Embed Size (px)
Citation preview
Българска Академия на НаукитеИнститут за космически изследвания и технологии
2014
Оптико-електронни системи задистанционни изследвания
1. Въведение 1.1. Какво е това “Дистанционни изследвания”Дистанционните изследвания е наука и технология за извличане на информация за земната повърхност без пряк контакт с нея. Това се осъществява чрез измерване със сензори, регистриране на данни за отразената или излъчената енергия, обработване, анализиране и приложение на получената информация.1. Източник на енергия (A) – източник на слънчева радиация или електромагнитна енергия2. Радиация и атмосфера (B) - пътя на радиацията през атмосферата и взаимодействието с нея преди да достигне до сензора.3. Взаймодейстние с целта (C) – взаимодействие с целта (обекта) в зависимост от нейните материални качества и типа на радиацията.4. Регистриране на енергията от сензора (D) – енергията се отразява или излъчва от целта, преобразува се и се регистрира без контактно от сензора на електромагнитна радиация.5. Предаване, приемане и обработване (E) – енергията се преобразува за да бъде предавана като електронна величина или код за приемането й в станцията където данните след обработка се превръщат в изображения.6. Интерпретация и анализ (F) – обработените изображения се интерпретират визуално или цифрово за извличане на информация за целта, която е осветена или е облъчена.7. Приложение (G) – крайният продукт от дистанционното изследване е резултат, който ние получаваме, когато прилагаме извлечената нова информация за целта при нейното идентифициране или решаване практически проблем.1.2 Електромагнитна радиацияПървото изискване за ДИ е да имаме източник на енергия за осветяване на целта. Тази енергия е под формата на електромагнитна радиация.
Електромагнитната радиация се състои от електрическото поле (E) чиито вариации на вектора са в перпендикулярна посока на посоката на движение на радиацията и магнитно поле (М) с вектор, ориентиран на дясно от електрическото поле. Двете полета се движат със скоростта на светлината (С). Две са информативните характеристики на това поле, важни за ДИ дължина на вълната (λ) и честотата й (v), които се изразяват със следната известна формула:
c = λvкъдето:
λ = дължина на вълната (m)v = честота (Hz)c = скорост на светлината (3х108 m/s)
1.3 Електромагнитен спектърОбхватът на електромагнитния спектър включва дължини на вълната от гама лъчите до вълните за радио разпространение
Под обхватът, включващ ултравиолетовата област UV – видимата област VIS – инфрачервената област IR е типичен за обектите върху земната повърхност скали растителност, вода, където тези обекти (цели) флоурисцират, отразяват или поглъщат слънчевата радиация.
Човешките очи – нашите “сензори за дистанционно наблюдение” детектират VIS видимия спектър с дължини на вълните приблизително от 0.4 µm до 0.7 µm. Тази част от спектъра ние можем да композираме и възприемаме като цветна концепция. По-голяма част от спектъра остава “невидима” за нашите очи. Синьо зелено и червено са основните цветове за изграждане на цветовото възприятие и са в основата на цветовия “локус”.
Видимата част от слънчевия спектър се разлага на отделните си компоненти преминавайки през призма, като отделните спектрални ленти (канали) са групирани в зависимост от дължините на вълните.IR e следващата област от спектъра с дължина на вълните от 0.7 µmдо 100 µm и е 100 пъти по- широка от областта VIS. IR областта се разделя на област на отражение (reflected IR от 0.7 µm до 3.0 µm) и област на излъчване (Thermal IR 3.0 µm до 100 µm).
Областта на свръх късите (радио) вълни USW от спектъра е относително нова за дистанционните изследвания и е с дължина на вълните от 1 mm до 1 m. В тази област се изследва предимно собственото излъчване на земната повърхност и акваторията на световния океан.
1.4 Взаимодействие с АтмосфератаРадиацията преди да достигне земната повърхност изминава известен път през атмосферата. Газовите частици и аерозоли в атмосферата взаимодействат с падащата слънчева радиация. Ефектът от това взаимодействие е възникване на механизъм на разсейване (scattering) и поглъщане (absorption) на енергия.
