KUVANMUODOSTUMINEN INSTRUMENTIT KAUKOKARTOITUSINSTRUMENTIT

Transkriptio

1 KUVANMUODOSTUMINEN INSTRUMENTIT 1. KESKUSPROJEKTIO 2. ILMAKUVAKAMERAT o ANALOGISET o DIGITAALISET 3. KEILAIMET 4. PASSIIVINEN JA AKTIIVINEN KUVAUS 5. TUTKAT 6. LASERKEILAIMET KAUKOKARTOITUSINSTRUMENTIT Suurin osa kaukokartoitusinstrumenteista on digitaalisia, mutta myös analogisia laitteita käytetään Kaukokartoitusta voidaan tehdä joko lentokoneista tai satelliiteista käsin, ja tästä johtuen laitteet eivät ole aina samoja tai samanlaisia. KESKUSPROJEKTIO Kolmiulotteisen kohteen tallentaminen kaksiulotteiselle kuvalle edellyttää kohteen projisioimista. Yksinkertaisin projektio on keskusprojektio, jossa kuva syntyy yhden pisteen - projektiokeskuksen - kautta kulkevien valonsäteiden avulla. Kuvaus on suora ja kuva kääntyy projektion aikana nurinpäin.

2 Kuva 1. Maaston kuvatuminen ilmakuvalle ja kartalle/ortokuvalle eli keskusprojektion ja suoran yhdensuuntaisprojektion eroavuudet. Kuva 2. Esimerkki ilmakuvasta /keskusprojektiokuvasta, missä kolmiulotteiset kohteet kuvautuvat erilailla kuvan eri kohdissa.

3 ANALOGINEN KAMERA Toimintaperiaate Keskusprojektio Yksinkertaisin kamera on neulanreikäkamera (a-kuva), jolla filmin valotus on hankalaa. Kehittyneempi versio yksinkertainen linssikamera, jossa valotus määräytyy himmentimen (aukon koko) ja sulkimen (valotusaika) avulla (b-kuva). Kuva 3. Neulanreikä- ja linssikamera (Lillesand&Kiefer) Tarkennus saadaan linssiyhtälöstä: f on vakio, joten kohteen ja linssin välisen etäisyyden muuttuessa muutetaan linssin ja kuvatason välistä etäisyyttä o Ilmakuvauksessa etäisyys on ääretön => i = f Valotusta säädellään aukon halkaisijan ja valotusajan avulla o Ilmakuvauksessa lyhyt valotusaika -> suuri aukko Suotimet Käytetään säteilyn aallonpituusalueen säätelyyn Asennetaan linssin eteen (tai se on kiinteä) Absorptio-suotimet yleisiä

4 Keltasuodin: absorboi sinisen valon, päästää läpi vihreän ja punaisen valon (valolla vihreä + punainen = keltainen) Käytetään ilmakuvauksessa hajavalon poistamiseen ILMAKUVAKAMERA Suurimmat eroavuudet 'tavalliseen' kameraan on tarkkuudessa ja luotettavuudessa o Ilmakuvaus vaatii suurta geometrista tarkkuutta (kartoitus) Kuvatason mitat, reunamerkit, kameravakio ja kuvan pääpiste (+kuvavirheet) määritetty kalibrointimittausten avulla Ilmakuvakameran osat: Kuva 4. Ilmakuvakameran rakenne (Lillesand&Kiefer) o Suodin (filter): poistaa/päästää läpi tietyn säteilyn aallonpituusalueen o Objektiivi (lens): 6-10 linssiä, jotka tarkentavat tulevat valonsäteet kuvatasolle

5 Kuva 5. Ilmakuvakameran objektiivi (Konecny) o Suljin (shutter): kontrolloi valotusaikaa o Himmennin (diaphragm): kontrolloi kuvausaukon kokoa o Kuvataso (focal plane): taso, jolle filmi imetään kiinni valotuksen ajaksi imulevyn avulla ja jossa on kehys- /reunamerkit o Filmikasetti (magazine): sis. filmin ja filmin siirtomekanismin Kuvakoko 23 x 23 cm Kuvaushetkellä filmin reunoihin tallennetaan kuvatason reunamerkit, kellonaika, kuvanumero yms. Koska kuvausalusta liikkuu valotuksen aikana, tarvitaan kuvaliikkeenkompensaattori Muita apuvälineitä: peittosäädin, aikasäädin, tähtäinkiikari, valotus- ja laukaisuautomatiikka, gps, etc. SATELLIITEISSA KÄYTETTÄVÄT MITTAKAMERAT Kuvauskorkeudesta johtuen kuvakoon tai polttovälin on oltava suurempi kuin lentokoneissa käytettävillä mittakameroilla o Venäläisessä TK-350 -kamerassa suuri kuvakoko (Large Format Camera) 300 x 450 mm, f = 350 mm Lentokorkeudella 220 km päästään 7-10 metrin maastoerotuskykyyn o Venäläisellä KA-3000 mittakameralla on 3 metrin polttoväli (toteutettu peilien ja linsiien avulla) ja 23 x 23 cm kuvakoko Käytetään filmiä, joka kehitetään maanpinnalla 270 km:n lentokorkeudelta maastonerotuskyky 2 m

