Teledetekcja -
technologia zajmująca się pozyskaniem, przetwarzaniem i interpretowaniem danych przestrzennych w postaci informacji obrazowej, otrzymywanej w wyniku rejestracji promieniowania elektromagnetycznego odbitego lub emitowanego przez różnego rodzaju obiekty środowiskowe.
Teledetekcja -
badanie powierzchni Ziemi z odległości przy wykorzystaniu do tego celu promieniowania elektromagnetycznego emitowanego lub odbitego od obiektów materialnych.
Teledetekcja -
technika zdalnego pozyskiwania danych, które są przestrzennie odniesione do powierzchni Ziemi.
Wykonane zobrazowania teledetekcyjne mogą być wykorzystywane do celów pomiarowych oraz do celów interpretacyjnych.
Fotogrametria -
nauka zajmująca się odtwarzaniem - na podstawie zdjęć lotniczych (lub innych obrazów teledetekcyjnych) wymiarów obiektów terenowych.
Fotointerpretacja -
dziedzina wiedzy zajmująca się wykrywaniem, rozpoznawaniem i charakterystyką obiektów, procesów i zjawisk na podstawie zdjęć lotniczych i satelitarnych.
•1827 – Francuz J.N. Niepce otrzymał pierwszy obraz (na metalowej płytce)
•1839 – wynalezienie fotografii - Francuz L.J. Daguerre otrzymał obraz na srebnej płytce
•1839 – Anglik H.F. Talbot otrzymał obraz na „światłoczułym papierze”
•1839 – J. Herszel wprowadził termin „fotografia”
•1858 – początek fotografii lotniczej – Francuz G.F. Tournachon („Nadar”) na mokrych płytkach światłoczułych fotografuje z balonu (na uwięzi) fragment Paryża
•1859 – Francuz A. Lausset fotografuje z balonu aby na podstawie zdjęć sporządzić mapy topograficzne
•1860 – Amerykanie S.A. King i J.W. Black fotografują z balonu Boston
•1860-1865 – USA - zdjęcia z balonów są wykorzystywane do śledzenia ruchów wojsk
•1871 – Anglik R.L. Maddox zastępuje płyt „mokre” „suchymi”
•1886 – Rosjanin A.M. Kowańko fotografuje z wysokości 800, 1000 i 1350 m twierdzę Kronsztad i fragment Petersburga
•1883 – G. Eastmann wprowadza „suchą” fotografię i film zwojowy
•1900 – Rosjanin R. Thiele zastosował zespół sprzężonych kamer umocowanych na latawcu do fotografowania Moskwy
•24 kwietnia 1909 – W. Wright wykonuje pierwsze zdjęcie lotnicze w pobliżu Rzymu
•1931 – wykonanie serii zdjęć z pokładu sterowca „Graf Zeppelin” na trasie Leningrad-Archangielsk-Nowa Ziemia-Półwysep Tajmyr-Ziemia Północna-Ziemia Franciszka Józefa-Leningrad – na tej podstawie powstały mapy w skali 1 : 200 000 oraz 1 : 400 000
Zależnie od pułapu wykonywanych zobrazowań:
•systemy teledetekcji z pułapu satelitarnego
•systemy teledetekcji z pułapu samolotowego
•naziemne systemy teledetekcyjne (np. radarowe)
Zależnie od wykorzystywanego sprzętu:
•aparaty fotograficzne
•kamery wideo
•skanery
•urządzenia radarowe
Zależnie od formy zapisu obrazów:
•forma analogowa
•forma cyfrowa
Zależnie od nośników wykorzystywanych do zapisu:
•klisze fotograficzne
•taśmy magnetyczne
•nośniki elektroniczne
Zależnie od formy barwnej:
•obrazy czarno-białe (w odcieniach szarości)
•obrazy w barwach naturalnych
•obrazy w barwach umownych
W przypadku obrazów teledetekcyjnych zarejestrowanych pierwotnie w postaci analogowej (zdjęcia lotnicze, obrazy wideo zapisane w postaci magnetycznej) w celu integracji z innymi danymi przestrzennymi zachodzi konieczność przetransformowania ich na postać cyfrową poprzez zastosowanie skanerów.
Cyfrową formę obrazu teledetekcyjnego uzyskuje się często bezpośrednio w systemach rejestracji obrazów teledetekcyjnych (w skanerach optycznych i mechanicznych montowanych na satelitach i w samolotach, w urządzeniach radarowych i laserowych, różnych typach kamer cyfrowych).
Cyfrowe obrazy teledetekcyjne charakteryzują cztery typy rozdzielczości:
•przestrzenna - charakteryzująca terenowy wymiar piksela w obrazie teledetekcyjnym,
•spektralna - podająca specyficzny zakres długości fali promieniowania elektromagnetycznego, które może zapisać czujnik promieniowania; rozdzielczość spektralna jest podawana dla konkretnego systemu teledetekcyjnego poprzez wyszczególnienie, często specyficznych dla danego systemu, nazw kanałów i zakresów rejestrowanego w nich promieniowania,
•radiometryczna - precyzująca liczbę poziomów, na które jest podzielony zakres sygnału odbieranego przez czujnik; rozdzielczość radiometryczna jest podawana w bitach (np. rozdzielczość 8-bitowa sygnalizuje możliwość zapisania przez czujnik 256 poziomów sygnału),
•czasowa - określająca, jak często w systemach teledetekcyjnych czujnik może otrzymać informację z tego samego fragmentu terenu.
Przykładami analogowego przetwarzania są procedury:
•otrzymywania produktów pochodnych w formie analogowej z oryginalnych zdjęć lotniczych,
•tworzenia modelu stereoskopowego z analogowej formy zdjęć lotniczych i zmiany skali tego modelu, wykorzystujące optykę przyrządów stereoskopowych,
•usuwania zniekształceń geometrycznych, występujących na zdjęciach lotniczych z powodu pochylenia osi kamery.
Potencjalne zastosowanie teledetekcji w leśnictwie najczęściej będzie dotyczyło następujących typów przetworzeń:
•rektyfikacja
•mozaikowanie
•wzmocnienia
•zmiany jasności i kontrastu
•filtracje cyfrowe
•nakładanie (merging)
•operacje międzykanałowe
•klasyfikacje
Rektyfikacje obrazów zmierzają do przetworzenia geometrycznie i radiometrycznie zniekształconych obrazów oryginalnych, w celu uzyskania najbardziej wiarygodnej geometrycznie i spektralnie sytuacji terenowej. Procedury tej grupy dotyczyć będą przede wszystkim problemów usunięcia zniekształceń geometrycznych, wpływających na kartometryczność obrazów teledetekcyjnych niezmiernie istotną przy procesach integracyjnych w systemach informacji przestrzennej.
