Відбивна здатність гірських порід залежить від мінералогічного складу, речовинного складу, генетичної природи і є їх діагностичним ознакою при ДМИ.

Цей знімок острова Bathurst у Канаді було отримано за допомогою радіолокатора РАДАРСАТ 21 березня 1996 року. Найхарактерніша характеристика на цьому зображенні - це разючий прояв на них геологічних об'єктів. Темна плямав центрі знімка (А) це бухта Bracebridge, яка межує з Північним Льодовитим океаном на заході цієї області. З цієї бухти на схід простирається широка долина, яка називається Прохід Полярного Ведмедя.

Геологію острова Bathurst характеризують чудові звивини ущелин. Верхні кілька кілометрів багаторівневих скель деформовані в серію западин, які чітко помітні на знімку РАДАРСАТ.

Світлі тони на цьому зображенні (С) є покладами вапняку, а темні тони (В) - наноси каміння. Кордони між цими двома середовищами точно та легко визначаються за знімком.

До перших робіт, у яких наведені спектральні яскравості поверхонь гірських порід і доведено значення їх вибіркових вимірів для інтерпретації аерофотознімків, належить публікація Рея і Фішера. На підставі експериментів ними було встановлено, що літофаціальні відмінності між гірськими породами якогось ландшафтного району не завжди контрастні і тому вони не завжди упевнено можуть бути виділені повторно на аерофотознімку, зробленому на нормальній чорно-білій панхроматичній плівці. Ці дослідники шукали техніку зйомки та обробки, яка дозволила б краще використовувати відбивну та поглинальну здатність різних типів гірських порід і тим самим отримати покращені за контрастністю вторинні дані для певних різниць гірських порід на чорно-білих аерофотознімках. Рей і Фішер шукали спектральний канал, відповідно діапазон довжин хвиль, у якому відбивні можливості певних різновидів порід були б різні. За допомогою колориметра вони досліджували відбивні здібності вивітрілих і свіжих проб глинистих сланців, вапняків та пісковиків із Нью-Мексико. Вони встановили, як змінюється відбивна здатність окремої поверхні гірської породи, і побудували за цими даними графіки відбиття по спектру. Форма та положення кривої на ньому показують, скільки відсотків енергії світлового потоку відбилося від поверхні гірської породи у певному інтервалі довжин хвиль (рис. 6 та 7).

Рис. 6. Спектральні відбивні здібності чотирьох типів гірських порід: світло-коричневого пісковику (А), сірого вапняку (В), червоного алевроліту (С) та сірого пісковику (D)


Загалом відбивна здатність вивчених гірських порід зменшується із зменшенням довжини хвилі (рис. 6).

Якщо порівнювати положення окремих спектральних кривих цього графіка, можна визначити:

1. області спектру, у яких криві підходять близько один до одного або перетинаються;

2. області спектру або, зони спектру, у яких відбивні здібності вивчених гірських порід явно подібні;

3. зони спектра, у яких криві відображення різних порід з усією очевидністю розходяться між собою. У цій спектральній зоні вивчені типи порід відображають світловий потік, що падає, з найбільшою відмінністю.

Ще краще видно на рис. 7, де представлені криві відображення червоного алевроліту (А) та вивітрілого сірого вапняку (В). У зоні спектра 0,45-0,5 мкм, як і в зоні 0,65-0,7 кмк, відмінність у відбивній здатності обох типів гірських порід особливо чітко виражено. У зоні 0,45-0,5 мкм (блакитний) вапняк (5) відображає світловий потік, що падає на нього, набагато сильніше, ніж червоний алевроліт (А). Навпаки, в зоні 0,65-0,7 мкм (червоний) відображення червоного алевроліту (А) набагато більше, ніж вапняку (В). У зоні 0,575 мкм відбивна здатність обох порід однакова, тут перетинаються їх спектральні криві.

Рис. 7. Спектральні відбивні здібності двох типів порід: червоного алевроліту (А) та вивітрілого сірого вапняку (В (Ray R.G., Fisher W.A., 1960)

На цьому прикладі з'ясовується, що: а) відмінність у відбивній здатності двох типів гірських порід у певному інтервалі довжин хвиль або частини спектру виражено сильніше, ніж у інших; б) відношення відбивних здібностей двох типів гірських порід у діапазоні видимого випромінювання може звертатися; в) спектральні характеристики різних гірських порід у певному інтервалі довжин хвиль можуть бути схожими або однаковими.

З аналізу графіків (рис. 6) випливає, що відмінності відбивних здібностей двох або більше типів гірських порід у видимому діапазоні електромагнітного випромінювання можуть змінюватися. Так, у короткохвильовій частині спектру криві спектральної яскравості світло-коричневого пісковику (А), сірого вапняку (В) та сірого пісковику (D) знаходяться близько один до одного. Породи, що мають різні кольори, мінеральний склад і величину зерен, мають схожі форми кривих спектральної яскравості. З іншого боку, ці три різниці порід відображають світловий потік, що падає на них, в блакитній частині спектру сильніше, ніж червоний алевроліт (С). У червоній частині спектру (близько 0,65-0,7 мкм) світло-коричневий піщаник (А) відображає світловий потік, що падає на нього, сильніше, ніж сірий вапняк (В), червоний алевроліт (S) і сірий піщаник (D), які у цій частині спектра виявляють близькі спектральні характеристики.

