Földmegfigyelés a világűrből 1. rész: A távérzékelés alapjai

Az oktatási anyagot „A földmegfigyelési tudományos ismeret és technológia terjesztés Magyarországon” projekt keretében készítette a GeoAdat Kft. az ESA PECS támogatásával.

Elérhetőségek GeoAdat Szolgáltató és Informatikai Kft. Székhely: 1145 Budapest, Kolumbusz u. 17-23.  Iroda: 1088 Budapest Szentkirályi u. 8. Tel.: 06 1 469 0033 Fax: 06 1 469 0506 e-mail: geoadat@geoadat.hu http://www.geoadat.hu

Általános tudnivalók Lapozás: az oldalak jobb alsó sarkában elhelyezett nyilakkal lehet előre: vissza: Visszatérés az az oktatási anyag elejére: bal felső sarokban található ikon:

Földmegfigyelés A Föld tanulmányozására legalkalmasabb helyszín nem a földfelszínen található, nagyobb magasságból sokkal jobb rálátás nyílik bolygónkra. A világűrben megfelelően elhelyezett megfigyelési eszközökkel, műholdakkal a földi környezet egésze tanulmányozható: nemcsak a felszínen nehezen megközelíthető helyek, hanem a légkör, a talaj, a kőzetburok, a víztestek és a bioszféra is vizsgálható. A földmegfigyelés során az adatok gyűjtése általában távérzékeléses módszerekkel történik.

Távérzékelés Remote sensing Távérzékelés Gibson, P. J. (2000): The acquisition and recording about and object without being in direct contact with that object. Engler (2000): The science of gaining and processing data or information of objects, areas, features, processes remotely, indirectly from a special distance. Távérzékelés adatok gyűjtése, átalakítása és elemzése egy objektumról, objektumok halmazáról, egy területről a vele való közvetlen érintkezés nélkül

A távérzékelés folyamata Adatgyűjtés: szenzoros megfigyelés Adatátalakítás: raszter – vektor konverzió Elsőfokú adatelemzés: adatbázis építés, attribútum adatok hozzárendelése Tovább az Adatgyűjtéshez Tovább az Adatátalakításhoz Tovább az Adatelemzéshez

A távérzékelés alapjai Fizikai alapok Megfigyelés magassága Adatgyűjtés módja Műholdpálya típusok Űrfelvételek tulajdonságai Radarfelvételek tulajdonságai Tovább a Fizikai alapokhoz Tovább a Megfigyelés magasságához Tovább az Adatgyűjtés módjához Tovább a Műholdpálya típusokhoz Tovább az Űrfelvételek tulajdonságaihoz Tovább a Radarfelvételek tulajdonságaihoz

Fizikai alapok Távérzékelés során a szenzorok a megfigyelt objektum által kibocsátott vagy visszavert sugárzást mérik. Az elektromágneses sugárzásnak két alapvető tulajdonsága van: hullámhossz frekvencia A különböző hullám- hosszú sugárzások alkotják az elektro- mágneses spektrumot. Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Az elektromágneses spektrum Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Fizikai alapok A távérzékeléshez használt sugárzás a légkörön áthaladva kölcsönhatásba kerül a atmoszférában található gázokkal és részecskékkel: szóródás abszorpció (elnyelődés) Légköri ablak: ezekben a hullámhossz tartományokban a légkör sugárzást zavaró hatása mérsékeltebb, így ez alkalmas távérzékeléses megfigyelésekre. Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Légköri ablakok Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Reflektancia A légkörön átjutó sugárzás a földfelszínnel kölcsönhatásba kerül: elnyelődik áthalad visszaverődik (reflektál) A távérzékelés szempontjából a visszaverődő sugárzás a legfontosabb, ugyanis a különböző hullámhosszokban mért reflektancia (visszaverődés) függ a felszín tulajdonságaitól. Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Reflektancia Vissza A távérzékelés alapjaihoz

