Поглощение - основной механизм взаимодействия электромагнитного излучения с атмосферой.

При распространении электромагнитного излучения через атмосферу оно частично поглощается молекулами различных газов. Наибольшей способностью к поглощению солнечного излучения обладают озон (О₃), пары воды (Н₂0) и углекислый газ (С0₂). На (Рис.2.1.1.) показана кривая прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн от 0 до 22 мкм.

Рис. 2.1.1 Окна прозрачности атмосферы

Видно, что примерно половина этого спектрального диапазона является совершенно бесполезной с точки зрения дистанционного зондирования земной поверхности, просто потому, что соответствующее излучение не может пройти через атмосферу. Для дистанционного зондирования используют только те диапазоны длин волн, которые лежат вне основных интервалов поглощения. Такие диапазоны называются окнами прозрачности атмосферы (отображены на графике белым цветом). Они представляют собой такие участки спектра электромагнитного излучения, которые не поглощаются атмосферой. При съемке поверхности Земли из космоса учитывают этот факт, а потому, съемку проводят только в окнах прозрачности.

Окна прозрачности:

1) "большое окно": 0,3-1,3 мкм (видимый диапазон);

2) 1,5-1,8 мкм (инфракрасный диапазон);

3) 2,0-2,6 мкм (инфракрасный диапазон);

4) 7,0-15,0 мкм (тепловой инфракрасный диапазон);

5) 0,5 мм и более 10м (микроволновый и радиодиапазон - наибольшая прозрачность).

Атмосферная дымка (эффект рассеивания лучей) наиболее сильно проявляется в синей, голубой зонах спектра (0,38 - 0,5 мкм). Она снижает контраст изображения, искажает цвет объектов.

Поэтому в современном дистанционном зондировании при съемки поверхности Земли голубой диапазон не используется

Установлено, что лишь 13 % энергии, излучаемой поверхностью Земли в инфракрасном диапазоне, достигает верхней границы атмосферы, остальная энергия поглощается в атмосфере [Оптико-электронные системы ..., 2002].

Спектр солнечного излучения до и после его прохождения через атмосферу Земли показаны на (Рис. 2.1.2.). Из рисунка видно, что кривая интенсивности солнечного излучения до его прохождения через атмосферу в достаточной степени соответствует кривой интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5900 K. Сравнивая первую кривую с кривой, полученной вблизи поверхности Земли, можно выделить области относительно низких значений, соответствующие окнам поглощения различных атмосферных газов.

Рис. 2.1.2 Спектр солнечного излучения [Чандра, Гош, 2008]

Поглощение полностью обусловлено присутствием в атмосфере молекул, способных поглощать энергию в различных диапазонах спектра. Озон, кислород, углекислый газ и водяной пар - четыре компонента атмосферы, которые в основном ответственны за поглощение излучения. В некоторых случаях поглощающие молекулы остаются практически неизменными после взаимодействия с излучением, но в других случаях молекулы меняются, теряя, например, часть своих атомов.

Молекулы кислорода в верхних слоях атмосферы поглощают излучение в рентгеновской области спектра и коротковолновое (до 0,3 мкм) ультрафиолетовое излучение. Такое излучение является чрезвычайно вредным для жизни на планете, так как может воздействовать на клетки живых организмов, вызывая мутации и тому подобные нежелательные явления. Молекулы кислорода в этом процессе распадаются на отдельные атомы кислорода. Этот процесс происходит в самых высоких слоях, которые при этом обогащаются активными атомами кислорода. В более низких слоях атмосферы, до которых жесткое коротковолновое излучение доходит уже сильно ослабленным, отдельные атомы кислорода могут объединяться с молекулами кислорода и формировать, таким образом, молекулы озона.

Озон поглощает излучение в средней части ультрафиолетовой области спектра, защищая нас от того вредного излучения, которое осталось не поглощенным молекулами кислорода в более высоких слоях атмосферы. После поглощения излучения молекула озона распадается на атом кислорода и молекулу кислорода, но атом кислорода обычно повторно объединяется с другой молекулой кислорода, создавая при этом новую молекулу озона.

Углекислый газ часто упоминается как один из парниковых газов. Парниковые газы пропускают электромагнитное излучение в видимой области спектра, но интенсивно поглощают излучение в инфракрасной области, что, во-первых, приводит к некоторому повышению температуры атмосферы, а во-вторых, к возвращению части поглощенного излучения обратно к поверхности Земли.

