Дослідження динаміки зростання обсягів природно-заповідного фонду Київської області засобами геоінформаційних систем

 

 

 

 

Таблиця 4.2.1.1

Інтегральні коефіцієнти яскравості ρ

Об'єкт	ρ	Об'єкт	ρ
Луки зелені	0,068-0,07	Ліс хвойний	0,04
Луки випалені	0,14	Мохове болото	0,15
Степ жовтий сухий	0,10	Сніг свіжий	1,00
Посів зелений	0,055	Сніг середньої свіжості	0,90
Посів зрілий	0,15	Сніг, що тане	0,80
Ліс листяний влітку	0,05	Лід річковий	0,35
Ліс листяний восени	0,15	Дорога піщана суха	0,20
Ліс листяний взимку	0,07	Дорога піщана мокра	0,09

 

Для ряду різних типів поверхні значення інтегральних КЯ можуть практично збігатися: наприклад, для зеленого луку - 0,064...0,070 і для моря - 0,068, для випаленого луку - 0,14 і для листяного лісу восени - 0,15.

Надійна ідентифікація таких об'єктів можлива або на основі використання не яркісних, а структурних дешифрувальних ознак,або шляхом використання матеріалів багатозональної зйомки. Можливість ідентифікації об'єктів з подібними інтегральними КЯ за даними багатозональної зйомки обумовлена тією обставиною, що у випадку, коли об'єкти, що ідентифікуються (навіть з подібними КЯ), розрізняються за спектральними залежностями КЯ, це призводить до зміни співвідношень між значеннями зональних КЯ. В даний час накопичений величезний експериментальний матеріал про спектральні залежності КСЯ для різних типів підстиляючих поверхонь,  існують каталоги спектральних відбивних характеристик природних об'єктів [9]. Однак практичне застосування цих каталогів ускладнено, по-перше, у зв'язку з відсутністю уніфікації вимірів КСЯ та іншими методичними труднощами, а по-друге, у зв'язку з тим, що КСЯ ряду природних об'єктів піддаються значним варіаціям, пов'язаним зі зміною їх властивостей і стану.

Залежність відбивних характеристик підстиляючої поверхні від її стану і властивостей спостерігається і для інтегральних значень КЯ. При розгляді спектрів КСЯ така залежність виявляється ще в більшій мірі.

Відбивні характеристики рослинного покриву залежать від таких факторів, як оптичні властивості фітоелементів (листя, стебел, гілок, стовбурів, квітів, плодів), архітектури рослинного покриву (форми, взаємного розташування і орієнтації фітоелементів), коефіцієнт проективного покриття (кількість рослинності на одиницю площі). Дослідженню оптичних властивостей фітоелементів, що впливають на відбивні характеристики рослинного покриву, присвячена безліч робіт, наприклад [5]. Доведено, що основний внесок у формування КСЯ суцільного рослинного покриву вносить відбивання світла листям. Розглянуті спектри поглинання обумовлюють існування у видимому діапазоні двох мінімумів у спектрі КСЯ. Мінімум у спектральному інтервалі 440...470 нм пов'язаний з поглинанням хлорофілом і каротиноїдами, а в інтервалі 640...680 нм - хлорофілом. Між цими мінімумами в спектрі КСЯ листя є максимум, інтенсивність якого залежить, головним чином, від вмісту антоцидів. Зі збільшенням вмісту хлорофілу в листі відбувається зменшення КСЯ в смугах поглинання видимого діапазону, однак при вмісті хлорофілу приблизно 0,02 мг/см2 поглинання світла досягає насичення, і при подальшому збільшенні вмісту хлорофілу КСЯ вже не змінюється.

При зменшенні вмісту води в листі збільшується їх КСЯ у смугах поглинання ближнього ІЧ-діапазону. Це збільшення КСЯ особливо помітно при вологовмісті менш 80%. У видимому діапазоні істотної залежності КСЯ від вологовмісту не виявлено.

Архітектура рослинного покриву впливає, головним чином, на кутовий розподіл висхідного випромінювання. Цей вплив істотний при дистанційному зондуванні з низьких висот, а при ДЗЗ із космосу відіграє другорядну роль. Виключення складає такий елемент архітектури, як кількість шарів листя. Вплив цього фактора призводить до зниження інтегрального КСЯ рослинного покриву в порівнянні з КСЯ листя у видимому діапазоні в 1,5-3 рази внаслідок затінення значної частини листків. У той же час у ближньому ІЧ-діапазоні, де листя напівпрозоре, вплив затінення компенсується додатковим відбиванням від листя нижніх шарів. З цієї причини в спектральному інтервалі 800...1100 нм КСЯ рослинного покриву зростає в порівнянні з КСЯ окремих листків у 1,3-1,7 рази при збільшенні числа шарів листя. В іншому спектральний хід КСЯ суцільного рослинного покриву не відрізняється від характеру КСЯ окремих листків.

