Teledetekcja w ochronie środowiska. wykład III

Transkrypt

1 Teledetekcja w ochronie środowiska wykład III

2 Teledetekcja teledetekcja «badanie obiektów oraz zjawisk i procesów zachodzących na powierzchni Ziemi oraz innych planet i ich księżyców za pomocą specjalnej aparatury umieszczonej na satelitach» [Słownik języka polskiego, PWN] teledetekcja «Dziedzina zajmująca się pozyskiwaniem i przetwarzaniem geoinformacji uzyskanych na podstawie rejestracji odbitego lub emitowanego promieniowania elektromagnetycznego. Teledetekcja wykorzystuje urządzenia naziemne lub umieszczone na satelitach.» [ teledetekcja «dziedzina nauk technicznych zajmująca się pozyskiwaniem wiarygodnych informacji o obiektach fizycznych i ich otoczeniu drogą rejestracji pomiaru i interpretacji obrazów lub ich reprezentacji numerycznych otrzymanych z sensorów nie będących w bezpośrednim kontakcie z tymi obiektami.» [Międzynarodowe Towarzystwo Fotogrametrii i Teledetekcji, definicja podana na XVI Kongresie w Kioto w 1988r]

3 Teledetekcja Zdalne pozyskiwanie informacji o obiektach i zjawiskach wykonuje się na podstawie: Pomiarów przyspieszenia ziemskiego Fal sejsmicznych Fal dźwiękowych Fal elektromagnetycznych [zdjęcia/obrazy satelitarne i lotnicze]

4 Spektrum elektromagnetyczne

5 Spektrum elektromagnetyczne [1] światło widzialne (długość fali od 4x10-7 m do około 7x10-7 m) [2] promieniowanie podczerwone (długość fali od 7x10-7 m do 2x10-3m) [3] mikrofale (długość fali od 0,1mm do 30 cm)

6 Teledetekcja W teledetekcji wykorzystuje się: [1] słoneczne promieniowanie elektromagnetyczne odbite przez atmosferę oraz odbite od obiektów na powierzchni Ziemi [2] promieniowanie emitowane przez obiekty [3] promieniowanie generowane przez specjalistyczne urządzenia (np. radary)

7 Okna atmosferyczne Okna atmosferyczne (lub okna transmisji atmosferycznej) to obszary spektrum elektromagnetycznego, które generalnie nie są mocno zakłócane przez atmosferę i dzięki temu są one wykorzystywane w teledetekcji środowiska.

8 Teledetekcja Promieniowanie elektromagnetyczne, które dociera do obiektów na powierzchni Ziemi jest przez te obiekty: Pochłaniane Odbijane Cześć promieniowania przenika przez obiekty.

9 Metody AKTYWNE I PASYWNE Techniki teledetekcyjne dzielimy na dwie podstawowe grupy, w zależności od źródła wykorzystywanego promieniowania elektromagnetycznego: Pasywne Aktywne

10 Metoda pasywa i aktywna Metody aktywne Metody pasywne

11 Zobrazowania optyczne Metoda pasywna Metody pasywne: umożliwiają monitoring Ziemi tylko w ciągu dnia; są bardzo czułe na warunki atmosferyczne;

12 Zobrazowania optyczne

13 Zobrazowania optyczne Kanał spektralny określony (wąski) zakres spektrum elektromagnetycznego rejestrowany jako pojedynczy obraz. Obrazowanie wielospektralne jednoczesna rejestracja wielu zakresów spektralnych (dla każdego zakresu powstaje osobny obraz). Rozdzielczości spektralne: Wielospektralne (LANDSAT) Superspektralne (ASTER) Hiperspektralne (HyMap) Ultraspektralne (HYPERION) Krzywe spektralne - charakterystyka współczynnika odbicia w zależności od długości fali. Zakłada się, że krzywe spektralne poszczególnych badanych obiektów wykazują różnice wystarczające do ich rozróżnienia.

14 Zobrazowania optyczne. Kompozycje barwne. Kompozycje barwne umożliwiają łatwiejszą rozpoznawanie obiektów terenowych na zdjęciach satelitarnych. W zależności od zakresów spektralnych, z jakich składa się kompozycja, uwidocznione są inne elementy środowiskowe obserwowanej sceny. RGB Wyróżnić można podstawowe kompozycje barwne (1 kanał niebieski, 2 kanał zielony, 3 kanał czerwony, 4 bliska podczerwień, 5 średnia podczerwień, 6 termalny, 7 średnia podczerwień, 8 obraz panchromatyczny ) : (barwy naturalne) (Służy m.in. do analizy rozkładu, ilości i typu roślinności. Roślinność na tej kompozycji ma barwę czerwoną, która pozwala wyróżnić obszary zielone od reszty szczegółów terenowych.)

