Fotografia specjalna

Wykład 03.10.2012

Treści programowe

-oddziaływanie promieniowania EM z atmosferą, wyróżnianie obiektów, kontrast

-fotografia analogowa

-sensytometria, rezolwometria

-fotografia TIR

-fotografia UV, VIS, NIR, wielospektralna, hiperspektralna

Literatura

Fotografia cyfrowa i obróbka obrazu Busch D

Fotografia cyfrowa Long B

Wstęp do optyki Meyer-Arendt J

Ostrowski M Informacja obrazowa

Teledetekcja-(definicja ASPRS) pomiar lub pozyskanie informacji o pewnych własnościach obiektów lub zjawisk za pomocą urządzeń, które nie znajdują się w bezpośrednim kontakcie z obiektem lub zjawiskiem.

Połączona definicja ASPRS

Fotogrametria i teledetekcja są sztuką, nauką i technologią pozyskiwania wiarygodnych informacji o obiektach fizycznych i środowisku w procesach rejestracji, pomiarów i interpretacji zobrazowań i cyfrowych reprezentacji rozkładów energii uzyskanych za pomocą bezkontaktowych systemów sensorów

Tele(gr. Daleko) działający, osiągany z dużej odległości

Detekcja (łac. Detectio) wykrywanie dowolnych sygnałów w tym przypadku promieniowania elektromagnetycznego

Teledetekcja-rejestracja danych

-dane obrazowe

-dane nieobrazowe (np. współczynniki odbiciowe, prędkość pojazdu, głębokość-sonar)

Teledetekcja0rejestracja-dane obrazowe

(gr. Phos-światło, grapho-piszę, graphein-rysować, pisać- rysowanie za pomocą światła

Teledetekcja- pomiar

Geometria-fotogrametria

Rozkład energii-interpretacja

Fotointerpretacja(interpretatio-wyjaśnianie)- „akt badania zobrazowania fotograficznego dla celów identyfikacji obieków i oceniania ich roli”

Porównanie systemów sensorycznych człowieka

Zmysł	Ilość receptrów
wzrok	250 000 000
węch	40 000 000
dotyk	2 500 000
smak	1 000 000
słuch	25 000

Techniki pozyskiwania informacji obrazowej

Pasywne-nie wymagają naszej emisji promieniowania

Sensory termalne-działają na zasadzie, że każdy obiekt sam emituje promieniowanie i

Aktywne-same emitują promieniowanie i jak ono się odbije jest przez sensor rejestrowane

Radary-promieniowanie mikrofalowe jest w niewielkim stopniu absorbowane przez atmosferę a więc prawie w każdych warunkach można obserwować.

Słońce -główne źródło promieniowania krótkofalowego

Prawo Stefana-Boltzmana opisuje całkowitą moc wypromieniowywaną przez ciało doskonale czarne w danej temperaturze

Φ = σT⁴

Φ-strumień energii wypromieniowywany w kierunku prostopadłym do powierzchni caiła (W/m²)

σ-stała Stefana boltzmana 5.6697x10⁻⁸ Wm⁻²K⁻⁴

T-temperatura w skali Kelwina

Do ziemi dociera jedynie ok. 1/ 1 000 000 000 część strumienia energii wypromieniowanej prze z słońce a jedynie stanowi ok. 15 000 razy więcej niż wynosi obecnie światowe zużycie energii. Do powierzchni ziemi dociera średnio ok. 24% tego promieniowania i zależy ono od szeregu czynników takich jak

-kąta padanie promieni słonczecznych

-odległości ziemi od słońca

-stopnia zapylenia atmosfery

-zachmurzenia nieba

-zawartości pary wodnej w atmosferze

-stopnia zaabsorbowania energii słonecznej przez ozon w górnych warstwach atmosfery

-rozproszenia i zaabsorbowania na składnikach atmosfery

Rozproszenie w atmosferze

Jednym z poważnych wpływów atmosfery na promieniowanie jest jego rozpraszanie przez cząstki atmosferyczne. Rozpraszanie różni się od odbicia tym, że jego kierunek nie jest przewidywalny, podczas gdy kierunek odbicia jest przewidywalny

