1.4: Взаємодія ЕМР з земною атмосферою та поверхнею

Після того, як Сонце створило електромагнітне випромінювання, частина його, яка знайшла свій шлях через вакуум космосу до вершини атмосфери Землі, повинна пройти через атмосферу, відбитися поверхнею Землі, знову пройти через атмосферу на зворотному шляху в космос, а потім прибути до датчик для того, щоб бути записаний. Хоча з полем випромінювання нічого не відбувається, коли воно проходить через порожній простір, відбувається кілька речей, коли воно взаємодіє з земною атмосферою та поверхнею. Саме завдяки цим взаємодіям вимірюване випромінювання в кінцевому підсумку містить інформацію про навколишнє середовище Землі, тому важливо уважніше поглянути на те, що саме відбувається в цих взаємодіях, і як воно впливає на поле випромінювання.

Взаємодія з атмосферою

Взаємодія між електромагнітним випромінюванням і земною атмосферою можна вважати трьома складовими: заломлення, яке змінює напрямок поширення поля випромінювання за рахунок різниць щільності між космічним простором і атмосферою, розсіюючи це змінює напрямок поширення окремих фотонів, коли вони поглинаються і повторно випромінюються газами або аерозолями або іншими атмосферними складовими без зміни довжини хвилі, і поглинання, які перетворюють фотони в вібрації в молекулі, енергія, яка (пізніше) повторно випромінюється як одна або кілька фотони з більшою довжиною хвилі. Кожна буде розглянута більш детально нижче.

заломлення

Рефракція - це вигин (і уповільнення) напрямку поширення електромагнітного випромінювання при його переміщенні між двома середовищами з різною щільністю. Це відбувається, коли випромінювання надходить з космосу (щільність ≈0) і потрапляє в атмосферу (щільність >0). Кут, під яким змінюється напрямок поширення, визначається показниками заломлення двох середовищ. Показник заломлення середовища (n) визначається як відношення швидкості електромагнітного випромінювання у вакуумі (c) до аналогічної швидкості в середовищі (c _n): n=c/c _n. Показник заломлення стандартної атмосфери становить 1,0003, тоді як показник заломлення води - 1,33. Використовуючи показники заломлення двох середовищ, величину заломлення можна визначити за Законом Снелла: n ₁ * Sinθ ₁ = n ₂ * sInθ ₂.

де n - показники заломлення двох середовищ і θ - кути, при яких напрямок поширення перетинає нормаль поверхні, що розділяє два середовища (рис. 22). Рефракція рідко є актуальним фактором у практичному використанні даних дистанційного зондування. Його єдиний важливий вплив стосується географічної прив'язки зображень, зібраних, коли Сонце знаходиться близько до горизонту, і це проблема, яка майже завжди вирішується постачальником зображень. Однією з важливих ситуацій, в якій заломлення є важливим і його слід враховувати, є те, коли аналітик зображень повинен точно геолокувати підводні об'єкти (наприклад, особливості на морському дні в прибережних районах).

22: Рефракція відповідно до закону Снелла. Хоча це зображення ілюструє заломлення світла, що проходить від повітря до скла, той же принцип застосовується і до інтерфейсу повітря-вода. Приклад закону Снеллс від RJHall, Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0 AT.

Розсіювання

Одним з двох інших процесів, що впливають на електромагнітне випромінювання при проходженні через атмосферу, є розсіювання. Розсіювання відбувається, коли фотон взаємодіє з чимось в атмосфері, що змушує його змінювати напрямок. Залежно від розміру об'єкта, з яким взаємодіє фотон, розпізнаються два різних типу розсіювання. Розсіювання Релея відбувається, коли об'єкт набагато менше довжини хвилі випромінювання. У випадку сонячного світла і атмосфери Землі це означає, що розсіювання Релея викликається атмосферними газами, такими як N ₂, O ₂, CO ₂ і т.д. розсіювання Mie відбувається, коли об'єкт за розміром схожий на довжину хвилі випромінювання, а це означає, що це викликані аерозолями, такими як дим і частинки пилу. Додаткове розсіювання може статися, якщо випромінювання взаємодіє з частинками, більшими за розміром, ніж його довжина хвилі, такими як краплі води або частинки піску.

