Физические основы дистанционного зондирования

Обработка и визуализация объектов на космических изображениях средствами пакета Contour

Оглавление

 

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Физические основы дистанционного зондирования

1.2 Сегментация изображений

1.3 Основы теории цвета

1.4 Растровая и векторная графика

2. Методика эксперимента

3. Экспериментальные результаты

Выводы

Список литературы

Введение

 

В последнее десятилетие для России важное значение приобрели спутниковые методы исследования ее территории. Это связано как с дальнейшим совершенствованием космической техники, так и со свертыванием авиационных и наземных методов мониторинга.

Основные области применения спутникового дистанционного зондирования - получение информации о состоянии окружающей среды и землепользовании, изучение растительных сообществ, оценка урожая сельскохозяйственных культур, оценка последствий стихийных бедствий. Средства дистанционного зондирования эффективны при изучении загрязнения почвы и водоемов, льдов на суше и на воде, и океанологии. Эти средства позволяют получать сведения о состоянии атмосферы, в том числе глобальном масштабе. Данные зондирования поступают в виде растровых изображений земли из космоса. Они и являются моим объектом исследования в данной работе. А предметом исследования - любые аномальные области (вырубки, гари…) на снимках. Обнаружение и обработка таких областей является важным процессом и занимает достаточно большое количество времени и системных ресурсов. В данной работе создано программное обеспечение в качестве одной из разновидностей геоинформационных систем, позволяющей проводить классификацию по цветам, оконтуривать классы и производить тематическую обработку для оптимизации процесса обработки космической информации на снимках при минимальной потере качества. Написанное программное обеспечение позволяет проводить эффективное оконтуривание областей, представлять границы в векторном формате для экспортирования в мировые геоинформационные системы. Результаты данной работы являются актуальными и востребованными в сфере работ наземных служб по контролю растительного покрова Земли.

Литературный обзор

 

Физические основы дистанционного зондирования

 

При дистанционном зондировании Земли из космоса используется оптический диапазон электромагнитных волн и микроволновый участок радиодиапазона. На рис.1.1 представлен оптический диапазон, включающий в себя ультрафиолетовый (УФ) участок спектра, видимый участок - синяя полоса (С), зеленая (З), красная (К); инфракрасный участок (ИК) - ближний ИК (БИК), средний ИК (СИК) и тепловой ИК (ТИК) [1].

 

В пассивных методах зондирования в оптическом диапазоне источниками электромагнитной энергии являются разогретые до достаточно высокой температуры твердые, жидкие, газообразные тела.

При термодинамическом равновесии с окружающей средой все тела с одинаковой температурой Т излучают одинаково (первый закон Кирхгофа).

В состоянии термодинамического равновесия поглощаемая в секунду участком поверхности энергия равна энергии, излучаемой в тот же промежуток времени той же поверхностью (второй закон Кирхгофа).

Интенсивность излучения I в заданном направлении, характеризуемом углом a от нормали к излучающей поверхности абсолютно черного тела, определяется законом Ламберта: I = I ₀ cosa, где I ₀ - интенсивность излучения при a = 0, которая максимальна; при a = 90°, т.е. по касательной к поверхности, интенсивность излучения равна нулю.

По формуле Планка плотность потока мощности, излучаемой в состоянии термодинамического равновесия единицей поверхности абсолютно черного тела с температурой T в интервале длин волн l, l + dl в телесный угол 2p стерадиан (ср)

 

B (l,T) = × × (1.1)

 

Здесь с ₁ = 1, 1911×10⁸ Вт×мкм⁴/м² ср; c ₂ = 14388 мкм×К; Максимум излучения приходится на l = 2898/T мкм.

Полная энергия во всем интервале длин волн описывается формулой Стефана-Больцмана:

 

_¥

ò B (l,T) dl = a ×T⁴, a = 5,67*10^-8 Вт×м - ²×К^-4. (1.2)

⁰

 

При наблюдении Земли из космоса на длине волны короче 2-3 мкм регистрируется энергия Солнца, отраженная и рассеянная поверхностью суши, воды и облаков.

Температура поверхности (фотосферы) Солнца равна 5785 К, максимум излучения приходится на 0,5 мкм. На рис.1.2 приведено распределение энергии в спектре Солнца согласно формуле Планка. Озон, содержащийся в атмосфере в небольшом количестве, сильно поглощает ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче 0,3 мкм, так что при наблюдении Солнца с поверхности Земли отсутствует коротковолновый скат кривой B (l,T) (заштрихован на рис.1.2).

В остальном реальный спектр Солнца мало отличается от рис.1.2.

 

Рис 1.2. Распределение энергии в спектре Солнца согласно закону Планка

 

На длинах волн более 4 мкм собственное тепловое излучение Земли превосходит излучение Солнца. Регистрируя интенсивность теплового излучения Земли из космоса, можно достаточно точно оценивать температуру суши и водной поверхности, которая является важнейшей экологической характеристикой [2].

При регистрации теплового излучения со спутников используется интервал длин волн 10-14 мкм, в котором поглощение в атмосфере невелико. При температуре земной поверхности (облаков), равной минус 50° С, максимум излучения согласно (1.1) приходится на 12 мкм, при 50° С - на 9 мкм.

Если с помощью датчика, установленного на спутнике, измерено значение плотности потока мощности B =B (λ, Т) от некоторого объекта, то из (1.1) получаем: T = λ/ c₂ ln (c₁ /λ⁵B + 1). Определенная по интенсивности В теплового излучения (радиации) температура Т носит название радиационной, в отличие от термодинамической температуры, характеризующей интенсивность теплового движения молекул вещества и измеряемой контактным термометром [3].