Podstawy Geomatyki Wykład VI Teledetekcja 1 Teledetekcja (Remote Sensing) - definicja [remote sensing] «Collecting and interpreting information about the environment and the surface of the earth from a distance, primarily by sensing radiation that is naturally emitted or reflected by the earth's surface or from the atmosphere, or by sensing signals transmitted from a device and reflected back to it. Examples of remote-sensing methods include aerial photography, radar, and satellite imaging.» [ESRI, GIS Dictionary] [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» [ISPRS, Kioto, 1988 r.]
Rodzaje badań w teledetekcji Zdalne pozyskiwanie informacji o obiektach i zjawiskach wykorzystuje: Pomiary przyspieszenia Ziemi Propagację fal sejsmicznych Propagację fal dźwiękowych Propagację fal electromagnetycznych Podstawy teoretyczne metod teledetekcyjnych Metody teledetekcji -grupa metod zdalnych, które przeciwstawiają się pomiarom in-situ wykonywanym lokalnie. Ich wielką zaletą jest duży przestrzenny zasięg obserwacji, a wadą jest złożona interpretacja sygnałów pomiarowych, wymagająca często rozwiązania tzw. zagadnień odwrotnych. Metody te wymagają zastosowania teorii przenoszenia promieniowania elektromagnetycznego w atmosferze (czasami także w oceanie), a w szczególności teorii rozpraszania i absorpcji. Z całego widma promieniowania analizowane są takie przedziały widmowe, w których promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z materią (molekułami powietrza, aerozolami, chmurami, powierzchnią Ziemi). Ogólnie sygnał S odbierany przez detektor może być obecny w postaci: S=F(T)
Podstawy teoretyczne metod teledetekcyjnych S=F(T) gdzie T jest mierzonym obiektem, a F reprezentuje funkcję. Ta funkcja opisuje procesy promieniowania i zazwyczaj jest funkcją nieliniową. Funkcja odwrotna F -1 opisuje zmierzone zgodnie z następującym równaniem: T=F -1 (S) W większości przypadków nie można określić funkcji odwrotnej F -1. W tym przypadku szukamy niektórych parametrów naszego obiektu, które najlepiej odpowiadają mierzonemu sygnałowi. (kmark@igf.fuw.edu.pl) Promieniowanie elektromagnetyczne Słońce, podobnie jak inne naturalne źródła, emituje energię elektromagnetyczną w zakresie różnych częstotliwości (czyli w zakresie różnych długościach fal). Światło widzialne, które jest jedną z wielu form energii elektromagnetycznej, ma określony zakres częstotliwości. Innymi formami tej energii są promienie X, ultrafioletowe, podczerwone lub radiowe. Każdą falę można opisać długością λ(odległość między kolejnymi skrajnościami) a częstotliwością (liczba cykli przechodzących przez punkt nastawy w ciągu 1 sekundy). Wielkości te są związane z relacją określającą prędkość propagacji fal elektromagnetycznych c. = c/ λ
Fala elektromagnetyczna Promieniowanie elektromagnetyczne Energia promieniowania słonecznego (irradiancja) zawiera się w większości między falami o długości 280 4000 nmi odpowiada dość dokładnie promieniowaniu ciała doskonale czarnego w temperaturze około 6000 K. W tabeli podany jest podział promieniowania słonecznego w różnych pasmach. Około połowy jego całkowitej energii znajduje się w świetle widzialnym i ultrafiolecie, a druga połowa znajduje się w bliskiej i średniej podczerwieni (700 4000 nm). Pasmo Długość [nm] Irradiancja[W/m2] [%] ultrafiolet poniżej 350 62 4,5 bliski ultrafiolet 350 400 57 4,2 widzialne 400 700 522 38,2 bliska podczerwień 700 1000 309 22,6 podczerwień powyżej 1000 417 30,5 stała słoneczna 1367 100,0
380 750 nm Region name Wavelength Details Ultrafiolet 0.30 0.38 μm Bardzo wąska strefa EMR. Ma krótkie fale. W dużym stopniu rozproszone przez cząstki atmosferyczne. Widzialne 0.4 0.75 μm Regiony te są bardzo wykorzystywane do teledetekcji. Zawiera : Fiolet: 0,4-0,446μm Niebieski: 0,446-0,500 μm Zielony: 0,500-0,578 μm Żółty: 0,578-0,592 μm Pomarańczowy: 0,592-0,620 μm Czerwony: 0,620-0,7 μm Niebieskie, zielone i czerwone to kolory podstawowe w widmie widzialnym. Bliska podczerwień NIR Średnia podczerwień MIR Podczerwień termalna TIR 0.75-1.5 μm Często wykorzystywane do teledetekcji. 1.5 5.0 μm Zawiera SWIR (1,5-3 μm) i MIR (3,0 5,0 μm) Oba regiony w dużym stopniu wykorzystywane w teledetekcji. 5.0-15.0 μm Długie fale, duża część tej energii składa się z emitowanego promieniowania z Ziemi. Mikrofale 1mm 1m Najdłuższe fale EM wykorzystywane w teledetekcji. Używanie zarówno w trybie aktywnym, jak i pasywnym. Sygnały te mogą przenikać przez chmury i mgłę.
