1. Wymień podstawowe parametry opisujące fale elektromagnetyczne.

Okres fali T, jest to czas, po jakim fala znajduje się w tej samej fazie. Okres mierzymy w jednostkach czasu.

Amplituda A

Prędkość V [m/s] 3*10^8
Długość fali Lambda jest to droga jaką przebędzie fala w ciągu trwania okresu. Długość fali mierzymy w jednostkach długości. [m]
Częstotliwość fali jest to ilość okresów w ciągu sekundy

2. Podaj definicje i jednostki miary podstawowych wielkości fotometrycznych.

Promieniowanie optyczne, to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal położonych między 1nm a 1mm.

Promieniowanie widzialne (światło), to część promieniowania optycznego, która jest odbierana i oceniana (przez dowolny układ) w sposób identyczny jak przez oko ludzkie. Zakres widmowy promieniowania widzialnego nie jest jednoznacznie określony i zależy od wartości energetycznej strumienia docierającego do oka oraz od indywidualnej czułości obserwatora. Ogólnie przyjmuje się dolną granicę przedziału pomiędzy 360 i 400 nm, a górną pomiędzy 760 i 830 nm.

Strumień energetyczny (strumień promienisty) Φe : moc wysyłana, przenoszona lub przyjmowana w postaci promieniowania. Jednostka wat (W).

Strumień świetlny Φ: wielkość wyprowadzana ze strumienia energetycznego przez ocenę

działania promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego CIE (określenie obserwatora normalnego - dalej w tekście). Jednostką strumienia świetlnego jest lumen (lm).

W warunkach widzenia fotopowego (dziennego - przy którym postrzegane są wrażenia barwne) strumień świetlny można opisać następującym wzorem:

Światłość I: stosunek strumienia świetlnego dΦ, wysyłanego przez źródło promieniowania w elementarnym kącie przestrzennym dΩ, obejmującym dany kierunek, do wartości tego elementarnego kąta przestrzennego. Jednostką kandela (cd).

Luminancja L: iloraz strumienia świetlnego przenikającego w danym kierunku daną powierzchnię i iloczynu rzutu tej powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do kierunku promieniowania i objętego promieniowaniem kąta bryłowego. Jednostka (cd·m-2 ).

Natężenie oświetlenia E: stosunek strumienia świetlnego dΦ, padającego na elementarną powierzchnię dA, do wartości tej powierzchni. Jednostka [lx]=[lm/m^2]

Emitancja - jest to moc przenoszona przez falę lub strumień cząstek, która przechodzi przez jednostkowy element powierzchni. Jednostka [W/m^2]

3. Omów pojęcia: rozdzielczość spektralna i radiometryczna.

Rozdzielczość spektralna - liczba osobno rejestrowanych kanałów spektralnych.

Kanał spektralny - określony (wąski) zakres spektrum. elektromagnetycznego rejestrowany jako pojedynczy obraz

Systemy obrazujące w teledetekcji mają rozdzielczość spektralną od kilku do kilkuset kanałów (tzw. hiperspektralne).

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),

4. Wymień i scharakteryzuj znane ci struktury i formaty zapisu cyfrowych obrazów satelitarnych.

Format HDF (Hierarchical Data Format) - jest wymiarowym formatem plików używanych do przesyłania danych w postaci graficznej oraz numerycznej między komputerami. Format HDF zawiera kilka modułów danych: wielowymiarowe macierze, grafikę rastrową oraz tablice. Każdy z nich zawiera zespół zmiennych, które mogą być zapisywane, czytane oraz dodawane przez użytkownika. Format HDF jest samo opisujący co oznacza, że czytając plik z danymi nie musimy posiadać żadnej informacji o strukturze pliku. Pliki w formacie HDF mogą być wymieniane pomiędzy większością komputerów i systemów operacyjnych. Format HDF używany jest najczęściej dla danych satelitarnych. Format HDF wywodzi sie z wynalezionego przez NASA formatu CDF (Common Data Format).

- dane tekstowe obejmują na przykład dane referencyjne do korekcji geometrycznej i dane kalibracyjne do korekcji radiometrycznej;

- generalnie w systemach przetwarzania obrazów i GIS dane teledetekcyjne posiadają w nazwie dodatkowo oznaczenie źródła danych - ASTER-HDF, LANDSAT-HDF, MODIS-HDF

- jest to z założenia format archiwizacyjny.