Хоча заломлення передбачуване і може бути визначено законом Снелла, розсіювання є за своєю суттю стохастичним процесом: те, що відбувається з окремим фотоном, коли він проходить через атмосферу, є абсолютно непередбачуваним, включаючи те, чи відчуває він якесь розсіювання, і якщо так, в якому напрямку він знаходиться. допущений в. Однак величина і напрямок розсіювання, що відбувається в середньому до багатьох фотонів у полі випромінювання, передбачувані.

Розсіювання Релея

Факт, який має велике значення для дистанційного зондування Землі, полягає в тому, що величина розсіювання Релея обернено пов'язана з ^4-й потужністю довжини хвилі випромінювання. Іншими словами, випромінювання з більш короткими довжинами хвиль розсіюється набагато більше за допомогою розсіювання Релея, ніж випромінювання на довших довжині хвиль. У видимих довжині хвиль це означає, що синє світло розсіюється більше, ніж зелене світло, яке, в свою чергу, розсіюється більше, ніж червоне світло. Це процес, який змушує океани Землі виглядати блакитними, якщо дивитися з космосу. Що відбувається, так це те, що над дуже темними поверхнями Землі, такими як океани, більшість випромінювання, що досягає поверхні Землі, поглинається, а не відбивається нею. Те, що видно з космосу, - це не випромінювання, відбите поверхнею, а, скоріше, випромінювання, що розсіюється зсередини атмосфери. Оскільки сині довжини хвиль є найбільш сильно розсіяними через розсіювання Релея, це розсіяне випромінювання в цілому виглядає синім (рис. 23). Інший ефект розсіювання Релея полягає в тому, що незалежно від того, що знаходиться на поверхні Землі, космічний датчик виявить значну кількість синього світла, що надходить із системи Земля-Аммосфера. Це може бути проблемою, оскільки «синій сигнал» утворює атмосферу, переповнює варіації «синього відбиття» на поверхні. Але це також може бути перевагою, оскільки вимірювання в синіх довжині хвиль можуть допомогти оцінити силу розсіювання Релея по видимому та інфрачервоному спектру, що, в свою чергу, може бути виправлено. Це є основою для «аерозольного» діапазону, який був включений на Landsat 8 OLI (але не був знайдений на приладах попередника), на Sentinel-2, а також на датчиках WorldView-2 і -3.

23: Земля з космосу. Блакитний мармур (глобус на захід) Рето Stöckli, Видима Земля (NASA), Політика використання зображень видимої Землі.

Хоча будь-яке розсіювання в атмосфері є джерелом шуму (для тих, хто зацікавлений у використанні супутникових знімків для характеристики поверхні Землі), розсіювання Релея є відносно доброякісним джерелом шуму, оскільки його залежність довжини хвилі робить його значною мірою передбачуваним, і тому, що гази, відповідальні за це мають тенденцію мати стабільні концентрації в просторі та часі. Таким чином, розсіювання Релея не є джерелом великої невизначеності для більшості застосувань дистанційного зондування.

Mie розсіювання

Ми розсіювання, тому що його міцність і довжина хвилі залежність залежить від типу і щільності частинок, які викликають це відбувається, істотно змінюється через час і простір. Як результат, це одна з найважливіших причин невизначеності в дистанційному зондуванні, особливо при використанні супутникових даних для дослідження темних ділянок земної поверхні, від яких кількість відбитого випромінювання невелика щодо загального сигналу від атмосферного розсіювання. З тієї ж причини важко узагальнити його важливість, але загалом сила розсіювання Міі перевищує силу розсіювання Релея, і хоча вона все ще зменшується зі збільшенням довжини хвилі, його вплив поширюється далі в інфрачервоний спектр. Оскільки розсіювання Міе спричинено атмосферними частинками, воно часто різко збільшується під час пилових бур, лісових пожеж або інших подій, які спричинили збільшення атмосферного аерозольного навантаження. Один з таких прикладів видно на малюнку 24.

