WYKŁADY

WYKŁAD I (17.02.2010)

Teledetekcja- pochodzi od greckiego słowa tele- daleko, i łacińskiego detektio- wykrywanie; obejmuje zespół technik i metod umożliwiających rozpoznanie i badanie obiektów oraz zjawisk z odległości, tj bez kontaktu z tym obiektem i zjawiskiem. Daje również możliwość badania zależności między obiektami i zjawiskami oraz badania zmian właściwości obiektów i zjawisk.

Niektóre techniki były wykorzystywane w XIX w., ale za późniejsze przyjmuje się lata 60.

Fotogrametria- technika pomiarowa służąca do pozyskiwania informacji o kształcie, wielkości i położeniu w przestrzeni obiektów terenowych na podstawie pomiarów wykonanych na obrazach analogowych lub cyfrowych.

Metodami teledetekcyjnymi można badać obiekty materialne na, pod i ponad powierzchnią Ziemi: gleby, roślinność, budowle, wody, obiekty archeologiczne czy rurociągi drenarskie ukryte pod ziemią, chmury, dymy unoszące się pod atmosferą. Można także badać zjawiska takie jak: wilgotność, temperatura, zjawiska społeczno- gospodarcze.

Sensorami nazywamy urządzenia służące do wykrywania i pomiarów energii elektromagnetycznej lub innej oraz rejestracji jej w różnych postaciach zapisu. Sensory są przenoszone najczęściej przez satelity lub samoloty.

Ze względu na źródło pochodzenia rejestracyjnego promieniowania, sensory dzielimy na:

• pasywne- rejestrują promieniowanie pochodzące od istniejących w środowisku źródłem energii (np. Słońce) - są to np. kamery fotograficzne, skanery.

• aktywne- emitują własną energię, która wchodzi w interakcje z badanymi obiektami i powraca do sensora, np. radar, sonar.

W teledetekcji środowiska informacje można pozyskiwać w różnych zakresach pola energetycznego oraz w takich polach jak pole akustyczne, magnetyczne, grawitacyjne i chemiczne, można też wykorzystać promieniotwórczość.

Informacja może być przekazywana w różnych ośrodkach, nie tylko w powietrzu. Koncentruje się na określeniu cech jakościowych badanych obiektów, ale też co to jest i jakie ma właściwości

WYKŁAD II (24.02.2010)

Przykłady zastosowania teledetekcji:

• gospodarka rolna

• monitoring atmosfery

• badania szaty roślinnej

• badania środowiska wodnego

• geologia

• meteorologia

Gospodarka rolna:

• tworzenie nowych map i aktualizacja już istniejących

• badania upraw- badania struktury zasiewów, stanu wegetacyjnego upraw, wyodrębnienie obszarów zagrożonych chorobami roślin.

Monitoring atmosfery:

• wykrywanie zanieczyszczeń- w celu zwiększenia kontrastu pomiędzy zanieczyszczoną masą powietrza a tłem, stosuje się filtry)

• badanie ilościowe zanieczyszczeń ( o stężeniu zanieczyszczeń w powietrzu, w pośredni sposób można wnioskować na podstawie stanu niektórych gatunków roślin- zanik chlorofilu w masie zielonej- sosna, świerk)

• monitorowanie zanieczyszczeń powietrza na dużych obszarach (obrazy satelitarne):

- erupcjami wulkanicznymi,

- potężnymi burzami piaskowymi

- dymami powstającymi w wyniku wielkich pożarów lasów

- zobrazowanie wykonane zimą (dymy nie są w nich zbyt dobrze widoczne, ale na śniegu zaznacza się wyraźnie opad pyłów)

- fotografowanie w nocy umożliwia zlokalizowanie tych obiektów, które wyłączają urządzenia filtrujące w tym czasie

Badania szaty roślinnej:

• identyfikacja gatunku rośliny

• określenie jej cech

• określenie stanu ekologicznego np. obecności ewentualnych chorób

• wykazanie zmian zachodzących na danym terenie

Interpretacja szaty roślinnej odbywa się na podstawie bezpośrednich cech rozpoznawczych:

• barwa

• kształt

• ton

• cienie

• struktura

W badaniach szaty roślinnej ważny jest czas wykonywania zobrazowania ze względu na zmiany sezonowe oraz dobowe.

Informacje o szacie roślinnej stanowią pośrednie cechy rozpoznawcze dla innych elementów krajobrazu. Wykorzystuje się:

• morfologiczne- obrazuje związek gatunku rośliny z wilgotnością gleb (różne gatunki roślin mają różne wymagania)

• florystyczne- obrazuje związek rośliny z glebą np. sosna na dnie zdolności adaptacyjnych i może występować na różnych typach gleb; świerk źle rośnie na glebach suchych

• fizjologiczne- przedstawiające związek chemicznych warunków wegetacji roślin z ich barwą czyli pigmentami roślin.

Kondycja drzew, szczególnie ilość liści lub igieł, zawartości w nich barwników i wody oraz ich budowa decydują o wielkości odbicia promieniowania elektromagnetycznego. Zmniejszenie zawartości pigmentów w liściach powoduje zmianę odbicia promieniowania o określonej długości.

Szczególnie przydatne są obrazy satelitarne obszarów zdegradowanych, gdzie skała i tempo zmian wymuszają częste przeprowadzanie inwentaryzacji lasu.

Badania środowiska wodnego:

w oceanologi obrazy satelitarne pomagają w rozwiązywaniu wielu zadań związanych z badaniem mórz i oceanów, np. :

• obserwacja prądów morskich i oceanicznych

• rejestracja przestrzennej struktury falowania powierzchniowego

• kształtowaniu planu rozlanej ropy naftowej i innych zanieczyszczeń

• badanie struktury i dynamiki pokrywy lodowej

• określenie temperatury powierzchni wód

• określenie zawartości zawiesiny ogólnej i występowania fitoplanktonu

Obecnie rozdzielczość przestrzenna zobrazowań satelitarnych jest coraz lepsza dzięki czemu można je wykorzystać w badaniach wód śródlądowych.

