TELEDETEKCJA WYBRANYCH ELEMENTÓW INFRASTRUKTURY MIEJSKIEJ NA ZOBRAZOWANIACH SATELITANYCH

1. TELEDETEKCJA WYBRANYCH ELEMENTÓW INFRASTRUKTURY MIEJSKIEJ NA ZOBRAZOWANIACH SATELITANYCH Małgorzata Jenerowicz Wojskowa Akademia Techniczna Kierownik pracy: Dr hab. inż. Wiesław Dębski

2. CEL PRACY: Analiza Technicznych Środków Obrazowania obszarów miejskich w zakresie systemów satelitarnych Organizacja informacji pozyskanych na drodze teledetekcji, określenie oraz zapewnienie przydatności danego zobrazowania. Praktyczne wykazanie przydatności zobrazowań satelitarnych Landsat TM, w wykrywaniu zmian zaistniałych w obrębie obszaru miejskiego

3. Charakterystyka systemów satelitarnych w świetle obrazowań obszarów miejskich: QuickBird 2 USA 2002 LANDSAT 7 USA 1999

4. Pojęcie rozdzielczości: ZMIENNOŚĆ W CZASIE ROZDZIELCZOŚĆ CZASOWA CHARAKTERYSTYCZNE POKRYCIE TERENU ROZDZIELCZOŚĆ SPEKTRALNA GEOMETRIA I POŁOŻENIE ROZDZIELCZOŚĆ PRZESTRZENNA

5. 15 y 10 y 5 y 4 y 3 y 2 y 1y 180 d 105min 44d 30 d 16d 9 d 107 min 104min 5 d 4 d 3 d S3 2 d 1 d S2 S1 103min 800 IRS-1 AB LISS-1 72.5x72.5 LISS-2 36.25x36.25 12 h 500 300 10 B1 T1,U1 200 8 106 min DE1, E2 100 min 5 80 T2,U2,U3 SPOT HRV 4 Pan 10x10 XS 20x20 IRS-1 CD Pan 5.8x5.8 LISS-3 23.5x23.5;MIR 70x70 WIFS 188x188 IRS P6 Pan 5.8x5.8 LISS-3 23.5x23.5; AWIFS 56÷70 3 1 h 2 50 30 20 SPOT 5 HRG (2001; not shown) Pan 2.5x2.5; 5x5 MSS 10x10; SWIR 20x20 min JERS-1 MSS 18x24 L-band 15x18 Resurs DK1 Pan 1X1 MSS 2.5÷3.5 LANDSAT 4.5 Pan 30X30 MSS 80X80 TIR 120X120 SPIN KVR-1000 2x2 TK-350 10x10 ERS-1,2 C-band 30x30 44d 30d 26d 16d EROS B Pan 0.7X0.7 LANDSAT 7 ETM+ Pan 15x15 MSS 30x30 TIR 60x60 Quickbird 2 Pan 0.62x0.62 MSS 2.48x2.48 ASTER EOS Terra VNIR 15X15 m SWIR 30X30 m TIR 90x90 m IRS P5 Pan 2.5X2.5 TES, IRS Cartosat 2 Pan 1X1 EROS A1 Pan 1.8X1.8 IKONOS 2 Pan 0.82X0.82 MSS 3.24X3.24 DE3 DE4 Formosat 2 Pan 2X2 MSS 8X8 M5 DE2 ORBITIMAGE OrbView 2 Pan 1 x 1 MSS 4 x 4 Digital FramePhotography and Traditional Aerial Photography 0.25x0.25 m (0.82x0.82ft) 1x1m (3.28x3.28ft) T3 1m 10m 100m 1km 5km 10km 0.2 0.3 0.5 0.8 2 3 5 8 15 20 30 50 80 200 300 500 800 2*103 3*103 8*103 B1 - Obwód budynku, obszar, objętość, wysokość, informacje katastralne ( granice ) T1 - Główne osie drogi T2 - Dokładna szerokość drogi T3 - Badanie natężenia ruchu (samochody, samoloty, itp.) U1 - Sporządzanie map głównych linii (napowietrznych, podziemnych itp.) U2 - Dokładna szerokość linii, pierwszeństwo przebiegu linii U3 - Usytuowanie słupów, włazów, podstacji S1 - Szacowanie miejscowej populacji S2 - Szacowanie populacji regionu/krajowej S3 - Wskaźniki jakości życia E2 - Badania izolacji budynków M5 - Monitorowanie ciepłych obszarów w miastach DE 1 - Zobrazowania sprzed katastrofy DE 2 - Zobrazowania po katastrofie DE 3 - Stopień uszkodzenia zabudowań DE 4 - Stopień uszkodzenia ciągów komunikacyjnych

