Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оптические свойства природных образований и средства их измерения 16
1.1. Характеристики отраженного излучения 16
1.2. Оптические свойства природных образований 20
1.3. Спектрофотометрическая аппаратура для исследования оптических характеристик природных объектов 34
Глава 2. Измерительная аппаратура и методика ее метрологического обеспечения 38
2.1. Спектрополяризационная аппаратура. 38
2.1.1. Спектрометр "Бархан C-I" 38
2.1.2. Малогабаритный скоростной спектрометр МСС-2К 43
2.1.3. Спектрополяриметр "Надир" 45
2.2. Устройство для дистанционного распознавания природных объектов 47
2.3. Наземная измерительная установка и комплекс бортовой аппаратуры 50
2.4. Исследование фотометрических систем ослабления света для энергетической градуировки спектрометров 57
2.5. Учет поляризационных характеристик спектрометров при градуировке 69
2.6. Энергетическая градуировка спектрометров 72
Глава 3. Методика экспериментов и обработки результатов измерений 81
3,1. Методики измерения отражательных характеристик природных объектов 81
3.2, Вопросы вероятностно-статистических основ спектрометрических исследований поля отражения природных образований 86
3.3. Методика обработки спектрометрической информации 93
3.3.1, Спектральное разрешение 93
3.3.2. Оценка оптимального числа обрабатываемых спектров 96
Глава 4. Применение дистанционных спектрометрических методов при аэрокосмическйх исследованиях природных объектов 104
4.1, Корреляционная обработка аэрокосмической информации методом Рк-функций 104
4.2, Применение спектроэнергетических методов для обнаружения биопродуктивных районов в океане 119
4.3. Исследование угловой и спектрополяризационной структуры поля отражения природных образований 127
4.4. Использование оптических характеристик при дистанционных исследованиях фитопатологического состояния объектов 135
Основные результаты 150
Список использованной литературы 153
Приложение 168
- Спектрофотометрическая аппаратура для исследования оптических характеристик природных объектов
- Устройство для дистанционного распознавания природных объектов
- Вопросы вероятностно-статистических основ спектрометрических исследований поля отражения природных образований
- Применение спектроэнергетических методов для обнаружения биопродуктивных районов в океане
Введение к работе
Основой дистанционных оптических методов обнаружения и изучения природных и антропогенных объектов является измерение, преобразование и анализ физических параметров излучаемого и отраженного электромагнитного излучения. Измеряемыми параметрами в этих исследованиях являются: пространственно-временная и угловая структуры энергетических, спектральных и поляризационных характеристик излучения.
Современные дистанционные методы исследований и в особенности аэрокосмические, открыли новый этап в информационном обеспечении исследований и разработок в науках о Земле и хозяйственной практике.
Наземные, а затем летные эксперименты по изучению оптических свойств природных покровов Земли начали проводиться уже с 30-40-х годов нашего столетия, однако до сих пор они не охватывают всего многообразия природных объектов и условий измерения.
Первые космические спектральные измерения отражательной способности природных образований проведены с советского пилотируемого космического корабля (ПКК) "Союз-7м, где были изучены спектры облачного покрова и подстилающих поверхностей пустынного типа. Эти данные были немногочисленны и иллюстрировали лишь возможность решения некоторых задач космической спектрометрии. В начале 70-х годов аналогичные исследования были проведены в широком спектральном диапазоне с американской космической станции"Зку1аЪ" . В ходе этих экспериментов было получено свыше 300 тыс.спектров атмосферы и подстилающих поверхностей, однако опубликованы были лишь результаты отдельных измерений.
Начиная с середины 70-х годов с орбитальных научных станций
(ОНО) "Салют", ПКК "Союз", искусственных спутников Земли (ИСЗ) серии "Космос", а также американских ИСЗ "Landsat" получено большое количество спектральной информации, которая находит все более широкое применение в решении научных и народнохозяйственных задач.
К настоящему времени накоплен большой объем спектральной информации о природных объектах, однако изученность оптических свойств природных образований еще недостаточна как в количественном, так и качественном отношениях. Имеет место большой разброс спектральных данных, даже для одноименных объектов, что делает неоднозначным сопоставление и дешифрирование результатов измерений, практически нет результатов поляризационных исследований, не решены вопросы методики обработки и интерпретации полученных экспериментальных результатов.
Обработка получаемой спектральной информации связана с ее количественным анализом, достоверность результатов которого находится в непосредственной зависимости от параметров используемой аппаратуры, нуждаются в совершенствовании вопросы метрологического обеспечения спектральных приборов.
Повышение эффективности исследования природных ресурсов Земли (ИПРЗ) дистанционными методами может быть достигнуто как совершенствованием измерительной аппаратуры, позволяющей установить большее число связей между свойствами исследуемого объекта и регистрируемыми параметрами, так и разработкой более рациональных методов анализа результатов эксперимента, причем, чем более совершенны приборы и методы измерения, позволяющие получить большее количество информации, тем сложнее интерпретация полученных
результатов измерений.