Dla usunięcia zniekształceń geometrycznych obrazów teledetekcyjnych terenów płaskich lub fragmentów obrazów terenu o zróżnicowanej rzeźbie wykorzystywane będą dane SIP, dotyczące tych szczegółów obszarów leśnych, które są możliwe do jednoczesnego zidentyfikowania na obrazie i w stosownej warstwie informacyjnej SIP. Będą to więc np. detale granicy polno-leśnej, ale przede wszystkim skrzyżowania elementów liniowych: linii podziału powierzchniowego, dróg itp.
Najtrudniejsze do usunięcia są zniekształcenia geometryczne, powstałe w wyniku odwzorowania przez system teledetekcyjny zróżnicowania wysokościowego terenu. Te sposoby przetwarzania obejmują m.in. technologię ortofoto i wykorzystują do usuwania zniekształceń geometrycznych obrazów cyfrowy model wysokościowy terenu, uzyskiwany odrębną technologią geomatyki.
W zasadzie wszystkie profesjonalne systemy cyfrowego przetwarzania obrazów oferują obecnie moduł do rektyfikacji ortofoto – najbardziej pożądanej formy teledetekcyjnego obrazu cyfrowego.
Mozaikowanie obrazów cyfrowych jest procedurą zmierzającą do utworzenia jednego obrazu ze zbioru kilkunastu lub nawet kilkudziesięciu obrazów składowych. Jest wykorzystywane do sporządzania map obrazowych obejmujących obszar większy niż pojedyncze zdjęcie lotnicze czy obraz satelitarny. Charakterystyczną cechą mozaikowania jest nałożenie cyfrowe zachodzących częściowo na siebie obrazów, które mogą pochodzić z różnych systemów teledetekcyjnych. W mozaikowaniu obraz górny pokrywa obraz dolny w sposób, który w obrazie wynikowym umożliwia obserwację tylko obrazu górnego.
Procedury mozaikowania będą wykorzystywane przed integracją danych teledetekcyjnych z SIP wtedy, kiedy założony system informacji przestrzennej swoim zasięgiem przekroczy zasięg jednego obrazu teledetekcyjnego. Przykładem może tu być sporządzanie mapy obrazowej terytorialnego zasięgu działania nadleśnictwa ze zdjęć PHARE lub wysokorozdzielczych danych satelitarnych dla potrzeb programu ochrony przyrody w nadleśnictwie.
O wyborze typu samolotu (śmigłowca) decydują określone warunki techniczne:
•prędkość lotu,
•prędkość wznoszenia,
•stateczność lotu,
•długość drogi startu i lądowania,
•możliwość osiągnięcia określonego pułapu,
•możliwość umieszczenia kamery w pobliżu środka ciężkości samolotu
W zależności od położenia osi optycznej kamery, zdjęcia lotnicze dzielą się na:
pionowe
ukośne
ukośne perspektywiczne
Utrzymanie w pionie osi kamery w trakcie fotografowania z pokładu samolotu (śmigłowca) jest praktycznie niemożliwe.
Jako zdjęcia pionowe traktuje się obrazy uzyskane przy odchyleniu osi kamery od pionu w granicach do 3o. Najczęściej odchylenie to wynosi około 1o – 1o5’.
Stosując stabilizację żyroskopową, można uzyskać odchylenie osi od pionu nie przekraczające 3’ – 5’.
Zespół zdjęć - wszystkie zdjęcia lotnicze wykonane dla danego fragmentu terenu.
Szereg zdjęć – kolejne zdjęcia wykonane w określonych odstępach czasu, w czasie jednego przelotu nad fotografowanym terenem.
W zależności od wielkości fotografowanego obszaru i rodzaju użytego sprzętu fotograficznego (ogniskowa obiektywu) zespół zdjęć może się składać z jednego lub kilku szeregów.
Pokrycie podłużne – „nakładanie” się zdjęć krawędzią prostopadłą do kierunku nalotu (dotyczy nakładania się zdjęć w ramach danego szeregu).
Pokrycie poprzeczne – „nakładanie” się zdjęć krawędzią równoległą do kierunku nalotu (dotyczy nakładania się szeregów).
Pokrycie podłużne, zwane pokryciem w szeregu (p) – dla celów prawidłowego odwzorowania fotografowanego terenu wymaga nakładania około 60% powierzchni. Dla opracowywania modelu stereoskopowego pokrycie w szeregu nie powinno być mniejsze niż 50%.
Pokrycie poprzeczne, zwane nakładaniem się szeregów (q) – dla celów prawidłowego odwzorowania fotografowanego terenu wymaga nakładania około 30% powierzchni.
Skala zdjęcia lotniczego – stosunek długości odcinka na zdjęciu do długości odpowiadającego mu odcinka w terenie. Wynik zapisywany jest w postaci ułamka 1/m lub 1 : m.
Jeżeli oś kamery jest prostopadła do fotografowanego terenu, a teren jest płaski i poziomy, a ogniskowa kamery (f) jest stała, to skala zdjęcia jest odwrotnie proporcjonalna do wysokości na jakiej znajduje się kamera (H).
Z tej samej wysokości można wykonywać zdjęcia w różnych skalach, stosując kamery o różnych ogniskowych. Zależność ta jest wykorzystywana w fotogrametrii leśnej.
Właściwości informacyjne zdjęć lotniczych można podwyższyć, jeżeli wykonuje się je w takich porach roku lub w takich zakresach spektrum, w których gatunki drzewiaste posiadają największe różnice w jasności spektralnej.
•w okresie letnim najlepsze rezultaty uzyskuje się na materiałach spektrostrefowych; ułatwiają one:
-ustalenie granic wyłączeń drzewostanowych,
-określenie składu gatunkowego drzewostanów,
-oddzielenie gatunków iglastych i liściastych,
-wyodrębnienie drzew porażonych i chorych,
•materiałów spektrostrefowych nie powinno się stosować wiosną oraz jesienią.
