Obrazy teledetekcyjne jako źródło informacji o środowisku

przyrodniczym

S. Królewicz, J. Piekarczyk

Trochę na wesoło...• Wpiszmy do wyszukiwarki Google dwa zapytania:1) Satellite images i...2) Sex imagesi przeprowadźmy glosowanie, które z powyższych zapytań osiągnie wyższą liczbę

znalezionych stron...* Oba zapytania nie wyczerpują oczywiście tematów...

2005

2009

Interpretacja danych teledtekcyjnych (Lillesand i in. 2004)

1. Znajomość charakterystyki źródła energii promienistej.2. Rozumienie przemian promieniowania EM w atmosferze na drodze od źródła do

powierzchni Ziemi.3. Rozumienie interakcji promieniowania EM z powierzchnią Ziemi;4. Zrozumienie przemian promieniowania EM w atmosferze na drodze od

powierzchni Ziemi do sensora.5. Znajomość charakterystyk detekcji i zapisu promieniowania EM przez sensor oraz

jak one zmieniają informację niesioną przez promieniowanie elektromagnetycznie6. Korekcja zakłóceń wprowadzonych przez sensor na zebranych danych.7. Analiza i Interpretacja danych (bez zakłóceń, wprowadzanych przez sensor)8. Stworzenie produktów informacyjnych o specyficznych cechach ukierunkowanych

na dobrze zdefiniowane potrzeby użytkownika końcowego. (ten element determinuje wymagania względem punktów 1.-7.)

9. Przekazywanie danych użytkownikom końcowym.

0E - promieniowanie słoneczne na górnej granicy atmosfery

(Wm-2)

0E - promieniowanie słoneczne na górnej granicy atmosfery w

danej długości fali (Wm-2m-1)

dE - promieniowanie rozproszone nieba (Wm-2)

dE - promieniowanie rozproszone nieba w danej długości fali

(Wm-2m-1)

gE - całkowite promieniowanie padające na dana powierzchnię

(Wm-2)

gE - całkowite promieniowanie padające na dana powierzchnię

(Wm-2m-1)

- normalna przezroczystość atmosfery

T - przepuszczalność atmosfery przy danym kącie mierzonym

do zenitu

0 - kąt padania promieni słonecznych mierzony do nadiru

v - kąt obserwacji przez sensor mierzony do nadiru

- cos

R - średnie odbicie od określonej powierzchni (np. piksel)

bR - średnie odbicie od tła (otaczające piksele)

sL - całkowite promieniowanie dochodzące do sensora (Wm-2sr-

1)

TL - całkowite promieniowanie odbite od danej powierzchni (np. od obszaru odpowiadającemu pojedynczemu pikselowi)

IL - całkowite promieniowanie odbite od powierzchni mierzone bezpośrednio nad ta powierzchnią (np. za pomocą radiometru)

pL - promieniowanie rozproszone, wielokierunkowe (Wm-2sr-1)

Poruszane zagadnienia

Standardy zapisu obrazów satelitarnych Precyzja geometryczna obrazów satelitarnych

Sposób formowania obrazu teledetekcyjnego na tle krzywej emisji energii słonecznej

Podgląd obszaru badań w dostępnych wysokorozdzielczych danych satelitarnych

Charakterystyka meteorologiczna okresu poprzedzającego wykonanie danych teledetekcyjnych

Interpretacja spektralna obrazów satelitarnych na przykładzie obrazów ASTER (i Landsat)

Formaty importowane przez TNTmips

Standardowe formaty zapisu i transmisji danych

• Praktyka pokazuje, że dane z wielu sensorów są dystrybuowane w unikalnym formacie…

• Geotiff – standard graficzny wzbogacony o możliwość precyzyjnej definicji systemu współrzędnych, kodowanie danych o promieniowaniu elektromagnetycznym do 16- bitów, każda edycja w programie graficznym kończy się usunięciem nagłówka geograficznego, każdy kanał spektralny zapisywany w oddzielnym pliku

• HDF – hierarchiczny format zapisu danych naukowych, obrazowych i tekstowych (tabelarycznych) uporządkowanych w logiczną strukturę; wszystkie dane obrazowe w jednym pliku i towarzyszącym mu pliku z metadanymi; dane tekstowe obejmują na przykład dane referencyjne do korekcji geometrycznej i dane kalibracyjne do korekcji radiometrycznej; generalnie w systemach przetwarzania obrazów i GIS dane teledetekcyjne posiadają w nazwie dodatkowo oznaczenie źródła danych – ASTER-HDF, LANDSAT-HDF, MODIS-HDF; jest to z założenia format archiwizacyjny; przeglądarka danych zapisanych w tym formacie dostępna pod poniższym linkiem:

• http://www.hdfgroup.org/hdf-java-html/hdfview/A pełna dokumentacja:http://www.hdfgroup.org/HDF5/doc/Formaty graficzne JPEG, PNG, JP2, ECW, czy MrSID najczęściej są wykorzystywane do

przechowywania danych w postaci kompozycji barwnych (powstałych metodą pansharpeningu) lub udostępniania, dystrybucji za pomocą Internetu.

