Тема 14. Дистанційне зондування
Вид заняття: лекція
Час: 4 години
Навчальні питання:
1. Поширення електромагнітного випромінювання крізь атмосферу.
2. Класифікація систем дистанційного зондування.
3. Застосування дистанційного зондування.
Література
1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища. - К.: Світ, 2003.- 288 с.
2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища. - К.: Світ, 2000.- 303 с.
3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.
4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.
1. Поширення електромагнітного випромінювання крізь атмосферу
Електромагнітне випромінювання під час проходження крізь атмосферу зазнає поглинання та розсіювання. Крім того, теплове випромінювання й розсіювання з інших напрямків роблять свій внесок у випромінювання, що реєструється. Отже, вплив атмосфери на електромагнітне випромінювання, що несе інформацію про об’єкт навколишнього середовища, має бути обмеженим.
Поширення γ - випромінювання. На інтенсивність γ-випромінювання, що проходить через атмосферу на систему реєстрації, впливає вологість ґрунту. Збільшення вологості зумовлює послаблення цього випромінювання.
Поширення випромінювання видимої та близької інфрачервоної областей спектра. У видимому діапазоні основним фактором ослаблення оптичного випромінювання є молекули та аерозолі атмосфери.
Основними молекулами атмосфери, здатними поглинати оптичне випромінювання, є водяна пара, двоокис вуглецю, озон, кисень, оксид вуглецю, метан і оксиди азоту. Поглинання відбувається за переходів між коливальними та обертальними рівнями. Крім того, молекули основних компонентів атмосфери - азоту й кисню - внаслідок своєї симетричної структури позбавлені електричного дипольного моменту і не беруть участі в процесі поглинання.
За відсутності опадів атмосфера містить дисперговані тверді та рідкі частинки (льоду, пилу, ароматичних та органічних речовин, біологічних матеріалів), що мають розміри від кількох молекул до 40 мкм. Такі колоїдні системи, в яких газ (у даному випадку - повітря) містить дисперговані частинки, називають аерозолями.
Під час взаємодії оптичного випромінювання з середовищем, внутрішня структура якого неоднорідна, має місце розсіювання випромінювання. Цей процес супроводжується поширенням частини випромінювання в напрямку, що відрізняється від напрямку поширення випромінювання, яке падає. Характер розсіювання оптичного випромінювання залежить від співвідношення між розмірами частинок середовища, які розсіюються, та довжиною світлової хвилі λ. Звичайно в атмосфері середньої прозорості розсіювання на аерозолях домінує, якщо довжина оптичного випромінювання перевищує 0,5 мкм.
Розсіювання Релея виникає за зміщення зв’язаних електронів під впливом електричного поля, що падає на молекулу. Це поле сприяє утворенню диполя, який коливається і посилає електромагнітне випромінювання такої ж частоти. Розсіювання Релея характеризується тим, що інтенсивність розсіяного випромінювання змінюється залежно від четвертого ступеня довжини світлової хвилі. Саме такою залежністю можна пояснити природний блакитний колір неба, який отримується за відбивання сонячного світла від частинок пилу й водяної пари, присутніх в атмосфері. У видимій області спектра є істотна залежність інтенсивності розсіяного випромінювання від довжини хвилі; розсіювання Релея відбувається при d < 0,05λ. В області λ > 1 мкм цим типом розсіювання можна знехтувати.
Розсіювання Мі відбувається на частинках великих розмірів (d > λ) і супроводжується виникненням інтерференції світла, що призводить до появи інтерференційної картини і істотної зміни діаграми кутового розподілу розсіяного світла.
Розсіювання Дебая відповідає проміжному випадку між двома попередніми типами розсіювання - Релея і Мі (0,05 λ < d < λ).
В інфрачервоній області спектра проходження електромагнітного випромінювання обмежене вікнами прозорості атмосфери (λ < 1,1 мкм; 1,2 мкм < λ < 1,3 мкм; 1,5 мкм < λ < 1,7 мкм; 2,0 мкм < λ < 2,3 мкм).
Таким чином, проходження оптичного випромінювання через атмосферу характеризується процесами його поглинання та розсіювання атмосферними молекулами й аерозолями. Під час проходження через атмосферу оптичне випромінювання зазнає ослаблення, що визначається за законом Бера.
