Esittely latautuu. Ole hyvä ja odota

Esittely latautuu. Ole hyvä ja odota

Maa Kaukokartoituksen yleiskurssi

Samankaltaiset esitykset


Esitys aiheesta: "Maa Kaukokartoituksen yleiskurssi"— Esityksen transkriptio:

1 Maa-57.351 Kaukokartoituksen yleiskurssi
Luento 1: Johdanto Sähkömagneettinen säteily Kuvausalustat ja radat

2 KAUKOKARTOITUS Määritelmä: Informaation hankkiminen kohteesta
koskettamatta sitä (käyttäen sähkömagneettista säteilyä informaation välittäjänä)

3 FOTOGRAMMETRIA Menetelmät joilla määritetään kohteen sijainti, koko ja
muoto kuvilta mittaamalla  kuvamittaus Hyödynnetään kohteen ja kuvan välisiä geometrisia suhteita

4 KUVATULKINTA Luokitellaan ja analysoidaan kuvalla esiintyviä kohteita
Hahmoinformaatio: muoto tekstuuri: kohteen pintakuviointi Fysikaalinen informaatio: värisävy kuvalla: millaista ja kuinka paljon kohde heijastaa tai lähettää sähkömagneettista säteilyä

5 KUVATULKINTA Perinteisesti kuvana ilmakuva jota ihminen tulkitsee
Tietokoneen suorittama hahmontunnistus: kuvapikselit tunnistetaan luokitellemalla luokkiin kuva-analyysi: kuva jaetaan yhtenäisiin alueisiin jotka luokitellaan ja yhdistetään tarvittaessa naapurialueisiin

6 NÄIDEN YHTEYS Perinteisesti ajatellaan että kaukokartoitus tarkoittaa satelliittikuvien käsittelyä ja tietokoneavusteista tulkintaa Tosiasiassa kaukokartoitus käsittää ainakin seuraavia asioita: mittausten suorittaminen (instrumentit) näiden tulkinta (kuvatulkinta) ja kohteen muodon määrittäminen (fotogrammetria)

7 Mitä kaukokartoitus vaatii?
A. Säteilylähde B. Ilmakehä (väliaine) C. Energian törmääminen kohteeseen D. Instrumentti havaitsemaan säteily E. Tiedon siirto, vastaan-otto, prosessointi F. Tulkinta, laskenta ja analysointi G. Soveltaminen käytäntöön

8

9 Satelliittikuva dokumentoi ympäristön tilan kuvaushetkellä
Landsat MSS kuva, Inari, , kanavat 5, 7, 4

10 Mihin kaukokartoitusta tarvitaan?
saadaan tietoa laajoilta alueilta kattavaa ja ajantasaista tietoa, jopa useita kertoja päivässä voidaan seurata maastossa tapahtuvia nopeita muutoksia kuten säätä, lumen ja jään sulamista voidaan tehdä karttoja ja päivittää kartta-aineistoja (pellot, avohakkuut, metsät, korkeuskäyrät, tiet)

11 Mihin kaukokartoitus perustuu?
Erilaisilla maastokohteilla on erilaiset sähköiset, fysikaaliset, kemialliset ja geometriset ominaisuudet Kaukokartoitus perustuu instrumenttien kykyyn havaita ja erottaa kohteiden erilaiset ominaisuudet Hyödynnetään sähkömagneettisen taajuusalueen eli spektrin eri osa-alueita Spektri: kaikkien aallonpituuksien muodostama kokonaisuus

12 Landsat ETM-kuva: kanavat
Näkyvän valon kanavat: sininen, vihreä, punainen Infrapunakanavat: lähi-infra I ja II, keski-infra

13 Landsat ETM-kuva: värikombinaatiot
Tosivärikuva, väärävärikuva... …ja infrapunakanavista tehty värikuva

14 Sähkömagneettinen säteily
Sähkömagneettinen säteily on muodostunut sähkökentän ( E ) värähtelystä, joka on kohtisuora säteilyn etenemissuuntaan nähden, sekä magneettikentän (M) värähtelystä, joka on kohtisuora sähkökenttään nähden. Sähkömagneettinen säteily kulkee säteilylähteestään aaltoliikkeen muodossa valon nopeudella c (3*108 m/s). (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

15 Sähkömegneettinen säteily
Aaltomalli Sähkömagneettinen säteily muodostuu etenemissuuntaa vastaan kohtisuorasti kaikkiin suuntiin tapahtuvasta värähtelystä sähkö- ja magneettikentissä, jotka ympäröivät sähköisesti varattua hiukkasta. Etenee valon nopeudella Ominaisuudet: aallonpituus, amplitudi, taajuus Aaltoyhtälö: valon nopeus = aallonpituus * taajuus Aaltomalli kertoo miten sähkömagneettinen säteily liikkuu