DIMAP - to nowy format opisu danych geograficznych. Mimo, że był specjalnie zaprojektowany do danych obrazu, może także obsługiwać dane wektorowe. DIMAP został opracowany we współpracy z CNES, francuskiej agencji kosmicznej. Produkt SPOT w formacie DIMAP składa się z dwóch części: jedną z wizerunku i innych do opisu zdjęcia. Aby ułatwić życie użytkowników, Spot Image postanowił opracować format, który obsługuje wszystkie produkty Spot. Chociaż format ten przeznaczony był przede wszystkim dla produktów Spot, DIMAP jest otwartym formatem, który obsługuje produkty pochodzące z innych źródeł satelitarnych. DIMAP nie jest zastrzeżonym formatem i w związku z tym oddany do publicznego użytku. DIMAP jest produktem sprawiającym, że spot jest łatwiejszy w obsłudze. Aby wyświetlić opis informacji o produkcie, użytkownicy muszą po prostu kliknąć na pliku DIMAP. Rozwój nowych usług on-line był również kluczowym czynnikiem powstania nowego formatu. Dla wsparcia on-line, dostarczania danych, DIMAP pozwala użytkownikom na dostęp do informacji technicznej i metadanych, takich jak descrition produktu, numer referencyjny, data produkcji, warunki użytkowania i tak dalej. Dane obrazu są domyślnie zapisane w formacie GeoTIFF, w oparciu o Tagged Image File Format (TIFF). Format ten jest obsługiwany przez wszystkie komercyjne oprogramowanie, a zatem jest łatwy do integracji. Rozszerzenia Geographic (GEO) części formatu jest obsługiwane przez wszystkie oprogramowania GIS. W DIMAP dane GeoTIFF zawierają wszystkie informacje do projekcji map. Kody są opracowane w oparciu o EPSG parametrów geodezyjnych, które odnoszą się do World Geodetic System. W rzadkich przypadkach, gdy użytkownik jest w stanie przeczytać GeoTIFF, DIMAP udostępnia funkcję do wytwarzania surowców Band Interleaved przez Line format (BIL). Wszystkich informacji dotyczących wielkości obrazu, pasma spektralne i georeferencing zawarte są w metadanych części formatu. Metadane występują w formacie XML (Extensible Markup Language). XML jest podobny do HTML. Jego struktura jest lepiej zdefiniowana niż w HTML i umożliwia użytkownikom tworzenie własnych słów kluczowych i związanych z nimi wartości. Inne zalety XML jest to, że można ją odczytać bezpośrednio za pomocą standardowych przeglądarek internetowych i obsługuje arkusze stylów XSL . DIMAP to elastyczny format, dostosowujący się do konkretnego produktu przy użyciu funkcji "profil" koncepcji. Profil DIMAP jest opis produktu lub gamy produktów o identycznej funkcji. Istnieją dwa profile dla produktów spot: Sceny SPOT i SPOTView. SPOT profil Scene opisuje podstawowe produkty funkcji (satelita, datę nabycia, kąt widzenia, jasność, statystyki, itp.) oraz informacje dotyczące wyświetlania geometrii. Profil SPOTView opisuje tylko podstawowe funkcje produktu. XSL arkuszy stylów dynamicznie generują strony HTML i w zależności od profilu DIMAP jest używany, zapewniając w ten sposób, że wszystkie produkty Spot i innych produktów wyświetlane są automatycznie w ten sam sposób. DIMAP wymaga:
Przeglądarki dla XML oraz XSL metadanych pliku (np.Microsoft Internet Explorer lub Netscape Navigator 6),TIFF lub edytor zdjęć GeoTIFF do pliku obrazu. Najprostszym rozwiązaniem jest korzystanie z oprogramowania, które jest w stanie odczytać zarówno zdjęcia jak i pliki metadane.

CEOS (Committe on Earth Observation Satellites) - jest to prosty, tylko do odczytu, czytnik dla plików graficznych. Ten sterownik odczytuje tylko dane obrazu i nie może uchwycić wszystkich metadanych .

