Fizyczne metody badania środowiska TELEDETEKCJA TELEDETEKCJA. Podstawy teledetekcji i przetwarzania zdjęć satelitarnych.

Transkrypt

1 Fizyczne metody badania środowiska Podstawy teledetekcji i przetwarzania zdjęć satelitarnych TELEDETEKCJA z greckiego: TELE - odległy, oddalony z łaciny: DETEKCJA - wykrywanie po angielsku: REMOTE SENSING TELEDETEKCJA Teledetekcja jest działem nauk technicznych zajmującym się pozyskiwaniem, przetwarzaniem i interpretowaniem danych będących wynikiem rejestracji promieniowania elektromagnetycznego odbitego lub emitowanego przez różnego rodzaju obiekty w sytuacji gdy nie ma fizycznego kontaktu z tymże obiektem. Urządzenia teledetekcyjne zbierają informacje o obiekcie przez zapis i pomiar zmian jakie dany obiekt narzuca otaczającemu je polu elektromagnetycznemu. 1

2 CELE TELEDETEKCJI CELE TELEDETEKCJI BADANIA ODDZIAŁYWANIA SŁOŃCE-ZIEMIA Strumień energii BADANIA DYNAMIKI OCEANÓW I WÓD PRZYBRZEŻNYCH Wiatry oceaniczne Sztormy geomagnetyczne Prądy morskie BADANIE DYNAMIKI ATMOSFERY Chemia atmosfery Fizyka atmosfery Meteorologia Hydrologia Prognozowanie pogody Średnia wysokość oceanu Wysokość fal Kolor oceanu: fotosynteza fitoplankton chlorofil ryby zanieczyszczenie wód CELE TELEDETEKCJI CELE TELEDETEKCJI BADANIA POWIERZCHNI ZIEMI Geologia BADANIA BIOSFERY Oddziaływanie atmosfery z biosferą Geografia Biomasa kartografia Szata roślinna geografia fizyczna Warunki wegetacji Geodynamika Rolnictwo płyty tektoniczne Lasy ruchy skorupy ziemskiej Pokrywa śnieżna glacjologia Zanieczyszczenia Wyznaczanie położenia i wysokości Osady Hydrologia Erozja 2

3 CELE TELEDETEKCJI BADANIA KLIMATU Długo i krótko terminowe badanie zmian pogodowych Bilans radiacyjny Globalny bilans energii Efekt cieplarniany Globalne ocieplenie klimatu Dziura ozonowa TELEDETEKCJA Teledetekcja to oczywiście nie tylko obserwacja i pomiar właściwości powierzchni ziemi, oceanów i obiektów na nich występujących. Teledetekcja sięga zarówno dalej w kosmos jak i bliżej np. w głąb ludzkiego ciała. Wykorzystywana jest również w życiu codziennym. TELEDETEKCJA - ASTRONOMIA TELEDETEKCJA - ASTRONOMIA 3

4 TELEDETEKCJA TELEDETEKCJA - MEDYCYNA ZASTOSOWANIA W MEDYCYNIE Radiografia Roentgen, promienie X Radiografia Mammografia Fluoroskopia, angiografia Tomografia komputerowa (CAT) Magnetyczny rezonans jądrowy (MRI) Tomografia pozytronowa (PET) Termografia Ultrasonografia TELEDETEKCJA - MEDYCYNA TELEDETEKCJA - MEDYCYNA Mammografia Fluoroskopia - angiografia 4

5 TELEDETEKCJA - MEDYCYNA TELEDETEKCJA - MEDYCYNA Tomografia komputerowa Tomografia pozytronowa TELEDETEKCJA - MEDYCYNA TELEDETEKCJA - MEDYCYNA Termografia Ultrasonografia 5

