2 dpz uvod_fyzikalni_metody_2011

1,568 views

Published on

Přednáška v rámci předmětu Základy geoinformatiky, katedra geografie FP TUL

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
1,568
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
5
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

2 dpz uvod_fyzikalni_metody_2011

  1. 1. … po tisíciletí měl člověk představu jen o jeho vlastním území, o místě, kde se narodil a žil. Poznání teritoria za jeho hranicemi pro člověka znamenalo odchod z jeho vesnice; A každý člověk přesahující rozhledem jeho území se stává obyvatelem Země… Eratosthenes (275-193 BCE)1 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  2. 2. Základy geoinformatiky|Jiří ŠmídaZáklady geoinformatikyTéma 3: Dálkový průzkum Země - úvod Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  3. 3. Obsah přednášky1. Definice pojmu a oboru DPZ2. Struktura DPZ3. Fyzikální podstata DPZ4. Charakteristika spektrálních oblastí E-M záření5. Ovlivnění E-M záření6. Spektrální chování povrchů7. Metody pořizování dat DPZ3 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  4. 4. 1. Definice DPZDálkový průzkum Země
  5. 5. Definice oboru• DPZ: dálkový průzkum Země• RS: Remote Sensing• DPZ je získávání informací o objektech a jevech na dálku bez přímého kontaktu s těmito jevy nebo objekty. 5
  6. 6. Definice• Dálkový průzkum je věda i umění získávat užitečné informace o objektech, plochách či jevech prostřednictvím dat měřených na zařízení, která s těmito zkoumanými objekty, plochami či jevy nejsou přímo v kontaktu. (Lillesand, Kiefer 1994)• Dálkový průzkum je shromažďování informací o přírodních zdrojích s využitím snímků pořízených senzory umístěnými na palubách letadel nebo družic. (Bob Ryerson, CCRS) 6
  7. 7. Definice „ne-vážně“• Dálkový průzkum je umění rozdělit svět na množství malých barevných čtverečků, se kterými si lze hrát na počítači a odhalovat jejich neuvěřitelný potenciál, který vždy přesahuje naše možnosti. (Jon Huntington, CSIRO Exploration, Geoscience, Australia)• Dálkový průzkum je nejdražší způsob, jak vytvořit obrázek. (Andrew Bashfield, Intergraph Corporation) 7
  8. 8. 2. Struktura DPZ Dálkový průzkum Země
  9. 9. Struktura procesu DPZ A. Zdroj energie a světla B. Záření a atmosféra C. Kontakt s předmětem D. Zaznamenání odražené energie senzorem E. Přenos, přijetí a zpracování dat F. Interpretace a analýza dat G. Využití informací9
  10. 10. 3. Fyzikální podstata DPZ Dálkový průzkum Země
  11. 11. Východisky pro metody DPZ jsou: objekty na zemském povrchu pro ně charakteristickým způsobem ovlivňují okolí distanční metody zaznamenávají hodnoty elektromagnetického záření viditelná část je zaznamenatelná lidským zrakem vyvinuli jsme přístroje schopné zaznamenat další části elektromagnetického záření E-M záření lze kvantifikovat 11
  12. 12. Elektromagnetické spektrum energie elektromagnetického záření spočívá ve vlnění – šíří se v prostoru ve tvaru tzv. elektromagnetické vlny  2 komponenty (sinusoidy): elektrická vlna (E), magnetická vlna (M)  svírají navzájem pravý úhel  šíří se rychlostí světla c  Charakteristiky:  vlnová délka ( ),  frekvence (f) 12
  13. 13. Elektromagnetické spektrum -charakteristiky  Vlnová délka λ je vzdálenost mezi sousedními vrchy  JEDNOTKA: metr, mikrometr 10-6 m (μm), centimetr 10-2 m (cm)  Perioda T je doba jednoho cyklu = mezi následnými stejnými velikostmi  složky (např. vrchy) JEDNOTKA: sekunda  Frekvence f je převrácená hodnota doby jedné periody, udává počet cyklů za sekundu  JEDNOTKA: s-1 = hertz (Hz)13
  14. 14. Spektrum E-M záření je spojité14
  15. 15. Spektrum E-M záření  podle vlnové délky se dělí do několika oblastí = konvence15
  16. 16. 4. Charakteristika spektrálních oblastí E-M záření Dálkový průzkum Země