Для того, чтобы обеспечить корректную интерпретацию экспе-
риментальных данных в настоящее время имеется богатый арсенал средств, однако трудности заключаются в том, что большое число параметров системы не позволяет установить четкие и однозначные причинно-следственные связи между ними. Поэтому на первый план выступает поиск оптимальных и близких к ним алгоритмов, реализующих по возможности всю полезную информацию об объекте.
Все это привело к необходимости как оценки параметров приборов, используемых в ИПРЗ, так и рассмотрению наиболее часто встречающихся методов анализа полученных результатов, что способствовало бы выбору наиболее оптимальных условий измерений и обработки их результатов.
Задачи вошедшие в диссертацию определялись заданиями, предусмотренными Решениями и Постановлениями комиссий по темам "Бархан", "Плодоводство 2Д", "Дистанция".
Цель диссертационной работы заключалась в разработке спектрометрических дистанционных методов исследования природных объектов и применении их для решения некоторых научных и народнохозяйственных задач.
В диссертации необходимо было решить следующие задачи:
Модернизация имеющихся спектрометров, создание новых спектральных приборов и комплекса бортовой измерительной аппаратуры, а также разработка методик их применения.
Разработка новых алгоритмов обработки спектрометрической информации.
Экспериментальное и теоретическое исследование возможностей пршленения оптических характеристик отражения природных объектов при решении некоторых научных и народнохозяйственных задач.
Результаты проведенных исследований изложены в четырех гла-
вах и выводах диссертации.
В первой главе рассматриваются основные оптические характеристики отражения природных объектов, приведен краткий обзор состояния изученности оптических свойств естественных и антропогенных поверхностей в видимой и ближней Ж областях спектра. Анализируются методические вопросы исследования поляризационных характеристик природных образований. Дан критический анализ существующей бортовой спектрофотометрической аппаратуры.
Во второй главе описана новая измерительная аппаратура и методика ее метрологического обеспечения. В соответствии с целями диссертационной работы для проведения натурных спектрополяри-метрических измерений был модифицирован спектрометр МСС-2 и на его базе создан МСС-2К, позволивший расширить возможности исследования почвенно-растительных объектов. Испытан в лабораторных и полевых условиях новый двухлучевой самолетный спектрометр "Бархан C-I". В процессе испытаний спектрометра модернизированы канал регистрации падающего излучения и блок автоматической регулировки усиления. Всесторонне исследованы возможности использования спектрополяриметра "Надир". Опыт практического проведения визуально-инструментальных исследований, например с ОНО "Салют"по-казал большие возможности этого метода при решении ряда важных народнохозяйственных задач, например, обнаружение полей планктона в океане и др. Автором было разработано и создано устройство для дистанционных исследований природных объектов, повышающее надежность распознавания за счет увеличения цветового и яркостного контраста (на устройство получено положительное решение на изобретение). На базе описанных выше приборов для проведения натурных измерений был разработан и создан комплекс бортовой аппаратуры
представляющий собой информационную систему аэрофотосъемки и спектрометрирования для получения пространственной, поляризационной и угловой структуры поля яркости природных образований.
Обработка получаемой спектрополяриметрической информации связана с ее количественным анализом, достоверность результатов которого находится в непосредственной зависимости от метрологического обеспечения приборов. Автором была усовершенствована методика фотометрической градуировки оптических приборов. Всесторонне исследованы ослабители света, применяемые при градуировке спектрометров. На способ градуировки спектральной аппаратуры получено авторское свидетельство на изобретение.
В третьей главе диссертации рассмотрены методики измерения отражательных характеристик природных объектов, применение вероятностно-статистических методов при анализе результатов спектрометрических измерений, обосновывается необходимое количество обрабатываемых спектров.
Результаты измерений оптических характеристик природных объектов, полученные даже при неизменных условиях освещения и измерения в силу их зависимости от случайных фотометрических неодно-родностей объекта, обусловленных изменением свойств любого из его компонентов, а также из-за методических и приборных погрешностей имеют значительный разброс, что затрудняет их использование при оценке состояния природных образований. Автором предложен способ обработки результатов спектрометрических исследований, позволяющий оценить оптимальное число обрабатываемых спектров и обеспечить требуемую точность значений коэффициентов спектральной яркости при меньшем числе измерений. Показано, что при заданной точности измерений увеличением количества наблюдений можно повысить надеж-
9 ность получаемых результатов при условии, что исследуемый объект будет однородным (пространственно-протяженный объект для которого характерно, что измеряемая фотометрическая величина в пределах заданного допуска измерений не зависит от пространственного расположения фотометрируемой площадки). Поэтому обработке результатов измерений должна предшествовать проверка исследуемого природного объекта на однородность.