Якби для зйомки місцевості з оголеннями порід типу А і В була застосована комбінація фільтр-плівка, коли через світлофільтр на плівку потрапляли б промені певного кольору, тобто. довжини хвилі, наприклад, блакитні (0,4-0,5 мкм) або червоні (0,6-0,7 мкм), то можна було б очікувати, що на такій спектрозональній (вузькозональній) фотографії різкими контрастами відтінків сірого тону виділятимуться червоні аргіліти (А) та сірі вапняки (В). На такому знімку, зробленому в блакитній зоні спектру, темно-сірі вапняки виділилися б світлішими, а червоні аргіліти – темнішими відтінками. На аерофотознімку, зробленому в червоній зоні спектру, фототони змінилися б на протилежні, але збереглася б контрастність між ними.

Якщо місцевість з чотирма виділеними типами порід (рис. 6) сфотографувати в променях блакитної зони спектра, то на аерофотознімку оголення порід типу С виділяються темним відтінком сірого тону серед більш світлих відтінків, Що відповідають більш сильно відбивають виходів порід інших типів (А, В та D). При відповідній пропускання червоних променів комбінації фільтр-плівка на вузькозональному знімку оголення порід типу А виділяються найсвітлішими тонами серед більш темних на цей раз виходів порід типу або C/D. Грунтуючись на цих відомостях і використовуючи відповідні комбінації фільтр-плівка, Рей і Фішер вимагали найбільш контрастних зображень різних типів гірських порід на аерофотознімках. Їх дослідження показали насамперед, наскільки важлива технологія зйомки, той спектральний діапазон, в якому проводиться зйомка місцевості і який визначається спектральними характеристиками (щоразу своїми) матеріалів або середовищ – поверхонь природних та антропогенних об'єктів зйомок. У методиці досліджень та використанні експериментальних даних, застосованих Рейєм та Фішером, були закладені найважливіші початки для розвитку, що почався декількома роками пізніше розвитку багатозональних зйомок та способів обробки та даних при дистанційному зондуванні.

Для вибору оптимального спектрального каналу або діапазону зйомки і отримання оптимального зображення при обробці даних дистанційного зондування насамперед необхідно знати відбивні і поглинальні здібності матеріалів (об'єктів зйомки), що цікавлять, в передбачуваному діапазоні довжин хвиль. У 1960-1970 рр. вивченню цих закономірностей було присвячено вимірювання відбивних здібностей (альбедо) найважливіших мінералів і гірських порід у лабораторіях, біля, і навіть з літаків і супутників. Дослідження обмежувалися спочатку вимірами у видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах електромагнітного випромінювання. Пізніше стали вивчати спектральні яскравості мінералів і порід у середньому ІЧ-діапазоні, а також їхню емісійну здатність (або коефіцієнти теплового випромінювання) їх у температурному, або тепловому діапазоні інфрачервоного випромінювання.

Відбивні здібності найважливіших мінералів і гірських порід у видимому та ближньому ІЧ-діапазонах у лабораторних умовах всебічно досліджували Хант та його колеги. Результати їх досліджень послужили найважливішим початкомвсім наступних вимірів спектральних параметрів гірських порід.

У природних умовах відбивна здатність, чи альбедо, природних поверхонь визначається впливом низки змінних параметрів, які лише частково залежить від матеріалу поверхні, а частково пов'язані з впливом довкілля. Точніше, порівняння даних лабораторних та польових вимірювань показало, що спектральна яскравість однакових типів гірських порід змінюється залежно від величини вікна чи щілини спектрометра чи радіометра, тобто. поля вимірів, у якому проводиться визначення коефіцієнта спектральної яскравості об'єкта. Якщо при лабораторних вимірюваннях охоплюється площа кілька квадратних міліметрів, то для польового спектрометра або радіометра поле вимірювань може змінюватися від квадратних дециметрів до квадратних метрів, що залежить від технічних даних приладу і методики вимірювань. Мультиспектральний сканер, встановлений на борту супутника Лендсат, охоплює мінімальну площу близько 6000 м кв. Крім того, поверхні проб, що вимірюються в лабораторії, гомогенні. Природні природні поверхні, які потрапляють у поле вимірювань спектрометра, радіометра чи сканера, встановленого на борту літака чи супутника, майже завжди гетерогенні, неоднорідні, через можливі відмінності у структурі поверхні, варіацій мінерального складу тощо. Доведено, що із зміною вмісту залізистих мінералів може змінюватися спектральна яскравість поверхні гірської породи, тому що змінюється ґрунтоутворення, вид та склад рослинності на ній. Спектральні яскравості поверхонь гірських порід, які були отримані в різний час, у різних районах та за допомогою різних вимірювальних та знімальних систем, що залежать від призначення зйомок, навряд чи слід прямо порівнювати та зіставляти один з одним. Незважаючи на це, наявні дані колишніх спектральних вимірювань показують, що відносні відмінності у відбивній, поглинальній та емісійній здібностях найважливіших типів гірських порід можуть бути використані при ландшафтних дослідженнях та складанні тематичних карт.

Результати деяких основних досліджень спектральних характеристик мінералів та гірських порід.

Вотсон провів дослідження чотирьох типів гірських порід однієї з долин шт. Оклахома в лабораторних та польових умовах. Їм було обрано свіжі подрібнені проби кварцового пісковику та граніту, штуфи вивітрілого вапняку, граніту та доломіту, а також вкриті кіркою лишайників граніти. Щоразу вимірювалися спектральні яскравості кількох проб різних типівпорід. За даними проведених вимірювань були побудовані графіки (рис. 8а), на яких показано відбивну здатність порід (у відсотках по відношенню до референц-поверхні, тобто еталонної білої матової поверхні).

