TELEDETEKCJA: - wiadomości podstawowe - źródła danych

TELEDETEKCJA: - wiadomości podstawowe - źródła danych Stosowanie geoinformatyki w kontekście centralizacji SILP Szkolenie centralne z zakresu geomatyki leśnej dla nadleśniczych, 2011r. przygotowała: Emilia Wiśniewska Wydział Urządzania Lasu i Geoinformatyki DGLP Plan prezentacji Teledetekcja i fotogrametria definicje Podstawowe produkty i formy opracowań danych teledetekcyjnych Promieniowanie elektromagnetyczne wykorzystywane w teledetekcji Stereoskopowa obserwacja zdjęć lotniczych Techniki aktywne pozyskiwania zobrazowań teledetekcyjnych: Zdjęcia lidarowe Zdjęcia radarowe Zdjęcia hemisferyczne System kartowania mobilnego MMS Zdjęcia niemetryczne Satelitarne obrazowanie ziemi Charakterystyki najwaŝniejszych satelitów Parametry zdjęć satelitarnych 2 1

Teledetekcja i fotogrametria - DEFINICJE TELEDETEKCJA Jest to jedna z technologii geomatyki, zajmująca się - pozyskaniem, - przetwarzaniem - i interpretowaniem danych przestrzennych w postaci informacji obrazowej, otrzymywanej w rezultacie rejestracji promieniowania elektromagnetycznego odbitego lub emitowanego przez róŝnego rodzaju obiekty środowiskowe. Klasa 1 - ter en y z alesion e A Klasa 2 - ter en y z alesion e B Klasa 3 - ter en y z alesion e C Klasa 4 - ter en y niez alesion e Klasa 5 - ter en y in ne 3 Teledetekcja i fotogrametria - DEFINICJE FOTOGRAMETRIA Jest to dziedzina nauki i techniki wykorzystywana w geodezji i kartografii do sporządzania map. Obejmuje metody pomiaru terenu i/lub obiektów przestrzennych, odtwarzanie ich kształtów, wymiarów i wzajemnego połoŝenia na podstawie ich zdjęć. Pomiary (x, y, z) wykonywane są przy uŝyciu specjalistycznej aparatury. Zobrazowania pozyskuje się z satelitów, samolotów, a takŝe ze stanowisk naziemnych. 4 2

Teledetekcja i fotogrametria CO OFERUJE? Teledetekcja i fotogrametria w połączeniu z innymi warstwami systemu informacji przestrzennej (np. z LMN) daje nam odpowiedzi na następujące pytania: Co? (Rozpoznanie obiektów i zjawisk) Gdzie? (Lokalizowanie obiektów i zjawisk) Kiedy? (Analiza zmian) 5 ZALETY ZDJĘĆ Metoda pomiarowa nie wymagająca bezpośredniego kontaktu z badanymi obiektami, Wykonanie zdjęcia trwa bardzo krótko (waŝne przy obiektach ruchomych czy procesach zmiennych w czasie), Pomiary, przetworzenia i analizy (interpretacje, klasyfikacje...) są przeniesione do warunków kameralnych, Nie ma problemów w przypadku potrzeby powtórzenia analiz, pomiarów lub ich uzupełnienia, Nie ma problemów z pomiarem duŝej ilości punktów czy analizą duŝych obszarów, MoŜliwość automatyzacji niektórych procesów pomiarowych, Zdjęcia stanowią wierny i obiektywny materiał, a ich opracowanie jest mało obciąŝone czynnikami subiektywnymi, Zdjęcia zachowują wartość archiwalną, Opracowania są opracowaniami ciągłymi (widzimy cały teren, takŝe jego otoczenie) 6 3

PODSTAWOWE PRODUKTY I FORMY OPRACOWAŃ DANYCH TELEDETEKCYJNYCH Zdjęcia i obrazy (lotnicze, satelitarne, naziemne) Opracowania fotogrametryczne (np. ortofotomapa) Mapy tematyczne (mapy numeryczne w postaci wektorowej i rastrowej np. mapy fotointerpretacyjne i wyniki klasyfikacji cyfrowych, wyniki analiz przestrzennych) Numeryczny Model Terenu (NMT), Numeryczny Model Pokrycia Terenu (NMP), modele przestrzenne 3-D Inne opracowania numeryczne (np. wykaz współrzędnych) 7 Rozwój fotografii rejestracja zdjęć czarno-białych Początkowo, ze względu na moŝliwości techniczne, rejestrowane były wyłącznie zdjęcia czarno-białe przedstawiające odbicie spektralne w zakresie światła widzialnego zwizualizowane w tonach szarości. Zdjęcia w postaci czarnobiałego obrazu nazywane są zdjęciami panchromatycznymi rejestrującymi cały zakres widzialny (0,4 0,7 µm), a często takŝe bliski ultrafiolet i bliską podczerwień (0,3 1,3 µm). 8 4

