1.1: Вступ

Сподіваємось, ви пройшли цей курс, тому що ви вже маєте уявлення про те, що таке дистанційне зондування, і ви хочете дізнатися більше про нього. Але що саме таке дистанційне зондування?!?

Що таке дистанційне зондування?

Деякі дуже широкі визначення йдуть щось на кшталт «дистанційне зондування вивчає щось, не торкаючись його». Хоча це правда в найголовнішому сенсі слів, такі визначення насправді не дуже корисні. Не вдаючись до філософських дискусій про те, що означає «вивчення» та «дотик», я думаю, ми можемо погодитися, що ви зараз не займаєтеся дистанційним зондуванням, коли читаєте цей документ на екрані комп'ютера... незважаючи на те, що говорить цей документ, не торкаючись його. Більш доцільно для цього курсу ми можемо визначити дистанційне зондування як використання приладу (датчика) для збору інформації про поверхню Землі (або інші частини Землі, її океани чи атмосферу, або інші планети, якщо це питання) на великій відстані та на деякій відстані. Типові приклади включають використання супутникових знімків або аерофотозйомки, але акустичне зондування (наприклад, морського дна) та інші технології, які не створюють дані у вигляді «зображення», також є частиною широкого предмета дистанційного зондування. Таке визначення означає, що інший термін, «Спостереження за Землею», часто використовується як взаємозамінне з «дистанційним зондуванням».

Огляд технологій дистанційного зондування

Пасивне зондування

Існує багато способів розділити існуючі технології дистанційного зондування на категорії. Деякі технології покладаються на енергію навколишнього середовища (наприклад, енергію, яка природним чином присутня в навколишньому середовищі, наприклад, сонячне світло). Вони називаються пасивними технологіями зондування.

Активне зондування

Інші забезпечують власне джерело енергії, випромінюючи енергетичний імпульс до цільової області і записуючи частину її, яка відбивається назад на датчик (подумайте про гідролокатор, який використовується на підводних човнях). Вони називаються активними технологіями зондування.

Оптичне зондування

Інший спосіб класифікувати технології дистанційного зондування - це за типом енергії, яку вони використовують. Деякі технології покладаються на видиме світло (наприклад, традиційна аерофотозйомка), тоді як інші технології розширюють діапазон довжин хвиль, що відчуваються до ультрафіолетового та інфрачервоного випромінювання (що також є різновидом «світла», який використовує пульт дистанційного керування телевізора). При вимірюванні відбитого сонячного світла в цих довжині хвиль вони називаються пасивними оптичними технологіями зондування - оптичними, оскільки прилади використовують класичну оптику у своїй конструкції. Супутникові зображення, що спостерігаються на Google Планета Земля або використовуються як фон для телевізійних прогнозів погоди, - це зображення, створені за допомогою пасивного оптичного дистанційного зондування. Форма активного оптичного зондування називається лідаром, виявленням світла та діапазоном. Він включає випромінювання лазерного імпульсу (активної частини) до мети та вимірювання часу, необхідного до того, як цей імпульс щось потрапив, і частина його повертається для вимірювання на датчику. Зазвичай також вимірюється інтенсивність зворотного імпульсу.

1: Різниця між пасивними та активними системами дистанційного зондування. Джерело: Ілюстрація дистанційного зондування Аркарджуна, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

2: Супутник НАСА захоплює ураган граф вересня 1, 2010 по NASA Годдард Фото і відео, Flickr, CC BY 2.0.

3: Концептуальна діаграма для бортового лідара. Розташування та орієнтація приладу забезпечується приладами GPS та ІМУ на літаку. Завдяки цим знанням відстані, виміряні між приладом та предметами на землі, можуть бути перетворені, щоб знайти місця розташування цих об'єктів, разом забезпечуючи 3D-зображення поверхні Землі. fis01335 по NOAA Фотобібліотека, Flickr, CC BY 2.0.