6 TELEDETEKCJA Inne zastosowania TELEDETEKCJA - HISTORIA 1759 pierwsze próby z fotografią. Lambert (France) 1800 odkrycie promieniowania radiowego, Herschel (Niemcy) 1839 pierwsza fotografia, Daguerre i Nepce (Francia) 1840 wykorzystanie zdjęć do sporządzenia mapy (Francja) 1858 pierwsze zdjęcie z balonu, Honore Daumier (Francja) 1860 pierwsze zastosowania militarne (USA) 1862 zdjęcia wielospektralne, Du Hauron (Francja) 1895 pierwsze zdjęcia w 3 kolorach (Fancja) 1903 zdjęcia z gołębi (Anglia) TELEDETEKCJA - HISTORIA TELEDETEKCJA - HISTORIA 1904 samolot braci Wright (USA) 1908 stabilizator żyroskopowy 1909 pierwszy film, Wright (USA) 1909 film kolorowy 1910 stereo fotografia, Zeiss (Niemce) 1920 zdjęcia lotnicze w badaniach geologicznych 1926 pierwsza rakieta, Robert Goddard (Francja) 1930 spektrofotografia lotnicza, Krinov (Rosja) 1930 zdjęcia lotnicze w rolnictwie 1930 rozpoznawanie obiektów w zakresie termicznym 1931 zdjęcia w podczerwieni 1940 radar niekoherentny (Anglia) 1947 pierwsza rakieta powyżej 100 km, Von Braun i V2 (USA) 1950 termin REMOTE SENSING 6

7 TELEDETEKCJA - HISTORIA TELEDETEKCJA - HISTORIA 1951 radar koherentny 1973 pierwszy lot promu kosmicznego (USA) 1954 syntetyczna apertura 1979 pierwszy lot rakiety ARIANE (Francja) 1957 pierwszy sputnik (Rosja) 2000 wystartował dwutysięczny obiekt w przestrzeń kosmiczną 1960 pierwszy satelita meteorologiczny, TYROS-1 (USA) 1964 pierwszy satelita telekomunikacyjny 1965 pierwsze kolorowe zdjęcia z satelity 1966 pierwszy satelita geostacjonarny 1967 zdjęcia w zakresie ultrafioletowym 1972 badanie powierzchni ziemi, LANDSAT TELEDETEKCJA TELEDETEKCJA A źródło A źródło B oddziaływanie z atmosferą C obiekt, oddziaływanie z obiektem D detektor E zbieranie danych F analiza A D G zastosowania B oddziaływanie z atmosferą C obiekt, oddziaływanie z obiektem D detektor E zbieranie danych F analiza A D G zastosowania E E B B G C G C F F 7

8 TELEDETEKCJA ŹRÓDŁO Źródło energii, promieniowania elektromagnetycznego do oświetlenia obiektu badań. Teledetekcja aktywna Poza tym stosuje się również źródła sztuczne. PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE Promieniowanie elektromagnetyczne ma charakter falowy. Fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną. Wektor pola elektrycznego E jest prostopadły do wektora pola magnetycznegohi oba są prostopadłe do kierunku propagacji falik. E r Teledetekcja pasywna Najczęściej źródłem promieniowania jest słońce. Mogą być również sytuacje gdy sam obiekt jest źródłem promieniowania. H r k r Prędkość fali elektromagnetycznej w próżni c = m/s PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE W przypadku teledetekcji podstawowe znaczenie w opisie promieniowania elektromagnetycznego ma: długość fali światła λ [m], i związana z nią częstość f [Hz = 1/s]. c = λ f fale długie niska częstość niska energia λ Energia: hc E = λ fale krótkie wysoka częstość wysoka energia PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE Jednostki długości używane dla fali elektromagnetycznej mnożnik nazwa symbol 10 3 kilo k 10-2 centy c 10-3 mili mm 10-6 mikro µ 10-9 nano n angstrem Å 8

9 PODZIAŁ FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH PODZIAŁ FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH NADFIOLET UV NADFIOLET UV Długość fali: λ = nm Najkrótsze fale, które mają praktyczne zastosowanie w teledetekcji PODZIAŁ FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH PROMIENIOWANIE WIDZIALNE Część materiałów takich jak skały i minerały pod wpływem oświetlenia światłem ultrafioletowym świeci w zakresie światła widzialnego. Zjawisko to nazywamy fotoluminescencją. 9

