ZASTOSOWANIE METOD FOTOGRAMETRYCZNYCH I TELEDETEKCYJNYCH W BADANIACH ŚRODOWISKA. Dr inż. Leszek Kolondra pokój 1607
FOTOGRAMETRIA – pułap lotniczy
TELEDETEKCJA – pułap satelitarny
NDSI – współczynnik śniegowy
Sensory dzielą się na aktywne i pasywne.
Aktywne – wysyłają wiązkę światła
Pasywne – np. aparat, gdy korzysta ze światła naturalnego.
Pozyskiwanie danych do NMT (Numeryczny Model Terenu).
Metody fotogrametryczne:
Klasyczne
LIDAR, altimetria laserowa.
Metody teledetekcyjne:
Radarowa SRTM (Shuttle Radar Topography Mission)
Numeryczny Model Rzeźby Terenu (DTM) jest numeryczną, dyskretną (punktową) reprezentacją wysokości.
Punkty reprezentujące DTM mogą być uporządkowane w jednej z dwóch struktur:
- GRID – regularna sieć (kwadraty, prostokąty, trójkąty)uzupełniona o punkty reprezentujące formy terenu: linie szkieletowe (grzbiety, cieki), linie nieciągłości (skarpy), powierzchnie wyłączeń (budynki, wody), ekstremalne pikiety.
- TIN – nieregularna sieć trójkątów wraz z topologią. Wierzchołki trójkątów opierają się na punktach pomiarowych.
Fotogrametryczne metody opracowań:
Punktowe
Ciągłe: analogowe, analityczne, cyfrowe.
DTM można otrzymać drogą:
- bezpośrednich pomiarów terenowych wykonanych np. za pomocą tachimetru elektronicznego,
- pomiaru na mapach topograficznych drogą digitalizacji lub skanowania i wektoryzacji warstwic,
- pomiaru stereoskopowego przestrzennego terenu,
- automatycznej korelacji obrazów na fotogrametrycznego cyfrowych sieciach roboczych,
- lotniczego skaningu laserowego (pozwala na określenie współrzędnych XYZ do 100 tys. Punktów na km2 powierzchni terenu, włącznie z terenami niedostępnymi,
- interferencji lotniczych lub satelitarnych obrazów radarowych SAR, wykorzystywanego głównie do opracowania terenów stale zachmurzonych,
- dalmierzy laserowych instalowanych na satelitach umieszczonych na orbitach planet układu słonecznego.
NMT jest niezbędny do sporządzania ortofotomapy oraz wizualizacji statycznych i dynamicznych.
Metody korelacji obrazów oparte są na pojęciach rachunku prawdopodobieństwa. Teoretyczną miarą zależności pomiędzy zmiennymi losowymi …
UWAGA NA ARTEFAKTY! Błędy?! Huehuehue xD
Dokładność określania wysokości
Mzfoto = Hl * K = Ck * Msk * k
Mzfoto – średni błąd pomiaru fotogrametrycznego współrzędnej Z
Hl – wysokość lotu nad terenem
Ck - stała kamery
Msk – mianownik skali zdjęcia lotniczego
K – współczynnik ustalony empirycznie przez wielu autorów i przyjmowany w wielkości.
0,10 ‰ – teren łatwy i bardzo dokładna osnowa fotogrametryczna
0,15‰ - teren łatwy i dobra osnowa fotogrametryczna
0,20‰ - teren średni i dobra dokładna osnowa fotogrametryczna
0,30‰ - teren trudny i poprawna osnowa fotogrametryczna
LOTNICZY SKANING LASEROWY
Pozyskiwanie niefotogrametrycznych danych teledetekcyjnych w zakresie mikrofal.
Moc fali odbitej zależy zarówno od właściwości transmitowanego … EM jak i właściwości napromieniowanego obiektu.
Zobrazowania radarowe SLAR i SAR – Radar to urządzenie do wykonywania i określania położenia lub parametrów ruchu, obiektów, które wykazują zdolność odbijania fal EM.
Jest systemem aktywnym wykorzystującym energie EM fal dłuższych , która nie może przenikać przez mgłę i chmury.
Istnieją 2 metody obrazowania:
PPI – z obracajacą się anteną nadawczo-odbiorczą
SLAR – lub udoskonalony SAR – obie stosowane w teledetekcji lotniczej.
LOTNICZY SKANING LASEROWY – laserowy pomiar odległości z lecącego samolotu do powierzchni terenu.
LIDAR AL.550 – dalmierz laserowy, działa impulsowo z częstotliwością kilku kHz, działa w zakresie podczerwieni 1540 nm, kilka tysięcy punktów na sekundę.
POPRAWKA ONDULACYJNA – między wysokością elipsoidalną a topograficzną. Zmienna na całym globie (np. Malediwy +100).
