Dálkový průzkum Země

 

Základní pojmy :

Dálkový průzkum země se zabývá pořizováním leteckých a družicových snímků, jejich zpracováním a analýzou za účelem tvorby topografických tématických map.

 

-          Není v přímém kontaktu s danými jevy či plochami.

-          Data se pořizují z letadel či z družic.

-          DPZ snímky analyzuje a dále zpracovává.

-          Termín DPZ je omezen na metody využívající elektromagnetické záření.

-          Používá se více intervalů spektra.

-          DPZ je nejdražší způsob jak vytvořit obrázek

 

Rozdělení metod DPZ :

Každý snímek obsahuje dva druhy informací. (Co?, Kde?)

-          Tématická – informace o druhu objektu (fotogrammetrie)

-          Geometrickou – informace o poloze objektu

 

DPZ se skládá ze tří částí :

-          část kosmická (pořizování a sběr obrazových dat)

-          část zpracovatelská (přenos a prvotní předzpracování dat na přijímacích stanicích

-          část uživatelská (analýza uživatelských dat a jejich využití v praxi)

 

Metody snímání zemského povrchu :

-          konvenční (výsledkem je fotografie)

-          nekonvenční (obrazový záznam (není to fotografie))

 

-          přímé

-          nepřímé

 

-          pasivní (spoléhám na přírodní zdroj záření)

-          aktivní (nepoužívám přírodní zdroj záření, ale vysílám paprsek záření sám (radar))

 

Stručný historický přehled :
1) Historické období do I.světové války

-          L.da Vinci, I.Newton, W.Herschel

-          1839 – objev fotografie

-          1858 – první fotografie pořízená z balónu (NADAR – městečko Bievre u Paříže)

-          1860 – Boston vyfotografován z balónu

-          1906 – fotografie San Francisca po zemětřesení, komora na draku

-          1906 – první fotografie Prahy z balónu

-          1909 – první fotografie z letadla (W.Wright, Centocelli, Itálie)

-          Analogová fotogrammetrie

-          Snímkování pro letecké účely

 

2) Období rozvoje leteckého snímkování – do konce 50.tých let 20. století

-          1956 – civilní využití infračervené fotografie pro detekci škod na vegetaci

-          1958 – první fotografie zemského povrchu z družice (EXPLORER VI)

-          Atlasy leteckých snímků

-          Rozvoj metod interpretace snímků

 

3) Období rozvoje družicového snímání – do roku 1972

-          1960 – první meteorologická družice (TIROS I)

-          Monitorování počasí – geostacionární družice

-          Analytická fotogrammetrie, tvorba a obnova topografických map

-          60.léta – využití leteckých snímků z RADARU pro civilní mapování

4) Digitální dálkový průzkum Země – od roku 1972

-          1972 – ERTS (LANDSAT I) – první družice pro výzkum přírodních zdrojů Země

-          1986 – SPOT

-          1999 – IKONOS – první soukromá družice

-          Digitální obrazové záznamy nahrazují fotografii

-          Tématické mapování zemského povrchu

-          Globální monitorování životního prostředí

-          Digitální zpracování obrazu

-          DPZ jako nedílná součást geoinformatiky

 

 

Fyzikální podstata DPZ :

-          médium je elektromagnetické záření

-          složeno z elektrické a magnetické vlny, vzájemně jsou pootočeny o 90°.

-          Popis pomocí vlnové délky λ, frekvence ν (c = λ . ν)

-          Dále je důležité elektromagnetické spektrum – 20 řádů, od 10-7mkm (kosmické záření) do 109 (televizní a rádiové vlny)

 

Stefan-Bolzmanův zákon – model tzv.absolutně černého tělesa

Čím delší vlnová délka, tím nižší obsah energie má záření. To má velký význam pro DPZ. Přirozeně emitované dlouhovlnné záření bude hůře zjistitelné než energie krátkovlnná. Nízký obsah energie dlouhovlnného záření znamená, že systémy operující v dlouhých vlnových délkách musí při jednom měření snímat velké plochy zemského povrchu, aby přijali signál, který bude měřící aparatura schopna zaznamenat.

