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. Základy geoinformatiky|Jiří Šmída
Základy geoinformatiky
Téma 3: Dálkový průzkum Země - úvod
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
3. Obsah přednášky
1. Definice pojmu a oboru DPZ
2. Struktura DPZ
3. Fyzikální podstata DPZ
4. Charakteristika spektrálních oblastí E-M
záření
5. Ovlivnění E-M záření
6. Spektrální chování povrchů
7. Metody pořizování dat DPZ
3
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
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. 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. 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
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 informací
9
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. 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. 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
17. Charakteristika oblastí E-M spektra
využitelného 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. 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. 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. 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
24. 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
25. Střední IŠ záření
Infračervené záření - střední
vegetační a geologické studie
rozpoznávání ledu a sněhu
odlišení oblačnosti
studium zdravotního stavu vegetace
25
26. 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 údaje
26
27.
28.
29. 29
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
32. 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 rozvoj
32
35. Ovlivnění E-M záření atmosférou
Vlivy atmosféry na charakteristiky záření závisí na
těchto faktorech:
• délce dráhy, kterou toto záření prochází atmosférou
• velikostí emitovaného signálu
• atmosférických podmínkách
• vlnové délce
35
37. 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
38. Atmosférická okna
Části elektromagnetického spektra, které nejsou
ovlivňovány pohlcováním a rozptylem
40. 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
41. POJMY
spektrální chování objektů
spektrální odrazivost
spektrální křivka odrazivosti
spektrometrie
vegetační indexy (leaf area index)
spektrální příznaky
41
42. E-M záření na cestě
záření je částečně absorbováno i odráženo
42
43. Co má vliv na množství odraženého a
emitovaného záření?
druh látky nebo objektu
např. jeho chemické složení
fyzikální stav
např. obsah vody, zhutnění povrchu, drsnost
povrchu
stav okolí
např. propustnost atmosféry
43
44. 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
45. 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 záření
45
46. Spektrální křivka odrazivosti
spectral 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
49. 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 objektů
49
50. 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 půdy
50
52. 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
53. Důležité faktory ovlivňující spektrální
chování vegetace:
vnější uspořádání vegetačního krytu
vnitřní uspořádání jednotlivých částí rostlin
obsah vody
zdravotní stav
vlastnosti půdního substrátu
53
54. typické spektrální chování vegetace
(ideálního listu)
vlnové délky používané v DPZ vegetace:
A – modré záření
B – zelené
C – červené
D – blízké IČ
E – krátkovlnné IČ
54
55. A: Oblast zelených barviv
určující pigmenty chlorofyl a karoteny; lokální
maximum odrazivosti v zelené části spektra
(= příčina zelené barvy vegetace)
55
56. 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
57. C: Oblast vodní absorpce
odrazivost nepřímo úměrná obsahu vody v
listu
zjištění vodního stresu rostlin
57
58. Vegetační indexy
ukazatelé míry přítomnosti zelené hmoty a
jejího zdravotního stavu
58
61. 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 chování
61
62. 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
63. 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 spektru
63
65. c. Spektrální chování půdy
půda heterogenní (komplex biotických a
abiotických částí)
vlivy:
minerální složení
půdní vlhkost
obsah organických látek
textura (drsnost) půdního povrchu
65
66. 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
68. 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
69. Konvenční a nekonvenční metody
V DPZ měříme intenzitu odraženého nebo
emitovaného E-M záření
Známe dva způsoby – metody tohoto měření:
konvenční a nekonvenční
69
70. 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
71. Nekonvenční metody
dnes především systémy snímacích
rozkladových zařízení
vytváří obraz po jednotlivých řádcích
rovnoběžně nebo kolmo k dráze letu nosiče
převažují metody pasivní
71
72. Rozdíly nekonvenčních metod od
konvenčních
1. 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 snímkování
5. Obrazy zaznamenány elektronicky
6. Využitelnost počítačového prostředí pro analýzy
(GIS)
72
73. RADIOMETR
Snímací 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 spektra
73
74. Elektrooptické snímací rozkladové
zařízení (stírací)
řádkové pole detektorů
(označovaných CCD)
každý detektor registruje
záření z plochy jednoho
pixelu
skener je spolehlivější
má lepší rozlišovací
schopnosti
74
75. Multispektrální a hyperspektrální
multispektrální zařízení – záznam
odrazivosti vymezeného území v několika
intervalech spektra
hyperspektrální zařízení – záznam v
několika stovkách úzce vymezených
spektrálních intervalů
75
76. 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
77. Rozlišovací schopnosti digitálních
obrazových záznamů
rozlišovací schopnost jednou ze základních
charakteritik každého snímacího zařízení
definujeme 4 základní typy rozlišovacích
schopností:
radiometrická spektrální prostorová časová
77
78. 4 rozlišovací schopnosti obrazových dat DPZ
• určena citlivostí detektoru na sílu signálu, který
radiometrická 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
79. děkuji za pozornost
jiri.smida@tul.cz
79
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci