Спектральная яркость основных классов природных объектов

СПЕКТРАЛЬНАЯ ЯРКОСТЬ  ОСНОВНЫХ КЛАССОВ ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Рисунок 1 – Обобщённые кривые спектральной яркости основных классов природных объектов: 1 –  горные породы и почвы, 2 – растительность, 3 – водная поверхность, 4 – снеговая поверхность.

Горные породы и почвы. Практически у всех минералов и почв отражательная способность в видимой части спектра растет с увеличением длины волны. Отражательная способность объектов этого класса относительно стабильна.

Спектральная яркость горных пород зависит от:

– оптических свойств входящих в их состав минералов и химических элементов;

– их дисперсности и влажности.

– наличия покрывающих породы корок, выцветов, налётов. Например, при химическом выветривании пород кривые спектральной яркости приобретают отчетливый максимум в оранжево-красной зоне.

Отличительная особенность почв заключается в существенных различиях в интегральной яркости при малых колебаниях по спектру. Наименьшей яркостью обладают черноземы, наибольшей — сильнооподзоленные суглинистые почвы. Отражательная способность сухих почв характеризуется сравнительно плавным нарастанием яркости с увеличением длины волны в интервале от 0,4 до 1,6—2,0 мкм и постепенным уменьшением до 2,5 мкм. Кривые спектральной яркости влажных почв имеют прогибы в зонах поглощения солнечного излучения водой при λ = 1,45 мкм и λ = 1,95 мкм.

На отражение солнечного света  почвами влияют три основные группы веществ:

– светло окрашенные соединения (карбиды, соединения кремния и алюминия), отражающие излучение равномерно, но значительно;

– темные гумусовые вещества, отражающие свет слабо и равномерно;

– соединения железа, которые обусловливают неравномерное отражение почвами солнечного излучения.

С увеличением оподзоленности почвы растет ее яркость, особенно в красной зоне спектра.

Различия в содержании гумуса почти не отражаются на спектральных характеристиках почв, но приводят к изменениям ее интегральной яркости. Например, для дерново-подзолистых почв, содержащих около 2,5% гумуса кривая спектральной яркости плавно поднимается от синей зоны спектра к ближней инфракрасной. Серая лесная почва более богата гумусом, поэтому яркость ее меньше, особенно в красной зоне. Чернозем обыкновенный с содержанием гумуса около 10% обладает еще более низкой яркостью, практически одинаковой по всей видимой части спектра. При малом значении содержания гумуса зависимость коэффициента интегральной яркости почв — линейная, далее параболическая (рис. 2). Поэтому определять содержание гумуса с точностью до 0,5% можно по яркости почвы, если оно не превышает 8—10%; при более высоком содержании гумуса различия в яркости не улавливаются.

Рисунок 2 – Зависимость  альбедо высокосуглинистого чернозёма  от содержания гумуса

На фрагменте космического снимка (рис. 3) можно видеть, как спектральные различия почв влияют на их изображение. Снимок сделан в весенний период, когда посевы сельскохозяйственных культур еще не маскируют почвенный покров на большей части полей, поэтому достаточно четко прослеживается зональная граница между черноземами и серыми лесными почвами.

Рисунок 3 – Фрагмент космического снимка в красной зоне спектра междуречья Оки и Мокши. Видна зональная граница распространения  чернозёма (1) и серых лесных почв (2)

Увеличение спектральных различий почв связано с содержанием железистых соединений. Для красноземов, поверхностный слой которых обеднен гумусом и сравнительно богат окисным железом, типичны резкое увеличение яркости в оранжевой зоне спектра и четко выраженный максимум в красной.

Очень существенно яркость  почв зависит от влажности (рис. 4). КСЯ почвы в состоянии полной полевой влагоемкости в видимом участке спектра в два раза ниже, чем при воздушно-сухом состоянии, а в ближнем ИК участке может достигать трех раз. Особенно это относится к светлым почвам. Даже при визуальном дешифрировании можно уверенно различить три-четыре градации влажности сероземов после полива.