A megfigyelés magassága A távérzékelő eszközök a felszíntől különböző magasságokban helyezhetők el. Leggyakoribb típusok: földi megfigyelés légi megfigyelés műholdas megfigyelés Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Az adatgyűjtés módja Passzív távérzékelés: a szenzorok a megfigyelt objektum által visszavert vagy a saját maga által kisugárzott sugárzást mérik, tehát az érzékeléshez szükséges energia valamilyen külső forrásból származik, például a Napból, így passzív megfigyelésre csak nappal van lehetőség. Aktív távérzékelés: az eszközök a saját energiájukat sugározzák a megfigyelt objektumra és a kibocsátott sugárzás visszaverődését mérik. Az aktív szenzorok előnye, hogy bármilyen napszakban, bármilyen időjárási körülmények között alkalmazhatók. Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Passzív távérzékelés Példák passzív szenzorokra: MSS: többsávos letapogató rendszer mikrohullámú radiométer TV kamera gravitációmérő mágneses érzékelők Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Aktív távérzékelés Példák aktív szenzorokra: RADAR LiDAR mikrohullámú magasságmérő lézeres távolságmérő Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Radartípusok Doppler-radar: Oldalranéző radar: meteorológiai megfigyelések (csapadékzóna követése) Oldalranéző radar: Side-Looking Radar Side-Looking Airborne Radar: repülőgépre szerelt oldalranéző radar egy sáv mentén készít képeket a ferde felvételezés miatt utólagos korrekció szükséges Szintetikus apertúrájú radar: Synthetic Aperture Radar Az érzékelő haladás közben minden megfigyelt pontot lát elölről, felülről és visszatekintve. A jel kibocsátásának és visszaérkezésének ideje alapján rajzolható ki a megfigyelt pont képe. Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Radartípusok LiDAR: Light Detection and Ranging Hasonló a radarhoz, de mikrohullám helyett lézerfényt bocsátanak ki és annak visszaverődését mérik. Leggyakrabban digitális domborzatmodellekhez gyűjtenek felszíni adatokat. Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Műholdpálya típusok A műholdak különféle pályákon keringenek a Föld körül. Osztályozás: pálya alakja: kör vagy ellipszis keringési idő: a Föld egyszeri megkerüléséhez szükséges idő pályasík ás az Egyenlítő síkja által bezárt szög Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Kvázipoláris Pályasíkjuk és az Egyenlítő síkja közel 90°-os szöget zár be. A Föld felszínének minden pontja megfigyelhető. Speciális esetben a műhold minden földi pont felett, minden nap, azonos helyi időben halad át, ez a napszinkron pálya. Keringési magasságuk 700–900 km. Ilyen pályán keringenek a meteorológiai műholdak. Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Geostacionárius Kör alakú pálya, síkja megegyezik az Egyenlítő síkjával. A műholdak keringési magassága 35790 km. A műholdak keringési ideje megegyezik a Föld forgási idejével, így a műhold mindig ugyanazon földi pont felett látszik, ezt használják ki a telekommunikációs műholdak. 1 ilyen műhold a földfelszín 44%-át látja, 3, egymástól 120°-ra lévő műholddal a sarki területek kivételével az egész felszín megfigyelhető. Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Műholdpálya típusok Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Űrfelvételek tulajdonságai Térbeli felbontás Spektrális felbontás Radiometriai felbontás Időbeli felbontás Összefüggések Tovább a Térbeli felbontáshoz Tovább a Spektrális felbontáshoz Tovább a Radiometriai felbontáshoz Tovább az Időbeli felbontáshoz Tovább az Összefüggésekhez Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Térbeli felbontás A térbeli felbontást a képen még megkülönböztethető, legkisebb objektum méretével fejezhetjük ki. Minden műholdkép alapegysége a pixel, a térbeli felbontás tehát attól függ, hogy egy pixel a valóságban mekkora területnek felel meg. Vissza Az űrfelvételek tulajdonságaihoz

Térbeli felbontás Kis felbontásúak azok a felvételek, amelyeken csak a nagyméretű objektumok látszanak. Nagy felbontásúak (HR= high resolution) azok a képek, amelyeken a kisebb tárgyak is felismerhetők (ez általában 1–10 méteres felbontást jelent). Szuper nagy felbontású (VHR=very high resolution) felvételeket is készítenek egyes műholdak, ezek felbontása 1 méternél kisebb. Vissza Az űrfelvételek tulajdonságaihoz

Térbeli felbontás London 2,5 méteres felbontású SPOT felvételen London 0,5 méteres felbontású GeoEye felvételen Vissza Az űrfelvételek tulajdonságaihoz

