Ugrás a tartalomhoz

Fotogrammetria 1., A távérzékelés fogalma, a fotogrammetria és a távérzékelés kapcsolata

Balázsik Valéria (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

1.2 A távérzékelés folyamatának elemei az adatnyeréstől az adatelemzésig

1.2 A távérzékelés folyamatának elemei az adatnyeréstől az adatelemzésig

A távérzékelés fogalma: azokat az adatgyűjtési és feldolgozási eljárásokat értjük összefoglalóan távérzékelés alatt, melynek során tárgyakról, területekről és jelenségekről, különböző módszerekkel, eszközökkel és távolságból, közvetve, azok érintése nélkül gyűjtünk és rögzítünk adatokat. A távérzékelés fogalma kiterjed az adatok feldolgozási folyamatára is, amellyel azokat értelmezzük, elemezzük, mérjük, ilyen módon nyerve az adatokból információkat.

Bár ennek a definíciónak teljes egészében megfelel a fotogrammetria fogalma is, mégis a távérzékelés szót először a földfelszínt pásztázó vagy fényképező műholdakra szerelt berendezések munkába állítása kapcsán kezdtük használni, és csak ezután terjesztettük ki a rokon adat-felvételezési technikákra is. (Csató É.,2000.)

A távérzékelési adatokat az elektromágneses spektrum különböző hullámhossz-tartományaiban (spektrális tartományaiban) az elektromágneses energia közvetítésével nyerjük. Az elektromágneses energia érzékelésének és rögzítésének folyamatában az energiaforrástól az adatrögzítésen keresztül az információ felhasználásáig a következő elemek kapnak szerepet.

Energiaforrás

Érzékelők és hordozók

Az érzékelő által rögzített adatok és anyagok

Adatelemzés és feldolgozás

Térképek, jelentések

Szakági felhasználók

Bejövő energia

Visszavert energia

Kisugárzott energia

1-1. ábra A távérzékelés elvi folyamata

Forrás: http://www5.egi.utah.edu/GIS__CVEEN/Remote_Sensing/EMR.jpg

A távérzékelésben alkalmazott berendezések a földfelszínről, tereptárgyakról érkező elektromágneses sugárzást képesek mérni. Az érzékelőre érkező energia rendkívül összetett. Tartalmazza a napsugárzás légkörön kétszer is áthaladó, a légköri hatások által már részben megváltozott energiahullámait, a terepfelszíni elnyelődést követően a visszavert energiát valamint a földfelszín és a tereptárgyak különböző mértékű saját kibocsátott energiáit. Az a távérzékelési berendezés típusától függ, hogy az összenergia mely részét, hullámhossz-tartományát képes érzékelni és rögzíteni.

1.2.1 Adatnyerés, energiaforrás

1-2. ábra elektromágneses spektrum és az érzékelési tartományok

Forrás: Buiten (1993)

Az energiaforrások alapján beszélünk aktív és passzív rendszerekről. A passzív rendszereknél a visszavert napsugárzást és a felszín által kibocsátott sugárzást érzékelik a szenzorok, míg aktív rendszerek esetében az érzékelőt hordozó eszközön (pl. műholdon) elhelyezett adóberendezés által sugárzott jelek visszaverődését rögzítik (pl. radar). A csoportosítás egy másik lehetséges módja az érzékelés hullámhossz-tartománya szerinti csoportosítás.

