Раздел 01 из 05

Физические основы дистанционного зондирования

Электромагнитный спектр и его геологическое использование, взаимодействие излучения с веществом, атмосферная коррекция и геометрическая привязка снимков.

Прогресс курса
20%

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.

0.4–0.7 мкм
Видимый диапазон. Цвет пород, растительности
0.7–2.5 мкм
Ближний и средний ИК. Минералогия, гидротермалиты
8–14 мкм
Тепловой ИК. Температура поверхности, вулканизм
1–30 см
Микроволны (SAR). Рельеф, деформации, влажность
Важно

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.

ρ(λ) + α(λ) + τ(λ) = 1
где ρ — коэффициент отражения, α — поглощения, τ — пропускания

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.

Известняк
70–80%
Высокое отражение в видимом и SWIR. Полоса CO₃ при 2.33 мкм
Базальт
5–15%
Тёмная поверхность — низкое отражение. Поглощение Fe²⁺ пироксенов
Гранит
40–65%
Умеренное отражение. Характерны особенности полевых шпатов в SWIR

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.

Методы коррекции

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.
Требование к точности

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.

Ключевые понятия

DN
Цифровое число (Digital Number) — исходное значение пикселя
TOA
Top-of-Atmosphere — отражательная способность на верхней границе атмосферы
BOA
Bottom-of-Atmosphere / Surface Reflectance — после атм. коррекции
IFOV
Мгновенное поле зрения — угловой размер одного пикселя на орбите