1.2: Радіометричні вимірювання

2

Хоча багато даних дистанційного зондування можна візуалізувати як зображення та інтерпретувати безпосередньо як такі, щоб знайти, наприклад, міста та кораблі та пожежі, важливо розуміти, що більшість супутникових датчиків також можна розглядати як точно відкалібровані прилади, що використовуються для вимірювання характеристик електромагнітних. випромінювання, яке надходить із заданого напрямку в момент вимірювання. У цьому розділі ми зупинимося на такому використанні супутникових знімків. Спочатку потрібно визначити деякі поняття, пов'язані з електромагнітним випромінюванням і тим, як воно вимірюється. Після цього ми розглянемо, як використовувати ці поняття для отримання корисної інформації з супутникових знімків.

Поняття, пов'язані з інтенсивністю ЕМР

Деякі інші властивості полів ЕМР пов'язані з їх інтенсивністю — кількістю енергії, що міститься в них. Фундаментальною одиницею СІ енергії є Джоуль (Дж). Оскільки випромінювання рухається в міру поширення хвиль ЕМР, важливою мірою інтенсивності поля ЕМР є кількість енергії, що рухається на поверхню або об'єм, через або з поверхні або обсягу в одиницю часу. Це називається променевим потоком, і вимірюється в Джоулі в секунду, або Ваттах (Вт). У дистанційному зондуванні ми майже завжди зацікавлені в вимірюванні інтенсивності випромінювання на скінченній ділянці (наприклад, представленої пікселем на супутниковому знімку). Це називається щільністю променистого потоку і вимірюється як променевий потік на одиницю площі, наприклад W m ^-2. Для практичного використання термін опромінення використовується для опису щільності потоку випромінювання, що падає на поверхню, а вихід використовується для опису щільності випромінюючого потоку, що залишає поверхню (рис. 13).

13: Опромінення та екістанс. Зліва опромінення - це променистий потік, що падає на поверхню на одиницю площі. Праворуч, вихід - променистий потік, що залишає поверхню на одиницю площі. Обидва зазвичай вимірюються в Вт м-2. Стрілки різного кольору вказують на те, що ці дві щільності променистого потоку вимірюються для всіх довжин хвиль, присутніх у полі випромінювання. Андерс Кнудбі, CC BY 4.0.

Хоча опромінення та вихід є корисними поняттями, ми не можемо виміряти їх за допомогою приладів на літаючих платформах, оскільки вони охоплюють радіацію, що падає на поверхню або залишає її в будь-якому напрямку. Іншими словами, для вимірювання виходу 1 м ² частини поверхні Землі нам потрібно було б розмістити напівсферичний датчик над відповідною площею, таким чином вимірюючи вихідне випромінювання у всіх напрямках вгору (якщо вимірювати сонячне світло, відбите від поверхні, затінення приладом буде очевидно роблять вимір марним). Інша одиниця інтенсивності ЕМР, яка зазвичай використовується в дистанційному зондуванні, тому є чимось більш тісно пов'язаним з тим, що насправді вимірюється приладами, вона називається сяйвом і визначається як щільність потоку випромінювання на одиницю проектованої площі джерела, в певному напрямку, визначеному твердим тілом кут (рис. 14). Твердий кут можна розглядати як конус - у більшості випадків дистанційного зондування цей конус неймовірно вузький, оскільки він тягнеться від спостережуваної області до відповідного детектуючого елемента в датчику.

14: Сяйво. Порівняно з опроміненням та виходом, сяйво розраховується на одиницю проектованої площі поверхні та в межах заданого твердого кута. Сяйво зазвичай вимірюється одиницями W m-2 sr-1, де sr означає steradian, що є мірою твердого кута. Андерс Кнудбі, CC BY 4.0.

При вимірюванні ЕМР приладами на літальних апаратах або супутниках вимірювання сяйва зазвичай проводяться для дискретних інтервалів довжин хвиль. Наприклад, «Діапазон 1» на багатьох супутниках був розроблений для вимірювання лише сяйва електромагнітного випромінювання з певними довжинами хвиль, які здаються блакитними для людських очей, наприклад, між 420 і 470 нм. Припускаючи, що цей діапазон довжин хвиль ідеально вимірюється за допомогою «Band 1», ми можемо знайти спектральне сяйво, розділивши сяйво, виміряне на діапазон вимірюваних довжин хвиль (в даному випадку 50 нм). Спектральне сяйво є дуже часто використовуваною мірою в дистанційному зондуванні і часто безпосередньо пов'язане з необробленими значеннями (тобто цифровими числами), знайденими в кожній смузі на знімках дистанційного зондування.