Rozwój fotografii rejestracja zdjęć barwnych w barwach naturalnych i nierzeczywistych Wraz z rozwojem materiałów światłoczułych, optyki oraz lotnictwa, a obecnie takŝe technologii cyfrowych następował rozwój teledetekcji i fotogrametrii. Coraz powszechniej wykonywane były i są zdjęcia barwne: w barwach naturalnych i umownych (nierzeczywistych). 9 Dlaczego, poza światłem widzialnym, warto wykorzystywać takŝe inne zakresy promieniowania elektromagnetycznego? Tabela obok przedstawia te zakresy promieniowania elektromagnetycznego, które przenikają przez atmosferę (jest to wykaz okien atmosferycznych). Są to wybrane zakresy z całego spektrum promieniowania elektromagnetycznego. 10 Zakres promieniowania elektromagnetycznego Ultrafiolet i widzialny Bliska podczerwień Średnia podczerwień Podczerwień termalna Mikrofale Długość fal 0,3 0,7 µm 0,7 0,91 µm 1,00 1,12 µm 1,19 1,34 µm 1,55 1,75 µm 2,05 2,40 µm 3,35 4,16 µm 4,50 5,0 µm 8,0 9,2 µm 10,02 12,4 µm od 1 cm W teledetekcji zastosowanie mają te z fal, które przenikają przez atmosferę i pozwalają na szczegółową interpretację zjawisk zachodzących na powierzchni ziemi (np. do interpretacji szaty roślinnej niezwykle przydatna jest podczerwień). 5

Promieniowanie wykorzystywane w teledetekcji Teledetekcja wykorzystuje: słoneczne promieniowanie elektromagnetyczne odbite przez atmosferę oraz od obiektów na powierzchni Ziemi, promieniowanie emitowane przez obiekty (głównie cieplne i mikrofalowe), promieniowanie generowane przez specjalistyczne urządzenia (radary i lidary), którego wartości odbicia są następnie mierzone i porównywane z wartościami promieni wysyłanych techniki aktywne. 11 Dlaczego, poza światłem widzialnym, warto wykorzystywać takŝe inne zakresy promieniowania elektromagnetycznego? Promieniowanie elektromagnetyczne docierające do powierzchni Ziemi i przenika przez obiekty lub jest przez nie pochłaniane, rozpraszane lub ulega odbiciu. Z punktu widzenia teledetekcji najwaŝniejsze jest promieniowanie odbijane. KaŜdy obiekt odbija promieniowanie elektromagnetyczne w charakterystyczny sposób, a wykres takiego odbicia nosi nazwę krzywej spektralnej lub krzywej odbicia spektralnego. 12 Rys. Krzywe odbicia spektralnego gleby, roślinności i wody. 6

Dlaczego, poza światłem widzialnym, warto wykorzystywać takŝe inne zakresy promieniowania elektromagnetycznego? Przebieg krzywej spektralnej roślinności w zakresie widzialnym (0,4 0,7 µm) ma: - minima w przedziale niebieskim (0,4-0,5 µm) i czerwonym (0,6-0,7 µm), - maksimum w zakresie zielonym (0,5-0,6 µm). Minima są wynikiem pochłaniania promieniowania wykorzystywanego w procesie fotosyntezy. Natomiast maksymalne odbicie w zakresie zielonym skutkuje tym, Ŝe roślinność postrzegamy w barwie zielonej. 13 Rys. Krzywe odbicia spektralnego gleby, roślinności i wody. Dlaczego, poza światłem widzialnym, warto wykorzystywać takŝe inne zakresy promieniowania elektromagnetycznego? Przebieg krzywej spektralnej roślinności w zakresie bliskiej podczerwieni (0,7 1,3 µm) to kolejne maksimum (większe niŝ w zakresie zielonym). Wynika to z wewnętrznej struktury zdrowych liści, która powoduje, Ŝe promieniowanie bliskiej podczerwieni jest intensywnie odbijane. Zobrazowania w zakresie bliskiej podczerwieni pokazują roślinność jako bardzo jasne obiekty. Jednocześnie wraz ze spadkiem kondycji roślin odbicie w bliskiej podczerwieni maleje, dzięki czemu zakres tego promieniowania moŝe być wykorzystywany do obrazowania stanu zdrowotnego roślin. Rys. Charakterystyki spektralne róŝnych gatunków drzew leśnych. Przy róŝnych proporcjach odbijania róŝnych zakresów spektralnych, zachowane są podobne kształty krzywych z minimami w zakresach niebieskim i czerwonym (pochłanianie światła przez chlorofil) oraz maksimami w zakresach zielonym i podczerwieni fotograficznej. Źródło: Ciołkosz i in., 1999 14 7

Dlaczego, poza światłem widzialnym, warto wykorzystywać takŝe inne zakresy promieniowania elektromagnetycznego? Optymalnym rozwiązaniem w przypadku analiz przyrodniczych jest zastosowanie zdjęć wielospektralnych rejestrujących nie tylko odbicie w zakresie promieniowania widzialnego, ale takŝe jeden lub kilka zakresów podczerwieni. Dlatego teŝ zobrazowania korzystające nie tylko z zakresów promieniowania widzialnego przedstawione są w barwach umownych (nierzeczywistych). Zdjęcia lotnicze wykorzystujące następujące zakresy: zielony, czerwony i bliską podczerwień nazywane są zdjęciami spektrostrefowymi (zdjęciami barwnymi w podczerwieni). Roślinność na nich jest przedstawiona w czerwieni lub purpurze. 15 Tworzenie kompozycji barwnych w barwach rzeczywistych i w barwach umownych Schemat tworzenia kompozycji w barwach naturalnych. Wizualizowane są tylko zakresy widzialne. Kanał niebieski naświetlany jest barwą niebieską, zielony zieloną, a czerwony czerwoną. Schemat tworzenia kompozycji w barwach umownych. Kanał niebieski nie jest wizualizowany. Wykorzystywane są natomiast zakresy: zielony, czerwony i bliskiej podczerwieni, naświetlone odpowiednio barwami: niebieską, zieloną i czerwoną. 16 8

