Fizyczne Podstawy Teledetekcji Wykad 1 Krzysztof Markowicz Instytut

Fizyczne Podstawy Teledetekcji Wykład 1 Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski kmark@igf. fuw. edu. pl

Uwagi ogólne • Wykład i ćwiczenia dla Wydziału Geografii i Studiów Regionalnych, studia II stopnia Specjalność: Geoinformatyka • Specjalizacja: Teledetekcja • Egzamin: pisemnym • Termin: wtorek 14: 00 -15: 30, sala B. 4. 58 2

Plan wykładu • • • Wprowadzenie do teledetekcji środowiskowej. Zagadnienie odwrotne. Teledetekcja pasywna i aktywna. Podstawy fizyczne promieniowania elektromagnetycznego, promieniowanie ciała doskonale czarnego, podstawowe wielkości opisujące promieniowanie. Oddziaływanie promieniowania z materią. Absorpcja promieniowana przez gazy atmosferyczne oraz rozpraszanie promieniowania przez chmury oraz aerozole. Odbicie promieniowania od powierzchni Ziemi. Transfer promieniowania w atmosferze. Modele transferu radiacyjnego 3

• Fizyka detektorów promieniowania elektromagnetycznego. • Kalibracja przyrządów. • Satelitarne systemy pomiarowe, rodzaje orbit, tryby skanowania powierzchni Ziemi. • Kolor oceanu, wyznaczanie albeda powierzchni oceanu. Wyznaczanie koncentracji chlorofilu w wodzie. Pojęcie poprawki atmosferycznej. Algorytmy teledetekcyjne stosowane dla przyrządów Sea. WIFS i MODIS • Teledetekcja obszarów lądowych, zmienność spektralna współczynnika odbicia w zależności od pokrycia terenu, indeks NDVI. • Wyznaczanie temperatury powierzchni oceanów SST

• • Wykorzystanie radaru do pomiarów poziomu oceanów (projekt Topex/Posejdon). Omówienie pierwszego radaru meteorologicznego na orbicie (TREM). Wykorzystanie systemu GPS do pomiarów zawartości pary wodnej w atmosferze. Teledetekcja ozonu stratosferycznego. Przegląd satelitów środowiskowych. Techniki pomiarowe oraz algorytmy satelitarne stosowane do wyznaczania własności optycznych aerozoli na podstawie pomiarów przyrządami MODIS, AVHRR i MISR. Wykorzystanie metod teledetekcyjnych do wyznaczania koncentracji gazów śladowych (metoda LIMB) oraz profili pionowych temperatury powietrza. Badania teledetekcyjne chmur. 5

Literatura • Materiały przygotowane przez wykładowcę http: //www. igf. fuw. edu. pl/meteo/stacja/wyklady/Fizyczne. Podstawy. Teledetekcji/ • G. L. Stephens, Remote Sensing of the Lower Atmosphere. An Introduction. • G. W. Petty, A First Course in Atmospheric Radiation. • W. G. Rees "Physical principles of Remote Sensing" University Press, Cambridge • P. N. Slater "Remote Sensing-optics and optical systems” Addison-Weslay Publishing Company 6

Plan ćwiczeń 7

Teledetekcja TELE ( gr. Tele = daleko) -działający, osiągany z dużej odległości -DETKCJA (łac. Detectio) -wykrywanie dowolnych sygnałów, w tym przypadku promieniowania elektromagnetycznego TELE + DETECTIO = TELEDETEKCJA 8

TELEDETEKCJA ŚRODOWISKA to badanie obiektów, zjawisk i procesów zachodzących na powierzchni Ziemi pod jej powierzchnią i w atmosferze, za pomocą rejestracji promieniowania elektromagnetycznego, analizy zarejestrowanych danych w celu uzyskania informacji, które po interpretacji tworzą wiedzę o badanych obiektach i zjawiskach. Teledetekcja środowiska zajmuje się zarówno poszczególnymi komponentami środowiska jak i jego całością (strukturą), a także zjawiskami zachodzącymi w środowisku i jego strukturalnych częściach. • W swoich badaniach posługuje się rożnymi metodami wypracowanymi w trakcie jej rozwoju jak też metodami zaczerpniętymi z różnych dziedzin wiedzy i przystosowanymi do potrzeb badań teledetekcyjnych. 9