Поширення надвисокочастотного (НВЧ) випромінювання. Використання НВЧ області дає можливість спостерігати за земною поверхнею через хмари та опади. Спостереження у вікнах прозорості до 40 ГГц та в інтервалі 80…100 ГГц дають змогу оцінювати з супутників опади.
2. Класифікація систем дистанційного зондування
Збирання, запис і аналіз інформації щодо об’єктів навколишнього середовища на відстані називається дистанційним зондуванням. Методи й техніка дистанційного зондування ґрунтуються на реєстрації поглинутої, відбитої або випромінюваної енергії, що надає специфічних характеристичних ознак основним компонентам біосфери. Розглянемо основні типи систем дистанційного зондування.
Реєстрація γ- випромінювання
Метод ґрунтується на вимірюванні природного короткохвильового (λ < 2 ∙ 10-10 м) γ-випромінювання присутніх у земній корі або в сніговому покриві радіоактивних елементів - природних радіоізотопів 40К, 238U, 208Ti. У звичайному ґрунті 90% γ - випромінювання утворюється в 20-сантиметровому поверхневому шарі.
Фотографічні системи
В основі техніки повітряної фотографії лежить створення на фотоплівці зображень земної поверхні з авіаносіїв та супутників. Звичайно використовують чорно-білі панхроматичні, чорно-білі інфрачервоні, кольорові та кольорові інфрачервоні плівки. Фотографічні системи здатні створювати зображення об’єктів навколишнього середовища з високим рівнем розділення; застосування техніки багато спектральної фотографії дає змогу отримати додаткову специфічну інформацію, на яку меншою мірою впливають температура й вологість навколишнього середовища. Фотографічні системи, що встановлюються на літаках, здатні забезпечити знімки з висоти близько 20 км; розміри площі, яка фотографується, можуть досягати 30 на 50 км2.
Відеографічні системи
Застосування відеокамер дає змогу створювати та записувати зображення у видимій, близькій та середній інфрачервоній областях спектра. Перевагою відео систем є невисока вартість, створення та накопичення послідовних зображень будь-якого процесу. До недоліків цієї техніки можна віднести невисоке просторове розділення.
Багатоспектральні сканери
Принцип дії цих систем полягає в реєстрації спектрального відбивання об’єктами навколишнього середовища на певних спектральних ділянках видимого та інфрачервоного спектра (0,3...14 мкм). Ці ділянки можуть бути або широкими (близько 0,2 мкм), або вузькими (менше 0,01 мкм). Прилади багато спектрального сканування, що встановлюються на супутниках, дають змогу отримати інформацію з роздільною здатністю близько 10 м, скануючи при цьому території розміром 60...185 км. Перевагою багато спектральних сканерів є здатність використовувати вузькі спектральні ділянки й отримувати інформацію в цифровій формі.
Теплові сенсори
Всі матеріали здатні посилати інфрачервоне випромінювання, зумовлене молекулярними коливаннями. Це теплове інфрачервоне випромінювання реєструється за допомогою техніки, схожої на багато спектральне сканування, але в діапазоні 8...14 мкм.
Характер зображення при цьому залежить від температури об’єкта та його випромінювальної здатності. Теплові сенсори, які встановлюються на авіаносіях, що зондують об’єкти на невеликих висотах, забезпечують високу роздільну здатність (близько метра), тоді як на супутниках теплові сенсори розділяють простори розмірами 700...900 м. Сучасні прилади теплового зондування здатні реєструвати різницю температур близько 0,4 К. До недоліків слід віднести вплив метеорологічних умов на результати вимірювань; зондуванню ґрунту піддається лише шар товщиною 2...4 см.
Надвисокочастотні (НВЧ) локатори
Цей тип техніки дистанційного зондування передбачає використання електромагнітних хвиль в області 0,1...2 м (що відповідає частотам від 100 МГц до 50 000 Мгц). НВЧ локаторні системи можуть бути активними (коли об’єкт дослідження опромінюється з подальшою реєстрацією відбитого випромінювання) і пасивними (коли реєструється природне випромінювання об’єкта). Принцип дії дистанційного зондування земної поверхні за допомогою локаторів полягає у вимірюванні її діелектричних властивостей, що значною мірою залежать від вмісту вологи й температури ґрунту, нерівності земної поверхні, рівня снігового покриву, типу рослинних покривів і впливають на відбивальні та випромінювальні параметри, що вимірюються.
