Kertausta 1. luennolta mitä kaukokartoitus vaatii? Kertausta 1. luennolta Auringon säteily ja ilmakehä A. Säteilylähde B. Ilmakehä (väliaine) C. Energian törmääminen kohteeseen D. Instrumentti havaitsemaan säteily E. Tiedon siirto, vastaanotto, prosessointi F. Tulkinta, laskenta ja analysointi G. Soveltaminen käytäntöön 2. luennon aiheet Kuvausalustat Satelliittijärjestelmästä tarkemmin Yleiset kuvaavat instrumentit Jatkoa peruskäsitteille Sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutus kohteen kanssa Instrumenttien kuvausalustat Maassa sijaitsevat jalustalla, katolla tai käsikäyttöiset laitteet Kohteen yksityiskohtainen tutkiminen, esimerkiksi ominaissäteilyn määrittäminen Tehdään kohteesta vertailuhavaintoja satelliittihavaintoja varten Kuvassa puomin päässä mikroaaltoradiometrin antenni Kuvausalustat Analytical Spectral Devices FieldSpecspektrometri, aallonpituusalue 350-2500 nm Kuvausalustat... Kaasupallot: Maksimikorkeus noin 50 km Vakaa Käytetään lähinnä ilmakehäluotauksissa 1
kuvausalustat lentokone tai helikopteri kun halutaan tarkempaa tietoa kohteesta kuin mitä satelliitista voidaan saada kuitenkin suuremmalta alueelta kun maasta käsin käytetään myös satelliittihavaintojen vertailuaineistona ja korvaavana materiaalina Leko / Heko Usein maassa ja lentokoneessa tehdään havaintoja hyvin monelta ja kapealta eri aallonpituusalueelta Saadaan tarkkaa tietoa kohteen spektrisistä ominaisuuksista eli ominaisuuksista eri aallonpituusalueilla Leko / Heko jatkuu... Satelliittiinstrumentissa taas on usein vähemmän kanavia ja ne ovat leveämpiä Helikopteri: Matala korkeus + hidas nopeus Kokeiluinstrumenttien alusta Lentokone: Maksimikorkeus noin 20 km Yli 3 km korkeuksissa tarvitaan paineistettu ohjaamo Etuja: joustavuus kuvausajankohdan, lentonopeuden ja lentokorkeuden suhteen Haittoja: alttius tuulelle ja turbulensseille Kartoituskuvauksissa: 2 moottoria, minimilentonopeus 200 km/h Lentokone TKK/Avaruustekniikan laboratorion tutkimuslentokone Short Skyvan Erilaisia radiometrien antenneja Lentokone Nokassa AISA-spektrometri ja sivukulmatutkan antenni. 2
Lentokone Satelliitit instrumenttien alustana Maanmittauslaitoksen Rockwell Turbo Commander 690A Ilmakuvauskamera Wild RC-10 käytössä Nykyään WILD/LEICA RC 20 + FMC Satelliitit kiertävät kohdettaan tiettyä reittiä pitkin. Satelliitin reittiä kutsutaan radaksi Rataa kuvataan rataparametreillä kuten korkeudella (etäisyys maan pinnasta) Satelliitti Koostuu hyötykuormasta (payload) ja alijärjestelmistä (bus, subsystem) Hyötykuorma: Instrumentit Alijärjestelmät vastaavat satelliitin oikeasta kiertoradasta, asennon säädöstä, sähkön tuottamisesta, lämmön kontrolloimisesta, mekaanisesta tukirakenteesta ja kommunikoinnista maa-aseman kanssa Asennonsäätöjärjestelmä Huolehtii satelliitin pysymisestä oikealla radalla Satelliitin korkeuden mittaamiseen käytetään GPS-satelliitteja, painovoimamittausta tai auringon säteilypainetta Asennon mittaukseen käytetään gyroskooppeja, magnetometreja tai tähtisensoreja Tarvittaessa satelliitin asentoa muutetaan työntömoottorijärjestelmän tai momenttipyörän avulla Satelliitti Työntömoottorijärjestelmä Säilyttää satelliitin haluttujen rajojen sisällä Tarvittaessa muuttaa satelliitin rataa Sähköntuottojärjestelmä Tuottaa satelliitin tarvitseman sähköenergian Auringon valo muunnetaan aurinkokennojen avulla sähköksi Kohdistettu koko ajan aurinkoon Varastoidaan akkuihin Venäläisissä satelliiteissa myös pieniä ydinreaktoreja Satelliitti Lämmönsäätö Turvaa lämpötasapainon ja eri osien toiminnan Osa satelliitista aurinkoon päin (kuuma), osa poispäin (kylmä) Lämpötilaero eri puolella