Systémy dálkového průzkumu Země

Lucie Kupková, Přemysl Štych Katedra aplikované geoinformatiky a kartografie PřF UK v Praze E-mail: [email protected], [email protected]

Systémy dálkového průzkumu Země

O čem bude přednáška Co je to dálkový průzkum Země ž Data a systémy DPZ ž Aplikace, využití DPZ ž Praktická část

ž

Co je to dálkový průzkum Země ž

Dálkový průzkum – získávání informací o objektech na dálku.

ž

„Dálkový průzkum Země je věda i umění získávat užitečné informace o objektech, plochách či jevech prostřednictvím dat měřených na zařízení, která s těmito zkoumanými objekty, plochami či jevy nejsou v přímém kontaktu.“ (Lillesand, Kiefer)

ž

„Dálkový průzkum je umění rozdělit svět na množství malých barevných čtverečků, se kterými si lze hrát na počítači s cílem odhalení jejich neuvěřitelného potenciálu.“

ž

„ Dálkový průzkum Země (DPZ) se zabývá pořizováním leteckých a družicových snímků, jejich zpracováním a analýzou za účelem tvorby topografických či tematických map.

DPZ – schéma

1 zdroj záření 2 průchod atmosférou 3 interakce se zemským povrchem 4 odraz skrz atmosféru 5 snímací zařízení

6 produkt snímacího zařízení (snímek) 7 interpretace a analýza 8 informační produkt 9 uživatelé

Podstata DPZ DPZ využívá elektromagnetické záření ž Elektromagnetické spektrum zahrnuje elektromagnetické záření všech možných vlnových délek – 20 řádů, od 10-7 μm (kosmické záření) do 109 μm (televizní a rádiové vlny) ž Snímky zaznamenávají intenzitu elektromagnetického záření v určité vymezené části (intervalu) spektra …. ale ne jen ve viditelné části spektra

ž

Základní oblasti spektra využitelné v DPZ ž

V důsledku vlivů atmosféry (pohlcování, rozptyl záření) lze snímky vytvářet pouze v určitých částech spektra (atmosférická okna): — — — — — —

ultrafialové záření (0,1–0,4 μm) viditelné záření (0,4–0,7 μm) infračervené záření blízké (0,7–1,4 μm) infračervené záření střední (1,4–3 μm) tepelné záření (3 μm – 1 mm) mikrovlnné záření (1 mm – 1m)

Viditelné záření (0,4–0,7 μm) ž

V oblasti viditelného záření pracují všechny konvenční metody a také většina družicových systémů.

ž

Je nejvyužívanější částí spektra především z historického hlediska.

ž

Neprochází oblačností a mlhou, lze ho zaznamenávat pouze v denních hodinách.

ž

Značný rozptyl a pohlcování má za následek např. ztrátu kontrastu viditelných snímků.

ž

Ve srovnání s delšími vlnovými délkami je toto záření schopno procházet vodním sloupcem – především v modré části spektra. To umožňuje studovat mnoho fyzikálních i biologických vlastností vodních objektů.

ž

Jednotlivé horniny, minerály ani půda neukazují odlišnosti ve spektrálním chování ve viditelné části spektra.

Snímky ve viditelné části spektra ž

Změny v krajině v důsledku povrchové těžby

Most a okolí, srpen 1996

Infračervené záření (0,7–3 μm) ž

Tvoří pokračování atmosférického okna z viditelné části spektra.

ž

Je již méně pohlcováno a rozptylováno atmosférou.

ž

V důsledku toho jsou snímky ostré s dobrým kontrastem.

ž

Hodí se k topografickým účelům, důležité jsou tyto vlnové délky pro studium vegetace především v lesnictví a zemědělství, studium přírodních zdrojů, zástavby a vodních zdrojů

ž

Voda se v těchto vlnových délkách chová téměř jako absolutně černé těleso.