При низьких коефіцієнтах проективного покриття m КСЯ рослинного покриву r залежить від спектральних відбивних характеристик ґрунту. У видимому діапазоні ця залежність описується співвідношенням:

ρ = μρ0 + (1 - μ)ρ1 ,

де: r0 - КСЯ суцільного рослинного покриву, а r1 - КСЯ ґрунту. У ближньому ІЧ-діапазоні внаслідок напівпрозорості листя величина r зв'язана з величинами r0 і r1 більш складними залежностями. У роботі [8] показано, що найбільш точно ця залежність описується експонентною функцією виду:

ρ = ρ0 + (ρ0- ρ1)exp(-αm),

де: m - біомаса, а коефіцієнт a залежить від типу рослинності, спектрального діапазону і умов дистанційного зондування. КСЯ ґрунту і листя, у червоній області видимого діапазону КСЯ зменшується зі збільшенням коефіцієнта проективного покриття чи біомаси, а в спектральній області 800...1100 нм, навпроти, зростає.

4.2.2. ІЧ-діапазон

 

На відміну від світлового діапазону в ІЧ–діапазоні при використанні пасивних методів ДЗЗ можлива реєстрація не тільки відбитого сонячного випромінювання, але і власного теплового випромінювання підстиляючої  поверхні і атмосфери.

Зміна відбивної здатності середовища призводить до зміни її випромінювальної здатності, причому випромінювальна здатність збільшується при зменшенні відбивної здатності і навпаки. У випадку, коли електромагнітне випромінювання проникає під поверхню середовища, при розрахунку альбедо необхідно враховувати не тільки відбивання на границі розподілу середовищ, але й об'ємне відбивання середовищем.

Реєструючи в пасивних методах ДЗЗ власне випромінювання середовища можна одержати додаткову інформацію про властивості об'єктів, а також вести спостереження за ними в нічний час, що є одним з істотних переваг використання ІЧ-діапазону. Разом з тим при використанні ІЧ-діапазону зберігається один з головних недоліків оптичного діапазону - неможливість спостереження за об'єктами, закритими хмарами. До недоліків ІЧ-діапазону варто також віднести більш низький в порівнянні з оптичним діапазоном просторовий дозвіл. Як і в оптичному діапазоні, при використанні активних методів зондування в ІЧ–діапазоні застосовують лідарні системи, у яких джерелами випромінювання є лазерні установки, що обмежує можливості використання активних методів при ДЗЗ із космосу.

Спектральні залежності КЯ і коефіцієнта випромінювання рослинного покриву визначаються, як і в оптичному діапазоні, що відповідають коефіцієнтам для окремих фітоелементів, архітектури рослинного покриву і коефіцієнту проективного покриття. Архітектура рослинного покриву впливає головним чином на індикатриси розсіювання і випромінювання рослинного покриву і при ДЗЗ із космосу не вносить істотного внеску у формування реєструємого сигналу.

Основним фактором, що впливає на відбивні і випромінювальні характеристики фітоелементів, є вологовміст. Внаслідок високих значень показника поглинання випромінювання водою в ІЧ-діапазоні для КЯ фітоелементів характерні дуже низькі значення, а для коефіцієнта випромінювання – навпаки, значно більш високі, чим в оптичному діапазоні. Звичайно коефіцієнт випромінювання фітоелементів змінюється в межах 0,95...0,98. При зневодненні рослин КЯ зростає, а коефіцієнт випромінювання може знижуватися до значень 0,88...0,90.

Більш значним фактором, що впливає на інтенсивність власного випромінювання рослинного покриву, є його термодинамічна температура. Спостереження за цим фактором має велике значення для ряду сільськогосподарських і екологічних задач (виявлення захворювань рослин, ураження шкідниками і ін.).

4.2.3. НВЧ–діапазон

 

У НВЧ–діапазоні так само, як і в далекому ІЧ–діапазоні, при використанні методів ДЗЗ можлива реєстрація як відбитого, так і власного випромінювання підстиляючої поверхні. Для реєстрації відбитого випромінювання необхідне застосування активних методів зондування, у яких джерелами випромінювання є радіолокатори різних типів.