НВЧ локація дає змогу визначати положення, рух та природу віддалених об’єктів. Серед основних типів локаторів, що застосовуються при дистанційному зондуванні, слід виділити локатори зображення, вимірювачі розсіяного випромінювання, висотоміри, НВЧ радіометри. Завдяки високій проникності НВЧ випромінювання через хмари та листя локатори здатні створювати зображення земної поверхні в дрібних деталях.
Альтернативним локатору зображення є локатор з синтетичною апертурою (ЛСА).
Принцип дії такого локатора показано на рис. 14.1, де наведено взаємне положення літака з локатором та об’єкта спостереження. В точці 1 об’єкт знаходиться поза діаграмою опромінювання локатора; в точках 2 і 3 об’єкт потрапляє в цю область; в точці 4 він знову зникає з зони спостереження локатора. Тобто об’єкт з’являється в системі реєстрації локатора лише протягом певного проміжку часу. Під час цього проміжку відбитий сигнал заноситься в пам’ять бортового комп’ютера. Всі таким чином записані сигнали дають змогу реконструювати повну картину всіх об’єктів, що опромінювалися локатором з достатньо вузькою апертурою (звідси термін «синтетична апертура»).
Рис. 14.1. Принцип дії локатора з синтетичною апертурою
Слід зауважити, що сигнали локатора, які надсилаються у процесі руху літака, набувають зсуву до високих частот, тоді як сигнали, що посилаються назад, набувають зсуву до низьких частот завдяки допплерівському ефекту. Реєстрація та аналіз цих зсувів дає можливість точно визначати істинне просторове положення наземних об’єктів. Техніка локаторів з синтетичною апертурою достатньо складна й дорога, але її можливості зумовлюють найширше застосування. До переваг локаційних приладів можна віднести високу роздільну здатність, до недоліків - вплив рослинного покриву та нерівності ґрунту на сигнал, що реєструється.
Лазерні системи
Дистанційне зондування на основі лазерів полягає в опромінюванні об’єктів навколишнього середовища та реєстрації відбитого від об’єкта або розсіяного від нього лазерного випромінювання. Прилад для дистанційного зондування компонентів біосфери називають ЛІДАРом (від англійської фрази Light DetectionAnd Ranging). Наведемо основні типи лідарів.
Лідар на основі реєстрації диференційного поглинання
Метод ґрунтується на реалізації істотної залежності коефіцієнта об’ємної екстинкції від довжини світлової хвилі. В основу роботи диференційного лідара покладено принцип опромінювання об’єкта, що контролюється, світлом із різними довжинами хвиль. Випромінювання з однією (λ0) довжиною хвилі, що збігається з лінією поглинання об’єкта (газу чи забруднення), поглинається об’єктом, тоді як випромінювання з іншою (λw) довжиною хвилі, далекою від лінії поглинання, набуває пружного розсіювання (рис. 14.2). Критерієм оцінки забруднення атмосфери є відношення сигналів, що реєструються на обох довжинах хвиль. Лідар такого типу отримав в англомовній літературі назву DIAL(Differential Absorption Lidar) або DAS (Differential Absorption and Scattering).
Рис. 14.2. Принцип дії лідара на основі реєстрації диференційного поглинання
Допплерівський лідар
Суть ефекту Допплера полягає в тому, що при опромінюванні об’єкта, який рухається з швидкістю V, світлом певної довжини хвилі λ відбувається розсіювання світла, причому частота (довжина хвилі) розсіяного світла залежить від швидкості руху об’єкта.
Лідар на основі реєстрації флуоресценції
Багато компонентів атмосфери демонструють здатність флуоресціювати. Методи флуоресцентного лазерного зондування дуже чутливі через малі тиски атмосфери, при яких відсутні зіткнення молекул, що гасять флуоресценцію.
Лідар на основі реєстрації комбінаційного розсіювання
Якщо розсіювання світла речовиною супроводжується помітною зміною частоти світла, що розсіюється, то його називають комбінаційним (абораманівським). Цей тип розсіювання оптичного випромінювання включає втрату або одержання кванта коливальної енергії молекулою. Йдеться про не пружне світлове розсіювання, коли фотон, що падає, має енергію значно більшу, ніж енергія, яку коливальний квант втрачає за збудження молекули; залишок енергії розсіюється як фотон зі зменшеною частотою.