  17. 17. Charakteristika oblastí E-M spektravyužitelného v DPZ ultrafialové záření (0,1–0,4 µm) viditelné záření (0,1–0,7 µm) infračervené zář. blízké (0,7–1,4 µm) infračervené zář. střední (1,4–3,0 µm) tepelné záření (3 µm až 1 mm) mikrovlnné záření (1 mm až 1 m) 17 Zdroj: http://science-edu.larc.nasa.gov/EDDOCS/Wavelengths_for_Colors.html
  18. 18. UV záření (0,1–0,4 µm) k povrchu propouštěna jen malá část (výrazné pohlcování atmosférou) monitorování ropných skvrn, ložiska zlata (geologické aplikace) Zdroj: http://www.watertreatmentguide.com/ultraviolet_systems.htm
  19. 19. Viditelné záření (0,1–0,7 µm)  jedno z největších atmosférických oken  v čisté a suché atmosféře ovlivňováno jen velmi málo  aerosol - rozptyl a pohlcování  zdroj = Slunce (pouze den)  schopnost procházet vodním sloupcem (modrá část)  většina družicových systémů poskytuje data v této části spektra Zdroj: http://vertebratepest.wordpress.com/tag/wavelength/
  20. 20. Viditelné záření Viditelná část: barvy Červená: 0,620–0,700 m Oranžová: 0,592–0,620 m Žlutá: 0,578–0,592 m Zelená: 0,500–0,578 m Modrá: 0,446–0,500 m Fialová: 0,400–0,446 m
  21. 21. 21
  22. 22. Infračervená část (0,7 µm – 1,0 mm) Infračervená část
  23. 23. Blízké IČ záření blízké – pokračování viditelného – chování podobné – lze zaznamenávat konvenčními metodami i elektronicky méně pohlcováno a rozptylováno – snímky ostré s dobrým kontrastem topografické účely, studium vegetace (lesnictví, zemědělství) voda se chová téměř jako absolutně černé těleso 24
  24. 24. Střední IŠ záření Infračervené záření - střední vegetační a geologické studie rozpoznávání ledu a sněhu odlišení oblačnosti studium zdravotního stavu vegetace 25
  25. 25. Vzdálené IČ - tepelné záření  dvě atmosférická okna  teplená bilance objektů  zjišťování povrchové teploty oceánů (SST)  mapování tepelného znečištění řek a jezer, krajiny  lokalizace lesních požárů  poměrně značně ovlivňováno atmosférou  pouze kvalitativní údaje26
  26. 26. 29 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  27. 27. Mikrovlnné záření několik pásem31
  28. 28. Mikrovlnné záření pasivní snímání aktivní = radary dlouhé vlnové délky mohou za určitých podmínek pronikat i pod povrch nejméně závislé na podmínkách počasí meteorologické aplikace (srážkové oblasti, intenzita srážek) plovoucí led, geomorfologie, výškové poměry nejintenzivnější rozvoj32
  29. 29. 5. Ovlivnění E-M záření Dálkový průzkum Země34
  30. 30. Ovlivnění E-M záření atmosférouVlivy atmosféry na charakteristiky záření závisí na těchto faktorech:• délce dráhy, kterou toto záření prochází atmosférou• velikostí emitovaného signálu• atmosférických podmínkách• vlnové délce 35
  31. 31. Interakce s atmosférouzáření je ovlivňováno především pohlcováním a rozptylem
  32. 32. Interakce s atmosférou Rozptyl  Molekulární (Rayleighův) rozptyl – částice, které mají mnohem menší rozměr než vlnová délka – ovlivňuje především krátkovlnné záření  Aerosolový rozptyl rozptylující částice větší než vlnová délka záření – vodní pára, prach  Neselektivní rozptyl – nezávisí na vlnové délce – velké částice – vodní kapky Pohlcování  Hlavní pohlcující plyny jsou ozón, CO2, vodní pára
  33. 33. Atmosférická okna  Části elektromagnetického spektra, které nejsou ovlivňovány pohlcováním a rozptylem
  34. 34. 6. Spektrální chování povrchů Dálkový průzkum Země39
  35. 35. Interakce s povrchem - ZÁVĚRY V závislosti na chemickém složení a aktuálním fyzikálním stavu bude možno každý typ povrchu charakterizovat podle odraženého záření Spektrální odrazivost Spektrální chování
  36. 36. POJMY spektrální chování objektů spektrální odrazivost spektrální křivka odrazivosti spektrometrie vegetační indexy (leaf area index) spektrální příznaky41
  37. 37. E-M záření na cestě záření je částečně absorbováno i odráženo42
  38. 38. Co má vliv na množství odraženého aemitovaného záření?  druh látky nebo objektu  např. jeho chemické složení  fyzikální stav  např. obsah vody, zhutnění povrchu, drsnost povrchu  stav okolí  např. propustnost atmosféry43