Dlaczego, poza światłem widzialnym, warto wykorzystywać takŝe inne zakresy promieniowania elektromagnetycznego? Przy analizach szaty roślinnej uŝyteczne są równieŝ zakresy podczerwieni średniej (1,55 1,75 µm oraz 2,05 2,40 µm). Są one rzadko stosowane w teledetekcji lotniczej, ale są rejestrowane przez skanery satelitarne i często stosowane do oceny kondycji lasów. Ostatnim zakresem podczerwieni stosowanym w teledetekcji jest promieniowanie termalne (3-5 µm oraz 8-14 µm). Zobrazowania w tym zakresie rejestrują rozkład temperatury. Ich zastosowanie to m.in. budownictwo (wykrywanie wad izolacji budynków), analizy klimatu miast (lokalizacja tzw. wysp ciepła), monitorowanie cieków i zbiorników wodnych (zrzuty wód z zakładów przemysłowych), a takŝe analizy zagroŝenia poŝarowego lasów, czy prognozowanie plonów. Były wykonywane takŝe próby zastosowania tego typu zobrazowań do liczenia zwierząt. 17 Stereoskopowa obserwacja zdjęć lotniczych Większość opracowań fotogrametrycznych wykonywana jest na postawie stereoskopowej (trójwymiarowej, przestrzennej) obserwacji zdjęć. Efekt stereoskopowy uzyskuje się poprzez rejestrację, a następnie obserwację zdjęć wykonanych z dwóch róŝnych miejsc. Dla obszarów górskich, terenów zurbanizowanych, a takŝe dla drzewostanów zróŝnicowanych wysokościowo stereoskopowa obserwacja i interpretacja zdjęć umoŝliwia uzyskanie dokładniejszych i bardziej szczegółowych wyników w porównaniu z obserwacją pojedynczego zdjęcia. Rys. DuŜe pokrycie podłuŝne i poprzeczne zdjęć umoŝliwia na stereoskopową obserwację zdjęć. Zdolność przestrzennego (stereoskopowego) widzenia zdjęć umoŝliwia prowadzenie obserwacji i pomiarów nie tylko współrzędnych płaskich, ale takŝe wysokościowych. 18 9

Ortorektyfikacja Ortofotomapa to mapa fotograficzna, która jest wykonana z tak przetworzonych zdjęć, Ŝe obiekty pierwotnie odwzorowane w rzucie środkowym, przekształcone są na obrazy w rzucie ortogonalnym (w jakim wykonywane są mapy). Rys. Zasady rzutu środkowego i rzutu ortogonalnego. Źródło: E. Wiśniewska 19 Ortorektyfikacja Dzięki ortorektyfikacji otrzymywany jest obraz powierzchni Ziemi o jednolitej skali na całej powierzchni opracowania, a obiekty terenowe przedstawione są w swym rzeczywistym połoŝeniu. Zdjęcie lotnicze przetworzone do postaci ortofotomapy ma: - jednolitą skalę, - nie jest obarczone wpływem błędów orientacji zewnętrznej, - usunięte są zniekształcenia wynikające z deniwelacji terenu. Cyfrowa ortofotomapa to zdjęcie kartometryczne posiadające powiązanie z określonym układem współrzędnych. MoŜe ono zatem zasilać system informacji przestrzennej i być analizowane razem z innymi warstwami (np. warstwami LMN). 20 10

Techniki pasywne i aktywne pozyskiwania zobrazowań teledetekcyjnych Zobrazowania pozyskiwane w zakresach widzialnym oraz podczerwieni wykorzystują promieniowanie słoneczne lub promieniowanie emitowane przez obiekty. Zaliczane są one do technik pasywnych. W teledetekcji mają zastosowanie takŝe techniki aktywne, w których wykorzystywane są własne źródła promieniowania. Zobrazowania wykonane z zastosowaniem technik aktywnych to: Zdjęcia radarowe Zdjęcia lidarowe Rys. Schemat obrazujący pasywne i aktywne pozyskiwanie zobrazowań teledetekcyjnych. 21 22 Zdjęcia radarowe Radar (RAdio Detection And Ranging) jest aktywnym systemem teledetekcyjnym, wysyłającym promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie mikrofalowym oraz rejestrującym powracającą wiązkę (zwaną echem radaru) po jej odbiciu od obiektów znajdujących się na drodze wysłanych fal. Technika ta uniezaleŝnia pozyskiwanie danych od światła słonecznego, które jest podstawą rejestracji zdjęć przez urządzenia optyczne, umoŝliwiając rejestrację obrazu zarówno w dzień, jak i w nocy. Największy atut teledetekcji radarowej wynika z przenikania promieniowania mikrofalowego przez pokrywę chmur, co pozwala na uniezaleŝnienie pozyskiwania danych od warunków pogodowych. Zatem dane te moŝna pozyskiwać, gdy niebo jest zachmurzone. Interpretacja zdjęć mikrofalowych zaleŝy od takich cech zastosowanego promieniowania jak długość fali, polaryzacja, spójność i kąt padania wiązki. 11