24: Значно збільшилося розсіювання Mie, спричинене лісовими пожежами в Австралії, 2009. Димові хмари Уоррена, Flickr, CC BY-NC-SA 2.0.

Поглинання

Останнє важливе, що відбувається з електромагнітним випромінюванням, коли воно проходить через атмосферу, - це те, що воно частково поглинається атмосферними газами (переважно H ₂ O, CO ₂ і O ₃). Хоча енергія, що поглинається, в кінцевому підсумку повторно випромінюється цими молекулами газу, повторне випромінювання відбувається на довжині хвиль, як правило, поза спектром, що розглядається в оптичному дистанційному зондуванні (але що може бути важливим для теплового дистанційного зондування), тому для практичних цілей поглинені фотони можна вважати зниклими, коли поглинається. Сила поглинання сильно залежить від довжини хвилі, оскільки це відбувається найлегше, коли випромінювання має довжину хвилі (частоту), подібну до резонансної частоти газу, що робить поглинання, що, в свою чергу, залежить від його атомної або молекулярної структури. Наприклад, завдяки своїй молекулярній структурі, O ₂ особливо добре поглинає електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль близько 760 нм, але не при 750 або 770 нм. Подібні довжини хвиль існують, при яких інші гази ефективні або не поглинають ЕМР, і в поєднанні атмосферні гази пропускають деякі довжини хвиль через атмосферу майже без поглинання, тоді як інші довжини хвиль майже повністю поглинаються, перш ніж вони досягнуть поверхні Землі (рис. 25). і рис. 26). Як особливо зрозуміло на малюнку 26, водяна пара відповідає за більшу частину загального газоподібного поглинання ЕМР в атмосфері, в тому числі у видимому спектрі (не чітко показано на цьому малюнку). Це важлива проблема для дистанційного зондування, оскільки, хоча концентрації інших газів є відносно стабільними у часі та просторі, концентрація водяної пари сильно змінюється через час (вологі проти сухі дні) та через простір (суха арктика проти вологих тропічних).

25: Атмосферна непрозорість по довжині хвилі по всьому електромагнітному спектру. Атмосферний електромагнітний коефіцієнт пропускання або непрозорість Edwtie, створений NASA, Wikimedia Commons, загальнодоступне

Малюнок 25, але охоплює більш широкий діапазон довжин хвиль і показує, які гази в основному відповідають за поглинання на якій довжині хвилі. Атмосферна передача по цефейдену, Вікісховище, CC0 1.0.

Взаємодія з поверхнею

Частина радіаційного поля, яка пройшла через атмосферу, не поглинаючись і не розсіюючись назад у бік космосу, тепер досягає поверхні Землі. Для будь-якої довжини хвилі, яка має відношення до дистанційного зондування, з кожним окремим фотоном тепер може статися лише одна з двох речей - вона може бути поглинена поверхнею Землі або відображатися назад у бік космосу. Імовірність відбиття, а не поглинання, називається коефіцієнтом відбиття поверхні, і це залежить від матеріалу на поверхні, а також довжини хвилі вхідного випромінювання. Кожен поверхневий матеріал має унікальну «підпис», яка визначає, яка частка випромінювання відбивається для кожної довжини хвилі. Наприклад, вода відображає невелику кількість синіх і зелених довжин хвиль (як правило, близько 5% - 10% залежно від каламутності), менше червоних довжин хвиль і майже нічого в інфрачервоних довжині хвиль. Рослинність, з іншого боку, відбивається близько половини всього вхідного інфрачервоного випромінювання, за винятком конкретних довжин хвиль, які ефективно поглинаються рідкою водою в листі. Ці спектральні сигнатури зазвичай зображуються у вигляді графіків, з довжинами хвиль вздовж осі x та коефіцієнтом відбиття вздовж осі y (як на малюнку 27).

27: Спектральні сигнатури широко визначених поширених типів матеріалів поверхні Землі. Відбиття води, ґрунту та рослинності на різних довжині хвиль науковою освітою через спостереження Землі для середніх шкіл (SEOS), CC BY-NC-SA 2.0.