Zobrazowanie satelitarne są wykorzystywane w monitorowaniu ekologicznym jezior i rzek do oceny stanu czystości.

Materiały teledetekcyjne można również wykorzystywać przy projektowaniu regulacji rzek i wałów przeciwpowodziowych.

W przypadku wystąpienia powodzi zdjęcia lotnicze lub satelitarne umożliwiają:

• szybko i precyzyjnie określić zasięg szkód w infrastrukturze i krajobrazie

• planować akcje ratunkowe i likwidację skutków powodzi

• uaktualniać mapy zagrożenia powodziowego

W badaniach hydrosfery teledetekcja umożliwia również:

• ustalenie miejsc spływu i retencji wód powierzchniowych

• badanie skuteczności działań wodnych systemów regulacyjnych

• badanie przebiegu procesów sedymentacyjnych

• ustalenie linii wododziałowych

• ustalenie obszarów nadmiernie suchych lub mokrych

• określenie zmian poziomu wód powierzchniowych i zasięgów lejów depresyjnych

• kontrola skuteczności działania oczyszczalni ścieków

Geologia:

Zdjęcia lotnicze i satelitarne są przydatne w badaniu struktury gleb mineralnych czy opracowaniu map geologicznych. Służą one między innymi do klasyfikacji gleb, gdyż bardzo często linie ograniczające różne rodzaje gleb są dobrze widoczne na zdjęciu. Ze względu na swój zasięg pozwalają dostarczać i interpretować zjawiska występujące na dużych obszarach.

Meteorologia:

atmosfera ziemska znajduje się pod ciągłym nadzorem satelitów meteorologicznych. Rejestrują one między innymi:

• rozkład promieniowania ciepłego

• rozkład wilgotności

• zachmurzenie

• układy ciśnieniowe

• obszary zalegania pokrywy śnieżnej

WYKŁAD III (03.03.2010)

Kamery fotograficzne

Techniczne środki obrazowania powierzchni Ziemi:

• kamery fotograficzne

• kamery niefotograficzne (aparatura obrazowa)

Kamery fotograficzne:

1. kamery topograficzne (pomiarowe)

2. kamery rozpoznawcze (rekonesansowe):

- kadrowe (tradycyjne)

- wieloobiektowe

- szczelinowe

- panoramiczne

- wielospektralne

- zespoły kamer

Kamery niefotograficzne:

1. kamery cyfrowe

2. skanery wielospektralne

3. skanery termalne

4. skanery telewizyjne

5. radar bocznego wybierania SLAR

6. radar z anteną satelitarną SAR

7. interferometria radarowa InSAR

8. lotniczy skaner laserowy (staning laserowy)

Współcześnie obraz może być utrwalony w postaci fotografii:

• czarno- białej (w postaci redukowanej jakości)

• barwnej ( redukowaną jakość obrazu zastępują barwy)

• spektrostrefowej

• wielospektralnej (fotografia rejestrująca jednocześnie ten sam obraz w wybranych zakresach widma elektromagnetycznego)

Kamery fotograficzne:

• odbiornikiem promieniowania jest światłoczuła emulsja fotograficzna a obraz tworzy obiektyw optyczny

• rejestrują odbite od powierzchni Ziemi promieniowanie słoneczne w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni

• produktem jest zdjęcie fotograficzne

Kamery fotograficzne (kamery pomiarowe, metryczne, fotogrametryczne, szeregowe):

• przeznaczone są do wykonywania zdjęć dla opracowań mapowych i innych zadań pomiarowych

• charakteryzują się najwyższą jakością geometryczną i stałością parametrów geometrycznych zdjęć.

Cechy kadrowych kamer lotniczych:

• jest to kamera kadrowa- cały kadr zdjęcia jest naświetlony jednocześnie przez obiektyw nieruchomy względem płaszczyzny tłowej

• kamera jest zamocowana nad otworem w podłodze samolotu na specjalnym podwieszeniu amortyzującym drgania konstrukcji samolotu oraz umożliwiającym nadawanie kamerze zadanego położenia

• zdjęcia są wykonywane na filmach z niedeformującym się poliestrowym podłożem

Wybór obiektu (stożka kamery):

• normalnokątny:

~ miasta z wysoką zabudową

~ teren wysokogórski

• szerokokątny:

~ teren płaski i pofałdowany

WYKŁAD IV (10.03.2010)

Kamery rozpoznawcze (rekonesansowe, fotointerpretacyjne, nietopograficzne, specjalne):

• służą do wykrywania i rozpoznawania obiektów i zjawisk na powierzchni Ziemi, będących przedmiotem zainteresowań

• od zdjęć wykonywanych takimi kamerami oczekuje się najwyższej „szczegółowości” oraz powinny charakteryzować się dużą terenową zdolnością rozdzielczą

• problem jakości geometrycznej schodzi na drugi plan, bowiem zdjęcia te służą celom interpretacyjnym a nie pomiarowym

• powinny umożliwiać rejestrację w określonych zakresach widma elektromagnetycznego i w spektralnych warunkach

Dążenie do otrzymania zdjęć o dużej terenowej rozdzielczości prowadziło do konstrukcji kamer o długich ogniskowych, kamery długoogniskowe dawały jednak mały zasięg terenowy zdjęcia. Aby go zwiększyć budowano kamery o dużym formacie kadru lub stosowano zespoły wieloobiektowe oraz zespoły wielokamerowe.