Główne cechy formatu:

Organizacja Medium

Średniej w formacie CEOS zawiera następujące pliki:

• wielkość jednego pliku w katalogu,

• jeden z przywódców pliku,

• jeden plik danych, zawierający wszystkie produkty. Jeśli medium jest CD-ROM, jest jeden plik tego typ na orbicie i wszystkich plików danych można znaleźć w określonym katalogu CD-ROM.

• NULL katalogu plik z rozszerzeniem medium
  
  Pierwsze dwa pliki zawierające ogólne informacje na temat dystrybucji produktów, ale produkty znajdują się w pliku danych (s).
  Jeśli medium jest eksabajt, jest to niezbędne, aby pominąć te dwa pliki, aby móc zapoznać się z produktami w pliku danych.

Format plików z danymi

Produktów w pliku danych są zorganizowane w następujący format:

• jeden rekord nagłówka (zapis pliku deskryptora) z 360 bajtów.

• N rekordów danych produktów odpowiadających N. Każdy rekord składa się z:

• jeden nagłówek 20 bajtów

• produkt wykonany z jednego głównego nagłówka (MPH), jednym z konkretnych header (SPH), a następnie n pomiarów (DSR). Format jest opisany w instrukcji obsługi produktu.

• jeżeli to konieczne, jeden zapasowy bajt, tak by wielkość zapisu danych jest parzysta liczba bajtów.

5. Wg. jakiej formuły oblicza się luminancję spektralną zarejestrowaną przez sensory satelitarne i zapisaną w postaci obrazów cyfrowych.

Konwersja zarejestrowanych przez detektor satelity wartości cyfrowych DN na

luminancję spektralną Lλ kanału panchromatycznego.

Mierzona przez detektory energia jest kodowana w pewnym zakresie liczbowym, najczęściej

[0,255]. Wartości te są niemianowane, określane jako jasności spektralne DN. W celu

wyznaczania takich wartości jak albedo czy temperatura radiacyjna, konieczne jest

przeliczenie wartości jasności spektralnych DN na luminancję energetyczną (spektralną).

Konwersję należy przeprowadzić za pomocą narzędzia Map Calculation

(Operations > Raster Operations > Map Calculation) zgodnie z poniższym wzorem:

6.

VHR - Very High Resolution - systemy obrazujące z pikselem terenowym równym lub mniejszym od 1m

VNIR:

a) VHR: IKONOS-2, QuickBird, WorldView-2, GeoEyE-1

b) HR: ALOS, Formosat-2, SPOT-5, RapidEye, Aster, CBERS-2

7. Przedstaw różnice w obrazowaniu wielospektralnym, superspektralnym i hiperspektralnym.

Obrazowanie wielospektralne (wielowidmowe) (multispektralne), superspektralne i hiperspektralne - techniki rejestracji obrazu będące uogólnieniem fotografii barwnej na pełną przestrzeń barw w zakresie światła widzialnego, a także mikrofal, dalekiej i bliskiej podczerwieni oraz ultrafioletu. Obraz wielospektralny składa się z wielu kanałów będących uogólnieniem kanałów barw podstawowych: R (red), G (green) i B (blue) na dowolne zakresy spektralne.

W zależności od liczby kanałów spektralnych techniki obrazowania dzielimy umownie na:

• multispektralne - kilka kanałów, np. satelita SPOT - 3 kanały, IKONOS - 4 kanały, Landsat - 7 kanałów^[

• superspektralne - kilkadziesiąt kanałów, np. instrument satelitarny MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) zainstalowany w satelitach Aqua i Terra zawierający 36 kanałów

• hiperspektralne - 100 lub więcej kanałów^[4]

Obraz multispektralny, a hiperspektralny - różnica w liczbie kanałów, ale także ich ciągłość; obrazowanie hiperspektralne definiuje się jako możliwość uzyskania rozkładu natężeń w ciągłym zakresie długości fal, natomiast obraz multispektralny może obejmować rozdzielone fragmenty widma; w szczególności obraz multispektralny może być wykonywany przez wiele współpracujących ze sobą czujników fotometrycznych różnego typu - każdy związany z innym zakresem długości fal.