POPRAWKA DLA ŚLĄSKA od -30 do -40 !!!
SRTM
Metoda pomiaru:
Bezpośrednie w terenie (tachimetria klasyczna i elektroniczna, niwelacja, stolik)
Pośrednie (fotogrametryczne: naziemne i lotnicze, satelitarne)
Dokładność dla Polski odpowiada siatce ▲x=20m i ▲y=30m.
Dane SRTM, aby mogły stanowić poprawny, dokładny i zweryfikowany model powierzchni terenu, wymagają wieloletnich opracowań. Planowanie jest opracowanie 2 wersji:
SRMT-1 o pełnej rozdzielczości
SRTM-3 o rozdzielczości 3krotnie mniejszej.
Przetwarzanie danych – programy: MICRODEM.
Na jakiej wysokości latają i krążą:
Wahadłowce 200-300 km nad Ziemią
Satelity ok. 700 km
Samoloty 10-12 km
Konstelacja GPS 20 tys. km
Satelity geostacjonarne 36 tys. km
DOKŁADNOŚĆ MODELU ASTEROWSKIEGO = 20m
Jak nazywa się stosunek murzyna z blondynką?
wbijanie ciemnoty.
(z pozdrowieniami dla G. :D)
Wielkoformatowe lotnicze kamery cyfrowe: sytuacja obecna.
Kolejność robienia zdjęć podczas lotu samolotu
1 2 1
3 4 3
1 2 1
KAMERY CYFROWE
Najlepsze zdjęcia = wielkość terenowa piksela to 5 cm
Wysokość lotu 1000m
Nad miastami zdjęcia nie mogą być robione niżej niż 5km(?)
Wielkość kadrów
| Z/I DMC | RMK D | DMC II 140 (wielkość matrycy) |
DMC II 230 (wielkość matrycy) |
DMC II 250 (wielkość matrycy) |
|---|---|---|---|---|
Zdjęcie 10x16cm
Wielkość ogniskowej w kamerach cyfrowych 92-105mm
Bezzałogowy samolot elektryczny, napęd, gps, sterowanie, kamera, ok. 2kg.
Programuje się trasę lotu, wykonuje szereg zdjęć, steruje się zdalnie, może latać ok. 2h.
Fotogrametria naziemna
Fototeodolit
Kamery cyfrowe, np. na Spitzbergenie – kamera robi foto co godzinę.
INTERPRETACJA ZDJĘĆ LOTNICZYCH W BADANIACH SZATY ROŚLINNEJ
Lesistość kraju 30%
Wykorzystywanie zdjęć lotniczych do badań roślinności znalazło szersze zastosowanie w leśnictwie (jako materiał pomiarowy lub przeglądowo-dokumentacyjny).
Możliwości interpretacji lasów na podstawie zdjęć lotniczych i określenie ich elementów taksacyjnych zależą od wielu czynników ściśle ze sobą powiązanych.
3 grupy:
Znajomość czynników ekologicznych i składu gatunkowego
Warunków atmosferycznych w czasie fotografowania, cech terenu i materiału światłoczułego
Wysokiej jakości sprzętu foto i wiedzy teoretycznej.
Optymalna skala zdjęć lotniczych do interpretacji drzewostanów:
| 1:8000 | 1:12000 | 1:18000 | |
|---|---|---|---|
| Wydajność pracy | 60-80% | 100% | 125-130% |
| Dokładność opracowania | 110-120% | 100% | 75-80% |
- Obraz lasu zmienia się od warunków fenologicznych – pora roku. Lato nie jest najkorzystniejszą porą do fotografowania lasów.
- Różne odbicie w zakresie żółto-zielonym w zależności od gatunku i wieku.
- Czynnikiem wpływającym na poziom odbicia spektralnego przez rośliny jest zaopatrzenie rośliny w azot.
- Drzewa liściaste na panchromatycznych zdjęciach mają zawsze jaśniejszy odcień niż drzewa iglaste.
- Na podstawie kształtu cienia można rozróżnić gatunek.
Cechy rozpoznawcze lasów:
Struktura lasów dobrze widoczna
Lasy iglaste drobniejsze ziarna, liściaste większe
Najszersza część korony na różnych wysokościach
Podobnie z drzewostanem o różnym wieku
Kształt korony nie jest stały
Kształt korony – cień własny – cień rzucany.
LASY
Sosnowe – dominuje szary kolor.
Świerk i jodła – ciężko rozróżnić, kolor ciemniejszy.
Modrzewiowe – domieszka, kępy, jaśniejsze niż sosna.
Dębowo-bukowe – ciężko rozróżnić, szary.
WIELKOŚĆ KORONY
Dęby i buki
Modrzew
Brzoza
Zdjęcia spektroskopowe do określenia uszkodzonych drzewostanów
Pierwsze objawy choroby widoczne są jedynie na zdjęciu wykonanym w podczerwieni.