Kamera wieloobiektowa:

• ma zwykle 3 lub 5 obiektów, jeden skierowany pionowo w dół i 2 lub 4 na boki.

• Uzyskuje się jednocześnie na jednym filmie 3 (lub 5) kadry o sumarycznym szerokim kącie widzenia w kierunku poprzecznym do kierunku lotu powyżej 180⁰ („od horyzontu do horyzontu”)

Kamery szczelinowe:

• stosowano przy fotografowaniu na małych wysokościach

• w czasie fotografowania filmu ze stałą prędkością jest przesuwany przed szczeliną zorientowaną poprzecznie do kierunku lotu

• czas ekspozycji zależy od szerokości szczeliny i prędkości przemijania filmu, reguluje się go przez zmianę szerokości szczeliny

Kamery panoramiczne:

Film napięty jest na pobocznicy walca o osi zorientowanej wzdłuż kierunku lotu, obiektyw kamery obraca się wokół tej osi i przez ruchomą wąską szczelinę o ruchu zsynchronizowanym z obrotem obiektywu sukcesywnie projektuje i naświetla obraz terenu

Konstrukcje kamer panoramicznych:

• kamery panoramiczne bezpośredniego skanowania z obracającym się obiektywem

• kamery panoramiczne pośredniego skanowania z obracającym się pryzmatem

• kamery panoramiczne pośredniego skanowania z obrotową konsolą optyczna

Kamery wielospektralne:

Fotografia wielospektralna polega na synchronizowanym fotografowaniu tego samego obrazu w kilku zakresach widma słonecznego.

Typy kamer wielospektralnych:

• zespół wielokamerowy

• kamera wieloobiektywowa

• jedno obiektywowa kamera z optyczną separacja zakresu

Zespoły kamer pozwala uzyskać identyczne- pod względem geometrycznym- wyciągi spektralne. O zakresie spektralnym każdego z nich decyduje kombinacja odpowiedniego filtra zakładanego na obiektyw i charakterystyki filmu użytego w danej kamerze.

Techniki niefotograficzne

Techniki skanerowe- umożliwiają obrazowanie wielospektralne.

Detektorem promieniowania elektromagnetycznego nie jest- jak w przypadku fotografii wielospektrowej- światłoczuła emulsja lecz są to detektory elektroniczne, które zamieniają padającą energię na sygnały elektryczne rejestrowane w różnej formie.

Skaner jest radiometrem przeszukującym obrazowany obszar i odbierającym, a następnie rejestrującym energię od poszczególnych fragmentów terenu. Może to być energia własna obiektu lub odbita od niego.

cecha	Systemy fotograficzne	Systemy skanerowe
			Zakres rejestrowanego promieniowania	300- 900nm	300-1400nm
			Rozdzielczość spektralna	> 40nm	kilka nanometrów
			System optyczny	Oddzielny dla każdego zakresu promieniowania	Jeden system dla wszystkich zakresów
			Kalibracje radiometryczne	trudna	łatwa
			Transmisja danych na Ziemię	Dostarczenie nośnika danych	Przekaz telemetryczny

Dwa techniczne rozwiązania skanerów:

• skanery optyczno- mechaniczne (skanowanie orniatające???)

• skanery elektrooptyczne (skanowanie przepływające)

Skanery optyczno- mechaniczne- charakteryzują się bardzo wąskim polem widzenia układu optycznego, który rejestruje energię z małego fragmentu terenu.

WYKŁAD V (17.03.2010)

Skaner elektrooptyczny

Nie ma ruchomych elementów układu optycznego.

W płaszczyźnie tłowej układy znajduje się linijka czułych elementów- detektorów, zorientowanych prostopadle do kierunku lotu.

Linijka ta zawiera kilka tysięcy (lub więcej) czułych elementów, które „widzą” i rejestrują obraz wąskiego poprzecznego pasa terenu.

Obrazowanie w kierunku podłużnym odbywa się przez ruch do przodu i sukcesywne odczytywanie sygnałów z linijki detektorów.

Zalety:

• dłuższy czas przebywania energii padającej na detektor

• silniejszy sygnał

• lepsza przestrzenna i radiometryczna rozdzielczość

• lepsza geometria obrazów

• mniejsza waga i rozmiar

• większa niezawodność i trwałość

Wady:

• konieczność kalibrowania, dużo większa liczba detektorów

• stosunkowo ograniczona czułość spektralna

Skaner wielospektralny- może obrazować w zakresie od ultrafioletowego przez zakres widzialny, bliską podczerwień, aż do podczerwieni termalnej tj w zakresie od 0,3 do ok. 14μm

Obrazowanie realizowane jest w wielu wąskich zakresach, widma, zwykle węższych niż w przypadku kamer wielospektralnych, a zakres spektralny, w którym może opracować skaner wykracza poza zakres dostępny dla filmów lotniczych.

Skanery termalne wykorzystują środkową i termalną część podczerwieni (3-5μm i 8-12μm)

Odebrana i zarejestrowana energia jest miarą temperatury obiektów. Czułość systemów termalnych na zmiany temperatury jest rzędu 0,1-0,2⁰C.

Jeżeli system jest skalibrowany to można odczytać temperaturę obiektów.

Obrazowanie w zakresie podczerwieni termalnej znalazła zastosowanie między innymi do:

• badań prądów oceanicznych

• badań zrzutów ścieków i wód podgrzewanych

• monitorować pożary

• badania pokrywy lodowej i śnieżnej

• badania aktywności wulkanów i stref wulkanicznych

• monitorować skuteczność izolacji w budownictwie, lokalizacji awarii sieci ciepłowniczych, badania mikroklimatu aglomeracji

Kamery cyfrowe- rejestracja obrazu odbywa się nie na kliszy, ale na matrycy światłoczułej detektorów- matrycy CCD.