1. Rozpraszanie Rayleigha(zwane też molekularnym) zachodzi w wyższych partiach atmosfery (powyżej 4,5 km), rozprasza się na bardzo małych cząsteczkach (cząsteczki są wielokrotnie mniejsze niż długość rozpraszanej fali), nie jest jednakowe dla wszystkich długości fali (dlatego niebo jest niebieskie) dale krótsze rozpraszają się bardziej a dłuższe mniej. . Intensywność rozpraszania Rayleigha zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do czwartej potęgi długości fali (λ⁻⁴). Światło niebieskie o długości 0,4 μm jest rozpraszane 5 razy bardziej niż światło czerwone o długości fali 0,6 μm. Nie ma systemu, który rejestruje zobrazowania w systemie ultrafioletowym.

2. Rozpraszanie MIE (lub niemolekularne)-zachodzi w warstwie atmosfery do 4,5 km.

3. Rozpraszanie nieselektywne zachodzi w najniższej warstwie atmosfery, gdzie występują cząstki ponad 10-krotnie większe od długości fali padającej energii promieniowania elektromagnetycznego. Ten typ rozproszenia jest nieselektywny, tzn. rozpraszane są wszystkie długości fali światła, nie tylko niebieskie, zielone czy czerwone.

Inne zjawiska w atmosferze-odbicie, absorpcja i to co zostanie to przepuszczanie.

Typy odbicia

-zwierciadło doskonałe(kąt padania równy kątowie odbicia)

-odbicie lambertowskie (pada pod jakimś kątem a odbija się w różnych ale w każdym tak samo), najlepsze do fotogrametrii

-prawie doskonałe

Absorpcja-zachodzi gdy padająca energia promienista o tej samej częstotliwości co częstotliwość rezonansowa atomu lub molekuły jest pochłaniana, dając w efekcie stan wzbudzenia.

W przypadku takich mediów jak powietrze, absorpcja i rozpraszanie są często łączone we współczynnik ekstynkcji. Przepuszczalność jest odwrotnie proporcjonalna do współczynnika ekstynkcji mnożonego przez grubość warstwy.

Promieniowanie układu ziemia-atmosfera , bilans

Praktycznie cała energia dociera do układu ziemia-atmosfera w postaci krótkofalowego promieniowania słonecznego. Ze 100 jednsotek energii promieniowania słonecznego

31 jednostek wraca w kosmos w tym na skutek:

-23 –odbicie od chmur

-4 rozporszenie na molekułach i aerozolach

-4 odbicie promieniowania od powierzchni ziemi

24 jednostki są pochłonięte przez atmosferę

Zakres bliskiej podczerwieni

NIR (near infrared)

0,7-1,3 μm

Średni

1,3-3,0 μm

Thermal infrared

3-15 μm

Podstawowe wielkości oświetlenia

1. Strumień świetlny jest całkowitą mocą światła emitowaną przez źródło światła

2. Światłość określa ilość światła wysyłaną w konkretnym kierunku

3. Natężenie oświetlnie jest ilością światła która dociera do powierzchni

4. Światło, które odbije się od powierzchni i dotrze do oka obserwatora nazywamy luminancją. Ogólnie luminancja jest ilością światła wysyłaną z określonej powierzchni. Luminancję posiada wszystko to, co widzimy. Również źródło światła ma luminancję gdyż światło wysyłane jest zawsze z konkretnej powierzchni czasami bardzo małej.

Funkcja zapisu obrazu

R = f(x, y, z, ρ, ε, s, τ, φ, λ)

Gdzie :

z, y, z-współrzędne położenie rejestrowanego promieniowania odbitego lub emitowanego

ρ=f₁(λ)- rozkład mocy wypromieniowanej

ε=f₂(λ)-współczynnik odbicia określający fizykochemiczne własności obiektu lub ośrodka

s=f₃(λ)-czułość detektora uzytego do rejestracji promieniowania

τ=f₄(λ)-współczynnik rozkładu przepuszczalności filtrów (układów optycznych) i tłumienia atmosfery

φ=f₅(λ)-rozkład odbić lub rozkład emisji cechujący rejestrowany obiekt lub ośrodek

λ-długość fali promieniowania elektromagnetycznego wykorzystanego w detekcji.