15 Satelitarne zobrazowania optyczne Współczynnik NDVI NDVI (ang. Normalized Difference Vegetation Index) to znormalizowany wskaźnik zieleni. Znajduje on zastosowanie w badaniu kondycji roślinności. NDVI <-1, 1> RNIR odbicie w paśmie podczerwonym RRED odbicie w paśmie czerwonym Im większa wartość wskaźnika NDVI tym rośliny są bardziej zielone. Oznacza to, że rośliny zawierają więcej chlorofilu, który odpowiada za pochłanianie promieniowania czerwonego, oraz zawierają więcej miękiszu gąbczastego, odbijającego promieniowanie podczerwone. Wartości ujemne wskaźnika występują zazwyczaj dla obiektów nieożywionych. Wartości ujemne, zbliżone do 0 są charakterystyczne dla wody. Wartości dodatnie, zbliżone do 0 są charakterystyczne dla odkrytych gleb Średnie wartości współczynnika NDVI dla zdrowej roślinności (w pełni sezonu wegetacyjnego) wahają się od 0.4 do 0.8. Wartości współczynnika są charakterystyczne dla roślinności słabej lub suchej.

16 Transformacja Tasseled Cap Transformacja Tasseled Cap podobnie jak NDVI służy do identyfikacji, oceny roślinności na obrazach satelitarnych. Na podstawie informacji z kanałów spektralnych tworzymy obrazy, przedstawiające indeksy : zieleni (greenness) badanie wegetacji jasności (brightnes) badanie gleb wilgotności (wetness) badanie wilgotności Współczynniki wagowe do transformacji tasseled cap

17 Satelitarne zobrazowania optyczne Satelity pozyskujące zobrazowania optyczne LANDSAT (NASA i USGS): LANDSAT 7: rozdzielczość od 15 do 60 m, Landsat 8 IKONOS: 1999 /rozdzielczość od 1 do 4 m/ QuickBird 2: 2001 /rozdzielczość od 0,61 do 2,44 m/ SPOT: 1986 (najnowszy satelita: 2002 ) /SPOT 5: rozdzielczość od 2.5 do 5 m/ GeoEye: 2008 /rozdzielczość od 0,5 m/

18 Metoda AKTYWNA Metody aktywne

19 Satelitarna interferometria radarowa System SAR SAR (ang. Synthetic Aperture Radar) jest to radar z anteną syntetyzowaną, który wysyła w kierunku Ziemi promieniowanie elektromagnetyczne i rejestruje sygnał powracający do anteny. System SAR: jest to system aktywny; wykorzystuje mikrofale; umieszczany jest na pokładach satelitów i samolotów; jest to radar bocznego wybierania (SLAR- Side Looking Airborne Radar) Satelity z systemem SAR są umieszczane na orbitach najczęściej około km nad powierzchnią Ziemi i krążą po orbitach okołobiegunowych.

20 Satelitarna interferometria radarowa System SAR Rozdzielczość obrazów: czasowa (repetition time): od 1 dnia (TANDEM-X) do kilkudziesięciu dni (46 dni dla ALOS) przestrzenna: od kilku metrów do przeszło 100 m

21 Satelitarna interferometria radarowa System SAR Długości fal najczęściej wykorzystywane przez system SAR: pasmo X (2,5 3,8 cm) Pasmo C (3,8 8 cm) Pasmo L (15 30 cm)

22 Satelitarna interferometria radarowa Obrazy SAR Obraz bezpośrednio rejestrowany przez system SAR to tzw. hologram mikrofalowy, który po skomplikowanej obróbce i wizualizacji daje obraz radarowy. Każdy piksel obrazu radarowego zawiera informacje zarówno o amplitudzie (A), jak i o fazie ( ) sygnału powracającego do anteny. Informacja ta zapisana jest w postaci liczby zespolonej: Amplituda Dla każdego piksela obrazu radarowego wartość z SAR może zmieniać się podczas kolejnych przelotów satelity, w zależności od : odległości satelity od obiektu, charakteru zmian czasowych obiektu niejednorodności atmosfery Faza