Zdjęcia radarowe W porównaniu do zdjęć zarejestrowanych w zakresach widzialnym i podczerwieni, zdjęcia radarowe są trudniejsze do interpretacji. Mimo trudności na etapie interpretacji zdjęcia mikrofalowe znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach, uzupełniając, a czasem zastępując zdjęcia z zakresu optycznego i podczerwieni. Zdjęcia te są szczególnie przydatne do: badania mórz i oceanów (określania prędkości wiatru, zasięgu plam ropy), stanu pokrywy lodowej i śnieŝnej, kartowania obszarów lądowych: oceny wilgotności gleb i biomasy, rozpoznawania upraw, monitorowania obszarów tropikalnych, monitorowania powodzi i poŝarów itp. Interferometria mikrofalowa jest uznaną technologią wykorzystywaną do tworzenia modeli terenu i obserwacji niewielkich (rzędu długości fali) zmian wysokości. 23 24 Zdjęcia lidarowe Lidar (LIght Detection And Ranging) jest aktywnym systemem zdalnego pozyskiwania informacji, wykorzystującym skoncentrowaną wiązkę promieni świetlnych (laserowych), która wysyłana w kierunku obiektu ulega od niego odbiciu (i rozproszeniu), a wiązka zwrotna jest rejestrowana i następnie analizowana. Przetwarzanie duŝych zbiorów chmur punktów z lotniczego skaningu laserowego odbywa się zazwyczaj w sposób zautomatyzowany. Uzyskiwane wyniki zaleŝą od gęstości pokrywy roślinnej oraz jej zmienności w okresie wegetacyjnym. MoŜliwość zarejestrowania kształtu pojedynczych drzew i krzewów zaleŝy od gęstości punktów pomiarowych oraz śladu rozrzutu wiązki po obiektach. Podstawowe produkty uzyskiwane z lotniczego skaningu laserowego (ALS) to precyzyjny numeryczny model terenu (NMT) i numeryczny model pokrycia terenu (NMPT). Rys. Porównanie NMT i NMPT. Numeryczny model terenu (u dołu) oraz numeryczny model powierzchni terenu (u góry w transparencji) fragmentu Nadleśnictwa Chojna. Źródło: ProGea Consulting 12

Zdjęcia lidarowe - potencjalne moŝliwości zastosowania w leśnictwie MoŜliwość precyzyjnego opisu (pomiaru) obiektów przestrzeni leśnej takich jak wysokość drzew i drzewostanu, wielkość koron drzew, zwarcie (oraz aŝurowość), liczba drzew (zagęszczenie), szczegóły budowy pionowej drzewostanu (piętrowość) czy wykonywanie analiz mających na celu określanie miąŝszości. Pomiar praktycznie wszystkich drzew z piętra górnego. Generowanie tzw. true ortho. Dane dotyczące powierzchni NMPTmogą być wykorzystane np. do generowania prawdziwych ortofotomap (ang. true ortho). W produkcji ortofotomap nie uwzględniających danych z lotniczego skaningu lidarowego względniano dotychczas wyłącznie NMT, co powodowało błędne połoŝenie koron wysokich drzew na obrazie wynikowym. 25 Zdjęcia lidarowe - potencjalne moŝliwości zastosowania w leśnictwie Oprócz lotniczego skaningu laserowego (ALS), technika lidarowa jest stosowana równieŝ do wykonywania naziemnego skaningu laserowego (TLS), który między innymi moŝe być wykorzystywany podczas określania przyrostu i w szacunkach brakarskich. Rys. Przekrój przez sklasyfikowaną chmurę punktów TLS. Źródło: P. WęŜyk 26 13

Zdjęcia hemisferyczne Zdjęcia hemisferyczne są wykonywane kamerami fotograficznymi, wyposaŝonymi w szerokokątny obiektyw, tzw. rybie oko, o szerokim polu widzenia - przewaŝnie 180. Kamera umieszczana jest pod okapem drzewostanu, z obiektywem skierowanym zenitalnie lub nad drzewostanem, z obiektywem skierowanym ku dołowi. Zdjęcia takie dostarczają informacji o koronach, ich zwarciu, lokalizacji, rozmiarach, a takŝe o rozmieszczeniu i wymiarach luk oraz o ilości światła przenikającego do dna lasu. MoŜna na nich obliczać wskaźnik powierzchni projekcyjnej liści - LAI (Leaf Area Index), a takŝe rozpoznawać gatunki, wiek i strukturę drzewostanu. 27 Rys. Cyfrowe zdjęcia hemisferyczne drzewostanu: a w stanie ulistnionym, b w stanie bezlistnym. Źródło: P. Strzeliński System kartowania mobilnego MMS (Mobile Mapping System) Komponent programowy technologii MMS tworzą dwa moduły: moduł zbierania danych geoprzestrzennych w trakcie przejazdu samochodu, moduł przetwarzania danych, oparty na technikach fotogrametrycznych. MMS moŝe znaleźć swoje zastosowanie m.in. do inwentaryzacji dróg leśnych. Rys. Samochód wyposaŝony w system MMS. Źródło: A. Choromański 28 14

Zdjęcia niemetryczne Potrzeba szybkiego, operacyjnego i niewysokiego w kosztach pozyskiwania zdjęć prezentujących zjawiska i zmiany na nieduŝych obszarach, na terenach trudnodostępnych lub rozproszonych, stała się impulsem do prowadzenia przez róŝne instytucje doświadczeń i badań zmierzających do wykonywania dla tego typu obszarów zdjęć niemetrycznych. Zdjęcia te mogą nie być tak wysokiej jakości jak zdjęcia fotogrametryczne, ale z drugiej strony mogą być wystarczająco dokładnym i (co jest niezwykle istotne) aktualnym materiałem dokumentującym bieŝący stan na danym terenie. Tego typu zobrazowania, choć nie gwarantują tak wysokiej jakości i kartometryczności jak zdjęcia w pełni fotogrametryczne, pozwalają na szybką wizualizację zjawisk i analizę zmian jakie zaszły na sfotografowanym terenie. 29 Zdjęcia niemetryczne W celu usprawnienia prac aktualizacyjnych w zakresie zmian w geometrii wydzieleń, a przede wszystkim szybkiego pozyskiwania wiarygodnych danych przestrzennych w sytuacjach klęskowych lub przy aktualizacji LMN, przydatnymi materiałami mogłyby być niefotogrametryczne zdjęcia lotnicze zarejestrowane z wykorzystaniem takich nośników jak: bezzałogowe środki latające (UAV), samoloty załogowe (np. typu awionetka czy samoloty ultralekkie). 15