Водяной пар - атмосферный газ, который сильно поглощает излучение в инфракрасной области электромагнитного спектра (между 1,0 и 22,0 мкм). Наиболее высокая концентрация водяного пара наблюдается в нижних слоях атмосферы, причем эта концентрация сильно меняется от места к месту и от одного времени года к другому. Например, воздушная масса над пустыней содержит очень небольшое количество водяного пара, в то время как в тро-пиках наблюдаются достаточно высокие его концентрации.

Все упомянутые атмосферные газы поглощают электромагнитную энергию в определенных областях спектра, и это определяет, какие части электромагнитного спектра мы можем использовать для целей дистанционного зондирования, а какие нет. На (Рис. 2.1.3.) представлен спектр пропускания атмосферы в зависимости от длины волны.

Например, атмосфера почти непрозрачна к электромагнитному излучению в большей части инфракрасной области спектра. Те области, в которых поглощение не столь существенно, называются «окнами прозрачности». Большинство инструментов дистанционного зондирования принимают излучение в одном или в нескольких окнах прозрачности. Такие инструменты ориентированы на исследование подстилающей поверхности.

Рис. 2.1.3 Спектр пропускания атмосферы [Оптико-электронные системы ..., 2002]

В инфракрасном диапазоне спектра пропускания можно выделить два «окна прозрачности», где коэффициент пропускания близок к 90 % (3,4-4,2 мкм) или 60-80 % (8,0-12,5 мкм). Именно в этих спектральных зонах расположены рабочие каналы инфракрасных радиометров. Диапазон 3,4-4,2 мкм имеет ограниченную применимость по сравнению с другими диапазона-ми (используется в основном в ночное время), так как в этой спектральной зоне большое влияние на информационный сигнал оказывает отраженное солнечное излучение.

Причем даже при использовании «окон прозрачности» атмосфера значительно трансформирует инфракрасное излучение подстилающей поверхности.

Важным является и то обстоятельство, что различные модели атмосферы обладают различным значением пропускания (табл. 2.1.1.), что приходится иметь в виду при учете атмосферного влияния.

Таблица 2.1.1 Пропускание атмосферы в спектральном диапазоне 10,2-12,3 мкм в безоблачных условиях

2.2 Рассеивание излучения

В атмосфере также происходит рассеивание лучей. Причиной рассеивания является изменение направления распространения электромагнитных волн из-за их взаимодействия с молекулами газов и присутствующих в атмосфере частиц. Величина рассеивания зависит от длины волны электромагнитного излучения, количества частиц и концентрации атмосферных газов, а также от пути распространения через атмосферу. В диапазоне видимого света доля рассеянного излучения при регистрации сенсором составляет от 100 при сплошной облачности до 5 % при абсолютно ясном небе.

Выделяют три типа рассеивания в атмосфере: рассеивание Релея, рассеивание Ми и неселективное рассеивание.

Рассеивание Релея. Преобладает при взаимодействии элек-тромагнитного излучения с частицами, размер которых меньше длины волны падающего света. Примеры таких объектов: частицы пыли, молекулы азота (N2) и кислорода (О2). Величина рассеивания Релея обратно пропорциональна длине волны (чем меньше длина волны, тем сильнее рассеивание). При дистанционном зондировании с помощью спутников основным видом рассеивания является рассеивания Релея. В отсутствие рассеивания небо было бы черным. В дневное время солнечные лучи проходят через атмосферу по кратчайшему пути. Благодаря рассеиванию Релея человек видит синее небо, поскольку синий свет обладает наименьшей длиной волны, которую может наблюдать человеческий глаз. На закате и восходе солнечные лучи проходят более длинный путь через атмосферу. Коротковолновая часть излучения успевает рассеяться, и поверхности Земли достигают только волны относительно большой длины. В результате небо окрашивается в оранжевый или красный цвет. Вызванное им искажение спектральных характеристик отраженного света по сравнению с измерениями вблизи земной поверхности приводит к тому, что интенсивность коротковолнового излучения оказывается завышенной.

Рассеивание Релея является причиной снижения контрастности снимков. Оно отрицательно влияет на возможность дешифрирования цифровых снимков, полученных с помощью сканирующих систем спутников, а также ограничивает возможности классификации объектов.

Рассеивание Ми. Возникает, если длина волны падающего излучения сравнима с размерами частиц. Наиболее важной причиной рассеивания Ми являются аэрозоли, представляющие собой смесь газов, паров воды и частиц пыли. Как правило, рассеивание Ми возникает в нижних слоях атмосферы, где крупные частицы встречаются чаще, и доминирует в условиях сплошной облачности. Рассеивание проявляется в нескольких спектраль-ных диапазонах: от ближнего ультрафиолетового диапазона до ближнего инфракрасного диапазона.