satelliittia voi olla jopa 200K Peitemateriaalit, eristeet ja aktiiviset lämmönsiirtimet Tukirakenne Pitää satelliitin kasassa Satelliitti Telemetria-, seuranta-, käsky- ja tietoliikennejärjestelmä Komento- ja tiedonsiirtoyhteys maa-aseman ja satelliitin välillä Maa-asema tarkkailee ja ohjaa instrumenttien ja muiden järjestelmien toimintaa Välittää instrumenttien mittaukset maa-asemalle Maa-asema Ottaa vastaan ja tallettaa satelliitin lähettämän datan Antennisysteemi seuraa satelliitin kulkua Poistetaan tiedonsiirron kohina Voi suorittaa datan radiometrisen ja geometrisen korjauksen 3
Satelliitin rata Satelliitti kiertää planeettaa ympyrä- tai ellipsiradalla Satelliitti ohittaa planeetan hyperbeli- tai paraabeliradalla Keplerin lait: 1. Planeettaa kiertävän satelliitin rata on ellipsi, jonka toisessa polttopisteessä on planeetta 2. Satelliitin paikkavektori pyyhkii yhtä suurina aikaväleinä yhtä suuret pinta-alat 3. Satelliittien kiertoaikojen neliöt suhtautuvat toisiinsa kuten isoakselien puolikkaiden kuutiot Kiertoradan planeettaa lähinnä olevaa pistettä kutsutaan perigeumiksi ja kauimmaista pistettä apogeumiksi Satelliitin rata Rataparametrit: a: ellipsin pääakselin puolikas ε: radan eksentrisyys i: inklinaatiokulma eli kulma jossa rata leikkaa päiväntasaajan tason Ω: oinaasta itään mitattu nousupisteen kulma (nousupiste: radan ja päiväntasaajan leikkauspiste) ω: nousupisteen ja perigeumin välinen kulma t pe : ajanhetki, jolloin satelliitti on perigeumin kohdalla Kaukokartoituksessa käytetään ympyräratoja: isoakseli a = pikkuakseli b Geostationäärinen satelliitti Kiertää maata samalla nopeudella kuin maa kiertää itsensä ympäri Maahan nähden paikoillaan havaitsevat siten jatkuvasti samaa kohdetta Inklinaatiokulma i=0 Geostationäärinen satelliitti Ratakorkeus noin 36 000 km kuvaa varsin suuren alueen maanpinnasta. Useat sääsatelliitit: Meteosat, Goes Meteosat 1.7.2006 klo 12:00, VIS ja IR kanavat Geosynkroninen rata Satelliitti kiertää maata maan pyörimisliikkeen nopeudella Pysyy kapealla pituuspiirialueella Ei kuitenkaan kuvaa täsmälleen samaa kohdetta koko ajan Aurinkosynkroniset satelliitit Aurinkosynkroniset satelliitit kuvaavat saman alueen samaan vuorokaudenaikaan joka päivä. Kaikkina vuodenaikoina auringon sijainti on taivaalla sama satelliitin ylilennon aikana. 4
Aurinkosynkroniset satelliitit Kohteen valaistusominaisuudet ovat samanlaiset, kun tehdään havaintoja kohteesta eri vuosina samaan aikaan havaintoja peräkkäisinä päivinä. Eri vuodenaikoina auringon sijainti ja myös valaistusominaisuudet poikkeavat. Kaukokartoitussatelliitit Maailmanlaajuinen peitto Mittausetäisyys kohteeseen on vakio (500-1000 km) Saman alueen ylitys samaan aikaan päivästä = aurinkosynkroninen rata Kallistuskulma napoihin nähden Kiertoaika on 95-100 minuuttia Napojen kautta kulkevat satelliitit Lentävät maapallon toisella puolella pohjoissuuntaan (=nouseva rata) Toisella puolella eteläsuuntaan (=laskeva rata)...satelliitin rataparametrit laskeva ja nouseva rata Kun kohde on auringon valaisema, voidaan tehdä havaintoja passiivisilla instrumenteilla, jotka havaitsevat auringon lähettämää säteilyä. Eli kun satelliitti on samalla puolella maapalloa kuin aurinko Tällöin satelliitin rata on usein laskeva....satelliitin rataparametrit laskeva ja nouseva rata Nouseva rata on silloin toisella puolella maapalloa jossa ei ole valaistusta sillä hetkellä Eikä myöskään voida tehdä havaintoja auringon heijastuneesta säteilystä. laskeva ja nouseva rata Passiiviset instrumentit, jotka havaitsevat kohteen lähettämää lämpösäteilyä (TIR ja MW) voivat tehdä havaintoja myös laskevan eli valaistuksettoman radan puolelta. Myös aktiivisilla instrumenteilla (tutkat), jotka lähettävät ja havaitsevat omaa säteilyään, voidaan tehdä havaintoja koko ajan, myös valaistuksettoman radan puolelta. 5
