Systémy dálkového průzkumu Země

Transkript

1 Lucie Kupková, Přemysl Štych Katedra aplikované geoinformatiky a kartografie PřF UK v Praze lucie.kupkova@gmail.com, stych@natur.cuni.cz Systémy dálkového průzkumu Země

2 O čem bude přednáška Co je to dálkový průzkum Země Data a systémy DPZ Aplikace, využití DPZ Praktická část

3 Co je to dálkový průzkum Země Dálkový průzkum získávání informací o objektech na dálku. Dálkový průzkum Země 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 v přímém kontaktu. (Lillesand, Kiefer) Dálkový průzkum je umění rozdělit svět na množství malých barevných čtverečků, se kterými si lze hrát na počítači s cílem odhalení jejich neuvěřitelného potenciálu. Dálkový průzkum Země (DPZ) se zabývá pořizováním leteckých a družicových snímků, jejich zpracováním a analýzou za účelem tvorby topografických či tematických map.

4 DPZ schéma 1 zdroj záření 2 průchod atmosférou 3 interakce se zemským povrchem 4 odraz skrz atmosféru 5 snímací zařízení 6 produkt snímacího zařízení (snímek) 7 interpretace a analýza 8 informační produkt 9 uživatelé

5 Podstata DPZ DPZ využívá elektromagnetické záření Elektromagnetické spektrum zahrnuje elektromagnetické záření všech možných vlnových délek 20 řádů, od 10-7 μm (kosmické záření) do 10 9 μm (televizní a rádiové vlny) Snímky zaznamenávají intenzitu elektromagnetického záření v určité vymezené části (intervalu) spektra. ale ne jen ve viditelné části spektra

6 Základní oblasti spektra využitelné v DPZ V důsledku vlivů atmosféry (pohlcování, rozptyl záření) lze snímky vytvářet pouze v určitých částech spektra (atmosférická okna): ultrafialové záření (0,1 0,4 μm) viditelné záření (0,4 0,7 μm) infračervené záření blízké (0,7 1,4 μm) infračervené záření střední (1,4 3 μm) tepelné záření (3 μm 1 mm) mikrovlnné záření (1 mm 1m)

7 Viditelné záření (0,4 0,7 μm) V oblasti viditelného záření pracují všechny konvenční metody a také většina družicových systémů. Je nejvyužívanější částí spektra především z historického hlediska. Neprochází oblačností a mlhou, lze ho zaznamenávat pouze v denních hodinách. Značný rozptyl a pohlcování má za následek např. ztrátu kontrastu viditelných snímků. Ve srovnání s delšími vlnovými délkami je toto záření schopno procházet vodním sloupcem především v modré části spektra. To umožňuje studovat mnoho fyzikálních i biologických vlastností vodních objektů. Jednotlivé horniny, minerály ani půda neukazují odlišnosti ve spektrálním chování ve viditelné části spektra.

8 Snímky ve viditelné části spektra Změny v krajině v důsledku povrchové těžby Most a okolí, srpen 1996

9 Infračervené záření (0,7 3 μm) Tvoří pokračování atmosférického okna z viditelné části spektra. Je již méně pohlcováno a rozptylováno atmosférou. V důsledku toho jsou snímky ostré s dobrým kontrastem. Hodí se k topografickým účelům, důležité jsou tyto vlnové délky pro studium vegetace především v lesnictví a zemědělství, studium přírodních zdrojů, zástavby a vodních zdrojů Voda se v těchto vlnových délkách chová téměř jako absolutně černé těleso.

10 Snímky ve střední IČ části spektra Mapování výskytu minerálů a hornin

11 Tepelné záření (3 μm 1 mm) Obsahuje dvě atmosférická okna v intervalu přibližně 3-5 a 8-12 mikrometrů. Snímků se používá např. ke zjišťování povrchové teploty oceánů (SST), k mapování tepelného znečištění řek a jezer i samotné krajiny, k lokalizaci lesních požárů apod. Protože v oblasti 3-5 mikrometrů je ještě množství odraženého záření poměrně značné, k měření radiační teploty lze využívat pouze nočních hodin. V oblasti 8-12 mikrometrů je již množství odraženého slunečního záření ve srovnání s emitovaným zářením velmi malé, těchto vlnových délek potom lze využít ke zjišťování radiační teploty i během denních hodin. K přesným kvantitativním měřením je nutná dobrá znalost tzv. emisivity objektů a procesů, které ovlivňují záření v atmosféře. V případě přesné kalibrace umožňují snímky získávat poznatky o tepelné bilanci objektů