Zdjęcia niemetryczne Pozyskane tą metodą zdjęcia, po zgeometryzowaniu, mogłyby być wykorzystane do: szacowania strat spowodowanych między innymi takimi czynnikami jak wiatrołomy, poŝary, okiście, gradacje owadów. monitorowania i wykrywania zmian w trudno dostępnych obszarach, mających odzwierciedlenie w zmianach geometrii wydzieleń oraz wynikających z analiz teledetekcyjnych pokrywy roślinnej, okresowej aktualizacji Leśnej Mapy Numerycznej. JednakŜe w celu wdroŝenia do codziennej praktyki leśnej zdjęć niemetrycznych naleŝy jeszcze dostosować zarówno nośniki załogowe i bezzałogowe do rejestracji zdjęć odpowiedniej jakości, a takŝe zdefiniowane muszą zostać formalne warunki prawne pozwalające na wykonywanie tego typu lotów. 31 Satelitarne obrazowanie Ziemi Od roku 1960 na orbitach okołoziemskich zostało umieszczonych ponad 8000 satelitów. Tylko niewiele z nich przeznaczonych było do badańśrodowiska, niemniej obecnie wykorzystywanych jest ok. 50 satelitów teledetekcyjnych, a blisko 70 kolejnych znajduje się w planach narodowych i międzynarodowych agencji kosmicznych. Z tych liczb widać wyraźnie, Ŝe zakres zastosowań teledetekcji środowiska będzie się stale zwiększać. Zaletą zdjęć satelitarnych w porównaniu z lotniczymi jest: większy obszar zobrazowania, powtarzalność obrazowania określonego obszaru co kilka do kilkunastu dni a nawet codziennie, moŝliwość ilościowego i jakościowego opisywania obiektów na podstawie pomiarów dokonywanych przez radiometrycznie skalibrowane sensory, niŝszy koszt w przeliczeniu na jednostkę powierzchni. 32 16

Rozdzielczość Zdjęcia satelitarne opisywane są takimi parametrami jak: rozdzielczość przestrzenna, rozdzielczość spektralna, rozdzielczość czasowa, rozdzielczość radiometryczna. 33 34 Rozdzielczość przestrzenna Liniowy wymiar fragmentu terenu, który jest reprezentowany przez jeden piksel. Rozdzielczość przestrzenna moŝe być podawana w cm, m, km (w zaleŝności od szczegółowości rastra). Rozdzielczość przestrzenna jest tym lepsza, im mniejsza liczba (miara) ją określa. (Raster o rozdzielczości 25 cm zaprezentuje więcej szczegółów niŝ raster o rozdzielczości 10 m.) Rozdzielczość przestrzenna określa wymiary najmniejszego rozróŝnialnego obiektu w rastrowym modelu danych. Obecne satelity pozyskują zobrazowania o rozdzielczości terenowej wynoszącej od 4 km (Meteosat) do 0,5 m (GeoEye-1). Określana jest dla zdjęć cyfrowych zarówno satelitarnych, jak i lotniczych. Rys. Wielkości pikseli wybranych satelitów na tle zdjęcia lotniczego. 17

35 Rozdzielczość spektralna Określana jest dla zdjęć lotniczych i satelitarnych. Rozdzielczość spektralna to: liczba kanałów rejestrowanych przez satelitę oraz ich rozpiętość spektralna czyli zakres (zakresy) promieniowania elektromagnetycznego, który jest rejestrowany przez czujnik (sensor). Podawana jest jako przedział długości fali widma elektromagnetycznego, który sensor jest w stanie rozróŝnić. W teledetekcji często pozyskiwanych jest jednocześnie kilka zakresów promieniowania, które nazywane są kanałami. Stosując róŝne kombinacje kanałów, moŝemy konkretne zdjęcie satelitarne wykorzystywać do róŝnych celów. ROZDZIELCZOŚĆ SPEKTRALNA (ilość i zakres spektralny zarejestrowanych kanałów) Do analiz teledetekcyjnych obszarów w leśnych najbardziej przydatne sąs wysokorozdzielcze zobrazowania satelitarne lub zdjęcia lotnicze rejestrujące między innymi pasmo bliskiej podczerwieni (NIR).( 36 18

Rozdzielczość spektralna Zastosowanie zobrazowań rejestrowanych w poszczególnych zakresach spektralnych: Zakres niebieski znajduje zastosowanie w analizach wód, batymetrii, sedymentacji, geologii oraz odróŝnianiu roślinności od odkrytej gleby. Zakres zielony to maksimum odbicia od roślin zakresu widzialnego. SłuŜy do określania kondycji roślin, sedymentacji wód oraz analizom geologicznym. Zakres czerwony to przedział pochłaniania w procesie fotosyntezy. Jest stosowany do określania typów roślinności, a takŝe w geologii. Bliska podczerwień wykorzystywana jest w analizach kondycji roślin. Średnia podczerwień stosowana jest w analizach kondycji roślin oraz wilgotności gleb, a takŝe do odróŝniania chmur od śniegu oraz w geologii. Podczerwień termalna stosowana jest do określania termalnych właściwości obiektów. 37 Rozdzielczość czasowa Rozdzielczość czasowa określa, jak często (co ile dni) moŝna uzyskać zobrazowanie tego samego obszaru przez konkretnego satelitę. W wypadku pierwszych satelitów, wykonujących jedynie wertykalne zobrazowania, rozdzielczość czasowa wynosiła kilkanaście dni (np. Landsat co 16 dni). Z chwilą wprowadzenia nowocześniejszych skanerów, umoŝliwiających pozyskanie zobrazowań z sąsiednich orbit, rozdzielczość czasowa wyraźnie się poprawiła, czyli zmniejszył się odstęp czasowy pomiędzy kolejnymi zobrazowaniami. Następny postęp dokonał się wskutek umieszczenia na zsynchronizowanych orbitach kilku satelitów podobnego typu (np. trzech satelitów SPOT, pięciu satelitów serii RapidEye), co pozwala nawet na codzienną rejestrację. Tak więc o rozpiętości czasowej decydują cechy aparatury rejestracyjnej, liczba satelitów danego typu, a takŝe rozkład orbit, na których są umieszczone. Większa częstotliwość pozyskiwania zdjęć satelitarnych zwiększa moŝliwość ich zastosowania wobec: częstego zachmurzenia, ograniczającego widoczność powierzchni Ziemi z pułapu satelitarnego; krótkotrwałych zjawisk (powodzi, poŝarów, zanieczyszczenia wód czy atmosfery); potrzeby stosowania analiz wieloterminowych (np. monitorowania gradacji owadzich). 38 19