Рисунок 4 – 

Оптические характеристики почв зависят  от гранулометрического состава поверхности почвы: с уменьшением размера частиц коэффициент яркости возрастает экспоненциально. Наиболее заметное увеличение яркости происходит при диаметре частиц меньше 0,4 мм. По этой причине при одинаковом содержании гумуса глинистые и суглинистые почвы имеют более высокую яркость, чем песчаные. Однако песчаные почвы обычно содержат меньше гумуса, чем суглинистые, и вследствие этого чаще изображаются на снимках в видимой области спектра более светлыми.

Яркость почв зависит и от макроструктуры поверхности. С укрупнением комьев увеличивается суммарная площадь затененных участков, возрастает неравномерность пространственного отражения.

Растительный покров. Растительность обладает наибольшей спектральной селективностью по сравнению с другими объектами земной поверхности. Отражательные свойства растительных покровов в основном определяются четырьмя основными факторами:

– оптическими свойствами зеленых листьев;

– геометрией растений, особенно индексом листовой поверхности, и угловым распределением листьев;

– отражательной способностью поверхности почвы, если растения не образуют сплошного покрова;

– структурой растительного покрова, т.е. характером пространственного распределения растений.

Оптические свойства зеленых растений. В видимом диапазоне длин волн происходит наиболее интенсивное поглощение лучистой энергии растениями. Лишь 2-3% приходящего излучения отражается от поверхности листьев без проникновения в них и взаимодействия. Степень и природа отражения зависят от особенностей воскового слоя листа, который довольно тесно связан с видом растений. В некоторых случаях отражение носит зеркальный характер и может быть достаточно сильным.

Свет, отраженный растениями, больше дифференцирован по спектру, чем  у других объектов земной поверхности. При всем многообразии кривые спектральной яркости зеленых растений имеют  одну общую закономерность: в оптическом диапазоне спектра они имеют два минимума — в синем (0,45—0,47 мкм) и красном (0,68—0,69 мкм) участках спектра и два максимума — в зеленом (0,54—0,58 мкм) и ближнем инфракрасном (0,7—1,3 мкм) участках (см. рис. 2.3).

Большая доля (70—90%) солнечных лучей  синего и красного участков спектра  поглощается пигментами листьев растений, прежде всего хлорофиллом, и преобразуется в энергию, необходимую для процесса фотосинтеза. К зеленой зоне приурочен максимум отражения поверхностью листьев, именно поэтому мы воспринимаем зеленый цвет листьев.

На участке спектра 0,7—0,8 мкм  наблюдается довольно резкий подъем кривой, характеризующей отражательную  способность листьев. В ближней инфракрасной области листья обычно отражают 40~50% и поглощают менее 5% падающего излучения. Высокое отражение в области «инфракрасного плато» объясняется тем, что из-за различий в показателях преломления оболочек клеток и внутриклеточных воздушных полостей свет внутри листа многократно отражается. Так как внутренняя структура листа в значительной мере зависит от вида растения, именно в этой области спектра различия в отражательной способности растительности наиболее существенны.

Отражательная способность здоровых растений в области длин волн более 1,3 мкм связана обратной зависимостью с содержанием воды в листьях: чем оно больше, тем ниже яркость. Для растений, как и для всех других объектов, характерно падение яркости в двух полосах поглощения воды — 1,45 и 1,95 мкм.

Рисунок 5 – Коэффициенты спектральной яркости крон деревьев в различные периоды вегетации: 1 – берёза, 2 – ель.

По мере роста и вызревания листьев  меняется их отражательная способность (рис. 5). В конце июня самую высокую яркость имеют кроны березы с полностью распустившейся молодой листвой, содержащей пока относительно мало хлорофилла. Кроны сосны имеют более низкие значения, так как в них преобладает старая хвоя, молодые побеги составляют лишь около 30%. К середине июля в листве березы накапливается больше хлорофилла, что и приводит к некоторому снижению яркости в ближнем ИК участке спектра. Дальнейший процесс накопления хлорофилла приводит к снижению значений коэффициентов спектральной яркости в видимой части спектра, особенно в красном участке и сосны, и березы

При старении листьев или увядании, вследствие неблагоприятных условий произрастания, т.е. при потере хлорофилла, отражение света в видимой области спектра повышается. В ближней инфракрасной части оно, наоборот, снижается, хотя и в меньшей степени по сравнению с отражением в видимой. Меняется и характер распределения яркости в видимой области спектра за счет возрастания относительного содержания в листьях желтых и красных пигментов.