Наблюдават се три типа разсейване:Rayleigh scattering – при много малки частици съизмерими с дължините на вълните на радиацията. Този механизъм доминира във високите слоеве на атмосферата, която поради този феномен изглежда “синя”.Mie scattering – това разсейване възниква когато частиците имат приблезително същия размер като дължината на вълната на радиацията в по-ниските слоеве на атмосферата. Това са обикновено прахови, поленови, аерозоли и други частици.
Nonselective scattering - това разсейване се случва когато има частици с по-големи размери от дължините на вълната на радиацията като води пари, облаци, механични частици и др. Този тип разсейване премества спектрално радиацията чрез излъчване в синята, зелената и червената области на VIS и за това, например облаци и мъгла изглеждат бели.
Absorption - механизъм на взаимодействие на електромагнитната радиация с атмосферата, при който молекулите поглъщат енергия на различни дължини на вълните. Озонът, въглеродния двуокис и водните пари са главните компоненти на това поглъщане. Например водните пари поглъщат главно радиацията с дължина на вълните от 22 µm до 1m и това явление определя в значителна степен климата на Земята.Абсорбцията на електромагнитната енергия е много важен механизъм за дистанционните изследвания, за това се търсят спектрални области “атмосферни прозорци”, където тя не влияе на преноса на енергия и сензорите работят с максимална ефективност.
1.5 Радация – взаимодействия с целтаПадащата слънчева радиацията incident (I);, която достига и взаимодейства със земната повърхност и не е разсеяна и абсорбирана от атмосферата има три форми: absorption (A); transmission (T); reflection (R)
При дистанционните изследвания ние се интересуваме от измерването на два типа радиация отразената (specular reflection) и погълната (diffuse reflection) от целта
Растителност
Водна повърхност
След измерването на отразената енергия от целите (обекти върху земната повърхност) интегрално за всички дължини на вълнате, може да се построй спектралния отклик (spectral response) за тези обекти.
Това е и една от основните задачи на ДИ.
Спектрограма
1.6 Пасивни и активни дистанционни изследванияПасивни сензори. Слънцето е най-подходящия източник на енергия или радиация за дистанционните изследвания. Слънчевата енергия във видимата област VIS се отразява (reflected) или абсорбира и след това се преизлъчва (reemitted) в топлинната област IR.Системите за дистанционни изследвания (СДИ), които измерват тази естествена (природна) енергия се наричат (пасивни сензори).
Активни сензори. Системите със собствани енергиини източници за облъчване на целите върху земнатаповърхност се наричат (активни сензори). Предимствата на тези СДИ е във възможността за избор наизточник по енергия и по спектър на излъчваната електромагнитна радиация. Това позволява да секонструират системи, които независят от денонощните цикли или от климатичните ограничения. Напримертова са активните лазерни флуоросензори (FLIR) и радарите със синтезирана апертура (SAR).
1.7 Характеристики на изображениятаНа основание на понятията от класическата фотографията ще наричаме фотоснимка, заснета сцена в спектралния обхват 0.3 µm to 0.9 µm, т.е. VIS и NIR. А сцена представена и изобразена в цифров формат, разделена на отделни еднакви площни елементи (pixels), всеки от които е представен с цифров номер и стойност на осветеността (brightness), ще наричаме цифрово изображение.
Сензорите работят като данните от близки по дължина на вълната елементи се групират и записват в канал(channel) или лента (band). Комбинацията и визуализацията на данните от каналите при използване на трите основни цвята RGB в зависимост от относителните стойности на яркостите се формират цветни цифрови изображеиния. Те могат да обработват тематично и интерпретират за различни цели.
Например да се екстрактира спектралния отклик в различните канали изображение, получено чрез многоканална СДИ по дължината на вълната и да се построи спектрограма на определена цел – горски масив иглолистна гора. Такива спектрограми имат информационното предимството, че показват състоянието на изучаваните обекти в различни спектрални области пред изучаването в индивидуално изображение, т.е. само в един спектрален канал.