10 PROMIENIOWANIE WIDZIALNE Długość fali: λ = nm Fiolet: λ = nm Niebieski: λ = nm Zielony: λ = nm Żółty: λ = nm Pomarańczowy: λ = nm Czerwony: λ = nm PODZIAŁ FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH PODCZERWIEŃ IR Przykładem detektora czułego na światło widzialne jest ludzkie oko. Kolory podstawowe: czerwony (R), zielony (G), niebieski (B) PODCZERWIEŃ IR Długość fali: λ = 0, µm Zakres jest ponad 100 razy większy niż dla światła widzialnego PODZIAŁ FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH MIKROFALE Dzieli się na kilka podobszarów. Najważniejszy podział na podczerwień odbiciową i podczerwień termiczną. PODCZERWIEŃ ODBICIOWA Długość fali: λ = 0,72 3 µm Podobne w charakterze do światła widzialnego PODCZERWIEŃ TERMICZNA Długość fali: λ = µm Wynik wypromieniowywania energii przez ziemię 10

11 MIKROFALE Długość fali: λ = 100 µm 1 m Nie jest tłumione przez parę wodną i wodę. Nadaje się do obserwacji powierzchni ziemi bez względu na pokrywę chmur. Wykorzystywane są do pomiarów hydrologicznych, oceanograficznych i meteorologicznych. Najszersze zastosowanie znalazły w wojsku. SŁOŃCE Najpopularniejszym źródłem promieniowania elektromagnetycznego w teledetekcji jest Słońce. Źródłem energii Słońca są zachodzące w jego wnętrzu procesy termojądrowe, które prowadzą do zmiany składu chemicznego. Ewolucja Słońca jest powolna. Z danych geologicznych wynika, że ilość energii docierająca ze Słońca na Ziemię jest niemalże stała w ciągu ostatnich kilkuset milionów lat. Promieniowanie elektromagnetyczne wytwarzane przez słońce ma charakter promieniowania ciała doskonale czarnego w temperaturze 5800 º K. SŁOŃCE TELEDETEKCJA Słońce w zakresie promieniowania X Słońce w zakresie promieniowania UV A źródło B oddziaływanie z atmosferą C obiekt, oddziaływanie z obiektem D detektor E zbieranie danych F analiza G zastosowania A D E B C F G 11

12 TELEDETEKCJA ODZIAŁYWANIE Z ATMOSFERĄ W przypadku detektora umieszczonego na satelicie oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z atmosferą zachodzi zarówno w drodze od źródła do obiektu jak i od obiektu do detektora. W atmosferze mamy do czynienia przede wszystkim z dwoma rodzajami zjawisk wpływającymi na charakter pola elektromagnetycznego. Są to ROZPROSZENIE i ABSORPCJA. ROZPROSZENIE Atmosfera ziemska składa się z różnych cząsteczek gazów, aerozoli pyłów, wody i innych zanieczyszczeń. Cząsteczki te oddziałują z falą elektromagnetyczną i powodują zmianę kierunku rozchodzenia się tej fali. Wielkość rozproszenia zależy od długości fali elektromagnetycznej, od wielkości cząsteczek atmosfery oraz od długości drogi oddziaływania fali z atmosferą. Niebieskie niebo w dzień a czerwone o zachodzie słońca jest przykładem oddziaływania światłą widzialnego z gazową częścią atmosfery ziemi. ROZPROSZENIE Wyróżniamy trzy rodzaje rozproszenia: rozpraszanie Rayleigha rozpraszanie Mie rozpraszanie nieselekcyjne ABSORPCJA Cząsteczki gazów, zanieczyszczeń i wody w atmosferze wpływają również na energię fali elektromagnetycznej. Jeżeli zachodzi osłabienie mocy promieniowania przy zachowaniu kierunku rozchodzenia fali mówimy o absorpcji. Najważniejszymi składnikami atmosfery, na których zachodzi absorpcja są: ozon, dwutlenek węgla i para wodna. OZON O 3 Absorbuje przede wszystkim promieniowanie ultrafioletowe, które powoduje uszkodzenia komórek w żywych organizmach. Dwutlenek węgla CO 2 Gaz cieplarniany. Absorbuje przede wszystkim w zakresie dalekiej podczerwieni w obszarze termicznym. Para wodna H 2 O Absorbuje przede wszystkim w zakresie dalekiej podczerwieni i w zakresie krótkich mikrofal w przedziale od 22 µm do 1m. Zmienia się w czasie wraz z układem chmur. 12