23 Przetwarzanie obrazów SAR Satelitarna interferometria radarowa Najczęściej wykorzystywane metody przetwarzania obrazów SAR: * Analiza amplitudy InSAR (Interferometry SAR) - tworzenie DEM (Digital Elevation Model) DInSAR (Differential InSAR) - detekcja deformacji terenu PSInSAR (Permanent/Persistent Scatterer InSAR) - detekcja deformacji terenu dla stabilnych rozpraszaczy radarowych POLSAR (Polarymetry SAR) - badanie mechanizmu odbicia

24 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) Wartość amplitudy rejestrowanej dla każdego piksela obrazu radarowego jest silnie zależna m.in. od: o wilgotności gleby, o chropowatości powierzchni. Analiza amplitudy możne być wykorzystana do badania m.in.: o wilgotności gleb, o monitoringu powodzi, o rozróżniania różnego typu skał, o badania lineamentów, o... JERS-1/SAR - Mount. Morgan(Australia) ( or.jp/e/data/analysis/)

25 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) W przeciwieństwie do fazy, z jednego obrazu amplitudy można wyciągnąć istotne informacje o obrazowanej powierzchni. Możliwa jest m.in. klasyfikacja typów pokrycia terenów. Analiza amplitudy obrazów dotyczących tego samego obszaru a wykonanych w rożnym czasie pozwala na badanie zmian zachodzących na monitorowanym terenie. Port-au-Prince (Haiti) Źródło:

26 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) - powódź Obraz wykonany w trakcie powodzi Obraz wykonany miesiąc po powodzi źródło:

27 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) - powódź Monitoring fali powodziowej z wykorzystaniem analizy zdjęć satelitarnych: radarowych; optycznych; Dane wykorzystywane przez: Krajowe Centrum Koordynacji Ratownictwa Rządowe Centrum Bezpieczeństwa gmes.cbk.waw.pl GMES (ang. Global Monitoring for Environment and Security) CBK Centrum Badań Kosmicznych PAN

28 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) - powódź Rekomendacja osuszania terenów zalanych gmes.cbk.waw.pl

29 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) - lineamenty Lineament - naturalny prostoliniowy lub łukowato wygięty element powierzchni Ziemi, najprawdopodobniej odzwierciedlający zjawiska geologiczne (głównie tektoniczne) w podłożu; w skład lineamentu mogą wchodzić fragmenty rzeźby terenu, granice jednostek geologicznych, uskoki, wystąpienia wód, strefy wegetacji i inne, długości od setek m do tysięcy km. /Encyklopedia PWN/ Prawdopodobny mechanizm powstania lineamantu spowodowanego eksploatacją górniczą (E. Pilecka, A. Piątkowska, K. Stec, Z. Buła, Z. Pilecki, M. Król Związek lineamentów z sejsmicznoscią indukowaną na terenach górniczych Górnośląskiego Zagłębia Węglowego )

30 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) - lineamenty Topografia terenu jest lepiej widoczna na obrazach radarowych niż na obrazach optycznych. Istnieje wiele metod detekcji lineamentów na obrazach radarowych. Informacja o lokalizacji lineamentów może być wykorzystana do poszukiwania złóż (m.in. gazu ziemnego).

31 Przetwarzanie obrazów SAR Satelitarna interferometria radarowa Najczęściej wykorzystywane metody przetwarzania obrazów SAR: * Analiza amplitudy InSAR (Interferometry SAR) - tworzenie DEM (Digital Elevation Model) DInSAR (Differential InSAR) - detekcja deformacji terenu PSInSAR (Permanent/Persistent Scatterer InSAR) - detekcja deformacji terenu dla stabilnych rozpraszaczy radarowych POLSAR (Polarymetry SAR) - badanie mechanizmu odbicia

32 Przetwarzanie obrazów SAR metoda InSAR Metoda InSAR (Interferometry SAR) służy do tworzenia cyfrowego modelu terenu na podstawie dwóch obrazów radarowych. Obrazy muszą być pozyskane przez tego samego satelitę w tym samym trybie zobrazowania. Obrazy SAR są nakładane na siebie i dla każdego piksela wyznaczana jest różnica faz. Master image SAR 1 (t 1 ) t 1 ~ t 2 deformacje = 0 Slave image SAR 2 (t 2 ) Różnica faz = składowa odpowiedzialna za deformacje + składowa odpowiedzialna za topografię +błędy DEM W metodzie InSAR wykorzystuje się zobrazowania SAR, które wykonano w niedługim odstępie czasu. Pozwala to wyeliminować składnik związany z deformacjami terenu. Różnica faz zależna jest wtedy w głównej mierze od topografii. perpendicular baseline

