лямбда = 0,3...4 мкм с преобладанием в видимой зоне спектра лямбда = 0,4...0,7 мкм.
Объекты земной поверхности излучают в пространство соб¬ственную радиацию в спектральном интервале лямбда = 4...14 мкм, на¬зываемым тепловым. Собственное излучение также относят к ес¬тественному.
В качестве искусственных источников излучения, используе¬мых для освещения (облучения) объектов земной поверхности,
применяют лампы-вспышки, оптические генераторы (лазеры), ра¬дары и т. п. Искусственные источники различают по интенсивности, спектральному составу, поляризации генерируемого излучения, потребляемой мощности питания и т. п.
Наиболее информативными диапазонами для целей аэро- и космических съемок являются оптический диапазон (лямбда = 0,3...1000 мкм) и радиодиапазон (длины волн электромагнитного излучения более 1 мм). Диапазоны делят на области и зоны спектра (рис. 1.2).
2 ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА ПРОХОДЯЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.
Атмосфера представляет собой фильтр с достаточно нестабиль¬ными пропускными характеристиками. Нестабильность вызыва¬ется сложным вещественным составом и движением воздушных потоков атмосферы, обусловленным различием температуры и давления в ее слоях.
Атмосфера состоит из газов, водяного пара и различных приме¬сей, так называемых аэрозолей — мельчайших взвешенных твер¬дых и жидких частиц. Основная масса атмосферы (99,9 %) сосре¬доточена в слое ниже 50 км, поэтому здесь и происходят основные искажения проходящего через нее излучения.
Газы и аэрозоли, входящие в состав атмосферы, изменяют спектр проходящего электромагнитного излучения: полностью или частично поглощают лучи некоторых спектральных зон. Су¬ществуют спектральные интервалы, в которых атмосфера про¬зрачна для прохождения лучей. Их называют «окна прозрачности» (рис. 1.3). Например, видимая область спектра, зоны с длинами волн лямбда = 3—5 мкм, лямбда = 8—12 мкм и др. Съемки поверхности Земли должны выполняться в спектральных интервалах, прозрачных для прохождения лучей.
Искажаются отраженное и собственное излучения объектов. Чем больше оптическая толщина атмосферы между объектом и съемочной аппаратурой, тем больше искажение. При малых высо¬тах съемки до 200...400 м атмосфера практически не изменяет спектральный состав излучения.
Механические частицы и водяной пар в атмосфере образуют так называемую атмосферную дымку, которая снижает контраст изображения.
Компоненты, входящие в состав атмосферы, изменяют прямо¬линейность прохождения лучей. Возникает явление, называемое рефракцией атмосферы, которая приводит к деформации и смеще¬нию изображений снимаемых объектов. Рассмотренные оптические свойства атмосферы показывают необходимость их учета при организации и проведении аэро- и космических съемок с целью получения снимков с меньшими гео¬метрическими искажениями и повышения качества изображения.
3 ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ. КРИТЕРИИ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ.
При аэро- и космических съемках наибольший интерес пред¬ставляют лучи, отраженные от объектов земной поверхности. По¬этому под оптическими свойствами будем понимать отражатель¬ную способность объектов местности. Критериями отражательной способности служат коэффициенты интегральной яркости, коэф¬фициенты спектральной яркости, интегральные и спектральные индикатрисы рассеяния.
Коэффициентом интегральной яркости (КЯ) называют отноше¬ние "интегральной яркости объекта (В) в данном направлении к интегральной яркости идеально отражающей поверхности (В^0), определяемых при одинаковых условиях освещения и наблюде¬ния: r = В/В^°. 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 на¬зывают монохроматическими яркостями. Отношение монохрома¬тических яркостей объекта (Bлямбда) и идеально отражающей поверхно¬сти (Вх), измеряемых при одинаковых условиях освещения и на¬блюдения, называют коэффициентом спектральной яркости (КСЯ): rл=Bл/Bл^0Коэффициенты спектральной яркости объекта определяют од¬новременно в нескольких зонах спектра. Используя полученные данные, строят кривые КСЯ (рис. 1.4), показывающие зависи¬мость коэффициентов от длины волны излучения:rл=f(л)Различные классы объектов имеют свои специфичные формы кривых КСЯ. Принято разделять объекты по форме кривых КСЯ четыре класса: 1—растительность, 2 — почвы и горные породы, 3 — водные поверхности, 4 — снега и облака. При выполнении съемок для целей картографирования, изучения объектов поверх¬ности 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 нм, понижение на длине волны лямбда = 0,66нм, 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 засоленнос¬ти, тип иловых отложений, биологический и растительный состав воды обусловливают значение КСЯ водных поверхностей.
Сведения о коэффициентах интегральной и спектральной яр¬кости приводят в литературе и справочниках в виде таблиц, а для КСЯ имеются графики кривых. Справочные сведения должны иметь описание физических, химических свойств почв, тип расти¬тельности, фазу вегетации, состояние растений, условия освеще¬ния 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 инди¬катрису будут называть интегральной или спектральной.
Для описания индикатрисы рассеяния используют два ее сече¬ния: в плоскости главного вертикала Солнца (A =0…180 градус) и пер¬пендикулярной ему (А = 90...270градус). Неравномерность простран¬ственного отражения объекта зависит от размеров, формы, про¬странственной ориентации элементов его поверхности, высоты Солнца и его азимутального положения относительно объекта и т.п. По форме пространственного отражения объекты имеют сле¬дующую 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 источни¬ка света (рис. 1.5, 5), к ним относят водные поверхности без ряби и волн, снежный наст, влажные солончаки, такыры и пр.;
отражающие световой поток преимущественно в сторону ис¬точника 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.