6 o KVR-1000 panoraamakameran kuvakoko on 18 x 72 cm 220 km:n lentokorkeudelta 2 metrin erotuskyky Kuva muodostuu filmille kahden objektiivin ja filmin edessä kiertyvän peilin avulla, jolloin kuvan mittakaava ja resoluutio vaihtelee kuvan laitojen ja keskiosan välillä => kuvasta käytetään yleensä vain sen keskiosaa 18 x 18 cm, jolla saavutetaan 2 m erotuskyky maastossa. Kuva 6. Kuvanmuodostus KVR-1000 panoraamakamerassa [Petrie] DIGITAALISET KAMERAT CCD -ANTURIT (Charged-Coupled Devices) Säteily tallennetaan sähköisen ilmaisimen avulla CCD koostuu rivistä/matriisista, jossa on useita ilmaisimia Kukin ilmaisin mittaa omalta kohteen osalta tulevan säteilyn Säteily tulee ilmaisimeen -> tuottaa sähkövarauksia, joiden määrä riippuu säteilyn voimakkuudesta Vahvistetaan Muutetaan digitaaliseen muotoon Kuva 7a) CCD-anturin rakenne (Konecny)

7 Kuva 7b). CCD-anturin toiminta (Konecny) DIGITAALISET ILMAKUVAKAMERAT Käytetään lentokoneissa Ilmaisinten koko rajoittava tekijä, yhdellä ilmaisimella ei pystytä kattamaan kerralla koko 23 x 23 cm 2 kuva-alaa o tyypillinen kuvakoko 6 Mpikseliä, olemassa myös 63 ja 81 Mpikselin ilmaisimia Toinen tapa on muodostaa kuva-ala useammalla CCDkameralla o ZI:n Digital Modular Camera (DMC) käyttää pankromaattiseen kuvaukseen 4 kameraa, jotka kuvaavat yhtäaikaa kukin CCD-ilmaisin on 7k * 4 k eli yhdistelmä tuottaa 13,5 k * 8 k = 108 Megapikselin kuvia o Resoluutio, kun pikselikoko 12 µm ja h=1500m, pan = 0.13 m, multispectral 0,6 m o Vexcel:n UltraCam käyttää 8 pienempää CCD-sensoria, joista kuva linssin kautta kootaan yhdeksi, pikselikoko 9 µm, h=500 m, erotuskyky 0.05 (0.03) m

8 Kuva 8a). DMC-kameran 4 pankromaattisen ja 4 multispektraalisen CCD-kameran sijoittumisesta 'kuvatasolle' [Tang] ja [Hinz] Kuva 8b). DMC-kameran esimerkkikuva ja sensorin rakennekuva (Reulke)

9

10 UltraCam-kuvista (Vexcel) Kuva 8c) Esimerkkikuvia KEILAIMET - MONIKANAVAKEILAIMET (Scanners) Ilmaisin, jolla kuva tallennetaan kohteesta yhdellä tai useammalla spektrin kanavalla Aallonpituusalueen kattavuus mikrom Useampi kuva samanaikaisesti usealla aallonpituusalueella Kaksiulotteinen kuvanmuodostus keilaamalla Digitaalinen tallennus Ilmaisin ja kuvanmuodostusta ohjaava optinen järjestelmä vaikuttavat voimakkaasti keilaimen käytettävyyteen (alueelliseen/spatiaaliseen ja spektriseen erotuskykyyn) Ilmaisimen signaalin voimakkuuteen vaikuttavat tekijät Saapuvan säteilyn määrä Lentokorkeus: tietyltä maanpinnan alueelta saapuva säteilyn määrä pienenee verrattuna etäisyyden neliöön Spektrinen erotuskyky: heikompi erotuskyky (laajempi aallonpituusalue) -> voimakkaampi signaali Näkökenttä: pieni -> parempi maanpinnan erotuskyky -> vähemmän tulevaa säteilyä -> heikompi signaali Integrointiaika: aika, jonka instrumentti "katsoo" tiettyä maanpinnan osaa, suuri -> voimakkaampi signaali Maanpinnan erotuskykyyn vaikuttavat tekijät Maanpinnan erotuskyvyn määrittää instrumentin näkökenttä (Instantaneous Field of View (IFOV))