Спектральні сигнатури - це те, що дозволяє нам розрізняти різні матеріали на поверхні Землі, коли ми дивимось на супутникове зображення. Як показано на малюнку 27, вода має майже нульовий коефіцієнт відбиття на довжині хвиль більше 0,7 мкм (700 нм), тоді як грунт і зелена рослинність мають відбивні коефіцієнти близько 40% при 1,3 мкм. Вимірювання кількості випромінювання, відбитого від системи Земля-Атмосфера на 1,3 мкм, таким чином, буде особливо корисним для диференціації води від двох типів земної поверхні. Аналогічно вимірювання на довжині хвиль близько 1,4 мкм (де рідка вода в рослинності є сильним поглиначем) або 1,9 мкм (однакові) можуть бути ефективними для диференціації ґрунту та зеленої рослинності.

Як більш детальний приклад, спектральні сигнатури були ефективними для великомасштабних геологічних вишукувань/розвідки, оскільки різні корисні копалини (які можуть бути характерними для різних підповерхневих умов) можуть бути ідентифіковані за їх унікальними спектральними сигнатурами (рис. 28).

28: Приклади спектральних сигнатур мінералів. ЙОГО КАМЕНІ LWIR від Ааппо Рооса, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Частина радіаційного поля, яка відбивається земною поверхнею, повинна природним чином пройти шлях назад через атмосферу, з супутнім заломленням, розсіюванням і поглинанням, перш ніж його можна буде виміряти будь-яким космічним датчиком. Хоча є багато відносних переваг і недоліків повітряних проти космічних датчиків, здатність повітряних датчиків вимірювати відбите поле EMR, перш ніж йому довелося пройти через атмосферу вдруге, є однією явною перевагою.

Атмосферна корекція

Якщо ви не є вченим з атмосфери, взаємодія між полем електромагнітного випромінювання та поверхнею Землі є однією важливою справою, яка вас цікавить у дистанційному зондуванні, тому що саме це дозволяє використовувати виміряне випромінювання, щоб зробити висновок про стан поверхні Землі. — чи покрита вона водою чи землею, з яких мінералів складається поверхня, наскільки здорова рослинність, або скільки осаду у воді. Той факт, що взаємодія також відбувається між полем ЕМР і атмосферою, і що ці взаємодії впливають на інтенсивність випромінювання, виміряну датчиком на різних довжині хвиль, є важливим джерелом шуму. Однією з великих і складних проблем у дистанційному зондуванні, таким чином, є виправлення впливу атмосфери на вимірюване випромінювання, перетворюючи таким чином наші вимірювання з опису системи Земля-Атмосфера до опису лише поверхні Землі. Цей процес називається атмосферної корекцією. У практичному плані атмосферна корекція зазвичай використовується для перетворення оцінки сяйва ТОА або коефіцієнта відбиття ТОА в оцінку коефіцієнта відбиття поверхні. Це перетворення є важливим, оскільки дозволяє проводити прямі порівняння між коефіцієнтами відбиття, що спостерігаються в різних діапазонах для пікселя, та спектральними сигнатурами, виміряними на Землі, такими як на малюнку 27 та малюнку 28.

Існують різні підходи до атмосферної корекції, починаючи від самого простого і закінчуючи дуже складним. Найпростіший підхід полягає в тому, щоб використовувати припущення, що десь на зображенні, яке ви хочете виконати атмосферну корекцію, є піксель, який повністю, ідеально, чорний, по смугах, доступних на зображенні. Це називається «припущенням темних пікселів». Строго кажучи, це не повинен бути один піксель, можна також припустити, що принаймні один піксель має нульовий коефіцієнт відбиття в смузі 1, один піксель (може бути, той самий піксель, може бути інший) має нульову відбивну здатність у смузі 2 тощо. Припускаючи, що це вірно, для кожної смуги піксель на зображенні з найменшою кількістю сяйва, виміряного від нього (тобто з найменшим значенням DN), повинен бути пікселем нульового відбиття, і будь-яке сяйво вимірюється, як виходить від нього, повинно виникати внаслідок розсіювання в атмосфері (тому що якщо воно дістався до поверхні Землі (вона б поглинулася нею). Таким чином, гіпотетичний піксель нульового відбиття може дати оцінку першого порядку того, скільки сяйва походить від розсіювання в атмосфері. Крім того, припускаючи, що ця кількість є постійною у всьому зображенні, «атмосферний внесок» можна відняти від усіх пікселів, залишаючи лише те, що відбилося поверхнею, що називається «поверхневим внеском». Звичайно, припущення про існування ідеально чорного пікселя на зображенні може бути неправдою, і атмосферний внесок також може бути не скрізь однаковим, але як метод, який можна застосувати, не маючи жодних фактичних знань про стан атмосфери, коли зображення було придбано, він не є поганий метод.

