SATELITAR E OBSERWACJE ZIEMI W BADA IACH AUKOWYCH
BOGDA ZAGAJEWSKI (U IWERSYTET WARSZAWSKI)
Żartobliwie można by powiedzieć, że najpierw pojawiła się teledetekcja, a potem człowiek, bo wszelkie zmysły,
które pomagają w postrzeganiu świata, zdobywaniu pokarmu bazują na tym, iż najpierw należy zobaczyć,
usłyszeć lub wywęszyć jakiś pokarm, a dopiero wejść w kontakt z nim i go zjeść. Wszelkie zdalne zdobywanie
informacji to jest właśnie teledetekcją. Każdy z nas wykorzystuje teledetekcję w swoim życiu codziennym, czy
to oglądając świat który nas otacza, czy robiąc zdjęcia lub filmy. Wszystko zmierza do tego by pozyskać jakąś
informacje i często ją utrwalić, by móc ją póz
niej porównać z obecnym stanem, np. wspominać jak dzieci się
rozwijały lub jak wyglądaliśmy w młodości.
Współczesna teledetekcja koncepcyjnie bazuje
na tych samych przesłankach, zmieniły się tylko
metody zdobywania informacji, ich zapis oraz
metody przetwarzania. Rozważania teoretyczne
nad metodami i technikami badań
teledetekcyjnych należy zacząć od krótkiej
prezentacji podstaw teoretycznych. Generalnie
wszystkie metody badawcze mogą zostać
podzielone na pasywne oraz aktywne. Pierwsza
grupa jest każdemu człowiekowi znana, gdyż
każdy patrząc się na świat własnymi oczyma
postrzega światło, które odbija się od obiektów
na które patrzymy i dociera do naszych oczu.
Tak więc istnieje jakieś z
ródło promieniowania
najczęściej jest to Słońce, emituje ono
promieniowanie, które trafia na Ziemię, odbija
się od obiektów występujących na jej
Charakterystyki spektralne wybranych elementów na tle kanałów
powierzchni i trafia do detektora naziemnego,
Landsata TM i MSS. y
ródło VITO Belgia, zmodyfikowane.
lotniczego i satelitarnego. Tym detektorem może
być nasze oko (lub ciało, gdy chodzi o zakres promieniowania termalnego, odczuwanego przez nas jako ciepło
lub zimno), aparat fotograficzny lub skomplikowany skaner lotniczy, czy satelitarny, który potrafi podzielić
dopływające do niego promieniowanie na różne zakresy w zależności od długości fali elektromagnetycznej.
Metody aktywne bazują na tym, iż to badacz posiada z
ródło promieniowania i detektor. Przykłady użycia metod
aktywnych są obecne w życiu każdego człowieka, np. policjant stojący z radarem, wysyła on kilka serii
promieniowania mikrofalowego, kierując wiązkę na jadący samochód. Z różnic czasu powracających fal
urządzenie oblicza prędkość i funkcjonariusz na podstawie zdobytej wiedzy podejmuje decyzje określone
kodeksem ruchu drogowego.
Drugi istotny podział teledetekcji
odbywa się na podstawie długości
fali elektromagnetycznej, która jest
wykorzystywana do badań
teledetekcyjnych. Ze względu na
obecność atmosfery, znaczna część
promieniowania
elektromagnetycznego
pochodzącego od słońca jest
pochłaniana przez atmosferę, dlatego
w badaniach teledetekcyjnych
wykorzystuje siÄ™ zakres widzialny
(0,4-0,7 µm), bliska (0,7-1,5 µm),
Å›rednia (1,5-2,5 µm) daleka
(termalna) podczerwień (do 8-15
µm) oraz promieniowanie
mikrofalowe.
Drugim elementem, który legł u
podstaw badań teledetekcyjnych to
Przykładowe zobrazowania satelitarne Landsat i mapy pokrycia terenu utworzone
na jego podstawie. y
ródło: www.gisdevelopment.net
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej, Warszawa, 2007
prawidłowość, iż każdy obiekt odbija różną ilość promieniowania i wartość ta zmienia się wraz z długością fali.