•w okresie letnim dobre rezultaty uzyskuje się także na materiale infrachromatycznym (podczerwień rejestrowana w odcieniach szarości),
•w okresie letnim wykorzystuje się także materiały rejestrujące barwy naturalne,
•wiosną lub jesienią najlepiej wykorzystywać materiały panchromatyczne – w tym czasie występują największe różnice w jasności spektralnej widzialnej części widma (wiosna w zakresie 500-600 nm, jesienią 600-700 nm),
•materiałów panchromatycznych nie zaleca się stosować w okresie letnim.
Wyróżnia się w nim następujące grupy przetworzeń:
•zmiany jasności i kontrastu,
•filtracje cyfrowe,
•nakładanie obrazów (tzw. merging),
•operacje międzykanałowe.
Wzmocnienia obrazów są procedurami zmierzającymi do optymalnego przygotowania obrazów do interpretacji tematycznych lub uzyskania danych liczbowych istotnych dla użytkownika. Ten typ przetworzeń jest często utożsamiany z całym procesem cyfrowego przetwarzania obrazów teledetekcyjnych.
Zmiany jasności i kontrastu są najczęściej używanymi procedurami cyfrowego przetwarzania obrazów w poszczególnych kanałach rejestrowanego promieniowania. Stosowane są wtedy, kiedy w oryginalnych obrazach, po ich wizualizacji, twierdza się niewielki zakres radiometrycznej jasności pikseli. Zmiany jasności i kontrastu przetransformowują zakres jasności pikseli obrazu oryginalnego na inne zakresy jasności w wizualizowanym obrazie na ekranie komputera.
Filtracje cyfrowe są zaliczane do najbardziej wyrafinowanych sposobów lokalnego, wielopikselowego przetwarzania obrazów cyfrowych. Działają w kierunku uczytelnienia szczegółów, wzmocnienia lub osłabienia wyrazistości elementów liniowych w obrazie oraz często w kierunku osłabienia zakłóceń radiometrycznych.
Najczęściej stosowaną techniką przetworzeń w filtracjach cyfrowych jest budowa matrycy kwadratowej z różnymi wartościami liczbowymi w poszczególnych polach matrycy, nałożenie tej matrycy na przetwarzany obraz, a następnie wykorzystanie wartości liczbowych pól matrycy i wartości radiometrycznych pikseli obrazu w obrębie matrycy do wyliczenia nowych wartości pikseli obrazu przetwarzanego.
Nakładanie obrazów, zwane mergingiem, powoduje nałożenie dwóch różnych obrazów cyfrowych na siebie. Efekt nałożenia, odmiennie niż w przypadku mozaikowania, jest widoczny w postaci obrazu wynikowego, który zachowuje informację z obydwu nakładanych obrazów.
Procedury mergingu są powszechnie wykorzystywane w celu połączenia obrazów teledetekcyjnych o różnej rozdzielczości terenowej.
Typowym zastosowaniem jest połączenie obrazu wielospektralnego, uzyskanego z systemu Landsat TM, o rozdzielczości terenowej 30 m, z obrazem panchromatycznym SPOT P, o rozdzielczości terenowej 10 m.
Techniki nakładania obrazów są szczególnie ważne w sytuacji, kiedy narynku danych teledetekcyjnych mamy dostępne satelitarne obrazy panchromatyczne o rozdzielczości około 1 m, np. obrazy z systemu IKONOS.
Operacje międzykanałowe wykorzystują informację o jasnościach radiometrycznych pikseli pochodzących z różnych kanałów wielospektralnego obrazu teledetekcyjnego.
Ta grupa przekształceń jest podstawowa przy tworzeniu kompozycji barwnych z obrazów wielospektralnych, przy wyznaczaniu indeksu wegetacyjnego (NDVI) i kompresji informacji wielospektralnej w tzw. procedurze analizy głównych składowych (PCA).
Klasyfikacje są procedurami zastępowania wizualnych analiz obrazu technikami automatycznej identyfikacji klas obiektów w obrazie. Procedury klasyfikacji mogą wykorzystywać algorytmy klasyfikacyjne opierające się na cechach spektralnych obrazów.
Do klasyfikacji nadzorowanej i nienadzorowanej można używać zarówno kanałów z oryginalnego obrazu teledetekcyjnego, jak i sztucznie utworzonych kanałów, dla których wartości poszczególnych pikseli są wyliczane poprzez operacje międzykanałowe.
Coraz częściej stosowane są algorytmy klasyfikacyjne wykorzystujące cechy strukturalne obrazu, a nawet informacje pochodzące z serii czasowych obrazów.
W fotogrametrii i fotointerpretacji często wykorzystywane są pochodne zdjęć lotniczych:
•powiększenia zdjęć lotniczych
•fotoszkic
•fotoszkic ulepszony
•przetworzone zdjęcia lotnicze
•fotomapa
•ortofotomapa
•stereoortofotomapa
Wykonuje się je specjalnymi aparatami, które posiadają wysokiej klasy obiektywy (pozbawione dystorsji). Chodzi o to, żeby w trakcie tego procesu nie stracić nic z wartości pomiarowych zdjęć.
Powiększenia zdjęć są bardzo dobrym materiałem do wykonywania terenowych prac fotointerpretacyjnych. Tym samym sprzętem można oczywiście wykonać również i pomniejszenia zdjęć (np. dla celów przeglądowych).
Materiał ten powstaje przez naklejenie poszczególnych odbitek stykowych całego zespołu zdjęć z danego obszaru na sztywny karton tak, aby tworzyły one jednolity obraz fotograficzny terenu.
Przy sporządzaniu fotoszkicu kierujemy się tylko sytuacją na brzegach poszczególnych odbitek. Zbędne części odbitek odcinamy wzdłuż dowolnych linii (należy unikać cięcia w wzdłuż liniowych szczegółów terenowych).
Jeżeli opracowywany teren był poziomy i zdjęcia zostały wykonane starannie (przy pionowym położeniu osi optycznej kamery i z tej samej wysokości), to fotoszkice takie mogą być dość dokładne. Dokładność ta będzie jednak rzeczą przypadku i przy korzystaniu z fotoszkiców należy zdawać sobie z tego sprawę.
Fotoszkic ulepszony zestawia się z odbitek sprowadzonych do wspólnej określonej (przybliżonej) skali. W tym celu określa się skalę poszczególnych zdjęć na podstawie mapy, a następnie drogą zwykłego przefotografowania na aparacie do wykonywania powiększeń, sprowadza się je do wspólnej skali.