13 ABSORPCJA ODZIAŁYWANIE Z ATMOSFERĄ Ze względu na absorpcję części promieniowania elektromagnetycznego przez atmosferę ziemską nie wszystkie długości fali nadają się do prowadzenia obserwacji. Obszary gdzie absorpcja nie występuje lub jest niewielka mogą być wykorzystywane w teledetekcji. Obszary takie nazywamy oknami atmosferycznymi. TELEDETEKCJA A źródło B oddziaływanie z atmosferą C obiekt, oddziaływanie z obiektem D detektor E zbieranie danych F analiza G zastosowania A D TELEDETEKCJA OBIEKT, ODZIAŁYWANIE Z OBIEKTEM Promieniowanie elektromagnetyczne, które nie ulegnie całkowitemu rozproszeniu i absorpcji dociera do powierzchni ziemi i oddziałuje z nią. Wyróżniamy trzy rodzaje oddziaływania fali elektromagnetycznej z obiektem. Są to: absorpcja (A), transmitancja (T) i odbicie (R). E B C F G 13

14 ODZIAŁYWANIE Z OBIEKTEM Oddziaływanie fali elektromagnetycznej o natężeniu I z obiektem można opisać następującym równaniem: ODBICIE Odbicie lustrzane Rozproszenie I = A + T + R ABSORPCJA (A) Z absorpcją mamy do czynienia gdy część energii promieniowania zostaje pochłonięta przez oświetlony obiekt. Dla obiektu, który absorbuje całą energię jaka na niego pada A=1. Obiekt taki nazywamy ciałem doskonale czarnym. TRANSMITANCJA (T) Polega na częściowej przezroczystości obiektu. Odbicie (R) Wyróżniamy dwa rodzaje odbicia: odbicie lustrzane i rozproszenie. W przypadku obiektu nieabsorbującego dostajemy T + R = 1 Powierzchnie gładkie Kąt odbicia równa się kątowi padania fali. Powierzchnie chropowata. Kąt odbicia nie zależy od kąta padania. Fala zostaje rozproszona we wszystkie kierunki. Większość powierzchni charakteryzuje się kombinacją obu rodzajów odbić. ODZIAŁYWANIE Z OBIEKTEM LIŚCIE Chlorofil silnie absorbuje fale elektromagnetyczną w zakresie niebieskim i czerwonym. Odbija światło zielone. Na jesieni liście stopniowo tracą chlorofil przez co liście odbijają więcej światła czerwonego. Kolor żółty jest wynikiem zmieszania koloru czerwonego i zielonego. W zakresie bliskiej podczerwieni mamy do czynienia z rozproszeniem światła na powierzchni liścia. ODZIAŁYWANIE Z OBIEKTEM WODA Woda silniej absorbuje długie promieniowanie widzialne i bliską podczerwień niż światło niebieskie. Dlatego czysta woda wygląda na niebieską lub zielono-niebieską. W podczerwieni woda jest czarna. Jeśli w wodzie unoszą się jakieś zanieczyszczenia np. plankton, zwiększa się ilość odbitego światła. 14

