Лекция №1 Экологический мониторинг. Определение. Основные задачи и цели. Классификация. Основные задачи гсмос. Фоновый мониторинг. Основные задачи. Организация фонового мониторинга

Вид материала

Лекция

Содержание Физическая сущность дистанционного зондирования Фотографическое зондирование Земли из космоса

Подобный материал:

• Лекции 7 8, 31.73kb.
• Основные цели и задачи Марафона, 26.41kb.
• Лекция По дисциплине: «Психологическая служба в образовании», 284.71kb.
• Цели и задачи управления персоналом, 1630.21kb.
• Задачи урока Основные виды работ в структуре урока 1 четв, 117.68kb.
• IV. Основные результаты реализации Концепции, 301.67kb.
• Логистическая деятельность: задачи, функции и принципы, структура и классификация, 205.45kb.
• Тема: Введение. Предмет, цели и задачи прогнозирования и оценки мпи. Преимущества комплекса, 144.58kb.
• Лекция 1 Психолого-педагогическая коррекция: основные понятия, цели, задачи, направления, 5850.4kb.
• Задачи дисциплины   раскрыть основные понятия философии, основные этапы её развития,, 506.18kb.

Физическая сущность дистанционного зондирования

Все природные объекты способны отражать, поглощать или излучать электромагнитные волны характеристическим образом. Регистрация их электромагнитного излучения на расстоянии, включая ближний космос, является задачей дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

В зависимости от длины волны или частоты спектр электромагнитных излучений можно разделить условно на следующие диапазоны: рентгеновский, ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный, микроволновый, радиоволновый (рис.1) (слайд 2). Если учесть поглощение атмосферы, то наиболее приемлемыми на данном этапе развития аппаратных средств приема информации следует считать диапазоны: видимый 0,4—0,7 мкм; отраженный инфракрасный 0,7—3 мкм; тепловые инфракрасные 3— 5 мкм, 8—14 мкм; радиоволновый 30—3000 мм .

Основным фильтром отраженных и собственных излучений природных объектов является атмосфера Земли.

Излучение в определенных диапазонах спектра в той или иной степени поглощается атмосферными газами: О₂, О₃, СО₂, парами Н₂О,ионами и пылеобразными частицами. Диапазоны минимального поглощения образуют окна прозрачности атмосферы, через которые излучение доходит до бортовых приемников спутника. Излучение с λ < 3 мм интенсивно рассеивается и поглощается частицами воды в облаках и тумане. Собственное тепловое излучение объектов ∆λ = 3—5 и ∆λ = 8—14 мкм, а также микроволновое ∆λ = 3—1000 мм проходит без значительного поглощения в атмосфере.

При дистанционном зондировании Земли можно использовать естественный источник излучения - Солнце. Поверхность Солнца имеет температуру ≈ 6000 К, что обеспечивает излучение в: УФ-видимом и ИК- диапазонах. В солнечном спектре преобладающими для человеческого глаза являются волны λ = 0,5 мкм, зеленый свет. Температура поверхности Земли составляет около 300 К (слайд 3). Согласно закону смещения Вина преобладающая длина волны находится в области теплового инфракрасного излучения электромагнитного спектра. (9,7 мкм). Энергию излучения Земли проще зарегистрировать ночью, так как она имеет гораздо меньшую интенсивность по сравнению с отраженной солнечной энергией. При дистанционном зондировании длины волн λ ≈ 2,5 мкм используются как предельные для регистрации отраженной солнечной энергии, а волны λ ≈ 6 мкм — как нижний порог для фиксируемой тепловой самоизлучаемой энергии. Волны в диапазоне ∆λ = 2,5—6 мкм по своей природе обусловлены отраженной солнечной энергией и собственным излучением Земли.

Определенное количество энергии отражается поверхностью Земли, часть излучения проникает в облучаемые объекты в виде рефракционного волнового фронта, который может быть поглощен или пропущен в зависимости от природы материалов и длины волны излучения.

Отражение энергии зависит от свойств поверхности этих предметов по отношению к воздействующим на них электромагнитным волнам. Если поверхность гладкая то, имеет место зеркальное отражение. Равномерное отражение (диффузное рассеяние) от земных объектов дает информацию о цвете объекта, что очень важно при дистанционном зондировании. Для количественной оценки степени отражения энергии, излучаемой обратно в космическое пространство используется коэффициент отражения, или альбедо (слайд 4) .