Показано, что при исследовании природных объектов, визуально предетавлящих собой либо хаотические (лесные образования, почвы, кусты растений), либо периодические (сельхозпосевы) изменения цветового тона, можно выбрать пространственное разрешение прибора, при котором объект станет однородным, что позволяет оценить однородность спектральных выборок и обосновать необходимое количество измерений. Для установления факта однородности структуры оптического поля исследуемых природных объектов необходимо сохранение среднего значения КСЯ относительно отдельных выборок измерений, полученных в режиме непрерывного спектрометрирования при неизменных условиях проведения эксперимента и состояния объек-та.
Четвертая глава диссертации посвящена изложению применения разработанного автором корреляционного метода для обработки спектрометрической информации, полученной с ОНО "Салют", исследованию угловых и поляризационных характеристик поля яркости природных объектов, а также применению спектрополяриметрических методов в изучении океана и фитопатологического состояния сельскохозяйственных культур.
Эксперименты по исследованию оптических характеристик дневного горизонта Земли и верхней атмосферы проводились космонавтами с ОНС "Салют-4" спектрометром МСС-2. Так как пространственный
ход спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) дневного горизонта Земли не является монотонной функцией при строго постоянной угловой скорости сканирования, а также поле зрения прибора больше угловой высоты атмосферы, то задача привязки границ зон к высотному ходу яркости является непростой. Измерения СПЭЯ серебристых облаков проводились в условиях, когда орбитальная станция находилась над ночной стороной Земли. По мере перемещения станции по орбите осуществлялось сканирование серебристых облаков "вверх-вниз" в направлении под углом 90 к горизонту. В процессе сканирования серебристых облаков линия визирования пересекала также атмосферу и поверхность Земли. Поэтому возникла необходимость отбора спектров, основной вклад в которых принадлежит серебристым облакам.
Для анализа этих экспериментов был разработан корреляционный метод, который позволил повысить пространственное разрешение аппаратуры на порядок и из выборки определять наиболее и наименее коррелируемые спектры. Обработка спектрометрической информации этим методом использовалась для установления границ при классификации природных систем в физико-географическом районировании. .
При визуальном наблюдении космонавтами поверхности океана, проводившемся с борта ОНС "Салют-6", были обнаружены участки поверхности, цветовая окраска которых заметно отличалась от соседних. Промысловые суда, направленные в указанные районы, обнаружили повышенную биологическую продуктивность. Для обоснования этих визуальных спектрально-угловых контрастов, наблюдаемых под разными углами, были проведены спектрометрические исследования.
По результатам большого числа измерений значений СПЭЯ, полученных над Атлантическим океаном и Средиземным морем с борта
ОНО "Салют-6И спектрометром МСС-2МВ в широком диапазоне углов освещения, были рассчитаны дисперсии на опорных длинах волн. Их анализ позволил определить наиболее перспективные спектральные интервалы для визуальных наблюдений из космоса (0,52 - 0,66 мкм). Для исследования азимутальных зависимостей спектральных контрастов изучаемого участка по отношению к соседним были осуществлены наземные измерения поля отражения внутреннего достаточно прозрачного и глубокого водоема. Экспериментально обосновано, что для обнаружения биологических объектов поверхностного слоя воды наиболее предпочтителен диапазон азимутальных углов 0 <-<р^ * 45 при средних углах визирования, что хорошо согласуется с визуальными наблюдениями космонавтов.
В практике измерений оптических характеристик природных объектов мало данных об индикатрисах отражения, полученных приборами высокого спектрального разрешения. Индикатрисы отражения могут применяться в качестве дешифровочных показателей свойств геосистем, служить исходными данными для установления наиболее благоприятных природных и технических условий выполнения аэрофотосъемки и спектрометрирования. Показано, что по угловой структуре поля отражения природных объектов можно идентифицировать растительные образования. Отмечается изменение спектрального состава СПЭЯ от угла визирования, что объясняется различным вкладом в отраженное излучение разных ярусов объекта.
Установлено, что степень поляризации отраженного излучения зависит от класса природного образования, к которому относится данный объект и от его состояния. Так, например, степень поляризации отраженного излучения хлопчатника, пораженного вилтом в 1,5-2 раза выше, чем здорового. Изменение поляризационных харак-
теристик можно объяснить изменением ориентации листьев при заболевании растений, что подтверждается различием в индикатрисах отражения больных и здоровых растений.
При организации мероприятий по защите растений и в прогнозировании урожая дистанционные методы имеют ряд преимуществ перед методом наземного обследования, так как позволяют повысить эффективность, снизить затраты средств и времени, требуемые для получения необходимой информации. В период 1981-82 гг. проводились натурные наземные и самолетные эксперименты по исследованию отражательных характеристик картофеля с целью ранней диагностики поражения его фитофторой и хлопчатника - вилтом.
