WYKŁADY

WYKŁAD I (17.02.2010)

Teledetekcja- pochodzi od greckiego słowa tele- daleko, i łacińskiego detektio- wykrywanie; obejmuje zespół technik i metod umożliwiających rozpoznanie i badanie obiektów oraz zjawisk z odległości, tj bez kontaktu z tym obiektem i zjawiskiem. Daje również możliwość badania zależności między obiektami i zjawiskami oraz badania zmian właściwości obiektów i zjawisk.

Niektóre techniki były wykorzystywane w XIX w., ale za późniejsze przyjmuje się lata 60.

Fotogrametria- technika pomiarowa służąca do pozyskiwania informacji o kształcie, wielkości i położeniu w przestrzeni obiektów terenowych na podstawie pomiarów wykonanych na obrazach analogowych lub cyfrowych.

Metodami teledetekcyjnymi można badać obiekty materialne na, pod i ponad powierzchnią Ziemi: gleby, roślinność, budowle, wody, obiekty archeologiczne czy rurociągi drenarskie ukryte pod ziemią, chmury, dymy unoszące się pod atmosferą. Można także badać zjawiska takie jak: wilgotność, temperatura, zjawiska społeczno- gospodarcze.

Sensorami nazywamy urządzenia służące do wykrywania i pomiarów energii elektromagnetycznej lub innej oraz rejestracji jej w różnych postaciach zapisu. Sensory są przenoszone najczęściej przez satelity lub samoloty.

Ze względu na źródło pochodzenia rejestracyjnego promieniowania, sensory dzielimy na:

• pasywne- rejestrują promieniowanie pochodzące od istniejących w środowisku źródłem energii (np. Słońce) - są to np. kamery fotograficzne, skanery.

• aktywne- emitują własną energię, która wchodzi w interakcje z badanymi obiektami i powraca do sensora, np. radar, sonar.

W teledetekcji środowiska informacje można pozyskiwać w różnych zakresach pola energetycznego oraz w takich polach jak pole akustyczne, magnetyczne, grawitacyjne i chemiczne, można też wykorzystać promieniotwórczość.

Informacja może być przekazywana w różnych ośrodkach, nie tylko w powietrzu. Koncentruje się na określeniu cech jakościowych badanych obiektów, ale też co to jest i jakie ma właściwości

WYKŁAD II (24.02.2010)

Przykłady zastosowania teledetekcji:

• gospodarka rolna

• monitoring atmosfery

• badania szaty roślinnej

• badania środowiska wodnego

• geologia

• meteorologia

Gospodarka rolna:

• tworzenie nowych map i aktualizacja już istniejących

• badania upraw- badania struktury zasiewów, stanu wegetacyjnego upraw, wyodrębnienie obszarów zagrożonych chorobami roślin.

Monitoring atmosfery:

• wykrywanie zanieczyszczeń- w celu zwiększenia kontrastu pomiędzy zanieczyszczoną masą powietrza a tłem, stosuje się filtry)

• badanie ilościowe zanieczyszczeń ( o stężeniu zanieczyszczeń w powietrzu, w pośredni sposób można wnioskować na podstawie stanu niektórych gatunków roślin- zanik chlorofilu w masie zielonej- sosna, świerk)

• monitorowanie zanieczyszczeń powietrza na dużych obszarach (obrazy satelitarne):

- erupcjami wulkanicznymi,

- potężnymi burzami piaskowymi

- dymami powstającymi w wyniku wielkich pożarów lasów

- zobrazowanie wykonane zimą (dymy nie są w nich zbyt dobrze widoczne, ale na śniegu zaznacza się wyraźnie opad pyłów)

- fotografowanie w nocy umożliwia zlokalizowanie tych obiektów, które wyłączają urządzenia filtrujące w tym czasie

Badania szaty roślinnej:

• identyfikacja gatunku rośliny

• określenie jej cech

• określenie stanu ekologicznego np. obecności ewentualnych chorób

• wykazanie zmian zachodzących na danym terenie

Interpretacja szaty roślinnej odbywa się na podstawie bezpośrednich cech rozpoznawczych:

• barwa

• kształt

• ton

• cienie

• struktura

W badaniach szaty roślinnej ważny jest czas wykonywania zobrazowania ze względu na zmiany sezonowe oraz dobowe.