Теплове зондування

Теплове зондування схоже на пасивне оптичне зондування, за винятком того, що енергія, виміряна датчиком, знаходиться в «тепловій області» спектра довжин хвиль. Це вид пасивного теплового зондування, яке ви робите самостійно, підкладаючи руки близько до багаття, щоб відчути його тепло, тому ми можемо відчувати теплове випромінювання, але ми не можемо бачити його очима, як ми бачимо сонячне світло. Сонце виробляє набагато більше теплового випромінювання, ніж Земля (воно набагато спекотніше, врешті-решт), але Сонце також дуже далеко, тому якщо побудувати тепловий датчик і поставити його в літак або на супутник і направити його на Землю, теплове випромінювання, що випромінюється Землею, переповнює невеликі кількості теплове випромінювання, яке дійшло до Землі від Сонця і відбилося земною поверхнею в датчик. В результаті теплове дистанційне зондування є корисним для вимірювання температури поверхні Землі.

4: Ця карта показує розподіл температури поверхні моря протягом одного дня в 2010 році. Температура поверхні моря зазвичай вимірюється кількома супутниками, включаючи MODIS Terra, які отримали дані, наведені тут. Карта температури поверхні моря (NASA, Sport, 04/23/10) Центру космічних польотів НАСА Маршалла, Flickr, CC BY-NC 2.0.

Мікрохвильові зондування

Переходячи до видів випромінювання, які ми не можемо ні бачити, ні відчувати себе, мікрохвильове зондування є важливою частиною дистанційного зондування. Земля постійно випромінює невелику кількість мікрохвильового випромінювання, і пасивне мікрохвильове зондування може бути корисним таким чином, що дещо аналогічно тепловому дистанційному зондуванню, для вимірювання характеристик поверхні Землі (наприклад, там, де є сніг та лід). Активне мікрохвильове дистанційне зондування, яке також називають радіолокаційним дистанційним зондуванням, використовує випромінювані радіолокаційні імпульси так само, як радари на судах та в аеропортах Радари встановлюються на літальних апаратах або супутниках і спрямовані на Землю, випромінюються радіолокаційні імпульси, а відбита частина кожного імпульсу вимірюється для надання інформації про аспекти поверхні Землі, більшість з яких неможливо виміряти за допомогою оптичних або теплових технологій. До них відноситься інформація про місцевість Землі (для створення цифрових моделей висот), вологість ґрунту, щільність і структуру рослинності, а також наявність морського льоду та кораблів. Радарне дистанційне зондування має ту перевагу, що мікрохвильове випромінювання рухається через атмосферу більш-менш безперешкодно, і оскільки це активна технологія, його можна використовувати в будь-якому місці в будь-який час, в тому числі вночі та в погану погоду.

5: Дивовижне застосування радіолокаційного дистанційного зондування - це техніка, яка називається інтерферометричним радіолокатором із синтетичною апертурою, або InSAR. Коли радіолокаційний прилад проходить одну і ту ж площу під час двох різних орбіт, зміни форми поверхні Землі можуть бути відображені з точністю до міліметра. Наприклад, коли трапляються землетруси, зміна поверхні Землі може бути відображена, як показано тут для землетрусу 2010 року в Динарі, Туреччина. Менші зміни, які виникають внаслідок, наприклад, заглиблення будівель у підкладку або мости, що розширюються та стискаються в жарку та холодну погоду, також можуть бути відображені за допомогою InSAR. Інтерферограма Динара, Туреччина 1995 землетрус Гарета Фаннінга, Геодезія Інструменти для соціальних питань (GETSI), CC BY-NC-SA 3.0.

Гравіметричне зондування

Інший вид приладу, який був поставлений на супутники з великим успіхом, вимірював гравітаційне поле Землі і те, як воно змінюється просторово. Гравітаційна тяга Землі, яку відчуває орбітальний супутник, сильніший, коли супутник проходить над територією з відносно великою масою (наприклад, Гімалаї), на відміну від області з меншою масою (наприклад, глибокі океани). Ці відмінності можна виміряти дуже точно і використовувати не тільки для відображення загальної форми гравітаційного поля Землі, але і для вимірювання змін в ньому через час. Такі зміни викликані припливами (більше води дорівнює більшій масі, дорівнює більшій гравітації), таненням льодовиків і навіть зниженням залягання підземних вод від нестійкого використання підземних вод.

6: Земля у формі та кольорова відповідно до гравітаційного тяги, виміряного супутником GOCE Європейського космічного агентства. Геоїдна хвилеподібна шкала 10k від Міжнародного центру глобальних моделей Землі, Wikimedia Commons, CC BY 4.0.

