PODSTAWY TELEDETEKCJI

PODSTAWY TELEDETEKCJI

WYKŁAD 1

–

Zagadnienia wstępne

–

Podstawy fizyczne teledetekcji

–

Pozyskiwanie danych

teledetekcyjnych

Program wykładów

Wykład 1

–

Zagadnienia wstępne

–

Podstawy fizyczne teledetekcji

–

Pozyskiwanie danych teledetekcyjnych

Wykład 2

–

Wstępna obróbka obrazów

–

Wzmacnianie obrazów

–

Klasyfikacja obrazów satelitarnych

Wykład 3

–

Satelity i misje badawcze

–

Monitoring zjawisk globalnych

Wykład 4

–

Monitoring zjawisk lokalnych

Tematyka wykładu 1

•

Definicja teledetekcji i jej znaczenie

•

Podział metod teledetekcji

•

Spektrum elektromagnetyczne

•

Wpływ atmosfery na promieniowanie elektromagnetyczne

•

Charakterystyka podstawowych zakresów spektrum stosowanych

w teledetekcji

•

Charakterystyka spektralna obiektów

•

Obraz spektralny wybranych rodzajów pokrycia terenu

–

Roślinność

–

Wody

•

Systemy pozyskiwania danych

•

Systemy satelitarne

Co to jest teledetekcja?

(ang.

Remote Sensing

, fr.

Teledetection

, niem.

Fernerkundung

,

czes.

Dálkový Průzkum Země

)

gr.

tele

– daleko,

detectio

– wykrywanie.

Dział nauk technicznych zajmujących się pozyskiwaniem

wiarygodnych informacji o obiektach fizycznych i ich otoczeniu

drogą rejestracji, pomiaru i interpretacji obrazów lub ich

reprezentacji cyfrowych uzyskiwanych dzięki sensorom nie

będącym w bezpośrednim kontakcie z tymi obiektami.

(Międzynarodowe Towarzystwo Fotogrametrii i Teledetekcji. 1988)

Jest to najdroższy sposób tworzenia obrazków.

(A. Bashfield, INTERGRAPH Corporation)

Zalety obrazów teledetekcyjnych

• szybkość wykonania przy rejestrowaniu większej

liczby szczegółów, niż podczas długotrwałego

kartowania terenowego

• cykliczność pozyskiwania - możliwość uchwycenia

dynamiki zjawisk

• są źródłem informacji o obiektach i procesach

niedostrzegalnych wzrokiem (np. kondycji zdrowotnej

roślin, zanieczyszczeniu wód)

• umożliwiają określenie charakterystyk liczbowych

na wielkich przestrzeniach (temperatura wód

morskich)

• są źródłem informacji o zjawiskach

wielkoobszarowych nieuchwytnych innymi

sposobami (systemy chmur)

Metody teledetekcji

KONWENCJONALNE

fotografia

zdjęcia z balonów, samolotów,

promów kosmicznych, SSZ

pozyskiwane w wąskim zakresie

spektrum elektromagnet.

(promieniowanie widzialne, bliska

podczerwień, termalne)

postać analogowa jak i cyfrowa

duża rozdzielczość przestrzenna

zastosowanie: zdjęcia (zwłaszcza

lotnicze) mogą uchwycić wiele detali

– opracowanie wielkoskalowych map

topograf., budowa NMT, sporządzanie

ortofotomapy

NIEKONWENCJONALNE

obrazy generowane za pomocą

radiometrów i skanerów

umieszczonych zwykle na SSZ

pozyskiwane w szerokim zakresie

spektrum elektromagnetycznego

sposób generowania wnosi do tego

rodzaju obrazów specyficzne

zniekształcenia i niedokładności,

różniące się do fotografii

obecnie w większości w postaci

cyfrowej

nieduża rozdzielczość przestrzenna

obrazów (stale rośnie)

zastosowanie: kartowanie

tematyczne, GIS, monitoring

środowiska, meteorologia, itp.

Metody teledetekcji

AKTYWNE

źródło promieniowania

nie

jest

pochodzenia

zewnętrznego.

