Ugrás a tartalomhoz

Fotointerpretáció és távérzékelés 1., A távérzékelés fizikai alapjai

Verőné Wojtaszek Malgorzata (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

1.6 Az elektromágneses sugárzás kölcsönhatása a földfelszínnel

1.6 Az elektromágneses sugárzás kölcsönhatása a földfelszínnel

A földfelszínre jutó elektromágneses sugárzás kölcsönhatásba kerül a földfelszínnel és a felszínen lévő objektumokkal. A kölcsönhatás következtében az energiának egy része visszaverődik, egy része elnyelődik és egy része tovább halad (1-7. ábra). A felszíni tárgyak legtöbbször különbözőképpen reflektálják, nyelik el és továbbítják az energiát a különböző hullámhossz tartományokban. Ezért két különböző tárgy lehet hasonló egy spektrális tartományban és egy másik tartományban különböző. A felvevő berendezések a visszavert (reflektált) sugárzást rögzítik, azért fontos a földfelszín visszaverő képességének vizsgálata és ismerete.

1-7. ábra Az elektromágneses energia és a földfelszín közötti alapvető kölcsönhatások (visszaverés, elnyelés, áthaladás)

A visszavert, elnyelt és továbbhaladó energia aránya a felszín típusától, állapotától függ. A visszavert energiát továbbá a felszín simasága/érdessége módosítja. A tökéletes sima felszín tükörszerűen ver vissza, ami azt jelenti, hogy a visszaverődés szöge megegyezik a besugárzás szögével. A diffúz visszaverő olyan durva felszín, amely minden irányba egyenletesen veri vissza az elektromágneses energiát (1-8. ábra).

A földfelszín tárgyai sem nem tökéletes, sem nem diffúz visszaverők. A fent említett tulajdonságuknál fogva a két eset között helyezkednek el. Az, hogy egy felszín melyik típusú visszaverést közelíti meg a felszín érdességétől és a beérkező energia hullámhosszától függ. Ha a beérkező energia hullámhossza sokkal kisebb, mint a felszíni magasságkülönbségek vagy a felszínt felépítő részecskék mérete, akkor a felszín megközelíti a diffúz visszaverőt.

1-8. ábra A diffúz és az ideális visszaverődés folyamata

A felvételek elemzésekor a kölcsönhatás során megváltozott sugárzásból kívánjuk meghatározni a vizsgált objektum paramétereit. Ehhez szükség van a talajfelszín spektrális tulajdonságainak ismeretére. Az objektumok spektrális jellemzésére a reflektancia (visszaverési) értéket használják. A reflektancia megmutatja az adott felszínre belépő és arról visszavert energia hányadosát egy adott hullámhosszon, legtöbbször %-ban kifejezve.

R – reflektancia, Ev – visszavert energia, Eb – beérkező energia

A reflektancia adatok ábrázolását a hullámhossz függvényében reflektancia görbének nevezzük. A földfelszíni borítások spektrális tulajdonságainak ismerete nélkülözhetetlen a távérzékelés gyakorlati alkalmazásához. Alapul szolgál a felvételek kiválasztásához, és a tárgyak távérzékelési módszerekkel történő részletes vizsgálatához.

A három fő felszínborítás – egészséges növényzet, csupasz talaj, tiszta víz - spektrális visszaverése (reflektanciája) az 1-9. ábrán látható. A görbék jellegzetes lefutása összefüggésben van a borítás tulajdonságaival.

1-9. ábra A fő felszínborítások spektrális reflektanciája. Forrás:Csornai G. - Dalia O,1991

Az egészséges növényzet reflektancia görbéje a legváltozóbb és több jellegzetes helyi minimális és maximális érték jellemzi a lefutását (1-9, 1-10. ábra), ami a növényzet biológiai tulajdonságaival magyarázható. A látható spektrum tartományban lévő lokális minimum a levelek klorofill aktivitásától függ. A növény levelei erősen abszorbeálják a kék és a vörös fényt, míg a zöld tartományban sugárzott energiát nagyobb mértékben verik vissza, lokális maximumot eredményezve. Mivel a látható tartomány zöld sávjában legnagyobb a visszaverés, azért a szemünk az egészséges vegetációt zöld színben látja.