6. Dziś… • Możliwość pokrycia obszaru jednym zobrazowaniem • Zachowanie stałych warunków oświetleniowych • Periodyczność wykonania, a co za tym idzie, aktualność • Możliwość wykonania zobrazowań w rejonach gdzie misja lotnicza byłaby niemożliwa ze względów technicznych i politycznych • Możliwość monitorowania w czasie • Sprawna dystrybucja, skrócony czas oczekiwania

7. Klimat miejski – celowość zastosowania zobrazowań satelitarnych: Mapowanie obszarów niekorzystnych klimatycznie w obrębie miasta

8. Klimat miejski – celowość zastosowania zobrazowań satelitarnych:

9. Jutro… • Zwiększenie ilości misji • Dążenie do pozyskania obrazu w szerokim pasie terenu w możliwie dobrej rozdzielczości przestrzennej • Rozwój i popularyzacja małych satelitów • Prace nad umieszczeniem satelitów o średniej i wysokiej rozdzielczości na orbicie geostacjonarnej • Budowa i operowanie pikselem o wymiarze 0,5m • Lata 2012 – 2020: wzrost rozdzielczości systemów obrazujących (10 cm dla zakresów optycznych i do 0,5m dla systemów radarowych)

10. Organizacja informacji pozyskanych na drodze teledetekcji • CHARAKTERYSTYKA PRZYDATNOŚCI ZOBRAZOWAŃ TELEDETEKCYJNYCH POZYSKANYCH OD RÓŻNYCH SENSORÓW - SYSTEM NIIRS • ORGANIZACJA DANYCH ZA POMOCĄ SCHEMATU KLASYFIKACJI - USGS - U.S. Geological Survey Classification Standard - LBCS - Land-Based Classification Standard

11. NIIRS: NIIRS składa się z 10 poziomów, stopniowanych od 0 do 9 Każdy poziom posiada kilka kryteriów, które wskazują ilość informacji możliwych do wydobycia z obrazu w danym poziomie interpretacyjnym. Np.: POZIOM 1: Wyróżnia główne kategorie użytkowania terenu (np. teren miejski, rolniczy, leśny, wodny, nieużytki); wykrywa średniej wielkości porty; odróżnia pasy startowe i pasy kołowania na dużym lotnisku; GRD: powyżej 9,00m.

12. Schemat klasyfikacji USGS

13. Schemat klasyfikacji LBCS: Wielowymiarowość (działalność, funkcja, struktura, charakter rozwojowy, własność). PARK ROZRYWKI – PD KALIFORNIA Działalność7000:czas wolnyFunkcja5310:zabawa, rozrywkaWłasność3000: publiczny rejon zgromadzenia

14. Analiza cyfrowa – mapa zmian: Miasto jest strukturą wielce skomplikowaną o szczególnym nasileniu działalności przestrzenno-ekonomicznych i społecznych, wynikających przede wszystkim z realizacji potrzeb życiowych jego mieszkańców, czego wewnętrznym przejawem jest stale przekształcający się fragment przestrzeni, którą zajmuje. • Hiszpańskie miasto – Walencja • Landsat TM 1988r. oraz 2004 r.

15. Analiza cyfrowa – mapa zmian:Korekcja geometryczna Liczba punktów transformacji: n – stopień wielomianu w transformacji Metoda resamplingu: Cubic convolution Dokładność transformacji: x1,x2 – współrzędne x na obrazie 1 i 2 y1,y2 – współrzędne y na obrazie 1 i 2 ms (RMS) < ½ piksela (15m)

16. Analiza cyfrowa – mapa zmian:Korekcja radiometryczna Różne terminy rejestracji : różne stany oświetlenia warunki atmosferyczne stan detektorów skanera Erdas Imagine 9.0 : Haze Reduction Destripe TM data Histogram Matching