33 Przetwarzanie obrazów SAR metoda InSAR Tandem-X Tandem-X

34 Metoda InSAR Różnica faz przedstawiona jest za pomocą prążków interferencyjnych. Na ich podstawie wyznacza się topografię. Wartość różnicy fazy zmienia się w zakresie od 0 do 2 (jeden zakres kolorów) INTERFEROGRAM R - wysokość orbity; B odległość pomiędzy satelitami; - kąt patrzenia satelity - długość fali

35 Przetwarzanie obrazów SAR Najczęściej wykorzystywane metody przetwarzania obrazów SAR: InSAR (Interferometry SAR) - tworzenie DEM (Digital Elevation Model) DInSAR (Differential InSAR) - detekcja deformacji terenu PSInSAR (Permanent/Persistent Scatterer InSAR) - detekcja deformacji terenu dla stabilnych rozpraszaczy radarowych POLSAR (Polarymetry SAR) - badanie mechanizmu odbicia

36 Metoda DInSAR (Differential Interferometry SAR) Metoda DInSAR służy do detekcji deformacji terenu, które wystąpiły w czasie pomiędzy wykonaniem dwóch wykorzystanych zobrazowań radarowych. Podobnie jak w metodzie InSAR wykorzystuje się dwa obrazy radarowe. Obrazy nakłada się na siebie i dla każdego piksela wyznacza się różnicę faz. Różnica faz = składowa odpowiedzialna za deformacje + składowa odpowiedzialna za topografię +błędy W metodzie DInSAR wykorzystuje się DEM w celu wyeliminowania składowej odpowiedzialnej za topografię. DEM zamieniany jest na interferogram (tzw. interferogram syntetyzowany) i odejmowany jest od głównego interferogramu.

37 Selekcja obrazów SAR Aby para obrazów SAR mogła być wykorzystana w metodzie DInSAR to musi spełniać następujące wymagania: musi być pozyskana przez tego samego satelitę z tymi samymi parametrami zobrazowania; odległość bazowa (perpendicular baseline) pomiędzy miejscami, z których pozyskane zostały obrazy nie może przekraczać pewnej wartości (critical baseline). Dla satelitów ESA wartość ta wynosi około m /im mniejsza odległość bazowa tym mniejszy wpływ topografii na wartość różnicy faz/ najlepiej aby obrazy wykonane były w trybach: ascending oraz descending

38 Interferogram różnicowy Po odjęciu od głównego interferogramu interferogramu syntetyzowanego otrzymujemy interferogram różnicowy. Interferogram różnicowy składa się z prążków interferencyjnych. Przyjęty zakres kolorów (najczęściej od czerwonego do niebieskiego) reprezentuje deformacje terenu odpowiadające połowie długości fali wykorzystywanej przez system SAR.

39 Właściwości metody DInSAR Bardzo dobra rozdzielczość przestrzenna wyników. Bardzo dobra rozdzielczość czasowa wyników. Możliwość monitoringu deformacji terenu na obszarach o powierzchni kilkuset km 2. Możliwość detekcji deformacji z centymetrową (milimetrową) dokładnością. Możliwość detekcji deformacji terenu nie większych niż połowa długości fali wykorzystywanych przez system SAR. Względny pomiar deformacji. Mniejsze możliwości zastosowania metody DInSAR dla obszarów zielonych (spadek koherencji sygnału radarowego).

40 Etapy analizy DInSAR 1. Dołączenie informacji o orbitach. 2. Koregistracja obrazów. 3. Tworzenie spłaszczonego interferogramu. 4. Tworzenie obrazu koherencji. 5. Filtracja fazy interferogramu. 6. Tworzenie interferogramu różnicowego (odejmowanie topografii).* 7. Multilooking. 8. Nadawanie geoodniesienia. /*odpakowanie fazy, wyznaczenie deformacji terenu w LOS (Line os Sight) Analizowanie całej sceny radarowej jest czasochłonne obliczeniowo (szczególnie etapy filtracji fazy, koregistracji i usuwania topografii). Każdy z wymienionych etapów może trwać nawet od kilka do kilkunastu godzin.