1-10. ábra Az egészséges növényzet reflektanciáját meghatározó tényezők a 0,4 - 2,6 μm hullámhossz tartományban (Ravi P. Gupta,1991után)

Ha egy növény valamilyen káros hatástól szenved (betegség, szárazság) akkor csökken a fotoszintézis üteme és lelassul a növekedése, ami a növényzet spektrális tulajdonságainak változását eredményez. A lokális minimálum és maximum értékek markáns jellege mérséklődik (1-10., 1-13. ábra). A hosszabb ideig tartó stressz hatását szemmel is láthatjuk – a levelek sárgulnak, vagyis a vörös és a zöld fény hasonlóan verődik vissza. A közeli infravörös tartományban a reflektancia görbe ugrásszerű megemelkedése a levelek sejtszerkezetének tulajdonítható. Egyes fajoknál a levelek belső szerkezete különbözik egymástól, ami eltérő reflektanciát eredményez. Ez lehetőséget ad egyes fajok elkülönítésére még akkor is, ha a látható spektrum tartományban azok nagyon hasonlítanak egymásra. Az 1-11. ábra a lombhullató és a tűlevelű fák spektrális visszaverődési görbéit mutatja. A lombhullató és tűlevelű fák sokfélesége miatt az ábrán a visszaverődést nem görbék, hanem sávok jellemzik. A reflektancia értékek alapján érthető, hogy ha a két erdőtípus elkülönítéséhez csak a látható spektrum tartományban működő szenzort választanánk, akkor az elkülönítés problémát okozna. Ebben a tartományban a görbék átfedik és keresztezik egymást, ezért a szemünk mindkét fatípust a zöld valamilyen árnyalatában látja. A két fatípus elkülönítésében segítséget nyújthat a fák korona alakjának eltérése, bár az űrfelvételeken a fák alakját, méretét, helyét nehéz mérni, főleg akkor ha a fák egymás mellett, vegyesen fordulnak elő. Mégis megkülönböztethetők, ha infravörös tartományban készült felvételeket használunk. A reflektancia értékek különbsége ebben a tartományban szembetűnő, a felvételen a tűlevelű fák jól megkülönböztethetően sötét tónusúak.

1-11. ábra Lombhullató és tűlevelű fák általánosított spektrális reflektancia görbéi. Forrás: Mucsi L. 2004., Lillesand T.M. 2007

A közepes infravörös tartományban előforduló helyi minimumok (1,4 és 2,7 μm-nél) a levelekben lévő víz-abszorpció következményei. Ezeket a sávokat vízelnyelési sávoknak nevezzük. Bármilyen külső befolyás (pl. betegség, szárazság) ezeknek a jellegzetes pontoknak a változását eredményezi.

A talaj reflektanciája a hullámhosszal általában növekszik (1-12. ábra). A növekedés mértéke összefüggésben van a talaj bizonyos fizikai és kémiai tulajdonságaival. Az eddigi eredmények szerint a legfontosabb reflektanciát meghatározó tényezők a következők: a szervesanyag-tartalom, a nedvességtartalom, a talajképző kőzet, a színes vegyületek jelenléte, a talaj fizikai félesége, a szemcsék mérete, valamint sótartalma. Ezek a tényezők komplexek, változékonyak és kölcsönhatásban vannak egymással (1-12. ábra).

Általános megfigyelés, hogy a szervesanyag és víztartalom növekedés a talaj visszaverődésének csökkenésével jár a 0,4-2,5 μm hullámhossz tartományban. A 2%-nál több humuszt tartalmazó talajoknál a humusz a reflektancia fő meghatározója. Az 1,3-1,5 μm és 1,75-1,95 μm-es intervallumban a reflektancia csökkenése a talajban kötött víz abszorpciójának következménye. A talaj felszínének nedvességtartalma az egyik leggyorsabban változó paraméter, ami nemcsak a talaj fizikai, kémiai, biológiai adottságaitól, de a környezeti hatásoktól is erősen függ.