Promieniowanie elektromagnetyczne może być zaobserwowane tylko podczas interakcji z jakimś obiektem. Np. jeśli widzimy promienie światła w ciemnym pokoju, jest to spowodowane oddziaływaniem promieniowania świetlnego na pył lub inne makrocząsteczki w powietrzu. W wyniku oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z jakimkolwiek przedmiotem może być ono odbijane, absorbowane, reemitowanelub rozpraszane przez ten obiekt. Powyższe zjawiska są jedną z podstaw teledetekcji. Rodzaje promieniowania EM W teledetekcji wykorzystujemy trzy rodzaje promieniowania elektromagnetycznego: 1. Promieniowanie słoneczne EM odbijające się od atmosfery i odbijane przez obiekty na powierzchni Ziemi 2. Promieniowanie emitowane przez obiekty 3. Promieniowanie generowane przez specjalne urządzenia (np. radar z syntetyzowaną przysłoną (aperturą) - SAR Każdy rodzaj promieniowania niesie inny rodzaj informacji.
Rodzaje promieniowania EM 1. Promieniowanie słoneczne (A) jest źródłem promieniowania EM. Propagując w kierunku Ziemi oddziałuje z atmosferą (B) podobnie dzieje się gdy propaguje w drugą stronę do satelity. Docierając na Ziemię wchodzi w interakcję z oświetlanym obiektem (C), który odbija lub reemituje energię do satelity. Zarejestrowany sygnał transmitowany jest do anteny odbiorczej (D), a następnie przetwarzany i analizowany (E). grindgis.com Rodzaje promieniowania EM compass.ie
Rodzaje promieniowania EM 2. Promieniowanie emitowane przez obiekty www.crisp.nus.edu.sg Rodzaje promieniowania EM wikipedia internationalspacemission.blogspot.com weathertap.com
Rodzaje promieniowania EM 3. Promieniowanie generowane przez specjalne urządzenia (np. radar z syntetyzowaną przysłoną (aperturą) - SAR http://labs.cas.usf.edu/geodesy/sar.html Rodzaje promieniowania EM esa.int
Zjawiska towarzyszące promieniowaniu EM w atmosferze Jak pokazano wcześniej, promieniowanie elektromagnetyczne docierające do obiektów na powierzchni Ziemi jest przez te obiekty: absorbowane odbijane Te dwa zjawiska są szczególnie ważne w satelitarnych metodach teledetekcji. remote-sensing.net Atmospheric windows Rozpraszanie Kiedy promieniowanie EM przechodzi wchodzi w interakcję z cząsteczkami gazów doznając zjawiska rozpraszania w trakcie którego dochodzi do zmiany kierunku jego propagacji. Ilość cząstek obecnych w atmosferze, długość fali promieniowania i długość drogi propagacji w atmosferze są głównymi czynnikami wpływającymi na wielkość rozpraszania. Główne typy rozpraszania to:
Rozpraszanie Rayleigha Rozpraszanie Rayleigha występuje, gdy cząstki są bardzo małe w porównaniu z długością fali promieniowania. Małe cząsteczki pyłu, azotu i tlenu powodują takie rozpraszanie. Efekt rozpraszania Rayleigha jest znacznie większy w przypadku krótszych długości fali niż w przypadku dłuższych fal (niebo wydaje się niebieskie w ciągu dnia z powodu bardziej intensywnego rozpraszania Rayleigha krótszych długości fal widma widzialnego (niebieskiego) w stosunku do mniej rozproszonych fal o większej długości. Pytanie: Dlaczego wieczorem słońce robi się czerwone? Rozpraszanie Mie W przeciwieństwie do rozpraszania Rayleigha, rozpraszanie Mie występuje, gdy promieniowanie