Promieniowanie sztucznie

(aktywnie) wysyłane ze

źródła umieszczonego na

nośniku

w kierunku badanego

obiektu lub ośrodka

systemy radarowe
sonar
noktowizja

PASYWNE

źródło promieniowania

jest

pochodzenia zewnętrznego

BEZPOŚREDNIE:

źródłem informacji jest promieniowanie

słoneczne odbite od powierzchni Ziemi

fotografia

POŚREDNIE

źródłem informacji jest promieniowanie

własne obiektów na powierzchni Ziemi

lub

w atmosferze

termowizja
techniki mikrofalowe

Fizyczne podstawy teledetekcji

W

badaniach

powierzchni

Ziemi

najpowszechniej

wykorzystuje

się

zjawisko

promieniowania

elektromagnetycznego.

Możliwość rejestracji wszystkich jego zakresów ale w

badaniach

środowiska

geograficznego

metodami

bezkontaktowymi wykorzystuje się tylko niektóre.

Wszystkie postacie energii elektromagnetycznej są

dziedzicznie podobne i można je opisać dwojako: jako

falę i jako strumień fotonów.

Fala elektromagnetyczna to

rozchodząca się w przestrzeni i

czasie spójna zmiana pola

elektrycznego

i magnetycznego.

Każdej fali można przyporządkować długość

λ

(odległość między

kolejnymi ekstremami fali) i częstotliwość

v

(liczbę cykli, które w

czasie sekundy przechodzą przez ustalony punkt).

Wielkości te są ze sobą związane zależnością określającą

prędkość

c

rozchodzenia się fal elektromagnetycznych (w próżni

wielkość stała)

c = λ v

Klasyfikacja

promieniowania

elektromagnetyczn

ego

Poszczególnym zakresom

długości fal przypisano

pewne nazwy, ale nie ma

ustalonej wyraźnej granicy

pomiędzy sąsiednimi

zakresami spektralnymi.

• fale radiowe i telewizyjne

• promieniowanie mikrofalowe

• podczerwień termalna

• podczerwień bliska

• promieniowanie widzialne

(0,4 – 0,7 μm)

• ultrafiolet

• promieniowanie X
• promieniowanie

γ

(gamma)

• promieniowanie kosmiczne

W teledetekcji wykorzystuje

się promieniowanie w

zakresie

0,1 μm do 1m.

Promieniowanie elektromagnetyczne można także
traktować jako strumień cząstek (kwantów, fotonów),
pozbawionych masy spoczynkowej ale niosących określoną

(w dżulach – J) energię Q (M. Planck, A. Einstein).

Energię fotonu wyraża związek:

v – częstotliwość
h – stała Planck’a (h = 6,626x10

-34

J s)

Związek między teorią falową a kwantową można wyrazić
wzorem:

Czym większa długość fali, tym promieniowanie ma niższą
energię – ma to olbrzymie znaczenie dla teledetekcji.

Kwantowa teoria promieniowania

elektromagnetycznego







c

h

Q

v

h

Q





Wpływ atmosfery na promieniowanie

elektromagnetyczne

Wpływ atmosfery na charakterystyki prom.
elektromagnetycznego, zależy od grubości warstwy atmosfery,
wielkości emitowanego sygnału, warunków atmosferycznych oraz
długości fali.

Rozpraszanie

• molekularne

• aerozolowe

• nieselektywne

Części spektrum, w których promieniowanie

jest minimalnie modyfikowane przez

atmosferę i niemal w całości dociera na

powierzchnię Ziemi, to tzw.

okna

atmosferyczne

.

Pozostałe części spektrum to

tzw

.

pasy absorpcyjne gazów (H

2

O, CO

2

. O

3

)

.

Pochłanianie (absorpcja
atmosferyczna)

Okna atmosferyczne i pasy absorpcyjne gazów

atmosferycznych

Charakterystyka podstawowych zakresów

promieniowania elektromagnetycznego

stosowanych w teledetekcji

6 podstawowych obszarów spektrum elektromagnetycznego

znajdujących zastosowanie w teledetekcji:

PROMIENIOWANIE ULTRAFIOLETOWE (UV) (0,1 – 0,4 μm)

w większości pochłaniane przez atmosferę
szkodliwe dla organizmów żywych
zastosowania w geologii poszukiwawczej