 

Wiennův zákon posuvu

Vlnová délka, již přísluší maximální intenzita vyzařování (λ max)

 

Kirkhofův zákon

Reálné objekty o stejné teplotě mohou vyzařovat různé množství energie, avšak vždy menší, než tzv. „absolutně černé těleso“.

Mr – reální těleso, Ma – absolutně černé těleso, ε – emisivita


 

Ovlivnění elektromagnetického záření ATM.

Pohlcování – O3

Propustnost atmosféry (P) závisí na vlnové délce záření (ATM.okna)

 

Základní oblasti spektra využitelných v DPZ

-          Ultrafialové záření (0,1 až 0,4 mikrometru) (aktivní met., ner.ložiska, rop.skvrny)

-          Viditelné záření (0,4 až 0,7 mikrometru)

-          Infračervené záření blízké (0,7 až 1,4 mikrometru)

-          Infračervené záření střední (1,4 až 3 mikrometry)

-          Tepelné záření (3 mikrometry až 1 mm)

-          Mikrovlnné záření (1mm až 1m)

 

Viditelné záření

-          světlo modré (0,4 – 0,5 mikrometru)

-          světlo zelené ()

-          světlo červené ()

výhodou jsou přirozené barvy – snadná interpolace (rozpoznání) – objekty jsou na obrázku tak, jak je vidíme v přírodě. Nevýhoda je nutnost dobrých atmosférických podmínek (bezoblačné počasí, mlha, déšť apod.)

 

Záření je v těchto vlnových délkách nejvíce rozptylováno – často je nutno použít korekcí či filtrů.

 

Záření o těchto vlnových délkách není výhodné pro tématické mapování (všechna vegetace je zelená apod...)

 

Výhodou je, že modré světlo proniká vodním sloupcem (zhruba do 20m.)

 

 

Infračervené záření blízké

Využívá se konvenčních metod (u vlnových délek do 0,9 mikrometru) – je tedy možné zachytit na fotografický film. Fotografie jsou mnohem kontrastnější jak ty, pořízené ve viditelné části spektra. Přestávají působit atmosférické podmínky. Vegetace v těchto vlnových délkách odráží záření více výrazně odlišně (a různé druhy jinak) než viditelné záření. Používá se např. k topografickým účelům.

 

Infračervené záření střední

Požívá se v geologii – výzkum minerálů a půd – výrazná odlišnost v odrazivosti. Vegetace červeně.

 

Tepelné záření

Využívá se odraženého záření od daných objektů – dá se využít v noci. Snímky budou vypovídat nikoliv o povrchu, ale o objektech a  teplotě na Zemském povrchu. Aplikace v meteorologii. Metoda měření teploty se nazývá „radiační“. Využitelné při sledování teplotních změn na povrchu, teplotního znečištění apod.

 

Mikrovlnné záření

Velice málo intenzivní. Používají se hlavně aktivní metody (radar). Existují i pasivní detektory, využitelné však pouze na globální úrovni. Nejmenší závislost na počasí, možno využít i v noci. Čím je povrch hladší, tím více záření odráží. Využívají se pro zjištění výškových poměrů – tedy vytváří určité výškové modely.

 

Spektrální chování

Odrazivost (R, Ró) . (Mr = odražené záření, Mi = přijaté záření)

Spektrální chování určuje, při jaké vlnové délce bude daný povrch odrážet jaké množství záření.

 

Spektrální chování je modifikováno třemi vlastnostmi

        Druhem látky/její chemické složení (jinak voda, jinak vegetace).

        Fyzikální stav daného objektu – dynamicky se mění (dešťová voda apod.)

        Stav okolí (stav atmosféry apod.)

 

Spektrální chování základních druhů povrchů

Obr. 2.8., strana 23 – skripta

 

Odrazové vlastnosti vegetačního krytu jsou formovány :

-          vnějším uspořádáním vegetačního krytu

-          vnitřní strukturou jednotlivých částí rostlin

-          vodním obsahem

-          zdravotním stavem

-          vlastnostmi půdního substrátu

 

Vegetace nejvíce odráží zelené záření, pohlcuje B a R.