Snímky ve střední IČ části spektra

Mapování výskytu minerálů a hornin

Tepelné záření (3 μm – 1 mm) ž

Obsahuje dvě atmosférická okna v intervalu přibližně 3-5 a 8-12 mikrometrů.

ž

Snímků se používá např. ke zjišťování povrchové teploty oceánů (SST), k mapování tepelného znečištění řek a jezer i samotné krajiny, k lokalizaci lesních požárů apod.

ž

Protože v oblasti 3-5 mikrometrů je ještě množství odraženého záření poměrně značné, k měření radiační teploty lze využívat pouze nočních hodin.

ž

V oblasti 8-12 mikrometrů je již množství odraženého slunečního záření ve srovnání s emitovaným zářením velmi malé, těchto vlnových délek potom lze využít ke zjišťování radiační teploty i během denních hodin.

ž

K přesným kvantitativním měřením je nutná dobrá znalost tzv. emisivity objektů a procesů, které ovlivňují záření v atmosféře.

ž

V případě přesné kalibrace umožňují snímky získávat poznatky o tepelné bilanci objektů

Termální snímky – studium vulkánů

Mikrovlnné záření (1 mm – 1 m) ž

Je využíváno pasivními i aktivními metodami (RADAR).

ž

Tyto dlouhé vlnové délky mohou za vhodných podmínek pronikat i pod povrch.

ž

Nejméně závisí na podmínkách počasí, je výrazně zeslabováno pouze v případě vydatného deště.

ž

Intenzita přirozeně emitovaného mikrovlnného záření je velmi nízká, musí měřící zařízení k zachycení zjistitelného signálu měřit toto záření na poměrně velké ploše.

ž

To je příčinou malého prostorového rozlišení dat získaných pasivními metodami v mikrovlnné části spektra.

ž

Značný rozvoj zaznamenávají aktivní systémy, poskytují data využitelná především pro studium reliéfu, plovoucího ledu, v geomorfologii, v lesnictví i v zemědělství.

ž

Pomocí aktivních mikrovlnných systémů lze získat i neobrazová data, informace o výškových poměrech, o řadě meteorologických prvků atd.

Radarové snímky – mapování polárních oblastí

Ovlivnění záření na zemském povrchu ž

Elektromagnetická energie může být odrážena či pohlcována.

ž

Dva objekty, které odrážejí podobné množství záření v jednom intervalu vlnových délek, mohou v jiném intervalu odrážet rozdílné množství energie.

ž

Množství pohlcené či odražené energie ovlivňuje fyzikální a chemické vlastnosti povrchů (teplota, obsah vody či organických látek, drsnost povrchu atd.)

ž

Odrazové vlastnosti povrchů v závislosti na vlnové délce a na fyzikálních a chemických vlastnostech povrchů formují jejich tzv. SPEKTRÁLNÍ CHOVÁNÍ.

Spektrální chování – křivky spektrální odrazivosti ž ž

ž

Spektrální charakteristika – závislost odrazivosti nebo emisivity dané látky na vlnové délce Odrazivost a emisivita jsou funkcí elmag. vlastností látky — Druhové parametry (vodní plocha, zpevněná plocha, jehličnatý les…) — Stavové parametry (vlhkost, příměs, stáří…) Křivka spektrální odrazivosti

Vegetace – vliv obsahu vody

_

ˇ+ http://speclib.jpl.nasa.gov/

Spektrální vlastnost povrchu (spektrální signatury)

Digitální snímek a jeho vlastnosti ž ž

Digitální snímek se skládá z tzv. obrazových prvků – pixelů Každý pixel je charakterizován hodnotou DN (digital number).

