A távérzékelési, fotogrammetriai és térinformatikai, valamint agrokémiai alapokon nyugvó multispektrális térképezés a mezőgazdaság és talajkutatás szolgálatában
Bakó Gábor Interspect kutatócsoport csoportvezető, Szent István Egyetem Növénytani és Ökofiziológiai Intézet,
H-2100, Gödöllő Páter Károly u 1.,
[email protected]
Távérzé rzékelé kelés Budapest, 2012. november 21.
A Távérzékelés fogalma Mit nevezünk Távérzékelésnek? i. Közvetlen érintkezés nélküli érzékelés: remote sensing, vagy teledetection ii. Nem kapcsolat nélküli: a közvetítő valamely erőtér. iii. Föld megfigyelés: a távérzékelés legfiatalabb ága mágneses tér Gravitációs tér Szeizmológia (a földrengések rugalmas hullámainak észlelése) Elektromágneses tér változásai
Passzív és aktív távérzékelés a gyakorlatban Passzív távérzékelés
Aktív távérzékelés
RGB fotogrammetria
RADAR
Hiperspektrális Multispektrális LIDAR https://www.e-education.psu.edu/lidar/book/export/html/1808
Légifelvétel térkép készítésére alkalmas nyers felvételek
A LIDAR előnyei
Légifelvétel térképek
Űrbeli szenzorok Geostacionárius: 36.000km Pólus-közeli: 600-1000km Nagy magasságú légi
A Föld Megfigyelő (Távérzékelési) Rendszer Elvi Felépítése
szenzorok: 10 - 32 km Légi szenzorok (Közeghatás problémája): 3-10km
Légi szenzorok (kis magasságú): 300 m3,5 km Ultra-könnyű repülő eszközök, Sárkányrepülők és UAV Terepi mérések Közeli felvételek Kézi, állvány, Daru 1-5m
Szenzor
Nap
Föld
ElőFeldolgozás
Adat Elemzés
Kiegészítő Adatok - Emberi részvétel
Információ Hasznosítás
GIS Térinformatikai Rendszer (Adatbázis) Terepi Pontszerű A feladathoz illesztetten kiválasztott, Tematikus, Georeferenciával (térképi koordinátákkal) ellátott Adat-sorozatok ADATBÁZISA és Az adatokat elkülönítetten és együttesen (integráltan), egymáshoz geometriailag illeszkedő fedvényekként kezelő SZOFTVER
mérések
GIS fájl
Topográfia Talaj térkép
Vektor adatok
Talaj térkép földtani térkép Csapadék eloszlás Felszínborítás Növényzet állapota Távérzékelési képek
Raszteres adatok
Hőmérséklet eloszlása Vízrajz Népsűrűség Természetvédelmi parkok Környezetvédelmi zónák Digitális Topo Modell Topográfiai térkép
Katonai, hírszerzési alkalmazások 1,8m
10 m
Landsat TM - Katasztrófa monitorozás
Geometriai Felbontás-Spektrális Felbontás- Jel/Zaj hányados Az adatkocka 3D képe Kép összes pixele: NxN=N2 Adatkocka összes pixele: n·mxm m pixel:képsorok száma m pixel: képoszlopok száma
Színes kompozit kép az égő kuvaiti olajkutakról az 1991-es öbölháború idején
Mérés elmélet • • • • • •
Az adatgyűjtés alapvető szabályai A szabatosság A spektrum A származtatott adatok pontossága Az információ megbízhatósága Statisztikai kérdések
Felbontás
Szabatosság
Képminőség
Spektrum
Adatgyűjtési és adatkinyerési módszerek Új technológiák
Terepi felbontás • A légi fotogrammetria szempontjából elérhető terepi felbontás jelenleg 2,5 cm-nél tart • A gyakorlatban leginkább 20 – 5 cm terepi felbontású légifelvételek használatosak kataszteri, topográfiai és egyéb térképek aktualizálására Független forrásból: http://aerometrex.com.au/blog/?p=217 • Magyarországon a légi fotogrammetria szempontjából elérhető terepi felbontás jelenleg 0,5 cm • A gyakorlatban leginkább 50 – 5 cm terepi felbontású légifelvételek használatosak
A geometriai felbontás jelentősége • Beolvadás – geometriai eltolódás → Statisztikai hibák • Felismerhetőség • Lehatárolhatóság
40 cm terepi felbontás nagyítva
Terepi felbontás 2 cm, …
5 cm
10 cm
Terepi felbontás
Kaposvár 2012 - Interspect IS 4
6 és 10 cm terepi felbontású felvétel
(Bakó 2010)
Épületek észlelhetősége, lehatárolásuk pontossága a felbontás függvényében
(Bakó 2010)
Földutak és kopárok észlelhetősége, lehatárolásuk pontossága a felbontás függvényében
(Bakó 2010)
Tájsebek, humuszos réteget vesztett talajfelszínek (kopárok) által fedett területek lehatárolásának eredménye különböző terepi felbontású felvételekből kiindulva
(Bakó 2010) •
(Bakó 2010)
Minden tudományos értékű adatgyűjtés megkívánja a feladatnak megfelelő módosításokat -Térképezés részletességének megválasztása -Spektrumok helyes megválasztása -Felmérési időszak megválasztása -Megfelelő időjárási, légköri körülmények -A feladat sikere a felvételezési idő csökkentésén is múlik
A digitális kép dinamikájának alakulása
Dinamika •
A digitális felvétel dinamikáját nem csak a fényképezőgép képérzékelője, de a szenzoron jelentkező elektromos jeleket átalakító processzor és algoritmus minősége is befolyásolja.