Рисунок 14, стрілки, що вказують на електромагнітне випромінювання, були пофарбовані одним кольором, щоб підкреслити, що спектральне сяйво вимірюється для певного діапазону довжин хвиль. Андерс Кнудбі, CC BY 4.0.

Хоча спектральне сяйво - це одиниця інтенсивності ЕМР, яка найбільш тісно пов'язана з тим, що насправді вимірюється приладами дистанційного зондування, воно має нещасну якість залежність від освітленості спостережуваної області. Це очевидно, якщо ви уявляєте собі вимірювання кількості світла, що виходить з вашої місцевої парковки. У сонячний день з асфальтової поверхні сходить багато світла, іноді в тій мірі, в якій потрібно примружитися, щоб подивитися на нього. Іншими словами, поверхня має високе спектральне сяйво у видимих довжині хвиль. У похмурий день з поверхні відходить менше світла — нижче спектральне сяйво. А вночі, очевидно, з поверхні відривається дуже мало світла — дуже низьке спектральне сяйво. Вимірювання спектрального сяйва, що виходить з поверхні, таким чином, не може безпосередньо сказати нам багато про те, що це за поверхня - будь то стоянка, озеро чи ліс. Натомість ми вважаємо за краще виміряти коефіцієнт відбиття поверхні - кількість випромінювання, яке вона відбиває на одиницю випромінювання, що падає на неї. Це реальне фізичне властивість матеріалу, яке в більшості випадків повністю не залежить від освітленості, а значить і те, що можна використовувати для ідентифікації матеріалу. Висока відбивна здатність - це те, що робить білі поверхні білими, а низька відбивна здатність - це те, що робить чорні поверхні чорними. Загальноприйнятим видом відбивання є альбедо, що є те, що люди дистанційного зондування називають дифузним відбиттям. Він обчислюється як вихід, розділений на опромінення, і є безодиничною мірою в діапазоні від 0 (для повністю чорних поверхонь, які не мають виходу) і 1 (для повністю білої поверхні, яка відображає все випромінювання, що падає на них).

16: Дифузне відбиття. Визначається як вихід (вихідні стрілки), розділений на випромінювання (вхідні стрілки). Андерс Кнудбі, CC BY 4.0.

Дифузне відбиття неможливо виміряти безпосередньо в дистанційному зондуванні - фактично жоден з двох необхідних термінів не може бути виміряний. Однак його можна оцінити досить точно у верхній частині атмосфери (докладніше про це пізніше), використовуючи два трюки. По-перше, ми досить добре знаємо, скільки випромінювання виробляється Сонцем на різних довжині хвиль, тому ми можемо оцінити опромінення з хорошою точністю. По-друге, якщо припустити, що сяйво є відомою функцією напрямку поширення, то ми можемо перетворити сяйво, виміряне в одному напрямку, до виходу. Разом це дає нам інформацію, необхідну для перетворення вимірювання сяйва в оцінку дифузного відбиття.

Однак нам потрібен останній крок (поки що), щоб досягти вимірювання, яке можна використовувати для ідентифікації того, що ми дивимось, оскільки дифузне відбиття - це одне значення, яке говорить нам щось про те, наскільки яскрава поверхня, але вона нічого не говорить нам про її кольоровість (що є аспектом кольору, який не включає яскравість, тому наприклад світло-червоний і темно-червоний можуть мати однакову кольоровість, тоді як світло-червоний і світло-зелений мають різну кольоровість). Однак, як зазначено вище в пункті про спектральне сяйво, вимірювання, проведені за допомогою приладів дистанційного зондування, насправді є вимірюваннями спектрального випромінювання. Таким чином, ми можемо перетворити ці вимірювання на оцінки спектрального існування та розділити на спектральне опромінення, щоб досягти міри спектрального дифузного відбиття. Не враховуючи взаємодії між електромагнітним випромінюванням та атмосферою, це настільки близько, наскільки ми дійдемо до створення міри, яка говорить нам щось про те, що покриває поверхню Землі в виміряному нами пікселі.