PROMIENIOWANIE WIDZIALNE (0,4 – 0,7 μm)

jego źródłem jest Słońce – można je wychwycić tylko w ciągu dnia

jest zdolne do przenikania wody na różną głębokość (zwłaszcza
niebieska część spektrum – do 30m) – umożliwia badanie
środowisk wodnych

z historycznego punktu widzenia jest najczęściej stosowanym
promieniowaniem w teledetekcji – nie zawsze jednak jego
zastosowanie jest najwłaściwsze

BLISKA PODCZERWIEŃ (0,7 – 1,4 μm)

podobne właściwości jak promieniowanie widzialne, ale mniej od

niego rozpraszane i pochłaniane przez atmosferę; efekt: obrazy

ostre o dobrym kontraście

największe zastosowania znajduje w badaniach wegetacji dla

potrzeb leśnictwa i rolnictwa

woda zachowuje się niemal jak ciało doskonale czarne

ŚREDNIA PODCZERWIEŃ (1,4 – 3 μm)

obejmuje dwa okna atmosferyczne ze środkami około 1,5 i 2,2 μm

okno pierwsze: umożliwia dobre rozróżnienie rodzajów wegetacji,

nadaje się do rozpoznawania lodu i śniegu, do wyodrębnienia

zachmurzenia, do badań stanu zdrowotnego wegetacji

PODCZERWIEŃ TERMALNA (3 μm – 1 mm)

wykorzystywane m.in. do określania powierzchniowej temperatury
oceanów (SST), lokalizowania i określania rozmiarów pożarów
lasów, kartowania cieplnego zanieczyszczenia rzek, jezior, miejskich
wysp ciepła

W zakresie 8-12 μm wielkość emitowanego prom. cieplnego
przewyższa wielkości odbitego promieniowania słonecznego –
pomiary można wykonywać całą dobę.

PROMIENIOWANIE MIKROFALOWE (1 mm – 1m)

najmniej uzależnione od warunków pogodowych (wyraźne
osłabienie promieniowania tylko w czasie dużego deszczu)

przy dobrych warunkach te długie fale mogą przenikać także pod
powierzchnię Ziemi

zastosowania:

w meteorologii do określania obszarów deszczu, intensywności
opadów
w oceanografii do monitorowania zanieczyszczeń ropą,
rozchodzenia się fal
morskich, pływającego lodu
w kartowaniu zjawisk powodziowych

Teoria zachowania spektralnego

Energia elektromagnetyczna docierająca do Ziemi może
być odbijana, pochłaniana lub przewodzona.

Wielkość odbijanej energii zależy od:

• rodzaju obiektu i jego właściwości fizycznych i
chemicznych

• długości fali elektromagnetycznej

Dwa obiekty odbijające podobną wielkość promieniowania
w jednym interwale spektrum, mogą odbijać różne
wielkości promieniowania w innym interwale spektrum. Na
tej podstawie sformułowano

teorię

zachowania

spektralnego

.

Lillesand, Kiefer 1994

Selektywność odbijania energii w odniesieniu do różnych
zakresów spektrum przejawia się w ramach części
widzialnej efektem barwy obiektów.

Charakterystyka spektralna obiektów

Wielkość promieniowania odbitego można określać tzw.

współczynnikiem odbicia spektralnego

ρ(λ),

który można

definiować np. jako stosunek intensywności
promieniowania odbitego

(M

r

)

do intensywności

promieniowania docierającego

(M

i

)

w określonej

długości fali – w %.

[%]

100

)

(

M

)

(

M

)

(

i

r













Każdy materiał na Ziemi odznacza się swoją własną
charakterystyką spektralną.

To, czy obiekt jest widoczny na określonym obrazie, zależy
od ilości odbitego promieniowania. Jeśli odbija małe ilości
promieniowania, będzie widoczny jako ciemny i vice
versa.

Dla danego obiektu można zestawić zależność między

długością fali a jego współcz. odbicia spektralnego, której

obrazem graficznym jest

krzywa odbicia spektralnego

Krzywe te mają zawsze typowy przebieg dla danej grupy

obiektów (wegetacja, gleba, woda)

Roślinność
c.d.

Roślinność
c.d.