  39. 39. Spektrální odrazivost(spectral signature) = „množství odraženého záření“  ρ (λ)  poměr intenzity odraženého záření (Mr) a intenzity záření dopadajícího (Mi) na určité vlnové délce λ Mr( ) ( ) .100 % Mi ( )44
  40. 40. Jak lze využít spektrální odrazivosti?  každá látka (objekt, povrch) na zemském povrchu se vyznačuje svojí vlastní spektrální charakteristickou (hodnotou ρ (λ))  některé objekty jsou dobře rozpoznatelné na snímcích viditelného spektra, jiné na snímcích IR spektra záření  studujeme, jak intenzivně určitý druh látky (objektu/povrchu) odráží/emituje v té které části E-M záření45
  41. 41. Spektrální křivka odrazivostispectral response curve % Jak graficky znázornit, že zelený list odráží nejvíce záření na vlnové délce 0,500–0,578 m?odrazivost (ρ) Jak graficky popsat spektrální chování povrchu? 30 % 20 % 0,7 µm 0,9 µm vlnová délka (λ) délkové jednotky 46 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  42. 42. Spektrální křivka odrazivostispectral response curve47
  43. 43. Spektrální křivka odrazivostispectral response curve48
  44. 44. Spektrální chování Každý prostorový prvek má konkrétní a kontinuální průběh spektrální křivky, která jej odlišuje od jiných prvků, čehož lze využít pro jeho rozpoznání křivka se mění dle fyzikálního stavu objektů49
  45. 45. Spektrální chování objektů  SPEKTROMETRIE = disciplína studující odrazové vlastnosti objektů  stanovení spektrální křivek pro různé druhy povrchů, jejich vlastností a okamžitých fyzických stavů a. spektrální projev vegetace b. spektrální projev vody c. spektrální projev půdy50
  46. 46. Spektrální chování vegetace51 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  47. 47. a. Spektrální chování vegetace vegetace zastoupena (téměř) na všech snímcích DPZ: je nezbytné klasifikovat druh vegetace a její fyz. stav využíváme odrazových vlastností listů (jehlic) 52
  48. 48. Důležité faktory ovlivňující spektrální chování vegetace:  vnější uspořádání vegetačního krytu  vnitřní uspořádání jednotlivých částí rostlin  obsah vody  zdravotní stav  vlastnosti půdního substrátu53
  49. 49. typické spektrální chování vegetace(ideálního listu) vlnové délky používané v DPZ vegetace: A – modré záření B – zelené C – červené D – blízké IČ E – krátkovlnné IČ54
  50. 50. A: Oblast zelených barviv  určující pigmenty chlorofyl a karoteny; lokální maximum odrazivosti v zelené části spektra (= příčina zelené barvy vegetace)55
  51. 51. B: Oblast buněčné struktury výrazný nárůst odrazivosti kolem 0,7 µm dáno morfologickými vlastnostmi listu a zvýrazněno více vrstvami listů  stanovení míry hustoty vegetačního krytu (index listové pokryvnosti LAI – leaf area index) 56
  52. 52. C: Oblast vodní absorpce  odrazivost nepřímo úměrná obsahu vody v listu  zjištění vodního stresu rostlin57
  53. 53. Vegetační indexy ukazatelé míry přítomnosti zelené hmoty a jejího zdravotního stavu58
  54. 54. Využití  sdfsdf59
  55. 55. Spektrální chování vody60 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  56. 56. b. Spektrální chování vody  voda téměř na všech snímcích  poměrně homogenní látka (oproti jiným)  různé skupenství s odlišnou odrazivostí  pokud je přítomna v jiných objektech, modifikuje jejich spektrální chování61
  57. 57. b. Spektrální chování vody  kapalná voda se vyznačuje velmi nízkou odrazivostí ve všech vlnových délkách  max. odrazivosti ve viditelné části spektra  v IR téměř absolutně černé těleso  příměsi (plankton – chlorofyl, znečištění – plaveniny)  odrazivost roste  zjišťování hloubky mělkých nádrží (do 20 m)62
  58. 58. b. Spektrální chování vody  sníh a led mají ve viditelné a blízké IR části spektra vysokou odrazivost  vliv stáří sněhu, hustoty, znečištění  radar v X-pásmu odliší stáří ledu, mocnost ledu  odlišení oblačnosti a ledu/sněhu ve středním IR spektru63