Havaintoalueen leveys Kuva-alan tai havaintoalueen leveys on instrumentin havaintoalueen leveys maastossa kohtisuoraan lentosuuntaan vasten. Yleensä kymmeniä tai satoja kilometrejä vaihtelee paljon instrumenteilla Maa pyörii itä-länsisuunnassa itään päin samalla kun satelliitti lentää napojen yli kiertävällä radallaan Satelliitin rata näyttää siirtyvän maastossa länsisuuntaan kunkin ylityskerran välillä Vierekkäiset radat Kiertoliikkeestä johtuen vierekkäisiltä radoilta tehdyt havainnot kattavat laajoja alueita maapallolla Vierekkäiset radat Radan sykli eli toistojakso Aika, joka kuluu ennen kuin satelliitti ylittää taas täsmälleen saman kohdan maastossa maan pyörimisliikkeen johdosta Aiempikin ylitys voi tuoda havainnon samasta kohteesta, mutta se on havaittu hieman sivusta, edelliseltä tai seuraavalta radalta, eikä suoraan saman alueen yläpuolelta Nadir Nadir-kohdaksi kutsutaan maastossa suoraan instrumentin alapuolella olevaa kohtaa sub-satellite point viereisessä kuvassa Instrumentit kuvaavat myös radan ylilentokohdan sivuilla olevia alueita, näitä kutsutaan off-nadir-alueiksi Ratojen päällekkäisyys Napojen läheisyydessä vierekkäiset radat menevät enemmän päällekkäin, havaintoja saadaan samalla satelliitilla enemmän kuin päiväntasaajan alueelta. Suomi sijaitsee siis varsin hyvällä paikalla kuvaaineistoja ajatellen. 6
Instrumentit Sähkömagneettinen säteily informaation välittäjä Tarkastelemalla kohteen emittoiman / heijastaman sähkömagneettisen säteilyn ominaisuuksia voidaan tehdä päätelmiä kohteen ominaisuuksista Tarvitaan laite, joka mittaa säteilyä Toimintaperiaate: Optis-mekaaninen Optis-sähköinen Sähköinen Instrumentit Passiiviset instrumentit mittaavat kohteen heijastamaa tai emittoimaa säteilyä Aktiiviset instrumentit mittaavat kohteesta sironnutta tai heijastunutta säteilyä Passiivinen VIS & IR: Valokuvauskamera, Lidar CCD, vidicon, keilaimet, spektrometrit Aktiivinen MW: Radiometri Tutka (SLAR & SAR) Kamera Passiivinen instrumentti aallonpituusalueella 0.3-0.9 µm Filmi ja digitaaliset kamerat Filmikamera: linssisysteemi (B) filmi (C) sulkija Neulanreikäkamera Lähinnä teoreettinen malli Filmikamerat Filmi on yleensä herkkää UV-säteilylle, näkyvän valon ja lähi-infrapuna-alueen aallonpituuksille, eli Auringon säteilyn kattamille aallonpituuksille (0.3-0.9 µm). Suotimilla voidaan poistaa tiettyjä aallonpituuksia ja päästää toisia läpi Mittakamera Kuvaus suurella geometrisella tarkkuudella (topografinen kartoitus, fotogrammetria) Kuvatason mitat, kameravakio ja kuvan pääpiste määritetty kalibrointimittausten avulla Osia: Suodin, Objektiivi, Suljin, Himmennin, Kuvataso, Filmikasetti Kuvaushetkellä filmin reunoihin tallennetaan kuvatason reunamerkit, kellonaika, kuvanumero Koska kuvausalusta liikkuu valotuksen aikana, tarvitaan kuvaliikkeen kompensaattori Muita apuvälineitä: peittosäädin, aikasäädin, tähtäinkiikari, valotus- ja laukaisuautomatiikka 7