2. Спътници и сензори2.1 На Земята, в Атмосферата, в Космоса
Сензорите за измерване и записване на отразената или излъчваната енергия от целите или от самата земна повърхност, трябва да са монтирани на стабилна платформа носител, за която има определени навигационни изисквания. Платформите могат да са разположени на Земята, на самолет, на балон или на спътник в зависимост поставените потребителските задачи за решаване.Наземно базирани сензори се използват за регистриране на състоянието на цели върху наземни опитни полигони за привръзване на данните (верификация) от измерванията на другите сензори, разположени на
платформи носители. Така се осигурява метрологията на провежданите изследвания
ОрбитиГеостационарни
Полярни орбитиСлънчево-синхронни Преминават над определени точки в едно и също време от деня като идват от една и съща посока и са подходящи за ДИ
Орбити за наблюдение Последователнопреминаване над на цялата земна повърхностсинхронно с въртенето на земното кълбо
Надир Подспътниковататочка или траектория описванапри полета върху земното кълбо
2.2 Пространствена разделителна способност, Размер на пиксел, МащабНякои основни термини при сензорите за получаване цифровите изображения:Spatial resolution – пространствената разделителна способност е най-малкия пространствен размер на елемент от земната повърхност, който може да бъде детектиран от сензора;Instantaneous Field of View (IFOV) – началения ъгъл на зрение на сензора е ъгъла под който се наблюдава земната повърхност;Pixel – най-малкия елемент от цифровото изображение, обикновено е квадрат със страни, например 20m х 20m.
Scale – мащабът е отношението на растоянието в дадено изображение или карта към реалното разстояние върху земната повърхност, например 1:100000 на обека отговаря на 1 cm дължина на картата.
2.3 Спектрална разделителна способностSpectral resolution – спектралната разделителна способност изразява възможностите на сензора да измерва в тесни интервали на дължината на вълната. По-фината спектрална разделителна способност изисква сензора измерва в по-голям брой и по-тесни канали или ленти.
Много сензори работят в различни спектрални обхвати при различни разделителни способност. Този тип спектрометрични системи носят името multi-spectral sensors. Трябва да се има предвид, че спектъра е непрекъснат, т.е той е единен. Най-модерните многоспектрални сензори се определят като hyperspectral сензори, работещи с хиляди много тесни канали от от VIS до NIR и MIR на електромагнитния спектър.
2.4 Радиометрична разделителна способностRadiometric resolution – радиометричната разделителна способност на цифровите системи за изображения означава възможността да се определят малки разлики с висока точност в енергетичните нива на спектралната енергия. Това е способността на системите да цифроват видео сигнали с 8 или 16 битна точност.
2.5 Времева разделителна способностTemporal resolution – времевата разделителна способност е важен параметър на СДИ за осигуряване на повторяемост на наблюденията на едни същи области от земната повърхност с цел натрупване на статистика и повишаване точността на последващата обработка на данните. Например по време на периода на растеж на растителността за определяне на нейното състояние. За спътниковите системи тава осигуряване на стабилен период на орбитите по време и място.
2.6 Камери и Аеро фотографияPanchromatic - фотокамерите са сензори за ДИ с кадрови пренос на изабраженията (framing systems) работещи обикновено в спектралнните области UV- VIS –NIR с дължи на вълните от 0.3 µm до 0.9 µm. Техните филми са чувствителни в тези области. Colour and false colour – фотографията в искусвени цветове също се причислава към тази спектрална област.
Digital cameras - цифровите камери за ДИ в основата си понастоящем са със CCD сензори, които записват електромагнитната радиация. Цифровият формат на изображението е с висока рладиометрична разделителна способност, което осигурява лесен начин за обмен на данните и тяхното регистриране и компютърна обработка. Те имат пространствена разделителна способност по-добра от 0,3 m и спектрална
разделителна способност от 0.012 mm до 0.3 mm при брой на пикселите от 2048х2048 до 4096х4096 и повече.
