1 PODSTAWY GEODEZJI I KARTOGRAFII WYKŁAD Teledetekcja Dr inż. Lesław Pianowski

2 Teledetekcja i fotointerpretacja Teledetekcja jest działem nauk technicznych zajmującym się - pozyskiwaniem, - przetwarzaniem - interpretowaniem danych z rejestracji promieniowania elektromagnetycznego odbitego lub emitowanego przez różne obiekty. Rejestrację wykonuje się przyrządami zainstalowanymi w samolotach lub satelitach. Pomiary pozwalają wnioskować o istocie i rodzaju terenu oraz zachodzących tam zjawiskach, oraz badać stan mórz i oceanów. Metody, techniki i narzędzia stosowane w teledetekcji i w rozpoznaniu obrazowym. Zdjęcia lotnicze i satelitarne w zakresie widzialnym i podczerwieni są wykorzystywane w dziedzinach: ochrona środowiska, metrologia, rolnictwo, geodezja, kartografia, łączność, lotnictwo, astronautyka, transport, turystyka.

3 Teledetekcja (ang. remote sensing) to pomiar wykonany z pewnej odległości. Pomiary teledetekcyjne można wykonywać z samolotów, przestrzeni kosmicznej, lub z powierzchni ziemi. Metody teledetekcyjne: aktywne i pasywne. W aktywnej teledetekcji sygnał jest wysłany z instrumentu a następnie analizowany. Przykładami aktywnej teledetekcji są: radar - gdzie wysyłane są mikrofale, lidar – w tym przypadku wysyłane jest światło, sodar – gdy wysyłane fale akustyczne. Pasywnymi metodami teledetekcji są metody oparte na analizie sygnału odego odbitego od obserwowanego obiektu. Zdjęcie fotograficzne jest przykładem teledetekcji pasywnej. Techniki teledetekcyjne używają tzw. metod odwrotnych do oceny interesujących własności. Dla przykładu, ocena ilości opadów z chmur może być dokonana na podstawie pomiaru intensywności sygnału z radaru meteorologicznego. OGÓLNY OPIS TECHNIK TELEDETEKCYJNYCH. Do rozpoznawania infrastruktury i użytków rolnych przydatny jest system wielospektralnej rejestracji obrazów wykorzystujący zakres widzialny i bliską podczerwień. Zakres ultrafioletowy, stosowany przy wykrywaniu związków organicznych wymaga stosowania kosztownych reflektorów ultrafioletu.

4 Numeryczny Model Terenu – obraz laserowy Skaning laserowy – LIDAR (ang. Light Detection and Ranging) – należy do grupy aktywnych systemów teledetekcyjnych, wykorzystujących do obrazowania promieniowanie najczęściej z zakresu bliskiej podczerwieni (ang. NIR – Near InfraRed). Technologia ta sprawia, że LIDAR jest niezależny od oświetlenia, zależy natomiast od warunków pogodowych.

5 Teledetekcja – cyfrowe opracowanie zdjęć satelitarnych Obraz w barwach umownych nałożony na numeryczny model terenu

6 System rejestracji wielospektralnej Równoczesne rejestrowanie tego samego obiektu przez różne filtry powoduje, że zauważalne różnice takich obrazów nie są spowodowane zmianami atmosferycznymi ani warunkami, w jakich znajduje się obiekt. Rejestrowane jest równocześnie promieniowanie o różnych długościach fal, odbijane od obiektu, wyselekcjonowane przez różne filtry w kamerze. Zmiany gęstości optycznej lub zabarwienia obrazu, uchwycone w każdym paśmie rejestracji, wykorzystuje się jako wskaźniki rozpoznania np. typów i żywotności roślin, rodzajów gleb, zawartości wilgoci, rodzajów zabudowy. Zdjęcia z kamery wielospektralnej są wyciągami barw dla określonych długości fal. W ten sposób zarejestruje się obrazy w poszczególnych zakresach widmowych. Wykorzystując odpowiedni program komputerowy sporządza się kompozycję wielospektralną