Kuvausvirheitä Optiikka ym. aiheuttaa virheitä jotka pitäisi tuntea ja poistaa Tynnyrivääristymä vasemmalla, virheetön kuva keskellä, tyynyvääristymä oikealla Monikanavakamera Otetaan useampi valokuva samasta paikasta eri filmi-suodin kombinaatioilla Yleensä: useampi lähekkäin oleva kamera jotka ottavat kuvan samanaikaisesti Värikuvien muodostus optisen näyttölaitteen tai tietokoneen avulla Strip-kamera Kuvatasossa kapea rako (määrittää valotuksen) Kameran liikkuessa siirretään filmiä Suljin koko ajan auki Suunniteltu alhaiselle lentokorkeudelle & suurelle lentonopeudelle -> sotilastiedustelu Panoraamakamera Objektiivissa kapea rako Objektiivia käännetään lentosuunnan suhteen kohtisuoraa Filmi kaarevalla pinnalla Objektiivin kääntyessä kaistale filmiä valottuu Kun objektiivi on käännetty laidasta laitaan siirretään filmiä Toinen vaihtoehto: tasainen kuvataso + objektiivin edessä pyörivä prisma Etuja: hyvä erotuskyky, laaja kuvakulma ja kuva-ala Haittoja: geometriset vääristymät, ilmakehän vaikutus erilainen kuvan eri osissa Kameratyypit Digitaaliset kamerat Panoraamakamera Stripkamera Mittakamera ilmakuvaukseen Tuleva säteily havaitaan sähköisien ilmaisimien avulla. Tallennetaan digitaalisessa muodossa, joka voidaan suoraan hyödyntää digitaalisena kuvana Digitaalisissa kameroissa on usein nykyään CCD - ilmaisinjärjestelmä CCD = charge coupled device 8
CCD ilmaisin CCD-kenno koostuu matriisista, jossa on useita ilmaisimia, yksi kullekin tulevalle kuvapikselille Kohteesta tuleva säteily tulee ilmaisimeen ja tuottaa sähkövarauksen, joka riippuu säteilyn voimakkuudesta. Sähkövaraus muunnetaan digitaaliseksi lukuarvoksi, josta saadaan kuvan harmaasävyarvo kutakin ilmaisinta vastaavassa pikselissä. Digitaalinen lukuarvo tallennetaan. Valokuva vs. CCD Valokuva CCD Kuvanmuodostus: Hopeahalidit säteilylle filmissä herkkä ilmaisin Varastointi: filmi tai tietokonelevyke, paperikopio kovalevy, CD Manipulointi: kemiallinen kehitys, digitaalinen optinen kopiointi kuvankäsittely Siirto: Posti, faksi tietokoneverkko, -levyke Esitysmuoto: dia, elokuva monitori, TV paperikopio printteri Keilain Aallonpituusalue 0.3-14 µm Useampi kuva samanaikaisesti usealla aallonpituusalueella Kaksiulotteinen kuvanmuodostus keilaamalla Digitaalinen tallennus Osat: (Pyörivä peili: "kerää" säteilyn eri suunnista) Optiikka: kokoaa säteilyn Puoliläpäisevä hila & prisma: jakaa säteilyn eri aallonpituusalueisiin Ilmaisin: säteilyn energia muuttuu sähköiseksi signaaliksi Signaalin prosessointi: muuntaa sähköisen analogiasignaalin digitaaliseksi signaaliksi A/D muuntimen avulla Keilain Miten säteily kulkee Landsat 7 ETM keilaimessa Tallennus: esim. nauha, kovalevy, lähetys maahan Keilain Ilmaisimet Lämpöilmaisin: lämpöherkkä materiaali, joka lämpenee sitä enemmän mitä enemmän se absorboi säteilyä muutetaan resistanssin muutokseksi Kvantti-ilmaisin: fotoni osuu ilmaisinmateriaaliin (esim. galliumarsenidi) syntyy sähkövirta jonka voimakkuus riippuu fotonien määrästä Infrapuna-alue 3-5 & 8-14 µm Ilmaisin täytyy eristää muusta laitteistosta ja jäähdyttää CCD: fotonit synnyttää sähkövirran Keilain Ilmaisimen signaalin voimakkuus Riippuu instrumenttiin saapuvan säteilyn määrästä 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 9
IFOV Instantaneous field of view (IFOV): Instrumentin näkökenttä; ilmaisee kuinka suuren alueen kohteesta instrumentti näkee. Kulmasuure Mittauskulman muuttuessa etäisyys muuttuu näkökenttä erilainen kuvan eri osissa Kuvan laidoilla suurempi Keilain: IFOV Pieni näkökenttä pienet kohteet erottuvat hyvä alueellinen erotuskyky 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 (käytettävien bittien lukumäärä) Hyvä maanpinnan erotuskyky ja hyvä radiometrinen erotuskyky vastakohtia Keilain Käytetään ilmaisinta, jota keilataan (käännetään) kuvausalueen yli, Ilmaisinta voidaan keilata joko 1. kohtisuora lentosuuntaan nähden 2. lentosuunta 3. kartiokeilaus 4. sivukulmakeilaus (yleensä käytetään vain tutkissa). Kohtisuoraan lentosuuntaan nähden toimiva keilan Whiskbroom Kuvaa kohdetta linjoina kohtisuoraan lentosuuntaa vasten Kääntyvä peili (A) kerää säteilyn lentolinjan kummaltakin puolelta