•
Árnyalatgazdagság: Minél több különböző fényességű pontot tud a fényképezőgép érzékelője elkülöníteni a két szélsőérték között, annál pontosabban ábrázolja a valóságot.
•
Árnyalatterjedelem szélessége: a képen található legsötétebb és legvilágosabb pont közti különbség.
•
Felvételi tágasság, vagy megvilágítás-terjedelem: az érzékenységi küszöb és a maximális érzékenység expozíciós tengelyen mért távolságától függ. Minél nagyobb ez a távolság, annál nagyobb az anyag tágassága. Az árnyalatterjedelem és a tágasság meghatározza az eszközzel elérhető árnyalatgazdagságot.
•
(Fontos tényező az érzékelési tartomány is).
Nagy árnyalatterjedelem, de gyenge árnyalatgazdagság
A tágasság növekedése (az árnyalatrészletesség növekedésével)
A tágasság növekedése (az árnyalatrészletesség növekedésével)
A tágasság növekedése (az árnyalatrészletesség növekedésével)
A tágasság növekedése (az árnyalatrészletesség növekedésével)
A tágasság növekedése (az árnyalatrészletesség növekedésével)
Dinamika • Azonos felszínrészlet:
GoogleEarth
Légifelvétel-térkép
Szabatos ortofotók mozaikolása A denzitás a mozaikolásnál is lényeges!
(Bakó 2010)
- A geometriai hibák nem okoznak eltéréseket - Az árnyalatgazdagság segíti a beolvasztást
Távérzékelés fotogrammetria nélkül?
? A Fővárosi Állat- és Növénykert világrekord felbontású légifelvétel-térképe
Távérzékelés fotogrammetria nélkül?
?
?
? ?? ??? ? ?
Rendszert kell képezzen • Távérzékelés • Fotogrammetria • Térképészet • Térinformatika
Ismételt diszkrét megvilágítási időintervallumok
Ismételt diszkrét megvilágítási időintervallumok Centrális vetítésű alapfelvételek Kezelhető, könnyen feldolgozható állományok
Kalibrált mérőkemera lencsekorrekciója
© Bakó Gábor
Kalibrált mérőkemera lencsekorrekciója
Szabatosság • Légi vagy űrfelvétel
• Domborzatmodell Felületmodell
• Ortofotó-térkép
Egyszerű mozaik
Geometriai hibáktól terhelt
Felvétel térképi vetületbe illesztése
1941-42 országfotó (nem készült el az egész országra)
A geometriai pontossága tovább javítható
Képtranszformáció
Ortofotó
A szabatos légifelvétel-térkép alapja
Viharkár ortofotó-térkép részletén
Digitális terepmodell
Digitális domborzatmodellre rektifikált kép
Munka 5 cm pontosságú ortofotón
Ortofotó készítéskor felmerülő hibák és kiküszöbölésük
A domborzatmodell hibájából adódó geometriai pontatlanság
A domborzatmodell hibájából adódó geometriai pontatlanság
Ortofotó készítés egy blokkban, sugárnyaláb kiegyenlítéssel
Ortofotók (veszprém 2012 január) (Interspect)
RGB ortofotó mozaik alaptérképpel
Képelemzés
Reflektancia görbék
Ortofotó mozaik (CIR csatorna kombináció)
Vágó János, Seres Anna, Hegedűs András, 2011
Képelemzés Az anyagoknak jellegzetes reflektancia görbéje van, mely megmutatja, hogy az adott anyag (pl. növényfaj, ásvány, kőzet, talajtípus) az elektromágneses sugárzás különböző hullámhosszain milyen mértékben nyel el, illetve ver vissza. Ez a tulajdonság megkönnyíti a multi- és hiperspektrális felvételeken történő elkülönítést.