Spektrális felbontás A műholdak szenzorai egy-egy hullámhossz-tartományban készítenek felvételeket, ezeket sávoknak nevezik. A spektrális felbontás azt jelenti, hogy egyidejűleg hány képsávban készülnek felvételek: pankromatikus: 1 sáv multispektrális: 3–20 sáv hiperspektrális: 20–300 sáv Vissza Az űrfelvételek tulajdonságaihoz

Spektrális felbontás multispektrális felvétel pankromatikus felvétel hiperspektrális kocka Vissza Az űrfelvételek tulajdonságaihoz

Spektrális felbontás A spektrális sávokat általában úgy választják meg, hogy alkalmasak legyenek különböző felszínek megfigyelésére és elkülönítésére: kék: víztestek, parti területek térképezése, talaj és vegetáció elkülönítése zöld és vörös: vegetációtípusok elkülönítése, építmények azonosítása közeli infravörös: biomassza mérés, talajnedvesség kimutatása közép infravörös: hó és felhőzet elkülönítése termális infravörös: növényegészség vizsgálatok Vissza Az űrfelvételek tulajdonságaihoz

Spektrális felbontás valódi színes felvétel Egyes felszíntípusok különböző sávkombinációkban vizsgálhatók a legegyszerűbben. Lombhullató és tűlevelű erdők elkülönítése: R: közeli infravörös G: közép infravörös B: vörös Vissza Az űrfelvételek tulajdonságaihoz

Radiometriai felbontás Az érzékelők radiometriai felbontásától függ, hogy a visszavert sugárzás változásait mekkora mértékben tudja megkülönböztetni a szenzor. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a digitális képet alkotó pixelek hány féle színárnyalatot vehetnek fel (hány bites színmélységű felvétel készül). Vissza Az űrfelvételek tulajdonságaihoz

Időbeli felbontás Az időbeli felbontást a visszatérési idő határozza meg, vagyis egy adott földrajzi hely két egymást követő megfigyelése között mennyi idő telik el, ez általában néhány nap vagy pár hét időtartamot jelent. Vannak azonban olyan műholdak is, melyek érzékelői elfordíthatók, így ahhoz, hogy ugyanarról a területről készüljön felvétel, nem feltétlenül kell a megfigyelt terület felett ugyanúgy elhaladnia, így lecsökkenthető a visszatérési idő. Vissza Az űrfelvételek tulajdonságaihoz

Összefüggések Ahhoz, hogy minél jobb legyen a felvétel térbeli felbontása, keskeny felvételezési sáv szükséges. A keskeny sáv csökkenti a szenzorba érkező energia mennyiségét, ezáltal csökken a radiometriai felbontás. Ahhoz, hogy jobb legyen a radiometriai felbontás és ne csökkenjen a térbeli felbontás, a sávok szélességét kell növelni, ez pedig csökkenti a spektrális felbontást. térbeli FELBONTÁS radiometriai spektrális Vissza Az űrfelvételek tulajdonságaihoz

Radarfelvételek tulajdonságai A radaros távérzékelési eszközök az általuk kibocsátott hullámok visszaverődését mérik. A visszaverődés intenzitása alapján általában szürkeárnyalatos skálát használva ábrázolják a radarképet. A radarképen fekete felületek: sima felszínek, nyugodt vizű régiók, mert ezek gyakorlatilag tükörként viselkednek (tökéletes a visszaverődés), a beeső sugárzás nem az érzékelő antenna irányába verődik vissza. Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Radarfelvételek tulajdonságai A radarképen világos felületek: durva, érdes felszínek, ez esetben diffúz visszaverődés történik, sok jel jut vissza a szenzorhoz: olyan felszíni változások, melyek mérete hasonló a radar által kibocsátott hullámhosszhoz szögletes objektumok (a sarokhatás miatt dupla visszaverődés) fémből készült objektumok is fényesen jelennek meg a radarfelvételeken, mivel nagy a dielektromos állandójuk a talaj vagy a vegetáció nedvességtartalma is felerősíti a visszaverődés mértékét Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Visszaverődés típusok Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Radaros felvétel szürkeárnyalatos radarkép színezett radarkép

Polarizáció A radarhullámok fontos tulajdonsága a polarizáció, hogy milyen síkban rezegnek a kibocsátott hullámok: vízszintes (HH) függőleges (VV) keresztpolarizált (HV, VH) Vissza A távérzékelés alapjaihoz