Акустичне зондування

Акустичне зондування принципово відрізняється від раніше перерахованих технологій тим, що в ньому використовуються акустичні хвилі (тобто хвилі, що утворюються в результаті стиснення і розширення водних мас), а всі інші використовують електромагнітне випромінювання (тобто хвилі, що мають магнітне і електричний компонент і може поширюватися через порожній простір). Хоча існує багато застосувань акустичного зондування, в першу чергу відображення глибини води, морського дна і навіть структури підморського дна, прилади та його фізична основа досить відрізняються від раніше перерахованих технологій, що ми не будемо розглядати їх далі в цьому курсі.

7: Акустичні датчики можуть як надавати інформацію про глибину води та склад субстрату на великих площах, так і надавати детальну інформацію про структуру морського дна в менших цільових районах. Тут видно 3D-реконструкцію, засновану на акустичних даних, літака Другої світової війни, розташованого біля узбережжя Великобританії. Літак на морському дні по Wessex Археологія, Flickr, CC BY-NC-SA 2.0.

Наземні датчики

Всі технології дистанційного зондування спочатку розробляються і випробовуються в лабораторіях на суші, де проводиться фундаментальна наука, виробляються і тестуються прототипи, аналізуються вихідні дані, а технологія дозріває. Хоча деякі з часом реконструйовані для використання в літаку або на супутнику, ці технології, як правило, зберігають своє використання на суші. Відомі приклади включають камери, які знаходяться в смартфоні, теплові камери електричні інспектори використовують для пошуку несправних ланцюгів, радари поліція використовує для перевірки, наскільки швидко ви їдете, і лідари деякі самохідні автомобілі використовують для ситуаційної обізнаності. Хоча наземні датчики корисні для збору дуже точної інформації з невеликої площі або об'єкта, вони не корисні для отримання видів даних, необхідних для картографування. Тим не менш, дані, отримані наземним приладом, часто корисні в процесі дистанційного зондування (наприклад, порівнюючи те, що ви бачите на супутниковому знімку, з тим, що ви вимірювали на землі).

Датчики повітряно-десантні

Зрештою, хтось візьме наземну технологію і задається питанням: «Що станеться, якщо я візьму цей інструмент, покладу його в літак, вказав його вниз і увімкну?». Поява аерофотозйомки послідувала швидко після розробки камери, коли хтось вирішив підняти камеру на повітряній кулі, а повітряні лідарні та радіолокаційні системи також без особливих затримок стежили за розвитком відповідних технологій. Існує щонайменше дві проблеми, які необхідно подолати при прийомі приладу дистанційного зондування повітря. 1) Прилад повинен мати можливість швидко збирати багато даних та зберігати ці дані для подальшого використання (або передавати їх безпосередньо на пристрій зберігання в іншому місці), і 2) кожна зібрана точка даних, як правило, повинна бути географічна прив'язка — іншими словами, географічна пара координат (наприклад, широта та довгота) повинна бути пов'язана з кожною точкою даних. Це аж ніяк не непереборні проблеми сьогодні, коли типовий смартфон може виступати як сховищем даних, так і GPS, а розміщення датчиків на бортових платформах останнім часом стало областю вибухового зростання, оскільки дешеві та легкі в польоті безпілотні літальні апарати тепер можуть замінити пілотований літак як платформа, яка несе інструмент.