Рис. 8а. Спектральна відбивна здатність свіжої та вивітрілої поверхні різних гірських порід. (Spectral reflectance and photometric properties of selected rocks, by R. Watson, Remote Sensing of Environment, Vol. 2, 1972, pp. 95-100.)

1 – стандартна поверхня; 2 – кварцовий пісковик (свіжий скол); 3 – граніт (свіжий скол); 4 – граніт, покритий зеленим лишайником; 5 – вапняк вивітрений; 6 – граніт вивітрений; 7 – доломіт вивітрілий.

У більшості випадків у видимій частині спектру свіжі, невивітрілі поверхні гранітів відбивають випромінювання сильніше, ніж поверхні тих самих порід, але вивітрілі або вкриті лишайниками. Вивітрілі шорсткі поверхні гірше відображають у всіх інтервалах довжин хвиль.

У видимому діапазоні електромагнітних хвиль поверхні вивітріли вапняків відображають більшу частину падаючого випромінювання завжди сильніше, ніж поверхні вивітріли доломітів (мал. 8а). Кварцовий пісковик на свіжому зламі завдяки своїй чистій і однорідній поверхні відображає потік, що падає, значно сильніше, ніж інші типи порід (рис. 8а).

Уотсон підкреслює, що порівняння значень відображення, виміряних у лабораторії та на місцевості, може бути лише наближеним. Насамперед нагадаємо, що спектрометром в лабораторії та на місцевості вимірюються різні за величиною площі. Вже тому можливі сильні розбіжності у виміряних величинах відображення. До того ж, кут освітлення в лабораторії постійний або регульований, а в природних умовах, на природі, кут падіння сонячних променів змінюється в залежності від часу дня і року, що призводить до змінного освітлення об'єкта. Різні значення природної освітленості змінюють інтенсивність спектрального відображення одних і тих же поверхонь протягом дня та в різну пору року. Тому значення спектральних яскравостей, отримані в різний час наземними вимірами або в результаті обльотів тестових ділянок, не можна порівняти або порівняти умовно один з одним.

Т.ч., вторинні геологічні процеси (гідротермальні зміни порід, вивітрювання та ін.), з якими може бути пов'язане формування родовищ корисних копалин, або розвиток сучасних явищ, що ускладнюють геоекологічну обстановку (участки несприятливі для будівництва інженерних споруд та ін.), суттєво змінюють спектральні характеристики порід

Це широко використовується при ДМІ. Особливо сильно змінюються спектральні характеристики порід при розвитку глинисто-слюдистих, карбонатних і гідроксил-мінералів, що містять, гідроокислов заліза.

Відомі численні позитивні приклади ( колишній СРСР, США, Франція та ін.) використання ДМІ у повітряному та космічному варіантах як прямих методів пошуків родовищ міді, урану, золота та інших корисних копалин.

Ще одне порівняння відбивної здатності вивітрілих і свіжих поверхонь гірських порід: ріоліту, базальту та туфу (рис. 8б) – свідчить про зменшення величини коефіцієнта відображення на вивітрілих поверхнях. Як очевидно з графіка, форма характеристичних кривих майже змінюється, що можна пояснити стійкістю спектральних ознак певних типів порід.

Рис. 8б. Спектральна відбивна здатність свіжої та вивітрілої поверхні гірських порід на прикладі ріоліту (К), базальту та туфу. (The multiband approach to geological mapping from orbiting satellites: is it redundant or vital? RJ Lyon, Remote Sensing of Environment, Vol. 1, 1970, pp. 237-244.

А – ріоліт; В – гідротермально змінений базальт; ВТ – туф із аметистом; індекс W вивітрілі проби.

Розглянемо тепер кількісну залежність спектральної яскравості поверхонь різних типів гірських порід від густоти рослинності, що покриває їх. Ці вимірювання проводилися в полі спектрометром із шириною діапазону вимірювань від 0,45 до 2,4 мкм, тобто від видимого до середнього (відбитого) інфрачервоного випромінювання з висоти близько 1,3 м при площі вимірювань близько 200 см кв. Як об'єкти були обрані поверхні андезиту, базальту, ріоліту, лави (червоно-оранжевої), кварцу, трахіандезиту (латиту), вапняку, червоного глинистого сланцю, лимонитизированных і аргілітизованих щебенів і грунту, окварцованого вапняку і рам. Поверхні кожного типу порід були покриті неоднорідним по густоті покривом зелених лугових трав, і насіння сосни, а також кущиками мучниці та зів'ялої шавлії.

Вплив густини рослинного покриву на величину спектрального відображення андезиту, вапняку та глиноземистих лимонитизированных вивітрених ґрунтів показано на рис. 10. На цих графіках зіставляється яскравість не покритих рослинами та зарослих поверхонь гірських порід (густота рослинності у полі виміру спектрометра виражена у відсотках). Як і очікувалося, ефект рослинності у спектрі відбитого потоку енергії чітко виражений тільки для гірських порід із незначним альбедо. Вже при 10% лугових злаків спектральні характеристики андезиту та вапняку маскуються спектральним сигналом лучної рослинності (рис. 10 а). Навіть при незначному рослинному покриві було утруднено ідентифікація спектральних сигналів порід цих двох типів.