12 Termální snímky studium vulkánů

13 Mikrovlnné záření (1 mm 1 m) Je využíváno pasivními i aktivními metodami (RADAR). Tyto dlouhé vlnové délky mohou za vhodných podmínek pronikat i pod povrch. Nejméně závisí na podmínkách počasí, je výrazně zeslabováno pouze v případě vydatného deště. Intenzita přirozeně emitovaného mikrovlnného záření je velmi nízká, musí měřící zařízení k zachycení zjistitelného signálu měřit toto záření na poměrně velké ploše. To je příčinou malého prostorového rozlišení dat získaných pasivními metodami v mikrovlnné části spektra. Značný rozvoj zaznamenávají aktivní systémy, poskytují data využitelná především pro studium reliéfu, plovoucího ledu, v geomorfologii, v lesnictví i v zemědělství. Pomocí aktivních mikrovlnných systémů lze získat i neobrazová data, informace o výškových poměrech, o řadě meteorologických prvků atd.

14 Radarové snímky mapování polárních oblastí

15 Ovlivnění záření na zemském povrchu Elektromagnetická energie může být odrážena či pohlcována. Dva objekty, které odrážejí podobné množství záření v jednom intervalu vlnových délek, mohou v jiném intervalu odrážet rozdílné množství energie. Množství pohlcené či odražené energie ovlivňuje fyzikální a chemické vlastnosti povrchů (teplota, obsah vody či organických látek, drsnost povrchu atd.) Odrazové vlastnosti povrchů v závislosti na vlnové délce a na fyzikálních a chemických vlastnostech povrchů formují jejich tzv. SPEKTRÁLNÍ CHOVÁNÍ.

16 Spektrální chování křivky spektrální odrazivosti Spektrální charakteristika závislost odrazivosti nebo emisivity dané látky na vlnové délce Odrazivost a emisivita jsou funkcí elmag. vlastností látky Druhové parametry (vodní plocha, zpevněná plocha, jehličnatý les ) Stavové parametry (vlhkost, příměs, stáří ) Křivka spektrální odrazivosti Vegetace vliv obsahu vody _ ˇ+

17 Spektrální vlastnost povrchu (spektrální signatury)

18 Digitální snímek a jeho vlastnosti Digitální snímek se skládá z tzv. obrazových prvků pixelů Každý pixel je charakterizován hodnotou DN (digital number).

19 Spektrální rozlišení Počet vytvářených snímků v MS režimu Šířka intervalu zaznamenaných vlnových délek panchromatický snímek multispektrální snímky hyperspektrální snímky

20 Prostorové rozlišení Zhruba odpovídá velikosti obrazového prvku Družice METEOSAT 7 NOAA 17 LANDSAT 7 SPOT 5 QuickBird Pixel 2,5 5 km 1,1 km 30 (15) m 2,5 (10) m 2,8 (0,65) m

21 Časové rozlišení Frekvence, s jakou systém vytváří snímky stejného území Družice Časové rozlišení Šířka scény METEOSAT 7 30 minut polokoule NOAA hodin 2600 km QuickBird 2 4 dny 11 km LANDSAT 7 16 dnů 185 km SPOT 5 26 dnů 60 km

22 RGB kompozit Pro vizualizaci a interpretaci používáme specializované počítačové programy, které jsou schopné zobrazit jednotlivé snímky v tzv. barevném kompozitu. Jednotlivá pásma zobrazujeme základními barvami červeně (Red) zeleně (Green) modře (Blue) Ze tří vybraných pásem můžeme utvořit RGB barevný kompozit, který v různých barevných odstínech zobrazuje projevy z těchto tří spektrálních pásem.