 

Spektrální projevy vody

-          oproti jiným materiálům či povrchům jde o látku poměrně homogenní

-          může se na snímcích vyskytovat v různých skupenstvích, jejíž odrazové vlastnosti jsou růzé

-          její odrazové vlastnosti jsou odlišné od jiných běžných povrchů

-          modifikuje spektrální chování všech látek v nichž je přítomna

 

Hyperspektrální snímkování

 

Každý druh povrchu má pro svůj typ typický spektrální příznak.

Spektrální prostor

Klasifikátor – rozhodovací pravidlo

 

Konvenční (fotografické) způsoby zobrazování zemského povrchu.

Hlavní přednosti letecké fotografie:

-          Úplný a bezchybný (z hlediska obsahu) pohled shora, nepodléhá generalizaci, ukazuje detaily i celky vyšších řádů

-          Podává informaci o okamžitém stavu různě intenzivních dynamických procesů

-          Jde o trvalý záznam, který lze opakovaně porovnávat s jinými zdroji informací

-          Oproti lidskému zraku se vyznačuje rozšířenou spektrální citlivostí (přibližně od 0,3 do 0,9 mikrometrů). Může postihnout jevy či vlastnosti nepostižitelné pouhým okem.

-          Vysoká prostorová rozlišovací schopnost a geometrická kvalita snímků. Na snímcích lze nalézt větší detail jak pouhým okem. Po zpracování lze přesně měřit vzdálenosti, plochy či úhly. (Fotogrametrie)

 

Fotografické materiály

Princip vzniku fotografie – negativ, pozitiv, diapozitiv

 

Množství od objektu odraženého elektromagnetického záření je úměrné stupni zčernání citlivé vrstvě negativu. Světlé a tmavé plochy pak skládají výsledný obraz.

 

 

Nejpoužívanější jsou citlivé vrstvy při leteckém snímkování.

-          panchromatické – citlivé k celému viditelnému spektru kromě modré

-          infrachromatická – citlivá k infračervené části spektra

 

Fotografické materiály barevné

Barevné snímky ve viditelném oboru spektra

-          film má tři vrstvy citlivé k základním barvám, modré, červené a zelené

 

Spektrozonální fotografie je barevná fotografie citlivá k infračervené části spektra

 

Vignetace – úbytek světla na snímku od středu ke krajům (nelze je mozaikovat)

 

Letecké snímkování

Původně jako podklad pro mapování

 

Letadlové nosiče

Letadla s co nejvyšším dostupem a relativně nízkou rychlostí (IL, CESSNA, DORNIER s rychlostí 110 až 360 km/hod a s dostupem 6000 – 8000 m.) Pro detailní snímky z malých výšek se využívá modelů.

 

Fotografické kamery

-          Řadové kamery – jednoobjektivové a víceobjektivové (multispektrální)

-          Štěrbinové kamery

-          Panoramatické kamery

 

Standardní rozměr fotografie je 23 x 23 cm – v pozitivu se nazývají „kontaktní kopie“

 

Součástí letecké měřičské fotografie

-          rámové údaje

-          kalibrační protokol

 

Geometrické vlastnosti letecké fotografie

 

Orientace snímků

-          snímky kolmé (úhel od svislice menší jak 3°)

-          snímky šikmé (s horizontem – high oblique)

-          snímky šikmé (bez horizontu – low oblique)

 

Pro geometrii letecké fotografie jsou typické:

-          kolísání měřítka

-          radiální posuny (od středu fotografie objekty „padají“, relief displacement)

 

Optické vlastnosti leteckého snímku

 

Kontrast
je to rozdíl mezi světlými a tmavými plochami

 

Ostrost

je to schopnost zachytit změnu kontrastu, hloubka ostrosti (vazba na výškové rozdíly)

 

Prostorová rozlišovací schopnost

je to schopnost odlišit na snímku jakékoliv dva sousední objekty.

-          rozlišovací schopnost 50 čar/mm rovná se 1/50 = 0,02mm

 

Oblačné jasné skvrny

Intenzivní odraz od okrajů kupovité oblačnosti a následné přezáření terénu.

