Remote Sensing Basics: Physics, Mathematics, and Truth Values Հեռազննման հիմունքներ. ֆիզիկա, մաթեմատիկա եւ ճշմարտացիության արժեքներ

Ներածություն

Այս բաժինը հեռազննման հիմքում ընկած ֆիզիկական եւ մաթեմատիկական սկզբունքների հիմնարար ակնարկ է: Այն հատկապես կենտրոնանում է հեռազննման կիրառություններից ստացված տվյալների, մոդելների եւ կանխատեսումների հուսալիության կամ «ճշմարտացիության արժեքի» գնահատման վրա: Քննարկումը ներառում է էներգիայի փոխազդեցության հիմնարար ֆիզիկան, տարբեր տեսակի սենսորների գործունեությունը, հեռազննման մեջ տեղեկատվության եւ գիտելիքների բնույթը, ինչպես նաեւ դասակարգումների ճշտության կամ ճշմարտացիության արժեքի գնահատման մեթոդները:

Հիմնական թեմաներ եւ կարեւոր գաղափարներ/փաստեր

Հեռազննման հիմնարար հիմքն է Էներգիայի փոխազդեցության ֆիզիկան:

• Հեռազննումը հիմնականում հիմնված է առարկաների եւ մոլեկուլների հետ էներգիայի (մասնավորապես՝ ֆոտոնների տեսքով էլեկտրամագնիսական ճառագայթման) փոխազդեցության վրա։
• Ֆիզիկան (սովորական, ոչ միջուկային պայմաններում) հիմնականում հիմնված է էլեկտրոնների եւ ֆոտոնների միջոցով ատոմների եւ մոլեկուլների փոխազդեցության վրա։
• Սենսորները նկարագրվում են որպես փոխակերպիչներ, որոնք տվյալների հավաքագրման համար էներգիան փոխակերպում են մեկ տիրույթից մյուսը։

Սենսորի աշխատանքը եւ էներգիայի փոխակերպումը

• Ժամանակակից հեռազննման սենսորների մեծ մասը հիմնված է ֆոտոններն էլեկտրոնների փոխակերպող բջիջների զանգվածների վրա։
• Այս փոխակերպումը ներառում է ֆոտոնների էներգիայի փոխանցումն էլեկտրոններին, որը դրանց թույլ է տալիս դուրս գալ լարման պոտենցիալ «հորերից» կամ «դույլերից»։
• Այս փոխակերպման արդյունավետությունը (ֆոտոնի փոխակերպումն «ազատ» էլեկտրոնի) կոչվում է քվանտային արդյունավետություն։
• Յուրաքանչյուր սենսորային բջջում կոնդենսատորի վրա լարումը բջիջ մտած ֆոտոնների քանակական բնութագիրն է։
• Ջերմային ինֆրակարմիր սենսորները բախվում են ֆոտոններից գեներացվող էլեկտրոնները՝ սենսորային տարրերում ջերմությունից գեներացվող ֆոտոններից եւ էլեկտրոններից տարբերակման հետ, որը հաճախ պահանջում է սառեցում։ Առավել մատչելի սենսորները (բոլոմետրերը) հիմնվում են յուրաքանչյուր բջջի ջերմաստիճանի փոփոխությունների չափման վրա։
• Միկրոալիքային տիրույթում մեկ ֆոտոնի ալիքի ցածր էներգիան դժվարեցնում է ազատ էլեկտրոնների առաջացումը։ Դրա փոխարեն, միկրոալիքային ֆոտոնների էլեկտրական դաշտն օգտագործվում է էլեկտրամագնիսական ռեզոնատորի լարման եւ հոսանքի փոփոխությունների մեծացման համար։