7 Skanery III generacji - skanery elektrooptyczne powierzchniowe Kamery CCD (Charge-Coupled Devices są to przyrządy ze sprzężeniem ładunkowym), czyli skanery zbudowane jak kamera fotograficzna z tym, że w płaszczyźnie obrazowej (zamiast emulsji fotograficznej) znajdują się matryce detektorów CCD. Są to, odpowiednio połączone w rastry, zestawy elementów półprzewodnikowych ze sprzężeniem ładunkowym, w których następuje przekształcenie promieniowania elektromagnetycznego na sygnały elektryczne - rejestrowane w postaci cyfrowej. W skanerach elektrooptycznych układ optyczny jest wyposażony w pakiety wymiennych filtrów, połączonych z odpowiednimi detektorami odbierającymi promieniowanie w ustalonych długościach fal. Sygnał może być również bezpośrednio transmitowany z satelity do stacji odbiorczej Drugie zadanie teledetekcji to fotointerpretacja lub interpretacja wyglądu zrekonstruowanego obrazu cyfrowego. Zadanie to wykonuje wizualnie fotointerpretator - człowiek, po zobrazowaniu danych cyfrowych. Interpretacji poddaje się obrazy pojedyncze lub kompozycje barwne, utworzone z kilku obrazów (składowych obrazu wielospektralnego). Powodzenie tej interpretacji zależy od doświadczenia interpretatora oraz jego umiejętności wykorzystania elementów powierzchniowych, spektralnych i czasowych zawartych w oglądanej kompozycji barwnej.

8 Fotointerpretacja polega na rozpoznawaniu obiektów znajdujących się na zdjęciach. W pierwszej kolejności sprawdza się obiekty, których rozpoznanie i położenie nie nasuwa żadnych wątpliwości. Następnie drobne szczegóły i ich poszczególne części. Niektóre obiekty, jak zabudowania, drzewa itp., rozpoznaje się na podstawie ich cienia. Wygląd obiektów na zdjęciach i tonacja obrazu, zależą od pory dnia i pory roku Elementy sytuacyjne określają kształt, wymiar, orientację i teksturę rozpoznawanych obiektów. Elementy spektralne mogą być pomocne, ale tylko temu interpretatorowi, który potrafi posługiwać się charakterystyką odbić spektralnych typowego pokrycia terenowego. Interpretator może wykorzystać dane czasowe do rozróżniania roślinności stałej i roślinności przemijającej (efemerycznej), kiedy zauważa zmiany rodzaju pokrycia terenu w ciągu roku. Fotointerpretacja wspomaga uprzednie komputerowe przetworzenie danych, natomiast analizę ilościową wspomaga sporządzenie wiarygodnego klucza fotointerpretacyjnego. Podstawy rozpoznawania obiektów są cechy rozpoznawcze a) bezpośrednie : kształt, wielkość, foton, struktura i tekstura b) pośrednie : cień własny i rzucany, rozmieszczenie topograficzne obiektów c) kompleksowe

9 Zobrazowanie terenu zabudowanego w różnych zakresach widmowych wraz z kompozycją wielospektralną. Jedną z najbardziej przydatnych metod interpretacji jest klasyfikacja. Klasyfikacja jest procesem polegającym na przydzielaniu pikseli do skończonej liczby indywidualnych klas lub kategorii danych o podobnych wartościach statystycznych. Rezultatem klasyfikacji jest nowy obraz, w którym wartości pliku odpowiadają przynależności do klas. Przykładem zobrazowania klasyfikacyjnego jest mapa pokrycia terenu, przedstawiająca roślinność, nieużytki, obszary zabudowane itp., wszystko co posiada wyróżnioną charakterystykę widmową.

10 Kompozycja wielospektralna Mapa topograficzna. Interpretacja z wykorzystaniem mapy topograficznej

11 ŹRÓDŁA DANYCH DLA SYSTEMÓW GIS: dane rastrowe (zdjęcia lotnicze, satelitarne, mapy analogowe), dane wektorowe (mapy numeryczne), skaner laserowy geodezyjne pomiary terenowe, bazy danych opisowych DANE RASTROWE Obrazy bitmapowe (rastrowe), składają się z siatki pikseli czyli rastra. Każdy piksel w obrazie bitmapowym ma swoje miejsce i kolor. Na obrazach bitmapowych modyfikuje się grupy pikseli, a nie obiekty i kształty. DANE WEKTOROWE Grafika wektorowa składa się z odcinków linii prostych i krzywych, zdefiniowanych przez obiekty matematyczne ­ wektory. Wektory opisują grafikę geometrycznie. Grafika wektorowa nie zależy od rozdzielczości, tzn. nie jest określana przez stałą liczbę pikseli i jest zawsze odtwarzana z maksymalną rozdzielczością monitora lub drukarki.

12 Zdjęcie lotnicze

13 Zdjęcie satelitarne Fragment zobrazowania panchromatycznego z satelity IKONOS.

14 Zdjęcie lotnicze Fragment zobrazowania lotniczego.

15 Teledetekcja satelitarna wiąże się z zastosowaniem sensorów elektronicznych, zapisem danych na nośnikach magnetycznych i z komputerowym opracowaniem danych. Pozyskiwanie danych o powierzchni Ziemi za pomocą sensorów wielo- spektralnych odgrywa istotną rolę w teledetekcji satelitarnej. Pozwala na rozszerzenie zakresu obserwacji poza widmo widzialne i fotograficzne, a także na wybór ze zbioru pozyskanych danych tych, które są przydatne do rozpoznania i charakterystyki badanych elementów środowiska. Rejestracja, przez sensory umieszczone na satelitach, w zakresie długofalowego promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię Ziemi, umożliwia obrazowanie rozkładu temperatury na powierzchni naszego globu. Sensor to urządzenie (czujnik) przeznaczone do wykrywania i pomiaru energii elektromagnetycznej i przedstawiające ją w różnych formach zapisu.