 

Sluneční skvrna

Světlá skvrna většinou na vodních plochách vznikající zrcadlovým odrazem slunečních paprsků přímo do objektivu kamery.

 

Interpretace

DEF: výzkumná metoda, která zkoumá prostřednictvím snímků předměty a jevy na nich zobrazené a na základě jejich vlastností usuzuje na ty, které na nich zobrazeny nejsou.

 

Základem interpretace je proces rozpoznávání objektů na snímcích.

Proces rozpoznávání má tři etapy.

-          zjištění

-          rozpoznání

-          hypotéza

 

Rozpoznávání je založeno na porovnávání tzv. interpretačních znaků

 

Znaky, které existují na snímku i ve skutečnosti

-          tvar (antropogení – geometrické tvary)

-          stín (vlastní, vržený)

-          velikost (indentifikuje účel objektu)

-          barva (neodpovídají barvám, které normálně vnímám, umožnuje dobré rozpoznávání)

Pseudoskopický  jev – závisí na směru slunečního záření (např. při interpretaci výškových poměrů v horách apod.)

 

Znaky, existující pouze na snímku

-          tón (na BW fotografii je tón náhražkou barvy)

-          textura (tónová proměnlivost skládající se s elementů, které nejsem schopen rozpoznat)

 

Znaky, vyjadřující vztahy

-          struktura (vzorky – pattern, může být vícevrstevná, hierarchicky uspořádaná)

-          poloha (pomáhá identifikovat účel objektu)

 

Interpolační znaky ve formě interpretačních snímků

-          Výběrová

-          Vylučovací

 

Klíče jsou vždy regionálně a časově omezené

 

Existují klasifikační systémy využívané s obecnou platností

 

Jak získat letecké snímky

-          z vojenských zdrojů (VTOPÚ v Dobrušce) – od 50.let 20.stol., panchromatické snímky ve viditelné části spektra, měřítka od 1:10 000 po 1:30 000, nyní i v digitální podobě

-          Agentura ochrany přírody, většinou pro území CHKO, NP apod., snímkování tématické. www.nature.cz - seznam snímků včetně jejich parametrů, spektrozonální snímky v infračervené části spektra

-          Bývalé obecní úřady apod..., BW panchromatické snímky

-          Soukromé firmy zabývající se leteckým snímkováním (př.Geodis)

 

Nekonvenční metody

-          odlišná technika vytváření obrazu

-          velké spektrální rozlišení

 

Konvenční metody                         Nekonvenční metody

Vznikají najednou                        Vznikají postupně

0,3 – 0,9 mikr.m.                         0,3mikr.m. – 1m

Rozpoznávám objekty < 0,1cm       Rozpoznávám objekty <0,65cm (QuickBird)

Těžší porovnání jednotlivých obj.   Snažší možnost porovnání

Analogové snímání                       Digitální snímání

 

Přístroje pro nekonvenční snímání

 

Televizní systémy

Podobným způsobem jako v dnešní analogové televizi (1960 TIROS) zastaralý systém, ale v poslední době prožívá jakousi „renesanci“. – pojem Videography

 

Snímací rozkladová zařízení (SRZ)

Rozkladové zařízení, obsahuje radiometr (čidlo na měření radiace), druhým zařízením je Scanner. První zjišťuje míru radiace jednotkové plochy, scanner z ní poté zachycuje záznam. DN = digital number – jedná se o množství vyzářeného záření na jednotkové plošce či pixelu.

 

SRZ existují dvě skupiny, první je tvořena mechanooptickými zařízeními – více viz.[skripta]. Mechanooptická zařízení umožňují zachycovat termální snímky apod., příklad jsou meteorologické družice NOAA.

 

Druhým typem SRZ jsou elektrooptická zařízení. Více viz.[skripta]. – obrázky vzniklé tovhoto technologií mají přesnější optické rozlišení. (SPOT, IKONOS, prostorové rozlišení družic IKONOS je 1m).

 

Zobrazující zařízení

Primárním výsledkem práce ZZ je obrázek

 

Nezobrazující zařízení

Primárním výsledkem není grafický obraz, ale analýza – například graf. Příkladem může být například Altimetr.