На оптические свойства листьев оказывают влияние также  различного рода стрессы, такие как недостаток питательных веществ, засоленность почвы, повреждение вредителями, болезни. Стрессы обычно сопровождаются снижением содержания хлорофилла, что влечет за собой уменьшение поглощения и повышение отражательной способности в видимой области спектра. В ближнем инфракрасном диапазоне под действием стрессов отражательная способность снижается.

Кроны деревьев имеют в целом более низкую яркость (по разным определениям на 40—60%), чем отдельные листья: сказывается влияние затененных участков, ветвей и ствола.

Геометрия растений характеризует расположение отдельных рассеивающих элементов и существенно влияет на их отражательные свойства. В растении происходит многократное отражение и пропускание света слоями листьев, что вызывает увеличение отражательной способности растений в ИК области. Установлено, что максимум отражения (70—80%) достигается приблизительно при восьми слоях листьев. Существенное значение имеет ориентация листьев: горизонтальная, вертикальная или наклонная.

Все изложенное выше относится  к отражательным свойствам листьев  и отдельных растений, в природе  же преобладают растительные покровы. Основными факторами, которые определяют их отражательные свойства, являются влияние почвенного покрова, структура растительного покрова и направления падающего излучения и наблюдения.

Влияние отражательных  свойств поверхности почвы на отражательные свойства системы почва—растительность проявляется в тех случаях, когда просветы почвы между растениями меньше пространственного разрешения съемочной системы. В таком случае яркости растений и почвы интегрируются. Влияние почвы наиболее заметно проявляется в красной зоне спектра и выражается, как правило, в более высокой яркости системы почва—растительность по сравнению с яркостью растительности.

Изучение изменений спектральной яркости посевов сельскохозяйственных культур в течение периода вегетации выявило такие особенности. В начале вегетации, пока всходы растений не достигли 20%-ного проективного покрытия, кривая системы почва—растительность имеет вид кривой почвенного покрова. С увеличением зеленой массы в ней начинают появляться признаки зеленой растительности — яркость в красной зоне падает, а в ближней И К повышается. При проективном покрытии больше 60% вклад яркости почвы в яркость системы почва—растительность становится малосущественным.

С увеличением пространственного разрешения съемочной системы влияние коэффициента яркости почв на яркость растительного покрова возрастает, что выражается в сглаживании хода кривой КСЯ в интервалах поглощения хлорофилла, прежде всего в повышении значения коэффициента в оранжево-красной зоне спектра. Сказанное в равной мере относится к системе вода—растительность, если объектом дешифрирования служит водная растительность.

Структура растительного  покрова определяется чередованием в нем отдельных рассеивающих и поглощающих элементов: листьев растений разных ярусов, наземного покрова и тем самым становится одним из главных факторов, обусловливающих его отражательные свойства. Точного и однозначного описания влияния структуры растительного покрова на его отражательные свойства не существует из-за того, что структура растительного покрова обычно сложна и разнообразна. Достаточно представить себе структуру лесных насаждений, где сочетаются растения разных пород и различных ярусов, и более простую структуру посевов пропашных культур с четкими рядами растений и открытой почвой между ними.

Соотношение четырех отражательных  компонентов в растительном покрове — освещенных растений и почвы, затененных растений и почвы — меняется в зависимости от угла освещения и угла наблюдения. Вследствие этого варьирует коэффициент отражения покрова в целом, даже если оптические свойства его составляющих, морфология, а также характеристики почвы остаются постоянными.

Водные объекты. Спектральная яркость воды падает с возрастанием длины волны солнечного излучения. Лучи ближнего ИК участка спектра практически полностью поглощаются тонкой пленкой воды, т.е. на снимках в этой съемочной зоне можно дешифрировать только границы и поверхность водных объектов. Информация о водной толще, а также об объектах, находящихся внутри нее или на дне, может быть получена в видимом участке спектра от 0,4 до 0,7 мкм.