Rozdzielczość radiometryczna Maksymalna liczba wartości jaka moŝe być przypisana pojedynczemu pikselowi tzw. dynamika zakresu. Rozdzielczość radiometryczna wyraŝana jest w bitach. Dla zobrazowań 8-bitowych (np. zdjęć satelitarnych Landsat TM, SPOT) wartości pikseli mogą wynosić od 0 do 255 (2 8 ), dla zobrazowań 6-bitowych (Landsat MSS ) od 0 do 64, dla 11-bitowych od 0 do 2048. Dzięki temu na przykład cyfrowe zdjęcia lotnicze zarejestrowane z tą samą rozdzielczością przestrzenną, ale róŝną rozdzielczością radiometryczną mogą przedstawiać więcej lub mniej szczegółów (więcej lub mniej tonów szarości). 1 bit (2 1 ) = 2 tony (piksel moŝe albo biały, albo czarny) 2 bity (2 2 ) = 4 tony 3 bity (2 3 ) = 8 tonów 4 bity (2 4 ) = 16 tonów 8 bitów (2 8 ) = 256 tonów 16 bitów (2 16 ) = 65 536 tonów 39 Charakterystyki najwaŝniejszych satelitów Satelita i nazwa skanera oraz system Charakterystyki wybranych satelitów teledetekcyjnych zapisu (rozdzielczość radiometryczna) Rozdzielczość spektralna w µm Rozdzielczość przestrzenna w m Landsat 5 Thematic Mapper (TM) 8 bitów 1: 0,45-0,52 2: 0,52-0,60 3: 0,63-0,69 4: 0,76-0,90 5: 1,55-1,75 7: 2,08-2,35 6: 10,4-12,5 120 Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper + (ETM+) 8 bitów 1: 0,45-0,52 2: 0,52-0,60 3: 0,63-0,69 4: 0,76-0,90 5: 1,55-1,75 7: 2,08-2,35 6: 10,4-12,5 PAN: 0,52-0,90 120 15 40 20

Charakterystyki najwaŝniejszych satelitów Satelita i nazwa skanera oraz system Charakterystyki wybranych satelitów teledetekcyjnych zapisu (rozdzielczość radiometryczna) Rozdzielczość spektralna w µm Rozdzielczość przestrzenna w m SPOT 4 HRVIR 8 bitów 1: 0,50-0,59 2: 0,61-0,69 2: 0,61-0,69 3: 0,79-0,89 4: 1,58-1,75 20 20 10 20 20 SPOT 5 HRG 8 bitów 1: 0,50-0,59 2: 0,61-0,69 3: 0,79-0,89 4: 1,50-1,70 PAN: 0,51-0,73 10 10 10 20 2,5 IRS-1C I 1D 7 bitów 1: 0,52-0,59 2: 0,62-0,69 3: 0,77-0,86 PAN: 0,50-0,75 23,5 23,5 23,5 5,8 41 Charakterystyki najwaŝniejszych satelitów Satelita i nazwa skanera oraz system Charakterystyki wybranych satelitów teledetekcyjnych zapisu (rozdzielczość radiometryczna) Rozdzielczość spektralna w µm Rozdzielczość przestrzenna w m Terra Aster Kanały 1-9: 8 bitów Kanały 10-14: 12 bitów 1: 0,52-0,60 2: 0,63-0,69 3: 0,76-0,86 4: 1,600-1,700 5: 2,145-2,185 6: 2,185-2,225 7: 2,235-2,285 8: 2,295-2,365 9: 2,360-2,4 10: 8,125-8,475 11: 8,475-8,825 12: 8,895-9,275 13: 10,25-10,95 14: 10,95-11,65 15 15 15 90 90 90 90 90 42 21