10

Ważniejsze daty rozwoju telegeoinformacji fotografia: • 1720 - J. Schulze - odkrywa światłoczułość azotanu srebra • 1819 - Jan Fryderyk Wilhelm Herschel odkrywa tiosiarczan sodu, poźniej wykorzystywany jako utrwalacz • 1820 -J. Niecephore (Niepce)- światłoczułość posrebrzanej płyty miedzianej • 1827 - Pierwsze zdjęcie fotograficzne na metalowej płycie pokrytej asfaltem syryjskim • 1891 - Pierwsze zdjęcia barwne • 1900 – Pierwsza kamera do fotografii wielospektralnej • 1909 – pierwsze zdjęcia wykonane z samolotu (Wilbur Wright) • 1910 – Stereoautograf Orela-Zeissa do opracowywania serii zdjęć stereskopowych • 1915 – Wykorzystanie zdjęć lotniczych do rozpoznania wojskowego w czasie I wojny światowej • 1920 – pierwsze wykorzystanie zdjęć lotniczych do rozpoznania geologicznego przy poszukiwaniach ropy naftowej • 1937 – Pierwsze zastosowanie w fotografii lotniczej filmu barwnego • 1964 – Program NASA badania użyteczności fotografii wielospektralnej w badaniach zasobów Ziemi

METODY NIEFOTOGRAFICZNE • 1800 – Odkrycie przez Wiliama HERSCHELA promieniowania podczerwonego • 1889 – HERTZ przedstawia eksperyment pokazujący odbicie fal radiowych od ciał stałych • 1916 – Wykorzystanie termostosu do wykrywania efektów cieplnych • 1930 – Pierwsze próby (Anglia, Niemcy) systemów termalnych przystosowanych do pracy w nocy • 1940 – Początki prac związanych z opracowaniem systemów radarowych • 1950 – Szeroki rozwój prac nad systemami termalnymi • 1960 – Intensywne prace nad różnymi detektorami pozwalającymi na budowę urządzeń obrazujących, radiometrów nieobrazujacych, skanerów, spektrometrów i polarymetrów • 1968 – pierwsze prace nad systemami laserowymi

Rozwój satelitarnych badań atmosfery i oceanów • 1959 satelita Exporer 7 do badania budżetu energetycznego Ziemia. Atmosfera • 1960 TIROS I – pierwszy satelita meteorologiczny wykonujący fotografie chmur • 1969 NIMBUS III – zaopatrzony w dwa spektrometry IRIS działające w dalekiej podczerwieni do wyznaczania profilu pionowych temperatury powietrza, pary wodnej, ozonu oraz w przyrząd do pomiary promieniowania UV. Służył on do wyznaczania całkowitej zawartości ozonu w pionowej kolumnie powietrza. • 1972 NIMBUS V – zastosowano pierwsze detektory mikrofalowe do wyznaczania temperatury atmosfery oraz całkowitej zawartości pary wodnej. • 1974 SMSI – pierwszy satelita geostacjonarny używany do fotografowania chmur nad półkulą północną, jego następcy to GOES • 1977 METEOSAT I – satelita Europejskiej Agencji Przestrzeni Kosmicznej początkujący serie METEOSATÓW 13

Kilka dat z historii przyrządów do rejestracji obrazów • XI-XV w. - „camera obscura” -ciemnia optyczna - obraz odwrócony • XVII w. - „camera clara” (system optyczny: obiektyw - lustro matówka) • obraz prosty. Beautemps-Beaupre sporządził obrys wybrzeża wyspy Santa Cruz, wykorzystane do sporządzenia ma topograficznych • 1821 - obiektyw achromatyczny (Chevalier) • 1893 - obiektyw anastygmatyczny, • Fototeodolit • Początek XX wieku - różnego rodzaju kamery jedno i wieloobiektywowe do wykonywania zdjęć lotniczych najpierw z balonów potem samolotów