11 Kuva 9. Instrumentin näkökenttä IFOV (Lillesand&Kiefer) o Määrittää maanpinnan alueen, jolta saadaan yksi mittaus keskiarvona o Avaruuskulma beta, miltä alueelta säteily saapuu ilmaisimeen o Riippuu instrumentin optiikasta ja ilmaisimen koosta o Näkökentän halkaisija maassa D o Mittauskulman muuttuessa etäisyys muuttuu -> näkökenttä erilainen kuvan eri osissa o Kuvan laidoilla suurempi o Pieni näkökenttä -> pienet kohteet erottuvat o Suuri näkökenttä -> enemmän säteilyä ilmaisimeen -> parempi radiometrinen erotuskyky Radiometrinen erotuskyky: kyky erotella pienet erot säteilyn määrässä, riippuu ilmaisimeen tulevan säteilyn määrästä ja A/D muuntimesta Hyvä maanpinnan erotuskyky ja hyvä radiometrinen erotuskyky vastakohtia

12 Kuva 10a) Esimerkki satellittikuvasta 1:1000 (Albertz) Kuva 10b) Esimerkki satellittikuvasta 1:10000 (Albertz)

13 Kuva 10c) Esimerkki satellittikuvasta 1: (Albertz) KEILAIMET DIGITAALISEN KEILAINKUVAN MUODOSTUSTAVAT Liikkuvalla optisella järjestelmällä varustetut keilaimet (whiskbroom scanners, cross-track scanners) Kuva 11a). Liikkuvalla optisella järjestelmällä toimivan keilaimen toimintaperiaate (Konecny)

14 Kuva 11b). Liikkuvalla optisella järjestelmällä toimivan monikanavakeilaimen toimintaperiaate (Konecny) o Kuva muodostetaan optiikan edessä olevan edestakaisin liikkuvan peilin tai pyörivän prisman avulla o Pyörimisakseli lentosuuntaan, keilaus tapahtuu lentosuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa o Keilausalueen reunoilla maanpinnan erotuskyky huonompi kuin keskellä -> käytetään pientä keilauskulmaa, jolloin etäisyys maahan vaihtelee vähän Kuva 12. Erotuskyvyn vaihtelun kuvan eri alueilla (Liilesand&Kiefer) o Tangentiaalinen mittakaavavääristymä Kuva 13. Tangentiaalinen mittakaavavääristymä (Lillesand&Kiefer)

15 o Kuvausalustan orientoinnin muutokset aiheuttavat geometrisia vääristymiä Kuva 14a). Geometrisia vääristymiä, mitkä on korjattava laskennollisesti (Lillesand&Kiefer) Kuva 14b). Esim. geometrisista vääristymistä ennen ja jälkeen korjauksen (Albertz) Kiinteällä optisella ilmaisimella varustetut keilaimet (pushbroom scanners, along-track scanning)

16 Kuva 15. Kiinteällä optisella ilmaisimella varustetun keilaimen toimintaperiaate (Lillesand&Kiefer) o Ei liikkuvia osia o Kullekin maanpinnan osalle oma rivi-ilmaisin o Kiinteä optinen järjestelmä o Ilmaisimet rivissä (eg. SPOT PAN-HRV 6000kpl) kuvatasolla o Kuvaus linja kerrallaan o Tietyn maanpinnan osan integrointiaika suurenee -> maanpinnan ja radiometristä erotuskykyä voidaan parantaa o Pienet geometriset virheet o Ei liikkuvia osia -> luotettava, pitkäikäinen o Täytyy kalibroida jatkuvasti suurta määrää ilmaisimia o Myös stereokuvia on mahdollisuus saada o Rivi-ilmaisimet voivat olla kuvatason eri osissa, jolloin saadaan nadiirikuvien lisäksi (stereo)kuvia etu- ja takaviistoon

17 Kuva 16. Analogiafilmikameran sekä liikkuvalla että kiinteällä optiikalla varustettujen keilainten kuvanmuodostustapojen vertailu [Clevers] KUVAAVA SPEKTROMETRI Monikanavakeilain, jossa hyvin paljon spektraalisesti kapeita kanavia = matriisi-ilmaisin Kuva 17 a). Spektrometrin toimintaperiaate (Lillesand&Kiefer)