Рис. 3.5. Вплив рослинності різних видіві різної щільності на спектральну яскравість андезиту, вапняку та лимонитизированного глинистого ґрунту з уламками вивітрілої гірської породи (ґрунт на корі вивітрювання): а – лучні трави; б - зарості мучниці; в - зарості засохлої шавлії. Щільність рослинності показана у відсотках кожному графіку (Кронберг, 1988)

В'яне або зів'яле рослинність майже не дає маскуючого ефекту для спектральних сигналів підстилаючої основи. Це очевидно з порівняння двох розглянутих груп графіків (СР мал. 10, а, б). Навіть при щільності покриву близько 60% спектральні ознаки грунту, що підстилає його, зберігаються. Звичайно, зі збільшенням густоти рослинності зменшується альбедо вапняку та лимонітизованого глиноземистого ґрунту.

Суха і в'яне рослинність змінює характер спектру порід і грунтів мало. Вона лише зменшує величину альбедо.

Таким чином, наявність (відсоток поширення), характер (жива, суха) та тип рослинності (вид) по-різному впливають на спектральні характеристики гірських порід. Особливо сильний вплив на породи, що характеризуються низьким альбедо: андезити, вапняки, глини та продукти їх руйнування.

Вивчення спектральних характеристик природних об'єктів сприяло вибору двох найбільш оптимальних інтервалів довжин хвиль: 1,2-1,3 та 1,6-2,2 мкм, у яких можливий пошук мідно-порфірового оруднення в незмінених інтрузивних, вулканогенних та осадових породах по вторинних зонах мінералів і порід, що утворюються внаслідок гідротермальних змін.

В результаті лабораторних вимірювань було встановлено, що певні мінерали, які зустрічаються в зонах гідротермально змінених порід поблизу родовищ, наприклад, мідно-порфірових руд, мають специфічні спектральні ознаки, особливо в інтервалі довжин хвиль 2,1-2,4 мкм. Ці ознаки можна використовуватиме дистанційного зондування. Так, каолініт, монтморилоніт, алуніт і кальцит розпізнаються за характерними вузькими та широкими смугами поглинання енергії в середньому інфрачервоному діапазоні (рис. 12). Виходячи з припущення, що за допомогою десятиканального радіометра з діапазоном вимірювань 0,5-2,3 мкм вдасться відшукати для початку хоча б каолін або карбонатні породи за їх спектральними характеристиками, були проведені експериментальні зйомки з борту космічного корабля багаторазового використання "Спейс шаттл Колумб" . Поряд з вимірюваннями в специфічних вузьких зонах спектра були запропоновані і вимірювання в певній комбінації зон або каналів для доведення можливості визначення мінералів, що цікавлять. Проведеними на тестовій ділянці дослідженнями було доведено ефективність запропонованої комбінації двох каналів; 1,6 та 2,2 мкм. Перший дуже важливий виявлення гідроксильних груп у мінералах, типових для гидротермально змінених зон родовищ. За даними проведених вимірювань в обох цих каналах виявилося можливим розрізняти лимонитизированные, гидротермально змінені породи і магматичні породи здебільшого також із лимонітом, який утворюється внаслідок окислення залізо-магнієвих мінералів і розкристалізації скла. Крім того, виявилися сильно освітлені гідротермально змінені породи без лимоніту, якщо вони мали у своєму складі мінерали з гідроксильною групою ОН-.

Рис. 12. Спектральна відбивна здатність деяких мінералів, що зустрічаються на ділянках розвитку гідротермальних змін у гірських породах (за даними лабораторних вимірів). Для визначення мінералів важливим виявилося становище спектральних смуг поглинання, 1 – каолініт; 2 – монтморилоніт; 3 – алуніт; 4 – кальцит.

Використання середнього інфрачервоного діапазону стало можливим тільки в Останніми рокамизавдяки розробці таких приймачів, які дозволили проводити ці виміри. Тематичні зображення-схеми виходять багатозональним сканером супутника Лендсат-4, що має спеціальний канал 2,2 мкм, призначений для складання карт літофацій або мінеральних фацій.

За результатами одного з експериментів, проведеного для вирішення геологічних завдань дистанційними методами, було зроблено висновок про ефективність спектрометрування у наступних зонах спектру: 1,18-1,3; 4,0-4,75; 0,46-0,50; 1,52-1,73; 2,10-2,36 мкм. Цей висновок ґрунтується на результатах обробки даних з однієї тестової ділянки у шт. Юта. Вимірювання проводилися багатозональним сканером під час обльоту території ділянки з оголеними виходами порід основних типів – осадових та інтрузивних, а також із зонами їх вторинних гідротермальних змін. Розмір поля вимірювання по поверхні породи, що вивчається, становив близько 0,24 км кв. Для всіх типів порід вимірювання проводилися 15 каналами з інтервалом між ними 0,34-0,75 мкм. За допомогою дискримінантного аналізу були виявлені зони, в яких найчастіше проводилася зйомка всіх різниць порід з оптимальним контрастом специфічних різниць порід стосовно інших типів. Запис виділених зон призначалася для повторного вивчення та картування літофаціальних різниць. Використаний мультиспектральний сканер мав спектральну роздільну здатність у видимому діапазоні 0,04-0,06 мкм, в ближньому ІЧ-діапазоні 0,05-0,26 мкм і в тепловому діапазоні 0,25-0,36 мкм. Тільки один із спектральних каналів цього сканера діяв у тому ж спектральному діапазоні, що і сканери перших супутників «Лендсат» – від 0,4 до 1,1 мкм, решта чотирьох оптимальних каналів працювали в довгохвильовій, інфрачервоній області випромінювання, значення якої підкреслювалося вищенаведеними прикладами.