Установлено, что по изменению спектральной отражательной способности картофеля в ближней ЇЇК области спектра можно распознавать заболевание его фитофторозом, начиная с 2-3$ степени поражения, в то время как в видимой области спектра изменения наблюдаются примерно после 30-40$ степени поражения. Показано, что на основе исследований спектральной, угловой и поляризационной структуры поля яркости здорового и пораженного вилтом хлопчатника можно определять состояние посевов этой культуры.
В заключение приводятся основные выводы диссертационной работы.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:
I. Создано устройство для дистанционного распознавания природных объектов, модернизирована спектральная измерительная аппаратура для ИПРЗ и разработана методика ее применения. Усовершенствована методика градуировки спектральных приборов с большим динамическим диапазоном (3-4) порядка), учитывающая поляризационные
свойства эталонных источников и поляризационные характеристики спектрометров.
Предложен способ обработки результатов спектрометрических исследований природных объектов и разработан корреляционный метод Рк - функций для обработки спектральной информации.
Дано обоснование спектрально-угловым контрастам отраженного водной поверхностью излучения для определения биопродуктивных районов в океане. Исследованы спектрополяризационные характеристики основных классов природных образований. Показана возможность ранней диагностики фитопатологического состояния растительности оптическими дистанционными методами.
ПРАКТИЧЕСК/Ш ЦЕННОСТЬ РАБОШ, В ходе проведенных исследований разработана и испытана новая измерительная аппаратура, позволяющая расширить возможности изучения почвенно-растительных образований. Аппаратура передана и используется в ряде организаций: НПО "Аэрогеология", Госцентр "Природа" и др. Усовершенствована методика градуировки спектральной аппаратуры, на способ градуировки получено авторское свидетельство. Предложен способ обработки спектрометрической информации, позволяющий при заданной погрешности получения спектральных данных сократить объем измерений и получать инвариантные характеристики взаимосвязи радиационных и предметно-специфических характеристик природных объектов, что является наиболее важным при формировании каталога данных. Разработан корреляционный метод обработки спектральной информации, позволяющий разрешать объекты, размеры которых на порядок меньше пространственного разрешения прибора, и выделять из спектральных выборок наиболее или наименее отличимые спектры. Обоснованы оптимальные условия обнаружения районов в океане с повышенной биопро-
дуктивностью. Получены статистически обоснованные величины степени поляризации основных классов природных образований. Показано, что степень поляризации отраженного излучения является новым де-шифровочным признаком при определении состояния и классификации природных образований. Показано, что при организации мероприятий по защите растений и в прогнозировании урожая дистанционные оптические методы контроля позволяют осуществить ранюю диагностику заболеваний растений, а также оперативно оценить общее и фитоса-нитарное состояние сельхозпосевов.
ОСНОВНЫЕ П0І0ШШ,ВЫНОСИМЫЕ НА. ЗАЩИТУ :
Устройство для дистанционного распознавания природных объектов и усовершенствованная методика градуировки спектральной аппаратуры. Методики проведения спектрометрических исследований.
Алгоритмы обработки получаемой информации и корреляционный метод обработки спектральной информации, полученной с ОНС "Салют-4" f
Результаты экспериментальных и теоретических исследований применения спектрометрических данных для обнаружения биопродуктивных районов в океане и определения фитопатологического состояния посевов в сельском хозяйстве.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Изложенные в диссертации результаты докладывались на Ш Гагаринских чтениях по авиации и космонавтике (Москва, 1982), Ш, ІУ, У - Всесоюзных конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва 1979, 1982, 1984), Всесоюзной конференции "Аэрокосмические методы исследования лесов" (Красноярск 1984), I, П, Ш - Всесоюзных конференциях молодых ученых и специалистов по ИПРЗ дистанционными методами (Баку 1979, 1980, 1982), У, УІ, УП, Ж - Республиканских конференциях молодых
ученых (Минск 1978, 1980, 1982, 1984), Всесоюзных школах и совещаниях по применению дистанционных методов в исследоваїшях геосистем и сельском хозяйстве (Звенигород 1979, 1981; Москва 1980, 1982; Обнинск 1983) и др. и опубликованы в 9 статьях, препринте, авторском свидетельстве, 13 тезисах докладов на конференциях и двух отчетах.