18 Kuva 17 b). Spektrometrin (hyperspektrin) toimintaperiaate (Albertz) Pystyy erottamaan kohteen spektraaliset muutokset paremmin kuin tavalliset keilaimet Kuvien esikäsittely välttämätöntä Esim. AISA (Airborne Imager Spectrometer for Applications) o Kehitetty VTT:llä 1990-luvun lopulla o Spatiaalinen resoluutio: 360 pikseliä lentosuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa (= 1 m, kun lentokorkeus on 1000m) o Aallonpituusalue: nm o Kanavien lukumäärä 1 288, kanavien leveys 1,63-9,8 nm (käyttäjän määriteltävissä) o Ilmaisin: CCD-matriisi, 288 x 384 pikseliä, pushbroom PASSIIVINEN JA AKTIIVINEN KUVAUS Passiiviset instrumentit mittaavat kohteen heijastamaa tai emittoimaa säteilyä Aktiiviset instrumentit lähettävät ja mittaavat kohteesta sironnutta tai heijastunutta säteilyä, myös pimeällä VIS&IR: MW: Passiivinen Kamerat, CCD Keilaimet: liikkuva optiikka, kiinteä optiikka, kuvaa ottavat spektrometrit Kuvaavat mikroaaltoradiometrit Aktiivinen Laserit: etäisyysmittari, sirontalaser, differentiaalilaser, Dopplerlaser, lasertutka laserkeilaimet Tutkat: sivukulmatutka, kuvaava SAR Kuva 18. Passiivinen ja aktiivinen kaukokartoitus (Lillesand&Kiefer)

19 AKTIIVISET KAUKOKARTOITUSINSTRUMENTIT MIKROAALTOTUTKAT Radar = Radio detection and ranging Mikroaaltoalueella toimivat aktiiviset instrumentit, jotka lähettävät sähkömagneettista ja vertaavat sitä takaisin heijastuneeseen säteilyyn Kuvaavat tutkat: sivukulmatutka SLAR (Side-Looking Airborne Radar) ja SAR (Synthetic Aperture Radar) Kuva 19. Esimerkki tutkakuvasta (Albertz) Sivukulmatutkan toimintaperiaate: Lähetin lähettää pulssin Pulssi osuu kohteeseen ja osa siroaa takaisin Vastaanotin mittaa takaisintulevan pulssin voimakkuuden ja kulkuajan Takaisintulleen pulssin ("kaiun") voimakkuus riippuu kohteen ominaisuuksista

20 Kuva 19. Sivukulmatutka SLAR (Konecny) Kuva 20. Sivukulmatutkana toimintaperiaate (Lillesand&Kiefer) Kuvanmuodostus: o Antenni siirtyy eteenpäin lentokoneen mukana o Välillä antenni lähettää pulssin, välillä vastaanottaa o Pulssi siroaa takaisin eri etäisyyksillä olevista kohteista o Antenni ottaa kaiun vastaan ja laskennalla saadaan kaiun voimakkuus ja kulkuaika

21 SLAR: maanpinnan erotuskyky Riippuu pulssin pituudesta ja antennikeilan leveydestä/pituudesta Lentosuunnan erotuskyky riippuu antennin keilanleveydestä Etäisyyssuunnan (lentosuunnan suhteen kohtisuora) erotuskyky riippuu pulssin pituudesta Etäisyyssuunnassa lähekkäin olevat kohteet erottuvat vain, jos kohteiden kaiut tulevat antenniin eri aikaan Jos kohteiden etäisyys suurempi kuin pulssin pituus / 2 -> kohteet erottuvat Kuva 21. Tutkakuvan erotuskykyja sen riippuvuus pulssin pituudesta (Liilesand&Kiefer) Etäisyyssuunnan erotuskyky ei riipu kohteen ja antennin välisestä etäisyydestä Koska antennikeilan "jälki" levenee etäisyyden kasvaessa -> vain lähellä tutkaa lähekkäin olevat kohteet erottuvat Suuri antenni -> hyvä erotuskyky Kuva 22. Antennikeilan koko/leveys eri etäisyyksillä (Lillesand&Kiefer)

22 Korkeuseroista johtuva kohteiden siirtyminen o Aiheuttaa kohteiden siirtymistä etäisyyssuunnassa o Kohteet kuvautuvat väärinpäin, koska pulssi saavuttaa kohteen huipun ennen alempia osia o Mitä lähempänä kohde on -> sitä todennäk. siirtymä on o Aiheuttaa kauempana olevilla kohteilla mittasuhteiden vääristymiä o Varjostuminen (tietyltä maanpinnan osalta ei tule kaikua) suurinta suurella mittauskulmalla ja etäisyydellä Kuva 23. Korkeusvaihtelujen vaikutus tutkakuvilla (Lillesand&Kiefer) Kuva 24. Esimerkki tutkakuvista ja maanpinnan vaihteluista (Albertz) SYNTEETTISEN APERTUURIN KUVAAVA TUTKA (IMAGING SAR): TOIMINTAPERIAATE SAR: Synthetic Aperture Radar