Nagłówek Geotiff-a

Przeglądarka plików HDF

Produkty obrazowe – dokładność geometryczna

Dokładność geometryczna obrazów satelitarnych na przykładzie danych ASTER – poziom 1B

Kanał spektralny 3N z 18 lipca 2001 roku i 18 maja 2002 roku. Rozdzielczość naziemna 15m na piksel. Okolice Rzepina. Przesunięcie około 7 pikseli (105m).

Dokładność geometryczna obrazów satelitarnych na przykładzie danych Landsat –obrazy ortorektyfikowane

Kanał spektralny 4 z 23 czerwca 2003 roku i 24 maja 2001 roku. Rozdzielczość naziemna 30m na piksel. Rejon wielkopolskiego parku Narodowego, w centrum jezioro Góreckie.Przesunięcie około 43 piksele (1300m).

Źródłem precyzyjnych danych referencyjnych do średnio rozdzielczych danych satelitarnych jest geoportal.gov.pl

• Jako źródła referencyjne można traktować mapy topograficzne (1:10000, 1:25000, 1:50000 i ewentualnie 1:100000) albo ortofotomapę kraju o rozdzielczości przestrzennej od 0,25m do 0,5m.

• Dane z Geoportalu do oprogramowania (GIS) moduły nadawania referencji przestrzennych można podłączyć jako warstwy informacyjne oparte o usługę WMS albo w trybie offline (szczegółów, jak wykorzystać geoportal można się dowiedzieć wpisując w wyszukiwarkę tekst: „zabawy z geoportalem”)

• Do rejestracji obrazów wysokorozdzielczych można po prostu wykorzystać granice działek udostępniane poprzez geoportal

Względne wyrażenie odbitego promieniowania EM

http://www.trfic.msu.edu/data_portal/Landsat7doc/landsatch6.html

255255

255

255

255

0

Angielskie terminy low gain, normal gain, high gain należy rozumieć podobnie jak w fotografii klasycznej: niskokontrastowy, normalnokontrastowy i wysokokontrastowy. Dobór czułości urządzenia teledetekycjnego może być sterowany ze stacji naziemnych zależnie od warunków pogodowych. Informacje o bieżącej czułości urządzenia zawarte są w metadanych dostarczanymi z obrazami. Istnieją sensory dla których czułość jest zmieniana dynamicznie, czyli każdy obraz posiada indywidualne dane o „gainach” dostępne w metadanych.

Ośmiobitowa skala, wykorzystywana w większości sensorów teledetekcyjnych, oznacza inny zakres zmienności energetycznej w każdym zakresie spektralnym. Najwyższe wartości rejestrowanej energii odbitej od powierzchni Ziemi występują w zakresach widzialnych; energię w tych zakresach można rejestrować za pomocą mniejszych elementów CCD, stąd kanały widzialne, panchromatyczne, charakteryzują się wyższą rozdzielczością przestrzenną.

Maksymalna radiancja dla sensora ASTERRóżnice w wartości maksymalnej rejestrowanej

radiancji pomiędzy Landsat’em serii TM i ASTER’em wynikają z innej techniki rejestracji obrazu i obszaru pozyskiwanej sceny, mimo że oba sensory umieszczone są na tej samej orbicie o wysokości 705 km. ASTER rejestruje obszar około 74 x 63 km, Landsat natomiast 185 x 185 km. ASTER wykorzystuje do rejestracji macierze CCD, natomiast Landsat rejestruje obraz w technice „pushbrum” - ruchome lusterko, i ma na rejestracje pojedynczego piksela mniej czasu niż aster.

Kodowanie zmierzonej radiancji odbywa się najczęściej w skali 8-bitowej bez znaku (0-255) lub 16-bitowej (0-65535); Kodowanie bezpośrednie za pomocą liczb rzeczywistych (32-bitowe kodowanie) nie jest możliwe ze względu na ograniczenia technologiczne; np. na obecnym etapie komputery pokładowe satelitów są wyposażone w procesory klasy 486, lub Pentium 1.

Ogólny związek pomiędzy SR a DN

• • SRsensor(lin,col) jest SR docierającą każdego piksela sensora• • (lin,col) oznaczają pozycję piksela na obrazie, • • DN(lin,col) jest względną jasnością piksela, kodowaną w skali 8-bitowej

lub 16-bitowej, • • DNb jest wartością bazową i odpowiada SRsensor = 0 (DNb, najczęściej

równa się zero),• • k jest współczynnikiem konwersji, • • ebw jest szerokością efektywną zakresu spektralnego.