1-12. ábra Különböző szervesanyag tartalmú (sza.), texturájú (tx.), és vastartalmú (Fe) talajfelszínek spektrális visszeverődése (Csornai G. - Dalia O.1991után)

  1. nagy sza., középfinom tx., b) alacsony sza., közepes Fe, c) alacsony sza., közepes tx., d) magas sza., durva tx., e) magas Fe, finom tx.

A víz spektrális tulajdonsága a felszínétől, a vízben oldott illetve lebegő részecskéktől, továbbá a tiszta és sekély vizek esetében a mederfenék visszaverő képességétől függ. A tiszta víz visszaverődése a látható spektrumtartományban nagyon alacsony (4-5%) és 0,7 μm-től majdnem nulla. A lebegőanyag koncentráció, a klorofill tartalom növekedése, az algakoncentráció jelenléte a reflektancia növekedését eredményezi a teljes látható és a közeli infravörös tartományban (1-9. ábra). Ezért a távérzékelés lehetőséget ad a vizek folyamatos monitoringjára, algatömeg becslésére és más szennyeződések felderítésére.

Gyakorlati példák

A következő két példa - a reflektancia görbék segítségével - szemlélteti egy felszín spektrális tulajdonságainak változását az állapotváltozás függvényében és különböző felszíni borítások elkülöníthetőségét spektrális adatok alapján.

1. példa

A tavaszi búza fejlődési példáján nyomon követhető az, hogy egy objektum állapotváltozása hogyan jelenik meg a reflektancia változásában (1-13. ábra).

1-13. ábra Búza spektrális visszaverődése és mérhető jellemzői (L.A.I. –levélfelületi index) a kelés és a kalászolás között

Az ábrát elemezve látható, hogy a búza kezdeti fejlődési szakaszában, a gyér takarásnál a reflektancia görbe lényegében a talajokat jellemző módon emelkedik. A növény fejlődésével, így klorofill tartalmának növekedésével a 0,6 μm körüli, fotoszintézisre utaló helyi minimum egyre jellegzetesebb. A fejlettebb növény a több levélréteg, a nagyobb levélfelület miatt erősebb reflektanciát eredményez a közeli infravörös tartományban.

2. példa

Az 1-14. ábrán négyféle felszínborítás reflektancia görbéje látható a 0,4 – 1,2 μm-es hullámhossz tartományban.

A különböző felszínborítások és az állapotuk változása az energia visszaverődés változásával jár. Így a felszínborítási kategóriák azonosításához és elkülönítéséhez nagy segítséget nyújt a spektrális tulajdonságuk ismerete. Az 1-14. ábra fenyves erdő, füves terület, vörös homok és iszapos víz reflektancia értékeket mutatja a hullámhossz függvényében.

1-14. ábra Különböző felszínborítások reflektancia görbéi

Ezen adatok alapján kiválasztható az a hullámhossz vagy spektrális sáv, melyben a legnagyobb a reflektancia értékek közötti különbség. Például az egészséges füves terület a többi kategóriától legnagyobb pontossággal elkülöníthető abban a spektrális sávban, melyben a vegetáció visszaverődése nagyobb, mint a többi kategóriáé. Az 1-15. ábra fenyves erdő, füves terület, vörös homok és iszapos víz elkülöníthetőségét (szeparabílitását) mutatja két hullámhossznál mért reflektancia értéknek megfelelően. Az érintett négy kategória a 0,55 és 0,85 μm hullámhossznál különül el egymástól legjobban. (Kettőnél több sáv kiválasztása több dimenziós ábrázolást igényel.) A fent bemutatott összefüggések használhatók fel a távérzékelés gyakorlati alkalmazásában, a különböző felszín borítási kategóriák elkülönítéséhez és meghatározásához.

1-15. ábra Különböző felszínborítások spektrális visszaverődése két hullámhossznál