 

Geometrické vlastnosti skenovaného obrazového záznamu

-          Radiální posuv

-          Kolísání velikosti obrazového záznamu – způsobeno projekcí

-          Tangenciální změna měřítka – způsobeno rychlostí posunu snímacího zařízení

 

Družicové systémy

-          družice bývají číslované (Tučňák 1, IKONOS, LANDSAT 7 apod...)

 

Rozdělení DS podle dráhy družice

jeden ze základních parametr, který ovlivňuje k čemu se dá použít výsledný snímek

 

Rovníková dráha (Geostacionární dráha)

Systémy 5ti a více družic umožňující monitorovat v podstatě celou zeměkouli. Například družice METEOSAT, která je zakotvena nad Guineiským zálivem., americké družice GOES E, W (East, West), GMS, poté částečně zapojeny čínská a indická družice.

 

Šikmá dráha

Svírá ostrý úhel s rovníkem (30 – 60°), výšky 300 až 600km nad zemským povrchem., snímá celou zeměkouli kromě oblastí vymezených svíraným úhlem s rovníkem.

 

Subpolární dráha

Synchronní se sluncem – znamená to, že nad každým místem nad zeměkouli se nachází ve stejnou dobu místního času. Například LANDSAT skenuje ČR jednou za 16 dnů v 10:00 ráno. Výška nad zemí od 700 do 1100 km nad zemským povrchem.

 

Základní charakteristika digitálního obrazového záznamu

Základní druhy záznamu :

 

Radiometrické rozlišení

Matice, kde každý člen matice nese počet úrovní, ve kterých je obrazový záznam zaznamenán. Určuje tedy množinu čísel, které se mohou objevit ve čtvercích matice.

Na cviku používáme 8bitů, tedy čísla od 0 do 255, družice NOAA používá 10bitů, tedy čísla od 0 do 1023. Radarové snímky používají ještě větší rozlišení.

 

Spektrální rozlišovací schopnost

 

Snímky v optické části spektra

Charakteristika I.

-          Zahrnuje viditelné, blízké a střední IČ vlnové délky od 0,4 do 3,0 mikrometru

-          Snímání je nejvíce závislé na podmínkách počasí (snímá se odražené sluneční záření, snímání „vadí“ oblačnost, nejde snímat v noci

-          Snímky se vyznačují nejlepší prostorovou rozlišovací schopností. Původně zpravodajské družice používající fotografických metod – velmi podrobné snímky – projekt CORONA.

-          U nekonvenčních metod dnes již prostorové rozlišení lepší jak 1m (IKONOS 1m pixel, QUICKBIRD 0,65m pixel)

Charakteristika II.,

-          Propracovaná teorie spektrálního chování objektů umožňuje použité automatických metod rozpoznávání objektů – klasifikaci (LANDSAT)

 

Hlavní oblasti aplikací

-          produkce topografických map : družice – od měřítka 1 : 10 000 – územní plánování, urbální studie, rozvoj měst.

-          Tvorba modelů terénu fotogrammetrickými postupy

-          Produkce tématických map : mapování druhů povrchů, studium vegetace – lesnictví a zemědělství, cílené zemědělské hospodaření (precision farming), ochrana životního prostředí, geologie a geomorfologie

-          Nedílná součást tématických vrstev GIS (analýza, modelování)

 

Projekty DPZ

MARS

(Monitoring Agriculture with Remote Sensing)

 

Projekt EU fungující od roku 1988, data z družic LANDSAT, SPOT, IKONOS a NOAA pro následující aktivity :

-          Kvantitativní odhady výměry ploch zemědělských plodin v jednotlivých regionech a státech

-          Monitorování aktuálního stavu vegetace a zemědělských plodin

-          Modely předpovědi výnosu vybraných zemědělských plodin

-          Odhady celkové produkce zemědělských plodin

 

MARS jako příklad prezentace kladů a záporů jednotné politiky EU

V rámci Common Agricultural Policy (CAP) představuje MARS kontrčolní systém pro poskytování dotací jednotlivým farmářům – mapování rozlohy osevních ploch konkrétními plodinami

 

