Ugrás a tartalomhoz

Műholdakról távérzékelt adatok feldolgozása és hasznosítása

Mika János, Utasi Zoltán, Biró Csaba, Pénzesné Kónya Erika (2011)

EKF TTK


Table of Contents

1. A távérzékelés alapjainak áttekintése
1.1 A digitális képrögzítés módszerei
2. A felbontás kérdése
2.1 Térbeli felbontás
2.2Időbeli felbontás
2.3Spektrális felbontás
2.4A felbontás paramétereinek összefüggései
3.A távérzékelési rendszerek műszaki paramétereinek áttekintése
3.1Földi szegmensek
3.2Műholdak paraméterei
1.Az elektromágneses sugárzás (CCR Tutorial, 2011 nyomán)
1.1Az elektromágneses spektrum (színkép)
1.2 Példák a spektrális tulajdonságok kihasználására
2.Sugárzás – felszín (tárgy) kölcsönhatás (Csathó É., 2003 nyomán)
3.A spektrális felbontás
4.A Meteorosat MSG megfigyelési sávjai
1. Távérzékelés és digitális képfeldolgozás történelmi aspektusai
2. Információelméleti alapismeretek
3.A kommunikációs csatorna jellemzői
4. Digitális jelfeldolgozás
5. Digitális kép
6. A képfeldolgozás matematikai alapjai
7. Fourier-transzformáció
8. Konvolúciós módszerek
1. Digitális képek alapvető jellemzői
1.1 Felbontás, rétegek
1.2Színmélység
2. Színterek
2.1 RGB, CMY, CMYK és a HSV/HSB színterek
2.2 Színterek közötti konverziók
1. Bevezetés
2.Hisztogram
3. Hisztogram széthúzás és kiegyenlítés
4. Szűrések
5. Lineáris szűrés
6. Rank és medián szűrők
7. Élkeresés
8. Élek keresése gradiens vektor használatával
9. Élek keresése Laplace operátor használatával
10. Tömörítési eljárások
10.1Veszteségmentes tömörítési eljárások
10.2Veszteséges tömörítési eljárások
1.A műholdfelvételek adatszintjei
2. A műholdfelvételek beszerzési lehetőségei
3. Az 1B szintű adatok alapján tematikus térkép szerkesztése
3.1 A felvétel dokumentációja
3.2A felvétel megjelenítése
3.3Kompozitok
3.4Az űrfelvétel módosítási-javítási lehetőségei
3.5 Osztályozás
3.6 Statisztika, lekérdezés
4. A raszteres és vektoros geometria adattípus alkalmazási lehetőségei
1. Műholdképek az ultra-rövidtávú előrejelzés (nowcasting) szolgálatában
2. Meteorológiai műholdak a számszerű előrejelzésben
1. Környezeti célú műholdak
2. A Meteosat műholdak lehetőségei
3. Az izlandi vulkáni hamu megfigyelése Európában (Kocsis et al., 2010 nyomán)
4. Az antropogén aeroszolok megfigyelése
1.A domborzat kvantitatív felmérése
1.1A műholdas helymeghatározás
1.2Az SRTM digitális adatbázis
2.Geomorfológiai és hidrológiai alkalmazások
2.1A felszín kvantitatív jellemzőinek változása
2.2Hidrológiai elemek változása
1.A növényzet, mint objektum szerepe a távérzékelésben
2. Vegetációs index fogalma. Vegetációs index csoportok
3. A távérzékelési módszerek alkalmazásának lépései a növényzet vizsgálatában
1.Mi a biodiverzitás?
2. Az európai CORINE LandCover
3.Erdők és természetközeli területek
3.1Erdők
3.2Cserjés és/vagy lágyszárú növényzet
3.3 Növényzet nélküli, vagy kevés növényzettel fedett nyílt területek
4.Vizenyős területek
4.1 Belső (szárazföldi) vizenyős területek
4.2Tengermelléki vizenyős területek
5.Ökológiai folyosók
6. Károk felmérése űrfelvételekkel
1. A külső éghajlati kényszerek detektálása
2. Változások magában az éghajlatban
3. A modellekben reprodukált éghajlat tesztelése
4. A klímamodellek érzékenységének tesztelése
5. Éghajlati célból is végzett egyéb műholdas megfigyelések
1. OLV Az EUMETSAT ismertetése (Putsay és Kocsis, 2010 nyomán)
2. OLV Az európai operatív meteorológiai műholdak
2.1OLV Második Generációs METEOSAT holdak
2.2 OLV MetOp - Európa első poláris meteorológiai műholdja
3. OLV. Az EUMETSAT szolgáltatásai (Putsay és Kocsis, 2010 nyomán)
4. OLV. Az EUMETCast műszaki paraméterei