16 Sähkömagneettinen säteily
Hiukkasmalli Säteilylähde lähettää säteilyenergiaa tietyn suuruisina "paketteina", kvantteina eli fotoneina -> Sähkömagneettinen säteily etenee fotonivirtana Fotonien ominaisuuksia: energia, lepomassa Fotonin energia = Planckin vakio * taajuus Suuri aallonpituus -> pieni energia Hiukkasmalli kertoo miten sähkömagneettinen säteily on vuorovaikutuksessa kohteen kanssa

17 Sähkömagneettinen säteily: Säteilysuureet
Säteilyn energia (Radiant energy, Q): Säteilylähteen kyky tehdä työtä liikuttamalla kohdetta, lämmittämällä kohdetta tai muuttaa kohdetta jotenkin muuten, Yksikkö: Joule, J Säteilyvirta, säteilyteho (Radiant Flux, F): Säteilyn energian määrä tietyssä ajassa, Yksikkö: Watti, W tai J / s Tehotiheys, irradianssi (Irradiance, E): Tietylle alueelle saapunut säteilyteho, Yksikkö: W / m2 Tehotiheys, säteilyn eksitanssi (Radiant exitance, M): Tietyltä alueelta lähtenyt säteilyteho, Yksikkö: W / m2 Säteilyintensiteetti (Radiant intensity, I): Pistemäisestä säteilylähteestä tiettyyn suuntaan lähtevä säteilyteho, Yksikkö: W / sr (sr=steradiaani, avaruuskulma) Radianssi (Radiance, L): Tietyltä säteilylähteen alueelta tiettyyn suuntaan lähtevä säteilyteho, Yksikkö: W / m2 / sr

18 Säteilyn lähde Säteilyä syntyy kaikissa absoluuttista nollapistettä lämpimämmissä kappaleissa Emissio; prosessi jossa kappale säteilee kappaleen lämpötilasta johtuvaa sähkömagneettista energiaa Luonnollisia säteilynlähteitä ovat aurinko ja maa. Keinotekoisia ovat esimerkiksi hehkulamppu ja tutka (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

19 Säteilyn lähde Tietyltä alueelta lähtenyt säteilyteho riippuu säteilijän lämpötilasta M = sT s= Stefan Boltzmannin vakio, T= lämpötila Emittoituneen säteilyn spektrinen jakauma riippuu myös lämpötilasta

20 Auringon säteily UV, näkyvä valo, lähi-infra,
maksimikohta vihreän valon aallonpituuksilla (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

21 Aallonpituus ja taajuus
Aallonpituus l on yhden kokonaisen aallon pituus aaltoliikkeessä, eli kahden samanvaiheisen kohdan etäisyys. Aallonpituus ilmaistaan usein joko nanometreinä (nm, 10-9 m) tai mikrometreinä (mm, 10-6 m). Taajuus on kokonaisten aaltosyklien lukumäärä aikayksikköä kohden. Taajuuden yksikkö on hertsi, Hz, joka on sama kuin 1/s. (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

22 Aaltoyhtälö: l = c*f Taajuus ja aallonpituus ovat kääntäen verrannollisia; mitä pidempi on säteilyn aallonpituus, sitä pienempi on sen taajuus.

23 Spektri- kaikkien aallonpituuksien muodostama kokonaisuus
(kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

24 Gammasäteily Aallonpituusalue: <0.03 nm
Auringosta tuleva säteily absorboituu ilmakehän ylimmissä kerroksissa täysin. Radioaktiivisten mineraalien lähettämää gammasäteilyä voidaan kuitenkin mitata matalalla lentävistä lentokoneista.

25 Röntgensäteily X-rays 0.03nm - 3 nm
Tuleva säteily absorboituu täysin ilmakehään. Ei käyttöä maanpinnan kaukokartoituksessa Lääketiede

26 Ultravioletti 3nm -0.4mm Auringon UV-säteet, joiden aallonpituus on alle 0.3 mm, absorboituvat täysin ilmakehään. mm alueella säteily läpäisee ilmakehän, mutta ilmakehässä tapahtuva sironta on voimakasta. Instrumentteina käytetään kameraa ja UV-herkkiä ilmaisimia. Voidaan hyödyntää mineraalien ja kivien tutkimisessa.