Informacje o szacie roślinnej stanowią pośrednie cechy rozpoznawcze dla innych elementów krajobrazu. Wykorzystuje się:

• morfologiczne- obrazuje związek gatunku rośliny z wilgotnością gleb (różne gatunki roślin mają różne wymagania)

• florystyczne- obrazuje związek rośliny z glebą np. sosna na dnie zdolności adaptacyjnych i może występować na różnych typach gleb; świerk źle rośnie na glebach suchych

• fizjologiczne- przedstawiające związek chemicznych warunków wegetacji roślin z ich barwą czyli pigmentami roślin.

Kondycja drzew, szczególnie ilość liści lub igieł, zawartości w nich barwników i wody oraz ich budowa decydują o wielkości odbicia promieniowania elektromagnetycznego. Zmniejszenie zawartości pigmentów w liściach powoduje zmianę odbicia promieniowania o określonej długości.

Szczególnie przydatne są obrazy satelitarne obszarów zdegradowanych, gdzie skała i tempo zmian wymuszają częste przeprowadzanie inwentaryzacji lasu.

Badania środowiska wodnego:

w oceanologi obrazy satelitarne pomagają w rozwiązywaniu wielu zadań związanych z badaniem mórz i oceanów, np. :

• obserwacja prądów morskich i oceanicznych

• rejestracja przestrzennej struktury falowania powierzchniowego

• kształtowaniu planu rozlanej ropy naftowej i innych zanieczyszczeń

• badanie struktury i dynamiki pokrywy lodowej

• określenie temperatury powierzchni wód

• określenie zawartości zawiesiny ogólnej i występowania fitoplanktonu

Obecnie rozdzielczość przestrzenna zobrazowań satelitarnych jest coraz lepsza dzięki czemu można je wykorzystać w badaniach wód śródlądowych.

Zobrazowanie satelitarne są wykorzystywane w monitorowaniu ekologicznym jezior i rzek do oceny stanu czystości.

Materiały teledetekcyjne można również wykorzystywać przy projektowaniu regulacji rzek i wałów przeciwpowodziowych.

W przypadku wystąpienia powodzi zdjęcia lotnicze lub satelitarne umożliwiają:

• szybko i precyzyjnie określić zasięg szkód w infrastrukturze i krajobrazie

• planować akcje ratunkowe i likwidację skutków powodzi

• uaktualniać mapy zagrożenia powodziowego

W badaniach hydrosfery teledetekcja umożliwia również:

• ustalenie miejsc spływu i retencji wód powierzchniowych

• badanie skuteczności działań wodnych systemów regulacyjnych

• badanie przebiegu procesów sedymentacyjnych

• ustalenie linii wododziałowych

• ustalenie obszarów nadmiernie suchych lub mokrych

• określenie zmian poziomu wód powierzchniowych i zasięgów lejów depresyjnych

• kontrola skuteczności działania oczyszczalni ścieków

Geologia:

Zdjęcia lotnicze i satelitarne są przydatne w badaniu struktury gleb mineralnych czy opracowaniu map geologicznych. Służą one między innymi do klasyfikacji gleb, gdyż bardzo często linie ograniczające różne rodzaje gleb są dobrze widoczne na zdjęciu. Ze względu na swój zasięg pozwalają dostarczać i interpretować zjawiska występujące na dużych obszarach.