Дослідженнями спектральних характеристик незмінених та змінених порід поблизу уранових родовищ встановлено низку спектральних зон: 1,25; 0,95; 2,20; 2,15; 1,75; 2,45; 2,10; 1,60; 1,55 і 0,75 мкм, вимірювання в яких, проведені у зазначеній послідовності, найбільш ефективні для поділу літофацій у районах уранових родовищ. Цей приклад підкреслює значення спектральних зйомок у суворо обмежених вузьких зонах спектру, у яких більш-менш ефективно можна використовувати методи дистанційного зондування під час пошуково-розвідувальних робіт.

Спектральна характеристична яскравість гірських порід залежить від величини вікна чи щілини спектрометра чи радіометра, т. е. поля виміру (зору). Чим вже поле, тим вище контрасти в спектральній яскравості, тим краще дозвіл на місцевості. Це пов'язано з тим, що зменшується вплив розсіяного випромінювання.

Просторове дозвіл - величина, що характеризує розмір найменших об'єктів, помітних на зображенні (Знайти приклади знімків гірських порід).

Важливим є виконання ДМІ у різних частинах спектру, де різні властивостігірських порід мають контрастні спектральні характеристики. Це досягається при використанні мультиспектральних сканерів, які мають спектральну роздільну здатність: у видимому діапазоні - 0,04-0,06 мкм; у ближньому інфрачервоному діапазоні – 0,05-0,26 мкм; у тепловому діапазоні – 0,25-0,36 мкм. При цьому зйомка одночасно проводиться в п'яти та більше діапазонах (Приклади знімків).

Вторинне теплове випромінювання гірських порід (емісія)

Поряд з характеристиками спектрального відображення поверхонь гірських порід та ґрунтів у видимому та ближньому ІЧ-діапазонах у 1960-ті роки частина геологів цікавилася і вторинним тепловим випромінюванням гірських порід, яке сподівалися використовувати при дистанційному зондуванні.

В результаті досліджень, що проводилися з кінця 50-х років, було встановлено, що форма кривих на графіках вторинного теплового випромінювання гірських порід тісно пов'язана з мінеральним складом порід, що силікатні та несилікатні породи можна розрізняти за спектрами їх вторинного теплового випромінювання в діапазоні 8-13 мкм і що, нарешті, можна розділити по цих спектрах силікатні породи різного мінерального складу. Ознакою для розпізнавання завжди служило становище мінімумів на графіках вторинного теплового випромінювання гірських порід.

Розглянемо групу графіків енергії вторинного теплового випромінювання, отриманих при вимірах деяких дрібнозернистих свіжих подрібнених проб гранітів з Нової Англії. Колір окремих проб змінюється від темно-сірого до коричневого, рожевого або блакитнуватого. Але різниця у кольорі, на думку Лайона та Гріна, не впливає на інтенсивність емітерного випромінювання. Вимірювання положення мінімуму енергії на графіках (рис. 14) викликане змінами в мінеральному складі проб (хімічному модулі) кварцових гранітів (D та E) та лужних польовошпатних гранітів (F). Для порівняння наведено обидва мінімуми в спектрі випромінювання кварцу (Q).

Рис. 14. Спектральні випромінювальні можливості свіжої поверхні крупнозернистих гранітів з Нової Англії. Q – емісійний мінімум кварцу, для порівняння. Вертикальні стрілки показують, де емісія дорівнює 1.

У принципі спектральну характеристику поверхні гірської породи чи грунту впливають численні чинники, як залежні від властивостей поверхні об'єкта виміру, і залежні від нього, а пов'язані з його оточенням і атмосферою. Однак для регіонів, у яких великі ділянки території позбавлені рослинного покриву, наприклад, в аридних областях, у високогірних районах тощо, сканером при тепловій зйомці охоплюються великі площі оголених гірських порід. Тут можна використовувати мінімуми на графіках вторинного теплового випромінювання об'єктів, що закономірно пов'язані з їх мінеральним складом, для інтерпретації певних літофаціальних різниць порід або їх комплексів. Це було доведено при сканерних літакових теплових зйомках: ділянки оголених гірських порід різного складунайбільш контрастно були передані відтінками сірого тону у двох діапазонах: 8-9 та 9-11 мкм. Найменші значення величин цього відношення мають гірські породи чи ґрунти, до складу яких входять кварц чи плагіоклази. Вищі значення величин цього відношення свідчать про бідність порід або ґрунтів кварцем і польовими шпатами. Але остаточно питання про оптимальність (і ефективності) використання цих двох спектральних діапазонів для вивчення літофаціальних особливостей регіонів за даними теплових зйомок та вплив на них атмосферних та інших перешкод при проходженні сигналу до приймача, встановленого на борту носія – літака чи супутника, – не вирішено на сучасному етапі досліджень.

Діагностичними ознаками порід є насамперед положення мінімумів та інші характеристики графіків, а також відношення спектральних сигналів різних діапазонів (8-9 та 9-11 мкм, рис. 3.6).