Az 1-2. ábráról leolvashatóak azok a hullámhossz-tartományok, amelyekbe eső elektromágneses energia a különböző típusú berendezések (szenzorok) által érzékelhetők, rögzíthetők. Az ábra alapján máris szembetűnő, hogy az elsődleges fotogrammetriai adatnyerési eljárás, a fényképezés , a távérzékelési adatnyerési lehetőségek egészét tekintve csak egy szűk spektrális tartományon belül lehetséges. Az emberi szem által érzékelhető hullámhossz-tartománynál (400 nm – 760 nm) alig szélesebb tartományról van szó, mely a „látható fény” kiterjesztése az ultraibolya (UV) és a közeli infravörös (NIR) tartományok irányába (380 nm – 900 nm). Megfigyelhető továbbá, hogy az érzékelés lehetősége nem folytonos, vagyis vannak ún. szakadások, mely spektrális tartományokban az érzékelés nem lehetséges. Ennek oka, hogy a távérzékelés elsődleges energiaforrása a napsugárzás egy része különböző légköri hatások következtében részben vagy egészében az atmoszférában elnyelődik. Azokat a tartományokat, melyekben az atmoszféra teljesen vagy részlegesen átengedi az elektromágneses energiát légköri ablakok nak nevezzük. (Verőné Wojtaszek M. 2007.) A földfelszínre érkező energia a természetes felszíni elemekkel, a mesterséges objektumokkal kölcsönhatásba kerül. A teljes beérkező energia egy része elnyelődik, más része visszaverődik. A visszavert, majd később a különböző eljárások során mért és rögzített energia mennyisége nagyon sok tényező függvénye. Ilyen tényezők például: a felszín anyaga, felületének érdessége, színe stb... A visszavert napsugárzás hoz képest sokkal kisebb mértékű, de mérhető energia a földfelszín és a feszíni tárgyak által kibocsátott energia is. Ennek nagyságát legfőképpen a tárgy felszínének hőmérséklete befolyásolja. Elkülönített mérésére leginkább a hőkamerák alkalmasak. Vannak olyan távérzékelési rendszerek, melyek képesek az elektromágneses spektrum több hullámhossz-tartományában egyszerre érzékelni, energiát rögzíteni. Ezeket multispektrális érzékelőknek nevezzük. A műholdak többsége ilyen multispektrális érzékelőkkel van felszerelve. A nem optikai spektrális tartományban rögzített adatok képi megjelenítésére is van lehetőség. Ezeket, valamint az azonos időpontban, különböző spektrális tartományokban rögzített adatok tetszőleges kombinációinak képi megjelenítéseit nevezzük kompozitnak . Ezek lehetőséget adnak olyan jellemzők ábrázolására, képszerű megjelenítésére, azok egyszerre történő tanulmányozására, melyek egyébként az emberi szem számára nem lennének láthatóak.

1-3. ábra Multispektrális kamera és a vele rögzített felvételek

Forrás:http://www.geog.ucsb.edu/~jeff/115a/lectures/cameras_films_filter/9lensc mera.jpg

Az 1-3. ábrán látható multispektrális kamera 9 db közös felfüggesztésű kamerából áll, melyek mindegyike más-más hullámhossz-tartományban képezte le ugyanazt a részletet.

Az alábbi két felvétel a Föld felszínének pontosan ugyanarról a területéről készült. A bal oldali kép egy ún. „színhelyes kép”, ami azt jelenti, hogy a terepfelszín minden egyes részlete olyan színben jelenik meg a képen, mint ahogyan azt a szemünkkel a valóságban is látnánk. A jobb oldali kép egy „hamisszínes felvétel”, ami úgy keletkezett, hogy az elektromágneses energiát három különböző spektrális tartományban rögzítettük. Ezek mindegyikéhez egy-egy színt rendeltünk és az intenzitásértékek figyelembe vételével ennek eredményeként jött létre az a kép, amely a megszokott látványtól ugyan erősen eltér, de éppen a mesterségesen előállított színek hordozzák a számunkra fontos információkat.

1-4. ábra Egy terület színhelyes és hamisszínes felvétele

Forrás: http://landsat.gsfc.nasa.gov/education/compositor/graphics/true321_01.gif

A 90-es évek vége felé jelent meg a távérzékelés egy új technológiája a LIDAR (Light Detection and Ranging - fényérzékelés és mérés). A LIDAR vagy más néven lézerszkennelés működési elve a radaréhoz hasonló, és mint ilyen az aktív érzékelőkhöz tartozik. Az ultraibolya, a látható és az infravörös tartományokban képes visszavert elektromágneses energiát mérni. Mivel az aktív rendszerekhez tartozik, energiaforrásként nem a napsugárzást használja, így nem függ annyira az időjárástól és a napszaktól. A LIDAR eljárással rögzített „kép” (valójában egy 3D-s pontfelhő és egy optikailag rögzített kép) minőségét nem befolyásolja a levegő páratartalma, a vetett árnyék stb. Képes „több magassági szintre” is mérni, eltérő magasságból (terepszint, fakorona szintje) visszavert jelet rögzíteni. Előzőek alapján jól alkalmazható az egyébként nehezen mérhető, beépített területek detektálására, felhasználható digitális felületmodellek létrehozására. Előnye még, hogy a hagyományos fotogrammetriá val szemben kevésbé költségigényes.

1.2.2 Hordozók

A távérzékelés – beleértve a fotogrammetriát is – adatgyűjtő eszközei a vizsgált objektumhoz, jelenséghez és a földfelszínhez viszonyítva különböző távolságokban, magasságokban helyezkedhetnek el, lehetőséget adva ezzel másfajta csoportosításra is.