Światło pada na filtr barwny i odpowiednio przez niego skorygowane, docierają do czujników elektronicznych matrycy.

Matryca wysyła impuls elektryczny o odpowiednim natężeniu do przetwornika analogiczno- cyfrowego, który przetwarza analogowe sygnały na na dane cyfrowe. Następnie na miejsce ewentualne kompresja i zapis danych na nośniku.

Na matrycy barwnej znajduje się filtr przy pomocy, którego uzyskuje się odpowiednie kolory na zdjęciach. Najbardziej popularny jest filtr mozaikowy wykorzystujący tzw wzór Baeyer, w którym co drugi element tego filtru jest zielony (50%), niebieski (25%), czerwony (25%). Wynika to z faktu, że ludzkie oko jest najbardziej czułe na światło z zakresu zieleni. Poszczególne elementy filtru ułożone są w taki sposób, aby każdy z nich znajdował się dokładnie nad odpowiednim czujnikiem.

Innym typem matrycy w kamerach cyfrowych są matryce typu CMOS. W tym rozwiązaniu każdy element matrycy zapisuje obraz oddzielnie. Zwiększa to wszechstronność matrycy ponieważ może ona zostać wykorzystana nie tylko do rejestracji obrazu lecz także do określenia parametrów naświetlenia, a także automatycznego ustawienia ostrości.

Zalety obrazowania kamerami cyfrowymi:

• wyeliminowanie kosztownego filmu i obróbki fotolaboratoryjnej

• wyeliminowanie etapu skanowania zdjęć

• lepsze reprodukcje barw

• łatwiejsza droga do obrazowania wielospektralnego

• skrócony czas dostarczenia obrazów do odbiorcy

Obrazowanie w zakresie mikrofalowym

W zakresie mikrofalowym wykorzystuje się:

• techniki radarowe

• radiometry mikrofalowe

Radar bocznego wybierania- SLAR.

Typu SLAR:

• Radar bocznego wybierania z anteną rzeczywistą RAR

• Radar bocznego wybierania z anteną syntetyzowaną SAR

Systemy radarowe są szeroko wykorzystywane do obrazowania powierzchni Ziemi z pułapu lotniczego i satelitarnego.

Są to systemy aktywne, same wysyłają wiązkę promieniowania mikrofalowego, które „oświetla” teren, obraz tworzą obiekty od obiektów terenowych „echa” typu impulsów.

Technika jest niezależna od warunków pogodowo- oświetleniowych, a promieniowanie mikrofalowe bez przeszkód przenika przez chmury, mgłę i inne przeszkody.

Radar bocznego wybierania SLAR

Zarejestrowane różnice czasu powrotu odbitego sygnału odpowiadająca różnej odległości nachylonej od obiektów terenowych tworzy linię obrazów.

Postępem w obrazowaniu mikrofalowym jest radar z anteną syntetyzowaną SAR. W tym systemie wysyłana wiązka jest spójna, a w odbieranym echu rejestruje się zarówno amplitudy jaki i fazę sygnału odbitego.

Ponieważ wysyłana wiązka nie jest tak bardzo skupiona jak w systemie SLAR, więc każdy punkt terenu będzie „oświetlony” przez kilka kolejno wysyłanych impulsów.

Odbicia od obiektu tworzy tzw hologramy mikrofalowe albo obraz pierwotny.

Skomplikowana obróbka tego obrazu daje po wizualizacji wynikowy obraz radarowy (obraz wtórny) o zdolności rozdzielczej rzędu kilku metrów co przy systemie SLAR wymagałaby użycia anteny o długości kilkaset metrów- kilku kilometrów.

Systemy SAR są instalowane zarówno na samolotach jak i satelitach. Typowa zdolność rozdzielcza systemów satelitarnych zawiera się w przedziale 5-100m, chociaż i rozdzielczości submetrowe są możliwe.

Steroskopia obrazów radarowych

Podobnie jak fotografii lotniczej przy obrazowaniu radarowym tego samego obrazu z dwóch stanowisk można uzyskać efekt steroskopowy, który można wykorzystać do określenia terenowej wysokości punktów.

WYKŁAD VI (24.03.2010)

Interferometria radarowa

W technice tej znajdują się dwie anteny odbiorcze przesunięte względem siebie.

Dzięki tej technice można tworzyć mapy wysokościowe jak i różnego rodzaju modele terenu np. modele pokrycia terenu

SKANING LASEROWY

Mierzy on odległość od danego środowiska do danych obiektów np. teren, obiekt znajdujący się na powierzchni terenu.

Jeśli pomiary te odpowiednio zagęścimy to możemy uzyskać kształt powierzchni terenu lub kształt powierzchni obiektu znajdującego się na terenie.

Można tu określić położenie terenu pod obszarami pokrytymi roślinnością .

Zaleta tej techniki jest to że jest to system aktywny może działać w różnych warunkach pogodowych (choć przy obfitym deszczu i zachmurzeniu się nie stosuje) i porach dnia.

Przykłady zastosowania:

• budowa precyzyjnego numerycznego modelu terenu

• do pomiarów wysokości szaty roślinnej

• pomiar wysokości na obszarach zagrożonych powodzią

• można inwentaryzować tereny zagrożone erozją

• można mierzyć lodowce

• można obrazować obszary kopalni odkrywkowych

Jest to dość dokładna technika

Wady techniki:

• brak odbioru na powierzchni wody

• trudno określić tzw. Linie szkieletowe lub nieciągłości terenu, gwałtowne zmiany wysokości w terenie .