Рис. 3.6. Спектральна випромінювальна спроможність базальтів (А та Б), кварцового монцоніту (Е та F) та гранодіориту (I). Вертикальні стрілки демонструють де емісія дорівнює 1, а горизонтальні - 0,9. (Ljon, Green, 1975.)

Отже, вирішальне значення запровадження методів теплових сканерних зйомок у геологічні дослідження має можливість одночасного проведення спектрометрування за багатьма критичними (характерними) спектральними діапазонами, тобто. можливість проведення багатозональної теплової сканерної зйомки з літаків або супутників, а також можливість комп'ютерної обробки її результатів та представлення даних у вигляді оптимізованих за контрастністю зображень.

Таким чином, вторинне теплове випромінювання гірських порід визначається їх фізичними властивостями: - теплопровідністю, щільністю, питомою теплоємністю, температуропровідністю, теплопереносом (температурною інерцією). У свою чергу, ці властивості залежать від речовинного, мінералогічного та хімічного складу. Особливо сильно впливає співвідношення темнокольорових (залізо-магнієвих) та світло кольорових мінералів.

Контрастно це видно зі зміни коефіцієнта вторинного теплового випромінювання (коефіцієнта емісії) у денний та нічний час (рис. 2.5). Одні об'єкти "яскравіше виглядають" у денний час, інші – вночі. Важливим є час зйомок. Найбільш кращі передсвітанковий і полуденний годинник.

Температури поверхонь різних матеріалівпротягом доби (Lowe, 1969). 1 -вода в калюжі; 2 – гравій; 3 – скошений газон; 4 – бетон; 5 – газон; 6 – дах будинку

Комп'ютерна обробка даних теплових сканерних зйомок та їх візуалізація (відтінки сірого кольоруабо кольорове забарвлення) дозволяють отримувати контрастні теплові знімки.

Теплова сканерна зйомка виконується, як правило, за декількома найбільш інформативними (характерними) спектральними діапазонами. Дослідження в інфрачервоному діапазоні зазвичай виконуються спільно з використанням видимого діапазону, що дозволяє врахувати сильний вплив тіньових ділянок (денний час) на результати ІЧ-зйомки.

Кількісна обробка даних багатозональних зйомок, у тому числі й тепловими сканерами та радіометрами, набуває з кожним днем ​​дедалі більшого значення. Вже зараз дистанційне зондування ґрунтується на температурних особливостях ґрунтів, рослинних угруповань або гірських порід при вирішенні оперативних завдань моніторингу середовища. Різні теплові властивості гірських порід (табл. 1а) та різні коефіцієнти вторинного теплового випромінювання або коефіцієнти емісії (табл. 1 б) призводять до різного їх нагрівання вдень та охолодження вночі, що визначається за температурними контрастами в добовому ході температур, який використовують при дистанційному зондуванні .

Тут важливо наголосити, що навіть інформація про відносну відмінність у радіаційних температурах поверхні об'єктів може виявитися вирішальною при геологічному дешифруванні знімків, оскільки можливі додаткові критерії оцінки, які не можна отримати зйомками у видимому діапазоні електромагнітних хвиль.

Таблиця 1а. Термічні властивості різних гірських порід та води при температурі 20°С.

  • Відбивна здатність - величина, що описує здатність будь-якої поверхні або межі розділу двох середовищ відбивати потік на неї потік електромагнітного випромінювання. Широко використовується в оптиці, кількісно характеризується коефіцієнтом відбиття. Для характеризації дифузного відображення використовується величина, яка називається альбедо.

    Здатність матеріалів відбивати випромінювання залежить від кута падіння, від поляризації падаючого випромінювання, і навіть його спектра. Залежність відбивної здатності поверхні тіла від довжини хвилі світла області видимого світла очей людини сприймає як колір тіла.

    Залежність відбивної здатності матеріалів від довжини хвилі має значення при побудові оптичних систем. Для отримання потрібних властивостей матеріалів відображення та пропускання світла іноді використовують просвітлення оптики як, наприклад, при виробництві діелектричних дзеркал або інтерференційних фільтрів.

Пов'язані поняття

Заломлення (рефракція) - зміна напрямку променя (хвилі), що виникає на межі двох середовищ, через які цей промінь проходить або в одному середовищі, але з властивостями, що змінюються, в якій швидкість поширення хвилі неоднакова.

Волоконна брегговська грати (ВБР) - розподілений брегівський відбивач (різновид дифракційної решітки), сформований у світлонесучому серцевині оптичного волокна. ВБР мають вузький спектр відображення, використовуються в волоконних лазерах, волоконно-оптичних датчиках, для стабілізації і зміни довжини хвилі лазерів і лазерних діодів і т. д.

Фотометрія (ін.-грец. φῶς, родовий відмінок φωτός - світло та μετρέω - вимірюю) - загальна для всіх розділів прикладної оптики наукова дисципліна, на підставі якої виробляються кількісні виміри енергетичних характеристик поля випромінювання.

Фотолюмінесцентна спектроскопія - вид оптичної спектроскопії, заснований на вимірі спектра електромагнітного випромінювання, випущеного в результаті явища фотолюмінесценції, викликаного у зразку, що вивчається, за допомогою збудження його світлом. Один із основних експериментальних методів вивчення оптичних властивостейматеріалів, і особливо напівпровідникових мікро-і наноструктур.