17: Спектральна дифузна відбивна здатність. Визначається як спектральне випромінювання, розділене на спектральне опромінення. Андерс Кнудбі, CC BY 4.0.

Як виявляється і вимірюється електромагнітне випромінювання

Для вимірювання інтенсивності вхідного електромагнітного випромінювання прилади дистанційного зондування використовують спеціальні матеріали, які є ефективними поглиначами випромінювання з потрібним діапазоном довжин хвиль і які генерують електричний струм при впливі випромінювання - струм, який потім вимірюється. Хоча різні матеріали використовуються для поглинання і, таким чином, виявлення випромінювання на різних довжині хвиль у різних видах датчиків, основний принцип добре проілюстрований пасивними оптичними приладами дистанційного зондування, більшість з яких покладаються на CCD або CMOS датчики, так само, як камера у вашому телефоні.

Уявіть собі камеру, прикріплену до супутника в космосі, спрямовану вниз на Землю. Протягом дуже короткого періоду часу діафрагма камери відкривається, пропускаючи світло, яке було вироблено Сонцем (згідно із Законом Планка) і відбивається земною атмосферою та поверхнею назад у космос, точно у напрямку супутника. Усередині камери знаходиться 2-мірна ПЗС, своєрідна шахова дошка з 3 окремими маленькими детектуючими елементами, кожен з яких здатний поглинати сонячне світло і тим самим виробляти електричний струм, пропорційний інтенсивності вхідного світла. Виявлення елементів, що піддаються більш інтенсивному сонячному світлу, виробляють струм з більшою напругою, тому напруга є прямою індикацією кількості сонячного світла, якому піддавався кожен елемент. Приклад наведено в таблиці 1.

Таблиця 1: Приклад напруг, що генеруються окремими елементами детектування в ПЗС, розміщеному в космічній камері. Андерс Кнудбі, CC BY 4.0.

1.2	1.1	0.9
1.3	1.2	1.1
1.1	0.9	0.8

Оптика (система об'єктивів) в камері гарантує, що кожен окремий детективний елемент піддається впливу світла, що надходить з унікального заздалегідь визначеного напрямку щодо камери. Знаючи, де знаходиться супутник і як він орієнтований щодо Землі, кожен з цих напрямків може бути перетворений в набір географічних координат (широта/довгота) на поверхні Землі, звідки повинен був відображатися світло, зареєстрований кожним детектуючим елементом. Іншими словами, електричний струм, що генерується кожним із детектуючих елементів 3 x 3, може бути відображений назад до місця на поверхні Землі.

Таблиця 2: Географічні координати, від яких відбивається сонячне світло, що виробляє електричний струм у кожному елементі з таблиці 1. Для цього прикладу ігноруйте той факт, що розмір пікселя, неявний в географічних координатах, не квадратний і дуже великий. Андерс Кнудбі, CC BY 4.0.

45,1 П/ 80,5 ВТ	45,1 П/ 80,4 ВТ	45,1 П/ 80,3 ВТ
45,0 П/ 80,5 ВТ	45,0 П/ 80,4 ВТ	45,0 П/ 80,3 ВТ
44,9 П/ 80,5 ВТ	44,9 П/ 80,4 ВТ	44,9 П/ 80,3 ВТ

Оскільки напруга електричного струму, що генерується кожним детектуючим елементом, пропорційна щільності променистого потоку вхідного випромінювання, при правильній калібруванні напруга, вироблена кожним детектуючим елементом, може бути перетворена в міру щільності вхідного випромінювального потоку на камері. Крім того, знаючи відстань між супутником і поверхнею Землі, це, в свою чергу, може бути перетворено на міру сяйва, що надходить із спостережуваної області. І з цим ми маємо одне з фундаментальних вимірювань у дистанційному зондуванні — сяйво, що виходить з чітко визначеної ділянки на поверхні Землі.