Prawidłowość ta jest określana przez spektralny współczynnik odbicia (spektralny oznacza, że dla danej długości
fali). Graficzną prezentacją spektralnego współczynnika odbicia dla poszczególnych długości fali jest krzywa
odbicia spektralnego (zwana też charakterystyką spektralną danego obiektu). Powyższe charakterystyki
pozwalają na identyfikację zdecydowanej większości obiektów, gromadzone są one w specjalnych bazach
danych (biblioteki spektralne). Ponadto każdy obiekt charakteryzuje się pewnymi przedziałami widma
elektromagnetycznego, w których  coś się dzieje . Jako przykład może podana zostać roślinność. Przebieg
krzywej odbicia w zakresie widzialnym determinowany jest składem ilościowym i jakościowym, im więcej jest
chlorofilu, tym większe jest odbicie w zielonym zakresie widma elektromagnetycznego, a mniejsze w
czerwonym. Jeśli roślina posiada czerwone barwniki (karotenoidy) prawidłowość ta jest odwrócona. Tak więc
różnice pomiędzy barwnikami roślinnymi wpływają znacząco na przebieg krzywej. W bliskiej podczerwieni
krzywa ta kształtowana jest przez struktury komórkowe, im więcej jest miękiszu gąbczastego
(charakterystycznego dla traw, drzew liściastych), tym większe jest odbicie (około 70-80%), jeśli dominuje
miękisz palisadowy (drzewa iglaste) odbicie osiąga wartość (40-50%). W średniej podczerwieni na odbicie
istotny wpływ ma zawartość wody w tkankach, im jej więcej, tym mniejsze odbicie. Tak więc znając
charakterystyki spektralne poszczególnych obiektów, a można je zmierzyć spektrometrami, można określić ilość
odbitej energii od danego obiektu w danej długości fali, ilość ta jest modyfikowana przez atmosferę (algorytmy
korekcji atmosferycznej umożliwiają ograniczenie tego wpływu) i dopływa do detektora umieszczonego na
satelicie.
Teledetekcja satelitarna rejestruje informacje o
obiektach występujących na Ziemi umożliwiając
badanie np. gleb, roślinności, wód
powierzchniowych, minerałów, skał. Bardzo
rozwinięte są także metody badań atmosfery, jej
składu oraz rozmieszczenia różnych elementów,
(chmury, aerozole, gazy). Wszystko to dzieje siÄ™
poprzez zapis spektralnych współczynników
odbicia w kanałach spektralnych przez detektory
satelitarne. Poszczególne satelity charakteryzują
się tym iż zapisują wybrane, ściśle określone
zakresy widma (np. do badań roślinności
wykorzystuje się np. kanał zielony, czerwony i
podczerwone). Drugi element decydujÄ…cy o
wyborze tego, a nie innego detektora to
rozdzielczość przestrzenna, czyli wielkość
piksela (najmniejsze, homogeniczne
rejestrowane powierzchnie). Wysokorozdzielcze
satelity charakteryzujÄ… siÄ™ niewielkimi pikselami
(QuickBird 0,76 m, Ikonos Pan 1m), pozwalajÄ…c
Przykładowe zobrazowanie wysokorozdzielcze przestrzennie. y
ródło:
rejestrować stosunkowo niewielkie
KGiT WGiSR UW
powierzchnie, ale z dużą szczegółowością.
Zupełnym przeciwieństwem są satelity
metorologiczne, które mogą obrazować znaczące części półkuli, ale ich rozdzielczość przestrzenna jest
niewielka (rozmiar piksela ma kilka kilometrów).
Taki szeroki wachlarz możliwości technicznych sprawia, że pola wykorzystania teledetekcji satelitarnej jest
wyjątkowo szeroki, obrazy satelitarne są wykorzystywane powszechnie w badaniach naukowych zarówno przez
ośrodki specjalizujące się w metodach teledetekcyjnych, rozwijając skomplikowane algorytmy pozyskiwania,
kalibracji, przetwarzania, archiwizacji danych, jak i jednostkach badawczych, które wykorzystują sceny
satelitarne do odniesienia własnych badań, np. z zakresu ekologii (roślin, czy zwierząt) do określenia odległości,
wielkości pomiędzy poszczególnymi płatami. Do częstych przypadków należy także wykorzystanie danych
satelitarnych jako podkład do terenowego kartowania wybranych zjawisk, czy procesów naturalnych, czy też
antropogenicznych, które z założenia, nie mogą być prezentowane na zdjęciach satelitarnych, np. badania ruch
miejskiego, czy legalności wybudowanych inwestycji budowlanych (wykonuje się zobrazowania w pewnych
ściśle określonych interwałach czasowych, a następnie porównuje się zmiany w zagospodarowaniu terenu i
odnosi się to do bazy wydanych pozwoleń budowlanych). Tak więc obrazy satelitarne stanowią istotną podstawę
w analizach form pokrycia terenu, użytkowaniu ziemi, planowaniu przestrzennym i architekturze, hydrologii,
limnologii, oceanologii, klimatologii i meteorologii, mineralogii, petrografii, gleboznawstwie oraz wielu innych.
