DZDDPZ1 - Fyzikální základy DPZ (opakování) Doc. Dr. Ing. Jiří Horák Institut geoinformatiky VŠB-TU Ostrava

Transkript

1 DZDDPZ1 - Fyzikální základy DPZ (opakování) Doc. Dr. Ing. Jiří Horák Institut geoinformatiky VŠB-TU Ostrava

2 Elektromagnetické záření Nositelem informace v DPZ je EMZ elmag vlna zvláštní případ elmag pole, kde se periodicky mění velikost intenzity elektrického E a magnetického pole H E a H jsou k sobě kolmé i kolmé ke směru šíření Frekvence ν Perioda oscilace T Vlnová délka λ c T c

3 Radiometrické veličiny - přehled

4 Radiometrické veličiny Základní zkoumaným jevem je interakce elmag.záření se zkoumaným látkovým objektem Informace o průběhu interakce poskytuje energie výsledného záření Q Spektrální radiometrické veličiny s indexem λ nebo ν Zářivá energie Q energie nesená vlnou Q 2 1 Q( ) d t 2 Q dt t 1

5 Zářivý tok, intenzita záření Φ = Zářivý tok vyjadřuje rychlost úbytku nebo přírůstku energie (změnu energie za čas) v daném místě. dq dt E = Intenzita ozařování velikost energie, která ozařuje plochu A M = Intenzita vyzařování velikost energie, která vyzařuje z plochy A Žádné omezení směrem nebo prostorovým úhlem, jde o souhrnnou intenzitu záření, které dopadá/vystupuje na/z plochu A E d da M d da

6 I = zářivost Zářivost je zářivý tok, který vychází z bodu do prostorového úhlu Ω I d d

7 L = záře záře je zářivost určité plochy pozorované pod jistým úhlem. Popisuje závislost na prostorovém úhlu i směru. Lze ji použít k odvození ostatních radiometrických veličin. da θ = da*cos θ = efektivní plocha zářiče (průmět do směru pozorování) L di di dacos da

8 Izotropní záření Ve všech směrech je zář L stejná E=π *L pro poloprostor E I L θ = L cos n n En In Lambertův (kosinový) zákon Sádra, filtrační papír, difuzní (lambertovské) povrchy Za izotropní považujeme i záření z plošně malého zdroje (bodového) Zdroj je bodový, pokud jeho vzdálenost je 20x větší než příčný rozměr (úhlová velikost) Plošný zdroj radiometrické veličiny se určují integrací přes prostorový úhel, odkud záření přichází

9 Elmag spektrum a vznik záření Elmag záření zrychlený nebo zpomalený pohyb nabitých částic Spojité spektrum, obrovský rozsah 20 řádů Kolář

10 Viditelné (0,38-0,72 μm)

11 IČ (0,72-25 μm), submilimetrové vlny (25 μm 1mm), mikrovlnné záření (1mm - m), radiové vlny (VKV, KV, SV, DV), Hertzovy vlny, telefonie

12 reflected infrared: NIR µm SWIR µm LANDSAT 8: Band 6 SWIR µm, Band 7 SWIR µm thermal infrared: Jiné dělení MWIR 3 8 µm LWIR 8 15 µm (long-wavelength) FIR 15 1,000 µm (far)

13 Příčiny vzniku záření Rotační pohyb atomů v molekulách -> TIR, MW Kmitavý pohyb atomů kolem chem. vazeb -> NIR, MIR = pásové spektrum Přechody elektronů mezi orbity -> UV, V, NIR = čarové spektrum Disociace atomů -> kratší vlnové délky než UV

14 Interakce elmag.z. s prostředím Parametry elmag.z. se nemění jen při šíření v homogenním prostředí Jakákoliv nehomogenita způsobí změnu elmag. i geometrických vlastností záření Změny závisí na fyzikálních vlastnostech nehomogenit Dopadající elmag.vlna indukuje na hranici 2 prostředí oscilační pohyb el.nábojů -> vznik sekundární elmag.vlny. Ta se od dopadající liší (intenzita, vlnová délka, polarizace, směr)

15 Odražené záření (sekundární vlna se šíří do stejného prostředí jako dopadající) Pohlcené záření (sekund. vlna se šíří do 2.prostředí a je celá pohlcena, zvýší se vnitřní energie 2.prostředí) Prošlé záření (sekund. vlna se šíří do 2.prostředí a prochází za něj, důsledek malé absorbce a malých rozměrů tělesa) Rozptýlené záření (při malých rozměrech tělesa sekund.vlna mění směr a ohýbá se kolem tělesa) M M M

16 Odrazivost Pohltivost Propustnost M E Poloprostorové veličiny, spektrální Zákon zachování energie M E M M M E 1 M E Pohlcené záření musí být zase vyzářeno: 1 Pokud těleso nepropouští žádné záření: 1

17 Vliv atmosféry Vždy mezi měřící aparaturou a pozorovaným objektem Vliv atmosféry na záření závisí na: Délce dráhy, Velikosti emitovaného signálu Atmosférických podmínkách Vlnové délce Záření je ovlivňováno především: Rozptylem (způsobí vyšší naměřené hodnoty u kratších vlnových délek) Pohlcování (snížení, spíše na delších vlnových délkách) méně - emitované záření (TIR)