ZASTOSOWANIE

-W systemach zbierania informacji geograficznych, w tym zwłaszcza w Systemach Informacji o Terenie. Dane multispektralne pozwalają na zdobycie o wiele pełniejszej informacji o terenie, niż tradycyjna fotografia satelitarna.

-W meteorologii - pozwalają na badanie rozkładu koncentracji pary wodnej, a także rozkładów temperatur gruntu, wody i mas powietrza.

-Obrazy multispektralne i hiperspektralne są przydatne w badaniu rozkładu populacji roślin, w szczególności flory oceanicznej oraz drzewostanów na obszarach leśnych.

-W badaniach zabytkowych dzieł sztuki, w tym obrazów, książek obrazowanie wielospektralne jest niezastąpionym narzędziem nieinwazyjnego badania autentyczności oraz ukrytej treści dzieła.

-Inwigilacja, ratownictwo, poszukiwania obiektów

-Kryminalistyka

8. Wymień znane Ci systemy teledetekcji radarowej.

Goodyear GEMS 1000, TOROS, SEASAT 1 SAR, JERS-1 SAR, ERS-1 SAR, RadarSAT-1/2, TerraSAR-1, TANDEM-X, CosmoSKY Med

9. Wymień i krótko scharakteryzuj etapy detekcji i generowania obrazu satelitarnego.

Światło odbite od obiektów trafia do detektora naziemnego, lotniczego i satelitarnego.

Detektorem tym może być np. aparat fotograficzny lub skaner lotniczy czy satelitarny.

Skaner dzieli dopływające promieniowanie na różne zakresy w zależności od długości fali elektromagnetycznej. Pozyskane fale przechodzą etap luminancji.

Kolejnym etapem jest wybór poziomu przetwarzania geometrycznego.

Następnie sprowadza się obraz na poziom DN (Digital Number) przedstawiony s w postaci liczby cyfrowej.

Przetwarzanie obrazu wykonuje się poprzez zastosowanie odpowiednich operacji cyfrowego przetwarzania obrazów.

Wykorzystuje się operacje:

- punktowe: dotyczą pojedynczego piksela

- lokalne: dotyczą najbliższego otoczenia piksela i obejmują od kilku do kilku tysięcy pikseli

- globalne: dotyczą całego obrazu.

Następnym etapem jest wykonanie wielomianowych korekcji geometrycznych obrazów satelitarnych.

Wyróżniamy korekcje:

- typu „orto” (ścisłe parametryczne)

- wielomianowe (nieparametryczne)

11. Wymień i krótko scharakteryzuj poziomy wstępnego przetworzenia obrazów satelitarnych VNIR dostarczanych przez operatorów i agencje kosmiczne.

Level 1, 0/Raw - Surowe obrazy. Dane z trybu zdjęć po synchronizacji ramki

1A, Geo, Basic Imagery - Obrazy po korekcji radiometrycznej

1B, SLC, SSC - Obrazy po korekcji radiometrycznej oraz geometrycznej uwzględniając efekt panoramiczny i krzywiznę ziemi, podstawowy produkt single-look

MRI, MGD, PRI - Zastosowana korekcja geometryczna. Korekty dokonywane są w standardowej projekcji kartograficznej WGS84, nie związane z fotopunktami.

2B, 1T, EEC - zastosowana korekcja radiometryczna i geometryczna. Dostepny w opracowaniu kartograficznym z wykorzystaniem fotopunktów.

Orthorectified Imagery 3(ortho) - Obrazy o podwyższonej dokładności geometrycznej, po dokonanej ortorektyfikacji. Skorygowany do elipsoidy WGS84, w oparciu o fotopunkty i DTM w oparciu o dane obrazów 3D

12. Co wiesz o zastosowaniu metody głównych składowych (PCA - Principal Component Analysis).

Analiza głównych składowych (ang. Principal Component Analysis, PCA) - jedna ze statystycznych metod analizy czynnikowej. Zbiór danych składający się z N obserwacji, z których każda obejmuje K zmiennych, można interpretować jako chmurę N punktów w przestrzeni K-wymiarowej. Celem PCA jest taki obrót układu współrzędnych, aby maksymalizować w pierwszej kolejności wariancję pierwszej współrzędnej, następnie wariancję drugiej współrzędnej, itd.. Tak przekształcone wartości współrzędnych nazywane są ładunkami wygenerowanych czynników (składowych głównych). W ten sposób konstruowana jest nowa przestrzeń obserwacji, w której najwięcej zmienności wyjaśniają początkowe czynniki.