Wyróżnianie obiektów

Rozpoznanie a maskowanie

Tło (w nim obiekt 1 i obiekt 2) Sensor analizaenergia odbita(od tego obiektu odbiło się tyle a od tego tyle, a że od tła odbiło się dużo mniej to możemy te dwa obiekty wyróżnić) ale żeby wiedzieć, że obiekt to ławka to musimy wiedzieć ile energii odbija ławka.

Wpływ zamglenia na wielkość odbicia

Poniżej 3000m Domek 80% odbicia, Drzewko-2 % odbicia

3000m Zamglenie 3% odbicia czyli Domek-83% odbicia Drzewko-5% odbicia

6000- zamglenie 5 % odbicia czyli Domek 85% odbicia a Drzewko 7% odbicia

Aby można było zaobserwować jakikolwiek przedmiot musi wystąpić różnica luminancji lub barwy, czyli tzw. Kontrast pomiędzy obiektem i tłem. Na którym obiekt ten jest obserwowany. Musi on być większy od wartości progowej (minimalnej) gdyż inaczej obiektu nie będzie można odróżnić od tła. W mairę wzrostu kontrstu warunki

$$K = \frac{L_{0} - L_{t}}{L_{t}}$$

$$C = \frac{L_{\max}}{L}$$

Nie uwzględniając wpływu zamglenia atmosferycznego, współczynnik kontrastu pomiędzy obiektem (dom) – 80% odbicia a tłem (zacieniona strona drzewa) 2% odbicia wynosi 40:1

Jeżeli rejestracji zobrazowania dokonywać będziemy z wysokości 3000 m to zamglenie przestrzenne spowoduje wzrost odbicia od obydwu rozpatrywanych elementów o 3% co spowoduje spadek kontrastu do poziomu 17:1

Przy rejestracji z wysokości 6000 m zamglenie przestrzenne

Pułapy pozyskiwania danych teledetekcyjnych

1. Kosmiczny

   1. Satelity (wysokość 600-800 km najniżej 450 km )

   2. Stacje orbitalne

   3. Pojazdy Kosmiczne

2. Powietrzny

   1. Samoloty (wysokość 30 km ale to Sr-71 i to jest maks co samolot osiągnie)

   2. Śmigłowce ( 2 km)

   3. Środki bezpilotowe

   4. Balony

3. Naziemny

   1. In situ

Główne dziedziny zastosowań

1. Zastosowania wojskowe (rozpoznanie obrazowe)

2. Rolnictwo

3. Ochrona, kształtowanie i eksploatacja środowiska

4. Planowanie przestrzenne

5. Telekomunikacja

Typowe zadania realizowane przy wykorzystaniu danych teledetekcyjnych

1. Identyfikacja, lokalizacja i pomiar obiektów oraz ich cech na podstawie ich podstawowych charakterystyk interpretacyjnych (kształtu, wielkości, tonu, tekstury , koloru, orientacji

2. Aktualizacja map topograficznych i ortofotomap

3. Wykonywanie aktualnych map pokrycia i użytkowania terenu

4. Analiza rozwoju przestrzennego (dynamika zmian)

5. Analiza mniej ewidentnych cech terenu w oparciu o ich charakterystyki spektralne, np: ocena wilgotności gruntu, określanie wskaźników roślinności, badanie jej stanu zdrowotnego

6. Analiza ekosystemów, badanie i analiza przestrzenna obszarów chronionych

7. Modelowanie przestrzenne

8. Studia nad zagospodarowaniem przestrzennym

Techniczne środki pozyskiwania informacji obrazowej

1. Aparaty

   1. Kamery

2. Skanery

   1. Termalne

   2. Wielospektralne (kilka linijek)

3. Radary

Rodzaje zdjęć lotniczych (rodzaj materiału światłoczułego)

1. Panchromatyczne

2. Barwne

3. Podczerwone

4. Spektrostrefowe

5. wielospektralne