Космічні датчики

Після того, як інструмент виявився корисним при встановленні на літаку, врешті-решт хтось запропонує, що «ми повинні повністю взяти це і покласти його на супутник, щоб ми могли збирати дані безперервно протягом багатьох років без необхідності приземлятися, заправляти, подавати плани польотів тощо». Насправді, (наскільки мені відомо) всі супутники, що спостерігають за Землею, несуть прилади, прототипи яких були випробувані на літаках, оскільки це не тільки допомагає точно налаштувати апаратне забезпечення приладу перед запуском його в космос, але й дає вченим дистанційного зондування попередній перегляд того, якими будуть дані з приладу люблять, щоб вони могли почати писати програми, які обробляють дані приладу і перетворюють їх в корисну інформацію про Землю. Існують важливі переваги та недоліки використання супутників порівняно з дронами та пілотованими літаками. Великою перевагою є те, що супутники зазвичай служать протягом багатьох років і можуть збирати дані безперервно протягом цього періоду. Таким чином, вони неймовірно економічно вигідні. Тільки уявіть собі, скільки коштувало б надавати щоденну оновлену інформацію про морський крижаний покрив в Арктиці (і Антарктиці, якщо на те пішло) без супутників! Однак супутники мають обмежене паливо, а простір - це грубе середовище, тому інструменти на борту з часом деградують і в кінцевому підсумку можуть повністю вийти з ладу. Наприклад, у 2012 році багатомільярдний європейський супутник ENVISAT припинив зв'язок зі своїм командним центром, і, незважаючи на всі зусилля Європейського космічного агентства щодо відновлення зв'язку, супутник з усіма його приладами був оголошений «мертвим» через два тижні. Landsat 6, американський супутник наземного спостереження загального призначення не зміг досягти своєї орбіти після запуску, і взагалі ніколи не видавав жодних даних. Однією з важливих проблем супутників є те, що коли ці речі відбуваються, вони не можуть приземлитися і бути виправлені, як це може бути зроблено, якщо проблема розвивається з інструментом, що сидить в літаку.

Хоча переважна більшість космічних датчиків розташована на супутниках, інші космічні апарати також несли кілька важливих приладів дистанційного зондування. Радіолокаційна система була розміщена на космічному човнику в 2000 році і використовувалася для виготовлення майже глобальної цифрової моделі висоти з 30-метровою просторовою роздільною здатністю протягом 11 днів роботи. Нещодавно канадська компанія під назвою UrtheCast експлуатувала два пасивні оптичні датчики від Міжнародної космічної станції - один був відеокамерою надвисокої чіткості, яка виробляла відео зі швидкістю три кадри в секунду з просторовою роздільною здатністю 1,1 метра, інша - більш типовий інструмент зображення, який створюються кольорові зображення з 5-метровою просторовою роздільною здатністю.

8: Сьогодні на орбіті існує значна кількість супутників спостереження за Землею. Це зображення показує супутникове сузір'я «A-train» НАСА, серію супутників, орбіти яких тісно слідують один за одним, всі проходять над головою протягом раннього дня, місцевого сонячного часу. Сузір'я надають можливість використовувати дані з одного супутника, щоб допомогти інтерпретації даних з іншого супутника, тим самим покращуючи якість багатьох супутникових продуктів. Поїзд-879 × 485 Шакібул Хасан Вин, Вікісховище, CC BY-SA 4.0.

Електромагнітне випромінювання і його властивості

Тепер настав час трохи уважніше розглянути, як працює дистанційне зондування, і яка його фізична основа. Це дасть вам краще розуміння того, як створюються дані дистанційного зондування, і як вони можуть бути використані творчими способами для отримання саме тієї інформації, необхідної для конкретної мети.

Енергія, яка вимірюється приладом дистанційного зондування (крім акустичних приладів), і яка використовується для отримання зображення, називається електромагнітним випромінюванням (часто скорочено EMR). Може бути важко зрозуміти, що саме таке електромагнітне випромінювання, але корисний спосіб подумати про це - вважати, що світло - це специфічний вид електромагнітного випромінювання, яке добре виявляють наші очі та мозок. Інші види електромагнітного випромінювання включають шкідливі ультрафіолетові (УФ) промені, від яких сонцезахисний крем забезпечує певний захист, теплове випромінювання, яке ми відчуваємо при русі поблизу багаття, і радіолокаційні хвилі, використовувані для виявлення літаків і кораблів (і для відображення деяких властивостей поверхні на Землі). Фізично електромагнітне випромінювання можна візуалізувати як хвилі, які поширюються через простір. Хвилі мають дві складові, одну електричну і одну магнітну, які знаходяться під кутами 90 градусів як один до одного, так і до напрямку поширення (рис. 9).