SYSTEMY RADAROWE
Właściwości echa radarowego…
Parametry powierzchni:
-właściwości dielektryczne i przewodnictwa
…
Kierunek sygnału…
Dopplerowski radar z anteną syntetyzowaną SAR
Dlaczego muszą być dwie satelity:
- muszą być 2 zdjęcia, muszą zapewnić warunek KOHERENTNOŚCI
-
LIDAR – wykorzystuje pasmo w bliskiej lub średniej podczerwieni. System aktywny.
LIDAR JEST INNY NIŻ RADAR!
NAJBLIŻSZA STACJA – Czerwionka-Leszczyny/Orzesze.
STACJE W POLSCE (łącznie w Polsce jest 8 radarów meteo):
Radar Ramża
Radar Pastewnik
Poznań
Świdwin
Gdańsk
Legionowo
Rzeszów
Brzusznica-Kraków
Radary pracujące w sieci to radary dopplerowskie
Pasmo C
Częstotliwość 5,6 GHz
Produkty radarowe:
Podstawowe produkty meteo
Produkty hydrologiczne
Podatkowe(?) produkty meteorologiczne
Produkty uskoków wiatru
Produkty detekcji zjawisk
Produkty prognostyczne
Zalety pomiaru radarowego:
Obserwacje w czasie rzeczywistym opadów i związanych zjawisk, obszar dużego terytorium 400x400km i wysoka rozdzielczość 1km.
Automatyczne wykonanie pomiarów, przetwarzanie, interpretacja, rozpowszechnianie i prezentacje danych.
…
Użytkownicy: służby hydrologiczne, meteorologiczne, lotnictwo, służby rolne, ratownictwo, medyczne, instytucje badawcze, sztaby kryzysowe.
W Polsce pierwszy radar meteorologiczny w LEGIONOWIE – Decca. Około 1960-1970.
System PERUN/SAFIR – wykrywanie i lokalizacja wyładowań atmosferycznych.
PRZETWARZANIE OBRAZU CYFROWEGO
Ogólna idea teledetekcji to pozyskiwanie obrazu + przetwarzanie + interpretacja.
Operacje pomiędzy kanałami spektralnymi:
Łączenie obrazów
Kompozycje barwne obrazów teledetekcyjnych
Przetworzenie RGB-IHS
Metoda głównych składowych (PCA)
Indeksy wegetacyjne.
Wagowanie zdjęć (dzielenie międzykanałowe) sprowadza się do obliczania dla każdego piksela stosunku jasności spektralnych dla dwóch lub większej ilości kanałów.
Indeksy wegetacyjne służą do ilościowej i jakościowej oceny stanu roślinności, a także do korekty obszarów pod względem radiometrycznym, ze względu na wpływ rzeźby terenu, atmosfery …
JSr = JSk/JSn
Wskaźnik roślinności – rejestracja w kanale czerwonym.
Wskaźniki (wzory):
VI – wskaźnik roślinności (wegetacji)
NDVI – wskaźnik znormalizowanych różnic
I inne – np. NDVI+0,5 przetworzony wskaźnik roślinny
TM4 – podczerwień
TM3 – czerwień
Dla zminimalizowania wpływu roślinności na odwzorowanie innych elementów wykorzystuje się stosunek kanałów MSS6/MSS7.
Do usunięcia „efektu topografii” (wyrównanie różnic jasności) stosuje się wagowanie MSS4/MSS5 lub TM2/TM3.
Wielkość współczynnika NDVI <-1 do 1>
Od -1 do 0 mamy do czynienia wodą (blisko 0)
Od 0 do 1: blisko 0 asfalt, piach
Blisko 0 – dobrze wegetujące rośliny.
0,4-0,8 zdrowa, zielona roślinność w pełni sezonu wegetacyjnego.
0,3-0,4 roślinność sucha lub charakteryzująca się słabym stanem kondycyjnym. CIENIASY JAKIEŚ! o.O
Teledetekcję wykorzystuje się do obserwacji:
- dziury ozonowej
- El Nino
Idzie murzyn przez pasy i śpiewa:
- Pojawiam się i znikam...
INTERAKCJE ŚRODOWISKOWE (promieniowanie słoneczne, temp., oceany, chmury, wulkany)
Promieniowanie słoneczne
Satelita SORCE jeden z pierwszych, satelity rejestrują życie Słońca – ilość plam na Słońcu, cykle.
Satelita ma 4 sensory (TIM, SIM, SOLSTICE, XPS).
Plama słoneczna – widoczny, ciemniejszy obszar na powierzchni Słońca, temp. niższa (4000-5000 K) niż otoczenia (6000 K) i silne pole magnetyczne. Widoczne jako czarne plamy. Liczba plam powiązana z natężeniem promieniowania słonecznego. Więcej plam to mniejsze promieniowanie.