27 Näkyvä valo nm Näkyvän valon alue on varsin pieni osa spektriä. Punaisella valolla on pisin aallonpituus, ja violetilla lyhyin. Violetti: mm Sininen: mm Vihreä: mm Keltainen : mm Oranssi: mm Punainen: mm (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

28 Näkyvä valo Tallennettavissa valokuvauksella ja valoherkillä ilmaisimilla Maanpinnan heijastushuippu on n 0.5 mm. Useimmissa satelliitti-instrumenteissa on ainakin yksi ellei useampikin kanava näkyvän valon aallonpituudella. (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

29 Infrapunasäteily Infrapunasäteily 700-1400 nm (0.7 - 14 mm)
lähi-infra mm keski-infra mm terminen infra mm ja 8-14 mm Vain tietyt osa-alueet infrapunasäteilystä läpäisevät ilmakehän. Alueella mm havainnot ovat lähinnä auringon heijastunutta säteilyä. Kaukokartoituksessa sovellutukset ovat paljolti samoja kuin näkyvän valon alueella. Termisen infrapunan havaittava säteily on kohteen emittoimaa lämpösäteilyä.

30 Mikroaalto cm Mikroaallot läpäisevät ilmakehän lisäksi myös pilvet ja sumun. Voidaan mitata myös kohteen pinnan alla olevia ominaisuuksia, koska mikroaalloilla on hyvä tunkeutumiskyky. Voidaan tehdä mittauksia vuorokaudenajasta riippumatta.

31 Instrumentti Kaukokartoitusinstrumentit voidaan jaotella esimerkiksi:
kuvaavat ja kuvaa muodostamattomat aktiiviset ja passiiviset optis-mekaaniset, optis-elektroniset, elektroniset

32 Kuvaavat vrs. kuvaa muodostamattomat
Kuvaavat instrumentit keräävät havaintoja laajoilta alueilta Satelliiteissa sekä myös lentokoneissa olevat instrumentit ovat useimmiten kuvaavia. Kuvaa muodostamattomia instrumentteja käytetään, kun halutaan tarkkaa aineistoa pieneltä alueelta. Tällöin kuvan sijasta kohteesta saadaan yksi havainto (yksi pikseli), kuitenkin usealta eri aallonpituusalueelta.

33 Passiiviset instrumentit
Passiiviset instrumentit havaitsevat joko kohteen emittoimaa säteilyä tai kohteesta heijastunutta auringon säteilyä. Esimerkiksi kamerat, keilaimet, radiometrit sekä spektrometrit ovat passiivisia instrumentteja Näkyvän valon, infrapunan ja termisen alueen kaukohavainnoinnissa käytetään lähinnä passiivisia instrumentteja. (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

34 Aktiiviset instrumentit
Lähettävät havaittavaan kohteeseen sähkömagneettista säteilyä tietyllä aallonpituusalueella. Mittaavat takaisin tulevan säteilyn, joka on joko heijastunut tai sironnut kohteesta. Mikroaalto- ja laser-tutkat ovat aktiivisia instrumentteja. (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

35 Erotuskyky eli resoluutio
Ilmoittaa sen alueen koon, jonka sisältä saadaan yksi havainto. Spatiaalinen resoluutio (suomeksi alueellinen erotuskyky) on siis yhden pikselin koko maastossa. Instrumenttien resoluutio vaihtelee paljon, useista kymmenistä kilometreistä yhteen metriin.

36 Kanava Satelliitissa oleva instrumentti havaitsee usein maata usealla eri aallonpituusalueella. Näitä eri aallonpituusalueita kutsutaan kanaviksi. Kanavien lukumäärä ja aallonpituusalue vaihtelevat eri instrumenteissa, kanavia on usein 5 tai enemmän.

37 Instrumentin eri kanavat
(kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

38 Instrumenttien kuvausalustat
Maassa sijaitsevat jalustalla, katolla tai käsikäyttöiset laitteet Kohteen yksityiskohtainen tutkiminen, esimerkiksi ominaissäteilyn määrittäminen Tehdään kohteesta vertailuhavaintoja satelliittihavaintoja varten

39 Kuvausalustat Analytical Spectral Devices FieldSpec-spektrometri, aallonpituusalue nm

40 Kuvausalustat... Kaasupallot: Maksimikorkeus noin 50 km Vakaa
Käytetään lähinnä ilmakehäluotauksissa

41 … kuvausalustat lentokone tai helikopteri
kun halutaan tarkempaa tietoa kohteesta kuin mitä satelliitista voidaan saada ilmakuvaus esim. kaavan pohjakarttaa varten kuitenkin suuremmalta alueelta kun maasta käsin käytetään myös satelliittihavaintojen vertailuaineistona ja korvaavana materiaalina

42 Leko / Heko 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

43 Lentokone TKK/Avaruustekniikan laboratorion tutkimuslentokone Short Skyvan Nokassa AISA-spektrometri

44 Lentokone Erilaisia radiometrien antenneja… …ja sivukulma-
tutkan antenni.

45 Lentokone Maanmittauslaitoksen Rockwell Turbo Commander 690A
Ilmakuvauskamera Wild RC-10 käytössä Nykyään WILD/LEICA RC 20 + FMC