Mika János - Utasi Zoltán - Biró Csaba - Pénzesné Kónya Erika

Az egyes fejezetek szerzői:

Mika János: 3., 8., 9., 13. fejezet, Bevezetés… és Olvasmány

Utasi Zoltán: 2., 7. és 10. fejezet

Biró Csaba: 4., 5. és 6. fejezet

Pénzesné Kónya Erika: 11. és 12. fejezet

I.Bevezetés

A „Műholdakról távérzékelt adatok feldolgozása és hasznosítása” c. tárgy elsősorban a földrajztanár, informatika tanár és a később (2011-ben) induló biológia tanár szakos hallgatók oktatását célozza. A frissen (2010 őszén) indult MA képzések során az első két tárgy tanárszak hallgatói már át is estek az első féléves képzésen. Vizsgajegyeik alapján elégedettek lehettünk (4,0-es átlag), egyetlen szomorúságunk volt, hogy matematika tanár szakos hallgatók egyáltalán nem jelentkeztek. Emiatt, no és a biológia tanár szak örvendetes beindulása okán a matematikus fejezeteket elhagytuk, s helyette a biológia és az informatika fejezetek számát növeltük.

A tantárgy tanításának alapelvei és céljai:

A címben jelzett technikával kapcsolatos releváns ismeretek átadása a földrajz-tanár, az informatika- és a biológia tanárszakok hallgatói, eljövendő tanárok számára. A kurzus bemutatja a hozzáférhető óriási adattömeg feldolgozásának informatikai támogatását, az ebben segítő-, és a hasznosításhoz szükséges statisztikus, térinformatikai és numerikus módszereket, valamint a felszín, a légkör és az óceánok állapotának és fejlődésének megfigyelése érdekében kidolgozott sokféle alkalmazást. A kurzusban az élő felszín-, a légkör-összetétel, valamint az időjárási folyamatok megfigyelését a földrajz mesterképzésben elvárható arányos felkészültséghez igazítjuk, elsősorban a mögöttes folyamatok tekintetében.

A tantárgy főbb tematikai csomópontjai:

A tárgy kétféle típusú információt, kétféle megközelítést elegyít. Az egyik csoport a műholdas információszerzés, információtárolás és képfeldolgozás eljárásai tartoznak, a másik csoportba pedig az alkalmazások. Mindkét témakör kb. egyenlő mértékben 6-6 dupla órát tölt ki, támaszkodva a TTK D épületében installált saját műholdvételre és feldolgozó egységre.

A képzés 12 órájának tartalma (fejezetbeosztása) a következő:

I. Technikai és informatikai alapok:

1. Műholdak a Föld körül

2. A távérzékelés fizikája

3. A műholdas távérzékelés informatikai alapjai (I)

4. A műholdas távérzékelés informatikai alapjai (II)

5. A műholdas távérzékelés informatikai alapjai (III)

6. A műholdfelvételek elemzése térinformatikai módszerekkel

II. A műholdakról nyerhető információ

7. Időjárási megfigyelések

8. Levegőkémiai megfigyelések

9. A felszín morfológiai jellemzőinek vizsgálata

10. A növényzet, mint objektum szerepe a távérzékelésben

11. Biodiverzitás, kártevők, állatvilág

12. Meteorológiai műholdak a klímaváltozás kutatásában

A fenti témákat egy olvasmány is színesíti, a METEOSAT műholdakról és információikról.

