Diaľkový prieskum Zeme Fyzikálne základy DPZ 2

Michal Gallay

michal.gallay@upjs.sk

Univerzita Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach

Prírodovedecká fakulta

Ústav geografie

• EMŽ sa vo vákuu šíri bez zmeny a konštantnou rýchlosťou. • EMŽ zo Slnka sa šíri k Zemi cez atmosféru, ktorá mení:

• rýchlosť šírenia • vlnovú dĺžku • intenzitu žiarenia • spektrálny rozsah • smer šírenia

Interakcia EMŽ s prostredím

Interakcia EMŽ s prostredím

• V homogénnom prostredí sa EMŽ šíri rovnomerne. • V dôsledku zmeny charakteru prostredia je EMŽ:

• prepustené (transmitted) • odrazené (reflected) • pohltené/absorbované (absorbed) • vzniká sekundárne žiarenie

Rozptyl elektromagnetického žiarenia

Rozptyl na rozdiel od odrazu má nepredvídateľný smer šírenia EMŽ. Tri typy rozptylu EMŽ: • Rayleigh-ov, • Mie-ho, • neselektívny

Rozptyl v atmosfére

- atmosféra – faktor DPZ

- nie je homogénna – rozptyl, odraz, absorpcia

- podľa podielu veľkosti častice a vlnovej dĺžky

- rozptyl Rayleigh r (molekuly plynov)

- rozptyl Mie r (pevné a kvapalné častice)

- molekuly plynov v atmosfére – stále : N2, O2, Ar, CO2, CH4

- premenlivé O3, H2O, HNO3, H2S, SO2

Rozptyl žiarenia v atmosfére

Typ rozptyľovania EMŽ je funkciou: • vlnovej dĺžky dopadajúceho EMŽ, • veľkosťou častíc plynov, prachu, a

vodnej pary.

Jensen 2007

Rozvrstvenie atmosféry a typy molekúl/častíc v jednotlivých vrstvách. Major subdivisions of the atmosphere and the types of molecules and aerosols found in each layer.

Jensen 2007

Zloženie atmosféry

• Vzniká na časticiach hmoty s priemerom mnohokrát menším ako vlnová dĺžka dopadajúceho žiarenia (obyčajne molekuly vzdušných plynov). Pomenované je po anglickom fyzikovi, kt. ho prvý vysvetlil.

• Všetok rozptyl vzniká skrz absorpciu a reemisiu EM žiarenia atómami alebo molekulami, ako to bolo opísané v kvantovom modeli žiarenia.

• Je preto nemožné predpovedať smer, v ktorom špecifický atóm alebo molekula vyžiari fotón, preto pomenovanie rozptyl.

Rayleigho rozptyl

Intenzita Rayleigho rozptylu je nepriamo-úmerná

štvrtej mocnine vlnovej dĺžky (-4).

- napr. modré svetlo (0.4 m) je rozptyľované

16-krát viac ako blízke infračervené svetlo

(0.8 m).

- Je príčinou modrej oblohy na poludnie a

červenej pri východe a západe Slnka.

Jensen 2007

Rayleigho rozptyl

Rayleigho rozptyl

Vďaka Rayleighovmu rozptylu možno

pozorovať lúč laserového zeleného svetla,

kt. má inak pri výstupe zo zdroja minimálny

rozptyl (lúče sú takmer rovnobežné).

Prečo je to tak?

Mieho rozptyl

• Mieho rozptyl vzniká najmä na guľovitých časticiach s priemerom približne

rovnakým ako vlnová dĺžka EMŽ.

• V prípade viditeľného svetla sú hlavnými rozptyľujúcimi časticami vodná

para, prach, dym (rádovo desatiny mikrometrov až mikrometre).

• Množstvo rozptýleného žiarenia je väčšie ako pre Rayleigho rozptyl a

vlnové dĺžky rozptýleného EMŽ sú dlhšie.

• Znečistenie atmosféry tiež prispieva k pekným západom a východom

Slnka. Čím väčšie je množstvo dymu tým väčšmi je modré až fialové svetlo

rozptýlené a naše oči vidia iba oranžové až červené svetlo s dlhšou

vlnovou dĺžkou.

Neselektívny rozptyl

• neselektívny rozptyl vzniká na časticiach

oveľa väčších ako je vlnová dĺžka

dopadajúceho EMŽ.

• Rovnomerne sa odráža EMŽ všetkých

vlnových dĺžok (neselektívne).

• Najmä vodné kvapky rozptyľujú svetlo

rovnakým spôsobom a preto sa oblaky

javia bielo (zmiešaním všetkých farieb s

rovnakou intenzitou vznikne biela).

• neselektívny rozptyl môže brániť

snímaniu, keďže obraz stráca kontrast, a

tak je náročné rozlíšiť objekty jeden od

druhého.