Ռեզոնանսի կարեւորությունը

• Ռեզոնանսը սենսորի հիմնական սկզբունքն է, հատկապես միկրոալիքային եւ ռադիոալիքային ճառագայթումները հայտնաբերելիս։
• Ռեզոնատորը նման է ճոճանակի. իր բնական հաճախականությամբ սեղմման դեպքում, դրա ամպլիտուդը մեծանում է։
• «Ինչո՞ւ է ռեզոնանսի սկզբունքը կարեւոր»։
• Ֆոտոնի էլեկտրոնի հետ փոխազդեցության դեպքում, էլեկտրոնները բարձրանում են էներգիայի առավել բարձր մակարդակներ, եթե դրանց տատանումների էներգիան արձագանք է գտնում ֆոտոնի դինամիկ էներգիայի հետ։
• Միկրոալիքային եւ ռադիոալիքային ճառագայթումներ հայտնաբերելիս ռեզոնանսը թույլ է տալիս ալիքներին ալեհավաքի (որը գործում է որպես երկդաշտ ալեհավաք) հետ նույն հաճախականությամբ կուտակել հայտնաբերման համար բավարար ամպլիտուդ։

Էլեկտրամագնիսական ճառագայթում (ԷՃՃ) հասկացությունը՝ ճշմարտացիությունը գնահատելիս

• Էլեկտրամագնիսական ճառագայթման վերաբերյալ պնդումների ճշմարտացիության գնահատման համար անհրաժեշտ է հասկանալ ստատիկ/պոտենցիալ ու դինամիկ/շարժման էներգիաներ հասկացությունները։
• Սա նման է տատանումների ճոճանակի, որտեղ պոտենցիալ էներգիան ուղիղ համեմատական ​​է բարձրությանը, իսկ կինետիկ էներգիան՝ արագության քառակուսուն։
• Էլեկտրամագնիսականության մեջ պոտենցիալ էներգիան ուղիղ համեմատական ​​է էլեկտրական դաշտին (E), իսկ կինետիկը՝ էլեկտրոնների/լիցքի շարժմանը/տեղաշարժին, որը ստեղծում է մագնիսական դաշտ (M)։
• «Էլեկտրական ճոճանակ եւ ռեզոնատոր», որը ցույց է տալիս էներգիայի ներդաշնակ հոսքն առավելագույն լարման (էլեկտրական դաշտի հետ կապված) եւ առավելագույն հոսանքի (մագնիսական դաշտի հետ կապված) միջեւ։ Էլեկտրամագնիսական ու մագնիսական դաշտերը չեն կարող միաժամանակ ունենալ նույն վեկտորային արժեքը։ Անհրաժեշտ է ստուգել էլեկտրամագնիսական դաշտի վերաբերյալ գրաֆիկների ճշմարտացիությունը հեռազննման մասին ձեռնարկներում։

Տարբեր դաշտերում (ակուստիկ, միկրոալիքային, օպտիկական/քվանտային) արհեստական ​​ռեզոնատորները կարեւոր դեր են խաղում էներգիայի կուտակման եւ անջատման գործում։

Նկար 1. Պոտենցիալ էներգիա = mgh (m-ը զանգվածն է եւ չափվում է կիլոգրամներով, g-ն՝ ազատ անկման արագացումը եւ հավասար է 9.8 մ/վ², իսկ h-ը՝ բարձրությունը եւ չափվում է մետրերով): Կինետիկ էներգիա = ½ mv² (m-ը զանգվածն է, v-ն՝ արագությունը)

Նկար 2. Էլեկտրամագնիսական (ԷՄ) ճառագայթման ալիք

Ֆոտոնների եւ միկրոալիքային ճառագայթների հատկությունները

• Շատ կիրառություններում էլեկտրական դաշտի (E) ազդեցությունը շատ ավելի ուժեղ է, մագնիսականից (M): E-դաշտի հատկություններն օգտագործվում են M-դաշտի հատկություններն ստանալու համար։
• E-դաշտն ունի բեւեռացման անկյուն։
• Հաճախականությունը E(t) մոդելի (f = 1/T) վերարտադրման համար անհրաժեշտ ժամանակահատվածի հակադարձ մեծությունն է:
• Ալիքի երկարությունը կախված է հաճախականությունից եւ միջավայրից (λ = c/f):
• Էլեկտրաօպտիկական սարքերի ելքը սենսորային բջջի վրա «գրավված» ֆոտոնների քանակի գնահատականն է էքսպոզիցիայի կամ ինտեգրման ժամանակ։
• Ֆոտոնի էներգիան արտահայտվում է ջոուլներով կամ eV էլեկտրոն-վոլտերով։