Неселективное рассеивание. Возникает при условии, что размер частиц существенно больше длины волны излучения. К таким частицам относятся капли воды и крупные частицы пыли. Неселективное рассеивание не зависит от длины волны и наиболее отчетливо проявляется при наличии облаков, содержащих водные капли. Поскольку излучение с разной длиной волны рассеивается одинаково, облака выглядят белыми. В условиях сплошной облачности излучение в оптическом диапазоне не проникает через атмосферу.

Влияние облачности. Облачность является наибольшей помехой при съемке в оптическом диапазоне. Как правило, в каждый момент времени она закрывает более 50 % поверхности земного шара. При планировании съемок важно располагать данными об условиях облачности. Для этого составляют карты, характеризующие глобальное распределение зон устойчивой облачности и дающие оценку условий съемки. Кроме того, по статистическим исследованиям известно, что облачность обычно сохраняется над каждой точкой земной поверхности на протяжении не более 3-5 дней.

3. Атмосферная коррекция

Следующим этапом нормализации геоданных является уменьшение влияния на снимок атмосферы и перевод значений радиации, дошедшей до сенсоров спутника (TOA radiance), в значения реально отражённого от земли спектрального излучения солнечного света. Влияние атмосферы на геоснимок проявляется в целом ряде факторов: угол падения и отражения солнечных лучей, прозрачность атмосферы, газовый фактор и дымка (Рисунок 3.1).

Рис. 3.1 Факторы, влияющие на попадание отраженной солнечной радиации на сенсоры спутника.

Для дальнейших исследований необходимо провести оптическую коррекцию (нормализацию) данных геоснимка методом Dark Object Subtraction (DOS), впервые представленным Chavez (1996) [5]. Суть метода состоит в нахождении яркости однопроцентно тёмного объекта геоснимка с последующей коррекцией минимума значений каждого пикселя изображения относительно спектральной яркости найденного объекта.

Есть два основных способа поиска 1%-темного объекта (Dark Object) для метода DOS:

1. эмпирический метод подразумевает поиск значений в ручном режиме, например, с использованием инструмента «гистограмма» в QGIS, где изменением нижнего порога яркости гистограммы постепенно находим примерное значение яркости искомого тёмного объекта;

2. вычислительный метод подразумевает, что суммарная яркость (от 0 до n) однопроцентно тёмного объекта будет соответствовать 0.01% от суммарной яркости всех пикселей геоснимка (Sobrino et al., 2004 [6]).

В данной работе успешно применялся метод (2), хорошо показавший себя при обработке большого количества геоснимков исследуемого района.

После определения яркости Dark Object (в дальнейших вычислениях будем обозначать его как DNmin), производим атмосферную коррекцию по методу DOS в несколько этапов:

1. Вычисляем значение радиации, соответствующее значению яркости 1%-темного объекта (расчёт производится по аналогии с TOA radiance), по формуле (3).

(3)

где:

Lлmin - спектральная радиация для 1% тёмного объекта;

DNmin - значения яркости пикселя 1% тёмного объекта;

Qcalmin - минимальное возможное значение пикселя геоснимка;

Qcalmax - максимальное возможное значение пикселя геоснимка;

LMINл - минимальное значение спектральной радиации для конкретного датчика спутника для конкретного снимка;

LMAXл - максимальное значение спектральной радиации для конкретного датчика спутника для конкретного снимка.

Или с использованием упрощённой формы (4).

Lлmin = DNmin Ч Gainл + Baisл (4)

где:

Lлmin - спектральная радиация для 1% тёмного объекта;

DNmin - значения яркости пикселя 1% тёмного объекта;

Gainл - усиление значения радиации относительно яркости 1% тёмного объекта;

Baisл - смещение значения радиации относительно яркости 1% тёмного объекта.

2. Рассчитываем коэффициент влияния угла падения и отражения солнечных лучей для 1%-тёмного объекта по формуле (5).

(5)

где:

L_1% - коэффициент влияния угла падения и отражения солнечных лучей для 1% тёмного объекта;

d - расстояние от солнца до земли в астрономических единицах в конкретный день съёмки сцены на конкретной местности [7];

E₀ - коэффициент солнечного внеатмосферного спектрального излучения (явно представлен как табличные данные и учитывается при калибровке датчиков Landsat 5 и 7 , для Landsat 8 дополнительно вычисляется);

и - зенитное расстояние для солнца в радианах;

T_Z - мера прохождения излучения от солнца до земли, в методе DOS2, принимается равным cosи.

3. Вычисляем значение атмосферной дымки (hazing) по формуле (6).

Lлhaze = Lлmin - L_1% (6)

где:

Lлhaze-- значение атмосферной дымки (hazing);

L_1% -- коэффициент влияния угла падения и отражения солнечных лучей для 1%-тёмного объекта;

Lлmin -- спектральная радиация для 1%-тёмного объекта.