Оптичний пінцет (англ. optical tweezers), іноді "лазерний пінцет" або "оптична пастка" - оптичний інструмент, який дозволяє маніпулювати мікроскопічними об'єктами за допомогою лазерного світла (звичайно випускається лазерним діодом). Він дозволяє прикладати до діелектричних об'єктів сили від фемтоньютонів до наноньютонів та вимірювати відстані від кількох нанометрів до мікронів. В останні роки оптичні пінцети почали використовувати в біофізиці для вивчення структури та принципу роботи.

Тиск електромагнітного випромінювання, тиск світла - тиск, який надає світлове (і взагалі електромагнітне) випромінювання, що падає на поверхню тіла.

Просвітлення оптики - це нанесення на поверхню лінз, що межують з повітрям, найтоншої плівки або декількох шарів плівок один поверх іншого. Це дозволяє збільшити світлопропускання оптичної системи та підвищити контрастність зображення за рахунок придушення відблисків. Величини показників заломлення чергуються за величиною і підбираються таким чином, щоб рахунок інтерференції зменшити (або зовсім усунути) небажане відображення.

Інтерференція світла - інтерференція електромагнітних хвиль (у вузькому сенсі - насамперед, видимого світла) - перерозподіл інтенсивності світла внаслідок накладання (суперпозиції) кількох світлових хвиль. Це зазвичай характеризується що чергуються у просторі максимумами і мінімумами інтенсивності світла. Конкретний вид такого розподілу інтенсивності світла у просторі або на екрані, куди падає світло, називається інтерференційною картиною.

Люмінесценція (від лат. lumen, рід. відмінок luminis - світло і -escent - суфікс, що означає слабку дію) - нетеплове світіння речовини, що відбувається після поглинання ним енергії збудження. Вперше люмінесценція була описана у XVIII столітті.

Ефект Керра, або квадратичний електрооптичний ефект - явище зміни значення показника заломлення оптичного матеріалу пропорційно квадрату напруженості прикладеного. електричного поля. Відрізняється ефект Поккельса тим, що зміна показника прямо пропорційно квадрату електричного поля, тоді як останній змінюється лінійно. Ефект Керра може спостерігатися у всіх речовинах, проте деякі рідини виявляють його сильніше за інші речовини. Відкритий у 1875 році шотландським...

Спектроскопія в ближній інфрачервоній області (БІК-спектроскопія, англ. near-infrared spectroscopy, NIR) - розділ спектроскопії, що вивчає взаємодію ближнього інфрачервоного випромінювання (від 780 до 2500 нм, або від 12 800 до 100). Область ближнього інфрачервоного випромінювання розташовується між видимим світлом та середньою інфрачервоною областю.

Діелектричне дзеркало - дзеркало, що відображають властивості якого формуються завдяки покриттю з декількох тонких шарів, що чергуються, з різних діелектричних матеріалів. Використовуються у різноманітних оптичних приладах. При належному виборі матеріалів та товщин шарів можна створити оптичні покриття з необхідним відображенням на вибраній довжині хвилі. Діелектричні дзеркала можуть забезпечувати дуже великі коефіцієнти відбиття (так звані супердзеркала), які забезпечують відбиття.

Розподілений брегівський відбивач - це шарувата структура, в якій показник заломлення матеріалу періодично змінюється в одному просторовому напрямку (перпендикулярно до шарів).

Поляриметр (полярископ - тільки для спостереження) - прилад, призначений для вимірювання кута обертання площини поляризації, викликаної оптичною активністю прозорих середовищ, розчинів (сахарометрія) та рідин. У широкому сенсі поляриметр - це прилад, який вимірює параметри поляризації частково поляризованого випромінювання (у цьому сенсі можуть вимірюватися параметри вектора Стокса, ступінь поляризації, параметри поляризації еліпсу частково поляризованого випромінювання і т.п.).

Реле́ївське розсіювання — когерентне розсіювання світла без зміни довжини хвилі (назване також пружним розсіюванням) на частинках, неоднорідностях або інших об'єктах, коли частота світла, що розсіюється, істотно вище власної частоти розсіюючого об'єкта або системи. Еквівалентне формулювання: розсіювання світла на об'єктах, розміри яких менші за його довжину хвилі. Названо на честь британського фізика лорда Релея, який встановив залежність інтенсивності розсіяного світла від довжини хвилі 1871 року.

Абсолютно чорне тіло - фізичне тіло, яке при будь-якій температурі поглинає електромагнітне випромінювання, що падає на нього, у всіх діапазонах.

Інфрачервона спектроскопія (коливальна спектроскопія, середня інфрачервона спектроскопія, ІЧ-спектроскопія, ІКС) - розділ спектроскопії, що вивчає взаємодію інфрачервоного випромінювання з речовинами.

Потемніння диска до краю - оптичний ефект при спостереженні зірок, включаючи Сонце, при якому центральна частина диска зірки видається яскравішою за край або лімб диска. Розуміння даного ефектудозволило створити моделі зіркових атмосфер з урахуванням подібного градієнта яскравості, що сприяло розвитку теорії перенесення випромінювання.

Інтерферометр Майкельсон - двопроменевий інтерферометр, винайдений Альбертом Майкельсон. Цей прилад дозволив уперше виміряти довжину хвилі світла. У досвіді Майкельсон інтерферометр був використаний Майкельсоном і Морлі для перевірки гіпотези про світлоносний ефір в 1887 році.