Ponieważ oko ludzkie nie jest wrażliwe na promieniowanie podczerwone roślinność
jawi nam się jako zielona.

Na c-b obrazach podczerwonych będzie o wiele jaśniejsza w porównaniu z widzialną
częścią spektrum, gdyż odbija o wiele więcej promieniowania w podczerwieni.

Charakterystyka spektralna drzew liściastych
i iglastych w widzialnej części spektrum jest
niemal identyczna, ale w podczerwieni drzewa
iglaste odbijają mniej promieniowania niż
liściaste.

interpretacja występowania drzew liściastych i
iglastych –
– zdjęcia wykonane w podczerwieni –
– drzewa liściaste jaśniejsze od iglastych

Wielki wpływ na krzywą odbicia spektralnego
roślin ma ich stan zdrowotny.

uszkodzona roślina – obniżenie aktywności
chlorofilu

efekt: większe odbijanie promieniowania w
niebieskiej
i czerwonej części spektrum widzialnego oraz
wyraźny spadek odbijania w podczerwieni

zwiększone odbijanie w części czerwonej
spektrum widzialnego skutkuje żółknięciem liści

(czerwony + zielony = żółty)

– w przeciwieństwie do innych materiałów czy typów powierzchni

wody są materiałem względnie homogenicznym

– na obrazach może występować w różnych stanach skupienia,

których właściwości odbijania różnią się między sobą

– modyfikuje charakterystyki spektralne wszystkich materiałów w

których występuje

– odznacza się b. niskim wsp. odbicia spektralnego we wszystkich

długościach fal max – widzialna część spektrum, min – w

podczerwieni

(niemal jak c.d.cz.)

Woda

wsp. odbicia spektralnego rośnie w miarę zwiększającej się ilości
zanieczyszczeń czy planktonu: więcej chlorofilu – zmniejszenie
odbicia w niebieskiej a zwiększenie w zielonej części spektrum

Zmiany koncentracji O

2

, zmiany pH czy zasolenia nie objawiają się

wprost zmianami charakterystyki spektralnej wody, ale często są
skorelowane z innymi zjawiskami mającymi wpływ na wielkość
odbijanego czy emitowanego promieniowania.

Systemy satelitarne

• 1960 pierwszy satelita meteorologiczny TIROS-1

• 1972 – uruchomienie pierwszego satelity Earth Resources

Technology Satellite (ERTS-1) –przemianowanego na
Landsat-1

• większość satelitów tworzy tzw. systemy satelitarne –

grupy satelitów o podobnych parametrach technicznych,
porównywalnych pozyskiwanych danych obrazowych,
zbliżonych parametrach urządzeń rejestrujących,
np. system LANDSAT, SPOT, METEOSAT

Orbita równikowa

• satelita okrąża Ziemię

w płaszczyźnie równika

• odległość od Ziemi tak

dobrana, aby czas obiegu
Satelity był równy czasowi
obrotu Ziemi (~36 000 km)

• dla obserwatora na Ziemi –

satelita w stałym punkcie

– satelita geostacjonarny

•

mała rozdzielczość przestrzenna

• duża częstotliwość pozyskiwania obrazów

• monitorowanie procesów synoptycznych

• satelity: METEOSAT (ESA), GOES (NASA), GMS (jap),
GOMS (ros)

Orbita skośna

• płaszczyzna orbity nachylona do płaszczyzny równika

pod kątem 30 - 65° (α – kąt inklinacji)

• orbity statków kosmicznych z załogą ludzką

(wahadłowce)

• orbity satelitów GPS,
GALILEO, GLONASS

• wysokość orbity –

kilkaset km

• dane teledetekcyjne nie są pozyskiwane regularnie

Orbita subpolarna

• synchroniczna ze Słońcem – satelita

jest zawsze w tym samym położeniu
względem Słońca, a nad danym
miejscem znajduje się zawsze o tej
samej godzinie czasu miejscowego

• NOAA, LANDSAT, SPOT, IKONOS

•

satelity poruszają się w przybliżeniu

wzdłuż południków

• kąt inklinacji 80 – 100°

• wysokość orbity 700 – 1000 km

• 12 -15 okrążeń na dobę

• na stronie oświetlonej obiega Ziemię

w kierunku N-S