ŚRODKI DO PRZENOSZENIA KAMER BALONY • 1858 -1859 G. F. TOURNACHON - zdjęcie niewielkiej miejscowości w pobliżu Paryża (wysokość fotografowania 80 -200 m) • 1860 -James Wallace BLACK - zdjęcie miasta i portu w Bostonie (wysokość fotografowania 365 m) • 1886 - KOWAŃKO - zdjęcia Petersburga (wysokość fotografowania 800 - 1350 m) SAMOLOTY • 1909 - Wilbur WRIGHT - Zdjęcie filmowe Centotelli we Włoszech SATELITY • 1960 - PIERWSZE SATELITARNE ZDJĘCIE TELEWIZYJNE • 1972 - PIERWSZY SATELITA OPERACYJNY DO BADAŃ ŚRODOWISKA LĄDOWEGO LANDSAT-1 (ERTS) • 1978 -PIERWSZY SATELITA DO BADAŃ MÓRZ I OCEANÓW (SESAT) • 1991 - PIERWSZY RADAROWY SATELITA EUROPEJSKI DO BADAŃ ŚRODOWISKA (ERS-1)

Polska • 1921 -1924 Dla pogranicza polsko-sowieckiego wykonano fotoplany w skali 1: 10 000, dla powierzchni 3000 km 2 • Do roku 1939 Zdjęcia lotnicze były wykorzystywane do celów: URBANISTYCZNYCH • B. Piasecki (1930 - Plany miast na podstawie zdjęć • lotniczych) • Roman Feliński (1935 - Miasta, wsie uzdrowiska w • osiedleńczej organizacji kraju) MELIORACYJNYCH • Roman Gryglaszewski (1931 - Zdjęcia sytuacyjne rzek • Polesia metodą aerofotogrametryczną) ROLNICZYCH • 1937 - 1939 Do klasyfikacji gruntów LEŚNICTWA • 1947 - Rozpoczęcie fotografowania lotniczego do celów topograficznych

Pierwsze zdjęcie lotnicze z terenu Polski, wykonane prawdopodobnie w styczniu 1915 roku, przez 10 Fl. K (Fligerkompanien) z samolotu LOHNER C GORLICE – 1914/1915

Wprowadzenie do pomiarów teledetekcyjnych • METODY TELEDETEKCYJNE są metodami zdalnym w przeciwieństwie do pomiarów typu in-situ, które wykonywane są w danym miejscu. Ich ogromną zaletą jest duży zasięg prowadzonych obserwacji jednak interpretacja sygnałów pomiarowych jest znacznie bardziej skomplikowana i wymaga często stosowania metod odwrotnych. Metody te wymagają użycia teorii transferu promieniowania elektromagnetycznego w atmosferze (czasami również w oceanie) a w szczególności teorii rozpraszania oraz absorpcji. • Z całego widma promieniowania analizowane są takie przedziały spektralne, w których promieniowanie elektromagnetyczne oddziaływuje z materią (molekuły powietrza, aerozol, chmury, powierzchnia ziemi). W ogólności sygnał S odbierany przez detektor może być zapisany w postaci: 18

• S=F(T), • gdzie, T jest badanym obiektem, F reprezentuje zaś pewną funkcję. • Funkcja ta opisuje procesy radiacyjne w ośrodku i jest najczęściej funkcją nieliniową. Funkcja odwrotna F-1 opisuje nam badany obiekt, ze względu na relację: T=F-1(S). W większości przypadków, z jakimi mamy do czynienia w teledetekcji funkcji odwrotnej F-1 nie możemy wyznaczyć. W takim przypadku poszukujemy pewnych parametrów naszego „targetu”, które najlepiej odpowiadają zmierzonemu sygnałowi. problem bezpośredni S=F(T) Signal (S) Target (T) T=F-1(S) problem odwrotny 19

20

Przykład cd. • Problem bezpośredni na podstawie wiedzy na temat wagi, wysokości, wieku, wielkości kończyn smoka wyznaczamy kształt śladów jakie zostawia na piasku, śniegu itd. • Problem odwrotny – na podstawie śladów staramy się wywnioskować jakie zwierze je pozostawiło, ile miało lat, ile ważyło itd. Zadanie to jest znacznie trudniejsze do rozwiązania. Niejednokrotnie udzielenie odpowiedzi na pewne pytanie jest w ogólne niemożliwe np. jaki kolor sierści miało to zwierze? 21

• W rzeczywistości problem jest jeszcze bardziej skomplikowany. Wyobraźmy sobie, że „pozostawione ślady” zasypuje wiatr. Taką rolę w teledetekcji powierzchni Ziemi odgrywa atmosfera czy też powierzchnia Ziemi w teledetekcji parametrów atmosferycznych. • W tym przypadku pewnym ułatwieniem są dodatkowe informacje np. pozostawiony włos z sierści smoka czy pomiary w różnych długościach fali w przypadku teledetekcji środowiskowej. 22