Charakterystyki najwaŝniejszych satelitów Satelita i nazwa skanera oraz system Charakterystyki wybranych satelitów teledetekcyjnych zapisu (rozdzielczość radiometryczna) Rozdzielczość spektralna w µm Rozdzielczość przestrzenna w m Ikonos 11 bitów PAN: 0,45-0,90 1: 0,45-0,53 2: 0,52-0,61 3: 0,64-0,72 4: 0,77-0,88 1 4 4 4 4 OrbView 11 bitów PAN: 0,450-0,900 1: 0,450-0,520 2: 0,520-0,600 3: 0,625-0,695 4: 0,760-0,900 1 4 4 4 4 EROS A/B 11 bitów PAN: 0,4-0,9 1,8 / 0,82 QuickBird 11 bitów PAN: 0,450-0,900 1: 0,450-0,520 2: 0,520-0,600 3: 0,6-0,690 4: 0,760-0,900 0,61-0,72 2,44 2,88 2,44 2,88 2,44 2,88 2,44 2,88 43 Charakterystyki najwaŝniejszych satelitów Satelita i nazwa skanera oraz system Charakterystyki wybranych satelitów teledetekcyjnych zapisu (rozdzielczość radiometryczna) Rozdzielczość spektralna w µm Rozdzielczość przestrzenna w m RapidEye 11 bitów 1: 0,440-0,510 2: 0,520-0,590 3: 0,6-0,685 4: 0,690-0,7 5 5 5 5 GeoEye (Ikonos-2) 11 bitów PAN: 0,450-0,800 1: 0,450-0,510 2: 0,510-0,580 3: 0,655-0,690 4: 0,780-0,920 0,41 1,65 1,65 1,65 1,65 44 22

Satelitarne obrazowanie Ziemi nowe misje Najliczniejszą grupę nowych misji satelitarnych (poza misjami meteorologicznymi) będą stanowiły wielofunkcyjne misje obserwacji terenów lądowych Ziemi. Powszechne jest dąŝenie do zwiększania rozdzielczości. Dosyć powszechne jest zwiększanie liczby kanałów i uwzględnianie rejestracji zakresu niebieskiego widma. Na uwagę zasługuje inicjatywa rejestracji danych w zakresie Ŝółtym, czerwonym brzegowym i SWIR. Te cechy sprawią, Ŝe z pułapów satelitarnych dostarczane będą bardziej wiarygodne informacji o lokalizacji, kształcie i charakterystyce obiektów o niewielkich rozmiarach. Rozbudowa sieci satelitów radarowych, współpracujących z satelitami optycznym. Skrócenie okresu pomiędzy kolejnymi obrazowaniami tego samego terenu i redukcja długości cyklu programowania usprawni dostęp do bardziej wiarygodnych, bogatych i aktualnych informacji przestrzennych. 45 Co powinno determinować wybór odpowiedniego zdjęcia do analiz teledetekcyjnych? Wybór typu zobrazowań zaleŝy od: celu opracowania, skali mapy, która ma być zakończeniem opracowania, dostępności zdjęć z określonego terminu. Analiza teledetekcyjna polega na: przetwarzaniu obrazu jego interpretacji lub klasyfikacji. 46 23

Przetwarzanie i klasyfikacja zdjęć Przetwarzanie obrazu jest procesem zmierzającym do: wydobycia z niego informacji, podkreślenia informacji istotnych dla interpretatora i ewentualnego wygłuszenia informacji zbędnych, dokonania analiz statystycznych w celu wydobycia informacji nieobrazowej. Nie ma standardowych procedur przetwarzania obrazu, poniewaŝ: kaŝdy projekt wymaga indywidualnego podejścia; interpretatorzy wykorzystują autorskie procedury, będące wyrazem ich osobistych preferencji, a do analiz obrazowych wykorzystywane jest róŝnorodne oprogramowanie; jakość przetwarzanych danych nie jest jednorodna. 47 48 Przetwarzanie i klasyfikacja zdjęć Mimo braku standardowych procedur operacje przetwarzania obrazu moŝna pogrupować na: korekcje radiometryczne (usunięcie zakłóceń w postaci zmian intensywności piksela polega na usunięciu błędów zapisu oraz umoŝliwieniu odniesienia wartości spektralnych pikseli do parametrów, które interpretator chce ze zdjęcia pozyskać), korekcje geometryczne (usunięcie dystorsji obrazu oraz wpasowanie zdjęcia w mapy czyli powiązanie obrazu z określonym układem współrzędnych), operacje zmierzające do wydobycia maksimum treści o interesującym interpretatora obiekcie (zmiana jasności, rozciąganie kontrastu, filtracje, wagowanie obrazów). Tak przygotowane zdjęcie poddaje się następnie interpretacji wizualnej lub klasyfikacji cyfrowej. 24

Przetwarzanie zdjęć czyli korekcje obrazów: radiometryczna, geometryczna Obraz surowy Obraz po korekcji radiometrycznej Obraz po korekcji geometrycznej z nałoŝoną Leśną Mapą Numeryczną 49 Źródło: E.Wiśniewska, DGLP Przetwarzanie zdjęć czyli korekcje obrazów: poprawy jakości Obraz wielospektralny - kompozycja barwna w barwach naturalnych 50 Obraz wielospektralny - kompozycja barwna w barwach nierzeczywistych (wizualizacja obrazów z zakresu promieniowania widzialnego i podczerwieni) Obraz wielospektralny - przetworzona kompozycja barwna w barwach nierzeczywistych z nałoŝoną Leśną Mapą Numeryczną Źródło: E.Wiśniewska, DGLP 25

