Földmegfigyelés a világűrből

1. Földmegfigyelés a világűrből 1. rész: A távérzékelés alapjai

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

3. 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

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

5. 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.

6. Távérzékelés • Remote sensing • 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

7. 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

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

9. Vissza A távérzékelésalapjaihoz 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- mágnesesspektrumot.

10. Vissza A távérzékelésalapjaihoz Az elektromágneses spektrum

11. Vissza A távérzékelésalapjaihoz 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.

12. Vissza A távérzékelésalapjaihoz Légköri ablakok

13. Vissza A távérzékelésalapjaihoz 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.

14. Vissza A távérzékelésalapjaihoz Reflektancia

15. Vissza A távérzékelésalapjaihoz A megfigyelés magassága • A távérzékelő eszközök a felszíntől különböző magasságokban helyezhetők el. • Leggyakoribb típusok: • földi megfigyelés • légi megfigyelés • műholdas megfigyelés

16. Vissza A távérzékelésalapjaihoz 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.

17. Vissza A távérzékelésalapjaihoz Passzív távérzékelés • Példák passzív szenzorokra: • MSS: többsávos letapogató rendszer • mikrohullámú radiométer • TV kamera • gravitációmérő • mágneses érzékelők

18. Vissza A távérzékelésalapjaihoz Aktív távérzékelés • Példák aktív szenzorokra: • RADAR • LiDAR • mikrohullámú magasságmérő • lézeres távolságmérő

19. Vissza A távérzékelésalapjaihoz Radartípusok • Doppler-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.

20. Vissza A távérzékelésalapjaihoz 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.

21. Vissza A távérzékelésalapjaihoz 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

22. Vissza A távérzékelésalapjaihoz 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.

23. Vissza A távérzékelésalapjaihoz 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.

24. Vissza A távérzékelésalapjaihoz Műholdpálya típusok

25. Vissza A távérzékelésalapjaihoz 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

26. Vissza Az űrfelvételek tulajdonságaihoz 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.

27. 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.

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

29. 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

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

31. 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

32. 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

33. 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).

34. 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.

35. 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

36. Vissza A távérzékelésalapjaihoz 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.

37. Vissza A távérzékelésalapjaihoz 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

38. Vissza A távérzékelésalapjaihoz Visszaverődés típusok

39. Radaros felvétel szürkeárnyalatos radarkép színezett radarkép

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

41. Vissza A távérzékelésalapjaihoz A radaros megfigyelés hullámhosszai

42. Vissza A távérzékelésalapjaihoz Adatátalakítás, adatelemzés • Műholdkép kezelő és elemző szoftverek • Raszter – vektor konverzió • Osztályozás Tovább a Szoftverekhez Tovább a Raszter – vektorátalakításhoz Tovább az Adatelemzési módszerekhez

43. Vissza az Adatátalakításhoz 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

44. 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

45. 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

46. 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.

47. 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

48. 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

49. Vissza az Adatátalakításhoz Osztályozás felszínborítás szerinti osztályzás eredeti műholdkép

50. 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.