A képzés módszerei:

Előadás, Internetes szemléltetés, gyakorlat a műholdvevő helyiségben.

Követelmények, a tanegység teljesítésének feltételei:

Szóbeli vizsga, döntően a bemutatott ábrákból készített, vagy azokhoz hasonló képi válogatások felismerése, magyarázata és a kapcsolódó kérdések megválaszolása. A különböző szakokról érkező hallgatók számára a vizsga választhatóan vagy az információszerzésből, vagy az alkalmazásokból, vagyis a teljes tananyag feléből fog állni. A vizsga előre láthatóan nem papíron, hanem a hallgatók notebookján történik. Ez a megoldás lehetővé teszi, hogy a hallgatók egymástól független feladatok alapján adjanak számot felkészültségükről.

II.Műholdak a Föld körül

A fejezet első részében áttekintést nyújt a műholdas távérzékelés központi kérdését jelentő távérzékelési technikákról, azok paramétereinek összefüggéseiről, majd bemutatja a berendezések működtetéséhez szükséges földfelszínen és a világűrben elhelyezkedő egységeit azok főbb szerkezeti elemeit.

1. A távérzékelés alapjainak áttekintése

Az alfejezet bemutatja a szenzorok működési alapelvét, előnyeiket és hátrányaikat, lehetséges alkalmazási módjaikat. Kitér a felhasználhatóságot alapvetően meghatározó felbontás összefüggéseire. (Az elektromágneses spektrum fizikai jellemzőinek ismertetése a későbbi fejezetekben történik.)

A felvételezés történhet aktív vagy passzív érzékelő rendszerekkel. Az aktív rendszerekben a műhold által kibocsájtott jelek a célobjektumról visszaverődve kerülnek vissza (pl. földfelszín radarral történő felmérése). A passzív rendszerekben a felszínről érkező elektromágnesen hullámtartományok detektálása történik meg. Ez lehet a felszín által visszavert, vagy kibocsájtott sugárzás is. (Felszín alatt nemcsak a földfelszínt értjük, hanem a vízfelületeket, felszín alatti jelenségeket és a légkör egyes elemeit is).

Az elektromágneses energia érzékelése történhet hagyományos fotografikus eljárásokkal (fényérzékeny emulzió bevonatú felületekre) vagy elektronikus szenzorokkal (melyek elektromos jellé alakítják át a fényenergia változásokat).

A hagyományos eljárások előnye az egyszerűségükben és olcsóságukban rejlik, de műholdakról való visszajuttatásuk már nehezen megvalósítható lenne, így elsősorban a légifényképezésben használatos (bár a digitális technika itt is egyre jelentősebb teret nyer).

A digitális módszerek fejlettebb technikai hátteret igényelnek, viszont érzékenységük jóval szélesebb tartományra terjed ki s a mérési eredmények – elektronikus jelek formájában –egyszerűen eljuttathatók a felhasználókhoz, így a műholdakban szinte kizárólag ezekkel a rendszerekkel találkozhatunk.

A távérzékelésben fénykép alatt kizárólag a hagyományos eljárásokkal készült felvételeket értik, míg a kép (image) sokkal általánosabb értelmű, mindenféle eljárással készült felvételezés eredményére használatos kifejezés.

1.1 A digitális képrögzítés módszerei

A kamerarendszerek

A kamerarendszer, vagy másként az azonnali képkészítő (framing) rendszer egy ún. keretező rendszer, ami azt jelenti, hogy a vizsgált terület egészéről egyszerre készül felvétel. Ide tartoznak a digitális fényképezőgépek és a videokamerák (melyek műholdas változatai alapelvükben megegyeznek a köznapi változatokkal, „mindössze” minőségükben vannak jelentős különbségek.