Spektrální rozlišení ž ž

Počet vytvářených snímků v MS režimu Šířka intervalu zaznamenaných vlnových délek

panchromatický snímek

multispektrální snímky

hyperspektrální snímky

Prostorové rozlišení ž

Zhruba odpovídá velikosti obrazového prvku

Družice

Pixel

METEOSAT 7 NOAA 17 LANDSAT 7 SPOT 5 QuickBird

2,5–5 km 1,1 km 30 (15) m 2,5 (10) m 2,8 (0,65) m

Časové rozlišení ž

Frekvence, s jakou systém vytváří snímky stejného území

Družice

Časové rozlišení

Šířka scény

METEOSAT 7 NOAA 17 QuickBird LANDSAT 7 SPOT 5

30 minut 12 hodin 2–4 dny 16 dnů 26 dnů

polokoule 2 600 km 11 km 185 km 60 km

RGB kompozit ž

Pro vizualizaci a interpretaci používáme specializované počítačové programy, které jsou schopné zobrazit jednotlivé snímky v tzv. barevném kompozitu.

Jednotlivá pásma zobrazujeme základními barvami červeně (Red) zeleně (Green) modře (Blue) Ze tří vybraných pásem můžeme utvořit RGB barevný kompozit, který v různých barevných odstínech zobrazuje projevy z těchto tří spektrálních pásem.

Barevná syntéza (multispektrální snímky) ž

Zobrazovací zařízení používají RGB systém

Vstupní pásmo R

G

B

0

0

0

Výsledný odstín

0,4-0,5 μm

černá 0,5-0,6 μm

30

30

30

tmavě šedá

0

120

0

tm. zelená

0

255

0

zelená

255

255

0

žlutá

210

210

210

světle šedá

255

255

255

bílá

0,6-0,7 μm

Syntéza v nepravých barvách 0,5–0,6 μm

0,6–0,7 μm

0,8–0,9 μm Snímek z infračervené části spektra

Družicové systémy Mají solární panely, které produkují elektřinu, antény pro přenos dat a senzory pro monitorování povrchu Země (jeden nebo více). ž Financování státní, vojenské, soukromé společnosti (Digital Globe – QuickBird, WorldView I, II) ž Obíhají po různých dráhách – orbity – podle toho, jaký fenomén mapují ž

Meteosat Second Generation ,

MSG

Meteosat Second Generation ,

MSG

Meteosat Second Generation ,

MSG

Meteosat Second Generation ,

MSG

Meteosat Second Generation ,

Francouzská Guayana, Kourou; Ariane 5

MSG

Meteosat Second Generation ,

Francouzská Guayana, Kourou; Ariane 5

MSG

Meteosat Second Generation ,

Francouzská Guayana, Kourou; Ariane 5

MSG

Meteosat Second Generation ,

MSG

GOES 8, 9, 10, …

Meteosat / MSG

Meteosat, MSG

EnviSat

Radarsat

MSG

Meteosat, MSG Spektrální kanály přístroje SEVIRI • • • • • • • • • • •

kanál kanál kanál kanál kanál kanál kanál kanál kanál kanál kanál

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11

•

kanál 12

VIS 0.6 VIS 0.8 IR 1.6 IR 3.9 WV 6.2 WV 7.3 IR 8.7 IR 9.7 IR 10.8 IR 12.0 IR 13.4

0.56 - 0.71 µm 0.74 - 0.88 µm 1.50 - 1.78 µm 3.48 - 4.36 µm 5.35 - 7.15 µm 6.85 - 7.85 µm 8.30 - 9.10 µm 9.38 - 9.94 µm 9.80 - 11.80 µm 11.00 - 13.00 µm 12.40 - 14.40 µm

HRV

0.5 - 0.9 µm

2005-01-06 12:00

0.6 µm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

0.8 µm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

1.6 µm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

3.9 µm (REF) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

3.9 µm (IR) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

6.2 µm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

7.3 µm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

8.7 µm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

9.7 µm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

10.8 µm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

12.0 µm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

13.4 µm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

RGB: bands 1,2,9

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

RGB: bands 3,2,1

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

2005-01-06 12:00

RGB: bands 9,10,5

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

Využití družicových snímků

Quickbird Družice s vysokým rozlišením

Příklady aplikací dat NOAA

Teplota oceánů z dat AVHRR

Oblačnost, bouře. Původní rozlišení dat 1.1.km, syntéza kanálů 1, 2 a 4 senzoru AVHRR.