Előfordulhat azonban, hogy két vagy több anyag a sugárzást egy bizonyos hullámhossztartományban nagyon hasonló arányban veri vissza, ezért az adott sávban készült képen nem vagy csak bizonytalanul különböztethetők meg. Ezért a csatornák együttes, komplex elemzését alkalmazzuk.
NDVI : normalizált növényzeti mutató (Normalized Difference Vegetation Index,). NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)
A növények a fotoszintézishez a nagyobb energiamennyiséget szállító látható fény hullámhossz-tartományát használják fel, míg a kisebb energiájú közeli infravörös (Near Infrared, NIR) tartományt kevésbé. Ezért a látható fény tartományaiban inkább elnyelnek (a pixelek sötétebbek), míg a közeli infravörösben inkább visszavernek (a pixelek világosabbak). Vagyis minél nagyobb egy adott területen a mért sugárzás (a képen a pixelérték) különbsége a látható vörösben (Red) és a nem látható közeli infravörösben (NIR), annál dúsabb és egészségesebb növényzettel borított. Értéke -1 ≤ NDVI ≤ 1 lehet.
Jellemző NDVI értékek • sűrű és egészséges növényzettel való borítottság esetén 0,3–0,8 közötti, • felhős és havas-jeges területeken negatív érték, • nyílt, növényzetben, planktonban gyér vízfelületek esetén nulla körüli
Árnyék probléma
További indexek • Növényzeti mutató (Ratio Vegetation Index, RVI): RVI=NIR/RED • Vegetációs különbség (Difference Vegetation Index, DVI): DVI=NIR-RED • Agyagásvány index = TM5 (1550-1750 nm)/TM7 (2090-2350 nm) • Vasoxid index = 630-690 nm/450-515 nm • Hidrotermális ásványok indexe = TM5(1550-1750 nm)/TM7 (2090-2350 nm) v. TM3 (630-690 nm)/TM1(450-515 nm)
A vizsgálatok alapján új szenzorcsalád született • 2009: A világ legnagyobb terepi felbontású légifelvétel-térképe területegységre vonatkoztatva • 2011: A legnagyobb részletességű képvándorlásmentes nagysebességű légifelvétel (300 km/h – 0,5 cm) • 2012: A világ legnagyobb terepi felbontású légifelvétel-térképe területegységre vonatkoztatva
2012
Interspect IS 2 Felbontása: 60,5 MP (8984 x 6732) vagy 26 MP Elérhető terepi felbontás: 0,5 cm Spektrális felbontás RGB (12.5 f-stops (>72 db) dinamikai tartománnyal), és 2 NIR + 3 beállítható spektrumú csatorna Sebesség: Minimális záridő: redőnyzárral 1/8000 Kiolvasási sebesség: 0,4 sec Objektívek: f=14 – 500 mm FOV f=80 mm esetén: 40 ⁰, 27⁰ Érzékelő: 1 db 53,9 mm x 40,4 mm DALSA CCD (6,0 x 6,0 µ) 2 db 21 MP CMOS (6,1 x 6,1 µ) Repülésirányító szoftver: INTERSPECT CONTROL PRO1.1 Moduláris jelleg: 4 RGB fej Tömege: 74 kg Energia felvétele: 70 W
Az alkalmazott CMOS szenzorok spektrális érzékenysége 400 – 1100 nm tartományban
Csatorna
Csúcsérték nm
Spektrális tartomány nm
Csatorna
Csúcsérték nm
Fotogrammetriai úton előállított háromdimenziós modell
Spektrális tartomány nm
Kék
470
380 - 510
NIR1
810
580-970
Zöld
544
500-585
NIR2
850
790-1040
Piros
640
580-740
UV
365
355 -400
Zalaegerszeg fotogrammetriai úton előállított terepmodelljének részlete (2011, Interspect)
Felbontás nyújtotta előnyök
Dinamika nyújtotta előnyök
A vörösiszap-katasztrófa elöntési modellje Populus
az ortofotó-térképpel ellenőrizve
10 cm terepi felbontású ortofotónk részlete
Csupán az RGB csatornák elemzésével: az előosztályozás egyik fázisa
Csupán az RGB csatornák elemzésével: az előosztályozás egyik következő fázisa
Vegetáció és felszínborítás térkép
Vegetáció és felszínborítás térkép három dimenzióban
