1
Fyzikální podstata DPZ
Petr Dobrovolný
Elektromagnetické záření
• vlna elektrického (E) a magnetického (M)
pole
• šíří se rychlostí světla (c)
• vlnová délka (λ)
• frekvence (ν)
Charakteristiky záření:
Vlnová teorie
c = λλλλ νννν
Elektromagnetické spektrum
Snímky zaznamenávají intenzitu
elektromagnetického záření v určité vymezené
části (intervalu) spektra.
Částicová teorie
Energie kvanta Q je dána následujícím
vztahem:
kde Q - energie kvanta
h - Planckova konstanta
νννν - frekvence
Q = h ν
Vztah mezi vlnovou a částicovou teorií lze vyjádřit
vztahem:
Q
h c
=
⋅
λ
• Čím delší vlnová délka, tím nižší obsah energie
má záření.
• Přirozeně emitované dlouhovlnné záření bude
hůře zjistitelné než energie krátkovlnná.
• Nízký obsah energie dlouhovlnného záření
znamená, že systémy operující v dlouhých
vlnových délkách musí při jednom měření
snímat velké plochy zemského povrchu, aby
přijaly signál, který bude měřící aparatura
schopna zaznamenat.
Elektromagnetické záření a DPZ
Základní zákony záření I.
Stefan-Boltzmannův zákon: Množství energie
vyzářené objektem je funkcí jeho teploty:
M - intenzita vyzařování z povrchu tělesa
σ- Stefan Boltzmannnova konstanta
T - absolutní teplota tělesa
Wiennův zákon posuvu: Vlnová délka, jíž
přísluší maximální intenzita vyzařování (λλλλmax), je
nepřímo úměrná teplotě tělesa.
M T= ⋅σ 4
T
k
=maxλ k = 2898 µm . K
2
Základní zákony záření II.
• Čím vyšší bude teplota tělesa, tím více bude
vyzařovat energie o kratší vlnové délce.
•„Horké“ objekty budou intenzivně vyzařovat
krátkovlnné záření o vysoké frekvenci. Budou tedy
dobře detekovatelné metodami dálkového
průzkumu.
• Naopak „chladné“ objekty budou vyzařovat málo
intenzivní dlouhovlnné záření. Budou tedy hůře
zjistitelné.
• Atmosféra však dobře propouští dlouhovlnné
záření, krátké vlny značně pohlcuje a rozptyluje.
Kirkhofův zákon: Reálné objekty o stejné
teplotě mohou vyzařovat různé množství energie,
avšak vždy menší, než absolutně černé těleso.
Tzv. emisivita (εεεε) je poměr mezi intenzitou
vyzařování reálného tělesa (MR) a intenzitou
vyzařování černého tělesa (MA) o dané teplotě T:
ε =
M
M
R
A
Emisivita je důležitá pro zjišťování teplotních
charakteristik povrchů.
Základní zákony záření III.
Ovlivnění elektromagnetického
záření atmosférou
Záření je ovlivňováno především procesy
pohlcování a rozptylu:
• délce dráhy, kterou toto záření prochází atmosférou
• velikosti emitovaného signálu
• atmosférických podmínkách
• vlnové délce
• Rozptyl způsobuje vyšší hodnoty naměřeného záření
především v kratších vlnových délkách.
• Pohlcováním jsou pak snižovány naměřené hodnoty
elektromagnetického záření v delších vlnových délkách.
Vlivy atmosféry na charakteristiky záření závisí na
těchto faktorech:
3
Rozptyl záření v atmosféře
1. Rozptyl je
funkcí velikosti
rozptylujících
částic
Rozptyl záření v atmosféře
2. Rozptyl záření v atmosféře
je funkcí především vlnové
délky
Intenzita molekulárního
rozptylu je nepřímo úměrná
čtvrté mocnině vlnové délky
Modré světlo (0,4 µµµµm) je
rozptylováno 16 krát více než
infračervené záření o vlnové
délce 0,8 µµµµm
Pohlcování elektromagnetického
záření atmosférou
Ovlivnění záření atmosférou
• Rozptyl může značně redukovat množství
informace, snímky ztrácí kontrast a je ztíženo
odlišení jednotlivých druhů povrchů.