Примечание; диссертационная работа отражает личный вклад автора в исследованиях, выполненных авторским коллективом. Доктор физ.-мат.наук, академик АН БССР Леонид Иванович Киселевский и кандидат шиз.-мат. наук Владимир Ефимович Плюта сформулировали тему исследований, осуществляли общее руководство и принимали участие в анализе и обсуждении полученных результатов. Основные экспериментальные исследования, разработка алгоритмов обработки оптической информации и обработка данных на ЭВМ выполнены диссертантом самостоятельно. Соавторы работ: кандидаты физ.-мат.наук Б.И.Беляев, ЛЛ.Ловчикова и кандидат сельскохозяйственных наук Н.Т.Гулюкина участвовали в проведении некоторых экспериментов, обработке данных / 90, 129, 133 /, разработчики спектральных приборов И.Г.Спицын и А.Е.Кравченко помогали в модернизации и испытании измерительной аппаратуры / 89,92 /, В.А.Зайцева и Е.А.Яновская принимали участие в оптических измерениях и обработке научных результатов / 107,144,146 /, С.Б.Костюкевич выполнил теоретические расчеты / 137 /.
Спектрофотометрическая аппаратура для исследования оптических характеристик природных объектов
Первые измерения КСЯ природных объектов были произведены с помощью призменных спектрографов. Методы и аппаратура этих исследований достаточно полно изложены в монографии / 18 /. Значительное число измерений КСЯ было выполнено с помощью фильтровых приборов, в которых в качестве приемников применялись селеновые фотоэлементы и термоэлектрический пиронометр Ю.ДЛнишевского / 77 /.
Увеличение объема исследований и усложнение задач потребовали перехода от наземных к летным методам изучения природных объектов. Особые успехи получены в последние два десятилетия, в течение которых проведено значительное число аэростатных, самолетных, вертолетных, ракетных и спутниковых измерений, позволивших значительно увеличить число данных о спектральном распределении отраженного излучения. Прогресс подобных экспериментальных исследований обусловлен в первую очередь успехами в разработке самолетной и спутниковой быстродействующей аппаратуры.
Принципы действия и конструкции отечественных и зарубежных скоростных спектрометров подробно освещены в обзорах / 78-80 /.
Отечественных спектральных приборов, предназначенных для спектрофотометрирования природных объектов во внелабораторных условиях наземными методами и аэрометодами, существует немного (табл. I.I). Из нашедших применение можно назвать: полевой спектрограф / 81 /, универсальный фотометр / 82 /, летные спектрографы типа ЛС-2 / 82 / и светосильный летный киноспектрограф РЩ-І / 83 /, летный интерференционный спектрометр ЖС-2 / 84 /, регистрирующий спектрометр С-9 / 85 /, аэроспектрометр С-8 / 85 / (табл. I.I). Сведения о перечисленных приборах, а также и другая аппаратура достаточно полно представлена в работах / 12,80 /, где даны основные характеристики оптических схем и проведено сопоставление их достоинств.
Спектрометрирование подстилающих поверхностей и атмосферы Земли в видимой области спектра с ШСК "Союз" и ОНС "Салют" проводились с помощью ручных спектрографов серии РСС / 3,78,86 /, а также спектрометров серии МСС-2 / 71 /, разработанных в ИФ АН БССР (табл. I.I).
Все более усиливающийся интерес к проблеме исследования спектральных характеристик природных объектов привел в последнее время за рубежом к созданию новых самолетных приборов и систем. Для выполнения советско-болгарского эксперимента на ОНС "Салют-6" болгарские специалисты создали спектрометрическую аппаратуру "Спектр-15" / 87 / (табл. I.I). В США создана самолетная спектро-радиометрическая система для диапазона 0,4-1,1 мкм / 88 /. Приемником излучения в системе служит видиконовая схема из 500 элементов, соответствующих 500 спектральным каналам с разрешением 1,4 нм. Система разработана для спектрометрирования с высоты 600 м при скорости 200 км/час, с пространственным разрешением на местности 18x18 м2 и частотой съемки 2,5 спектра/с во всех 500 каналах (табл. I.I). Характеристики спектрометра & 191, установленного на американской космической станции " skylab ", приведены в работе / 73 / и в табл. I.I.
В настоящее время в стране используется около 30 полевых и бортовых спектрометров различных конструкций. Однако ни один отечественный спектрометр не обладает одновременно быстродействием, хорошим спектральным и пространственным разрешением и возможностью записи на магнитные накопители и шлейфовые осциллографы. Перспективным является создание бортового спектрометра по двухлучевой схеме, которая обеспечит одновременность измерения СПЭЯ отраженной и падающей радиации. Практически отсутствуют спектрополяри-метры для ИПРЗ.