Fotoszkic ulepszony może więc być wykonany w innej skali niż zdjęcia lotnicze. Ponieważ przy powiększaniu zdjęć nie uwzględnia się błędów wywołanych nachyleniem kamery w momencie fotografowania, na fotoszkicu ulepszonym występują zniekształcenia z tego tytułu.
Przetworzone zdjęcia lotnicze otrzymujemy drogą odpowiedniego przefotografowania oryginalnych negatywów tak, aby doprowadzić je do jednolitej i z góry założonej ścisłej skali.
Podczas tej czynności likwidowane są błędy z tytułu pochylenia zdjęć lotniczych, pozostają jednak zniekształcenia wywołane deniwelacją terenu. Dlatego też do przetwarzania nadają się przede wszystkim zdjęcia lotnicze terenów płaskich lub prawie płaskich (dla terenów większej deniwelacji można stosować przetwarzanie strefowe).
Dla przetwarzania zdjęcia lotniczego musimy znać położenie przynajmniej czterech punktów (fotopunkty).
Fotomapa powstaje przez odpowiednie ułożenie, przycięcie i przyklejenie przetworzonych, najczęściej metodą fotomechaniczną, zdjęć lotniczych.
Fotomapa zawiera bogatą treść sytuacyjną w postaci obrazu fotograficznego, takiego samego, co oryginalne zdjęcie lotnicze, a więc są na niej wszystkie szczegóły, jakie istniały w terenie w momencie fotografowania.
Fotomapa jest dokumentem kartogrametrycznym.
Ortofotomapa powstaje przez odpowiednie zestawienie przekształconych zdjęć lotniczych, będących rzutem środkowym zdjętego terenu, na równoważne zdjęcia, które będą rzutem ortogonalnym.
Ortofotomapa jest zatem materiałem pozbawionym zniekształceń wywołanych deniwelacją terenu.
Stereoortofotomapa umożliwia stereoskopową obserwację zdjętego terenu.
Obraz przestrzenny powstaje przez jednoczesną obserwację ortofotomapy i specjalnie wykonanego dodatkowego zdjęcia (stereokomponent, ortofotogram towarzyszący, partner stereoskopowy).
Z lewego zdjęcia stereogramu powstaje ortofotomapa, a z prawego stereokomponent.
Ocena materiałów fotogrametrycznych przeprowadzana jest pod kątem ich jakości fotogrametrycznej i fotograficznej.
Ocena jakości fotogrametrycznej przeprowadzana jest na podstawie oceny stopnia zgodności parametrów technicznych wykonanych zdjęć z projektem nalotu.
Oceny jakości fotograficznej zdjęć dokonujemy wizualnie. Zwracamy uwagę na ostrość obrazu w środku i na brzegach zdjęć, szczegółowość (zdolność rozdzielcza), kontrast obrazu, gęstość optyczną, występowanie uszkodzeń i innych fotograficznych defektów.
Należy zwrócić uwagę na to, czy:
•cały wybrany teren został pokryty zdjęciami,
•zachowany jest procent pokrycia podłużnego,
•zachowany jest procent pokrycia poprzecznego,
•nie istnieją przerwy absolutne lub fotogrametryczne (przerwy absolutne są wówczas, gdy fragment terenu nie odfotografował się na żadnym zdjęciu; fotogrametryczne - gdy odfotografował się tylko na jednym zdjęciu i nie będzie można obserwować tego fragmentu terenu stereoskopowo),
•szeregi są prostolinijne,
•nie występuje "jodełka" (nie uwzględniono kąta znosu),
•zdjęcia są pionowe (wskazania libelki),
•zdjęcia wykonano z tej samej wysokości (różnice wysokości nie powinny przekraczać 5%).
ØWpływ czynników technicznych na przydatność zdjęć lotniczych w urządzaniu lasu oraz podstawowe środki techniczne do wykonywania zdjęć
O przydatności zdjęć lotniczych decydują – dokładność i wiarygodność odczytywanej z nich treści, tzn. szczegółów dotyczących cech lasu, jego elementów taksacyjnych.
Ta precyzja i wiarygodność zależą w dużym stopniu od warunków w jakich zdjęcia są wykonywane. Wpływ maja tutaj zarówno czynniki przyrodnicze jak i techniczne.
Spośród czynników przyrodniczych znaczenie mają przede wszystkim: struktura krajobrazu, charakter drzewostanów, pora wykonywania zdjęć, aspekt fenologiczny, warunki oświetlenia i stan atmosfery. Do czynników technicznych zalicza się typ kamery lotniczej, rodzaj filtru optycznego i materiału światłoczułego oraz sposób obróbki i przetwarzania zdjęć.
Jedna z technik stosowanych w fotografii lotniczej posiada szczególne właściwości odwzorowywania roślinności. Wykorzystuje się w niej film spektrostrefowy, którego jedna z warstw emulsji rejestruje promieniowanie podczerwone.
Takie zdjęcia odzwierciedlają nawet niewielkie zmiany zawartości wody i barwników w liściach, co najczęściej wiąże się z chorobami roślin.
Fotografia spektrostrefowa wydobywa obraz patologicznych zmian lasu, które nie są widoczne na zdjęciach w widzialnym zakresie spektrum.
Do szczegółowych opracowań dotyczących kondycji drzewostanów wykonuje się najczęściej zdjęcia w skali 1:8000 - 1:10000.
Interpretacja obszarów leśnych na podstawie barwnych zdjęć
lotniczych w podczerwieni umożliwia wydzielenie dwóch kategorii
informacji:
1) opisujących jakościowy stan lasu:
•zróżnicowanie gatunkowe,
•zasobność w aparat asymilacyjny,
•udatność upraw,
•prawidłowa lub patologiczna forma korony,
•częściowe lub całkowite zamieranie koron,
2) opisujących stan powierzchni leśnej:
•przestrzenny rozkład struktury gatunkowej,
•przestrzenny rozkład struktury wiekowej,
•zwarcie, luki, gniazda,
•zwartość kompleksu leśnego.
Analizowanie wybranych elementów środowiska przyrodniczego na podstawie obrazów satelitarnych stało się możliwe w latach siedemdziesiątych.