2.IV. 2001 r – największy zarejestrowany rozbłysk Słońca od 25 lat.
Jesteśmy w 24 cyklu słonecznym.
2009 rok – 260 dni bez plam słonecznych
Liczba Wolfa – metoda określania liczby plam słonecznych. Do opisu aktywności słonecznej.
R = (10g + p)k
Satelita CALIPSO - do badań słonecznych, rejestruje w promieniowaniu krótko i długofalowym.
EIT – Extreme ultrafiolet Imaging Telescope
Temperatura (trendy i anomalie)
Światowe dane meteorologiczne CRU
Oceany, obieg wody w środowisku, zjawisko El Nino
Schemat ciepłych i zimnych prądów
Chmury, aerozole
obrazowania chmur niskich, średnich, wysokich
chmury niskie – oziębiają
chmury wysokie – przepuszczają więcej ciepła do powierzchni Ziemi.
Rola aerozoli – maja wpływ na zachmurzenie i zjawiska z tym związane.
Wulkany
TELEDETEKCJA W BADANIACH HYDROLOGICZNYCH I GLACJOLOGICZNYCH
- hydrologiczne:
a) zmiany zasięgu zbiorników wodnych. (Czad – Afryka – stepowienie i zarastanie powierzchni jeziora, Morze Kaspijskie, Morze Aralskie, Nil – Jezioro Nasera – nigdy „nie napełnione do końca” z powodu dużego parowania.
b) stany powodziowe. (Basen Missisipi, Wrocław 1997, Rejon Gangesu)
c) zanieczyszczenie akwenów, zawiesiny. (Rzeka Żółta w Chinach, Zatoka Perska – zawiesiny, Zach. Wybrzeże USA- Jezioro Słone, sztuczne jezioro, 100 m poniżej oceanu, powstało na skutek ruchów tektonicznych, Morze Czarne- fitoplankton)
-glacjologiczne
a)GLIMS (Global Land Ice Measurements from Space – organizacja)
b) cechy spektralne lodu, śniegu, wody, skał
c) zmiany zasięgów lodowców i pokrywy śnieżnej (system obserwacji EOS)
- rejestracja na różnych nośnikach
Zakres długości fal dla których właściwości lodu i śniegu są najlepiej rejestrowane 0,7 – 1,3 μm.
Woda bardzo silnie odbija docierające promieniowanie mikrofalowe, natomiast lód jest dla niego stosunkowo przezroczysty.
Najsilniejszy sygnał dociera ze strefy perkolacji.
„Problemy teledetekcyjnego monitoringu środowiska” T. Z. Dworak, wyd. AGH, Kraków 2011
WSPÓŁCZYNNIK ŚNIEGOWY
Sposób rozróżnienia na zdjęciu satelitarnym śniegu i lodu od chmur.
Współczynnik NDSI – pokrywa śnieżna
NDSI = (G – MIR)/(G+MIR) lub też (R-MIR)/(R+MIR)
G – zieleń (czasami czerwień R)
MIR – średnia podczerwień
Zakres wartości od -1 do +1
Wyniki od 0,4 do 1,0 wszystko to śnig (poniżej 0,4 to wegetacja)
W efekcie można stworzyć kompozycje, na której śnieg, ląd, woda i chmury są w różnych kolorach.
- Wyznaczanie powierzchni śniegowej kanał MODIS 4 I 6
- wykorzystanie archiwalnych zdjęć lotniczych do opracowań metrycznych
- VRS – metoda szybkiego kontaktu z najbliższą stacją referencyjną – GPS
GPS
- początek nawigacji satelitarnej 1957 r
- początkowo wykorzystywane sygnały przez radzieckiego satelitę Sputnik I
- wykorzystywano efekt Dopplera
- system nawigacji- pierwszy Transit SATNAV lata 50. I 60. XX w. niskie dokładności, system OSCAR - 900 m
- amerykańskie satelity na wysokości 20 – 21 tys. km
- rosyjskie satelity na wys. 21 – 22 tys. km
- 200 – 300 km – wahadłowce
- 450 -800 km – pułapy satelitów środowiskowych
- 36000 – satelity geostacjonarne
Podział odbiorników:
- nawigacyjne mała dokładność
- geodezyjne
- stacjonarne wysoka dokładność
Inny podział:
PPS – precyzyjne
……
Podstawowa częstotliwość GPS: F= 10,23 MHz
VRS – metoda szybkiego pomiaru GPS z najbliższą stacją referencyjną – w metodach GPS.
Poprawka dla Polski od -34 do -40.
Strefa VI układ 2000.
Gdzie lataja GPS:
20-21 tys. km USA
21-22 tys. km Rosja.