4. Рассчитываем атмосферно скорректированные значения отражённой солнечной радиации по формуле (7)

(7)

где:

сл -- атмосферно скорректированные значения отражённой солнечной радиации;

Lл -- значения радиации, пришедшей на сенсор спутника;

Lлhaze -- значение атмосферной дымки (hazing);

d -- расстояние от Солнца до Земли в астрономических единицах в конкретный день съёмки сцены на конкретной местности [7];

E₀ -- коэффициент солнечного внеатмосферного спектрального излучения (явно представлен как табличные данные и учитывается при калибровке датчиков Landsat 5 и 7 , для Landsat 8 дополнительно вычисляется);

и -- зенитное расстояние для солнца в радианах;

T_Z -- мера прохождения излучения от солнца до земли, в методе DOS2, принимается равным cosи.

Рис. 3.2 Атмосферная коррекция в ENVI

Заключение

В итоге данной самостоятельной работы могу отметить, что атмосфера является мешаюшим фактором и играет большую роль во время съемки со спутников, при измерении GPS приемниками, из-за чего может быть задержка и искажение электромагнитного излучения и т.д.

Атмосфера представляет собой смесь газов, в которой взвешены твердые и жидкие частицы вещества от тонкого аэрозоля до плотных облаков со всеми промежуточными стадиями. Например, когда проводим GPS измерений, атмосферную помеху мы можем вычислить с помощью двухчастотными приемниками, спускаются сигнал с двумя разными частотами L1 и L2 с разными длинами волнами. Зафиксируется время прохождения двух частот через слои атмосферы и вычисляется помеха и нужные данные.

При прохождении через атмосферу электромагнитные волны взаимодействуют с содержащимися в ней частицами пыли, дыма, кристаллами льда, каплями воды. При этом возникают процессы рассеяния и поглощения, которые уменьшают интенсивность солнечной радиации на поверхности Земли и меняют диапазон излучения. Входе в озоновый слой поглощаются электромагнитные волны с короткими длинами волн и не проходят в атмосферу, следовательно, не могут быть использованы при дистанционном зондировании. Так же происходят рассеивание при входе в атмосферу. Представляется ослаблением направленного потока электромагнитных волн вследствие отклонения направления его падение, но полностью не поглощаются. Оно происходит вследствие разнонаправленного отражения проходящих лучей маленькими и большими частицами газа и аэрозолями (пыль, дым), а также каплями воды. Интенсивность и вид рассеивания зависит от соотношений размера частицы и длины волны электромагнитного излучения. Например, молекулами газов рассеивается коротковолновая часть электромагнитного излучения (рассеяние Рэлея), а аэрозолями, размеры частиц в которых соизмеримы с длиной волны, рассеивается длинноволновая часть оптического излучения (рассеяние М_u).

Важность процессов рассеяния и поглощения для дистанционного зондирования объясняется ещё и тем, что с одной стороны, ими определяются ширина и интенсивность спектра солнечного или искусственного электромагнитного излучения, а с другой стороны, ими же определяются спектральные диапазоны и интенсивность отраженного и эмиттерного (вторичного теплового) излучения, регистрируемых бортовой аппаратурой. Поэтому зависимость прохождения электромагнитных волн сквозь атмосферу от их диапазона должна учитываться при проведении аэрокосмических съемок. Таким образом, для получения качественных результатов дистанционного зондирования необходимо учитывать ряд факторов:

- состояние атмосферы;

- высоту Солнца и азимут на него во время полета;

- технические параметры аппаратуры.

Для правильного использования возможностей выбранного диапазона электромагнитных волн при дистанционном зондировании местности важно учитывать то, что вид и интенсивность взаимодействия между потоками солнечной радиации (или искусственного излучения) и средой, на которую они падают, зависит от длины волны и вещества среды. Спектр излучения, атомный и молекулярный состав вещества на поверхности Земли определяют диапазоны, в которых электромагнитные волны будут отражаться, рассеиваться или поглощаться веществом на поверхности Земли, а также способность тела излучать вторичное тепло.

Представляющие интерес для дистанционного зондирования материалы на поверхности Земли (горные породы, почвы, растительность, водные поверхности и т.п.) подчиняются вышерассмотренным закономерностям, и широта спектра их температурного излучения зависит от вещества. Большинство этих материалов имеют свой характерный спектр отраженного, поглощенного и вторичного теплового излучений. Исходящий от них поток энергии регистрируется на борту носителя приемниками и может быть обработан в числовом или аналоговом виде, например, в виде кодированного телевизионного или фотоизображения.

Список использованной литературы