46 Satelliitti Landsat (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

47 Satelliitit instrumenttien alustana
Satelliitit kiertävät kohdettaan tiettyä reittiä pitkin. Satelliitin reittiä kutsutaan radaksi rataa kuvataan tietyillä rataparametreillä kuten korkeudella (etäisyys maan pinnasta)

48 Satelliitti Koostuu hyötykuormasta (payload) ja alijärjestelmistä (bus, subsystem) Hyötykuorma: Instrumentit Alijärjestelmät: Asennonsäätöjärjestelmä Työntömoottorijärjestelmä Sähköntuottojärjestelmä Lämmönsäätö Tukirakenne Telemetria-, seuranta-, käsky- ja tietoliikennejärjestelmä Maa-asema

49 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

50 Satelliitin rata Rataparametrit: a: ellipsin pääakselin puolikas
: radan eksentrisyys i: inklinaatiokulma eli kulma jossa rata leikkaa päiväntasaajan tason : oinaasta itään mitattu nousupisteen kulma (nousupiste: radan ja päiväntasaajan leikkauspiste) : nousupisteen ja perigeumin välinen kulma tpe: ajanhetki, jolloin satelliitti on perigeumin kohdalla Kaukokartoituksessa käytetään ympyräratoja: isoakseli a = pikkuakseli b

51 Geostationääriset satelliitit
Kiertävät maata samalla nopeudella kuin maa kiertää itsensä ympäri Ovat maahan nähden paikoillaan -> havaitsevat siten jatkuvasti samaa kohdetta i=0

52 Geostationääriset satelliitit
Ovat varsin korkealla verrattuna muihin satelliitteihin ( km) -> ne kuvaavat myös varsin suuren alueen maan pinnasta. Useat säähavainto-satelliitit, esim. Meteosat

53 Geosynkroninen rata Satelliitti kiertää maata maan pyörimisliikkeen nopeudella Pysyy kapealla pituuspiirialueella Ei kuitenkaan kuvaa täsmälleen samaa kohdetta koko ajan

54 Aurinkosynkroniset satelliitit
Aurinkosynkroniset satelliitit kuvaavat saman alueen samaan vuorokaudenaikaan joka päivä. Kaikkina vuodenaikoina auringon sijainti on taivaalla sama satelliitin ylilennon aikana.

55 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.

56 Kaukokartoitussatelliitit
Maailmanlaajuinen peitto Mittausetäisyys kohteeseen on vakio ( km) Saman alueen ylitys samaan aikaan päivästä = aurinkosynkroninen rata Kallistuskulma napoihin nähden Kiertoaika on minuuttia

57 Napojen kautta kulkevat satelliitit
Lentävät maapallon toisella puolella pohjoissuuntaan (=nouseva rata) Toisella puolella eteläsuuntaan (=laskeva rata)

58 ...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.

59 ...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.

60 Nouseva ja laskeva rata
Passiiviset instrumentit, jotka havaitsevat kohteen lähettämää lämpösäteilyä, eli termisillä aallonpituusalueilla toimivat instrumentit 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.

61 Havaintoalueen leveys
Kuva-alan tai havaintoalueen leveys on instrumentin havaintoalueen leveys maastossa kohtisuoraan lentosuuntaan vasten. Yleensä kymmeniä tai satoja kilometrejä vaihtelee paljon instrumenteilla

62 Vierekkäiset radat Maa pyörii itä-länsi-suunnassa samalla kun satelliitti lentää napojen yli kiertävällä radallaan. (itään päin) Satelliitin rata näyttää siirtyvän maastossa länsisuuntaan kunkin ylityskerran välillä.

63 Vierekkäiset radat Kiertoliikkeestä johtuen vierekkäisiltä radoilta tehdyt havainnot kattavat laajoja alueita maapallolla

64 Radan sykli eli toistojakso
Radan sykliksi eli toistojaksoksi kutsutaan sitä aikaa, joka kuluu, ennen kuin satelliitti ylittää taas täsmälleen saman kohdan maastossa maan pyörimisliikkeen johdosta.

65 Nadir Nadir-kohdaksi kutsutaan maastossa suoraan instrumentin alapuolella olevaa kohtaa. Instrumentit kuvaavat myös radan ylilentokohdan sivuilla olevia alueita, näitä kutsutaan off-nadir-alueiksi.

66 Ratojen päällekkäisyys
Napojen läheisyydessä vierekkäiset radat menevät enemmän päällekkäin, havaintoja saadaan samalla satelliitilla enemmän kuin päiväntasaajan alueelta. Suomi sijaitsee siis varsin hyvällä paikalla kuva-aineistoja ajatellen.


Lataa ppt "Maa Kaukokartoituksen yleiskurssi"

Samankaltaiset esitykset


Iklan oleh Google