Interpretacja wizualna i klasyfikacja cyfrowa zdjęć Interpretacja wizualna Metoda wizualna opiera się na interpretacji kompozycji barwnej złoŝonej jedynie z trzech wyciągów spektralnych zdjęcia lub na interpretacji zdjęcia czarno-białego (w tonach szarości) złoŝonego z pojedynczego wyciągu (kanału) spektralnego. Klasyfikacje cyfrowe polegają na klasyfikacji wykonywanej przy uŝyciu komputerowego systemu przetwarzania obrazów (zdjęć). Metody pikselowe Klasyfikacja nienadzorowana Klasyfikacja nadzorowana Metody obiektowe 51 Klasyfikacje cyfrowe Metody pikselowe (analiza jest wykonywana na podstawie wartości jasności zawartej w pikselach obrazu) Klasyfikacja nienadzorowana - kaŝdy piksel przyporządkowany jest do klasy spektralnej w sposób niejako mechaniczny, bez znajomości jej charakterystyki terenowej. Klasyfikacja nadzorowana stosując tę metodę klasyfikacji naleŝy znać typy powierzchni jakie mają być wydzielone na zdjęciu, a interpretator wybiera powierzchnie treningowe odpowiadające klasom moŝliwym do wyróŝnienia na zdjęciu. Metody obiektowe OBIA (Object Based Image Analysis) Analiza jest wykonywana na podstawie analizy jasności piksela oraz analizy jego otocznia. Analizowane są zatem nie tylko wartości jasności piksela, ale takŝe inne parametry jak: kształt, tekstura, powierzchnia. 52 26

Klasyfikacja zdjęcia, analizy przestrzenne, wizualizacja wyników Mapy tematyczne Zestawienia tabelaryczne Wykresy Wizualizacje 3D i prezentacje multimedialne 53 Źródło: E.Wiśniewska, DGLP Zdjęcie i mapa fotointerpretacyjna Ortofotomapa (jako warstwa rastrowa w SIP) Mapa fotointerpretacyjna (jako warstwa wektorowa w SIP) NaleŜy pamiętać, Ŝe teledetekcja to nie tylko metody pozyskiwania danych o obiektach, zjawiskach i procesach zachodzących na powierzchni Ziemi, ale takŝe metody ich przetwarzania na uŝyteczne informacje. Tworząc mapy klasyfikacyjne czy to poprzez wizualną interpretację zdjęć czy cyfrową klasyfikację danych uzyskujemy nowe mapy tematyczne, które wzbogacać mogą istniejące przestrzenne bazy danych np. Leśną Mapę Numeryczną. Materiały: IGiK 54 27

INTERPRETACJA OBSZARÓW LEŚNYCH NA PODSTAWIE BARWNYCH ZDJĘĆ LOTNICZYCH W SKALI 1 : 26 000 Wyznaczenie przebiegu granic wyłączeń taksacyjnych oraz prowadzenie innych analiz teledetekcyjnych dla obszarów leśnych naleŝy realizować korzystając jednocześnie z innych danych przestrzennych, przede wszystkim analizy naleŝy prowadzić w połączeniu z LMN i bazą opisową SILP. Ortofotomapa z nałoŝoną LMN Ortofotomapa z nałoŝonym wynikiem interpretacji Materiały: IGiK 55 INTERPRETACJA OBSZARÓW LEŚNYCH NA PODSTAWIE ZDJĘĆ SPEKTROSTREFOWYCH Interpretowane są dwie kategorie informacji: 1.Kategorie opisujące jakościowy stan koron drzew: ZróŜnicowanie gatunków, Zasobność w aparat asymilacyjny, Prawidłowa lub patologiczna forma koron, Częściowe lub całkowite zamieranie koron. 2.Kategorie opisujące stan powierzchni obszaru leśnego: Przestrzenna struktura gatunkowa, Przestrzenna struktura wiekowa, Zwarcie pułapu koron, występowanie luk, Zwartość kompleksu leśnego. Materiał Materiały: IGiK 56 28

Interpretacja wizualna i klasyfikacja cyfrowa zdjęć - PODSUMOWANIE RozbieŜności w ilości i szczegółowości klas w róŝnych opracowaniach wynikają ze zróŝnicowania algorytmów klasyfikacji zdjęć, zaleŝnych od celu i zasięgu terytorialnego opracowania. W przypadku analiz dotyczących lokalnych zjawisk moŝliwa jest bardziej szczegółowa klasyfikacja. Podstawowymi parametrami, od których zaleŝy szczegółowość i wiarygodność klasyfikacji to rozdzielczość przestrzenna (terenowa) i spektralna zdjęć wykorzystanych do klasyfikacji. 57 58 Źródła danych teledetekcyjnych - podsumowanie Zdjęcia lotnicze (fotogrametryczne): Panchromatyczne Barwne w barwach naturalnych Spektrostrefowe Zdjęcia lidarowe: Lotnicze (ALS) Naziemne (TLS) Zdjęcia satelitarne: Rejestrujące zakresy promieniowania widzialnego i podczerwieni (bliskiej, średniej i termalnej) Rejestrujące promieniowanie mikrofalowe (zdjęcia radarowe) Zdjęcia hemisferyczne System kartowania mobilnego MMS Zdjęcia niemetryczne 29

Wykorzystanie zdjęć lotniczych i satelitarnych w badaniu środowiska przyrodniczego Do poznania zaistniałych przeobraŝeńśrodowiska wykorzystane mogą być zdjęcia lotnicze, satelitarne i naziemne wykonane, w zaleŝności od potrzeb, w róŝnych, zadanych parametrach. PODSTAWOWE PARAMETRY CYFROWYCH DANYCH TELEDETEKCYJNYCH - Rozdzielczość przestrzenna (terenowy wymiar piksela) - Rozdzielczość spektralna (ilość i rodzaj zakresów promieniowania elektromagnetycznego) - Rozdzielczość czasowa (częstotliwość z jaką moŝna wykonać ponownie zdjęcie tego samego obszaru) - Rozdzielczość radiometryczna (ilość bitów) 59 Dziękuję za uwagę Emilia Wiśniewska Dyrekcja Generalna Lasów Państwowych Wydział Urządzania Lasu i Geoinformatyki ul. Bitwy Warszawskiej 1920 r. nr 3 02-362 Warszawa e.wisniewska@lasy.gov.pl tel. +48 22 58 98 257 60