A radaros megfigyelés hullámhosszai név hullámhossz (cm) alkalmazás Ka 0,75–1,10 térképezés K 1,10–1,67 felhőmegfigyelés Ku 1,67–2,40 műholdas kommunikáció, traffipax X 2,40–3,75 C 3,75–7,50 meteorológia S 7,50–15 meteorológia, csapadékmérések L 15–30 P 30–100 növényzet, talaj, gleccser, tengeri jég Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Adatátalakítás, adatelemzés Műholdkép kezelő és elemző szoftverek Raszter – vektor konverzió Osztályozás Tovább a Szoftverekhez Tovább a Raszter – vektor átalakításhoz Tovább az Adatelemzési módszerekhez Vissza A távérzékelés alapjaihoz

Szoftverek Műholdfelvételek kezelésére, megjelenítésére sokféle számítógépes program áll rendelkezésre. Az internetről elérhető, jórészt .tif vagy .jpg kiterjesztésű felvételek: bármilyen képnézegető programmal megnyithatók a sávok valamilyen kombinációját már egy egyesített kép tartalmazza Vissza az Adatátalakításhoz

Szoftverek Műholdfelvétel elemző programok: ERDAS Imagine http://www.erdas.com ER Mapper http://www.erdas.com ENVI http://www.ittvis.com IDRISI http://clarklabs.org Nyílt forráskódú, ingyenes szoftverek: GRASS GIS http://grass.fbk.eu OSSIM http://www.ossim.org Vissza az Adatátalakításhoz

Raszter – vektor átalakítás A műholdfelvételek raszteres formátumban tartalmazzák az információkat, azonban a gyakorlati felhasználás szempontjából sokszor vektoros formátum szükséges. A raszter-vektor közötti átalakítás többféleképpen történhet: bizonyos folyamatok automatizálhatók sokszor a manuális digitalizálás pontosabb Vissza az Adatátalakításhoz

Raszter – vektor átalakítás Automatikus átalakítás: bizonyos algoritmusok alkalmazásával a program a raszteres képen felismerhető elemeket vektoros alakzatokká (pont, vonal, poligon) alakítja. Digitalizálás: a képi információk alapján a vektoros alapegységek (pont, vonal, poligon) manuális megrajzolása. Vissza az Adatátalakításhoz

Adatelemzési módszerek Osztályozás Manuális osztályozás digitalizálással: a képi információk alapján az azonos osztályba tartózó egységek kézzel történő körülhatárolása. Automatizált osztályozás: megadott kritériumok alapján a kép pixeleinek automatikus osztályba sorolása. irányítatlan irányított Szűrés Vissza az Adatátalakításhoz

Adatelemzési módszerek Irányítatlan osztályozás: megadható hány darab osztály legyen bizonyos függvények alapján ennyi csoportba sorolja a felvétel pixeleit Irányított osztályozás: tanulóterületek kijelölése a tanulóterületek alapján sorolja osztályokba a műholdkép pixeleit Vissza az Adatátalakításhoz

Osztályozás felszínborítás szerinti osztályzás eredeti műholdkép Vissza az Adatátalakításhoz

Szűrés A szűrők segítségével a kép különböző jellegzetességei kiemelhetők, illetve elsimíthatók. A műholdkép elemző szoftverek általában sok beépített szűrőt tartalmaznak, de lehet saját szerkesztésű szűrőkkel is dolgozni. Vissza az Adatátalakításhoz

A távérzékelés előnyei Nagy területről gyorsan elérhető, homogén adatokat szolgáltat. Nagy területekre nézve a költségigénye relatív alacsony. Radaros felvételezés bármilyen időjárási körülmények között, éjjel-nappal végezhető.

A távérzékelés hátrányai A műholdfelvételek pillanatnyi állapotot rögzítenek, változások vizsgálatához monitoring jellegű megfigyelés szükséges: bizonyos időközönként további felvételezésre van szükség. Az optikai megfigyelések napszak és időjárás függőek.

Gyakorlati alkalmazások Térképészet, 3D-s modellezés Meteorológiai megfigyelések Felszínborítás, földhasználat vizsgálata Növénytakaró, biomassza elemzése Katasztrófa elhárítás (árvíz, belvíz, erdőtűz, földrengés, cunami...) Környezetvédelem Régészet

Az oktatási anyaggal kapcsolatos kérdéseiket várjuk elérhetőségeinken! Vége az 1. résznek Az oktatási anyaggal kapcsolatos kérdéseiket várjuk elérhetőségeinken!