Перевагою методу є те, що спектральні комбінаційні зсуви специфічні для кожної молекули; інтенсивність кожної лінії пропорційна концентрації кожного компонента; вузькі спектральні лінії та комбінаційні зсуви обмежують вплив прямого та розсіяного випромінювання; метод характеризується просторовим і часовим розділенням. Недоліком цього методу дистанційного зондування є малий поперечник розсіювання, що потребує використання потужних лазерів та складних колімаційних систем.
3. Застосування дистанційного зондування
Реєстрація γ - випромінювання дає можливість за допомогою оцінки рівня його послаблення визначати вологість ґрунту, наявність або кількість снігу на поверхні. Недолік методу - обмежене просторове розділення та можливість вимірювань лише на невеликих висотах польоту авіаносія.
Фотографічні та відеографічні системи застосовують для визначення типів та структури ґрунтів, аналізу стану рослинних покривів, спостереження за дренажними системами, оцінки характеру морських поверхонь. Завдяки використанню фотографічних систем можна отримати інформацію щодо просторового розподілу седиментів, характеру ерозійних процесів, викиду забруднень та стічних вод з труб.
Багатоспектральні сканери використовують для аналізу земної поверхні, рослинних покривів, картографії, визначення вологості ґрунту, оцінок рослинної біомаси, снігових покривів, непрохідних просторів, кольору океану.
Теплові сенсори знаходять застосування при визначенні рівня теплового забруднення водойм, оцінок розмірів, температури рослинних покривів та впливу на них зовнішніх факторів, вологості ґрунту, теплових аномалій, температури та стану поверхні водойм, морських течій, льодових та снігових масивів, вулканічної активності, дренажних структур, термічних індустріальних викидів. Широкого застосування набула техніка дистанційного зондування теплового інфрачервоного випромінювання для аналізу ландшафтних екологічних процесів - вимірювання випаровування, евапотранспірації та вологості ґрунту, вивчення характеристик теплового балансу та теплових потоків, оцінки теплообміну між лісовими масивами.
Надвисокочастотні (НВЧ) локатори дають можливість вимірювати характеристики ґрунтів (нерівність, структуру, вологість), рослинних покривів та опадів, оцінювати водні ресурси, стан морської поверхні, прогнозувати наближення цунамі, визначати типи та розміри льодових масивів, аналізувати характер упаковки снігу.
Реєстрація пасивного НВЧ випромінювання застосовується для спостереження за температурним станом земної та морської поверхонь, визначення вологості ґрунту, оцінки розмірів та стану рослинних, льодових та снігових покривів.
Лазерні системи використовують для дистанційного зондування атмосфери, зокрема визначення висоти хмар, дослідження структури й властивостей хмар, вимірювання параметрів вітру, вимірювання вологості й температури повітря, оцінки опадів. Лазерні системи, встановлені на борту авіаносія чи супутника, здатні проводити топографічні вимірювання на земній поверхні, оцінювати рослинні покриви, водяні потоки, ерозійні процеси.
Використання техніки реєстрації розсіювання оптичного випромінювання видимої області спектра лежить в основі аналізу молекул та аерозолів, присутніх в атмосфері.
Лазерний диференційний лідар застосовують для дослідження розподілу забруднень над промисловими підприємствами, визначення озону.
Допплерівський лідар використовують для вимірювання параметрів вітру та опадів.
З точки зору контролю навколишнього середовища перспективними можна вважати застосування флуоресцентної дистанційної спектроскопії для оцінки в атмосфері частинок попелу з підприємств, що використовують вугілля; сполук кальцію та ртуті з плавильних і металургійних заводів, флуоридів, що супроводжують виробництво алюмінію або фосфору; частинок сульфатів, хлоридів, ванадію, миш’яку, оксидів і сульфідів різноманітних елементів.
Лідар на основі комбінаційного розсіювання може бути застосований для визначення наявності та кількісної оцінки атмосферних молекул (Н2О, SO2, СО2CO, NO та ін.). Слід також відзначити можливість досліджень об’єктів, що знаходяться у рідкому стані або містять у собі воду; за допомогою методів спектроскопії комбінаційного розсіювання вимірювати температури поверхні водойм.
В інфрачервоній області спектра домінує поглинання сонячного випромінювання різноманітними газами над розсіюванням. Так, аналіз поглинання в області 4,3 мкм (CO2), 4,5 мкм (N2O) та 13...15 мкм (CO2)використовують для вимірювання температурних профілів; в області 6...7 мкм - для оцінки водяної пари; за станом земної поверхні доцільно проводити спостереження в широкій області 8...12,5 мкм.
Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»