PCA jest często używana do zmniejszania rozmiaru zbioru danych statystycznych, poprzez odrzucenie ostatnich czynników. Można też poszukać merytorycznej interpretacji czynników, zależnej od rodzaju danych, co pozwala lepiej zrozumieć naturę danych, choć bywa trudne przy większej liczbie badanych zmiennych. W przetwarzaniu sygnałów PCA jest używana np. do kompresji sygnału.

13. Wymień rodzaje znanych Ci filtrów przestrzennych i podaj przykłady numeryczne.

Przykłady filtrów:

1. Oparte na miarach statystycznych ( mean, median, study, odchylenie standardowe, min. Wartość, max wartość)

2. Usuwające zakłócenia liniowe

3. Górnoprzepustowe (gigh pass) - uwydatniają szczegóły kosztem dużego pola promieniowania i uwydatniają obraz ze stosunkowo wąskim histogramem scentrowanym nad zerem poziomu szarości. Aby uzyskać prosty filtr górnoprzepustowy wystarczy od obrazu oryginalnego odjąć obraz profilowany dolnoprzepustowo.

4. Dolnoprzepustwe (low pass) - wygładzają szczegóły i zmniejszają poziom szarości (kontrast obrazu)

5. Krawędziowe

6. Środkowoprzepustowe - rzadko używane w przetwarzaniu obrazów, jedynie do wyodrębnienia okresowych szumów.

14. W JAKIM CELU OBLICZA SIĘ „WSKAŹNIKI ROŚLINNE” (VEGETATION INDEX), PODAJ PRZYKŁADY WSKAŹNIKÓW.

Wskaźniki roślinne oblicza się w celu określenia stanu środowiska naturalnego, w celu:

- lokalizacji uszkodzonych lasów

-identfikacji terenów zawilgoconych

-identyfikacji gatunków iglastych i liściastych

-oszacwanie zbiorów, produkcji, przyrostów biomasy

-identyfikacja i kontrola zasiewów

Indeksy wegetacyjne są ilościowymi wskaźnikami zawartości biomasy (pochodzenia roślinnego)

• Do ich określenia stosuje się kanał RED i NIR (bliska podczerwień) gdyż pomiędzy tymi kanałami zachodzi największe zróżnicowanie odbicia promieniowania dla roślinności (niskie odbicie dla RED i wysokie dla NIR)

• Indeks wegetacji jest sztucznym obrazem powstałym przez dzielenie wybranych kanałów spektralnych; istnieje wiele indeksów wegetacji, dwa najpopularniejsze to:

- RATIO Vegetation Index

RVI = NIR / RED

- NDVI Normalized Difference Vegetation Index (znormalizowany różnicowy indeks wegetacji)

NDVI = (NIR-RED) / (NIR+RED)

NDVI ma skalę wartości od -1 do 1.

Przykłady wskaźników:

- Slope - based (oparte na nachyleniu): Ratio, NDVI, TVI, CTVI, TTVI, RVI, NRVI

- Distance - based (oparte na odległości): PVI, DVI, AVI

Wartości indeksów wegetacyjnych są wyrażone za pomocą liczb z zakresu -1,0 do +1,0 lub 0 -255.

Dzielenie kanałów spektralnych powoduje korektę wpływu rzeźby terenu (następuje znormalizowanie odbicia spektralnego między zboczami o różnym ukierunkowaniu)

• Obraz indeksu wegetacji interpretujemy jako wskaźnik biomasy - im wyższa wartość tego indeksu tym większa istniejąca w danym miejscu biomasa. Wartości ujemne NDVI odpowiadają terenom pozbawionym roślinności - odkrytej glebie, wodzie, terenom

wybetonowanym, itp.

• termin biomasa rozumie się w tym wypadku jako ogólną masę materii organicznej, zawartej w organizmach roślinnych.

---