Основы дистанционного зондирования земли (дзз)

Что такое ДЗЗ? Источник: http://www.iki.rssi.ru/

Под дистанционным зондированием понимается неконтактное изучение Земли (планет, спутников), её поверхности и недр, отдельных объектов и явлений путём регистрации и анализа их собственного или отражённого ими электромагнитного излучения. Регистрируется либо естественное излучение, определяемое естественным освещением земной поверхности Солнцем, или тепловое – собственное излучение Земли, либо искусственное, которое создается при облучении местности источником, расположенным на носителе регистрирующего устройства. Регистрация может выполняться с помощью технических средств, установленных на аэро- и космических летательных аппаратах, а также на земной поверхности. Изображение может быть представлено в виде двумерной аналоговой записи, например, фотографической, или цифровой записи на магнитных запоминающих устройствах.

Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр. Под электромагнитной энергией понимается энергия в диапазоне длин волн от 10–10 мкм (космические лучи) до 1000 мкм (радиоволны). В дистанционном зондировании используются длины волн оптического диапазона (0,30–15 мкм) и радиоволновая область спектра (0,8–100 см). Выбор этих длин волн для использования в ДЗЗ в основном обусловлен тем, что электромагнитная энергия в оптическом диапазоне может отражаться и преломляться твердыми телами – зеркалами, линзами, которые изготавливаются с жёсткими допусками. Область 0,38–3,0 мкм – отражательная часть спектра. Энергия, улавливаемая на этих длинах волн, – это отражённое от земных объектов излучение Солнца. Область 3,0–15,0 мкм – это излучающая область спектра, т.е. обусловленная собственным излучением объектов. Классификация зон электромагнитного спектра показана в таблице 1.

Таблица. 1. Зоны электромагнитного спектра.

Солнечное излучение

Солнечное излучение. Количество отражённой от земной поверхности энергии зависит от количества энергии, поступившей от Солнца. На рисунке 1 представлен график солнечной спектральной плотности энергетической освещённости Земли как функции длины волны. На Рис. 2 видно, что почти вся (99,9 %) пришедшая от Солнца на земную поверхность лучистая энергия приходится на спектральный интервал 0,3–4,0 мкм с преобладанием в видимой области спектра (максимум около 0,5 мкм). Земля, накопив солнечную энергию, сама становится источником излучения в интервале λ = 4,0–40 мкм с максимумом в пределах λ = 8–12 мкм. На земную поверхность попадает радиация, непосредственно идущая от Солнца в виде пучка практически параллельных лучей, а также рассеянная в атмосфере и отразившаяся от земли.

Рис. 2.

Влияние атмосферы на поглощение солнечного излучения

Атмосфера значительно ослабляет и спектрально преобразует солнечное излучение вследствие рассеяния и поглощения молекулами газов, водяными парами, твёрдыми частицами. Ослабление интенсивности излучения взвешенными в атмосфере частицами зависит от оптической плотности атмосферы, состава взвесей и длины волны излучения. Основными поглотителями солнечного излучения являются водяной пар, двуокись водорода и озон. Поглощение избирательно по спектру. Для некоторых лучей атмосфера мало прозрачна или непрозрачна совсем.

Отражение и излучение поверхности Земли

Способ взаимодействия солнечного излучения с объектом определяет его отражательную способность. Все природные образования отражают солнечную радиацию определённым, характерным только для них и их состояния, образом. Яркость почти всех природных образований в области до 3,0 мкм определяется свойством этих образований отражать и рассеивать электромагнитную радиацию. Кроме того, все природные образования обладают собственным тепловым излучением. Но, так как их температура сравнительно невысока, то максимумы спектрального распределения плотности их радиации регистрируются в длинноволновой области спектра. В диапазоне 3,0–80 мкм сосредоточено около 99 % теплового излучения земной поверхности. Таким образом, спектр излучения поверхности Земли имеет днём два максимума – один на длине волны около 0,5 мкм, обусловленный отраженной солнечной радиацией, и второй – на длине волны около 9,0–10,0 мкм, обусловленный собственным тепловым излучением. Ночью спектр излучения земной поверхности изменяется, сохраняется только максимум в области собственного излучения, а в области отражения максимум исчезает (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Спектральное отражение и собственное излучение поверхности Земли днём.

Рис. 4. Спектральное отражение и собственное излучение поверхности Земли ночью.

Спектральная отражательная способность природных объектов

Рис. 5.

Рис. 6.

Спектральная отражательная способность водных объектов

Основной закономерностью отражения света водой является резкое падение её спектральной кривой в видимом диапазоне спектра (от синей части к красной) и минимальное отражение в ближней ИК-зоне спектра (рис. 7). Отражательные свойства водных объектов зависят от рассеивающих и поглощающих свойств чистой воды, взвешенных частиц разного (органического и неорганического) происхождения, хлорофилла и других пигментов фитопланктона.  С увеличением концентрации взвешенных веществ органического и неорганического происхождения и содержания хлорофилла максимум отражения видимого света обычно смещается в длинноволновую область спектра.

Рис. 7. Спектральная отражательная способность водных объектов на территории Словакии во время летнего паводка 1997 года по данным с КА «Ресурс-О» (каналы: 1 – 0,5–0,6 мкм; 2 – 0,6–0,7 мкм и 3 – 0,8–0,9 мкм).