• Kumulativní procesy pohlcování způsobují, že
některé části spektra jsou pro metody DPZ „zavřeny“
Hlavní atmosférická okna
Část spektra Interval vlnových délek [µµµµm]
UV/viditelné záření 0,30 - 0,75
0,77 - 0,91
blízké infračervené záření 1,00 - 1,12
1,19 - 1,34
1,55 - 1,75
2,05 - 2,40
střední infračervené záření 3,50 - 4,16
4,50 - 5,00
termální infračervené záření 8,00 - 9,20
10,20 - 12,40
17,00 - 22,00
Ovlivnění záření na zemském povrchu
Elektromagnetická energie může být odrážena či
pohlcována.
Dva objekty, které odrážejí podobné množství
záření v jednom intervalu vlnových délek, mohou v
jiném intervalu odrážet rozdílné množství energie.
Množství pohlcené či odražené energie ovlivňují
fyzikální a chemické vlastnosti povrchů (teplota,
obsah vody či organických látek, drsnost povrchu
atd.)
Statické a dynamické parametry
Odrazové vlastnosti povrchů v závislosti na vlnové
délce a na fyzikálních a chemických vlastnostech
povrchů formují jejich tzv. SPEKTRÁLNÍ CHOVÁNÍ.
4
Základní oblasti spektra
využitelné v DPZ
V důsledku vlivů atmosféry (pohlcování, rozptyl
záření) lze snímky vytvářet pouze v určitých
částech spektra:
• ultrafialové záření (0,1 - 0,4 m)
• viditelné záření (0,4 - 0,7 m)
• infračervené záření blízké (0,7 - 1,4 m)
• infračervené záření střední (1,4 - 3 m)
• tepelné záření (3 m - 1 mm)
• mikrovlnné záření (1 mm - 1m)
Ultrafialové záření (0,1 - 0,4 m)
• Je to záření škodlivé pro živé organismy.
• K zemskému povrchu je propouštěna pouze
malá část
• V DPZ se využívá v podobě tzv. UV laseru
• Může sloužit pro vyhledávání ložisek zlata, pro
monitorování ropných skvrn.
• Toto záření také do jisté míry prochází vodním
sloupcem.
• Mnoho minerálů vydává charakteristické
záření v těchto vlnových délkách (využití v
mineralogii).
• Intenzita pohlcování UV záření O3 slouží k
monitorování mocnosti ozónové vrstvy
Měření intenzity UV záření k předpovědi množství ozónu
Viditelné záření (0,4 - 0,7 m)
• V oblasti viditelného záření pracují všechny konvenční
metody a také většina družicových systémů.
• Je nejvyužívanější částí spektra především z historického
hlediska.
• Neprochází oblačností a mlhou, lze ho zaznamenávat pouze
v denních hodinách.
• Značný rozptyl a pohlcování má za následek např. ztrátu
kontrastu viditelných snímků.
• Ve srovnání s delšími vlnovými délkami je toto záření
schopno procházet vodním sloupcem - především v modré
části spektra.
• To umožňuje studovat mnoho fyzikálních i biologických
vlastností vodních objektů.
• Jednotlivé horniny, minerály ani půda neukazují odlišnosti
ve spektrálním chování ve viditelné části spektra.
Snímky ve viditelné části spektra
Změny v krajině v důsledku povrchové těžby
Most a okolí,
srpen 1996
Snímky ve viditelné části spektra
5
Infračervené záření blízké (0,7 - 1,4 m)
• Tvoří pokračování atmosférického okna z viditelné části
spektra.