Метод «темний піксель» є прикладом того, що називають іміджевими методами атмосферної корекції. Інші такі методи роблять інші припущення, такі як наявність густої темної рослинності з типовими спектральними характеристиками або наявність діапазону типів поверхні з відомими спектральними сигнатурами. Ці методи працюють досить добре, коли їх припущення виконуються, але можуть ефектно зазнати невдачі, коли їх немає.

Більш складні методи спираються на певну форму інформації про стан атмосфери в момент отримання зображення, як правило, кількість і тип аерозолів і кількість водяної пари. За допомогою цієї інформації числові моделі, які кількісно оцінюють розсіювання та поглинання і, таким чином, передачу випромінювання різної довжини хвиль через атмосферу, можуть бути використані для моделювання коефіцієнта відбиття поверхні, яка повинна існувати, у поєднанні з відомою атмосферою, для отримання спостережуваного ТОА відбивна здатність. Деякі такі методи не вимагають конкретної інформації про аерозолі та водяну пару, а потрібно сказати їм, якою була видимість у цій місцевості на момент придбання зображення - оскільки видимість зменшується зі збільшенням кількості водяної пари в атмосфері, методи можуть опрацювати воду. випаровуватися і йти звідти. Атмосферна корекція є дуже активною областю досліджень оптичного дистанційного зондування, і сучасні супутникові датчики зазвичай розроблені для включення діапазонів вимірювань, які допомагають у оцінці водяної пари та аерозольного навантаження на основі зображення.

Майже всі методи атмосферної корекції роблять фундаментальне припущення, що атмосфера є рівномірною в межах розглянутого супутникового знімка. Хоча це, очевидно, не зовсім вірно, це часто, але не завжди розумне припущення. Гіперспектральні датчики, які реєструють випромінювання у багатьох, часто сотнях, суміжних смуг, мають здатність оцінювати навантаження водяної пари та аерозолів на основі пікселя, таким чином ефективно картуючи атмосферні компоненти, що сприяють найбільшій невизначеності, після чого відбувається попіксельна атмосферна корекція може застосовуватися.

Важливість атмосферної корекції та оцінки коефіцієнта відбиття поверхні для кожного пікселя полягає не лише в тому, щоб забезпечити порівняння з вимірюваними полем спектральними сигнатурами або ідентифікувати матеріали поверхні Землі. Більш принципово, його важливість обумовлена тим, що відбивна здатність поверхні є фундаментальною фізичною властивістю поверхні, і що на неї не впливають умови освітленості, конструкція датчика, стан атмосфери або будь-який інший фактор, що відрізняються між різними зображеннями однієї і тієї ж площі. Таким чином, для пікселя оцінка коефіцієнта відбиття поверхні безпосередньо порівнянна між зображеннями, зробленими в різний час, з різними датчиками, під різними кутами сонячного зеніту та в умовах сухої або вологої, прозорої або димчастої атмосфери. Це означає, що площа може контролюватися, і за відсутності зміни оцінюваний коефіцієнт відбиття поверхні (по смузі, тобто спектральної сигнатури) не повинен змінюватися - що, в свою чергу, означає, що якщо спектральна сигнатура дійсно змінюється через час, фактична зміна відбувається на поверхні. Таким чином, правильна корекція атмосфери є (за деякими винятками) основою для великого поля застосування дистанційного зондування — виявлення змін.