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej, Warszawa, 2007
Satelitarny monitoring ekosystemów wysokogórskich
Ze względu na znaczącą wrażliwość na zmiany klimatyczne terenów wysokogórskich, należą one do najbardziej
cennych naukowo obszarów. Wszelkie zmiany warunków termicznych przekładają się na zmiany zasięgów
występowania pokrywy śnieżnej oraz występowania poszczególnych zbiorowisk roślinnych.
Ewidentnym utrudnieniem dla badaczy jest niewielka dostępności
terenu, duże deniwelacje terenu, krótki okres wegetacyjny oraz
wyjątkowo duża dynamika zmian pogody. Możliwe jest w takich
przypadkach wykorzystanie danych satelitarnych, ale do
profesjonalnych zastosowań wymagane jest przeprowadzenia
korekcji geometrycznej i atmosferycznej. Są to wstępne etapy
pracy z obrazami satelitarnymi, ale do prawidłowości dalszych
prac stanowczo wymagane. W pierwszym przypadku należy
zidentyfikować kilkanaście punktów z pomiarów terenowych
GPS, które będą dobrze identyfikowalne na zobrazowaniu.
Kolejny proces to korekcja atmosferyczna, w czasie której
eliminuje się wpływ atmosfery oraz orografii terenu z
zarejestrowanego obrazu. Wymaga to użycia dokładnego
numerycznego modelu terenu oraz kilkunastu pomiarów
spektrometrycznych pomierzonych na poligonach kalibracyjnych.
Wielowymiarowość obrazów hiperspektralnych
pozwala obserwować zmienność poszczególnych
Wszystkie pomiary spektrometryczne muszą zostać wykonane w
cech obiektu w dowolnym kanale
trakcie wykonywania zobrazowania, by uchwycić stan atmosfery.
W wielu przypadkach znalezienie takich poligonów jest dość
trudne, ponieważ ich rozmiar powinien być 3-5 razy większy niż
piksel (dla danych Hyperion lub Landsat ETM+ powinny to być
homogeniczne tereny o powierzchni 90x90  150x150 m).
Ponadto powinny charakteryzować się dużym i małym odbiciem
(jasne i ciemne spektralnie). Ciemnym spektralnie poligonem
może być czysta i głęboka woda, natomiast jasnym, np. duże
powierzchnie ścian skalnych, czy dużych homogenicznych płatów
roślinności. Najnowsze algorytmy stosowane do korekcji
atmosfery umożliwiają eliminację cieni chmur (np. ATCOR
2007). Wykonanie powyższych procedur umożliwia prowadzenie
prawidłowych analiz, np. klasyfikacji zbiorowisk roślinnych
znajdujących się na północnej i południowej stronie góry, gdzie
Tworzenie map rozmieszczenia poszczególnych
znacznie szybciej zanika śnieg i zaczyna się okres wegetacyjny.
gatunków zaczyna być standardową możliwością
teledetekcji.
Jeszcze kilka lat temu podstawowym wkładem teledetekcji
satelitarnej w badania nad roślinnością była możliwość tworzenia
map pokrycia terenu w skalach mniejszych niż
około 1:50 000, a wykorzystanie kilku kanałów
spektralnych pozwalało na gromadzenie
informacji o stanie i kondycji roślinności (np.
biomasa, temperatura radiacyjna badanych
powierzchni, stan barwników fotosyntetycznych i
struktur komórkowych roślinności, estymacja
wilgotności biotopu. Obecnie prace nad
monitoringiem roślinności zmierzają w kierunku
identyfikacji poszczególnych gatunków, analizy
ich rozmieszczenia oraz badania stanu barwników
i struktur komórkowych. Z drugiej strony tworzy
siÄ™ skanery o szerokim kÄ…cie widzenia i
niewielkiej rozdzielczości przestrzennej (np.
SPOT Vegetation) w celu prowadzenia
monitoringu roślinności na dużych obszarach (z
Wielowymiarowość danych hiperspektralnych w znaczący sposób
sukcesami pracuje skaner NOAA AVHRR ułatwia identyfikację badanych obiektów, ponieważ można je
identyfikować w dowolnych przestrzeniach spektralnych
badajÄ…cy stan upraw rolniczych).