Wystrzelony w 1970 roku satelita NOAA1 zapoczątkował monitorowanie warunków meteorologicznych z użyciem sensorów odbierających odbite i emitowane z powierzchni Ziemi promieniowanie. Obrazy satelitarne odbierane są za pomocą kamer fotograficznych tworzących mapy analogowe oraz skanerów, kamer i radarów umożliwiających tworzenie obrazów w zapisie cyfrowym. Zakres możliwości wykorzystania tych urządzeń jest duży, ponieważ odbierają one nie tylko promieniowanie w zakresie widma widzialnego, ale również w podczerwieni i w zakresie widma termalnego.
W Europie w latach siedemdziesiątych można było zaobserwować zwiększone zainteresowanie technikami teledetekcyjnymi z poziomu satelitarnego.
W Polsce, w 1975 roku, wykorzystano zdjęcia satelitarne do wielkopowierzchniowej inwentaryzacji uszkodzeń drzewostanów sosnowych spowodowanych żerem poprocha cetyniaka w OZLP Białystok.
W późniejszych latach, nastąpił spadek zainteresowania zdjęciami satelitarnymi.
Landsat (USA) – satelity umieszczane na orbicie od 1972 r. Okrążają one Ziemię na wysokości 705 km w czasie 92 minut po orbicie kołowej, posiadają rozdzielczość czasową 16 dni.
Na pokładzie satelity Landsat 5 pracuje skaner o nazwie Thematic Mapper (TM), który obrazuje powierzchnię Ziemi w pasie o szerokości 180 km w siedmiu kanałach spektralnych jednocześnie, w tym - w kanale termalnym. Pasy dzieli się na sceny 180 km x 180 km oraz ich ćwierci po 90 km x 90 km.
Kanały spektralne satelity Landsat TM znajdują następujące zastosowania:
•kanał 1 (niebieski), o rozdzielczości spektralnej 0,45-0,52 µm, użyteczny jest w kartowaniu stref przybrzeżnych mórz i większych jezior, rozróżnianiu gleb i zbiorowisk roślinnych, a także w identyfikacji elementów antropogenicznych,
•kanał 2 (zielony), o rozdzielczości spektralnej 0,52-0,60 µm – stosowany w określaniu stanu zdrowotnego roślinności oraz identyfikacji elementów kulturowych,
•kanał 3 (czerwony), o rozdzielczości spektralnej 0,63-0,69 µm, umożliwia rozróżnianie obszarów różniących się składem gatunkowym roślinności, granic zasięgów gleb i podłoża geologicznego,
•kanał 4 (odbita podczerwień), 0,76-0,90 µm, wykorzystywany do oceny przyrostu biomasy w okresie sezonu wegetacyjnego oraz do identyfikacji upraw rolniczych i granic pomiędzy terenami lądowymi i wodami,
•kanał 5 (średnia podczerwień), 1,55-1,74 µm, stosowany do badania bilansu wodnego i stanu zdrowotnego roślin,
•kanał 6 (podczerwień termalna), 10,40-12,50 µm, służy do określania stopnia zagrożenia roślinności, zmian w środowisku wywołanych emisją ciepła sztucznego,
•kanał 7 (średnia podczerwień), 2,08-2,35 µm, pomocny w określaniu formacji geologicznych, typów gleb i stopnia uwilgocenia gleb.
SPOT (Francja) - okrąża Ziemię w czasie 101 minut, na wysokości 832 km, po orbicie kołowej, prawie okołobiegunowej.
Nad tym samym punktem globu znajduje się co 26 dni. Częstość wykonywania zobrazowań tego samego wycinka terenu można zwiększyć, dzięki możliwości zrobienia przez skaner zdjęć wychylonych. Na pokładzie satelity pracuje skaner o nazwie HRV, obrazujący powierzchnię Ziemi w pasie o szerokości 60 km, w trzech kanałach spektralnych o rozdzielczości 20 m x 20 m lub w jednym panchromatycznym o rozdzielczości 10 m x 10 m. Pasy dzieli się na sceny o wymiarach 60 km x 60 km.
Kosmos (Rosja) – seria satelitów, rozmieszczanych na orbicie od Zdjęcia wykonywane kamerą fotograficzną KVR-1000 (TK 350) i KFA-1000. Satelita umieszczony jest na wysokości około 280 km, okrąża Ziemię w czasie 89 minut. Zdolność rozdzielczą filmu ocenia się na 145-160 linii/m, a rozdzielczość zdjęć – na 5-10 metrów.
IKONOS (Space Imaging,USA) - prace rozpoczął w ostatnim kwartale 1999 r. Aktualnie daje on najwyższą, 1-metrową rozdzielczość terenową obrazów panchromatycznych i 4-metrową rozdzielczość czterokanałowych obrazów wielospektralnych. Satelita porusza się po orbicie okołobiegunowej, zsynchronizowanej ze słońcem, na wysokości 680 km, okrążając Ziemię w ciągu 98 minut. Nad tym samym punktem globu znajduje się co 3 dni. Kamera, rejestrująca promieniowanie, została skonstruowana przez firmę Estman Kodak.
EROS - w grudniu 2000 roku umieszczony zosta na orbicie satelita EROS A1 rejestrujący zakres panchromatyczny z rozdzielczością terenową 1,8 metra (w zapisie 11 bitowym).
Jest to pierwszy z 8 satelitów serii EROS. Uruchomienie w 2004 roku ostatniego satelity z tej serii umożliwi codziennie 2-krotną rejestrację określonego obszaru globu.
•ciągłość informacji (zgodna z właściwościami środowiska przyrodniczego),
•możliwe jednorazowe pokrycie dużego obszaru terenu,
•obiektywność pomiaru fizycznego,
•niewielkie zniekształcenia geometryczne,
•powtarzalność zbierania informacji w regularnych odstępach czasu,
Wady obrazów satelitarnych
•większe koszty zakupu zdjęć,
•brak możliwości wykonania zdjęć w określonym terminie,
•mniejsza rozdzielczość,
Pierwsze analizy zdjęć satelitarnych, obrazujących lasy dotknięte klęską ekologiczną w Górach Izerskich i Karkonoszach, umożliwiły wydzielenie:
•drzewostanów świerkowych żyjących,
•drzewostanów martwych,
•drzewostanów liściastych,
•mieszanych oraz wylesień.