15 ODZIAŁYWANIE Z OBIEKTEM Każdy obiekt opisany jest przez swoją charakterystykę spektralną. Informuje ona Jaki procent energii o danej długości fali ulega odbiciu od tej powierzchni. Dzięki różnicy w odbiciu różnych długości fali elektromagnetycznej od różnych powierzchni możliwe jest ich rozpoznanie. ODZIAŁYWANIE Z OBIEKTEM Ziemia nie tylko odbija promieniowanie docierające do nas ze słońca ale jest także źródłem ciepła. Po zachodzie słońca ziemia oddaje ciepło zgromadzone w czasie dnia. odbicie [%] woda długość fali λ [µm] gleba chlorofil Podobne w zakresie widzialnym. Znaczne różnice w zakresie podczerwieni. Promieniowanie odbite Promieniowanie emitowane TELEDETEKCJA A źródło B oddziaływanie z atmosferą C obiekt, oddziaływanie z obiektem D detektor E zbieranie danych F analiza G zastosowania A D TELEDETEKCJA DETEKTOR Detektorem nazywamy odbiornik fal elektromagnetycznych. Detektor może być czuły na energię promieniowania jak i na długość fali promieniowania. Wyróżniamy detektory punktowe rejestrujące parametry fali elektromagnetycznej tylko w jednym punkcie jak i detektory powierzchniowe składające się z wielu detektorów punktowych rozmieszczonych na powierzchni. C B E F G Przykładami detektorów mogą być: klisza fotograficzna element światłoczuły fototranzystor kamera video kamera CCD antena 15

16 TELEDETEKCJA DETEKTOR Ze względu na sposób prowadzenia obserwacji wyróżnia się dwa rodzaje detektorów: detektor aktywny i detektor pasywny. DETEKTOR PASYWNY DETEKTOR AKTYWNY TELEDETEKCJA DETEKTOR DETEKTOR PASYWNY Wykorzystuje naturalne źródło fali elektromagnetycznej jakim jest słońce. Promieniowanie słoneczne jest w dużym stopniu odbijane w zakresie światła widzialnego. Natomiast w podczerwieni i w paśmie termicznym fale są w większym stopniu tłumione. Ponieważ podstawą teledetekcji jest pomiar właściwości światła odbitego potrzebne jest dobrze określone źródło tego promieniowania. Dlatego w nocy niemożliwe jest wykorzystanie detektora pasywnego. Jeśli mierzony obiekt jest źródłem promieniowania, np. promieniowania termicznego, można zastosować detekcję pasywną. TELEDETEKCJA DETEKTOR TELEDETEKCJA DETEKTOR DETEKTOR AKTYWNY Działa niezależnie od naturalnych źródeł energii. Detektory mogą być umieszczone między innymi na platformie naziemnej, samolocie, balonie, promie kosmicznym i satelicie. Potrzebuje sztucznego źródła promieniowania elektromagnetycznego w celu oświetlenia badanego obiektu. Może być wykorzystywany zarówno w dzień jak i w nocy. Nie ma ograniczenia co do długości fali wykorzystanej do oświetlenia badanych obiektów. Wymaga dostarczenia energii do wygenerowania odpowiednio silnej wiązki promieniowania elektromagnetycznego. 16

17 SATELITY Obecnie najpopularniejszą platformą do pomiarów teledetekcyjnych są satelity. SATELITY Jednym z elementów charakteryzujących satelitę jest jego orbita. Wyróżniamy kilka rodzajów orbit ale główny podział dzieli orbity na orbity niskie i orbity geostacjonarne. Kosmos zaczyna się na wysokości ok. 100 km nad powierzchnią ziemi. SATELITY ORBITA GEOSTACJONARNA Satelita poruszający się na takiej orbicie jest zawieszony zawsze nad tym samym miejscem kuli ziemskiej. Wysokość orbity geostacjonarnej wynosi ok km. Do pokrycia całej ziemi w tym przypadku wystarczą tylko 3 satelity. Tego typu orbity wykorzystywane są przez satelity meteorologiczne i telekomunikacyjne. SATELITY ORBITY NISKIE Przykładem orbity niskiej jest orbita biegunowa. W tym przypadku satelita porusza się w kierunku północ-południe przelatując nad biegunami ziemskimi. W połączeniu z ruchem obrotowym ziemi z zachodu na wschód powoduje, że satelita przelatuje za każdym razem nieco dalej na zachód niż podczas poprzedniego okrążenia ziemi. Dzięki temu nad każdym miejscem globu satelita jest co pewien okres czasu. 17