• wysoki koszt aparatury i usługi

ROZDZIELCZOŚĆ OBRAZÓW TELEDETEKCYJNYCH

W teledetekcji wyróżniamy rozdzielczość :

1. przestrzenną -rozdzielczość przestrzenna jest to parametr który określa liniowy wymiar fragmentu terenu reprezentowany przez 1 piksel obrazu. Podawana jest w jednostkach długości. Najlepsze obrazy maja rozdzielczość mniejszą niż 1m. Im jest mniejsza ilość widocznego obrazu tym rozdzielczość jest lepsza.

2. czasową- rozdzielczość czasowa jest to parametr który określa jak często ten sam fragment terenu jest rejestrowany przez jakiś czynnik teledetekcyjny. Podawany w jednostce czasu. Jest ona różna może być podawana w godzinach ale również może być podawana w dniach. Obecnie można zwiększyć rozdzielczość czasową przez odchylenie osi optycznej od linii pionu

3. radiometryczną -rozdzielczość radiometryczna jest to parametr który określa liczbę poziomów ( jasności) na które podzielony jest zakres segmentów odbieranych przez urządzenie rejestrujące. Podawany jest w bitach. Może ona wynieść 8 bitów co oznacza ze dany sygnał został podzielony na 2⁸(256) poziomów podzakresów . dzięki temu możemy rozróżniać obiekty o niewielkiej różnicy poziomów

4. spektralną- rozdzielczość spektralna jest to parametr który określa liczbę zakresów promieniowania (kanałów) rejestrowanych przez dany czynnik . Ważny jest odpowiedni odbiór kanałów promieniowania.

ĆWICZENIA

ĆWICZENIA I (15.02.2010)

GIS- system Informacji Geograficznej (przestrzennej).

Teledetekcja- badania działań, zjawisk na odległość.

Teledetekcja i fotogrametria to dział nauk technicznych zajmujących się pozyskiwaniem informacji o obiektach fizycznych i ich otoczeniu drogą rejestracji, pomiaru i interpretacji obrazów lub ich reprezentacji.

W teledetekcji nośnikiem informacji o obiektach jest promieniowanie elektromagnetyczne.

Promieniowanie można opisać jako:

• falę

• strumień fotonów

Fala elektromagnetyczna to rozchodzące się w przestrzeni i w czasie spójna zmiana pola elektrycznego i magnetycznego.

Każdej fali można przyporządkować:

• długość λ (odległość między kolejnymi ekstremami fali)

• częstotliwość ν (liczba cykli, które w czasie sekundy przechodzą przez ustalony punkt)

Wielkości te są ze sobą powiązane zależnością określającą prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej (która w próżni jest wielkością stałą).

c= λ x ν

Prędkość fali elektromagnetycznej w próżni c=300 000km/h (299792458 m/s)

innym sposobem opisu promieniowania elektromagnetycznego jest traktowanie go jako strumień cząsteczek- fotonów pozbawionych masy spoczynkowej, ale niosących określoną energię E

E= h x ν

gdzie:

ν - częstotliwość

h- stała Plancka (6,626 x 10^-34Jxs)

ĆWICZENIA II (22.02.2010)

Promieniowanie:

• gamma (γ) <0,01nm

• rentgenowskie (x) 0,01-10nm

• ultrafioletowe (UV) 10-400nm

• widzialne 400-700nm

~niebieskie 400-500

~zielona 500-600

~czerwona 600-700

• podczerwone 700nm-1cm

~bliska podczerwień 700nm- 1,5μm

~środkowa i daleka 1,5μm-1cm

• mikrofale 1mm-30cm

• radarowe 7,5mm-1m

• fale radiowe 10cm-10km

W wyniku oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego na dowolny ośrodek mogą wystąpić następujące zjawiska:

• odbicie następuje wówczas, gdy wysyłane promieniowanie na granicy ośrodków zmienia kierunek rozchodzenia się fal

• przepuszczanie na miejsce wówczas, gdy wysyłane promieniowanie przechodzi poprzez obiekt lub ośrodek na który pada

• absorpcja następuje wówczas gdy wysyłane promieniowanie jest całkowicie lub częściowo pochłaniane i przekształcane w inną energię

• emisja ma miejsce wtedy, gdy następuje wysyłanie promieniowania elektromagnetycznego przez dany obiekt czy ośrodek

• rozproszenie to zmieszanie się promieniowania rozchodzącego się w kierunku pierwotnym lub przy odbiciu fal od powierzchni oddzielającej dwa ośrodki

źródła promieniowania elektromagnetycznego:

• słoneczne

• własne

• wysyłane przez urządzenie

W teledetekcji wykorzystywany jest najdłuższy zakres promieniowania ultrafioletowego, widzialnego, wybrane zakresy promieniowania podczerwonego, wybrane zakresy promieniowania radarowego.

Zakres oraz rodzaj oddziaływania energii jest uzależniony od długości fali promieniowania oraz od atomowej, molekularnej i krystalicznej struktury ośrodka (budowy ośrodka).

Ilość energii promieniowania jaka jest wysyłana na różnych długościach fali i dociera do detektora odbita od danego ośrodka określa klucz spektralny w postaci krzywej spektralnej, który dla roślin jest takie samo jak linie papilarne u człowieka.

Promieniowanie podczerwone:

760-1500nm- bliska podczerwień (p. fotograficzna)

1,5-10μm- podczerwień środkowa

10-1000μm- podczerwień daleka

Promieniowanie podczerwone w atmosferze może ulec:

• odbiciu

• pochłonięciu

• rozproszenie

Pochłaniane promieniowanie podczerwone w atmosferze zależy od:

• długości fali

• występuje nad powierzchnią Ziemi

Największy wpływ w pochłanianym promieniowaniu IR w atmosferze ma:

• pora wodna

• CO₂

• ozon

Rozproszone promieniowanie IR podczas przejścia przez atmosferę zachodzi głównie na skutek zwiększonych w atmosferze cząsteczek stałych- pyły i dymy oraz kropel wody powstałych w wyniku kondensacji.