У випадку застосування активних методів - інтенсивність відбитого випромінювання, реєструємого радіолокаційною системою, залежить від характеристик радіолокатора, геометричних умов зйомки і властивостей підстиляючої поверхні. Ця залежність описується рівнянням радіолокації для потужності прийнятого сигналу Р [10]:

P=(А/(4pR2)2)s0(l),

де: А - коефіцієнт, обумовлений характеристиками радіолокатора (потужність переданого сигналу, посилення і площа поверхні антени і т.д.); R - відстань до об'єкта зондування; s0 -  питома ефективна площа розсіювання (ПЕПР). Останній множник характеризує властивості відбиваючих поверхонь; він також залежить від довжини хвилі зондувального випромінювання, типу поляризації і кута візування θ.  Властивості відбиваючих поверхонь визначаються ступенем шорсткості поверхні і її діелектричною проникністю. При похилому візуванні, як правило, більш істотний вплив на величину ПЕПР робить шорсткість, оскільки у випадку ідеально гладкої поверхні дзеркально відбите випромінювання потрапляє до прийомної антени тільки при візуванні в надир. Параметр s0 у радіолокації аналогічний КСЯ при зондуванні у світловому діапазоні.

У випадку використання пасивних методів зондування апаратурою ДЗЗ реєструється власне НВЧ-випромінювання поверхні. Як і у випадку реєстрації власного випромінювання у тепловому ІЧ-діапазоні, у НВЧ-діапазоні інтенсивність реєструємого випромінювання визначається термодинамічною температурою поверхні і її випромінювальною здатністю (якщо знехтувати впливом атмосфери). Коефіцієнт випромінювання пов'язаний з коефіцієнтом відбивання поверхні і залежить від діелектричної проникності зондуємого середовища. Як і у випадку ІЧ–діапазона, збільшення коефіцієнта відбивання означає зменшення коефіцієнта випромінювання, і навпаки.

Основним інформаційним параметром при пасивному НВЧ–зондуванні (НВЧ–радіометрії) є радіояркісна температура - Тя, адже у НВЧ–діапазоні з високим ступенем точності виконується умова використання довгохвильової асимптотики закону теплового випромінювання.

В активних методах ДЗЗ зондувальне випромінювання завжди поляризоване, тому для дослідження відбивних характеристик НВЧ–діапазону велике значення мають поляризаційні характеристики підстиляючої поверхні. Залежність коефіцієнта відбивання від діелектричних властивостей поверхні, при  куті візування θ¹0 відрізняється для випромінювань різної поляризації. Коефіцієнти відбивання гладкої поверхні у випадку вертикальної Rв і горизонтальної Rг  поляризації визначаються виразами:

,

 ,

де: e - комплексна діелектрична проникність (ДП) відбиваючого середовища; θ – кут візування.

Випромінювальна здатність і ПЕПР різних об'єктів на підстиляючій поверхні змінюються в значних межах. Діапазон зміни радіояркісної температури підстиляючої поверхні складає 200...300 град.

Вплив різних факторів на ДП фітоелементів рослинного покриву можна описати за допомогою чотирьох компонентної рефракційної моделі: сухий матеріал - вільна вода - зв'язана вода - повітря. В основному діелектричні властивості фітоелементів визначаються ДП вільної води, що міститься в них, тому що для цього компонента значення дійсної частини ДП на порядок, а уявної частини – на два-три порядка вище, ніж для інших компонентів моделі. З підвищенням вмісту вільної води у фітоелементах їх ДП різко зростає. Спектральна залежність ДП практично однакова для різних типів фітоелементів; вона аналогічна спектральній залежності ДП солоної води.

Відбивні і випромінювальні властивості рослинного покриву в основному визначаються діелектричними властивостями фітоелементів.

ПЕПР рослинного покриву, як і ДП його фітоелементів, залежить, у першу чергу, від вологовмісту. Тому що вологовміст пропорційний листовому індексу, збільшення листового індексу також призводить до зменшення ПЕПР. Залежності ПЕПР від вологовмісту і листового індексу апроксимуються логарифмічним законом.

Радіотеплове випромінювання рослинного покриву можна розглядати як сумарний потік висхідного випромінювання рослинності, випромінювання, відбитого від ґрунту, і випромінювання ґрунту, ослабленого при проходженні через рослинність. Експериментально встановлено, що основний внесок у радіояркісну температуру рослинного покриву вносить рослинність. Як і ДП фітоелементів, радіояркісна температура залежить в основному від вологовмісту. Збільшення вологовмісту чи листового індексу призводить до зростання радіояркісної температури [6].

З використанням ДЗЗ і ГІС-технології можливо здійснювати моніторинг:

• потенціальних зон ерозійного руйнування ґрунтового покриву (карстові процеси, пилові бурі);
• областей паводків і інших природних явищ, а також впливу цих факторів на процеси ерозії ґрунтів (повені, водопілля);