2.7 Многоканални сканериМногоканалните сканери използват два основни метода за сканиране и получаване на многоканални спектрални видео данни - across-track scanning, и along-track scanning.Across-track scanners – сканират земната повърхност в серии от линии. Линиите са перпендикулярни на посоката на движение на носителя на сензора. Всяка линия се сканира от въртящо се огледало (А). Всеки един от независимите оптико- електронните детектори (В) е чувствителен в определена спектрална област, т.е. спектрален канал.IFOV (C) на сензора и височината на която лети сензора определят пространствената разделителна способност върху Земята (D). Ъгълът на сканиране (E) е ходът на отклонение на огледалото, определящ ширината на лентата на сканиране (F) по земната повърхност. Например самолетните сканери имат ъгъл на сканирани между 90º и 120º докато спътниковите поради по-голямата височина на полета имат ъгъл между 10º -20º.
Along-track scanners – използват движението напред на платформата носеща сензора за получаване на двумерно изображение. Вместо сканиращо огледало те използват оптическа линия от детектори (А), разположена във фокалната равнина на изображението (В), формирано от оптиката (С), която електронно сканира “pushed” непрекъснато в посока на полета (along track). Тези системи се наричат още pushbroom сканери. Размера на всеки от елементите на линията от детектори в съчетание с IFOV на системата определя пространствената разделителна способност (D). Броят на елементите на линията от детектори определя брой на спектралните канали.
2.8 Термални изображенияThermal Imaging – термалните многоканалните спектрометрични системи сканират радиацията в IR областта като типични аcross-track scanners по същия начин както оптическите сканери. Излъчваната енергия от земната повърхност е собствена в обхвата на дължината на вълните от 3 µm до 15 µm. Тя е различна по природа от отразената енергия. Термалните сензори използват фото електронни преобразуватели с охлаждане близко до абсолютната нула с цел да се избегне тяхното собствено топлинно излъчване. По този начин се получава температурно изображение на повърхността на обектите. Пространствената разделителна способност е по ниска от тази на оптическите сканери, но има това предимство, че се измерва собствена радиация, която не зависи от деня или нощта.
3. Спътници/сензори за наблюдение на Земята3.1 LandsatLandsat-1, е изведен в орбита от NASA in 1972.Landsat е разработен за предварително проучване на възможностите за получаване на многоканални спектрални изображения на Земята. След това до 1985 г. са изведени ще 3 спътника, а след тава до 2000 още 4 спътника с различно предназначение. Най популярни са Return Beam Vidicon (RBV) с видконова много зонална камера, MultiSpectral Scanner (MSS) с огледална сканираща система и Thematic Mapper (TM) с оптико-електронен сканиращ сензор.Височината на орбитите е около 900 km, ширина на сканираната лента около 185 km, пространствена разделителна способност от 30х30 m до 60х60m и период на повторение на орбитите 18 дни.
SPOT - 1 (Système Pour l'Observation de la Terre) е изведен от CNES през1986 г. за наблюдение и заснемане на Земята от слънчево-синхронна орбита с височина 830 km и период на повторение 26 дни. Оборудван е с панхроматичен оптико-електронен линеен сензор HRV с 6000 елемента с висока пространствена разделителна способност от 10 m и допълнително 3 оптико-електронни линейни сензора по 3000 елемента с пространствена разделителна способност от 20 m. Ширината на сканираната по земната повърхност лента е 60 km в надир.
3.3 Marine Observation Satellites/SensorsNimbus-7 изведен в орбита 1978 г. с монтиран борда сензорна система Coastal Zone Colour Scanner (CZCS), специално предназначен за мониторинг на Земята, океаните и големи водни обекти. Основна задача на сензора е да определя цвета и температурата на земната повърхност, на крайбрежните зони и океаните. Височина на орбитата 955 km, слънчево синхронна с период на повторение 6 дни. CZCS сензора има 6 спeктрални зони във VIS, NIR и TIR спектралните области и пространствена разделителна способност 825 mв надир и ширина на спектралната лента по повърхността 1566 km.
