Пилотируемая / космос сквозная лекция · оптика среды

Отражение, рассеяние, поглощение

Почему объект виден на фоне — и почему в другом канале он пропадает. Контраст Вебера с А05 здесь становится спектральным: яркость зависит от длины волны, атмосферы и BRDF. Индексы (NDVI и соседи) — сжатие этой физики в одно число, не «магия ГИС».

1. Что регистрирует сенсор

На пассивной съёмке в оптике и ближнем ИК приёмник видит не «цвет предмета», а сумму:

  1. отражённый солнечный поток, прошедший атмосферу вниз и вверх;
  2. путевое излучение (path radiance) — свет, рассеянный в атмосфере в сторону камеры, так и не коснувшись земли;
  3. для теплового ИК — собственное излучение поверхности и атмосферы (закон Планка), отражённое Солнце уже слабо.

Lсенсор = T · Lземля + LpathT — пропускание столба воздуха; Lpath — дымка как добавка

Отсюда два разных «контраста»: объект/фон на земле и то, что осталось после дымки. ФПМ атмосферы на А05 — про второе плюс размытие.

2. Поглощение

Фотон исчез: энергия ушла в возбуждение молекулы (полосы O2, H2O, CO2, O3). Закон Бугера–Ламберта–Бера для однородной среды:

I = I0 · e−τ, τ = k · sτ — оптическая толщина, s — путь, k — коэффициент среды

Окна прозрачности — интервалы λ, где τ атмосферы мало: видимый, NIR около 0,8 мкм, SWIR 1,6 и 2,2 мкм, отдельные щели в тепловом ИК (≈ 8–14 мкм), микроволны. Вне окон съёмка «в землю» бессмысленна: сигнал съедает газ. Таблица окон — у Савиных / на каркасе атмосферы.

У поверхности тоже поглощение: хлорофилл в красном, вода в NIR, минералы в SWIR. Это уже не атмосфера, а сигнатура.

3. Рассеяние и атмосферная дымка

Фотон не исчез, а сменил направление.

Дымка в кадре — в основном аддитивная Lpath: гистограмма уезжает вправо, чёрный становится серым, контраст Вебера падает. Вычитание дымки (DOS, dark object) — попытка оценить Lpath по самым тёмным пикселям. Это радиометрия ДЗЗ, не «фильтр тумана» в телефоне.

Рефракция смещает направление луча (геометрия, не яркость) — отдельная поправка для точной засечки и для космоса.

Операционно: пилотируемая АФС утром после тумана и в полдень при высокой влажности — разные Lpath. Связка с пилотируемой АФС: дымка — причина переноса вылета, не «покрасим в Photoshop».

4. Отражение

Коэффициент спектрального отражения ρ(λ)

Доля падающего потока, возвращённая поверхностью на длине волны λ. Кривая ρ(λ) — спектральный портрет материала (K04 / USGS Spectral Library).

Ламберт: яркость не зависит от направления взгляда, ρ постоянна по полусфере — удобная ложь для орто и классификации. Зеркало: блик, солнечная дорожка на воде, крыша. Реальность — BRDF: ρ(λ; ωi, ωr). На АФС это даёт разные яркости одной крыши на соседних маршрутах (горячая точка, BRDF-эффект). Для кадастрового орто это брак радиометрии, не дыра геометрии.

Растительность: низкое ρ в красном (хлорофилл), скачок на красном крае к NIR (мезофилл рассеивает NIR). Почва — плавный рост к SWIR. Вода — почти ноль в NIR (поглощение). Снег — высок в VIS, падает в SWIR. Город — высокий SWIR относительно NIR (NDBI).

5. Контраст объекта на фоне — по каналам

Контраст Вебера с А05:

k(λ) = (Bобъект(λ) − Bфон(λ)) / Bфон(λ)

Танк на зелени в панхроме может быть серым на сером; в NIR растительность вспыхивает, техника темнеет. Вода в RGB «тёмно-синяя», в NIR — почти чёрная дыра, берег читается. В тепловом ИК ночью контраст зданий другой, чем днём. В SWIR горят следы пожара (NBR).

После дымки наблюдаемый контраст:

k′ ≈ k · T / (1 + Lpath / (T · Bфон))качественно: T↓ и Lpath↑ убивают k; синий канал страдает сильнее красного

Поэтому аэрофототопография любит панхром / зелёно-красный, а дешифрирование растительности — NIR. Паншарпенинг смешивает геометрию панхрома с цветом MS — смотреть ΔE «до/после» (А05).

6. Как читать спектральную кривую

По оси X — длина волны, по Y — ρ. Каналы сенсора — широкие корзины (Sentinel-2 B4 красный ≈ 665 нм, B8 NIR ≈ 842 нм; Landsat иначе — не копировать номера слепо). Индекс имеет смысл только если вы знаете, какие корзины подставили.

Интерактив Landsat: GEE band explorer (Лобанов) — из методички К04.

7. Спектральные индексы

Идея: вычесть канал, где объект тёмный, из канала, где он светлый, и нормировать на сумму, чтобы освещённость и чувствительность сенсора меньше врали (тень леса: NIR и RED падают пропорционально, NDVI держится — слайд К04).

NDVI = (NIR − RED) / (NIR + RED)диапазон −1…+1; вода < 0; почва ∼ 0,1; зелень 0,3…0,8

NDWI = (GREEN − NIR) / (GREEN + NIR)Макфетерс, 1996: вода ярче в зелёном, чем в NIR; есть вариант Gao с SWIR

NDBI = (SWIR − NIR) / (SWIR + NIR)застройка / голая почва vs растительность

NBR = (NIR − SWIR) / (NIR + SWIR)гари: SWIR растёт, NIR падает; dNBR = до − после пожара

SAVI добавляет почвенный член L ≈ 0,5, чтобы редкая растительность не тонула в почве. Каталог формул: Index DataBase (слайд 26 К04).

Индекс — не класс в кадастре. Порог NDVI «лес» плавает по сезону, сенсору и атмосфере. Атмосферная коррекция (DOSBAR, Sen2Cor) меняет ρ, значит меняет индекс. Для учебной пары достаточно: посчитать NDVI на двух каналах орто/космоснимка и показать, где вода врёт из-за тени.

Растровая алгебра К04 (локальные операции +, −, ×, / по пикселю) — язык, на котором индексы считаются. Мост к семестру 6, физика — эта лекция.

8. Вопросы

  1. Чем Lpath отличается от ослабления T? Что аддитивно, что мультипликативно?
  2. Почему синий канал «дымнее» красного? Какой закон?
  3. Зачем нормировать VI на сумму, если можно NIR − RED?
  4. Приведите объект, который в RGB сливается с фоном, а в NIR — нет.
  5. Почему NDVI леса в тени и на солнце ближе, чем простая разность?
  6. Индекс заменяет дешифрирование А07?

Литература

Основная

Дополнительная