A felvétel helye szerint a távérzékelést három csoportba sorolhatjuk:

1-5. ábra

Földi távérzékelésről és fotogrammetriáról beszélünk akkor, ha az adatrögzítő berendezésünk, eszközünk a terepen vagy annak közvetlen közelében (állványon, darun, toronyban, stb.) helyezkedik el. Ezen kívül készítünk felvételeket felszín alatti üregekben, bányákban, speciális berendezés segítségével akár víz alatt is. További csoportosítási lehetőséget ad a felvevő és a leképezett objektum távolsága. Eszerint mikro-, makro- és közel fotogrammetriáról beszélhetünk. Ez a mikroszkopikus felvételektől a néhány centiméteres távolságon át több száz méterig terjedő távolságból készített felvételeket foglalja magába. A földi felvételek többsége optikai leképzéssel, ritkábban hőérzékeléssel készül. Nehezen megközelíthető hegyvidéki területeken topográfiai célú felvételeket 1000 métert maghaladó távolságból is készítenek.

Légi távérzékeléskor a felvevő berendezés valamilyen légi járművön helyezkedik el és távolsága a földfelszíntől mért 100 m-től 30 km-ig terjed. A felvételeket készíthetjük 100 m és 3000 m közötti tartományban alacsony repülés mellett, nagyméretarányú térképezési feladatokhoz; 10 km-ig terjedő közepes repülési magasságban, különböző típusú érzékeléssel, térképezési feladat céljára és 10-30 km közötti ún. nagy magasságban végrehajtott repüléssel, felderítő céllal, optikai képalkotással illetve egyéb képalkotási megoldásokkal. A felvevőt hordozó jármű lehet: motoros sárkányrepülő, hőlégballon, helikopter, repülőgép vagy modellrepülő. Ez utóbbi, pilóta nélküli kisebb nagyobb gépeket nevezzük UAV-nak. (Unmanned Aerial Vehicle – Pilóta Nélküli Légi Jármű)

Űr távérzékelésről a 160 km-t meghaladó távolságból készített felvételek esetén beszélhetünk. A hordozóeszköz lehet űrhajó, műhold, űrállomás. Ebből a távolságból csak ritkán készítenek optikai felvételt, jellemzően egyéb típusú érzékelést alkalmaznak (pl. optikai-mechanikai pásztázás, elektrooptikai leképzés)

1.2.3 Az érzékelők által rögzített adatok és anyagok

A távérzékelés során különböző eszközökkel, az elektromágneses spektrum különböző tartományaiban érzékelhetjük az elektromágneses energiát és rögzíthetünk adatokat. Ezek közvetlenül is szolgáltathatnak képi megjelenítést, de a nem optikai tartományokban rögzített adatok is megjeleníthetőek képként. Gondoljunk csak az időjárás jelentésekből ismert radarképekre.

A távérzékelés képalkotó megoldásai:

optikai képalkotás

hagyományos fényképezés, analóg képrögzítés

optikai képalkotás, digitális képrögzítés

multispektrális fényképezés

panorámafényképezés

folyamatos résfényképezés

televíziós felvételek

optikai-mechanikai pásztázó letapogatás (LANDSAT műholdak)

radarrendszerű érzékelések (aktív radarrendszerek; pl. PPI-forgó radar, SLAR-oldalra néző radar, ERS-1, JERS-1)

passzív mikrohullámú érzékelés

elektrooptikai leképzés (SPOT)

A z űrtávérzékeléssel, pontosabban annak termékeivel nap mint nap találkozhatunk. Korunk embere számára ez már teljesen természetes, pedig alig több mint 50 éve annak, hogy 1957-ben pályára állították az első műholdat, majd 1961-ben az ember a Földet elhagyva a világűrbe merészkedett. A szovjet Jurij Gagarin 108 perces űrutazását követően az események felgyorsultak. 1969-ben Holdra lépett az első ember. Eleinte a szovjet - amerikai rivalizálás volt az űrkutatásra irányuló fejlesztések mozgatórugója, majd más államok is részesei kívántak lenni a különleges kalandnak. Az emberiség régi vágya teljesült azzal, hogy „fentről”, űrhajókról, műholdakról figyelhették meg bolygónkat, az eddig csak földi mérések alapján rajzolt térképek valódi képként váltak láthatóvá. Mindennek természetes következménye volt a Földet folyamatosan megfigyelő kutatási és térképezési célú műholdprogramok beindítása. Az amerikai NASA ( National Aeronautics and Space Administration) 1972-ben felbocsátott első LANDSAT műholdját hamarosan követte a többi. Az amerikai és szovjet műholdak után a 80-as években megjelentek a francia, majd az indiai műholdak is. A katonai alkalmazások mellett teret nyert a polgári célú alkalmazás is.

