Yuriy Posudin Environmental Monitoring with Fundamentals of Metrology Lecture 20 REMOTE SENSING

1. Ю. Посудін. Моніторинг довкілля з основами метрологіїЛекція 20ДИСТАНЦІЙНИЙ МОНІТОРИНГ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА Yuriy Posudin Environmental Monitoring with Fundamentals of Metrology Lecture 20 REMOTE SENSING

2. Збирання, запис і аналіз інформації щодо об’єктів навколишнього середовища на відстані називається дистанційним зондуванням. Визначення

3. Основні компоненти дистанційного зондування – джерело енергії, випромінювання, середовище, об’єкт, сенсор, система обробки та аналізу інформації. Основні компоненти дистанційного зондування

4. Класифікація методів дистанційного зондування • Дистанцiйнi методи подiляються на два основнi типи: пасивнi і активнi.

5. Пасивнi методиоснованi навимiрюваннi природноготепловогоабовiдбитогосонячноговипромiнювання. Пасивні методи ДЗ

6. Пасивні методи ДЗ Пасивнi методихарактеризуютьсяпевнимиобмеженнями: залежнiстю iнформацiї, яка реєструетьсявiдспектральниххарактеристиктаположенняСонця, метеорологiчнихіклiматичнихумов, оптичнихпараметрiватмосферитаґрунту.

7. Активнi методипередбачаютьвикористанняштучнихджерелвипромiнювання (впершучергу, лазерiв) тареєстрацiювiдбитоговипромiнюванняабофлуоресценцiїоб’єктiв, щодослiджуються. Активні методи ДЗ

8. Активні методи ДЗ Активні методи характеризуютьсябiльшоючутливiстю та просторовимроздiленням. Недолiкомактивнихметодiвєвисокавартiсть.

9. КЛАСИФІКАЦІЯ МЕТОДІВ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ ЗА СПЕКТРАЛЬНИМИ ДІАПАЗОНАМИ

10. РЕЄСТРАЦІЯ ГАММА-ВИПРОМІНЮВАННЯ • Гамма-випромінювання Сонця майже повністю поглинається верхньою атмосферою. • Основним джерелом гамма-випромінювання є природний фон завдяки радіоактивним речовинам в ґрунті та мінеральних середовищах.

11. РЕЄСТРАЦІЯ ГАММА-ВИПРОМІНЮВАННЯ • Метод базується на вимірюванні природного короткохвильового ( 210-10 м) -випромінювання присутніх в земній корі або в сніжному покриві радіоактивних елементів – природних радіоізотопів 40К, 238U, 208Тh. • В звичайному ґрунті 90% -випромінювання утворюється в 30-45 сантиметровому поверхневому шарі.

12. Airborne gamma spectrometry • The abundance of K, Th and U in near-surface materials are measured by detecting the gamma-rays produced during the natural radioactive decay of isotopes of these elements. • Four measured variables: • potassium, K (%) • equivalent uranium, eU (ppm) • equivalent thorium, eTh (ppm) – Total Air Absorbed Dose Rate (nGy/h)

13. To capture enough signal, an aircraft must fly at low altitude generally at a maximum of only 120 metres. Significant overlap between sample points along a profile occurs due to the large The flight line spacing includes 200-500 m, 1000 m, 5000 m and some at 25000 m. Typically aircraft fly at a speed of ~120 knots (190 km/h). Most data were acquired by sampling (counting) at 1 second intervals (some of the oldest data were sampled every 2.5 seconds), which is equivalent to about 60 m on the ground. Airborne gamma spectrometry

15. Реєстрація гамма-випромінювання

16. Результати гамма-спектрометрії

17. Результати гамма-спектрометрії

18. Гамма-спектр

19. Поширення -випромінювання На інтенсивність -випромінювання, яке проходить через атмосферу на систему реєстрації, впливає вологість ґрунту. Збільшення вологості впливає на послаблення цього випромінювання.

20. ФОТОГРАФІЧНІ СИСТЕМИ • В основі техніки повітряної фотографії лежить створення зображень земної поверхні з авіаносіїв та супутників на фотоплівці. • Звичайно використовують чорно-білі панхроматичні, чорно-білі інфрачервоні, кольорові та кольорові інфрачервоні плівки. Фотографічні системи здатні створювати зображення об’єктів навколишнього середовища з високим рівнем розділення. • Фотографічні системи, що встановлюються на літаках, спроможні забезпечити знімки з висоти близько 20 км; розміри площі, яка фотографується, можуть досягати 3050 км2.

21. ФОТОГРАФІЧНІ СИСТЕМИ

22. Відеографічні системи

23. Відеографічні системи

24. Фотографічні та відеографічні системи

27. ВІДЕОГРАФІЧНІ СИСТЕМИ • Застосування відеокамер дає можливість створювати та записувати зображення у видимій, близькій та середній інфрачервоній областях спектра. • Перевагою відеосистем є невисока вартість, створення та накопичення послідовних зображень будь-якого процесу. • До недоліків цієї техніки можна віднести невисоке просторове розділення.