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej, Warszawa, 2007
Największe zmiany zachodzą jednak w procedurach przetwarzania danych. Jako pierwszy przykład może służyć
powszechne stosowanie korekcji atmosferycznej dla danych wielospektralnych, jeszcze kilka lat temu nie była to
obowiązująca procedura. Obecnie, wraz z pojawieniem się danych hiperspektralnych jest to wręcz konieczność.
Kolejne różnice to modelowanie sygnału uzyskanego z satelity, w którym bierze się uwagę na geometrię układu,
słońce  obiekt  detektor. Wynika to z różnic odbicia w zależności od kąta padania i odbicia promieniowania
elektromagnetycznego. W przypadki klasyfikacji poszczególnych gatunków w środowisku wysokogórskim,
gdzie jak wiadomo istnieje duża różnorodność zbiorowisk roślinnych oraz ekspozycji i spadków terenu,
koniecznym staje się wykonanie modelowania dwukierunkowości odbicia sygnału (BRDF). Kolejny element
coraz silniej wkraczający w prace nad monitoringiem ekosystemów wysokogórskich to modelowanie transmisji
promieniowania (RTM), którego głównym zadaniem jest rozpoznanie kierunków przebiegu promieni
słonecznych w warstwie roślinności i analiza jego wykorzystania
przez rośliny (np. model CRASh). Wszystko to ma za zadanie
dokładne rozpoznanie bilansu i geometrii rozkładu
promieniowania, które w widzialnym zakresie jest podstawą
procesów fotosyntezy, przekładając się na procesy fizjologiczne
roślin, w tym przyrost biomasy. Co pośrednio świadczy o
ekosystemie i kierunkach zmian jakie w nim zachodzÄ….
Kolejne różnice w jakich zmierza przetwarzanie danych to nowe
algorytmy klasyfikacji danych, obecnie dane hiperspektralne z
powodzeniem bazujÄ… na rozbudowanych informacjach
znajdujących się w poszczególnych zakresach spektralnych. W
trakcie klasyfikacji obrazu porównuje się krzywe odbicia
spektralnego pozyskane z każdego piksela obrazu i porównuje do
wzorców uzyskanych z baz danych (biblioteki spektralne) lub
homogenicznych i czystych spektralnie pikseli (endmembers).
Efekty tych klasyfikacji to zbiory rozmyte określające w sposób
statystyczny prawdopodobieństwo wystąpienia danego gatunku na
danym obszarze. Umożliwia to tworzenie zawansowanych
scenariuszy składu poszczególnych zbiorowisk roślinnych.
Kolejne różnice w klasyfikacji danych kryją się w algorytmach
poszukiwania obiektów na zdjęciu. Pierwszy z nich, klasyfikacja
obiektowa umożliwia dokładniejszą analizę poszczególnych
pikseli poprzez agregacje ich w grupy (segmenty) z
uwzględnieniem cech spektralnych i teksturalnych oraz budowanie
hierarchii obiektów. Podobne możliwości przedstawiają
symulatory sztucznych sieci neuronowych.
Zupełnie ciekawym, aczkolwiek nie najnowszą koncepcją są
drzewa decyzyjne, które stosują różne strategie klasyfikacji
danych względem uzyskiwanych wyników.
Patrząc się w przyszłość należy stwierdzić, iż czeka nas dalszy
intensywny rozwój technik hiperspektralnych, tworzenie bardziej
zaawansowanych modeli analizujących procesy środowiskowe, a
także weryfikujące dotychczasowe prognozy i stan wiedzy o
środowisku i jego zmianach. Bez najmniejszej wątpliwości należy
stwierdzić, iż w przyszłości teledetekcyjne prace badawcze będą
powiązane z bardzo dokładnymi analizami z zakresu fizjologii
roślin. Będzie dążyć się do połączenia informacji uzyskanej z
pomiarów laboratoryjnych prowadzonych na poziomie tkanek w
laboratoriach fizjologii roślin z tym co rejestruje się przez satelitę
Analiza zdolności akumulacji energii
na wysokości kilkuset kilometrów nad powierzchnią ziemi.
fotosyntetycznie czynnej, czy powierzchni
Obecnie brzmi to jak science-fiction, ale już dziś mamy dowody,
projekcyjnej liści bazowały do tej pory głównie na
że nastąpi to jeszcze na początkach drugiej dekady tego wieku.
danych pozyskanych z badań terenowych. Obecnie
powszechnie modeluje je siÄ™ na podstawie danych
hiperspektralnych
Bogdan Zagajewski
Uniwersytet Warszawski, Katedra Geoinformatyki i Teledetekcji
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej, Warszawa, 2007