Meteorologia:

atmosfera ziemska znajduje się pod ciągłym nadzorem satelitów meteorologicznych. Rejestrują one między innymi:

• rozkład promieniowania ciepłego

• rozkład wilgotności

• zachmurzenie

• układy ciśnieniowe

• obszary zalegania pokrywy śnieżnej

WYKŁAD III (03.03.2010)

Kamery fotograficzne

Techniczne środki obrazowania powierzchni Ziemi:

• kamery fotograficzne

• kamery niefotograficzne (aparatura obrazowa)

Kamery fotograficzne:

1. kamery topograficzne (pomiarowe)

2. kamery rozpoznawcze (rekonesansowe):

- kadrowe (tradycyjne)

- wieloobiektowe

- szczelinowe

- panoramiczne

- wielospektralne

- zespoły kamer

Kamery niefotograficzne:

1. kamery cyfrowe

2. skanery wielospektralne

3. skanery termalne

4. skanery telewizyjne

5. radar bocznego wybierania SLAR

6. radar z anteną satelitarną SAR

7. interferometria radarowa InSAR

8. lotniczy skaner laserowy (staning laserowy)

Współcześnie obraz może być utrwalony w postaci fotografii:

• czarno- białej (w postaci redukowanej jakości)

• barwnej ( redukowaną jakość obrazu zastępują barwy)

• spektrostrefowej

• wielospektralnej (fotografia rejestrująca jednocześnie ten sam obraz w wybranych zakresach widma elektromagnetycznego)

Kamery fotograficzne:

• odbiornikiem promieniowania jest światłoczuła emulsja fotograficzna a obraz tworzy obiektyw optyczny

• rejestrują odbite od powierzchni Ziemi promieniowanie słoneczne w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni

• produktem jest zdjęcie fotograficzne

Kamery fotograficzne (kamery pomiarowe, metryczne, fotogrametryczne, szeregowe):

• przeznaczone są do wykonywania zdjęć dla opracowań mapowych i innych zadań pomiarowych

• charakteryzują się najwyższą jakością geometryczną i stałością parametrów geometrycznych zdjęć.

Cechy kadrowych kamer lotniczych:

• jest to kamera kadrowa- cały kadr zdjęcia jest naświetlony jednocześnie przez obiektyw nieruchomy względem płaszczyzny tłowej

• kamera jest zamocowana nad otworem w podłodze samolotu na specjalnym podwieszeniu amortyzującym drgania konstrukcji samolotu oraz umożliwiającym nadawanie kamerze zadanego położenia

• zdjęcia są wykonywane na filmach z niedeformującym się poliestrowym podłożem

Wybór obiektu (stożka kamery):

• normalnokątny:

~ miasta z wysoką zabudową

~ teren wysokogórski

• szerokokątny:

~ teren płaski i pofałdowany

WYKŁAD IV (10.03.2010)

Kamery rozpoznawcze (rekonesansowe, fotointerpretacyjne, nietopograficzne, specjalne):

• służą do wykrywania i rozpoznawania obiektów i zjawisk na powierzchni Ziemi, będących przedmiotem zainteresowań

• od zdjęć wykonywanych takimi kamerami oczekuje się najwyższej „szczegółowości” oraz powinny charakteryzować się dużą terenową zdolnością rozdzielczą

• problem jakości geometrycznej schodzi na drugi plan, bowiem zdjęcia te służą celom interpretacyjnym a nie pomiarowym

• powinny umożliwiać rejestrację w określonych zakresach widma elektromagnetycznego i w spektralnych warunkach

Dążenie do otrzymania zdjęć o dużej terenowej rozdzielczości prowadziło do konstrukcji kamer o długich ogniskowych, kamery długoogniskowe dawały jednak mały zasięg terenowy zdjęcia. Aby go zwiększyć budowano kamery o dużym formacie kadru lub stosowano zespoły wieloobiektowe oraz zespoły wielokamerowe.

Kamera wieloobiektowa:

• ma zwykle 3 lub 5 obiektów, jeden skierowany pionowo w dół i 2 lub 4 na boki.