18 SATELITY ORBITY NISKIE Często też czas przelotu satelity nad danym punktem odbywa się zawsze o tej samej porze lokalnego czasu słonecznego. O takiej orbicie mówimy, że jest zsynchronizowana ze słońcem. Dzięki temu warunki oświetlenia nie zmieniają się w sposób istotny. Orbitę taką możemy podzielić na dwie części. Część wznoszącą orbity od bieguna południowego do bieguna północnego i część opadającą orbity od bieguna północnego do bieguna południowego. Jeśli orbita jest zsynchronizowana ze słońcem to jedna połowa orbity przebiega po stronie oświetlonej ziemi a druga część orbity po stronie nie oświetlonej. SATELITY ORBITY NISKIE W czasie lotu detektory satelity widzą kolejne pasy ziemi o szerokości od kilkunastu do kilkuset kilometrów. Prędkość obiegu może być tak dobrana aby kolejne pasy sąsiadowały ze sobą. W ten sposób co kilka dni kolejny teren powierzchni ziemi jest obserwowany przez detektory satelity. SATELITY satelita na orbicie geostacjonarnej TELEDETEKCJA A źródło B oddziaływanie z atmosferą C obiekt, oddziaływanie z obiektem D detektor E zbieranie danych F analiza G zastosowania A D E B satelita na orbicie biegunowej C F G 18

19 TELEDETEKCJA ZBIERANIE DANYCH Na początku historii badań powierzchni ziemi z satelitów jako detektorów stosowało się aparaty fotograficzne. Z tego też względu jedyną możliwością dostarczenia zdjęć na ziemię było sprowadzenie na ziemię hermetycznie zamkniętej skrzynki z kliszą fotograficzną. Sytuacja ta zmieniła się w chwili wprowadzenia cyfrowych detektorów światła. Od tego czasu zdjęcie rejestrowane jest w pamięci komputerowej i przesyłane drogą radiową na ziemię do centrum kontroli lub innych ośrodków przystosowanych do odbioru tego typu sygnałów (naziemne stacje bazowe). Do wielu rodzajów danych dobrze jest mieć dostęp w dowolnej chwili czasu. Dlatego też często stosuje się powiązane ze sobą sieci satelitów, które swym zasięgiem obejmują całą ziemię. TELEDETEKCJA ZBIERANIE DANYCH Ze względu na to, że często właścicielem satelity lub ich zespołu jest jeden kraj naziemne stacje bazowe umieszczone są na terenie tego kraju. Dlatego też przy wykorzystaniu tylko satelity pomiarowego (B) i naziemnej stacji bazowej niemożliwy jest ciągły napływ danych (A). Czekanie na dane aż satelita przeleci nad stacją bazową jest niepraktyczne. Dlatego wprowadza się etap pośredni satelitę geostacjonarnego (C). TELEDETEKCJA A źródło B oddziaływanie z atmosferą C obiekt, oddziaływanie z obiektem D detektor E zbieranie danych F analiza G zastosowania A D TELEDETEKCJA ANALIZA DANYCH Obecnie dane zbierane przez elektroniczne detektory umieszczone na satelitach przesyłane są na ziemie w formie obrazów rastrowych. E B C F G 19