23 Barevná syntéza (multispektrálnísnímky) Zobrazovací zařízení používají RGB systém Vstupní pásmo R G B Výsledný odstín černá tmavě šedá tm. zelená zelená 0,4-0,5 μm 0,5-0,6 μm 0,6-0,7 μm žlutá světle šedá bílá

24 Syntéza v nepravých barvách 0,5 0,6 μm 0,6 0,7 μm 0,8 0,9 μm Snímek z infračervené části spektra

25 Družicové systémy Mají solární panely, které produkují elektřinu, antény pro přenos dat a senzory pro monitorování povrchu Země (jeden nebo více). Financování státní, vojenské, soukromé společnosti (Digital Globe QuickBird, WorldView I, II) Obíhají po různých dráhách orbity podle toho, jaký fenomén mapují

26 Meteosat Second Generation, MSG

27 Meteosat Second Generation, MSG

28 Meteosat Second Generation, MSG

29 Meteosat Second Generation, MSG

30 Meteosat Second Generation, MSG Francouzská Guayana, Kourou; Ariane 5

31 Meteosat Second Generation, MSG Francouzská Guayana, Kourou; Ariane 5

32 Meteosat Second Generation, MSG Francouzská Guayana, Kourou; Ariane 5

33 Meteosat Second Generation, MSG

34 Meteosat / MSG GOES 8, 9, 10,

35 Meteosat, MSG

36 Radarsat EnviSat

37 Meteosat, MSG MSG Spektrální kanály přístroje SEVIRI kanál 01 VIS µm kanál 02 VIS µm kanál03 IR µm kanál04 IR µm kanál 05 WV µm kanál 06 WV µm kanál07 IR µm kanál08 IR µm kanál09 IR µm kanál10 IR µm kanál11 IR µm kanál 12 HRV µm

38 : µm

39 : µm

40 : µm

41 : µm (REF)

42 : µm (IR)

43 : µm

44 : µm

45 : µm

46 : µm

47 : µm

48 : µm

49 : µm

50 :00 RGB: bands 1,2,

51 :00 RGB: bands 3,2,

52 :00 RGB: bands 9,10,

53 Využití družicových snímků

54 Quickbird Družice s vysokým rozlišením

55 Příklady aplikací dat NOAA Teplota oceánů z dat AVHRR Oblačnost, bouře. Původní rozlišení dat 1.1.km, syntéza kanálů 1, 2 a 4 senzoru AVHRR. Mapováni tloušťky ozónové vrstvy

56 Změny vegetačního pokryvu Na datech zvýrazněných pomocí NDVI je akcentována vegetační složka a vynikne tak změna úbytek vegetace (tropického deštného lesa), k němuž došlo mezi lety 1973 a 2003 v povodí řeky Paraná.

57 Globální koncentrace Chlorophylu a (g/m 3 ) vypočítaná z dat SeaWiFS Imagery Data byla pořízená od do Jensen, 2006

58 Mapování SST (Sea Surface Temperature) z družicových měření Výpočet SST ze snímků družice NOAA AVHRR

59 Aplikace v oblasti (sub)urbánního rozvoje Monitorování růstu a funkčních změn měst a jejich zázemí (projekt MURBANDY) Praha a zázemí využití krajiny v roce Praha a zázemí využití krajiny v roce 1998.

60 Změny povrchové teploty vlivem kalamity kůrovce na Šumavě July 11 th, 1987 July 28 th, 2002 Surface temperature July 11 th, 1987 July 28 th, 2002 Hais, M., Kučera, T. (2008): Surface temperature change of spruce forest as a result of bark beetle attack: Remote sensing and GIS approach. European Journal of forest research. 127,

61 Mapování rozsahu povodní Střední tok řeky Moravy Obraz soutoku Labe a Vltavy v období záplav v roce 2002 pořízený senzorem ERS-2 SAR. Jedná se o barevnou syntézu dvou snímků. První byl pořízen (červená a zelená složka výsledného obrazu) a druhý v době záplav (modrá složka obrazu). Zaplavené oblasti jsou tak zvýrazněny modře.

62 Dunaj 2002 Landsat TM Ukázky povodní na družicových datech Mississippi Landsat TM

63 Mapování ropných skvrn Snímek zachycující ropnou skvrnu způsobenou havárií tankeru Prestige u severozápadního pobřeží Španělska byl pořízen senzorem ENVISAT/ASAR Ropná skvrna se jeví tmavší v porovnání s okolním povrchem moře. Tanker a ostatní lodě jsou patrné jako malé světlé body.

64 DPZ a vzdělávání ESA KIDS EDUSPACE LEOWORKS ARCDATA GLOBE Multispec

65 Odkazy NASA Earth from Space USGS Česká kosmická kancelář GISAT ARCDATA

66 Odkazy Informace o družicích Landsat: Zdroje dat Landsat:

67 Děkujeme za pozornost Otázky?