• Lze je zaznamenávat jak konvenčními fotografickými
metodami (do 0,9 m) tak i elektronicky.
• Je již méně pohlcováno a rozptylováno atmosférou.
• V důsledku toho jsou snímky ostré s dobrým kontrastem.
• Hodí se k topografickým účelům, důležité jsou tyto vlnové
délky pro studium vegetace především v lesnictví a
zemědělství.
• Voda se v těchto vlnových délkách chová téměř jako
absolutně černé těleso.
Infračervené záření blízké
(0,7 - 1,4 m)
vis ir barevná syntéza
Snímky v blízké IČ části spektra
Globální mapování vegetace
Infračervené záření střední (1,4 - 3 m)
• Zahrnuje dvě atmosférická okna se středy přibližně 1,5 a 2,2
mikrometrů.
• Obě jsou důležité především pro vegetační a geologické
studie.
• První okno např. umožňuje dobré odlišení druhů vegetace,
hodí se k rozpoznávání ledu a sněhu, k odlišení oblačnosti a
ke studiu zdravotního stavu vegetace.
• Druhé okno je oblastí, ve které má mnoho minerálů
charakteristický absorpční pás.
• Množství odraženého záření je výrazně větší, než množství
záření emitovaného. V důsledku tohoto malého množství
záření emitovaného nelze blízké a střední infračervené vlnové
délky využít ke zjišťování teplotních vlastností povrchů
• To je možné až v oblasti termálního infračerveného záření,
kde je podíl emitovaného záření větší.
Snímky ve střední IČ části spektra
Mapování výskytu minerálů a hornin
Tepelné záření (3 m - 1 mm)
• Obsahuje dvě atmosférická okna v intervalu přibližně 3-5
a 8-12 mikrometrů.
• Snímků se používá např. ke zjišťování povrchové teploty
oceánů (SST), k mapování tepelného znečištění řek a jezer i
samotné krajiny, k lokalizaci lesních požárů apod.
• Protože v oblasti 3-5 mikrometrů je ještě množství
odraženého záření poměrně značné, k měření radiační teploty
lze využívat pouze nočních hodin.
• V oblasti 8-12 mikrometrů je již množství odraženého
slunečního záření ve srovnání s emitovaným zářením velmi
malé, těchto vlnových délek potom lze využít ke zjišťování
radiační teploty i během denních hodin.
• K přesným kvantitativním měřením je nutná dobrá znalost
tzv. emisivity objektů a procesů, které ovlivňují záření
v atmosféře.
• V případě přesné kalibrace umožňují snímky získávat
poznatky o tepelné bilanci objektů
6
Termální snímky - teplotní poměry Golfského proudu Termální snímky - studium vulkánů
Termální snímky
příklady
Tepelný ostrov měst
Mikrovlnné záření (1 mm - 1m)
• Je využíváno pasivními i aktivními metodami (RADAR).
• Tyto dlouhé vlnové délky mohou za vhodných podmínek
pronikat i pod povrch.
• Nejméně závisí na podmínkách počasí, je výrazně zeslabováno
pouze v případě vydatného deště.
• Intenzita přirozeně emitovaného mikrovlnného záření je velmi
nízká, musí měřící zařízení k zachycení zjistitelného signálu
měřit toto záření na poměrně velké ploše.
• To je příčinou malého prostorového rozlišení dat získaných
pasivními metodami v mikrovlnné části spektra.
• Značný rozvoj zaznamenávají aktivní systémy, poskytují data
využitelná především pro studium reliéfu, plovoucího ledu,
v geomorfologii, v lesnictví i v zemědělství.
• Pomocí aktivních mikrovlnných systémů lze získat i
neobrazová data, informace o výškových poměrech, o řadě
meteorologických prvků atd.
Radarové snímky - mapování polárních oblastí
Kolumbie, vulkanický reliéf, SIR-C/ X- SAR
7
Radarové snímky – měření výšek, Kamčatka