Устройство для дистанционного распознавания природных объектов
Опыт практического проведения визуально-инструментальных исследований с борта ОНО "Салют" показал большие возможности этого метода при решении ряда важных народнохозяйственных задач /70/. Особенно эффективны визуальные исследования для решения поисковых задач, когда заранее не известны районы местонахождения определенных природных образований или время их проявления, а также исследования тонких структур объектов, требующие одновременно большой чувствительности анализатора и большой обзорности, при достаточном пространственном разрешении / 93 /. Примером такого рода задач может служить обнаружение полей планктона в морях и океанах, которые могут образоваться в наиболее благоприятных условиях и довольно быстро перемещаться. Обнаружение таких полей требует определенных условий наблюдения и зрительного анализа тонких цветовых оттенков на определенном цветовом фоне. Для решения таких относительно новых оперативных и поисковых задач использование автоматических космических аппаратов пока оказалось малоэффективным / 70 /. Автором было разработано и создано устройство для дистанционных исследований природных объектов, повышающее надежность распознавания за счет увеличения цветового и яркостного контрастов / 94 /. Устройство предназначено для дистанционного распознавания природных объектов, спектральные контрасты которых относительно фона находятся в видимой области спектра. Оно позволяет повысить надежность распознавания природных образований за счет обеспечения возможности выбирать в процессе наблюдения оптимальные спектральные зоны и яркостные диапазоны для каждого конкретного объекта и фона при данных условиях наблюдения. . Общий вид устройства приведен на рис. 2.6. Оно состоит из корпуса I, окуляра 2 и трех объективов И-23У со сменными светофильтрами (СЗС, ЖС, КС, ОС) 3.
Оптическая схема устройства показана на рис. 2.7, где 1-3 - объективы с переменными диафрагмами 4-6 и сменными светофильтрами 7-9, 10 - окуляр, 11,12 - зеркала и 13,14 - полузеркала. Изображение в окуляре представляет синтез изображений трех каналов в трех спектральных зонах. При изучении природных объектов оператор, наблюдая синтезированное изображение через окуляр, производит смену светофильтров (всех или некоторых) и регулирует относительные яркости спектрозональних изображений путем диафрагмирования, добиваясь максимального цветового и яркостного контраста исследуемого объекта на данном фоне, а следовательно, и более надежного его распознавания. При решении многих задач исследования природных ресурсов Земли необходим оперативный контроль окружающей среды. Так, например, визуальная оценка состояния сельхозпосевов из-за домини-рущего цвета зелени и максимальной чувствительности глаза в этой области спектра накладывает определенные ограничения на возможность дистанционного определения фитопатологического состояния полей.
Использование данного устройства с борта самолета обеспечивает надежное обнаружение пораженных участков- растительности. Решение этих и подобных задач с использованием описываемого устройства осуществляется за счет использования всех достоинств многозонального метода в сочетании с возможностями глаза, как зрительного анализатора. Достоинством описываемого прибора является также возможность осуществления активного научного поиска на борту летательного аппарата оператором, вооруженным устройством, реализующим преимущества многозонального метода, в реальном масштабе времени / 70 /. При спектрометрических исследованиях характеристик отражения различных природных образований в полевых условиях использовалась наземная измерительная установка (НИУ), а для проведения измерений с самолетов и вертолетов был разработан и создан комплекс бортовой аппаратуры (КЕА.) / 95 /. НИУ (рис.2.8) включает: спектрометр МСС-2К, треногу, пульт управления, системы регистрации и питания, интегрирующую насадку для измерения падающего потока. Спектрометр закреплен на поворотном кронштейне треноги, по- зволяющем проводить угловые измерения. Прибор может поворачиваться на 90 от нормали к исследуемой поверхности с фиксацией положений прибора через 5 и на 360 вокруг оси. Угол визирования в и азимут визирования Ф относительно плоскости солнечного вертикала устанавливаются вручную и измерения могут проводиться с высоты 0,5-2,0 м над исследуемым объектом. Для спектрометрирования водной поверхности предусмотрен специальный выносной кронштейн. Питание и управление спектрометром осуществляется от контрольно-измерительного пульта (КИЇЇ-3) (4), обеспечивающего включение прогрева, измерение и согласование выхода МСС-2К с входом регистратора. КИП-3 позволяет измерять энергопотребление и параметры выходного сигнала спектрометра. В качестве регистратора (5) применен шлейфовый осциллограф КІ2-22. Питание измерительного комплекса осуществляется либо от двух аккумуляторов типа 5КН-І00 м, напряжением 12,5 В каждый, либо от одного аккумулятора І2-САМ 28, напряжением 24 В (6). Исследования спектров отражения природных объектов с борта самолетов-лабораторий и вертолетов проводились с помощью специально созданного комплекса бортовой аппаратуры, представляющего собой совместную информационную систему аэрофотосъемки и спектрометрии для получения пространственной, поляризационной и угловой структуры поля яркости природных объектов.
Вопросы вероятностно-статистических основ спектрометрических исследований поля отражения природных образований
Применение дистанционных спектрометических методов в ИПРЗ отличается разнообразием как по содержанию решаемых задач, так и по условиям и особенностям их использования и определяется структурой и составными частями природного образования, диапазоном его количественных характеристик и свойств, постоянно изменящихся во времени и в пространстве под влиянием естественных и антропогенных факторов.