9: Електромагнітне випромінювання складається з поперечної хвилі з електричним полем (червона, вертикальна площина) і магнітного поля (синя, горизонтальна площина), що поширюється (на цьому малюнку) в горизонтальному напрямку. Електромагнітна хвиля P.Wormer, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Довжина хвилі

ЕМР хвилі мають певні властивості, які ми можемо виміряти і використовувати для його опису. ЕМР хвилі можуть характеризуватися їх довжиною хвилі, яка вимірюється як фізична відстань між одним піком хвилі і наступною, вздовж напрямку поширення. Людські очі здатні виявляти електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль приблизно в діапазоні від 400 до 700 нанометрів (нанометр - 10-9 метр, або мільярдна частина метра), що, отже, ми називаємо видимим світлом. ЕМР хвилі поширюються зі швидкістю світла, і існує проста і пряма залежність між довжиною хвилі і частотою хвиль ЕМР, зазвичай виражається як c = λ, де c - швидкість світла, v (грецька буква nu) - частота, а λ (грецька буква лямбда) - довжина хвилі. Частота визначається як кількість хвильових піків, що проходять фіксовану точку за одиницю часу (зазвичай в секунду). Відзначимо, що деякі люди, в тому числі інженери і фізики, що працюють з випромінюванням, іноді використовують хвильовий номер замість довжини хвилі або частоти. Хвильове число () визначається як = 1/λ. Ми не будемо використовувати хвильове число в решті цих приміток, але добре знати про його використання для подальших досліджень.

10: Огляд різних видів EMR, їх довжин хвиль, частот та деяких загальних джерел. Електромагнітний спектр з джерелами Дінксбумфа, Індуктивне навантаження і NASA, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Відповідно до квантової теорії, ЕМР також можна розглядати як складається з потоку окремих енергетичних пакетів, званих фотонами. Кожен фотон містить кількість енергії, пропорційну його частоті, співвідношення, виражене як Е = HV, де h - постійна Планка (приблизно 6,6* 10-34 Джс). Зв'язок між довжиною хвилі, частотою і енергією на фотон показана на малюнку 10. Також на малюнку 10 наведені загальні назви EMR певної довжини хвилі. Наприклад, ви можете бачити, що рентгенівські промені мають дуже короткі довжини хвиль, дуже високі частоти, а отже, дуже високий вміст енергії на фотон, що є важливою причиною обмежити ваше вплив на них.

Поляризація

Крім довжини хвилі, ЕМР може характеризуватися його поляризацією, яку можна розглядати як орієнтацію коливань електричного поля. Наприклад, на малюнку 9 електричне поле коливається виключно у вертикальній площині, тому показана на малюнку ЕМР називається вертикально поляризованою. Багато джерел ЕМР, як Сонце, виробляють електромагнітні хвилі, поляризація яких змінюється так швидко в часі, що при вимірюванні комбінація багатьох хвиль, здається, не має чіткої поляризації. Іншими словами, орієнтація коливань електричного поля (і по розширенню магнітного поля) буває вертикальною, горизонтальною, і що завгодно між ними. Така ЕМР називається неполяризованої. Інші джерела світла, такі як створені більшістю приладів, поляризовані, що означає, що орієнтація коливань електричного поля не змінюється з часом. Знайомим прикладом поляризації є сонячне світло, що відбивається від водної поверхні. Коли неполяризоване світло Сонця потрапляє на поверхню води, хвилі, електричне поле яких орієнтоване вертикально, поглинаються або заломлюються у воду легше, ніж ті, електричне поле яких орієнтоване горизонтально, які з більшою ймовірністю відбиваються від поверхні води. Коли ви дивитеся на водну поверхню, горизонтально поляризовані частини світла, яке ви бачите, таким чином, переважно відбивалися від поверхні води, тоді як вертикально поляризовані частини світла, які ви бачите, переважно відбивалися зсередини самої води або знизу, якщо ви дивитесь на мілководді. Тому, якщо ви використовуєте поляризовані сонцезахисні окуляри, створені для ефективного видалення горизонтально поляризованого світла, світло, яке досягає ваших очей, є переважно тією частиною світлового поля, яке надходить зсередини самої води. Приклад цього показаний на малюнку 11, де ви можете бачити, що використання поляризаційного фільтра дозволяє більше деталей з морського дна бути видимими на зображенні.

11: Приклад погляду на мілководді, без (ліворуч) або з (праворуч) поляризаційним фільтром. Поляризатор2, від Amithshs, Wikimedia Commons, суспільне надбання.