18 Kolář

19 Rozptyl v atmosféře Dochází k němu na malých částicích v atmosféře: Molekuly plynu Aerosoly Elektrické pole dopadající vlny na částici způsobí polarizaci, vznikne dipól, který se při oscilaci podél určitého směru chová jako miniaturní anténa, která generuje sekundární elmag. vlnu. Složením primární a sekundární vlny vzniká rozptýlené záření Rayleighový rozptyl (molekulový) Mieový rozptyl (aerosolový) Rayleighový rozptyl pro a<=0,2; a 2r a rozměrový parametr, r průměr částice

20 Průměr částice >> λ, geometrické řešení, odraz Průměr částice << λ, jednoduchý dipól Průměr částice ~ λ, interference primární a sek. vlny

21 Absorpce záření v atmosféře Dopadající záření je absorbováno částicemi a dochází ke zvětšení vnitřní energie Vnitřní energie projevuje se jako rotační a oscilační pohyby atomů a molekul + energie elektronů => nejlépe je pohlcováno záření odpovídající těmto formám vnitřní energie částic atmosféry Pohlcování především plyny Nejsilněji v IR a MW pro rotační a oscilační pohyby molekul = výrazně selektivní jev!

22

23 Kolář

24

25 Hlavní absorpční pásy atmosféry

26 Každé okno má jinou propustnost τ. K větším λ se τ snižuje. I.okno (0,72-0,94) 0,91%; II.okno (0,91-1,13) 0,89%,.., VII.okno (4,3-6,0) 0,31%!

27 Celková propustnost atmosféry Celkový útlum v atmosféře vyjádřen útlumovým koeficientem x délka paprsku v atmosféře z tloušťka atmosféry Bourguerův zákon T(x) je optická tloušťka atmosféry ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( x x x x x x a m cos z x ) ( ) ( x T e x x dx x x T 0 ) ( ) (

28 Spektrální zář objektu na zem.povrchu = zdánlivá zář měřená ve vzdálenosti x L ( x) L Z ( x) L A( x) ( x) L Z (0) L A( x) Přenosová funkce atmosféry P( x) L( x) (0) Změna záře s výškou závisí na záři okolních objektů a na tom, zda převládá v atm. rozptyl nebo absorpce L Z

29 Koeficient záře písku (a) a vody (b) při měření z výšky 250 km(1) a u povrchu (2) Kolář

30 Převládá rozptyl: Záře okolních objektů je větší ->zdánlivá zář objektu s výškou roste Záře okolních objektů je menší ->zdánlivá zář objektu s výškou klesá Převládá absorpce: zdánlivá zář objektu s výškou klesá Nad 3 μm závisí na teplotě atm. podél paprsku

31 Určení přenosové funkce atm. 2 homogenní objekty vedle sebe, předpokládáme stejný stav atm. u nich -> vyloučíme 2 členy popisující atm. v rovnicích L ( x) ( x) L1 (0) L 1 Z A x ( ) L ( x) ( x) L2 (0) L 2 Z A x ( ) Použití vody Použití etalonu (malý objekt v místě pozorování) L e ( x) ( x)( L (0) L (0)) L ( x) e p A L p ( x) ( x) L (0) L ( x) p A

32 Zářivé vlastnosti krajinných objektů Intenzita odraženého/emitovaného záření závisí na elmag. vlastnostech látky Ty závisí na druhu látky, jejím fyzikálním stavu a stavu okolí Druhové parametry = určují příslušnost objektu k druhu. Kvalitativní. Louka, rybník, silnice atd. stavové parametry = popisují stav objektu Kvantitavní, méně kvalitativní Vlhkost, příměsi, výška, stáří, hustota atd. Zářivé vlastnosti daného objektu popisuje jeho spektrální charakteristika (závislost odrazivosti/emisivity na vlnové délce)

33 spektrální charakteristiky Určují se experimentálně Ze vztahu k měřeným stavovým parametrům lze zjistit, která spektrální pásma jsou nejvhodnější pro měření a následující zpracování 2 objekty, které se chovají v 1 pásmu podobně (nelze je rozlišit), mohou mít v jiném pásmu zcela odlišné chování (možnost rozlišení) Jsou časově proměnné, změna v čase může být typická (fytogeneze rostlin) Základní typy povrchu: vegetace, voda, povrch bez vegetace (půdy, horniny, zeminy, antropogenní povrchy)

34 Spektrální odrazivost vody (1), vegetace (2), suché půdy (3) a vlhké půdy (4) Kolář

35 Dobrovolný

36 Dobrovolný

37 Dobrovolný

38 Vegetační indexy Pro vegetaci je typický prudký nárůst odrazivosti při přechodu z Č do BIČ. Vegetační index VI VI R R BIČ Č Normovaný vegetační index NDVI NDVI R BIČ R Č R BIČ R Č

39 Dobrovolný