ilmaisimeen Esim. Landsat-7 ETM Kohtisuoraan lentosuuntaan nähden toimiva keilan Tuleva säteily jaetaan eri aallonpituuksiksi Prisma auringon säteilylle uv, vis, nir erikseen Lämpösäteily (tir) erikseen Instrumentin ilmaisimet (B) herkkiä tietyille aallonpituuksille Ilmaisin havaitsee tietyn ajan yksi pikseli keilauslinjalla Havaintoaika ja lentonopeus määrää alueellisen erotuskyvyn Kohtisuoraan lentosuuntaan nähden toimiva keilan E on kulma, jonka sisältä instrumentti havaitsee tulevaa säteilyä lentokoneilla 90 o -120 o satelliitissa yleensä 10 o -20 o F on keilausalueen eli kuva-alueen leveys 10
Lentosuunnan keilain Pushbroom Havaitaan samanaikaisesti koko keilausalueen leveys Kullekin lentosuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa olevalle pikselille on oma ilmaisin A ilmaisinrivi joka on kuvatasolla B C linssisysteemi Lentosuunnan keilain Tarvitaan rivi ilmaisimia kullekin aallonpituusalueelle eli kanavalle Parempi tarkkuus havainnoissa, koska voidaan havaita kohdetta pidemmän aikajakson kuin kohtisuoralla keilaimella Lentosuunnan keilain Voidaan pienentää havaintokulmaasaadaan tarkempi kuva maastosta Voidaan kaventaa kanavia saadaan pienempiä ja tarkempia aallonpituusalueita Mutta kallis ja painavampi Spektrometri Instrumentti joka havaitsee usealla hyvin kapealla aallonpituusalueella samanaikaisesti Tyypillisesti useita satoja tai tuhansia kanavia. Usein lentokonekäyttöisiä instrumentteja, satelliiteissa ollut Hyperion-instrumentti Ei välttämättä muodosta kuvaa Esimerkki: AISA-spektrometri AISA-kuvan tulkinnan periaate (Juho Lumme, TKK/Foto) Lidar / Laserkeilaus Optisella ja infrapuna-aluella toimiva aktiivinen instrumentti eli tutka (Light detection and ranging) Lähettimenä laser (aallonpituus yleensä 1.06 tai 10.6 µm) Lähettää valopulssin osuu kohteeseen mitataan etäisyys ja heijastunut osuus Laser Induced Fluorescence: kohde absorpoi laserin lähettämän pulssin emittoi pidemmällä aallonpituudella mitataan emittoitunut säteily eri aallonpituuksilla 11
Mittausperiaate Esimerkki: Laserkeilaus Metsikkö Radiometri Säteilyn määrä mitataan ja talletetaan mahdollisimman tarkasti Eräs keilainten erikoistyyppi Mittaa kohteen heijastamaa tai luonnostaan lähettämää säteilytehoa (kohteen lämpötilasta johtuvaa säteilyä) Havainto tehdään usein melko suurella aallonpituusalueella eli yhden kanavan leveys on aika suuri saavutetaan hyvä säteilyn määrän mittaustarkkuus Lähinnä mikroaaltoalueella tai termisillä aallonpituusalueilla toimivia instrumentteja Mikroaaltoradiometri Passiivinen instrumentti Mikroaaltoalue: aallonpituus 0.3-100 cm, taajuus 0.3-100 GHz Mittaa antenniin saapuvaa kirkkauslämpötilaa (kohteen emissiivisyyden ja kineettisen lämpötilan tulo) Mitattu kirkkauslämpötila koostuu kohteen emittoimasta, ilmakehän emittoimasta, pinnasta heijastuneesta ja kohteen läpäisseestä säteilystä Mikroaaltotutka Mikroaaltoalueella toimivat aktiiviset instrumentit Radar = Radio detection and ranging Kuvaavat tutkat: SLAR (Side-Looking Airborne Radar) SAR (Synthetic Aperture Radar) Kuvaa muodostamattomat tutkat: altimetri, sirontamittari, polarimetri Mikroaaltotutka: SLAR Lähetin lähettää pulssin Pulssi osuu kohteeseen ja osa siroaa takaisin Vastaanotin mittaa takaisintulevan pulssin voimakkuuden ja kulkuajan Takaisintulleen pulssin voimakkuus ("kaiku") riippuu kohteen ominaisuuksista Maanpinnan erotuskyky riippuu pulssin pituudesta ja antennikeilan leveydestä Kuva muodostetaan antennin ja kohteen etäisyyden perusteella Aiheuttaa mittakaavavääristymää, korkeuseroista johtuvaa kohteiden siirtymistä ja parallaksia Mikroaaltotutka: SAR SLAR maanpinnan erotuskyky riittämätön satelliittikäyttöön (tarvitaan liian iso antenni) Simuloidaan isoa antennia pienellä antennilla Käyttää hyväkseen kuvausalustan liikettä Eri ajanhetkillä eri paikoissa olevia fyysisiä antenneja käsitellään yhtenä kokonaisuutena Liike aiheuttaa Doppler-siirtymän kaikuun Doppler-siirtymän suuruudesta voidaan päätellä kohteen paikka antennikeilassa Doppler-siirtymän avulla saadaan kavennettua antennikeilaa 12