калібрування

У попередньому розділі було згадано, що напруга, що генерується детектуючим елементом, може бути перетворена на щільність потоку випромінювання або сяйво при правильній калібруванні. Таке калібрування проводиться для всіх датчиків перед запуском, піддаючи їх впливу світла різного рівня відомого сяйва, відзначаючи зниження напруги, створюваної кожною експозицією. З цього можна створити просте рівняння перетворення, як правило, лінійне або майже лінійне, для перетворення між напругою та сяйвом. Приклад типу установки, необхідної для виконання такого калібрування, наведено на малюнку 18.

18: Інтеграційна сфера, що використовується для калібрування датчика. Комерційна інтеграційна сфера електрооптичних галузей, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Багатоспектральне зондування

Ми досі ігнорували той факт, що більшість супутникових датчиків призначені для виявлення сяйва в декількох різних діапазонах довжин хвиль, кожен з яких виробляє те, що відомо як «смуга». Вхідне світлове поле, що досягає датчика, у випадку відбитого сонячного світла завжди є сумішшю випромінювання з багатьма різними довжинами хвиль, тому, щоб відокремити їх та виміряти сяйво різних діапазонів довжин хвиль окремо потрібен додатковий крок за межі того, що було викладено вище. Для виконання цього кроку використовуються різного роду технології, найпростіша з яких спирається на променевий розгалужувач. Розгалужувач променя можна розглядати як різновид фантазії призми, яка перенаправляє електромагнітне випромінювання в певному діапазоні довжин хвиль в одному напрямку, дозволяючи випромінюванню з іншими довжинами хвиль рухатися безперешкодно. Потім кілька окремих датчиків можуть бути розміщені у відповідних місцях датчика зображення, причому ПЗС призначений для отримання даних для «червоної» смуги, що знаходиться там, де розгалужувач променя перенаправляє випромінювання з довжинами хвиль між 600 і 700 нм (як правило, вважається «червоним» світлом), і так далі для кожної окремої людини ПЗС. Інші технології, ніж розгалужувачі променя, використовуються, кожен з яких виконує ту ж основну задачу, дозволяючи випромінювання з різними довжинами хвиль реєструватися окремо.

19: Ідея променевого розгалужувача. Випромінювання надходить від джерела, а фотони перенаправляються відповідно до їх довжини хвилі. Потім можна розташувати три ПЗС для вимірювання інтенсивності червоного, зеленого та синього світла окремо. Призма кольороподілу Діка Ліона, Wikimedia Commons, публічне надбання.

Примітка: Для простоти ми використовували традиційну «камеру» як модель для пояснення того, як пасивні оптичні датчики виявляють та вимірюють вхідне електромагнітне випромінювання. Хоча традиційні кадрові камери все ще є інструментом вибору в галузі аерофотозйомки, а у зростаючій галузі дистанційного зондування на основі безпілотників, пасивні оптичні датчики на борту супутників приймають одну з двох інших форм: сканери віника або віника. Деталі цих систем виявлення виходять за рамки цих приміток, але основна інформація представлена тут:

• Сканер push-motle виготовляється з серії одновимірних ПЗС, кожен, як правило, складається з декількох тисяч окремих детекторів в одному ряду. Кожна ПЗС ретельно розміщується в приладі, «після» розгалужувача, для запису випромінювання в тому, що стає однією смугою, більш-менш, як показано на малюнку 19. Прилад не має затвора, скоріше ПЗС записують вхідне випромінювання з дуже широкої і вузької лінії на Землі, що досягає з одного боку субоорбітального валка до іншого. Ці вимірювання стають однією лінією (рядком) на супутниковому знімку. У міру руху супутника по своїй орбіті реєструється інша лінія, потім інша, і інша, поки не будуть виміряні тисячі ліній. Потім всі вони збираються разом, щоб сформувати образ.
• Сканер віника спирається на обертове дзеркало сканування для направлення випромінювання з різних частин поверхні Землі на меншу кількість ПЗС. Положення дзеркала в будь-який момент часу можна використовувати для обчислення напрямку, з якого вимірюване випромінювання надійшло на датчик. Такі вимірювання, з відповідною геолокаційною інформацією, проводяться в швидкій послідовності і в кінцевому підсумку складаються як зображення.