Электромагнитный спектр
Дистанционное зондирование основано на регистрации электромагнитного (ЭМ) излучения, взаимодействующего с объектами земной поверхности. В зависимости от используемого диапазона длин волн существенно различаются физические механизмы взаимодействия, типы применяемых сенсоров и геологическая информативность данных.
Геологические приложения дистанционного зондирования наиболее информативны в диапазонах SWIR (1.6–2.5 мкм), где проявляются полосы поглощения силикатов, карбонатов, гидроксилов и оксидов железа.
Взаимодействие ЭМ излучения с веществом
При падении электромагнитного излучения на вещество происходит его отражение, поглощение и пропускание. Соотношение этих компонентов определяется химическим составом, физическим состоянием поверхности и длиной волны излучения.
Для большинства горных пород и почв пропускание τ ≈ 0, поэтому основная информация заключена в спектральной отражательной способности ρ(λ). Именно её регистрируют оптические спутниковые сенсоры.
Основные механизмы поглощения
- Электронные переходы — поглощение Fe²⁺, Fe³⁺ в видимом и ближнем ИК. Определяет окраску железосодержащих пород: гётита, гематита, лимонита.
- Колебательные переходы молекул OH⁻ — характеристические полосы при 1.4 мкм и 2.2–2.35 мкм. Минералы-гидроксиды: каолинит, монтмориллонит, мусковит.
- Колебания CO₃²⁻ — полосы поглощения при 2.33–2.36 мкм. Карбонаты: кальцит, доломит, магнезит.
- Связи Si–O в тепловом ИК (8–12 мкм) — диагностика кварца, полевых шпатов, пироксенов.
Спектральные подписи горных пород
Каждый минерал и тип горной породы обладает уникальным спектральным профилем — спектральной подписью. Сопоставление спектра пикселя снимка с эталонными подписями из библиотек (USGS Spectral Library, ECOSTRESS) позволяет автоматически картировать состав пород.
Атмосферная коррекция
Поступающее к сенсору излучение несёт информацию не только об объектах поверхности, но и об атмосфере: молекулярное рассеяние (Рэлея), рассеяние на аэрозолях, поглощение водяным паром и озоном. Для получения истинных значений отражательной способности поверхности необходима атмосферная коррекция.
DOS (Dark Object Subtraction) — простейший метод вычитания пути рассеяния. FLAASH / ATCOR — физически обоснованные методы на основе переноса излучения. Sen2Cor — стандартная обработка Sentinel-2 (Level-2A).
Окна прозрачности атмосферы
Атмосфера непрозрачна в ряде диапазонов из-за поглощения H₂O и CO₂. Спутниковые сенсоры спроектированы таким образом, чтобы их каналы попадали в окна прозрачности — диапазоны минимального атмосферного влияния: 0.3–1.3 мкм, 1.5–1.8 мкм, 2.0–2.5 мкм, 3.0–4.0 мкм, 8.0–14.0 мкм.
Геометрия снимка и искажения
Спутниковый снимок содержит геометрические искажения, обусловленные орбитальной геометрией, кривизной Земли, рельефом местности и движением платформы. Для точного наложения снимков разных дат и систем необходима геометрическая коррекция и ортотрансформирование.
- Систематические искажения — предсказуемы, исправляются по модели орбиты.
- Несистематические искажения — случайные отклонения, требуют опорных точек (GCP).
- Рельефное смещение — пропорционально высоте объекта и углу наблюдения. Устраняется с ЦМР.
Для геологического картирования в масштабе 1:100 000 допустимая ошибка геометрической привязки не должна превышать 0.5 пикселя сенсора (≤15 м для Landsat 8). При применении InSAR — суборбитальная точность совмещения в доли длины волны.