23 perustuu tutkan etäisyyden mittauskykyyyn (signaalin kulkuajan mittaukseen) ja nopeuden mittauskykyyn (Dopplersiirtymään) Antenni lähettää energiapulssin ja havaitsee lähettämänsä pulssin maanpinnasta palaavan kaiun. Havainto koostuu kahdesta komponentista: o Amplitudi eli kaiun voimakkuus, takaisinsironta, kertoo kohteen ominaisuuksista. Amplitudi on se, mikä tavallisesti esitetään tutkakuvana. o Amplitudin lisäksi havainnossa on mukana tutkasignaalin aallon vaihetieto. Spatiaalinen erotuskyky etäisyydestä riippumaton. Käyttää hyväkseen kuvausalustan liikettä o Eri ajanhetkillä eri paikoissa olevia todellisisa antenneja käsitellään yhtenä kokonaisuutena o Liike aiheuttaa Doppler-siirtymän kaikuun Doppler-siirtymän suuruudesta voidaan päätellä kohteen paikka antennikeilassa Kuva 25. SAR-kuvan synty'jälki' maanpinnalla (Petrie) SAR: maanpinnan erotuskyky Etäisyyssuunnan erotuskyky sama kuin SLAR-tutkalla Atsimuuttisuunnassa erotuskyky on puolet antennin pituudesta

24 Kuva 26. SAR-kuvan raakadata ja SAR-kuva prosessoinnin jälkeen (Petrie) LASERKEILAIMET LiDAR (Light Detection and Ranging): optinen tutka, joka toimii näkyvän valon, lähi-infran tai ultravioletin alueella LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laserkeilain tuottaa kohteesta valtavan 3-D pistepilven, kolmiulotteisen pinnan. Perusidea: kohteen ja laserin välinen etäisyys mitataan laserpulssin kulkuajan perusteella, keilain pyyhkäisee laserpulsseja (n. 5 nsec välein) lentosuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa. Kun laserkeilaimen asento ja paikka ovat tarkasti tunnetut inertiajärjestelmien ja GPS-mittauksen avulla, mitattu etäisyys voidaan muuttaa korkeudeksi. Kutakin laserpulssia vastaava etäisyys voidaan muuntaa x-, y-, ja z-koordinaateiksi. Koska etäisyydenmittaus perustuu kulkuajan mittaamiseen, riippuu mittaustarkkuus pulssin kulkusuunnassa ajanmittauksen tarkkuudesta (vakio) ja on etäisyydestä riippumaton. Koska laserpulssi hajoaa, etäisyysmittauksen epätarkkuus kasvaa poikittaissuunnassa. Keilaus voidaan suorittaa lentokoneesta tai helikopterista. Kuva 27. Esimerkki pistepilvestä (Haggrén)

25 Referenssiluettelo (Albertz), Albertz, J.: Einfürung in die Fernerkundung. Grunlagen der Interpretation der Luft- und Satellibildern. (Lillesand & Kiefer) Lillesand, T.M. & Kiefer, R.W.: Remote Sensing and Image Interpretation, 3rd edition. John Wiley & Sons, Inc., (Konecny) Konecny, G.: Geoinformation Remote Sensing, Photogrammetry and Geographic Information Systems. 1 st Edition. Taylor&Francis, (Clevers) Clevers, J.: Remote Sensing Basics - Digital lectures. Wageningen University, The Netherlands, CD-ROM. (Petrie) Petrie, G.: Optical Imagery from Airborne & Spaceborne Platforms. Geoinformatics, January/February, (Tang) Tang, L., Dörstel, C., Jacobsen, K., Heipke, C., Hinz, A.: Geometric Accuracy Potential of the Digital Modular Camera. Proceedings of the ISPRS Congress, Vol. XXXIII, Vol. I/3, Amsterdam, (Hinz) Hinz, A., Dörstel, C., Heier, H.: Digital Modular Camera: System Concept and Data Processing Workflow. Proceedings of the ISPRS Congress, Vol. XXXIII, Vol. II/7, Amsterdam, (Haggrén) Haggrén, H. Projektin loppuraportti (Reulke) Reulke, R. Film-based and digital sensors Augmentation or Change in Paradigm? ( ) (Vexcel) Esitesivu heet/ultracam.pdf ( )