28. БАГАТОСПЕКТРАЛЬНІ СКАНЕРИ Принцип дії цих систем полягає в реєстрації спектрального відбивання об’єктами навколишнього середовища на певних спектральних ділянках видимого та інфрачервоного спектру (0,3-14 мкм ).

29. Багатоспектральний сканер

30. БАГАТОСПЕКТРАЛЬНІ СКАНЕРИ • Прилади багатоспектрального сканування, що встановлюються на супутниках, дозволяють отримати інформацію з роздільною здатністю близько 10 м, скануючи при цьому території розмірами 60-185 км. • Перевагою багатоспектральних сканерів є здатність використовувати вузькі спектральні ділянки і отримувати інформацію у цифровому форматі.

31. Поширення випромінювання видимої та близької інфрачервоної області спектра • У видимому діапазоні основний вклад в ослаблення оптичного випромінювання вносять молекули і аерозолі атмосфери. • Особливо багатими на лінії поглинання є асиметричні молекули, такі як H2O,O3. Молекули лінійні за своєю структурою (CO2, N2O, NO, CO, O2,N2) мають меншу кількість ліній на спектральний інтервал, хоча спектри цих молекул можуть бути складними

32. АЕРОЗОЛІ • При відсутності опадів атмосфера містить дисперговані тверді та рідкі частинки (льоду, пилу, ароматичних та органічних речовин, біологічних матеріалів), що мають розміри від декількох молекул до 40 мкм. • Такі колоїдні системи, в яких газ (в даному випадку – повітря) містить дисперговані частинки, називаються аерозолями.

33. Ослаблення оптичного випромінювання Під час проходження через атмосферу оптичне випромінювання зазнає ослаблення, яке визначається за законом Бера:  = е-z

34. Коефіцієнт ослаблення Величина коефіцієнта ослаблення залежить від процесів поглинання молекул kПМ, розсіювання молекул kРM, поглинання аерозолів kПА, та розсіювання аерозолів kРА, що присутні в атмосфері: = kПМ + kРM + kПA + kРA

35. Розсіювання світла Релей d < 0,05 Дебай 0,05 d Мі d >λ

36. Вікна прозорості атмосфери В інфрачервоній області спектра проходження електромагнітного випромінювання обмежене вікнами прозорості атмосфери ( 1,1 мкм; 1,2 мкм1,3 мкм; 1,5 мкм1,7 мкм; 2,0 мкм2,3мкм).

37. Пропускання атмосфери He:Ne CO2

38. Дистанційне зондування на основі лазерів полягає в опромінюванні об’єктів навколишнього середовища та реєстрації відбитого від об’єкта або розсіяного від нього лазерного випромінювання. ЛАЗЕРНІ СИСТЕМИ

39. Прилад для дистанційного зондування компонентів біосфери називається ЛІДАРом (від англійської фрази LIght Detection And Ranging ). ЛІДАР LIDAR

40. The Backscatter Lidar ThemeasurementprincipleoftheBackscatterLidarsystemsisbasedonelasticscatteringprocessesbysuspendedaerosols (dust, waterdroplets, icecrystals, blackcarbon) andmoleculesoftheatmosphere.

41. Лідар на основі реєстрації зворотного випромінювання • The backscattered radiation detected by a lidar is described by the lidar equation. • In general terms, the received power is expressed as a function of range R. • For a simple backscatter lidar (measuring backscattered light at the same wavelength as the laser wavelength), the lidar equation is written as:

42. Рівняння лідара Зворотне розсіювання описується таким рівнянням:

43. The Backscatter Lidar

44. Коаксиальна система лідара

45. Біаксиальна система лідара

46. The Backscatter Lidar

47. Sahara dust layer monitored using LB Lidar system

48. Лідар на основі реєстрації диференційного поглинання • В основу роботи диференційного лідара покладено принцип опромінювання об’єкта, що контролюється світлом із різними довжинами хвиль. • Випромінювання з однією (0) довжиною хвилі, яка співпадає з лінією поглинання об’єкта (газу чи забруднення) поглинається об’єктом, тоді як випромінювання з другою () довжиною хвилі, яка далека від лінії поглинання, набуває пружне розсіювання.

49. Критерієм оцінки забруднення атмосфери є відношення сигналів, які реєструються на обох довжинах хвиль Лідар на основі реєстрації диференційного поглинання

50. Лідар на основі реєстрації диференційного поглинання • Лідар такого типу отримав в англомовній літературі назву DIAL • (DІfferential Absorption Lidar) або DAS (Differential Absorption Аnd Scattering).