Ve středomoří – regulace produkce olivového oleje a vína – v rámci MARS funguje GIS mapující produkci těchto komodit až do úrovně počtu jednotlivých stromů v olivových hájích

 

European Food Aid and Food Security Policy – monitorování a předpovídání úrody v oblastech mimo Evropu (především Afrika, Asie) – snímky ze SPOT Vegetation

 

CGSM

(Crop Growth Monitoring System)

 

Součást projektu EU. Systém zaměřený na předpověd úrody hlavních zemědělských plodin :

 

Vstupní informace : Meteorologická data, obrazová data DPZ, statistické přehledy

 

Regionální měřítko – 50 x 50 km

 

Systém v průběhu Května a Června monitoruje výnosy hlavních zemědělských plodin.

 

FIRS

(Forest Information with Remote Sensing)

 

-          Lesnický IS pro Evropu

-          Data DPZ představují hlavní zdroj informací (snímky z družic NOAA, LANDSAT, SPOT)

-          Mapování lesních ekosystému v Evropě v měřítku 1 : 1 000 000 a 1 : 100 000.

-          Systém poskytuje produkční i ekologické charakteristiky lesních ploch v Evropě

-          Projekt podporuje implementaci dat DPZ do lesnického mapování a statistiky.

 

Hlavní aktivity projektu FIRS

-          Evropská lesnická statistika (plocha, typ, třída, druh, věkové složení, objem dřevní hmoty, zdravotní stav)

 

Corine Land Cover

-          projekt mapující základních druhů povrchů

-          Zahrnuje téměř všechny státy západní a střední Evropy

-          Mapy jsou vytvářeny interpretací družicových snímků (LANDSAT, SPOT)

 

 

MOLAND

(Monitoring Land Use / Cover Dynamics)

MURBANDY (Mapping of URBAN Dynamics)

 

Monitorování teritoriálního rozvoje vybraných evropských metropolí.

 

-          Hlavní vstupní data jsou obrazové materiály DPZ (Archivní letecké snímky, družicová data s vysokým rozlišením)

-          Projekt dále využívá socioekonomická a enviromentální data

-          Atlas rozvoje 25 vybraných měst v Evropě.

 

Další možnosti využití snímků

-          Monitorování rozsahu povodní

-          Studium vegetace

 

Obrazová spektrometrie

Vytváření velkého množství (stovek) obrazových záznamů daného území ve velmi úzkých, na sebe navazujících intervalech spektra v oblasti viditelného, blízkého a středního infračerveného záření

 

Více obrazových vrstev (až 200)

 

Problém velkého množství dat

 

Příklady využité spektrálních snímků

-          Geologické mapování – rozpoznávání jednotlivých minerálů a hornin

-          Vegetační mapování – rozpoznávání jednotlivých druhů zemědělských plodin a jejich stavu

-          Mapování výskytu znečišťujících látek

 

Pasivní mikrovlnné snímání

Těmito metodami je měřena přirozená dlouhodobá energie vyzářená objekty na zemském povrchu.

 

Systémy pracují na stejném principu jako termální radiometry a skenery

 

Měřený signál má vždy velký podíl šumu a jeho interpretace je obtížnější

 

Výhodou je nezávislost na podmínkách počasí

 

Využité metod pasivního mikrovlnného snímání

-          měření teplotních profilů atmosférou

-          zjišťování charakteristik svrchní vrstvy půdy

-          mapování teploty půdy a půdní vlhkosti

-          studium minerálního obsahu půd

-          mapování rozsahu mořského ledu

-          mapování rozsahu a mocnosti sněhové pokrývky

-          zjišťování průběhu tání sněhu

-          studium charakteristiky

 

....

....

....

 

Družicové systémy využívající metod pasivního mikrovlnného snímání

 

Družice NIMBUS 5, ESMR (období 1972 – 1976)

Jednokanálový radiometr pracující na vlnové délce 1,55cm

 

Družice NIMBUS 7, SMMR

....

 

Monitorování rozsahu mořského ledu

Mapování je založeno na měření jasové teploty v oblasti mikrovln a na rozdílné emisivitě volné mořské hladiny a mořského ledu.