Як створюється електромагнітне випромінювання

Тепер, коли ми знаємо, як кількісно оцінити різні властивості електромагнітного випромінювання, ми коротко розглянемо, як воно створюється в першу чергу. Фізики кажуть, що ЕМР виробляється при прискоренні заряджених частинок, це відбувається постійно, тому це не корисно в контексті дистанційного зондування. Для більшого використання в дистанційному зондуванні ми можемо подивитися на спектральне сяйво, створене поверхнею, тобто кількість створюваного випромінювання та його розподіл по різних довжинам хвиль. Це залежить в першу чергу від температури поверхні, і акуратно описано для чорних тіл законом Планка:

У Законі Планка L _{λ, T} - сяйво, причому індекси вказують на те, що він залежить від довжини хвилі та температури (поверхні). h - постійна Планка, c - швидкість світла у вакуумі, λ - довжина хвилі, k _B - постійна Больцмана (не плутати зі Стефаном- Константа Больцмана!) , Т - температура поверхні в градусах Кельвіна. Хоча Закон Планка спочатку може виглядати залякуючим, майте на увазі, що h, c і k _B - це всі константи, тому все, що він говорить, це те, що сяйво, випромінюване поверхнею (L _{λ, T}) можна обчислити з температури (T) цієї поверхні для заданої довжини хвилі (λ).

Щоб поглянути на результат Закону Планка, ви можете уявити об'єкт з певною температурою поверхні, як Сонце, температура якого становить приблизно 5800K, і обчислити сяйво, яке воно випромінює при, скажімо, 400 нм, просто включивши температуру та довжину хвилі в рівняння. Потім ви можете повторити для 401 нм, 402 нм тощо, щоб створити те, що називається кривою Планка. Приклад декількох кривих Планка наведено на малюнку 12. Зверніть увагу, що дуже мало випромінювання виробляється на дуже коротких довжині хвиль (наприклад, 0-200 нм), і кожна крива має чіткий пік, який показує довжину хвилі, на якій випромінюється максимальна кількість енергії. Розташування цього піку можна обчислити за допомогою закону Відня, який базується на законі Планка, і який говорить, що довжину хвилі пікового випромінювання (λ _max) можна обчислити як λ _max = Bt, де b - константа зміщення Відня: 2,897 767 нм К. Для Сонця це доходить приблизно до 500 нм, що є синювато-зеленуватим світлом.

Одне важливе зауваження щодо Закону Планка полягає в тому, що він застосовується до чорних тіл, які є уявними сутностями, які визначаються як досконалі поглиначі та досконалі випромінювачі. Хоча реальні об'єкти, такі як Сонце і Земля, не є чорними тілами, вони наближаються досить близько, щоб більшу частину часу бути чорними тілами, щоб Закон Планка був корисним наближенням, яке можна використовувати для кількісної оцінки їх випромінювання електромагнітного випромінювання. Наскільки близька або далека поверхня до того, щоб бути чорним тілом, визначається його випромінювальною здатністю, яка є кількістю сяйва, виробленого на заданій довжині хвилі, порівняно з тим, яке буде вироблено чорним тілом. Природні матеріали, як правило, мають високі значення випромінювальної здатності, в діапазоні 0,98-0,99 (вода), 0,97 (лід) та 0,95-0,98 (рослинність). Однак деякі природні матеріали можуть мати низьку емісійну здатність, як сухий сніг (приблизно 0,8) або сухий пісок (0,7-0,8). Наприклад, це означає, що сухий сніг при заданій температурі виробляє лише 80% сяйва, яке він повинен відповідно до Закону Планка. Подальше ускладнення пов'язане з тим, що випромінювальна здатність змінюється з довжиною хвилі, але це міст для перетину іншого разу.

Закон Планка може бути використаний для визначення температури поверхні, спектральне сяйво якої вимірюється. Це робиться просто шляхом інвертування рівняння для ізоляції температури:

Хоча фактичне визначення температури поверхні Землі за допомогою космічного вимірювання (спектрального) сяйва дещо складніше, оскільки потрібно враховувати як випромінювальну здатність, так і вплив атмосфери, інверсія Закону Планка, як зазначено вище, є основним принципом на який такий картографування лежить.

12: Приклад трьох кривих Планка, для поверхонь при 3000-5000 градусів Кельвіна. Чорне тіло Дарта Кула, Wikimedia Commons, публічне надбання.