Pásztázó rendszerek

A pásztázó rendszerekben a felvételezés egy egyszerre kicsiny területet lefedő szenzorral történik, mely mintegy végigseper a teljes területen, s a végső kép ezek összességéből jön létre. Pixelnek nevezzük ezen legkisebb egységet, mely további részekre már nem bontható s – koordinátái mellett – egy értékkel adható meg. Az egy pixel által lefedett (kijelölt) terület méretét nevezzük térbeli felbontásnak (általában az oldalhosszakkal megadva, pl. 50x50 m), alakja pedig – a Föld görbületéből adódóan – változó.

A felvételezés során lefedett területet két értékkel adható meg:

  1. Teljes látómező (AFOV – Angular Field Of View): az a szögtartomány, amelyben a szenzor egy darab kép készítése során végigpásztázza a területet.

  2. Pillanatnyi látómező (IFOW – Instantaneous Field Of View): az egy pixelre jutó látószög.

Például, ha a detektor IFOW-ja 1 mrad és a szenzor 10 km magasságban található, akkor a nadírpontban (függőlegesen a műhold alatt) a felszíni felbontás 10x10 m.

A szenzoron keletkező elektromos jel erőssége egyenesen arányos a beérkező fény mennyiségével, mely a területről kibocsájtott fény mennyiségével egyenesen, a pásztázás időtartamával pedig fordítottan arányos. A pásztázás jellege alapján megkülönböztethető keresztsávos, köríves, sávmenti és oldalra tekintő típus (2.1 ábra).

2.1 ábra: A különböző pásztázó rendszerek felépítése és működésük (Mucsi L. 2004)

Keresztsávos pásztázás

Gyakori képkészítési mód, melynek során a földfelszínről érkező fénysugarak először egy forgó főtükörre jutnak, majd további lencserendszereken keresztül a detektorra. A főtükör tengelye merőleges a repülés irányára, forgási sebessége állandó, a felvételezés egyszerre egy sáv mentén történik. A módszer előnye egyszerűsége, hátránya viszont a térbeli felbontás változásából adódik. Ugyanis a Föld görbülete miatt a pásztázás szélei felé haladva nő az egységnyi látószögre jutó terület mennyisége, vagyis csökken a felbontás, másrészt az egyenesen (csíkként) megjelenő felvételi sávok valójában íves földfelszíni területeket jelentenek, így ennek utólagos geometriai korrekciójára van szükség.

Köríves pásztázás

A forgó tükör és a detektáló egység az előzőhöz hasonló szerkezetű, azzal a lényeges különbséggel, hogy a főtükör tengelye függőleges. Ennek következtében a felvételezés mintegy előre, a mozgás irányába tekint (hátrafelé nem történik detektálás). A módszer nagy előnye, hogy mintegy követi a Föld görbületét, így az egységnyi látómezőre jutó földfelszín is azonos, vagy másként megfogalmazva a térbeli felbontás állandó. Hátránya viszont, hogy az adatfeldolgozó rendszerek általában a függőleges és vízszintes elrendeződésű raszteres felvételek elemzésére alkalmasak, így a kapott köríves elrendeződést először bonyolult geometria korrekciónak kell alávetni. A köríves pásztázás felvételezési ideje sokkal rövidebb, mint a keresztsávosé.

Sávmenti pásztázás

Az előző két módszer esetén az egységnyi területre jutó felvételezési idő meglehetősen kevés. A felbontás növelése érdekében célszerű a tükörrendszer kiiktatása és egy detektorsor kialakítása (lényegében az érzékelők megsokszorozása). A sordetektor iránya merőleges a repülés irányára, a felvételezés egyszerre széles sávban történik. Ezt a rendszert toló-seprő (push-broom) technikának is hívják, s gyakori az újabb berendezések esetén.

Oldalra tekintő pásztázás

Az előző három rendszer főként nadírirányban készít felvételeket, míg ez a módszer a repülés irányához képest oldalra érzékel. Általában az aktív rendszerekben használják.