 

Např. na vlnové délce 1,55cm je emisivita mořského ledu vysoká (0,80 – 0,97), avšak emisivita volné mořské hladiny je pouze 0,44.

 

Výrazně vyšší emisivita mořského ledu převažuje skutečnost, že led je chladnější než voda a tedy jeho jasová teplota by měla být nižší.

 

Jasová teplota mořského ledu nabývá hodnot vyšších než 190K, jasová teplota volné mořské hladiny je nižší než 160K.

 

 

Monitorování rozsahu mořského ledu

Použité algoritmy poskytují nesprávné hodnoty o rozsahu ledu podél pobřeží (viz.obr) v důsledku tzv. smíšených pixelů.

 

Tento efekt se označuje jako „land contamination“ – jasová teplota smíšených pixelů má hodnoty blízké hodnotám mořského ledu

 

Uvedený efekt lze potlačit map SST

 

Vedle rozsahu mořského ledu lze zjišťovat i jeho koncentraci (procento pokrytí)

 

Monitorování rozsahu sněhové pokrývky

Rozsah sněhové pokrývky je monitorován na snímcích družic NOAA využívající optické (viditelné i infračervené) části spektra od roku 1966. Řady map jsou k dispozici s týdením rozlišením

 

Snímky z optické části spektra jsou degradovány oblačností, nelze je pořizovat v době polární noci, neposkytují informace o mocnosti sněhové pokrývky, pouze o jejím rozsahu

 

Princip pasivního mikrovlnného snímání spočívá v přímé závislosti mezi mocností sněhové pokrývky a pohlcováním dlouhovlnného záření.

 

Jasová teplota měřená mikrovlnným radiometrem je nepřímo úměrná mocnosti sněhové pokrývky

 

Většina algoritmů používaných pro sestavování map rozsahu mocnosti sněhové pokrývky je založena na empirických vztazích.

 

Snímky z radiometru SMMR na družici NIMBUS zaznamenávají jasovou teplotu na frekvenci 18 a 37 GHz.

 

Mapuje sněhovou pokrývku o mocnosti 5-70cm – oproti reálným podmínkám tedy podhodnocuje rozsah sněhové pokrývky.

 

Nelze využít na mapování sněhu, který se nachází na ledovcovém příkrovu (Grónsko, Antarktida).

 

Interferometrie

Metoda přesných výškových měření na základě rozdílu ve fázi dvou radarových signálů získaných z odlišné pozice.

 

Rozdíl (interference) fází je nositelem informace o výšce daného místa.

 

Zpracováním hodnot korespondujících obrazových prvků z obou radarových snímků se vytváří tzv. interferogram. Z něj lze zjistit relativní výškové rozdíly bodů na snímcích.¨

 

Využitím vlícovacích bodů lze relativní hodnoty převést na hodnoty absolutní

 

Přesnost interferometrie je v řádu použitých vlnových délek – tedy v centimetrech.

 

Princip interferometrie

Možné konfigurace měřících systémů:

-          snímání jedním radarem ze dvou sousedních drah

-          snímání dvěma radarovými systémy umístěnými na dvou družicích (tandem – ERS-1,2)

-          jeden nosič (družice či letadlo) může mát jeden tadat a dvě přijímací anténu umístěné ve známé vzdálenosti od sebe (Space Shuttle)

 

Diferenční interferometrie

Metoda založená na principů rozdílu dvou interferogramů. Lze tak zjišťovat řádově centimetrové rozdíly, ke kterým došlo mezi pořízením obou interferogramů.

 

Oblasti aplikací

-          detekce sesuvů

-          zemětřesných pohybů

-          měření výšky vodní hladiny

-          mocností sněhové pokrývky

-          tvorba digitálního modelu terénu

-          morfometrická analýza a topografické mapování

-          tvorba družicových ortofotomap a tématické mapování

-          zjišťování časových změn¨

-          geologické a hydrologické aplikace

 

Letecké interferometrické systémy

TOPSAR (Topographic SAR) – nosič – letadlo DC-8, RADAR – C pásmo (6cm), signál je přijímán na dvou anténách umístěných 2,6m od sebe. Produkuje DTM s vetikální přesností 1 až 3m. v závislosti na komplexitě terénu

 

SRTM (Shuttle RADAR Topography Misssion)

 

Výšková měření – ALTIMETRIE

Altimetr (výškoměr) je zařízení vužívající toho, že radarová měření jsou ve své podstatě také měřeními vzdálenosti.