Mikroaaltotutka: profiloivat Sirontamittari (skatterometri) Mittaa takaisinsironnan voimakkuuden tarkasti Käytetään kohteen pinnan suhteellisen karkeuden mittaamiseen HUTSCAT: profiloiva sirontamittari Polarimetri Sirontamittari, joka suorittaa mittaukset useammalla polarisaatiolla ja mittaa myös eri polarisaatioiden vaihe-eron Altimetri Mittaa tarkasti tutkan ja kohteen välisen etäisyyden lähetetyn pulssin kulkuajan perusteella Tunnetaan satelliitin rataparametrit -> määritetään maanpinnan korkeusvaihtelut Resoluutio / alueellinen erotuskyky Maastoresoluutio l. maastoerotuskyky Alueellinen erotuskyky (spatial resolution) Pikselin koko maastossa / pienin kohde jonka voi erottaa Hyvin tarkka: 0.5m 5m Tarkka: 5m - 35 m Keskiresoluutio 200-500 m Karkea: 1000 m - 25-45 km Ajallinen erotuskyky eli kuinka usein aineistoa on saatavilla? Toistojakso l. koska satelliitti ylittää uudelleen saman kohdan? Voi myös olla nopeampi, viereisiltä radoilta saattaa näkyä sama kohde uudelleen 1 päivä - 1 kuukausi Ajallinen erotuskyky Pilvisyys! vaikka satelliitti lentää yli, kuvaa ei välttämättä voida hyödyntää (Suomessa kuvat n. 70% pilvisiä) Vuodenaika! viljapellot, lumi ja jää, levien esiintyminen Muutokset ajan mittaan 13
Spektrinen erotuskyky Millaisen alueen instrumentti kattaa sähkömagneettisesta spektistä Instrumentin kanavien aallonpituusalueet Kuinka kapea on aallonpituusalue kullakin instrumentin kanavalla Spektrinen erotuskyky Tavallisen filmin spektrinen resoluutio on varsin karkea verrattuna spektrometriin, jolla saadaan muutaman nanometrin pituisia pätkiä koko aallonpituusalueen matkalta. Usein maastokohteet kuten vesi tai kasvillisuus pystytään erottamaan toisistaan, vaikka instrumentin spektrinen erotuskyky ei olisikaan kovin suuri, koska ne ovat niin erilaisia kohteita. Spektrinen resoluutio Jos halutaan erotella maastokohteita jotka ovat ominaisuuksiltaan lähempänä toisiaan vaaditaan instrumentiltä tarkempaa spektristä erottelukykyä, eli enemmän ja kapeampia kanavia. Esim. vesialueita niiden laadun perusteella, (onko saastunut vai puhdas) Onko metsä havumetsää vai lehtimetsää? Radiometrinen erotuskyky Instrumentin kyky tallentaa maastokohteesta heijastunut säteily Eri kohteiden erottuvuus Mitä parempi on radiometrinen erotuskyky, sitä paremmin instrumentti erottaa maastossa erilaisia kohteita heijastuneen/emittoituneen säteilyn perusteella Radiometrinen erotuskyky 8 bittinen data 2 8 = 256 eri arvoa 16 bittinen data 2 16 = 65536 eri arvoa Vieressä 2 bittiä vs. 8 bittiä Radiometrinen erotuskyky Vasen ylä: Alkuperäinen kuva, 256 harmaasävyä (8-bit) Oikea ylä: 16 harmaasävyä (4-bit) Vasen ala: 4 harmaasävyä (2-bit) Oikea ala: Binäärikuva (1-bit) 14
Sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutus kohteen kanssa Auringon säteilyenergia törmää maahan erilaisiin maastokohteisiin, mitä tapahtuu? Mitä tapahtuu ilmakehässä säteilyn reitillä auringosta maahan ja maasta instrumenttiin? Mitä tapahtuu kun auringon säteily kohtaa erilaisia maastokohteita? Säteily joko heijastuu (R=reflection) absorboituu (A= absorbtion) läpäisee (T= transmission) Energian säilymisyhtälö Tuleva säteily = heijastunut + absorboitunut + läpäissyt I (λ) =R (λ) +A (λ) +T (λ) Energia ei häviä!!! Aallonpituudesta (λ) riippuvainen Aallonpituudesta & maastokohteesta riippuu, miten paljon absorboituu, läpäisee ja heijastuu Kaukokartoituksen kannalta sama yhtälö järkevämmin Heijastunut eli havaittu R= Tuleva säteily I - (absorboitunut A + läpäissyt T) R(λ) =I (λ) -(A(λ) +T (λ) ) Heijastunut säteily on sitä mitä instrumentti havaitsee Heijastuminen Heijastuminen: säteily "ponnahtaa" takaisin kohteen pinnasta Pinta: kerros, jonka paksuus on puolet säteilyn aallonpituudesta Tulokulma pienenee heijastuminen pienenee Sileä pinta peilimäinen heijastus Karkea (korkeusvaihtelut ja osasten koko suurempia kuin säteilyn aallonpituus) pinta diffuusi heijastus Kohde on aivan sileä Kaikki (lähes) tuleva säteily heijastuu pois saman suuruisessa kulmassa kuin tulokulma Esim. peilityyni vesi Peiliheijastus 15
Heijastuksen määrä on (lähes) sama kaikkiin suuntiin Tasaisen karkeilla maastokohteilla Diffuusi heijastus Mikä on karkea ja mikä on sileä kohde? Riippuu tulevan säteilyn aallonpituudesta! Jos aallonpituus on pienempi kuin pinnan elementin karkeus, tapahtuu enemmän diffuusia heijastusta Esimerkiksi : hieno hiekka on sileä kohde, jos aallonpituus on 0.5 cm, mutta varsin karkea näkyvän valon aallonpituusalueella (0.4-0.7 µm) Todellinen maastokohde Jos aallonpituus on suurempi kuin kohteen pinnan karkeus - enemmän peiliheijastusta. Diffuusi tai lähes diffuusi heijastus on sitä, mistä on hyötyä kaukokartoituksessa Todellisuudessa maastokohteen karkeus ja kallistus vaihtelee Maastokohteista heijastus lähtee eri suuntiin eri määriä Heijastussuhde eli reflektanssi ρ=r(λ)/ I(λ) * 100% Kohteesta heijastuneen (R) ja kohteeseen tulevan säteilyn (I) (auringon valon) suhde on reflektanssi Koska tuleva säteily I(λ) on suurempi kuin heijastunut säteily R(λ) heijastussuhde on aina (!) pienempi kuin 100% Luonnonmateriaaleilla heijastussuhteeseen vaikuttaa aallonpituuden lisäksi säteilyn tulo- ja lähtökulmat Säteilyn tulo- ja lähtökulmien vaikutus Säteilylähde pysyy paikallaan, kuvaussuunta vaihtelee Heijastussuhde eri aallonpituuksilla Erilaisista maastokohteista saatava heijastussuhde eri aallonpituuksilla on kohteen spektrinen heijastuskäyrä Kullakin kohteella on oma tyypillinen heijastuskäyränsä jonka perusteella kohteet voidaan erotella Kutsutaan myös kohteen ominaissäteilyksi Bi-directional reflectance effect of grass (source: University of Zurich). 16
Instrumentin mittauskyky Radiometrinen tarkkuus: Instrumentin kyky erottaa pienet radianssin muutokset Ilmakehän sironta: Instrumenttiin tulee hajavaloa kontrasti pienenee Kohteen pinnan karkeus: Sileästä kohteesta tuleva säteily heijastuu yleensä poispäin saadaan vähän informaatiota Muutokset kohteessa: Tietyltä kohteen alueelta mitattu radianssi onkin lähtöisin laajemmalta alueelta Maastokohteen heijastus Tunnettava / tiedettävä millä aallonpituusalueella kukin kohde erottuu jotta ne voidi erottaa toisistaan Esimerkiksi eri puulajit : näkyvän valon aallonpituuksilla heijastuskäyrä varsin samanlainen, lähi-infralla näkyvät erot Puusto: Absorboi voimakkaasti sinistä (B) ja punaista valoa (R ) Heijastaa vihreää (G) ja lähi-infraa (IR) Eri maastokohteet Kasvillisuus Kasveissa klorofylli absorboi sinisen ja punaisen valon Kun klorofyllin tuottaminen vähenee syksyllä tai kasvin kuollessa, absorptio vähenee punaisella aallonpituudella - lehti heijastaa myös punaista väriä ja näkyy silloin keltaisena (=punainen+vihreä) tai punaisena Tyypillinen kasvillisuuden heijastusspektri Kasvillisuus Lähi-infran aallonpituuksilla (0.7-1.3 µm) kasvillisuuden sisäinen rakenne vaikuttaa paljon heijastuksen (R ) määrään Eri kasvilajit ovat sisäiseltä rakenteeltaan erilaisia lajit voidaan erottaa toisistaan 17