• Uzyskuje się jednocześnie na jednym filmie 3 (lub 5) kadry o sumarycznym szerokim kącie widzenia w kierunku poprzecznym do kierunku lotu powyżej 180⁰ („od horyzontu do horyzontu”)

Kamery szczelinowe:

• stosowano przy fotografowaniu na małych wysokościach

• w czasie fotografowania filmu ze stałą prędkością jest przesuwany przed szczeliną zorientowaną poprzecznie do kierunku lotu

• czas ekspozycji zależy od szerokości szczeliny i prędkości przemijania filmu, reguluje się go przez zmianę szerokości szczeliny

Kamery panoramiczne:

Film napięty jest na pobocznicy walca o osi zorientowanej wzdłuż kierunku lotu, obiektyw kamery obraca się wokół tej osi i przez ruchomą wąską szczelinę o ruchu zsynchronizowanym z obrotem obiektywu sukcesywnie projektuje i naświetla obraz terenu

Konstrukcje kamer panoramicznych:

• kamery panoramiczne bezpośredniego skanowania z obracającym się obiektywem

• kamery panoramiczne pośredniego skanowania z obracającym się pryzmatem

• kamery panoramiczne pośredniego skanowania z obrotową konsolą optyczna

Kamery wielospektralne:

Fotografia wielospektralna polega na synchronizowanym fotografowaniu tego samego obrazu w kilku zakresach widma słonecznego.

Typy kamer wielospektralnych:

• zespół wielokamerowy

• kamera wieloobiektywowa

• jedno obiektywowa kamera z optyczną separacja zakresu

Zespoły kamer pozwala uzyskać identyczne- pod względem geometrycznym- wyciągi spektralne. O zakresie spektralnym każdego z nich decyduje kombinacja odpowiedniego filtra zakładanego na obiektyw i charakterystyki filmu użytego w danej kamerze.

Techniki niefotograficzne

Techniki skanerowe- umożliwiają obrazowanie wielospektralne.

Detektorem promieniowania elektromagnetycznego nie jest- jak w przypadku fotografii wielospektrowej- światłoczuła emulsja lecz są to detektory elektroniczne, które zamieniają padającą energię na sygnały elektryczne rejestrowane w różnej formie.

Skaner jest radiometrem przeszukującym obrazowany obszar i odbierającym, a następnie rejestrującym energię od poszczególnych fragmentów terenu. Może to być energia własna obiektu lub odbita od niego.

cecha	Systemy fotograficzne	Systemy skanerowe
			Zakres rejestrowanego promieniowania	300- 900nm	300-1400nm
			Rozdzielczość spektralna	> 40nm	kilka nanometrów
			System optyczny	Oddzielny dla każdego zakresu promieniowania	Jeden system dla wszystkich zakresów
			Kalibracje radiometryczne	trudna	łatwa
			Transmisja danych na Ziemię	Dostarczenie nośnika danych	Przekaz telemetryczny

Dwa techniczne rozwiązania skanerów:

• skanery optyczno- mechaniczne (skanowanie orniatające???)

• skanery elektrooptyczne (skanowanie przepływające)

Skanery optyczno- mechaniczne- charakteryzują się bardzo wąskim polem widzenia układu optycznego, który rejestruje energię z małego fragmentu terenu.

WYKŁAD V (17.03.2010)

Skaner elektrooptyczny

Nie ma ruchomych elementów układu optycznego.

W płaszczyźnie tłowej układy znajduje się linijka czułych elementów- detektorów, zorientowanych prostopadle do kierunku lotu.

Linijka ta zawiera kilka tysięcy (lub więcej) czułych elementów, które „widzą” i rejestrują obraz wąskiego poprzecznego pasa terenu.

Obrazowanie w kierunku podłużnym odbywa się przez ruch do przodu i sukcesywne odczytywanie sygnałów z linijki detektorów.

Zalety:

• dłuższy czas przebywania energii padającej na detektor

• silniejszy sygnał

• lepsza przestrzenna i radiometryczna rozdzielczość

• lepsza geometria obrazów

• mniejsza waga i rozmiar

• większa niezawodność i trwałość

Wady:

• konieczność kalibrowania, dużo większa liczba detektorów

• stosunkowo ograniczona czułość spektralna

Skaner wielospektralny- może obrazować w zakresie od ultrafioletowego przez zakres widzialny, bliską podczerwień, aż do podczerwieni termalnej tj w zakresie od 0,3 do ok. 14μm

Obrazowanie realizowane jest w wielu wąskich zakresach, widma, zwykle węższych niż w przypadku kamer wielospektralnych, a zakres spektralny, w którym może opracować skaner wykracza poza zakres dostępny dla filmów lotniczych.