Zwiększenie poziomu dokładności przy interpretacji umożliwiło porównanie ze spektrostrefowymi zdjęciami lotniczymi, które posłużyły między innymi do stworzenia mapy zdrowotnego i sanitarnego stanu lasu (w skalach 1:10000 i 1:25000), opracowanej w 1984 r. Ta interpretacja dostarczyła informacji na temat ubytku aparatu asymilacyjnego świerków, lokalizacji drzewostanów martwych i zamierających oraz lokalizacji różnych klas wieku i zwarcia. W wyniku analizy wyznaczono m.in. klasy zdrowotności drzewostanów, definiowane udziałem drzew martwych i zamierających oraz ubytkiem aparatu asymilacyjnego.
Zastosowanie nowoczesnych technik przetwarzania i analizy zdjęć satelitarnych pozwoliło na rozszerzenie opisu wydzielanych klas.
Było to możliwe między innymi dzięki wyselekcjonowaniu kanałów TM przydatnych do monitorowania lasu. Stwierdzono, że zakresy TM3, TM4, TM5 i TM7 są do tego szczególnie użyteczne, a ponadto zauważono, że wagowania zakresów TM5/TM4 (tzw. wskaźnik uszkodzeń) i TM4/TM3 (tzw. wskaźnik biomasy) rozszerzają możliwość oceny uszkodzeń drzewostanów świerkowych.
Badania laboratoryjne wykazały, że wagowanie kanałów TM5/TM4 pozwala rozpoznać deficyt wody w igłach (wskaźnik = ± 0,5) oraz stadium zamierania igieł (wskaźnik = ± 0,7).
Szczególną uwagę przywiązywano do precyzyjnego zdefiniowania klas zdrowotności drzewostanów świerkowych. W wyniku tych prac powstały kolejne klasyfikacje opisujące klasy kondycji lasu poprzez ilość drzew martwych i zamierających w drzewostanach, a także ich wiek i gęstość.
Zastosowanie systemu zbudowanego w Instytucie Geodezji i Kartografii na potrzeby Leśnego Kompleksu Promocyjnego „Lasy Puszczy Kozienickiej” oraz Kozienickiego Parku Krajobrazowego, umożliwiło przeprowadzenie wyczerpujących analiz, dotyczących drzewostanów sosnowych. Pozwoliły one stwierdzić, że:
•zdjęcia satelitarne umożliwiają rozróżnienie gatunków panujących oraz siedliskowych typów lasu,
•wpływ na obrazy spektralne lasów sosnowych mają przede wszystkim: zwarcie, udział poszczególnych gatunków oraz defoliacja i liczba drzew żywych na 1 ha,
•w drzewostanach o dużym udziale sosny i wysokim zwarciu mogą być rozróżniane klasy wieku oraz wysokości,
•powyższe analizy są możliwe głównie w drzewostanach monolitycznych i dzięki analizom wielokanałowym,
•drzewostany sosnowe najlepiej odwzorowują się w zakresach średniej i bliskiej podczerwieni oraz czerwieni, którym odpowiadają kanały 5,4 i 3 skanera Thematic Mapper (Landsat) oraz 4,3,2 skanera SWIR (SPOT).
Ogólne ramy zastosowań teledetekcyjnej informacji obrazowej do zarządzania leśnictwem wielofunkcyjnym, bez względu na wielkość obszaru, mogą obejmować:
•udział leśnictwa polskiego w tworzeniu globalnych i kontynentalnych systemów informacyjnych o lesie i środowisku,
•zapewnienie informacji dla ośrodków odpowiedzialnych za kreowanie i sprawowanie nadzoru nad realizacją polityki ekologicznej i polityki leśnej państwa,
•bieżącą ocenę zasięgu i dynamiki zmian w stanie lasu,
•sporządzanie raportów i analiz o stanie lasu na użytek społeczeństwa i ośrodków władzy,
•zapewnienie właściwego uwzględniania roli i interesów leśnictwa w rozwiązaniach dotyczących całego środowiska, w sferze planowania przestrzennego, tworzenia obszarów chronionych itp.
Lokalizacja obiektów realizowana jest w teledetekcji poprzez wykorzystanie różnych sposobów odwzorowania. We współcześnie stosowanych rozwiązaniach technicznych wykorzystuje się m.in.:
•rzut środkowy (w kamerach fotogrametrycznych i kamerach wideo),
•odwzorowanie terenu wąskimi paskami (w systemach skanerowych),
•odwzorowania bocznego wybierania (w naziemnych systemach radarowych).
Konsekwencją użycia do rejestracji obrazu określonego typu odwzorowania i konkretnego urządzenia technicznego jest konieczność późniejszego stosowania specjalnych korekt geometrycznych obrazów. Dopiero wówczas możliwe jest zintegrowanie obrazów z innymi danymi przestrzennymi w SIP.
Zaniechanie korekty powoduje, że położenie obiektów na obrazie może być obarczone znacznymi błędami.
Poziom najwyższy (dla dużych obszarów) – obejmuje struktury przestrzenne złożone z różnych ekosystemów, co może odpowiadać przestrzeni krajobrazu ekologicznego.
Na tym poziomie teledetekcyjna informacja obrazowa może być wykorzystana do:
•oceny stanu i wypracowania właściwej dystrybucji przestrzennej lasów w relacji do potencjału przyrodniczego obszaru,
•konstruowania nowych lub przebudowy istniejących układów leśno-zadrzewieniowych w zakresie programu zwiększania lesistości i zadrzewień oraz zadań gospodarki łowieckiej,
•współudziału w tworzeniu planów przestrzennego zagospodarowania gmin,
•zlewniowgo gospodarowania zasobami wody poprzez ocenę udziału lasów w strukturze pokrycia zlewni,
•dokumentowania działań na rzecz ochrony przyrody i bioróżnorodności w zakresie krajowych aktów prawnych i ratyfikowanych konwencji międzynarodowych.
Poziom pośredni – obejmuje pojedynczy kompleks leśny (bez względu na formę własności), gdzie czynnikiem systemotwórczym jest roślinność drzewiasta. Na tym poziomie struktur przestrzennych występują typowe dla LP problemy inwentaryzacyjne, które mogą być wspomagane poprzez wykorzystanie teledetekcyjnej informacji obrazowej.