20 TELEDETEKCJA ANALIZA DANYCH Każdy z obrazów rejestrowany jest dla innej długości fali elektromagnetycznej. Rejestrowana jest tylko informacja natężeniowa. W wyniku uzyskujemy obraz w odcieniach szarości. Jeśli mamy zdjęcie tego samego obszaru ziemi w różnych kanałach (w różnych długościach fali) mówimy o wielokanałowej obróbce zdjęć satelitarnych. Jeśli mamy trzy dostępne kanały możemy na ich podstawie zbudować obraz RGB gdzie każdemu kanałowi przyporządkowany jest inny kolor: czerwony, zielony lub niebieski. ZDJĘCIE SATELITARNE CO WIDZI DETEKTOR? Wielkość obszaru (B), jednorazowo obejmowanego przez detektor umieszczony na samolocie czy satelicie zależy od wysokości (C) na jakiej się znajduje oraz od ogniskowej obiektywu użytego do obserwacji. Od ogniskowej obiektywu zależy wielkość kąta bryłowego (A) w jakim prowadzi się obserwacje. Wielkość rozpoznawanych szczegółów zależy od zdolności rozdzielczej obiektywu, wielkości elementów światłoczułych w detektorze oraz odległości detektora od ziemi (C). Wielkość obszaru B w przypadku zdjęć satelitarnych jest rzędu 100x100 km. Najmniejsze rozróżnialne szczegóły (1 piksel obrazu) mają rozmiary od kilkudziesięciu centymetrów do kilkuset metrów i więcej. Wielkość tę nazywamy rozdzielczością przestrzenną detektora. ZDJĘCIE SATELITARNE ZDJĘCIE SATELITARNE ROZDZIELCZOŚĆ PRZESTRZENNA ROZDZIELCZOŚĆ SPEKTRALNA Rozdzielczość spektralna detektora określa w jakim zakresie długości fali elektromagnetycznej dokonywany jest pojedynczy pomiar. Mała spektralna zdolność rozdzielcza 30x30 m 4x4 m 1x1 m Duża spektralna zdolność rozdzielcza W przypadku urządzeń umieszczonych na satelitach często mamy do czynienia z dwoma rodzajami detektorów. Jedne urządzenia robią pojedyncze zdjęcie w możliwie szerokim przedziale długości fali (niska rozdzielczość spektralna). Inne detektory robią kilka zdjęć w wąskich przedziałach długości fali (wysoka rozdzielczość spektralna). W tym przypadku mówimy o zdjęciu wielospektralnym. Możliwe jest też robienie zdjęć hiperspektralnych gdzie zdjęcie rejestrowane jest w tysiącach bardzo wąskich przedziałach długości fali. 20

21 ZDJĘCIE SATELITARNE ROZDZIELCZOŚĆ SPEKTRALNA ZDJĘCIE SATELITARNE CZUŁOŚĆ I DOBROĆ DETEKTORA Czułość detektora określa jaka jest minimalna energia niezbędna do zarejestrowania sygnału. Dobroć detektora określa jaka musi być minimalna różnica między poziomami energii docierającymi do miernika aby zostały rozróżnione jako dwa różne stany. zdjęcie wielospektralne zdjęcie w jednym wąskim paśmie spektralnym zdjęcie w jednym szerokim paśmie spektralnym 1 bit / piksel 6 bit / piksel 8 bit / piksel ZDJĘCIE SATELITARNE ROZDZIELCZOŚĆ CZASOWA Rozdzielczość czasowa określa w jakich odstępach czasu detektor satelity widzi dany obszar powierzchni ziemi pod danym kątem. Należy pamiętać, że część obszaru ziemi szczególnie te leżące bliżej biegunów są odwiedzane częściej niż wynikało by to z rozdzielczości czasowej. Część detektorów ma także możliwość zmiany kąta pod jakim patrzy na powierzchnię ziemi. W przypadku gdy satelita przelatuje nad danym punktem na ziemi w różnych porach dnia i nocy możliwe jest zebranie danych przy różnych rodzajach oświetlenia. W takim przypadku mówimy o rozdzielczości wieloczasowej. ZDJĘCIE SATELITARNE KAMERA Zadaniem kamery jest rejestracja na elemencie światłoczułym (C) fragmentu powierzchni ziemi (A). Pomocny w tym jest układ optyczny (B). Obecnie w przypadku zdjęć satelitarnych najczęściej stosuje się cyfrowe kamery elektroniczne. W przypadku zdjęć lotniczych możliwe jest również stosowania kliszy fotograficznej. W przypadku rejestracji zdjęć w szerokim zakresie długości fali elektromagnetycznej zazwyczaj stosuje się trzy rodzaje detektorów: detektor w zakresie widzialnym detektor panchromatyczny detektory NIR i CIR 21