16 Współczesna fotografia dostarcza obrazów barwnych. Dużą skutecznością interpretacyjną charakteryzuje się fotografia wielospektralna. Nową jakość interpretacyjną dają obrazy cyfrowe. Są one przechowywane na komputerowym nośniku danych - najczęściej na dyskach magnetycznych. Obrazy cyfrowe pozyskane z jednego kanału lub wielospektralne są bardziej kosztowne od zdjęć fotograficznych, są bardziej uniwersalne, gdyż ich cyfrowy zapis charakteryzuje się większą szczegółowością. Przed sporządzeniem takiego zobrazowania dane cyfrowe można przetworzyć numerycznie w taki sposób, aby skorygować wybrane cechy obrazu. Stosuje się dwa rodzaje zobrazowań: 1) czarno-białe odrębne obrazy każdego kanału spektralnego, w którym czerni odpowiadają zerowe wartości jasności pikseli, przy czym odcieniom szarości przypisywane są wyższe wartości, a bieli (dla zapisu 6-, 7- i 8-bitowego) odpowiednio liczby 63, 127 lub 255, 2) barwne kompozycje złożone z wyselekcjonowanych pasm spektralnych (wybrane pasma obrazów cyfrowych są przedstawione trzema barwami podstawowymi na monitorze przystosowanym do odtwarzania obrazów barwnych). Jeśli zarejestrowano więcej niż trzy pasma spektralne, wówczas należy ustalić, które pasma zostaną zużytkowane do sporządzenia kompozycji wykorzystującej trzy barwy podstawowe.

17 Przykład wykorzystania teledetekcji jest zdjęcie satelitarne Jeziora Charzykowskiego oraz części jego zlewni z satelity "SPOT" po przetworzeniu z pomocą komputera. Badania jezior z wykorzystaniem technik teledetekcyjnych

18 Badania rzek i zbiorników wodnych z wykorzystaniem technik teledetekcyjnych Metoda jest oparta o lotnicze zdjęcia terenu techniką wideo z wykorzystaniem satelitarnego systemu orientacji (GPS) wraz z pomiarami hydrometrycznymi i opracowaniu komputerowym obrazów (barwnych fotomap). Dokumentowania stanu rzek i zbiorników: - w okresach poprzedzających powódź, w celu określenia miejsc i odcinków zatorogennych, stanu zjawisk lodowych na dużych długościach rzek i na powierzchni zbiorników zaporowych oraz lokalizacji stref erozji zagrażającej bezpieczeństwu budowli wodnych, - w okresie powodzi do lotów patrolowych z rejestracją komputerową newralgicznych odcinków rzek i dolin rzecznych, - podczas rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń, np. w wyniku awarii urządzeń technicznych, określenie zasięgu i szybkości.

19

20 Przykładowe opracowanie danych z pomiarów na stanowiskach badawczych

21 Metoda jest oparta o lotnicze zdjęcia terenu techniką wideo z wykorzystaniem satelitarnego systemu orientacji (GPS) wraz z towarzyszącymi pomiarami hydrometrycznymi oraz na opracowaniu komputerowym obrazów i edycją barwnych fotomap. Szybkość opracowania i stosunkowo niski koszt pozwala na operacyjne wykorzystanie metody celem dokumentowania stanu rzek i zbiorników: 1.W okresach poprzedzających powódź, w celu określenia miejsc i odcinków zatorogennych, stanu zjawisk lodowych na dużych długościach rzek i na powierzchni zbiorników zaporowych oraz lokalizacji stref erozji zagrażającej bezpieczeństwu budowli wodnych. 2.W okresie powodzi do rejestracji komputerowej newralgicznych odcinków rzek i dolin rzecznych w czasie lotów patrolowych, zalegania wód powodziowych i miejsc lokalnych podtopień. 3.Podczas rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń, np. w wyniku awarii technicznej (zasięg, szybkość). Lotniczą technikę wideo wykorzystano m.in. do bieżącej oceny stanu zjawisk lodowych na Wiśle, do udokumentowania morfologii koryta Wisły na jej środkowym odcinku oraz jej głównych dopływów,

22 Pole anomalii magnetycznej i satelitarne zobrazowanie terenu

23 Nałożenie zdjęcia na mapę topograficzną