Dotyczą one:
•doskonalenia urządzeniowego ładu przestrzennego i czasowego,
•inwentaryzacji istniejących i konstruowania nowych stref ekotonowych,
•oceny wpływu na środowisko leśne istniejących i projektowanych obiektów inżynieryjnego udostępniania lasów.
Poziom najniższy – obejmuje pojedyncze wyłączenie taksacyjne. Najważniejszym polem zastosowań teledetekcji są zdjęcia lotnicze wykorzystywane do:
•wyznaczania granic wyłączeń drzewostanowych,
•sporządzania opisów taksacyjnych,
•ustalania zmian,
•inwentaryzacji uszkodzeń drzewostanu.
Typowe inwentaryzacje urządzeniowe, wykonywane dla potrzeb sporządzania planów urządzenia lasu dla nadleśnictw, nie obejmują szczegółów wewnątrz drzewostanu.
Odpowiednia rozdzielczość obrazów teledetekcyjnych, w tym możliwych do pozyskania przy dzisiejszym stanie techniki niekonwencjonalnych obrazów rejestrowanych systemami laserowymi i radarowymi, jest łatwa do uzyskania z pułapu lotniczego.
Umożliwia to wykorzystanie teledetekcji do inwentaryzacji i analiz również wewnątrz pojedynczego wyłączenia taksacyjnego.
Głównym źródłem informacji Systemu Zarządzania Danymi Fotogrametrycznymi, w chwili obecnej, są dane, które powstają w wyniku realizacji dwóch znaczących projektów:
•Zintegrowanego Systemu Zarządzania i Kontroli (IACS).
•Ogólnokrajowego systemu "Baza Danych Topograficznych" (TBD).
Zintegrowany System Zarządzania i Kontroli (IACS) jest systemem administracyjno-informatycznym, który umożliwia sprawną dystrybucję i kontrolę pomocy dla rolników. Tworzą go następujące komponenty:
•zinformatyzowana baza danych wniosków o przyznanie płatności
•system identyfikacji działek rolnych
•system identyfikacji i rejestracji zwierząt
•zintegrowany system kontroli.
Podstawowym elementem IACS-u jest System Identyfikacji Działek Rolnych (LPIS) na bazie, którego funkcjonują wszystkie moduły IACS-u.
LPIS umożliwia jednoznaczną w skali kraju identyfikacje działki rolnej i jej położenia, kontrole prawidłowości zadeklarowanej powierzchni łącznie z oceną i sprawdzeniem jej kwalifikalności. System ten nie stanowi odrębnego modułu w ramach IACS-u, lecz jest złożeniem wielu kontroli bazy danych oraz analiz relacji zbudowanych pomiędzy nimi.
Docelowo LPIS będzie funkcjonował w pełnej wersji wektorowej (GIS) jako zintegrowana baza danych, tzn.:
•zostaną określone (zwektoryzowane) na podstawie zdjęć obszary nieobjęte płatnościami
•zostaną pozyskane wektorowe granice działek ewidencyjnych
•zostanie opracowana cyfrowa ortofotomapa
•bazy graficzne zostaną zintegrowane z bazą opisową.
Proces budowy LPIS jest uzależniony od wykonania ortofotomapy dla całego obszaru użytków rolnych. Podstawą wykonania ortofotomapy są zdjęcia lotnicze oraz w przypadkach terenów przygranicznych, gdzie wykonanie zdjęć lotniczych może stwarzać pewne trudności, wysokorozdzielcze zdjęcia satelitarne.
Baza Danych Topograficznych (TBD) rozumiana jest jako ogólnokrajowy system gromadzenia i udostępniania danych topograficznych, na który poza danymi składa się odpowiedni system finansowania, organizacja, narzędzia informatyczne oraz niezbędne wytyczne i instrukcje techniczne.
TBD stanowić będzie jeden z istotnych elementów szeroko rozumianego Krajowego Systemu Informacji o Terenie.
TBD ma zasilać aktualnymi, wysokiej jakości danymi topograficznymi specjalistyczne systemy informacji przestrzennej.
Realizacja TBD ma na celu uniknięcie wielokrotnego pozyskiwania i aktualizacji tych samych danych przez wielu użytkowników.
Celem budowy TBD jest również zapewnienie zasilania aktualnymi danymi topograficznymi systemów produkcji map, przede wszystkim topograficznych, ale również tematycznych. Zapewni to jednolite i aktualne pokrycie kraju wysokiej jakości informacją przestrzenną zarówno w postaci analogowej jak i numerycznej.
Dane zgromadzone w TBD mogą stanowić punkt wyjścia do budowy systemów informacji przestrzennej dla różnych instytucji rządowych i samorządowych oraz być wykorzystane w systemach budowanych w sektorze prywatnym.
Stworzenie LPIS wymaga jednolitej w skali kraju osnowy geometrycznej, do której zostaną odniesione przestrzenne mapy ewidencyjne. Taką osnową ma być ortofotomapa. W przyszłości do tej osnowy zostaną odniesione różne dane GIS. Ortofotomapa będzie pełnić również inne ważne funkcje na etapie budowy a następnie funkcjonowania LPIS np.:
•kontrola istniejących map ewidencyjnych,
•wydzielenia tzw. powierzchni "funkcjonalnych" i "nie funkcjonalnych" (tj. takich, za które rolnik faktycznie może otrzymać dopłatę),
•pomocy przy składaniu zindywidualizowanych wniosków o dopłatę,
•kontroli wniosków o dopłaty na różnych etapach i szczeblach organizacyjnych systemu LPIS, oraz wprowadzanie korekt do stwierdzonych nieprawidłowości.
W Polsce występuje zróżnicowane rozdrobnienie struktury działek rolnych, co ma swoje odbicie na dokładność prowadzonej mapy ewidencyjnej.
Dla większości obszaru Polski mapa ewidencyjna prowadzona jest w skali 1:5000. Na tych obszarach ortofotomapa powinna mieć parametry zbliżone lub nieco lepsze od zalecanych prze UE.
W południowo-wschodniej części kraju występuje silne rozdrobnienie struktury działek. Na tym obszarze prowadzi się mapę ewidencyjną w większych skalach (1:2880, 1:2000). W tych obszarach rozpoczęto modernizację ewidencji z przejściem na numeryczną mapę ewidencyjną w skali 1:2000. Dla tej części kraju ortofotomapa na potrzeby LPIS powinna mieć parametry odpowiadające skali 1:2000.