 

Signál je vysílán z nosiče kolmo k zemskému povrchu

 

Radarové echo je zaznamenáno jednak jako časový interval mezi vysláním a přijetím signálu a jednak jako signál modifikovaný povrchem.

 

Křivky intenzity signálu

Tvar křivky intenzity signálu pro hladký (ostrá křivka) a drsný (oblá křivka) povrch.

 

Z tvaru křivky lze získat informaci nejen o výšce daného povrchu, ale také o jeho odrazových vlastnostech a drsnosti.

 

Přesnost výškových měření může být lepší než 10cm.

 

Aplikace altimetrických měření

-          měření výšky hladiny oceánu

-          měření výšky povrchů pokrytých ledem

-          měření charakteristik vlnění (výška a rychlost vln)

-          měření charakteristik pole větru

-          studium slapových jevů

-          studium mořských proudů

-          batymetrická měření

-          sestavení map dna světového oceánu

-          studium anomálií gravitačního pole Země

-          mapování výškových poměrů Antarktidy

 

Monitorování jevu ENSO

Družice TOPEX/Poseidon

Zjišťování výšky hladiny oceánu s přesností 4-5cm.

Pro každé místo na hladině světového oceánu s periodou 10dní.

 

Rozptyloměr

Měření je založeno na kvantifikaci rozptylu intenzivního mikrovlnného signálu odraženého od zemského povrchu.

 

Nad hladinou oceánu je rozptyl způsoben především vlněním a je úměrný směru a rychlosti větru.

 

Pracuje s hrubým prostorovým rozlišením (cca 45km) což omezuje jeho použití na mapování v regionálním a globálním měřítku.

 

Využití rozptyloměru

-          Studium charakteristik pole větru

-          Mapování vlhkosti půdy

-          Studium dynamiky permafrostu.

 

 

Aktivní metody snímání – LASER

Technika vytváření modelu terénu (DTM) i modelu povrchu (DSM – i s baráky apod.). Snímání lze provádět ve dne i v noci, také omezení v důsledku nepříznivých povětrnostních podmínek je daleko menší.

 

Vyvinuta v polovině 90.let v Německu, v roce 1995 byly v operativním provozu 3 systémy, v roce 2000 jich bylo více jak 50.

 

LIDAR II – principy fungování

Základní komponenty :

-          laserový skener

-          GPS a navigační systém INS

-          Infračervené laserové paprsky

-          Časový interval mezi vysláním  apřijetím paprskem sloužící k určení 3D polohy snímaného bodu

 

LIDAR III – principy fungování

-          u vegetačního krytu se signál, vzhledem k použitým krátkým vlnovým délkám odráží nejden od povrchu vegetace, ale proniká i vlastní vrstvou

-          Prvotní odraz – od horní vrstvy vegetačního krytu

-          Poslední obraz – od zemského povrchu

-          Ze zaznamenaných charakteristik lze vypočíst DTM, DSM i výšku vegetačního krytu (např. výšku lesního porostu)

 

LIDAR IV – Technické vybavení

První systémy pracovali s frekvencí 2kHz (2000 pulsů za sekundu), současně s frekvencí 33kHz. Vyšší frekvence umožňuje vytvářet podrobnější kostru bodů

 

LIDAR V – principy fungování

Systému mohou pracovat v různých výškách s různou frekvencí skenování. Ata vyžadují poměrně složitý postprocessing, při kterém se vypočítá nejen přesná trojrozměrná poloha každého snímaného bodu, ale i jeho charakteristiky.

 

LIDAR VI – aplikace

-          Tvorba digitálního modelu terénu

-          Vodní hospodářství

-          Monitorování pobřežních zón

-          Lesní hospodářství

-          Telekomunikace

-          Monitorování hladiny hluku ve městech

-          3D vizualizace