mają ten sam rozmiar co rozpraszające cząstki. Pył, pyłki, dym i para wodna są przyczyną rozpraszania Mie, które jest bardziej intensywne dla większych długości fali niż te, na które oddziałuje rozpraszanie Rayleigha. Widoczne jest jako rozmycie, zamglenie widoczności. Rozpraszanie nieselektywne Rozpraszanie to ma miejsce gdy rozmiar cząstek jest znacznie większy niż długość fali promieniowania. Ma ono miejsce np. dla kropel wody i cząsteczek pyłu. Nazwa rozpraszanie nieselektywne związane jest z tym, że rozpraszanie wszystkie długości fal promieniowania zachodzi z równą intensywnością. Jest to przyczyna że chmury są postrzegane jako białe (światło widzialne jest rozpraszane równomiernie).
Gazy składające się na atmosferę pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne o określonych długościach fal zwanych pasmami absorpcji. Z kolei regiony w dużym stopniu przepuszczające promieniowanie EM są często nazywane oknami atmosferycznymi. Atmospheric windows Okna atmosferyczne (lub okna transmisji atmosferycznej) są obszarami widma EM, które generalnie nie są silnie zakłócane przez atmosferę, a zatem są wykorzystywane w teledetekcji środowiska. Radiation type UV (ultraviolet) ultrafiolet Wavelength 0,3-0,4 μm VNIR (Visivle Near Infrared) promieniowanie widzialne i bliska podczerwień 0,4-1,4 μm SWIR (Short-Wave Infrared) średnia podczerwień TIR (Thermal Infrared) podczerwień termalna MW (microwave) mikrofale 1,4-2,5 μm 2,5-14 μm 0,75-100 cm
Absorpcja jest kolejnym głównym mechanizmem, który występuje, gdy promieniowanie EM oddziałuje z cząstkami i gazami atmosferycznymi. Gdy promieniowanie EM przechodzi przez atmosferę, cząsteczki w atmosferze z różną intensywnością pochłaniają energię dla różnych długościach fal. Ozon, CO 2 i para wodna to główne gazy będące przyczyną absorpcji energii. Ozonpochłania szkodliwe promienie ultrafioletowe napływającego promieniowania słonecznego. Powoduje to również unikanie promieni ultrafioletowych z czujników teledetekcji. Dwutlenek węgla jest określany jako gaz cieplarniany. CO 2 ma tendencję do absorbowania części widma w zakresie dalekiej podczerwieni i jej gromadzenie, co powoduje podgrzewanie się atmosfery. Para wodna w atmosferze absorbuje przychodzące długofalowe promieniowanie podczerwone i krótkofalowe (między 22 μma 1m). Obecność pary wodnej w atmosferze zmienia się znacznie w zależności od miejsca. Odbicie i pochłanianie czemu liście są zielone? Liście na drzewach są zielone, ponieważ z całego widma EM padającego na liść odbija się tylko zielone widmo i dociera do oka. Reszta promieniowania EM jest pochłaniana przez liść (niebieskie widmo, czerwone widmo oraz podczerwień). (kmark@igf.fuw.edu.pl)
Istnieją dwa rodzaje systemów teledetekcji, a mianowicie aktywne i pasywne. System bierny to system w którym czujnik jako źródła oświetlenia wykorzystuje światło Słońca. Systemy aktywne to z kolei takie, gdy czujnik emituje energię w kierunku celu i zbiera energię odbitą. Niektóre przykłady aktywnych czujników to fluorosensor(stosowany w metodzie fluorescencji laserowej) i syntetyczny radar apertury (SAR). Istnieje wiele zasadniczych różnic tych systemów.