41 Analiza DInSAR Wykorzystywane metody i parametry większości etapów analizy DInSAR należy ustalać indywidualnie dla każdej analizowanej pary obrazów SAR. Nie ma ustalonych wartości, które są odpowiednie choćby dla obrazów SAR pozyskanych z określonych satelitów. Często aby dobrać odpowiednie metody/parametry niezbędne jest wykonanie kilkudziesięciu prób i przeprowadzenie oceny otrzymanych wyników. Przy wybieraniu metod i parametrów należy kierować się: Informacją na temat sprzętu komputerowego, którym dysponujemy. Czasem realizacji zadania. Wymaganą dokładnością wyników analizy.

42 Analiza DInSAR

43 Przetwarzanie obrazów SAR Najczęściej wykorzystywane metody przetwarzania obrazów SAR: InSAR (Interferometry SAR) - tworzenie DEM (Digital Elevation Model) DInSAR (Differential InSAR) - detekcja deformacji terenu PSInSAR (Permanent/Persistent Scatterer InSAR) - detekcja deformacji terenu dla stabilnych rozpraszaczy radarowych POLSAR (Polarymetry SAR) - badanie mechanizmu odbicia servoir-monitoring-with-psinsar/

44 Metoda PSInSAR Metoda PSInSAR (ang. Permanent/Persistent Scatterer InSAR) służy do detekcji niewielkich, długookresowych deformacji terenu. Cechy charakterystyczne metody PSInSAR: Wykorzystuje zestaw kilkunastu/kilkudziesięciu obrazów radarowych. Dostarcza informacje o deformacjach terenu tylko dla punktów PS (Permanent/Persistent Scatterer), które odpowiadają takim obiektom na powierzchni ziemi jak budynki, wiadukty, wychodnie skał itp. Pozwala na pomiar tylko niewielkich deformacji terenu (nie większych niż kilka/kilkanaście centymetrów na rok). Pozwala na detekcję deformacji terenu rzędu 1 mm/rok. Nie sprawdza się w monitoringu deformacji terenu na obszarach niezabudowanych. Metoda znalazła zastosowanie m.in. w monitoringu stabilności pojedynczych budynków, aktywności wulkanicznej, badaniu ruchów neotektonicznych itp.

45 Metoda PSInSAR Analiza obrazów SAR Mapa punktów PS nałożona na mapę topograficzną

46 Metoda PSInSAR servoir-monitoring-with-psinsar/

47 Przetwarzanie obrazów SAR Najczęściej wykorzystywane metody przetwarzania obrazów SAR: InSAR (Interferometry SAR) - tworzenie DEM (Digital Elevation Model) DInSAR (Differential InSAR) - detekcja deformacji terenu PSInSAR (Permanent/Persistent Scatterer InSAR) - detekcja deformacji terenu dla stabilnych rozpraszaczy radarowych POLSAR (Polarymetry SAR) - badanie mechanizmu odbicia

48 Polarymetria radarowa (PolSAR- Polarimetry SAR) Polarymetria radarowa zajmuje się analizą polaryzacji fali wysłanej i zarejestrowanej przez system SAR. Polaryzacja fali odbitej od obiektu na powierzchni Ziemi niesie informacje m.in. o: strukturze geometrycznej obiektu kształcie obiektu, orientacji obiektu, współczynniku odbicia

49 Polarymetria radarowa. Istniejące systemy SAR Pojedyncza polaryzacja Polaryzacja fali wysłanej: X Polaryzacja fali odebranej:x BACKSCATTERING COEFFICIENT {Sxx} Podwójna polaryzacja (dual-pol) Polaryzacja fali wysłanej: X Polaryzacja fali odebranej:x&y Poczwórna polaryzacja (quad-pol) Polaryzacja fali wysłanej: X&Y Polaryzacja fali odebranej:x&y pełna informacja polarymetryczna

50 Polarymetria radarowa (quad-pol) nieparzyste odbicie parzyste odbicie odbicie objętościowe

51 Polarymetria radarowa (quad-pol) PolInSAR wysokość drzew ( ar_for_forest-radar_remote_sensing_of_boreal_forest/) Dekompozycja polarymetryczna (Pauli RGB)

52 Narzędzia do przetwarzanie obrazów SAR Darmowe: NEST (ESA) DORIS StaMPS (Delft University of Technology) PolSARPro (ESA) RAT (Radar Tools) Komercyjne: ERDAS Imagine (InterGraph) GAMMA SAR (Gamma Remote Sensing)