Общая схема взаимодействий в энергетической цепи имеет вид: источник энергии — фильтрующая среда — объект исследова­ния— поглощенная, отраженная, генерированная энергия — фильтрующая среда — приемник энергии . Эта цепь энергетических взаимодействий определяет тип зондирования, который может быть активным или пассивным ( рис.2). (слайд 5)

При активном зондировании (а) используется искусственное зондирующее облучение и видоизмененный отраженный сигнал, который и несет полезную информацию об объекте исследования. Пассивное зондирование может быть двух типов: в варианте (б) исследуется собственное излучение исследуемого объекта, а в случае вариантов (в) используется луч Солнца в качестве зондирующего сигнала, а отраженный сигнал дает необходимую информацию о наблюдаемом объекте.


Фотографическое зондирование Земли из космоса

Сложность задач, решаемых космической фотосъемкой вызывают необходимость использования комплексных технических средств для их решения (слайд 6) (рис.3)

Пучок проектирующих лучей может занимать различное положение от­носительно местной вертикали, поэтому различают плановую, перспектив­ную или конвергентную съемки (рис. 3).

Плановая съемка, выполняемая при практическом совпа­дении оптической оси фотокамеры с местной вертикалью или при незначительном отклонении от нее. Перспек­тивное фотографирование обеспечивает расширение полосы обзора земной поверхности. Конвергентная стереокосмическая съемка позволяет повысить точность измерений высот рельефа и размеров объектов местности.

Для регистрации световых сигналов фотоприемник применяется черно-белые, цветные и в спектрозональные пленки, для длин волн от 450 до 950 нм.

Для повышения избиратель­ной способности изображений были созданы многозональ­ные аппараты, производящие фотографирование в нескольких достаточно узких интервалах спектра.

Метод многозонального фотографирования Земли был создан при участии русского астронома Г.А. Тихова (1911г.) и В.А.Фааса (1939г.г) В 1940 г. В.А. Фаас установил, что наиболее целесообразно фотографировать летний природный ландшафт в двух зонах: при λ = 650 нм и в ближнем ИК-диапазоне, для чего следует использовать комбинацию панхроматического и инфрахроматического материалов.

В 1955-1956гг. А.Н. Иорданским был предложен метод двухзонального цветного фотографирования, получивший название спектрозональной фотографии. Он заключается в изготовлении специальных двухслойных пленок с соответствующей сенсибилизацией эмульсионных слоев и получении при цветном проявлении в этих слоях разноцветных, по возможности дополнительных по цвету, изображений.

Принцип многозонального фотометрического фотографирования заключается в том (слайд 7), что одновременно с фотографированием объектов с неизвестным спектральным составом излучения на этот же кадр или фильм фотографируется эталон.

Энергетическая яркость может быть представлена в относительных единицах, например в виде коэффициента спектральной яркости, который характеризует отношение яркости объекта к яркости поверхности, идеально отражающей излучение соответствующего спектрального состава.

Стратегия формирования многозональных фотосистем и использования материалов их съемки состоит в том, что для каждой задачи исследований и конкретных физико-географических условий выбирается один профилирующий канал, дающий наибольший объем информации. Другие каналы съемки служат для получения недостающих сведений и повышения надежности дешифрирования изучаемых объектов, процессов или явлений изучаемых объектов (слайд 8) (рис.4).

Число условных цветных изображений, которые могут быть синтезированы по многозональным съемкам, определяется числом каналов по многозональным съемкам и применяемых фильтров. При этом можно синтезировать позитивные и негативные изображения, варьировать резкость каждого канала, применять как сложение, так и вычитание цветов.

При фотографировании в ближнем ИК-диапазоне (слайд 9) 0,7 - 0,9 мкм в основном фиксируется собственно земная поверхность, а изображение растительного покрова, включая леса, сильно ослаблено. В то же время отчетливо реги­стрируются береговые линии водоемов и водотоков, прослежи­ваются окна болот, ручьи и реки, скрытые пологом деревьев. Снимки в ближнем ИК-диапазоне могут эффективно использо­ваться для дешифрирования тектонического строения террито­рии, картографирования гидрографической сети, тепловых ано­малий, изучения геокриологической обстановки и др.

Фотоизображения, полученные в диапазоне волн 0,45—0,6 мкм, больше чем в других диапазонах содержат сведения о подвод­ном рельефе.

Определяющими моментами при выборе спектрального диапа­зона фотографирования являются: спектральные отражательные характеристики объекта, фона и спектрального пропускания атмосферы.

Анализ кривых (cлайд 10) (см. рис.5) показывает, что для более четкого выделения леса на фоне песка при фотографировании из космоса лучше всего использовать зону 600-700нм, а для разделения лиственного и хвойного лесов могут быть два решения: фотографирование в ИК-диапазоне 700-800 нм или в зоне 500-600 нм.

По спектральным характеристикам коэффициент пропускания слоя воды τ толщиной 10 м можно составить представление и методах фотографирования сквозь толщину воды при изучении.