22 ZDJĘCIE SATELITARNE DETEKTOR W ZAKRESIE WIDZIALNYM Przykładem może być klisza fotograficzna. Charakterystyka spektralna takiego detektora zbliżona jest do charakterystyki oka ludzkiego. ZDJĘCIE SATELITARNE DETEKTOR PANCHROMATYCZNY Tego typu detektor jest czuły na promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie ultrafioletowym i częściowo w zakresie światła widzialnego. Rejestruje tylko natężenie światła, tak więc otrzymywane obrazy są w skali szarości. ZDJĘCIE SATELITARNE DETEKTORY NIR I CIR Tego typu detektor jest czuły na promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie światła widzialnego i bliskiej podczerwieni (NIR). Istnieją dwa rodzaje detektorów rejestrujące albo tylko natężenie fali świetlnej i w tym przypadku uzyskujemy zdjęcie szaroodcieniowe lub rejestrują sztuczne kolory. W tym przypadku uzyskujemy zdjęcie w tak zwanym pseudokolorze (CIR). ZDJĘCIE SATELITARNE KAMERA Istnieją dwie główne metody robienia zdjęć satelitarnych. Obie opierają się na skanowaniu powierzchni ziemi w kierunku prostopadłym do ruchu satelity. W pierwszym przypadku - skanowaniu poprzecznym - stosuje się pojedynczy matrycę detektorów i ruchome zwierciadło, które skanuje powierzchnię ziemi w kierunku prostopadłym. W drugim przypadku - skanowaniu podłużnym - stosuje się zespół detektorów umieszczonych prostopadle do kierunku lotu satelity 22

23 ZDJĘCIE SATELITARNE ZNIEKSZTAŁCENIA OBRAZÓW - DYSTORSJA Zdjęcia otrzymywane z detektorów umieszczonych na samolotach lub satelitach obarczone są zniekształceniami geometrycznymi zwanych dystorsjami. Do najważniejszych należą zniekształcenia wynikające z: perspektywy ruchu detektora zmiennej wysokości nad powierzchnią ziemi zmiany kąta obserwacji ukształtowania terenu krzywizny ziemi obrotu ziemi położenia słońca ZDJĘCIE SATELITARNE ZNIEKSZTAŁCENIA PERSPEKTYWY oryginał przesunięcie zmiana skali X ścinanie, skos perspektywa kwadratowa zmiana skali X obrót wygięcie ZDJĘCIE SATELITARNE ZNIEKSZTAŁCENIA PERSPEKTYWY Zniekształcenia kątowe: rozciągnięcie, przekrzywienie. Cienie. Jedynie obszar pod detektorem bez zniekształceń. ZDJĘCIE SATELITARNE ZNIEKSZTAŁCENIE - RUCH DETEKTORA Rozmycie obrazu. Znając prędkość detektora można wyeliminować tego typu zniekształcenia programowo (debluring). Możliwe jest też zastosowanie specjalnej kamery szczelinowej która rejestruje tylko wąski pasek terenu a jednocześnie porusza się przed układem optycznym. 23

24 ZDJĘCIE SATELITARNE ZNIEKSZTAŁCENIE UKSZTAŁTOWANIE TERENU Zmienia się odległość między detektorem a powierzchnią ziemi. Powstają cienie i występują obszary zasłonięte. TELEDETEKCJA A źródło B oddziaływanie z atmosferą C obiekt, oddziaływanie z obiektem D detektor E zbieranie danych F analiza A D G zastosowania E B C F G TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA PROGNOZOWANIE POGODY TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA BADANIE ZMIAN KLIMATYCZNYCH 24

25 TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA BADANIA HYDROLOGICZNE TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA BADANIA GEOLOGICZNE TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA UKSZTAŁTOWANIE TERENU TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA KARTOGRAFIA 25

26 TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA BADANIE POKRYWY LODOWEJ TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA ROLNICTWO, BADANIE WEGETACJI TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA ZANIECZYSZCZENIA, OSADY TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA MONITOROWANIE KATAKLIZMÓW 26

27 TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA MONITOROWANIE ZMIAN ŚRODOWISKA TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA BADANIA ARCHEOLOGICZNE TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA OBSERWACJE INWIGILACYJNE TELEDETEKCJA ZASTOSOWANIA OBSERWACJA POLA WALKI 27

28 Systemy GIS (GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS) 28