Lucie Kupková, Přemysl Štych Katedra aplikované geoinformatiky a kartografie PřF UK v Praze E-mail: lucie.kupkova@gmail.com, stych@natur.cuni.cz Systémy dálkového průzkumu Země
O čem bude přednáška Co je to dálkový průzkum Země Data a systémy DPZ Aplikace, využití DPZ Praktická část
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.
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
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
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)
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.
Snímky ve viditelné části spektra Změny v krajině v důsledku povrchové těžby Most a okolí, srpen 1996
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.
Snímky ve střední IČ části spektra Mapování výskytu minerálů a hornin
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
Termální snímky studium vulkánů
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.
Radarové snímky mapování polárních oblastí
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.
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 _ http://speclib.jpl.nasa.gov/ ˇ+
Spektrální vlastnost povrchu (spektrální signatury)
Digitální snímek a jeho vlastnosti Digitální snímek se skládá z tzv. obrazových prvků pixelů Každý pixel je charakterizován hodnotou DN (digital number).
Spektrální rozlišení Počet vytvářených snímků v MS režimu Šířka intervalu zaznamenaných vlnových délek panchromatický snímek multispektrální snímky hyperspektrální snímky
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
Časové rozlišení Frekvence, s jakou systém vytváří snímky stejného území Družice Časové rozlišení Šířka scény METEOSAT 7 30 minut polokoule NOAA 17 12 hodin 2600 km QuickBird 2 4 dny 11 km LANDSAT 7 16 dnů 185 km SPOT 5 26 dnů 60 km
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.
Barevná syntéza (multispektrálnísnímky) Zobrazovací zařízení používají RGB systém Vstupní pásmo R G B Výsledný odstín 0 0 0 černá 30 30 30 tmavě šedá 0 120 0 tm. zelená 0 255 0 zelená 0,4-0,5 μm 0,5-0,6 μm 0,6-0,7 μm 255 255 0 žlutá 210 210 210 světle šedá 255 255 255 bílá
Syntéza v nepravých barvách 0,5 0,6 μm 0,6 0,7 μm 0,8 0,9 μm Snímek z infračervené části spektra
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
Meteosat Second Generation, MSG
Meteosat Second Generation, MSG
Meteosat Second Generation, MSG
Meteosat Second Generation, MSG
Meteosat Second Generation, MSG Francouzská Guayana, Kourou; Ariane 5
Meteosat Second Generation, MSG Francouzská Guayana, Kourou; Ariane 5
Meteosat Second Generation, MSG Francouzská Guayana, Kourou; Ariane 5
Meteosat Second Generation, MSG
Meteosat / MSG GOES 8, 9, 10,
Meteosat, MSG
Radarsat EnviSat
Meteosat, MSG MSG Spektrální kanály přístroje SEVIRI kanál 01 VIS 0.6 0.56-0.71 µm kanál 02 VIS 0.8 0.74-0.88 µm kanál03 IR 1.6 1.50-1.78 µm kanál04 IR 3.9 3.48-4.36 µm kanál 05 WV 6.2 5.35-7.15 µm kanál 06 WV 7.3 6.85-7.85 µm kanál07 IR 8.7 8.30-9.10 µm kanál08 IR 9.7 9.38-9.94 µm kanál09 IR 10.8 9.80-11.80 µm kanál10 IR 12.0 11.00-13.00 µm kanál11 IR 13.4 12.40-14.40 µm kanál 12 HRV 0.5-0.9 µm
2005-01-06 12:00 0.6 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 0.8 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 1.6 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 3.9 µm (REF) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 3.9 µm (IR) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 6.2 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 7.3 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 8.7 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 9.7 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 10.8 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 12.0 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 13.4 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 RGB: bands 1,2,9 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 RGB: bands 3,2,1 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
2005-01-06 12:00 RGB: bands 9,10,5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
Využití družicových snímků
Quickbird Družice s vysokým rozlišením
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
Změny vegetačního pokryvu 1973 2003 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.
Globální koncentrace Chlorophylu a (g/m 3 ) vypočítaná z dat SeaWiFS Imagery Data byla pořízená od 3.9. 1997 do 31.12. 1997 Jensen, 2006
Mapování SST (Sea Surface Temperature) z družicových měření Výpočet SST ze snímků družice NOAA AVHRR
Aplikace v oblasti (sub)urbánního rozvoje Monitorování růstu a funkčních změn měst a jejich zázemí (projekt MURBANDY) Praha a zázemí využití krajiny v roce 1953. Praha a zázemí využití krajiny v roce 1998.
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, 327-336.
Mapování rozsahu povodní Střední tok řeky Moravy 14.7.1997 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 7.8.1998 (červená a zelená složka výsledného obrazu) a druhý v době záplav 16.8.2002 (modrá složka obrazu). Zaplavené oblasti jsou tak zvýrazněny modře.
Dunaj 2002 Landsat TM Ukázky povodní na družicových datech Mississippi 1988 1993 Landsat TM
Mapování ropných skvrn Snímek zachycující ropnou skvrnu způsobenou havárií tankeru Prestige u severozápadního pobřeží Španělska byl pořízen senzorem ENVISAT/ASAR 17.11.2002. Ropná skvrna se jeví tmavší v porovnání s okolním povrchem moře. Tanker a ostatní lodě jsou patrné jako malé světlé body.
DPZ a vzdělávání ESA http://www.esa.int/esacp/index.html KIDS http://www.esa.int/esakidsen/ EDUSPACE LEOWORKS http://www.eduspace.esa.int/eduspace/main.asp ARCDATA http://www.arcdata.cz/oborova-reseni/gis-voborech/vzdelavani/zakladni-a-stredni-skolstvi/kde-uzzacali/ GLOBE Multispec http://cobweb.ecn.purdue.edu/~biehl/multispec/ http://www.globe.gov/
Odkazy NASA http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/geomorphology http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/additional/sciencefocus/science_focus.shtml Earth from Space http://www.earthfromspace.si.edu/default.asp http://www.earthfromspace.si.edu/resources.asp USGS http://www.usgs.gov/pubprod/ Česká kosmická kancelář http://www.czechspace.cz/ GISAT http://gisat.cz/content/cz ARCDATA http://www.arcdata.cz/produkty-a-sluzby/software/itt-vis/ http://www.arcdata.cz/produkty-a-sluzby/geografickadata/druzicova-data/
Odkazy Informace o družicích Landsat: http://cs.wikipedia.org/wiki/landsat http://landsat.gsfc.nasa.gov/ http://landsat.usgs.gov/ http://www.gisat.cz/content/cz/dpz/prehled-druzicovychsystemu/landsat Zdroje dat Landsat: http://edcsns17.cr.usgs.gov/newearthexplorer/ http://www.glcf.umd.edu/data/ http://glovis.usgs.gov/
Děkujeme za pozornost Otázky?