17. Analiza cyfrowa – mapa zmian: • Metoda odejmowania wartości odbicia spektralnego obrazów nieprzetworzonych • Metoda odejmowania wartości odbicia spektralnego obrazów przetworzonych • Metoda klasyfikacji nadzorowanej

18. Różnicowanie obrazów nieprzetworzonych Na tym etapie zostały utworzone dwa obrazy różnicowe, pierwszy w pełnym zakresie spektralnym kompozycji barwnej false colour (4,3,2), drugi w zakresie podczerwonym. Jedynym pewnym wnioskiem interpretacyjnym takich zobrazowań jest stwierdzenie iż znacznej rozbudowie uległ port miejski oraz teren w kierunku południowym, jednak konkretnej informacji na temat jakiego charakteru są zaistniałe zmiany nie mamy

19. Różnicowanie obrazów przetworzonych PRINCIPAL COMPONENTS ANALYSIS Metoda ta polega na analizie głównych składowych zobrazowań wielospektralnych, które są ze sobą silnie skorelowane. Został stworzony nowy zakres danych, który nie jest skorelowany bądź posiada bardzo niski stopień korelacji. Niemal cały ładunek informacji zawarty jest w czterech pierwszych składowych. W analizie wykorzystujemy składową nr 2 . Jedynym pewnym wnioskiem interpretacyjnym takich zobrazowań jest stwierdzenie iż znacznej rozbudowie uległ port miejski

20. Różnicowanie obrazów przetworzonych WSPÓŁCZYNNIK NDVI Metoda ta jest niezwykle przydatna w analizie rozwoju miejskiego w przypadku gdy zmiany w pokryciu terenu polegają na przejściu z klas roślinnych na klasę zabudowy

21. Klasyfikacja nadzorowana Stworzenie pól treningowych poszczególnych kategorii obrazu za pomocą narzędzia Signature Editor programu Erdas Imagine 9.0. Narzędzie to umożliwia wyznaczenie i porównanie parametrów statystycznych charakteryzujących poszczególne klasy (wartość średnia). Dzięki takiej informacji istnieje możliwość oceny zmienności spektralnej dla danych klas. Analiza różnic odbicia dla poszczególnych klas wykazała podobne charakterystyki spektralne dla niektórych kategorii terenów miejskich Rok 1988 Rok 2004

22. Klasyfikacja nadzorowana Rok 2004 Rok 1988

28. Wnioski końcowe: • Pojęcie teledetekcji obszarów miejskich nie istnieje bez usystematyzowanego kryterium rozdzielczości. • Rozdzielczość czasowa realizowana przez systemy satelitarne (1-3 ÷ 26 dni) jest wystarczająca przy niemalże każdym atrybucie miejskim poza badaniem natężenia ruchu (5-10min), • W większości zadań miejskich niezbędna rozdzielczość spektralna to: pasmo VIS i PAN, w pełni zapewniana przez analizowane w pracy systemy średnio- i wysoko- rozdzielcze. • Ograniczeniem dla zobrazowań satelitarnych są wymogi związane z rozdzielczością przestrzenną. Najmniejszy terenowy wymiar piksela satelity QuickBird 2 nie ma zastosowania w badaniach związanych ze szczegółową analizą dróg i zabudowy, gdzie górna granica wynosi 0.5m. • Schematy organizacji danych pozyskanych na drodze teledetekcji potwierdzają, iż zobrazowania satelitarne nie dostarczają pełnych informacji z zakresu badań obszarów miejskich, ze względu na niewystarczający wymiar piksela obrazowania • Przeprowadzone w pracy analizy wykazały przydatność zobrazowań satelitarnych średnio rozdzielczych - Landsat TM, w wykrywaniu zmian oraz mapowaniu terenów niekorzystnych klimatycznie, na obszarach urbanistycznych ze względu na wysoką rozdzielczość spektralną sensora. • Atuty systemów satelitarnych, tj. monitorowania w czasie wykonywania danych inwestycji, pokrycie obszaru jednym, ewentualnie kilkoma obrazami oraz aktualność, nie doprowadzą do wyparcia z rynku danych lotniczych, ale powstanie rynek na którym będą się one wzajemnie uzupełniały i wzmacniały.

29. Koniec Dziękuję za uwagę Małgorzata Jenerowicz