Przykład – dlaczego liście widzimy jako zielone? Liście na drzewach są zielone gdyż z całego widma promieniowania które pada na liść tylko promieniowanie odpowiadające barwie zielonej jest rozpraszane i dociera do oka reszta zaś jest absorbowana przez liść (widmo niebieskie oraz widmo czerwone oraz promieniowanie podczerwone) 23

• Podstawowym problemem, jaki napotykamy w metodach odwrotnych jest brak jednoznacznego rozwiązania. • Wynika to z faktu, iż nasz problem jest najczęściej problemem niedookreślonym ze względu na większą liczbę parametrów które chcemy wyznaczać w stosunku do liczny niezależnych obserwacji. • Np. w przypadku wyznaczania profilu temperatury w atmosferze zazwyczaj mamy pomiary w kilkunastu czy w kilkudziesięciu kanałach spektralnych, zaś naszą niewiadomą jest funkcja ciągła. Dlatego temperaturę powietrza wyznacza się tylko dla kilku lub kilkunastu warstw powietrza. • W innym przypadku gdy chcemy wyznaczyć zawartość chlorofilu w wodzie morskiej kluczową rolę odgrywa atmosfera gdyż na sygnał docierający do satelity wpływ od chlorofilu jest na poziomie kilku procent. Bez odjęcia czynnika atmosferycznego koncentracji chlorofilu nie można wyznaczyć. Własności optyczne atmosfery zmieniają się 24 istotnie i stanową kolejne niewiadome w zadaniu.

• Poza niejednoznacznością pojawia się problem stabilności rozwiązania oraz problem uzyskania tego rozwiązania. • Niestabilności rozwiązania mogą pojawia się np. ze względu na błędy obserwacyjne lub błędne założenia poczynione na temat własności fizycznych badanego ośrodka. • W wielu metodach teledetekcyjnych problem odwrotny sprowadza się do równania Fredholma pierwszego rodzaju • gdzie funkcja f(x) może opisywać np. profil pionowy temperatury atmosfery, K(x) jest jądrem (zależnym od fizyki problemu), zaś gi wartościami promieniowania w „i” 25 kanałach spektralnych.

• Jeśli uwzględnić niedokładności pomiarowe równania Fredholma sprowadza się ono do równania • gdzie błędy i mogą powodować znacznie zmiany profilu funkcji f(x). Czułość rozwiązania na błędy pomiarowe jest rzeczą bardzo niepożądana. Można ją jednak minimalizować poprzez odpowiedni dobór obszaru spektralnego dla którego wykonujemy pomiary promieniowania. Ponadto poprzez założenia a priori dotyczące własności optycznych atmosfery, powierzchni Ziemi itd. . 26

Teledetekcja aktywna • Wykorzystuje się w niej sztuczne źródła promieniowania elektromagnetycznego, takiej jak lasery, radary. Emitują one fale o określonej długości, zaś detektory rejestrują promieniowanie rozproszone, odbite wstecznie. • Ostatni rozwój technik lidarowych i radarowych bazuje na metodach różnicowych czy depolaryzacyjnych pozwalających detekcje pary wodnej, aerozoli, gazów śladowych czy parametrów mikrofizycznych chmur.

28

Teledetekcja pasywna • Używa naturalnych źródeł promieniowanie elektromagnetycznego takich jak Słońce, powierzchnia ziemi i czy atmosfera. • W badaniach atmosfery wykorzystuje się szerokie widmo promieniowania począwszy od UV przez promieniowanie widzialne, podczerwone po mikrofale. • Pasywna teledetekcja dostarcza informacji o temperaturze powierzchni ziemi, atmosfery, profilach pionowych koncentracji składników atmosferycznych ponadto jest wykorzystywana do pomiaru bilansu energetycznego na górnej granicy atmosfery. 29

30

31

Ogólny algorytm odzyskiwania wielkości atmosferycznych obserwacje satelitarne wyznaczane wielkości walidacja kalibracja metody odwrotne w oparciu o modele transferu radiacyjnego czytanie formatu danych informacje klimatyczne dowiązanie geolokacji wybór pikseli chmurowych lub czystych 32