(k i ebw różnią się wartościami pomiędzy kanałami)

Ogólny związek pomiędzy SR i DN

• Czasami k i ebw są wyrażane jednym parametrem, oznaczanym k lub sk, zwanym stałą spektralną.

SR jest wyrażane w jednostkach gęstości strumienia energii w jednostce kąta bryłowego w określonym zakresie długości fali, czyli w W m-2 sr -1 μm-1

Produkty obrazowe

Podgląd obszaru badań w dostępnych wysokorozdzielczych danych satelitarnych (POLSKA)

• zumi.pl , geoserver pl (brak dat wykonania zobrazowań)

• GoogleEarth.com, Googlemaps.com (poprzez aplikację googleEarth 5.0 możliwość przeglądania

archiwalnych scen)

• Virtualearth.com (Microsoft), obecna nazwa Bing Maps

• pkt.pl (przede wszystkim miasta, bardzo świeże dane (koniec 2008) o rozdzielczości 0,25, m.in.

pozyskane ze zdjęć lotniczych firmy aeroGRID)

• Geoportal.gov.pl (wspomniana ortofotomapa 2003-2006, uaktualniana miejscowo)

• Terraserver, www.terraserver.com (możliwość przeglądania archiwalnych danych z informacją o

dacie)

• Lokalne strony z ortofotomapami miast

Bing Maps = terraserver pkt.plpkt.pl Geoportal - 2007

zumi.pl = geoserwer.plterraserver.com

Googleearth – 7 lipca 2001 Googleearth – styczeń 2007

Poznań-maj 2006 – ortofotomapa przygotowana dla Geopoz Poznań

Ikona „historii” w GoogleEarth 5.0

Charakterystyka meteorologiczna okresu poprzedzającego wykonanie danych teledetekcyjnych

• Charakterystyka meteorologiczna niezbędna jest do interpretacji szaty roślinnej i wilgotności gleb, ze stacji najbliżej położonych miejsca badań

• Pozyskanie danych z IMGW wymaga walizki pieniędzy … ( bez komentarza)

• Ale czego nie ma w Internecie… • IMGW żeby prognozować musi otrzymywać dane z zewnątrz, za co

płaci własnymi danymi…• Link do strony NOAA:• http://www7.ncdc.noaa.gov/CDO/cdo• Alternatywą jest rosyjski serwer z danymi meteorologicznymi od

1998 roku dostępny pod adresem:• http://meteo.infospace.ru/main.htm

12

34

5 6

7 8

Przebieg średniej dobowej temperatury i opadu dobowego w roku 2007 dla stacji Słubice (opad w calach, źródłowo dane są dostępne w jednostkach anglosaskich)

NA

GL

RL

Charakterystyka „spektralna” w oparciu o DNKompozycja barwna CIR wykonana w oparciu o trzy pierwsze kanały obrazu ASTER (kanały: zielony - GL, czerwony - RL i podczerwony - NA); powierzchnie o zabarwieniu czerwonawym to powierzchnie czynne biologicznie – pokryte roślinnością, powierzchnie o zabarwieniu turkusowym – to powierzchnie pozbawione roślinności, np. gleby.

Na obrazie zaznaczono linię profilową, początek tej linii wyznacza krzyżyk (odpowiada mu położenie „0” na wykresie powyżej). Linia profilowa przechodzi przez powierzchnie niepokrytą roślinnością a następnie przez powierzchnię pola z uprawa ozimą – bujna roślinność.

Powyżej pokazana jest zmienność względnych jednostek DN odbitego prom. EM w trzech kanałach spektralnych wzdłuż linii profilowej. Dla wybranych powierzchni zmienność spektralna w DN jest niezgodna z rzeczywistą charakterystyką spektralną, przedstawioną za pomocą standardowych krzywych spektralnych (rysunek obok)

NA

GL

RL

Charakterystyka spektralna w oparciu o SRFI

Kombinacja barwna CIR

Podobnie jak na poprzednim slajdzie na obrazie zaznaczono linię profilową, początek tej linii wyznacza krzyżyk (odpowiada mu położenie „0” na wykresie powyżej). Linia profilowa przechodzi przez powierzchnie niepokrytą roślinnością a następnie przez powierzchnię pola z uprawą ozimą – bujna roślinność.

Powyżej pokazana jest zmienność odbitego prom. EM w trzech kanałach spektralnych za pomocą współczynnika odbicia wyrażonego indeksem SRFI wzdłuż linii profilowej. Dla wybranych powierzchni zmienność spektralna w DN jest tym razem zgodna z rzeczywistą charakterystyką spektralną. Wartości indeksu SRFI dla powierzchni glebowej wskazują na niską zawartość wilgotności na poziomie 5% (krzywa spektralna na rysunku obok odnosząca się do suchej gleby).

Kalibracja danych wg Paris’a