ĆWICZENIA III (01.03.2010)

W teledetekcji wykorzystuje się głównie dwie cechy fotografii w podczerwieni:

1. odmienny ton (barwa) w którym oddana jest roślinność oraz powierzchnie wody

2. większa zdolność przenikania promieni podczerwonych przez mgiełkę atmosferyczną

Jasny ton liścia w bliskiej podczerwieni wynika z faktu, że chlorofil dla tego zakresu promieniowania jest przezroczysty a rozproszenie i odbicie promieniowania zachodzi w miękiszu gąbczastym (duża ilość powietrza w przestrzeniach międzykomórkowych miękiszu)

Barwniki naturalne (chlorofil, karoten, ksantofil) są przezroczyste dla podczerwieni stąd kwiaty, owoce, trawa, liście (w stanie świeżym i wysuszonym) są jasne. Wyjątkiem są drzewa iglaste, których igły odfotografowują się na zdjęciach w podczerwieni w tonach znacznie ciemniejszych. Spowodowane jest to odmienną budową igieł.

Woda

Na zdjęciach wykonanych w zakresie widzialnym woda ma różne odcienie szarości, uzależnione od:

• głębokości zbiornika

• zabarwienia dna

• stanu fizycznego

• ilości zanieczyszczeń

Czynniki te wpływają na stopień absorpcji rozproszenia i odbicia promieni w zakresie światła widzialnego.

Na zdjęciach w podczerwieni ton wody jest zupełnie czarny co wynika z całkowitej absorpcji promieniowania podczerwonego przez wodę.

Wiele elementów środowiska przyrodniczego wykazuje znacznie większe odbicie promieniowania podczerwonego niż widzialnego.

Te cechy wykazuje wiele skał zwłaszcza osadowych, magmowych a także gleby.

Zróżnicowanie odbicia promieniowania podczerwonego przez różne skały lub gleby jest znacznie większe niż w przypadku widma widzialnego. Oznacza to wyraźniejsze zróżnicowanie tonalne obiektów w podczerwieni niż w zakresie widzialnym.

W teledetekcji wykorzystuje się oprócz filmów czarno- białych również barwne reagujące na podczerwień.

Film taki nosi nazwę spektrosterfowego lub fałszywych kolorów. Film ten znalazł zastosowanie przede wszystkim w badaniach szaty roślinnej. Różnice odbicia promieniowania elektromagnetycznego przez drzewa iglaste i liściaste powoduje wyraźne zmiany barwy ich obrazu na takich filmach. Obraz drzew liściastych na filmie spektrostrefowym mają barwę czerwoną, purpurową, pomarańczową z różnymi odcieniami., a drzewa iglaste są zielone lub niebiesko- purpurowe zależnie od rodzaju filmu.

Promieniowanie ultrafioletowe

podział:

• UV-C - daleki ultrafiolet- długość fali 10 (100)- 290nm

• UV-B- środkowy ultrafiolet- długość fali 290-320nm

• UV-A- bliski ultrafiolet- długość fali 320-400nm

Głównym źródłem promieniowania UV jest słońce, jednak promieniowanie to ulega w dużym stopniu absorpcji i rozproszeniu w atmosferze ziemskiej.

W badaniach teledetekcyjnych wykorzystuje się głównie promieniowanie o długości 280-400nm. Jest on rejestrowany przede wszystkim fotograficznie.

Obrazy otrzymywane w nadfiolecie nie wykazują większych różnic w porównaniu ze zdjęciami fotograficznymi wykonanymi w zakresie widma widzialnego.

Promieniowanie mikrofalowe

Mało wrażliwy na warunki pogodowe takie jak zachmurzenie, mgła, opady co pozwala wykorzystywać w różnych porach doby niezależnie od warunków pogodowych.

Zróżnicowanie emisji promieniowania mikrofalowego przez różne obiekty jest znacznie większa niż w przypadku innych długości fali.

Stwarza to większą możliwość różnicowania dwóch obiektów, nawet jeśli ich temperatura jest identyczna.

Mikrofale mogą być emitowane przez podpowierzchniowe warstwy obiektu, co pozwala sądzić o jego budowie wewnętrznej.

ĆWICZENIA IV (08.03.2010)

Fotografia w teledetekcji

Skład barw:

• zakres widzialny od λ=400nm do λ= 760nm

• cały ten zakres oko odbiera jako światło białe

• światło białe składa się z dużej liczby podzakresów postrzeganych jako kolory

Podstawowe barwy:

• niebieska

• zielona

• czerwona

Tworzenie barw:

• zgodnie z addytywną metodą tworzenia barw, światło o barwach podstawowych rzutowane i mieszane na wspólnym białym ekranie tworzą nowe barwy.

W oparciu o metodę addytywną tworzenie barw RGB pracują monitory i wszelkiego rodzaju wyświetlacze emitujące wiązki światła R,G,B. Czarny ekran to także wynik braku emisji, a biały to wynik złożenia R,G,B.

• metoda substratywna

W naturze barwy powstają przez odejmowanie barw metodą substrarywną. W metodzie tej następują takie odejmowania, składowanych świateł barwnych od światła białego lub od światła o innej barwie, aby otrzymać barwy podstawowe.

W praktyce „odejmowanie” kolorów może polegać na oglądaniu świecącego na białym światłem ekranu przez filtr pochłaniający zakres niebieski. Stwierdzamy że filtr ten ma kolor żółty.