Ֆոտոնների տեսակավորում եւ ֆիլտրում

• Ֆոտոնները տեսակավորվում կամ «զտվում» են իրենց հատկությունների հիման վրա, ինչպիսիք են ալիքի երկարությունը։
• RGB եւ ինֆրակարմիր տեսախցիկները սովորաբար օգտագործում են ընտրողական ռեզոնանսային կլանման ֆիլտրեր։
• Բացթողման գոտիները հաճախականության գոտիներ են, որտեղ ֆոտոնները չեն վերածվում «ջերմային» էլեկտրոնների։
• Ֆոտոնների էներգիայի կլանումը կարող է հանգեցնել ջերմային էներգիայի տեսքով դեկոհերենցիայի, քիմիական ռեակցիաներում (քլորոֆիլ) քվանտային էֆեկտների կամ վերաճառագայթման (ֆլուորեսցենցիա)։
• Ինտերֆերենցիոն ֆիլտրերն օգտագործում են ռեզոնանսային խոռոչներ՝ ալիքի փոքր միջակայքով երկարությունների կամ համարժեք հաճախականությունների անցկացման համար։
• Անդրադարձված ֆոտոնները, որպես կանոն, վերաբեւեռացվում են։

Հեռազննում. չափում, տեղեկատվություն եւ գիտելիք

• Չափում - տարածաժամանակի երկու օբյեկտների միջեւ փոխազդեցություն, որն այդ փոխազդեցության մասին տվյալներ է ստեղծում։
• Տեղեկատվություն - հնարավոր հարցերի եւ պատասխանների միջեւ կապը։ Օգտակար տեղեկատվությունը պետք է մատնանշի օգտագործված տվյալները եւ փոխազդեցության մոդելները։ Սա վիճակագրական կապ է։
• Պատասխանի ճշմարտացիություն (օրինակ՝ մոդելի) - պատասխանի հավանականությունն է՝ տրված տվյալներով եւ մոդելով։ Ֆոտոնների հաշվարկի հավանականության մոդելը պետք է լինի ասիմետրիկ, ինչպիսին է Պուասոնի բաշխումը՝ կեղծ տեղեկատվության ստացման մեթոդից խուսափելու համար։
• Գիտելիք - հիմնված վարկածների եւ չափված ապացույցների վրա։ Գիտելիք (վարկած (i)) = հավանականություն (հավանականություն (i)՝ տրված ապացույց(j))։
• Ֆոտոնային սենսորներից ստացված օբյեկտների մասին գիտելիքը կարող է հիմնված լինել վերահսկելի փորձերի հաճախականության կամ համընկնման վիճակագրության հաշվարկների վրա։
• Վարկածները կարող են լինել տարբեր (ռադիոմետրիկ, ձեւի, երկչափ/եռաչափ ձեւանմուշներ)։ Նախընտրելի է դրանք ձեւակերպել որպես տարածական եւ սպեկտրալ բնութագրերի կանխատեսման մոդելներ։