Dőlt kameratengelyű erdészeti felmérés alapképének részlete
Légi tá távérzé rzékelé kelés
Légi tá távérzé rzékelé kelés
– Tudományos, közigazgatási, települési, erdészeti, valamint marketing feladatok
– Tudományos, közigazgatási, települési, erdészeti, valamint marketing feladatok
– Légifelvé gifelvételtel-térké rkép
– Légifelvé gifelvételtel-térké rkép
• Nagy felbontás (0.5 - 50 cm) • Kiemelkedő geometriai pontosság • Spektrá Spektrális felbontá felbontás (UV,VIS,IR,TIR)
• Nagy felbontás (0.5 - 50 cm) • Kiemelkedő geometriai pontosság • Spektrá Spektrális felbontá felbontás (UV,VIS,IR,TIR)
Légi tá távérzé rzékelé kelés – Tudományos, közigazgatási, települési, erdészeti, valamint marketing feladatok – Légifelvé gifelvételtel-térké rkép • Nagy felbontás (0.5 - 50 cm) • Kiemelkedő geometriai pontosság • Spektrá Spektrális felbontá felbontás (UV,VIS,IR,TIR)
Interspect IS 3 légifelvétel RGB csatornái
Interspect IS 3 közeli infravörös csatornát tartalmazó légifelvétel kompozit (CIR)
KODAK szabványhoz igazított IS 3 digitális CIR
Távérzékelés
Multispektrális csatornák és osztályozás
A gátszakadás modell ellenőrzése
Felszíni víztestek szerves szennyezőinek, lebegőanyag tartalmának és ökológiai állapotának becslése, analitikai és Biológiai monitoring vizsgálatok térbeli kiterjesztése
A terület 10/2000 (IV.2.) KÖM-EÜM-FVM-KHVM együttes rendeletben meghatározott szennyezettségi határértéket túllépő elemei
Kadmium
felszíni (f) mély (m)
3,0
kontroll felszíni (kf) kontroll mély (km)
2,5
mg/kg sz.a.
2,0
1,5 szennyezettségi határérték
1,0
0,5
mintavételi hely INTERSPECT
B&Bf
C6m
C4m
C3f
C1f
E2m
E1f
B14m
B13f
B11m
B10f
B8m
B7f
B5m
B4f
B2m
B1f
K1m
A15f
A13m
A12f
A10m
A8f
A6m
A5f
A3m
A2f
0,0
Invazív növényfajok feltérképezése nagyfelbontású ortofotó-térkép segítségével
INTERSPECT
Illegális hulladék elhelyezés
INTERSPECT
A régészeti park
© Bakó Gábor
© Bakó Gábor
A bemutatásra feltárt 115. számú halomsír a Százhalombattai Régészeti Parkban
© Bakó Gábor
Az IS4 rendszerrel 2012.06.15-én készített állomány: terepmodell az ortofotón
A háromdimenziós ortofotó a tengerszinthez viszonyítva (valós kiemelés)
A háromdimenziós ortofotó a tengerszinthez viszonyítva
A terület áttekintése
© Bakó Gábor
Munkaterület dokumntálása
2010. április 29.
© Bakó Gábor
További halmok nyomában
© Bakó Gábor
© Bakó Gábor
WorldView 2
2008.08.30 2009.07.31.2009.09.27
Archív légifelvételek beszerzését, digitalizálását, georeferálását vállaljuk
A Badacsony 1928-ban www.interspect.hu/archivum.html
üvegnegatív
Törött üvegnegatív
Hiányos üvegnegatív
Hiányos üvegnegatív
felvételek helyreállítása
felvételek helyreállítása
felvételek helyreállítása
felvételek helyreállítása
felvételek helyreállítása
felvételek helyreállítása
www.rsgis.hu Köszönöm a figyelmet!
SCMC Felbontása: 185,2 MP (15811 x 11713) vagy 60,5 MP (8984 x 6732) Elérhető terepi felbontás: 1,8 cm Spektrális felbontás RGB (12.5 f-stops (>72 db) dinamikai tartománnyal),
Sebesség: Minimális záridő: redőnyzárral 1/8000 Kiolvasási sebesség: 1,7 sec Objektívek: f=28, 35, 45, 55, 80, 110, 120, 150, 210 mm és 240 mm FOV f=80 mm esetén: repülésirányra merőleges látószög: 37⁰ látószög repülésirányban: 28⁰ Érzékelő: 4 db 53,9 mm x 40,4 mm DALSA CCD 6,0 x 6,0 µ elemi képponttal Repülésirányító szoftver: INTERSPECT CONTROL PRO1.1 Moduláris jelleg: 4 RGB fej Tömege: 280 kg Energia felvétele: 840 W