A műholdas távérzékeléssel nyert adatokat felhasználó szakterületek közül néhány:

meteorológia

geodézia

kartográfia

geográfia

talajtan

természetvédelem

mezőgazdaság

erdőgazdálkodás

vízgazdálkodás

katasztrófavédelem

stb...

Műholdrendszer létesítése és a felvételek értékesítése kizárólag állami és katonai monopólium volt a 90-es évek végéig. Az első magántőkéből megvalósult polgári célú műholdat, az amerikai IKONOS-t 1999 decemberében lőtték fel, majd ezt követte 2001-ben a QuickBird. Ezek nem csak az állami kiváltság megszűnése miatt jelentettek nagy áttörést, hanem azért is, mert a kezdeti földfelszíni 80 m-es felbontáshoz képest elérték a m alatti terepi felbontást.

Néhány műholdrendszer adatai:

LANDSAT (amerikai)

  • 1972-től 1999-ig 7 műhold, 7 sáv; ma már csak 3 műhold

  • Pályamagasság 700-800 km

  • Kvázipoláris, köralakú, napszinkron

  • Visszatérés 16-18 nap

  • Területi lefedés 185 km

  • Terepi felbontás MSS (multispektrális) -80m, TM (Thematic mapper)-120 / 30 / 15m

  • Képalkotás: optikai-mechanikai pásztázó letapogatással

1-8. ábra Magyarország SPOT műholdképeken

SPOT (francia)

  • 5 műhold (XS, pánkromatikus)

  • Pályamagasság 832 km

  • Kvázipoláris, köralakú, napszinkron

  • Visszatérés 2-26 nap

  • Területi lefedés 60 km

  • Terepi felbontás XS-20/10m, pankr. 10 / 5 / 2.5m

IRS (Indian Remote Sensing - indiai)

  • Pályamagasság 817 km

  • Kvázipoláris, köralakú, napszinkron

  • Visszatérés 24 nap

  • Területi lefedés 141 km

  • Terepi felbontás 5.8 / 24 / 70 m (pank. / MS /pank.)

  • Képalkotás: elektrooptikai leképzés

IKONOS (amerikai; az első szuper nagyfelbontású műhold)

  • 1999. szeptember 24.

  • Pályamagasság 680 km

  • Kvázipoláris, köralakú, napszinkron

  • Visszatérés 5 nap

  • Pásztázott terület 11 km széles sáv

  • Terepi felbontás MS-4m, pankromatikus 1m

QuickBird (amerikai; szuper nagyfelbontású műhold)

  • Pályamagasság 450 km

  • Kvázipoláris, köralakú, napszinkron

  • Visszatérés 5 nap

  • Pásztázott terület 16.5 km széles sáv

Terepi felbontás MS-2.44m, pankromatikus 0.61m !!!

Az első műhold fellövésétől napjainkig az űrtávérzékelés hatalmas fejlődésen ment keresztül. A szakági felhasználók számára leginkább érzékelhető a térbeli felbontás növekedése. Az adatmennyiség megsokszorozódott az adattároló- kapacitás növekedésének és az adatátviteli technikák fejlődésének következtében. Napjainkat a hiperspektrális technika térhódítása jellemzi.

Ezzel a technikával rögzíthető adatok mennyisége pillanatnyilag felülmúlja a feldolgozási technika jelenlegi szintjét. ( Kozma-Bognár V. 2008.)

Meg kell említenünk az 1975-ben 15 tagállam által alapított Európai Űrügynökséget ( ESA - European Space Agency). Ennek a szervezetnek Magyarország 2003 óta európai együttműködő állama és így részt vesz annak programjaiban. Az ESA tevékenységei közül kiemelkedő az ENVISAT – Globális Földmegfigyelő műholdprogram.