Դասակարգումների ճշմարտացիության արժեքի գնահատումը

• Այս բաժինը կենտրոնանում է ընդհատ դասերի վարկածների հուսալիության գնահատման վրա։
• Դասակարգման համար «ճշմարիտ» կամ «ճշմարտության» հավանականությունը ներկայացվում է՝ տվյալների դասակարգված նմուշների ճշմարիտ եւ կեղծ հաճախականությունների համեմատության միջոցով։
• Այս գիտելիքը պետք է անկախ լինի նմուշի չափից (պետք է լինի բավականաչափ մեծ)։
• Գործընթացը ներառում է հավանականության համեմատությունն ապացույցների հաճախականության (Ei) հետ՝ հաշվի առնելով դասը (Ci)։
• Տրված տվյալների բազմության միջին հավանականությունը (բոլոր վարկածների, դասերի համար) տալիս է դասակարգման արդյունքի ճշմարտացիության գնահատական։
• Յուրաքանչյուր տվյալի հավանականության զանգվածի համեմատությունն առավելագույն հավանականության հետ ստեղծում է ճշմարտության երկակի մոտարկում «կեղծ ճշմարտությանը»։
• Պատահականության (կամ շփոթության) մատրիցն օգտագործվում է ճիշտ եւ սխալ դասակարգումների հաճախականությունների ցուցադրման համար։
• Պատահականության մատրիցից ստացված ճշմարտացիության մատրիցը կարեւոր նշանակություն ունի որոշումների կայացման ժամանակ, քանի որ այն ընդգծում է ճիշտ դասակարգման առավելությունների եւ սխալ դասակարգման արժեքների միջեւ փոխզիջումները։

2.3. Հիմնական մեջբերումներ

• Ֆիզիկան սովորական պայմաններում հիմնականում հիմնված է ատոմների եւ մոլեկուլների փոխազդեցության վրա՝ էլեկտրոնների եւ ֆոտոնների միջոցով։
• «Սենսորը փոխակերպիչ է, որը էներգիան փոխակերպում է մեկ տիրույթից մյուսը, եւ որն առավել հասանելի է տվյալների հավաքագրման համար»։
• «Ժամանակակից հեռազննման պրակտիկայում պատկերման սենսորների մեծ մասը հիմնված է բջիջների զանգվածների կամ մատրիցների վրա, որոնք hf էներգիայով (Պլանկի հաստատունի ու հաճախականության արտադրյալ) ֆոտոնները փոխակերպում են էլեկտրոնների, որոնք բավարար էներգիա ունեն՝ յուրաքանչյուր բջջի էներգիայի «հորերից» կամ «դույլերից» ազատորեն դուրս գալու համար»։
• «Կոնդենսատորի լարումը սենսորի յուրաքանչյուր բջիջ մտնող ֆոտոնների քանակական բնութագիրն է»։
• «Ինչո՞ւ է ռեզոնանսի սկզբունքը կարեւոր»։
• «Չափում. տարածաժամանակի երկու օբյեկտների միջեւ փոխազդեցություն, որը տվյալներ է ստեղծում այդ փոխազդեցության մասին»։
• «Տեղեկատվություն. (հնարավոր) հարցերի եւ պատասխանների միջեւ կապը։»
• «Գիտելիքը հիմնված է վարկածների եւ չափված ապացույցների վրա։» K(վարկած (i)) = հավանականություն (վարկած (i)՝ տրված ապացույց(j)-ի դեպքում)»:
• «Այս ճշմարտության մատրիցը շատ կարեւոր է որոշումների կայացման համար, երբ ՃՇՄԱՐԻՏ դասակարգման առավելությունները կարող են տարբերվել սխալ դասակարգման արժեքներից»:

2.4. Եզրակացություն

Ուսումնական ձեռնարկը մանրամասն տեխնիկական պատկերացում է առաջարկում հեռազննման համակարգերի ֆիզիկական գործունեության եւ դրանց տվյալների ճշգրտության ու հուսալիության գնահատման վերաբերյալ։ Այս հասկացողության համար կենտրոնական տեղ են զբաղեցնում սենսորների էներգիայի փոխակերպման հայեցակարգերը, ռեզոնանսի կարեւորությունը եւ տեղեկատվության ու գիտելիքի վիճակագրական բնույթը։ Դասակարգումների համար ճշմարտացիության գնահատման մանրամասն բացատրությունն ընդգծում է հեռազննման տվյալների օգտակարության գնահատման գործնական կողմերը՝ որոշումների կայացման համար։