Поэтому при исследовании оптических характеристик природных объектов необходимо рассматривать их как взаимосвязанные составляющие некоторой системы природно-территориального комплекса / 121 / Таким образом, с одной стороны налицо факт непрерывности реально существующих в природных образованиях и постепенно сменяющих друг друга элементарных территориальных единиц, которые проникают одна в другую и сложно соподчиняются, с другой стороны для стандартизации и систематизации исследования оптических характеристик объектов необходимо огрубить, упростить описание природного объекта Указание о наличии составных частей объекта, образующих сложные разнообразные состояния, не противоречит представлению об объекте как элементарной единице природного образования и не мешает характеризовать такие объекты как лес, хлопчатник, пшеница и т.п., как единое целое с общим набором свойств, а также использовать оптические методы их изучения. При оптических исследованиях под однородным природным объектом при выбранном пространственном разрешении мы будем понимать пространственно-протяженные объекты для которых характерно, что измеряемая фотометрическая величина в пределах заданного допуска измерений не зависит от пространственного расположения фотометри-руемой площадки / 122 /.
Считается, что наличие сведений о значениях КСН основных классов природных образований, описанных с исчерпывающей для практических целей полнотой, может обеспечить возможность распознавания исследуемых природных объектов. Однако следует отметить, что до настоящего времени не разработан единый, однотипный подход к характеристике объектов различных классов с позиций оптики ландшафта / 12,20 /. Не установлеютакже какой должен (быть объем выборки для полного описания объекта значениями КСЯ. Ввиду зависимости КСЯ от условий освещения и наблюдения,кроме подробного описания объектов для обоснованного применения справочных данных должны быть известны природные условия их измерения / 123 /.
Проведение спектрометрических исследований природных объектов следует рассматривать как процедуру выбора количества и условий проведения измерений, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью / 124 / При проведении спектрометрических исследований существенным является стремление к минимальному объему общего количества измерений.
Вследствие непрерывного изменения взаимного и пространственного расположения элементов объекта, атмосферных условий и освещенности природных образований величина яркости любого элемента объекта в каждый момент времени будет величиной случайной» Следовательно, с этой точки зрения любой природный объект можно рассматривать как случайное поле яркостей и использовать для его описания математический аппарат теории вероятностей. Любое значение исследуемого параметра (характеристики) оптического поля природного объекта, вычисленное на основе ограниченного числа измерений (опытов), всегда будет содержать элемент случайности. Такое приближенное, случайное значение называют оценкой параметра / 125 /. При этом на основании исходных данных либо получают определенные значения, - точечные оценки, которые стремятся максимально приблизить к значениям соответствующих параметров, либо вычисляют граничные значения, между которыми с большой вероятностью должны находиться значения параметров. Принято считать, что при исследовании природных объектов спектрометрическими методами интервальные оценки по сравнению с точечными являются более полными и надежными характеристиками параметров случайных величин, так как в них с определенной точностью и надежностью обобщены фотометрические свойства оптического поля исследуемых объектов / 12,20 /. Однако это будет справедливо лишь при условии, что исследуемый объект будет однородным. Поэтому обработке результатов измерений должна предшествовать проверка исследуемого природного объекта на однородность.
В качестве примера рассмотрим КСЯ, полученные при регистрации лесного участка (ольшаника) / 95 /, визуально представляющего собой природный объект с хаотически повторяющимся изменением цветового тона,с борта вертолета с высот 75,150,300 и 500 м спектрометром МСС-2 / 71 / при относительной случайной погрешности измерений отдельных спектров КСЯ 8%» Исследуемый объект спектрометри-ровали в течение одного полета. Начало съемки Т„ос = 10.30, окончание 10.37. За время съемки зенитный угол Солнца практически не изменился. Полет проводился при облачности 0-1 балла, скорость вертолета 22 м/с. На рис. 3.4 представлены средние значения КСЯ ольшаника, полученные при различной высоте съемки (количество спектров в каждой выборке составляло П =12, количество ординат в спектре, выбираемые вне полос поглощения N=18). Различия средних значений КСЯ ольшаника для разных высот съемки не превышает случайной погрешности единичного измерения КСЯ исследуемого объекта V =10 , которая включает в себя случайные погрешности аппаратуры и вариации КСЯ отдельных элементов растительности, не превышающих нескольких процентов / 20,22 /.
Применение спектроэнергетических методов для обнаружения биопродуктивных районов в океане
Спектральные характеристики солнечного излучения отраженного поверхностью и рассеянного водной толщей Мирового океана несут в себе информацию о происходящих в нем процессах и явлениях. При визуальных наблюдениях космонавтами поверхности океана, проводившихся с QHC "Салют-6" / 137 /, были обнаружены участки поверхности, цветовая окраска которых заметно отличалась от окраски соседних участков океана. Поскольку наблюдаемый цвет воды определяется спектральным распределением уходящего излучения, точнее характером отражения от поверхности и особенностями рассеяния подповерхностных вод, а последние в свою очередь зависят от наличия в воде микроскопических биологических объектов, то различия в окраске связаны с концентрацией разнообразных видов планктона.