Biorąc pod uwagę powyższe uwarunkowania zaproponowano dwa standardy ortofotomapy dla Polski:
Standard I:
•piksel terenowy ortofotomapy 0.5-1.0m
•błąd położenia sytuacyjnego (RMSE) 1.5-2.5m
Standard II:
•piksel terenowy ortofotomapy 0.25m
•błąd położenia sytuacyjnego (RMSE) 0.75m
Ortofotomapa na bazie istniejących zdjęć 1:26000 PHARE - istniejące zdjęcia 1:26000 pozwalają na wytworzenie ortofotomapy zgodnej ze standardem I. Biorąc pod uwagę aktualność istniejących zdjęć PHARE ten wariant wytworzenia ortofotomapy przewiduje się na obszarze około 48000 km2.
Ortofotomapa na bazie nowych zdjęć 1:26000 PHARE - nowe zdjęcia 1:26000 pozwalają na wytworzenie ortofotomapy zgodnej ze stanadardem I. Biorąc pod uwagę uwarunkowania techniczne i organizacyjne wariant ten przewiduje się na obszarze około 156000 km2.
Ortofotomapa na bazie nowych zdjęć 1:13000 - nowe zdjęcia 1:13000 pozwalają na wytworzenie ortofotomapy zgodnej ze standardem II. Ten wariant wytworzenia ortofotomapy przewidziano na obszarze około 85000 km2.
Ortofotomapa na bazie obrazów satelitarnych - dostępne obecnie wysokorozdzielcze obrazy satelitarne z pikselem terenowym około 1m pozwoliły na wytworzenie ortofotomapy zgodnej ze standardem I. Jako źródło użyte zostały wysokorozdzielcze obrazy satelity IKONOS2. Biorąc pod uwagę uwarunkowania techniczne i organizacyjne ten wariant przyjęto na obszarze około 50000 km2.
Ile będzie danych?
Docelowo w systemie mają znaleźć się dane fotogrametryczne (zdjęcia lotnicze, ortofotomapy, NMT) pokrywające całą Polskę.
Zadania jakie postawiono przed projektowanym systemem to:
- archiwizacja danych
- eksploatacja bazy danych (również przestrzenna)
- przyspieszenie i poprawienie obsługi zamówień
Do zrealizowania tych zadań wykorzystany został system TerraShare firmy Z/I Imaging oraz oprogramowanie Intergraph GeoMedia i GeoMedia WebMap.
W celu stworzenia ortofotomapy II standardu na terenie Polski wykonano panchromatyczne zdjęcia lotnicze w skali 1:13000. Zdjęciami został pokryty południowo-wschodni rejon naszego kraju o łącznej powierzchni 14685 km2. Naloty wykonywane były w latach 2002-2003.
Zdjęcia te są podstawowym elementem, obok NMT procesu generowania ortofotomap. Dlatego też zdecydowano się na zaprojektowanie ich jako zdjęć celowanych. tzn. zdjęć wykonanych z punktu przestrzeni odpowiadającego środkowi arkusza mapy. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość opracowania arkusza mapy z przetworzenia tylko jednego zdjęcia.
Zdjęcia dostępne w systemie zeskanowane zostały z pikselem 14um co jest równe rozdzielczości 1800 dpi, a każde ze zdjęć to około 250 MB.
W chwili obecnej zakończono prace fotolotnicze a zdjęcia te są systematycznie wprowadzane do SZDF. Wprowadzenie wszystkich zdjęć 1:13000 przewiduje się na IV kwartał 2004 roku. Termin ten uwarunkowany jest czasochłonnym procesem skanowania negatywów zdjęć jak również wnikliwym procesem kontroli.
Dzieki funduszom pochodzącym z projektu PHARE 2001 zostaną wykonane zdjęcia lotnicze w skali 1:26000 będące podstawą dla ortofotomapy odpowiadającej I standardowi.
Prace fotolotnicze rozpoczęły się wiosną 2004 roku a ich zakończenie przewiduje się na koniec sezonu lotniczego 2004.
Od 1999 roku trwają intensywne prace nad utworzeniem satelitarnego systemu nawigacyjnego Galileo, który jest wspólnym przedsięwzięciem Unii Europejskiej i Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Budowę Galileo podzielono na cztery fazy. Pierwsza, obejmująca definiowanie systemu, została zakończona (1999-2001).
Druga, zaplanowana na lata 2002-05, związana jest z opracowaniem ram instytucjonalnych systemu, ich zatwierdzeniem i umieszczeniem na orbicie testowych satelitów. Została ona oszacowana na 1,1 mld euro, a kosztami podzielą się Komisja Europejska i ESA.
Faza kolejna obejmująca budowę i wystrzelenie satelitów oraz rozwój infrastruktury naziemnej przewidziana jest na lata 2006-07. Jej koszty (2,1 mld euro) zostaną pokryte głównie przez przyszłych koncesjobiorców.
Ostatni etap rozpocznie się w 2008 r., kiedy system będzie w pełni operacyjny. Zakłada się, że roczne wydatki na jego utrzymanie wyniosą ok. 220 mln euro.
To 30 satelitów (w tym trzy rezerwowe, aktywne) umieszczonych na wysokości 23 222 km na trzech orbitach kołowych (MEO - Medium Earth Orbits - Średnie Orbity Ziemskie) nachylonych do płaszczyzny równika pod kątem 56°, sieć stacji naziemnych, centra regionalne.
Termin uruchomienia Galileo - 2008 r.
Pięć podstawowych kategorii sygnałów:
Open Service (Serwis Otwarty) - bezpłatny, powszechnie dostępny pomiar czasu i pozycji.
Safety of Life Service (Serwis Bezpieczeństwo Życia) - jw.; gwarancja jakości i pewności sygnału (dokładność lokalizacji jak w OS), odbiorniki z odpowiednim certyfikatem.
Commercial Service (Serwis Komercyjny) - płatny, zwiększona precyzja (dwa dodatkowe kodowane sygnały) i gwarancja jakości sygnału.
Public Regulated Service (Serwis Publiczny Regulowany) - przeznaczony dla administracji państwowej, sygnał kodowany oddzielony od innych dla zapewnienia jakości i pewności usługi.
Search and Rescue Service (Serwis Poszukiwanie i Ratownictwo) – do precyzyjnej lokalizacji i komunikacji pomiędzy wysyłającym sygnał ratunkowy a operatorem usługi.