Synteza substytywna zachodzi np. przy mieszaniu farb o różnych barwach, w miejscu pokrytym (pomalowanym, zadrukowanym, zabarwionym), farba powstała ze zmieszania farb o różnych barwach oko ludzkie widzi odbity strumień światła będący tą częścią światła białego, która zostanie po pochłonięciu wszystkich składników barwnych przez poszczególne farb wchodzące w skład mieszanki.

CMYK jest metodą tworzenia, w której kolory powstają w wyniku odbicia światła.

Materiały czarno- białe:

• materiały nieuczulone „barwnoślepe” reagują jedynie na promieniowanie niebieskie, ultrafioletowe (do ok λ 470nm)

• materiały ortochromatyczne uczulone do barwy zielonej włącznie (do ok λ 590nm)

• materiały panchromatyczne uczulone na cały zakres światła widzialnego (do ok λ 700nm), można tu rozróżnić materiały ortopanchromatyczne o barwności złożonej do barwoczułości oka ludzkiego oraz superpanchromatyczność o podwyższonym uczuleniu w zakresie pomarańczowym.

• Materiały uczulone na zakres podczerwony (do ok λ 1500nm)

Film barwny opiera się na idei substratywnej metody mieszania barw.

Wady obrazów fotograficznych:

• zwłoka w dostarczeniu obrazu spowodowana koniecznością obróbki laboratoryjnej

• ograniczony zakres fal elektromagnetycznych, w którym można dokonywać rejestracji obrazu

• uzależnienia pozyskiwania obrazu od warunków pogodowych

• trudność w przesyłaniu i opracowaniu komp. analogowej w postaci obrazu (wymaga dodatkowego przetwarzania na postać cyfrową)

Zdjęcia jako rzut środkowy.

Położenia środka rzutów (s) względem płaszczyzny rzutów (Π?) wyznaczają dwa elementy:

• punkt przebicia płaszczyzny rzutów przez prostopadły do niej promień przechodzący przez ośrodek rzutów- punkt główny (o)

• odległość od płaszczyzny tłowej w przybliżeniu równa ogniskowej obiektywu (t)

Promień przechodzący przez punkt główny i ośrodek rzutów to promień główny (oś optyczna kamery).

Ortofotomapa- zdjęcie przetworzone, pozbawione zniekształceń wywołanych deniwelacją terenu i nachyleniem zdjęcia.

ĆWICZENIE V (15.03.2010)

Zdjęcia lotnicze

Rodzaje zdjęć lotniczych według kąta nachylenia kamery:

1. pionowe- oś kamery zajmuje położenie pionowe lub prawie pionowe (oś kamery nie przekracza 3^o). można z nich robić mapy na których można dokonywać obliczeń. Mają najmniejszy zasięg terytorialny ale i najmniejsze zniekształcenie.

2. nachylone- oś kamery odchylona od pionu o więcej niż 3^o. Są to obszary większe niż w pionowym, wykorzystuje się je do celów interpretacyjnych (nie nadaje się do pomiarów)

3. ukośne- widać na tych zdjęciach linie horyzontu (fragment nieba)

Wykonywanie zdjęć lotniczych.

W zależności od przeznaczenia zdjęcia i zasięgu i kształtu fotografowanego terenu wykonuje się:

1. zdjęcia pojedyncze- wykonuje się wówczas gdy obiekty zlokalizowane są na niewielkim obszarze lub występują w odległościach znacznie większych niż wielkość bazy fotografowania szeregowego.

Przedmiotem pojedynczych zdjęć mogą być:

- mosty

- niewielkie obiekty przemysłowe

- miejsca katastrof

- niewielkie obiekty archeologiczne

- inne obiekty określone jak punkt

2. szeregowe zdjęcia- znajdują zastosowanie wtedy gdy obiekt fotograficzny wykracza granicami poza zasięg pojedynczego zdjęcia w określonej skali lub gdy jest konieczne uzyskanie modelu stereoskopowego.

Odstęp czasu pomiędzy kolejnymi ekspozycjami określa się tak, aby kolejne zdjęcie pokrywało część powierzchni obfotografowanej na zdjęciu poprzednim.

Stosunek powierzchni dwukrotnie obfotografowanej do powierzchni pojedynczego zdjęcia nazywamy pokryciem podłużnym zdjęcia lotniczego (lub pokrycia w szeregu).

Wynosi ok. 60% - pokrycia, dzięki temu eliminuje się zniekształcenia i otrzymuje model stereoskopowy.

3. zespoły zdjęć- wykonuje się w przypadku fotografowania większych obszarów. Składa się z co najmniej dwóch szeregów równoległych, o wzajemnym pokryciu- nazywamy pokryciem poprzecznym (lub w zespole).

Wielkość pokrycia wynosi 20-30%.

wykonywanie zespołu zdjęć jest przedsięwzięciem dość złożonym i dlatego musi być poprzedzone pracami przygotowawczymi sporządzeniem projektu technicznego nalotu.

Część analityczna projektu technicznego nalotu zawiera obliczenia dotyczące:

• optymalnej skali fotografowania

• optymalnej wysokości lotu

• max. czasu naświetlenia

• odstępu czasu pomiędzy kolejnymi ekspozycjami

• bazy podłużnej i poprzecznej fotografowania

• liczby zdjęć itd.