Skanery termalne wykorzystują środkową i termalną część podczerwieni (3-5μm i 8-12μm)

Odebrana i zarejestrowana energia jest miarą temperatury obiektów. Czułość systemów termalnych na zmiany temperatury jest rzędu 0,1-0,2⁰C.

Jeżeli system jest skalibrowany to można odczytać temperaturę obiektów.

Obrazowanie w zakresie podczerwieni termalnej znalazła zastosowanie między innymi do:

• badań prądów oceanicznych

• badań zrzutów ścieków i wód podgrzewanych

• monitorować pożary

• badania pokrywy lodowej i śnieżnej

• badania aktywności wulkanów i stref wulkanicznych

• monitorować skuteczność izolacji w budownictwie, lokalizacji awarii sieci ciepłowniczych, badania mikroklimatu aglomeracji

Kamery cyfrowe- rejestracja obrazu odbywa się nie na kliszy, ale na matrycy światłoczułej detektorów- matrycy CCD.

Światło pada na filtr barwny i odpowiednio przez niego skorygowane, docierają do czujników elektronicznych matrycy.

Matryca wysyła impuls elektryczny o odpowiednim natężeniu do przetwornika analogiczno- cyfrowego, który przetwarza analogowe sygnały na na dane cyfrowe. Następnie na miejsce ewentualne kompresja i zapis danych na nośniku.

Na matrycy barwnej znajduje się filtr przy pomocy, którego uzyskuje się odpowiednie kolory na zdjęciach. Najbardziej popularny jest filtr mozaikowy wykorzystujący tzw wzór Baeyer, w którym co drugi element tego filtru jest zielony (50%), niebieski (25%), czerwony (25%). Wynika to z faktu, że ludzkie oko jest najbardziej czułe na światło z zakresu zieleni. Poszczególne elementy filtru ułożone są w taki sposób, aby każdy z nich znajdował się dokładnie nad odpowiednim czujnikiem.

Innym typem matrycy w kamerach cyfrowych są matryce typu CMOS. W tym rozwiązaniu każdy element matrycy zapisuje obraz oddzielnie. Zwiększa to wszechstronność matrycy ponieważ może ona zostać wykorzystana nie tylko do rejestracji obrazu lecz także do określenia parametrów naświetlenia, a także automatycznego ustawienia ostrości.

Zalety obrazowania kamerami cyfrowymi:

• wyeliminowanie kosztownego filmu i obróbki fotolaboratoryjnej

• wyeliminowanie etapu skanowania zdjęć

• lepsze reprodukcje barw

• łatwiejsza droga do obrazowania wielospektralnego

• skrócony czas dostarczenia obrazów do odbiorcy

Obrazowanie w zakresie mikrofalowym

W zakresie mikrofalowym wykorzystuje się:

• techniki radarowe

• radiometry mikrofalowe

Radar bocznego wybierania- SLAR.

Typu SLAR:

• Radar bocznego wybierania z anteną rzeczywistą RAR

• Radar bocznego wybierania z anteną syntetyzowaną SAR

Systemy radarowe są szeroko wykorzystywane do obrazowania powierzchni Ziemi z pułapu lotniczego i satelitarnego.

Są to systemy aktywne, same wysyłają wiązkę promieniowania mikrofalowego, które „oświetla” teren, obraz tworzą obiekty od obiektów terenowych „echa” typu impulsów.

Technika jest niezależna od warunków pogodowo- oświetleniowych, a promieniowanie mikrofalowe bez przeszkód przenika przez chmury, mgłę i inne przeszkody.

Radar bocznego wybierania SLAR

Zarejestrowane różnice czasu powrotu odbitego sygnału odpowiadająca różnej odległości nachylonej od obiektów terenowych tworzy linię obrazów.

Postępem w obrazowaniu mikrofalowym jest radar z anteną syntetyzowaną SAR. W tym systemie wysyłana wiązka jest spójna, a w odbieranym echu rejestruje się zarówno amplitudy jaki i fazę sygnału odbitego.