Az Európai Űrügynökség 2002. március 1-én fellőtte az eddigi legnagyobb műholdját, amellyel bolygónk egészségi állapotának alakulását kísérik figyelemmel. Az ENVISAT műholdra tíz különböző műszert szereltek, melyekkel bolygónk környezetének különböző adatait vizsgálják. Ezen a műholdon kapott elsőként helyet egy olyan eszköz, melynek feladata a légkörben található leggyakoribb üvegházhatást okozó gáz, a széndioxid szintjének mérése. A műhold három műszere a Föld felszínét vizsgája. Az egyik nagy pontossággal méri az óceánok hőmérsékletét, a második a hullámok mintázatát, valamint a sarkköröket fedő jégrétegek és az erdős területek kiterjedését, míg a harmadik az óceánok kémiai összetételéről szolgáltat adatokat - így például a klorofill szint alapján meg lehet állapítani a planktonok mennyiségét. Négy magasságmérő műszerével az ENVISAT különböző pontoktól - például felhőktől, a sarki jégrétegtől vagy az óceán hullámaitól - számított távolságát méri. További három műszer az atmoszféra vizsgálatáért felel - ebből két szonda a légkör magasabb rétegeiben méri az ózon, illetve a szennyeződések és más kémiai vegyületek szintjét. Az utolsó, és egyben legfontosabb műszer a Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography (SCIAMACHY), amely a világon először kísérli meg az űrből a légkör széndioxid tartalmának mérését. ( http://www.fomi.hu )

Űrtávérzékeléssel előállított képanyagok:

1-9. ábra Az ENVISAT által készített képekből összerakott mozaik

Forrás: http://envisat.esa.int/envisat

1-10. ábra Róma belvárosa egy SPOT felvételen

Forrás: http://esamultimedia.esa.int/images/EarthObservation/rome_SPOT_H.jpg

1-11. ábra A Római Colosseum az előző SPOT felvételről kinagyítva és egy IKONOS felvételen

Forrás: http://news.satimagingcorp.com/wp

1-12. ábra Párizs a világűrből egy Quickbird képen és egy Quickbird műhold makettje

A RADAR-ok (Radio Detection And Ranging) a mm-től a m-es hullámhossz-tartományban működő aktív távérzékelő rendszerek. Az érzékelő berendezések maguk állítják elő az érzékeléshez szükséges energiát. Az impulzusokban kibocsátott és visszavert energia megtett útját számítja a berendezés az elektromágneses hullám terjedési sebessége alapján. A mikrohullámú energia közvetítésével történő adatgyűjtést alkalmazzák földi állomásokon, repülőgépeken és műholdakon. A PPI – Plan Position Indicator rendszereket elsősorban az időjárás-előrejelzésben, a légi irányításban, katonai felderítésben és a navigációban alkalmazzák. A SLAR – Side Looking Airborne Radar (oldalra néző radar) rendszereket a katonai felderítés mellett a természeti erőforrások kutatásában, erdő- és vízkészlet felmérésében és térképészeti célokra használják. A mikrohullámú és a radar-elvű érzékelők rendkívüli előnye, hogy nem függnek az időjárástól és a napállástól, csak bizonyos méretet meghaladó légköri szennyeződések nyelik el vagy verik vissza a hullámokat, egyébként akadálytalanul áthaladnak a légkörön. Számos műhold rendelkezik ilyen típusú érzékelő rendszerekkel. Pl.: RADARSAT, ENVISAT, SEASAT, ERS (Verőné Wojtaszek M. 2007.)

1-13. ábra Kecskemét környékén vihart jelző radarkép

Forrás: http://4.bp.blogspot.com/_cqIwsmo-L3o/ShLrJ5-cfRI

1.2.4 Adatelemzés és feldolgozás

A különböző távérzékelési eljárással rögzített optikai és sugárzásképek feldolgozásának számos lehetősége van. Korszerű programok teszik lehetővé a nyers képek előfeldolgozását (pl.:radiometriai és geometriai korrekció), ezt követően a képek tematikus kiértékelését. A távérzékelt adatok felhasználása egyre szélesebb körben történik, rendkívüli előnyeit számos szakterület igyekszik kihasználni. Ebben a modulban a fotogrammetria távérzékelési vonatkozásait szeretnénk megmutatni. A feldolgozással, az előállítható termékekkel valamint az alkalmazási területekkel kapcsolatos mélyebb ismeretanyagokat a Távérzékelés tárgy moduljai tartalmazzák, így ezeket itt részletesen nem tárgyaljuk. Megemlítjük viszont azokat a közös tulajdonságokat, amelyek a távérzékelésre és a fotogrammetriára egyaránt jellemzőek, és kiemelünk néhány lényeges eltérést.