Направленные в указанные районы промысловые суда действительно обнаружили в них повышенную биологическую продуктивность. Таким образом, изучение причин, вызывающих наблюдаемые под различными углами спектральные контрасты, имеет ванное практическое значение . Геометрия наблюдения спектральных контрастов с борта GHC приведена на рис. I.I. Наблюдения спектральных контрастов водных поверхностей проводились при малых углах и азимутах визирования и средних высотах Солнца. Попытки наблюдения цветовых "пятен" в направлении на Солнце, т.е. при больших азимутах или в надир не дали положительного результата. Окраска "пятен" была самой разнообразной, от зелено-желтых до красноватых оттенков. Неудачная попытка наблюдения спектральных контрастов при больших азимутах и в надир может быть объяснена следующими обстоятельствами.
Процессы формирования оптического поля водной поверхности определяются отражением падающей радиации и излучением, обратно рассеянным водной толщей / 47 /. При визировании под большими азимутальными углами (область зеркального отражения) наблюдению зон повышенной продуктивности мешают световые блики на поверхности воды. Отраженная радиация в этом случае не несет информации о биологических объектах поверхностного слоя океана, а позволяет судить лишь о характере его взволнованности и то при больших углах падения прямого солнечного излучения Э0.
Гораздо более оптимальными условиями наблюдения цветовых различий водных поверхностей является визирование при малых углах 9 и Ф и средних высотах Солнца %/ - G0. Б этом случае уменьшается зеркальная составляющая отраженного излучения и взволнованность поверхности слабее искажает выходящую из воды радиацию.
Следует также учесть, что поскольку наблюдения за океаном велись с высот порядка 350 км, то существенное влияние на формирование спектрального состава уходящего излучения оказывала атмосфера. Оценка атмосферного вклада в спектры отражения водных поверхностей может быть получена из анализа инструментальных исследований спектральных характеристик системы "океан-атмосфера", которые проводились с борта QHC "Салют-6" с помощью прибора МСС-2МВ в ходе той же, а также предыдущих экспедиций. На рис. 4.7 приведены средние и экстремальные значения, а также коэффициенты вариаций СПЭЯ вод Атлантического океана. Приведенные результаты получены по пяти экспериментам при пересечении трабсой спектрометрирования Северного и Южного Атлантического подводного хребта. Средние значения СПЭЯ представлены с максимальной подробностью, определяемой спектральным разрешением прибора, экстремальные значения рассчитаны на 14 длинах волн, выбранных вне полос селективного поглощения радиации атмосферными газами.
Кривые спектрального распределения яркости океана, полученные с борта ШС "Салют-6", имеют максимум в районе 0,45 мкм, смещенный в голубую область относительно максимума спектральной солнечной постоянной, что обусловлено процессами молекулярного и аэрозольного рассеяния света в атмосфере / 66 /. Необходимо также отметить, что вариации яркости излучения, уходящего с верхней границы атмосферы, определяются в основном оптическими характеристиками атмосферы, так как отражательная способность океанических вод в видимом диапазоне спектра при измерениях в надир невелика и, как правило, не превышает 6-7$ / 49 /.
По результатам большого числа экспериментально измеренных значений СПЭЯ, полученных над Атлантическим океаном и Средиземным морем в широком диапазоне углов 0О, были рассчитаны дисперсии на опорных длинах волн. Видимый диапазон можно разделить на три участка пределах которых дисперсии статистически одинаковы (0,40-0,48 мкм, 0,52-0,66 мкм, 0,68-0,78 мкм). Поскольку основной вклад в изменение яркости вносит атмосфера, равенство дисперсий в одних и тех же диапазонах свидетельствует о том, что в этих интервалах уходящая радиация искажается атмосферой статистически одинаково.
Диапазон 0,40-0,48 мкм неудовлетворителен для визуальных наблюдений объектов из космоса, поскольку на него приходится максимум рассеянного света в атмосфере, в диапазоне 0,68-0,78 мкм визуальные наблюдения затруднены в силу физиологических особенностей зрения. Поэтому основная спектральная информация при визуальных наблюдениях из космоса морских поверхностей попадает в интервал 0,52-0,66 мкм.
Успех визуальных наблюдений природных объектов определяется соотношением между контрастом объекта по сравнению с фоном и порогом контрастной чувствительности зрения наблюдателя. Величина реального контраста наблюдаемого из космоса ландшафта составляет порядка 0,1, а порога, соответственно, 0,02, которые зависят как от психофизического состояния наблюдателя, так и от яркости наблюдаемых световых полей и угловых размеров объектов / 70,138 /.