  59. 59. Spektrální chování půdy64 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  60. 60. c. Spektrální chování půdy  půda heterogenní (komplex biotických a abiotických částí)  vlivy:  minerální složení  půdní vlhkost  obsah organických látek  textura (drsnost) půdního povrchu65
  61. 61. c. Spektrální chování půdy s narůstající vlhkostí půdy se snižuje odrazivost (a: 5 %, b: 20 %, c: 40 %) hrubé písčité půdy – vyšší odrazivost jílovité půdy – nižší odrazivost 66
  62. 62. 7. Metody pořizování dat DPZ Dálkový průzkum Země67
  63. 63. POJMY metody konvenční a nekonvenční metody pasivní a aktivní fotografie snímací rozkladová zařízení radiometr skener – mechanooptický a elektrooptický systémy multispektrální a hyperspektrální obrazový prvek (pixel)68
  64. 64. Konvenční a nekonvenční metody V DPZ měříme intenzitu odraženého nebo emitovaného E-M záření Známe dva způsoby – metody tohoto měření: konvenční a nekonvenční69
  65. 65. Konvenční metody klasické metody založeny na exponování filmu ve fotografické komoře chemická reakce na citlivé vrstvě fotografického papíru obraz vytvářen tzv. centrální projekcí (tedy v jednom okamžiku) výsledkem fotografie lze zaznamenat 0,3–0,9 µm velké prostorové rozlišení 70
  66. 66. Nekonvenční metody dnes především systémy snímacích rozkladových zařízení vytváří obraz po jednotlivých řádcích rovnoběžně nebo kolmo k dráze letu nosiče převažují metody pasivní 71
  67. 67. Rozdíly nekonvenčních metod odkonvenčních1. Odlišná technika vytváření obrazu (dynamicky po jednotlivých pixelech)2. Velké spektrální rozlišení (0,3–14,0 µm)3. Omezené prostorové rozlišení (desítky cm až desítky/stovky metrů, nejčastěji ale od jednotek metrů)4. Vznik specifických geometrických zkreslení u multispektrálního snímkování5. Obrazy zaznamenány elektronicky6. Využitelnost počítačového prostředí pro analýzy (GIS)72
  68. 68. RADIOMETRSnímací rozkladová zařízení  dva základní druhy:  mechanooptický skener  elektrooptický skener  radiometr – přístroj na měření radiace (množství odraženého nebo emitovaného E-M záření) z určité elementární plochy zemského povrchu v určitém intervalu spektra73
  69. 69. Elektrooptické snímací rozkladovézařízení (stírací)  řádkové pole detektorů (označovaných CCD)  každý detektor registruje záření z plochy jednoho pixelu  skener je spolehlivější  má lepší rozlišovací schopnosti74
  70. 70. Multispektrální a hyperspektrální  multispektrální zařízení – záznam odrazivosti vymezeného území v několika intervalech spektra  hyperspektrální zařízení – záznam v několika stovkách úzce vymezených spektrálních intervalů75
  71. 71. Digitální obrazový záznam analogový (kontinuální) signál je převáděn na signál diskrétní představující nejčastěji hodnotu radiace matice dat o určitém počtu řádků a sloupců jednotka = obrazový prvek (pixel) rozměr pixelu odpovídá prostorovému rozlišení záznamu každý pixel nese jedno číslo (tzv. gidital number – DN)76
  72. 72. Rozlišovací schopnosti digitálníchobrazových záznamů rozlišovací schopnost jednou ze základních charakteritik každého snímacího zařízení definujeme 4 základní typy rozlišovacích schopností:radiometrická spektrální prostorová časová77
  73. 73. 4 rozlišovací schopnosti obrazových dat DPZ • určena citlivostí detektoru na sílu signálu, kterýradiometrická zaznamenává • udává šířku intervalu vlnových délek E-M spektra, ve kterém senzor zaznamenává E-M spektrální záření • panchromatické pásmo = zaznamenává celé viditelné spektrum • udává nejmenší objekt, který může být na prostorová snímku ještě rozpoznán • dáno velikostí jednoho pixelu • udává, jak často systém poskytuje snímky časová daného území • nejvyšší prostorová schopnost u geostacionárních družic (30 minut)78 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  74. 74. děkuji za pozornost jiri.smida@tul.cz79 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

×