Солнечное излучение не только отражается поверхностью воды, но и проникает  на глубину, где частично поглощается  молекулами воды и растворенными  органическими веществами. Проникновение света на глубину спектрально селективно: сине-зеленого света значительно больше, чем красного. Это объясняется следующим. Во-первых, поглощение воды селективно: наиболее сильно поглощается красно-оранжевая составляющая света; в значительно меньшей степени — синий свет. Во-вторых, в воде, как и в воздухе, в большей мере рассеивается коротковолновое излучение. Рассеяние, как правило, превышает поглощение, к тому же оно неравномерно распределяется в пространстве: восходящий световой поток по величине почти на два порядка меньше, чем поток, распространяющийся в глубь водной толщи.

Рисунок 6 – схема процесса взаимодействия солнечного излучения  и водной толщи на мелководье

В объеме светового потока, зарегистрированного съемочной  аппаратурой, «полезная информация», т.е. яркость собственно водного объекта, составляет лишь небольшую часть (по некоторым данным до 20%), остальная часть приходится на свет, рассеянный в атмосфере, в водной толще, отраженный от взвешенных частиц и дна (рис. 6).

Спектральные характеристики водных объектов зависят от содержащихся в воде взвесей минерального и органического происхождения, погруженной растительности, глубины, состава донных отложений. При этом предполагается, что на поверхности водного объекта отсутствует волнение, которое может внести сильные искажения в его спектральный образ.

При наличии в воде минеральных взвешенных частиц типичный вид кривой спектральной яркости изменяется: возрастает яркость в желто-зеленом участке спектра. Экспериментально установлено, что при малой и средней насыщенности существует прямая пропорциональная зависимость между концентрацией взвеси и яркостью. При высоких концентрациях зависимость становится нелинейной, наблюдается смещение максимума яркости в длинноволновую часть спектра. На распределение яркости по спектру влияет не только концентрация, но и состав минеральных частиц — их цвет и размер.

Содержащийся в воде фитопланктон вызывает понижение яркости в синей (около 0,4 мкм) и красной (0,64—0,69 мкм) частях спектра, т.е. в полосах поглощения хлорофилла. При достаточно большой концентрации фитопланктона повышается яркость содержащей его водной толщи и в ближней ИК части спектра. Этими обстоятельствами объясняется использование спектрометрических определений и многозональной съемки для изучения продуктивности Мирового океана.

Свойство воды поглощать инфракрасное излучение широко используется для  дешифрирования границ водных объектов. Это свойство влияет на отражательные  свойства содержащих воду объектов — почв, тающих снега и льда, покровов болотной и водной растительности, понижая их интегральную яркость и яркость в ближнем ИК участке спектра. Так, яркость насыщенного водой снега примерно в три раза ниже, чем сухого.

Снег и облака. Эти объекты, представляющие воду в двух других фазовых состояниях, имеют аналогичную закономерность распределения яркости по спектру: максимум отражения приходится на синюю зону, а минимум — на ближнюю ИК, но отличаются очень высокой интегральной яркостью. Облака и снег — самые яркие объекты земной поверхности. Яркость снега более стабильна во времени, тогда как облачность сохраняется над одной точкой, как правило, не более трех—пяти дней. Следовательно, суммарная за некоторый отрезок времени яркость облаков ниже, чем яркость снежного покрова.

Интегральная яркость облаков и снега существенно понижается при наличии в их составе воды в жидком состоянии, тающий снег и дождевые облака имеют относительно низкую яркость, особенно в ближней инфракрасной части спектра. Яркость снега понижается также в зависимости от его загрязнения.

Взаимодействие солнечного излучения  и облачного покрова в определенной степени зависит от мощности последнего. Тонкая пленка перистых облаков отражает солнечные лучи видимого участка спектра, но поглощает ближнего инфракрасного, поэтому они по-разному изображаются на зональных снимках.

Дым имеет спектральную яркость, аналогичную  по характеру облакам: наиболее яркие  они в коротковолновой части  спектра. Плотные шлейфы дыма приходящее излучение ближней инфракрасной области частично отражают, а неплотные почти полностью поглощают.

Знание отражательных  свойств объектов — необходимое  условие получения надежных результатов  дешифрирования. Различия в спектральных характеристиках объектов послужило основой для разработки, а затем и широкого применения многозональной съемки, т.е. одновременной съемки в нескольких более или менее узких участках спектра электромагнитных колебаний.