Mapováni tloušťky ozónové vrstvy

Změny vegetačního pokryvu

Na datech zvýrazněných pomocí NDVI je akcentována vegetační složka a vynikne tak změna – úbytek vegetace (tropického deštného lesa), k němuž došlo mezi lety 1973 a 2003 v povodí řeky Paraná.

1973

2003

Globální koncentrace Chlorophylu a (g/m3) vypočítaná z dat SeaWiFS Imagery Data byla pořízená od 3.9. 1997 do 31.12. 1997

Jensen, 2006

Mapování SST (Sea Surface Temperature) z družicových měření Výpočet SST ze snímků družice NOAA AVHRR

Aplikace v oblasti (sub)urbánního rozvoje ž

Monitorování růstu a funkčních změn měst a jejich zázemí (projekt MURBANDY)

Praha a zázemí – využití krajiny v roce 1953.

Praha a zázemí – využití krajiny v roce 1998.

Změny povrchové teploty vlivem kalamity kůrovce na Šumavě July 11th, 1987

July 28th, 2002

Surface temperature

July 11th, 1987

July 28th, 2002

Hais, M., Kučera, T. (2008): Surface temperature change of spruce forest as a result of bark beetle attack: Remote sensing and GIS approach. European Journal of forest research. 127, 327-336.

Mapování rozsahu povodní

Střední tok řeky Moravy 14.7.1997

Obraz soutoku Labe a Vltavy v období záplav v roce 2002 pořízený senzorem ERS-2 SAR. Jedná se o barevnou syntézu dvou snímků. První byl pořízen 7.8.1998 (červená a zelená složka výsledného obrazu) a druhý v době záplav 16.8.2002 (modrá složka obrazu). Zaplavené oblasti jsou tak zvýrazněny modře.

Dunaj 2002

Landsat TM

Ukázky povodní na družicových datech

Mississippi 1988

1993

Landsat TM

Mapování ropných skvrn

Snímek zachycující ropnou skvrnu způsobenou havárií tankeru Prestige u severozápadního pobřeží Španělska byl pořízen senzorem ENVISAT/ASAR 17.11.2002. Ropná skvrna se jeví tmavší v porovnání s okolním povrchem moře. Tanker a ostatní lodě jsou patrné jako malé světlé body.

DPZ a vzdělávání ž

ESA – http://www.esa.int/esaCP/index.html — KIDS – http://www.esa.int/esaKIDSen/ — EDUSPACE – LEOWORKS

http://www.eduspace.esa.int/eduspace/main.asp ž

ARCDATA http://www.arcdata.cz/oborova-reseni/gis-voborech/vzdelavani/zakladni-a-stredni-skolstvi/kde-uzzacali/

ž

GLOBE – Multispec http://cobweb.ecn.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/ http://www.globe.gov/

Odkazy NASA ž http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/geomorphology ž http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/additional/sciencefocus/science_focus.shtml Earth from Space ž http://www.earthfromspace.si.edu/default.asp ž http://www.earthfromspace.si.edu/resources.asp USGS ž http://www.usgs.gov/pubprod/ Česká kosmická kancelář ž http://www.czechspace.cz/ GISAT ž http://gisat.cz/content/cz ARCDATA ž http://www.arcdata.cz/produkty-a-sluzby/software/itt-vis/ ž http://www.arcdata.cz/produkty-a-sluzby/geografickadata/druzicova-data/

Odkazy Informace o družicích Landsat: http://cs.wikipedia.org/wiki/Landsat ž ž http://landsat.gsfc.nasa.gov/ http://landsat.usgs.gov/ ž ž http://www.gisat.cz/content/cz/dpz/prehled-druzicovychsystemu/landsat Zdroje dat Landsat: http://edcsns17.cr.usgs.gov/NewEarthExplorer/ ž ž http://www.glcf.umd.edu/data/ ž http://glovis.usgs.gov/

Děkujeme za pozornost Otázky?