Малокутове рентгенівське розсіювання скр., МРР (англ. small angle X-ray scattering скр., SAXS) - пружне розсіювання рентгенівського випромінювання на неоднорідностях речовини, розміри яких істотно перевищують довжину хвилі випромінювання, що становить λ = 0,1; напрямки розсіяних променів при цьому лише незначно (на малі кути) відхиляються від напрямку падаючого променя.

Рентгенівська оптика - галузь прикладної оптики, що вивчає процеси поширення рентгенівських променів у середовищах, а також розробляє елементи для рентгенівських приладів. Рентгенівська оптика, на відміну від звичайної, розглядає електромагнітні хвилі в діапазоні довжин рентгенівських хвиль 10-4 до 100 Å (від 10-14 до 10-8 м) і гамма-випромінювань

Геометричний фактор (також етендю, від фр. étendue géométrique) - фізична величина, що характеризує те, наскільки світло в оптичній системі "розширене" за розмірами та напрямками. Ця величина відповідає параметру якості пучка (BPP) у фізиці Гаусових пучків.

Рентгенівське дзеркало - оптичний пристрій, який служить для управління рентгенівським випромінюванням (відображення рентгенівських променів, фокусування та розсіювання). В даний час технології дозволяють створювати дзеркала для рентгенівських променів та частини екстремального УФ із довжиною хвилі від 2 до 45-55 нанометрів. Рентгенівське дзеркало складається з багатьох шарів спеціальних матеріалів (до кількох сотень шарів).

Дифракційна решітка - оптичний прилад, дія якого ґрунтується на використанні явища дифракції світла. Є сукупністю великої кількості регулярно розташованих штрихів (щілин, виступів), нанесених на деяку поверхню. Перший опис явища зробив Джеймс Грегорі, який використовував як ґрати пташине пір'я.

Ефект Садовського - поява механічного моменту, що обертає, який діє на тіло, опромінюване поляризованим еліптично або по колу світлом.

Будь-який об'єкт, що випромінює електромагнітну енергію у видимій області спектра. За своєю природою поділяються на штучні та природні.

Динамічне розсіювання світла (англ. dynamic light scattering) - являє собою сукупність таких явищ як зміна частоти (Доплерівський зсув), інтенсивності та напрямки руху світла, що пройшло через середовище рухомих (Броунівських) частинок.

Світлана - один з ефектів самодії світла, що полягає в концентрації енергії світлового пучка в нелінійному середовищі, показник заломлення якого зростає зі збільшенням інтенсивності світла. Явище самофокусування було передбачено радянським фізиком-теоретиком Г. А. Аскарьяном у 1961 році і вперше спостерігалося Н. Ф. Пилипецьким та А. Р. Рустамовим у 1965 році. Основи математично суворого опису теорії були закладені В. І. Таланова.

Двофотонний лазерний мікроскоп - лазерний мікроскоп, що дозволяє спостерігати живі тканини на глибині більше одного міліметра, використовуючи явище флуоресценції. Двофотонний мікроскоп є різновидом мультифотонного флуоресцентного мікроскопа. Його переваги в порівнянні з конфокальним мікроскопом – велика проникаюча здатність та низький ступінь фототоксичності.

Інфрачервоне випромінювання - електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між червоним кінцем видимого світла (з довжиною хвилі λ = 0,74 мкм та частотою 430 ТГц) та мікрохвильовим радіовипромінюванням (λ ~ 1-2 мм, частота 300 ГГц).

Подвійне променезаломлення або двопроменезаломлення - ефект розщеплення в анізотропних середовищах променя світла на дві складові. Якщо промінь світла падає перпендикулярно поверхні кристала, то цій поверхні він розщеплюється на два променя. Перший промінь продовжує поширюватися прямо, і називається звичайним (o - ordinary), другий ж відхиляється убік, і називається незвичайним (e - extraordinary).

Ефект Вавілова - Черенкова, Ефект Черенкова, випромінювання Вавилова - Черенкова, черенкове випромінювання - світіння, що викликається в прозорому середовищі зарядженої частинкою, що рухається зі швидкістю, що перевищує фазову швидкість поширення світла в цьому середовищі.

Електромагнітні хвилі / електромагнітне випромінювання - поширюється в просторі обурення (зміна стану) електромагнітного поля. Серед електромагнітних полів, породжених електричними зарядами і їх рухом, прийнято відносити до випромінювання ту частину змінних електромагнітних полів, загасаючи найповільніше з відстанню.

Спектральна лінія поглинання або темна спектральна лінія - особливість спектру, що полягає у зниженні інтенсивності випромінювання поблизу деякої енергії.

Мікроскоп (др.-грец. μικρός «маленький» + σκοπέω «дивлюся») - прилад, призначений для отримання збільшених зображень, а також вимірювання об'єктів або деталей структури, невидимих ​​або погано видимих ​​неозброєним оком.

Видиме випромінювання - електромагнітні хвилі, що сприймаються людським оком. Чутливість людського ока до електромагнітного випромінювання залежить від довжини хвилі (частоти) випромінювання, при цьому максимум чутливості припадає на 555 нм (540 ТГц) у зеленій частині спектру. Оскільки при віддаленні від точки максимуму чутливість спадає до нуля поступово, вказати точні межі спектрального діапазону видимого випромінювання неможливо. Зазвичай як короткохвильовий кордон приймають...

Фур'є-спектрометр - оптичний прилад, що використовується для кількісного та якісного аналізу вмісту речовин у газовій пробі.