Neselektívny rozptyl a korekcia obrazu

*Zhang, Y., Guindon, B., and Cihlar, J., "An image transform to characterize and compensate for spatial variations in thin

cloud contamination of Landsat images", Remote Sensing of Environment, Vol. 82, 173-187 (2002).

Odrazivosť E

M

E – energia

M - intenzita odrazeného žiarenia

odrazivosť (reflexia)

E

M

teleso

Vlastnosti hmoty v súvislosti s interakciou EMŽ

E

M

E – energia

M - intenzita pohlteného žiarenia

pohltenie (absorpcia) E

M

teleso

Pohltenie (absorpcia) Vlastnosti hmoty v súvislosti s interakciou EMŽ

M

E – energia

M - intenzita prepusteného žiarenia

priepustnosť (transmisia) E

M

teleso

E

Priepustnosť Vlastnosti hmoty v súvislosti s interakciou EMŽ

Celková energia

• E = M + M + M

+ + = 1

• resp. ak koeficient priepustnosti atmosféry = 0,

potom + = 1

• množstvo odrazeného, prejdeného, pohlteného EMŽ pre objekty

a stavy objektov rôzne

• delenie odrazu závislé:

- od hlavného smeru žiarenia

- podielu priameho slnečného žiarenia a difúzneho žiarenia

- od odrazivosti a tvaru objektov

Povrchy objektov z hľadiska odrazivosti

Difúzny povrch

- do všetkých smerov rovnako

- piesok, čerstvý sneh

Zrkadlový povrch

- maximum v smere odrazu

- ľad, skalné bloky

Povrchy objektov z hľadiska odrazivosti

Kombinovaný povrch

- 2 maximá

- hustosiate obilniny

Povrchy objektov z hľadiska odrazivosti

Ryhovaný povrch

- odrazivosť v smere dopadu

- rôzne typy vegetačného krytu

Povrchy objektov z hľadiska odrazivosti

Meranie koeficientu odrazivosti - experimentálne – v presnom čase

- graf/krivka spektrálneho koeficientu odrazivosti

- objekty – typické prejavy odrazu

- npr. v oblasti VŽ rovnaké,

IČ rozdiely

Odrazivosť zelenej vegetácie - ovplyvňovaná fenologickým a fyziologickým stavom

- odrazovými vlastnosťami listov

- polohou listových častí

- vertikálnym členením porastu

- druhovým zložením

- miešaním porastu

Krivka odrazivosti zelenej vegetácie

- 3 časti – A, B, C

Vegetačný index (VI, NDVI)

- vegetácia – nárast v pásme IČ

- rozdiel odrazivostinosti IČ a VŽ

- I

680800

680800

RR

RRI

- poškodenie vegetácie – zmenšenie obsahu chlorofylu v listoch

- zmenšenie pohltenia chlorofylom

- IČ – lepšie rozlíšenie – ubúda vody

Vegetation appears very different at visible and near-infrared wavelengths. In visible light

(top), vegetated areas are very dark, almost black, while desert regions (like the Sahara) are

light. At near-infrared wavelengths, the vegetation is brighter and deserts are about the

same. By comparing visible and infrared light, scientists measure the relative amount of

vegetation. (The variation in shade is more apparent in the detail of the U.S. West Coast).

Normalized difference vegetation index (NDVI)

http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=8622

http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=8622

Normalized difference vegetation index (NDVI)

One method of mapping the difference in vegetation amounts around the world is a measurement known as the

Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). This image shows NDVI from November 1, 2007, to December

1, 2007, during autumn in the Northern Hemisphere. This monthly average is based on observations from the

Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) on NASA’s Terra satellite.

Odrazivosť vody - čistá voda – odraz len VŽ

- IČ – čistá voda = 0, voda ako čierna

- rast zakalenia – stúpa odrazivoť

Pohltenie / Absorpcia

• absorpcia EMŽ je proces, v ktorom je vyžiarená EM energia pohltená a premenená na iný druh energie. Absorpčné pásmo je rozsah vlnových dĺžok (alebo frekvencií) v ktorých je EM spektrum v rámci vyžarovanej energie pohltené hmotnými časticami ako H2O, CO2, O2, O3, N2O). • The cumulative effect of the absorption by the various constituents can cause the atmosphere to close down in certain regions of the spectrum. This is bad for remote sensing because no energy is available to be sensed.

Atmosferické okná, absorbčné pásma

Jensen 2007

window

Atmosferické okná, absorbčné pásma

- EMŽ < 0,3 m - pohltenie O3

- 0,3- 1,1 m – dobrá prepustnosť 90%

- pre DPZ a fotogrametriu

- 1,1- 13 m – prepustnosť 50%

Okno:

č.1,2 a 3 - slnečné 0,3-1,3 m, 1,5-1,8 m, 2,0-2,6 m

č.4 a 5 - žiarenie Zeme 3,0-3,6 m, 4,2-5,0 m

č.6 - termálne IČ 7,0-15,0 m

č.7 - radar 0,5 mm - 1 m