Ponieważ wysyłana wiązka nie jest tak bardzo skupiona jak w systemie SLAR, więc każdy punkt terenu będzie „oświetlony” przez kilka kolejno wysyłanych impulsów.

Odbicia od obiektu tworzy tzw hologramy mikrofalowe albo obraz pierwotny.

Skomplikowana obróbka tego obrazu daje po wizualizacji wynikowy obraz radarowy (obraz wtórny) o zdolności rozdzielczej rzędu kilku metrów co przy systemie SLAR wymagałaby użycia anteny o długości kilkaset metrów- kilku kilometrów.

Systemy SAR są instalowane zarówno na samolotach jak i satelitach. Typowa zdolność rozdzielcza systemów satelitarnych zawiera się w przedziale 5-100m, chociaż i rozdzielczości submetrowe są możliwe.

Steroskopia obrazów radarowych

Podobnie jak fotografii lotniczej przy obrazowaniu radarowym tego samego obrazu z dwóch stanowisk można uzyskać efekt steroskopowy, który można wykorzystać do określenia terenowej wysokości punktów.

WYKŁAD VI (24.03.2010)

Interferometria radarowa

W technice tej znajdują się dwie anteny odbiorcze przesunięte względem siebie.

Dzięki tej technice można tworzyć mapy wysokościowe jak i różnego rodzaju modele terenu np. modele pokrycia terenu

SKANING LASEROWY

Mierzy on odległość od danego środowiska do danych obiektów np. teren, obiekt znajdujący się na powierzchni terenu.

Jeśli pomiary te odpowiednio zagęścimy to możemy uzyskać kształt powierzchni terenu lub kształt powierzchni obiektu znajdującego się na terenie.

Można tu określić położenie terenu pod obszarami pokrytymi roślinnością .

Zaleta tej techniki jest to że jest to system aktywny może działać w różnych warunkach pogodowych (choć przy obfitym deszczu i zachmurzeniu się nie stosuje) i porach dnia.

Przykłady zastosowania:

• budowa precyzyjnego numerycznego modelu terenu

• do pomiarów wysokości szaty roślinnej

• pomiar wysokości na obszarach zagrożonych powodzią

• można inwentaryzować tereny zagrożone erozją

• można mierzyć lodowce

• można obrazować obszary kopalni odkrywkowych

Jest to dość dokładna technika

Wady techniki:

• brak odbioru na powierzchni wody

• trudno określić tzw. Linie szkieletowe lub nieciągłości terenu, gwałtowne zmiany wysokości w terenie .

• wysoki koszt aparatury i usługi

ROZDZIELCZOŚĆ OBRAZÓW TELEDETEKCYJNYCH

W teledetekcji wyróżniamy rozdzielczość :

1. przestrzenną -rozdzielczość przestrzenna jest to parametr który określa liniowy wymiar fragmentu terenu reprezentowany przez 1 piksel obrazu. Podawana jest w jednostkach długości. Najlepsze obrazy maja rozdzielczość mniejszą niż 1m. Im jest mniejsza ilość widocznego obrazu tym rozdzielczość jest lepsza.

2. czasową- rozdzielczość czasowa jest to parametr który określa jak często ten sam fragment terenu jest rejestrowany przez jakiś czynnik teledetekcyjny. Podawany w jednostce czasu. Jest ona różna może być podawana w godzinach ale również może być podawana w dniach. Obecnie można zwiększyć rozdzielczość czasową przez odchylenie osi optycznej od linii pionu

3. radiometryczną -rozdzielczość radiometryczna jest to parametr który określa liczbę poziomów ( jasności) na które podzielony jest zakres segmentów odbieranych przez urządzenie rejestrujące. Podawany jest w bitach. Może ona wynieść 8 bitów co oznacza ze dany sygnał został podzielony na 2⁸(256) poziomów podzakresów . dzięki temu możemy rozróżniać obiekty o niewielkiej różnicy poziomów

4. spektralną- rozdzielczość spektralna jest to parametr który określa liczbę zakresów promieniowania (kanałów) rejestrowanych przez dany czynnik . Ważny jest odpowiedni odbiór kanałów promieniowania.

---