Как отмечалось, 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.
4 ПОНЯТИЕ О СРЕДСТВАХ И ТЕХНОЛОГИЯХ СПЕКТРОМЕТРИРОВАНИЯ
Определение критериев отражательной способности, исследование их динамики выполняют в результате проведения комплекса работ, называемого спектрометрированием. С помощью приборов (спектрометров) по определенной методике измеряют яркость объектов и эталонной поверхности. В качестве эталонной используют любую поверхность, отражательные свойства которой известны и постоянны. При вычислении критериев отражательной способности учитывают «неидеальность» отражения эталонных поверхностей. Одновременно с измерением описывают условия освещения и состояние объекта на момент измерений. По результатам измерений вычисляют критерии отражательной способности.
Спектрометрирование проводят в лабораториях или полевых условиях, находясь на поверхности объекта, или с летательных аппаратов.
5 ВЫБОР СПЕКТРАЛЬНЫХ ЗОН И КОЛЕНДАРНОГО ВРЕМЕНИ СЪЕМОК.
Критерии отражательной способности используют при планировании аэро- и космических съемок. С помощью коэффициентов спектральной яркости решают следующие задачи:
выбирают одну или несколько зон спектра, в которых проводят съемку объектов земной поверхности для получения на снимках наилучшего разделения изображений изучаемых объектов;
определяют время суток и сезон съемки, которые обеспечат ре¬шение предыдущей задачи;
разрабатывают технические требования к спектральной чув¬ствительности приемников излучения съемочных систем;
определяют тип съемочных систем, применение которых по¬зволит получить изображение, используемое для решения конк¬ретной задачи.
Оптимальные зоны спектра и время съемки выбирают аналитическим или графическим способом с последующим аналитичес¬ким контролем правильности выбора.
Интегральные и спектральные индикатрисы рассеяния используют для расчета утла захвата съемочной системы: в пределах которого неравномерность пространственного отражения снимае¬мых объектов не окажет влияния на изменение оптической плот¬ности или цвета их изображений от центра к краю снимка. Такие съемочные системы можно считать фотометрическими. В зависи¬мости от типа объектов угол должен быть в интервале от 3 до 30градус. Топографические съемочные системы имеют угол захвата съемоч¬ной системы значительно больший. В этом случае, для исключе¬ния влияния неравномерности пространственного отражения, на снимках ограничивают рабочую площадь, размер которой рассчи¬тывают в соответствии с утлом, определяемым с помощью инди¬катрис рассеяния.
6 КЛАССИФИКАЦИЯ АЭРО- И КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОЧНЫХ СИСТЕМ
Классифицируют съемочные системы по различным критери¬ям. Рассмотрим один из возможных вариантов классификации. Съемочные системы подразделяют:
на воздушные и космические в зависимости от вида летатель¬ного аппарата;
пассивные и активные съемочные системы. В пассивных систе¬мах регистрируется отраженное солнечное или собственное излу¬чение объектов. В активных системах применяют искусственные генераторы для облучения поверхности снимаемых объектов с последующей фиксацией отраженного сигнала;
системы, работающие в оптическом или радиодиапазоне;
однозональные и многозональные. При выполнении многозональных съемок получают одновременно несколько изображений одной и той же территории в различных зонах спектра электромагнитного излучения;
фотографические и нефотографические съемочные системы. В фотографических системах электромагнитное излучение регист¬рируют на черно-белых или цветных фотографических пленках. На фотографических снимках информация об исследуемых объек¬тах записывается в виде оптических плотностей (или цвета), соот¬ветствующих яркостям элементов поверхности Земли. В нефотог¬рафических системах кодом изображения служит сигнал, возник¬ший в приемнике излучения, который пропорционален излучению, поступившему от элемента объекта съемки. Аналоговый сиг¬нал преобразуется в цифровой вид;
оперативные и неоперативные — по способу доставки видеоин¬формации. Фотографические съемочные системы являются не¬оперативными, так как для доставки экспонированной пленки требуется посадка летательного аппарата или сброс на Землю спе¬циального контейнера. Нефотографические системы относят к оперативным. С их помощью видеоинформация передается по ра¬диоканалу в реальном времени съемки или записывается на маг¬нитном носителе с последующей передачей в эфир;
по способу построения изображения. Изображение строится по законам центральной проекции (кадровые фотографические и те¬левизионные системы), строчно-кадровой развертки (сканеры) и по иным законам. При создании топографических крупномасш¬табных планов и карт фотограмметрическим методом используют снимки, получаемые кадровыми аэрофотоаппаратами.
Классификация может быть продолжена исходя из многообра¬зия конструкций и технических характеристик съемочных систем.
7 ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СЪЕМОЧНЫХ СИСТЕМ
Основные критерии, применяемые для оценки информацион¬ных возможностей съемочных систем, следующие: линейная раз¬решающая способность, спектральная разрешающая способность, фотограмметрическая точность, фотометрическая точность.
Линейной разрешающей способностью съемочной системы назы¬вают ее возможность раздельно воспроизводить на снимке мелкие детали снимаемого объекта. Разрешающая способность определя¬ется числом раздельно воспроизводимых черных линий в 1 мм изображения при таком же белом интервале между ними. Например, если съемочная система имеет разрешающую способность 50 мм^-1, то это означает, что в 1 мм изображения может быть за¬фиксировано 100 черных и белых линий и минимально различи¬мый размер элемента изображения будет равен 0,01 мм. Определя¬ют разрешающую способность путем съемки миры.