Zdjęcia i ich produkty pochodne znajdują zastosowanie między innymi w:

• planowaniu przestrzennym

• rolnictwie

• leśnictwie

• ochronie środowiska

• gospodarce wodnej

• rozwoju infrastruktury, szczególnie transporcie i energetyce

• taksacji nieruchomości i obrocie ziemią

• geologii i innych

Na podstawie zdjęć lotniczych można:

• opracować mapy sytuacyjne czy sytuacyjno- wysokościowe o określonej dokładności i zakresie treści, w postaci analogowej lub cyfrowej

• aktualizować istniejące już mapy

• sporządzać ortofotomapy w postaci analogowej lub cyfrowej

• tworzyć bazy danych topograficznych

• budować numeryczny model terenu lub numeryczny model pokrycia terenu

• opracować przestrzenny model miasta czy krajobrazu

• zakładać lub modernizować ewidencję gruntów i budynków

Zdjęcia lotnicze dla Polski:

• kolorowe PHARE

• czarno- białe

• LIPS (system identyfikacji działek rolnych)

Elementy ramki tłowej:

• znaczniki tłowe- służą do wyznaczenia punktu głównego

• libella- kąt nachylenia kamery do 3^o

• zegar- wskazuje nam godzinę zrobienia zdjęcia- pozwala na interpretacje

• wysokościomierz- wysokość lotu, można określić przybliżoną skale zdjęcia

• numer porządkowy negatywu- dane identyfikacyjne

• ogniskowa kamery

ĆWICZENIE VI (22.03.2010)

Interpretacja obrazów teledetekcyjnych

Interpretacja polega na rozpoznaniu, czyli odczytywaniu i wykrywaniu na obrazach nie tylko poszczególnych obiektów, ale również współzależności pomiędzy elementami krajobrazu i właściwości tych obiektów, które nie odfotografowały się bezpośrednio na zdjęciu.

Każde zobrazowanie teledetekcyjne zawiera pewien zakres informacji o zarejestrowanym obszarze.

Na obrazie lotniczym lub satelitarnym można odczytać cechy badanego obiektu, a niejednokrotnie wykryć cechy i właściwości, których zauważenie innym sposobem byłoby trudne lub wręcz nie możliwe.

Ze względu na stosowane metody wyróżnia się interpretacje:

• kameralną- w której ocena oraz klasyfikacja obiektów i zjawisk przedstawionych na obrazach odbywa się w warunkach laboratoryjnych

• polowa- podczas której wizualna obserwacja obiektów i zjawisk w terenie prowadzi do ich rozpoznania, oceny i klasyfikacji.

• Kombinowana- będąca połączeniem powyższych metod

w procesach interpretacji obrazów teledetekcyjnych można wyróżnić następujące etapy:

• wykrycie obiektów, zjawisk czy procesów na podstawie ich cech zewnętrznych np. kształtu, wielkość, tekstury, tonu, ewentualnie barwy

• szczegółowe rozpoznanie obiektów, na podstawie ich cech rozpoznawczych (bezpośrednie, pośrednie i kompleksowe), prowadzącego do zaklasyfikowania wykrytych obiektów do odpowiedniej kategorii

• ocena i interpretacja rezultatów odczytania zdjęcia

cechy rozpoznawcze:

1. bezpośredniego- to elementarne, łatwo dostrzegalne przez obserwatora właściwości obiektów, bezpośrednio obfotografowanych na zdjęciu. Należą do nich:

- ton- to zdolności odbicia światła przez dany obiekt, jego oświetlenia, pory dnia, pory roku. A także od stopnia światłoczułości i rodzaju materiału oraz obróbki laboratoryjnej. Ton obrazu może być różny na dwóch zdjęciach tego samego obiektu.

- barwa- jest czynnikiem w dużym stopniu ułatwiającym rozpoznanie i identyfikacje obiektów

- wielkość- obrazu, przedmiotu zależy przede wszystkim od skali zdjęcia, natomiast jego odwzorowanie na zdjęciu zależy od zdolności rozdzielczej materiału światłoczułego i obiektywu kamery. Podczas interpretacji dąży się do znalezienia takich przedmiotów których wymiary byłby znane (np. domy, drzewa). Za pomocą takich wzorców można wielkość poszczególnych obiektów odczytać prawidłowo.

- kształt- na jego podstawie stwierdza się istnienie danego obiektu, szybkość i wiarygodność rozpoznania kształtu obiektu, są uzależnione od jego kontrastu z tłem i od samego kształtu. Niekiedy należy uwzględnić zniekształcenia obiektów wywołane rzutem środkowym. Kształt obiektów może być związany z jego genezą. Obiekty wytworzone przez człowieka często mają kształt zbliżony do figury geometrycznej, natomiast obiekty naturalne mają kształt nieregularny. Kształt umożliwia również interpretacje właściwości obiektów np. kierunku płynięcia rzeki, można ustalić na podstawie kształtu wyspy, gdyż z ich ostre końce wykazują kierunek prądu lub na podstawie dopływów, które wpadają do rzeki, odchylając się zgodnie z kierunkiem jej nurtu.

- cień- nadaje plastykę danemu obiektowi. Cień własny pokrywa nie oświetloną promieniami słonecznymi części obiektów. Podkreśla on trójwymiarowość obiektu. Cienie rzucane powstają na powierzchni terenu lub na innych obiektach. Odtwarzają one kształt obiektów i stwarzają że zdjęcia są bardziej plastyczne. Długości cienia ulegają zmianom związanym z wysokością słońca nad horyzontem i co należy uwzględniać przy odczycie wielkości obiektów.

-struktura- określa się ją jako gładką, drobnoziarnistą lub gruboziarnistą

- tekstura- przedstawia przestrzenne ułożenie poszczególnych elementów obrazu w określony wzór, rysunek czy odcień. Można wyróżnić teksturę:

* mozaikową- pola uprawne

* plamistą- gleba o różnym stopniu uwilgotnienia

* rowkową- obraz roślin okopowych

* barankową- lasy liściaste

2. pośrednie- wskazują za pomocą jednych obiektów i ich właściwości na obecność innych obiektów

3. kompleksowe- są połączeniem pośrednich i bezpośrednich

---