Kasvillisuus Kaukokartoitusinstrumentin kuvalta eri lajit voidaan tunnistaa, koska ne saavat kuvalla (erit. lähi-infrakanavilla) harmaasävyarvot Samoin kasvisairaudet ja kasvillisuuden kerrostuneisuus voidaan tunnistaa lähi-infrakanavilta Veden absorptioaallonpituudet: 1.4, 1.9, 2.7 µm Kasvin tai kohteen kosteus mahdollista saadaan selville: kosteuden määrä/ lehden paksuus Kohteen kosteus Kasvillisuus: spektri Lehtipuu vihreä, havupuu punainen, ruoho sininen, kuiva ruoho syaani Kasvillisuus: spektri Lehtipuu vihreä, havupuu punainen, ruoho sininen, kuiva ruoho syaani Spektrit: ASTER Spectral Library AISA: Puulajit Trees AISA: Peltokasvi Agricultural field 160 160,00 Sugar-beet 140 Cornfield Harmaasävyt normalisoitu, ts. kanavan harmaasävy jaettu kaikkien kanavien harmaasävyjen summalla ja kerrottu vakiolla. Kutsutaan nimellä Scaled Chromatic Ratio Mean grey-level value of reflection (1-255) 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 Pine 40,00 Fir 20,00 Birch Willow 0,00 Channel AISA-kuvaus suoritettu 2.9.1999. Threshed cornfield 120 (Kuiva!)grass (tuore!)grass 100 80 60 40 20 0 Channel 18
AISA: Mänty, kasvupaikka Trees: pine AISA: Kuusi, kasvupaikka Trees: fir 140,00 140,00 Organic sediments Coarse grained sediments 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 Tills Coarse grained sediments 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 Tills Organic sediments 20,00 20,00 0,00 Channel 0,00 Channel AISA: Koivu, kasvupaikka Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12-16 lähi-infra (Juho Lumme / 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 Fine grained sediments Coarse grained sediments Tills Organic sediments Trees: birch AISA: Mänty, puu vs. metsä 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 Pine woods A pine and pine wood Mean value of pine woods A pine 0,00 Channel 0,00 Channel AISA: Kuusi, puu vs. metsä A spruce and spruce wood AISA: Koivu, puu vs. metsä A birch and birch grove 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 Spruce woods Mean value of spruce woods A spruce 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 Birch groves A birch Mean value of birch Mean value of birch groves 0,00 Channel 0,00 Channel 19
AISA: Ruoho, maalaji 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 Fine grained sediments Coarse grained sediments Organic sedimets Agricultural field: Grass Mean value of fine grained sedimets Mean value of coarse grained sedimets Organic sedimets AISA: Vehnä, maalaji 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 Fine grained sediments Agricultural field: cornfield Coarse grained sediments Organic sediments Mean value of fine grained sedimets Mean value of coarse grained sediments Mean value of organic sediments 20,00 20,00 0,00 Channels 0,00 Channel AISA: Leikattu vehnäpelto, maalaji Agricultural field: stubble cornfield 140 120 100 80 60 40 20 Fine sand cornfields Clay cornfields Mean value of fine sand cornfields Mean value of clay cornfields AISA: Kasvilaji vs. maaperän muodostuminen 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 Supra-akvaattiset ja subakvaattiset alueet Coniferous forest (0) Coniferous forest (1) Deciduous forest (0) Deciduous forest (0) Grass (0) Grass (1) 20,00 0 Channel 0,00 Channels Kasvillisuus: Spot esimerkki Spot-kuva Portugal Peltokasvillisuus kirkas vihreä Metsät tumma vihreä Kasvillisuus: yhteenveto H A L VIS 1 4 1 Pigmentti NIR 3 1 2 Fyysinen rakenne MIR 2 3 1 Vesipitoisuus Alhainen 1-4 korkea H: Heijastus A: Absorptio L: Läpäisy 20