Kertausta 1. luennolta 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

Kertausta 1. luennolta Auringon säteily ja ilmakehä

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 FieldSpec-spektrometri, aallonpituusalue 350 - 2500 nm

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

… 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

Satelliitti-instrumentissa taas on usein vähemmän kanavia ja ne ovat leveämpiä

Leko / Heko jatkuu... 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 Nokassa AISA-spektrometri

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

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

Satelliitit instrumenttien alustana 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

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 : 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

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.

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.

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

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.

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

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 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. 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 kuva-aineistoja ajatellen.

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 Aktiivinen VIS & IR: Valokuvauskamera, Lidar CCD, vidicon, keilaimet, spektrometrit MW: Radiometri Tutka (SLAR & SAR)

Kamera Passiivinen instrumentti aallonpituusalueella 0.3 - 0.9 m 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 mm). 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

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 Panoraamakamera Stripkamera Mittakamera ilmakuvaukseen

Digitaaliset kamerat 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

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 m 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 Tallennus: esim. nauha

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 m Ilmaisin täytyy eristää muusta laitteistosta ja jäähdyttää CCD: fotonit synnyttää sähkövirran

Keilain Ilmaisimen signaalin voimakkuus 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

IFOV Instantaneous field of view (IFOV): Instrumentin näkökenttä; ilmaisee kuinka suuren alueen kohteesta instrumentti näkee. kulmasuure

Keilain: IFOV Mittauskulman muuttuessa etäisyys muuttuu  näkökenttä erilainen kuvan eri osissa Kuvan laidoilla suurempi 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) ohjaa sensoria (ja linssisysteemiä) puolelta toiselle

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 linjalla Havaintoaika ja lentonopeus määrää alueellisen erotuskyvyn

Kohtisuoraan lentosuuntaan nähden toimiva keilan E on kulma, jonka sisältä instrumentti havaitsee tulevaa säteilyä lentokoneilla 90o-120o satelliitissa yleensä10o-20o F on keilausalueen eli kuva-alueen leveys

Lentosuunnan keilain Pushbroom Havaitaan samanaikaisesti koko keilausalueen leveys Kullekin lentosuuntaa vastaan kohtisuorassa olevalle pikselille on oma ilmaisin A ilmaisinrivi joka on kuvatasolla B C linssisysteemi

Lentosuunnan keilain Tarvitaan rivi ilmai-simia kullekin erotel-tavalle aallonpituus-alueelle eli kanavalle Parempi tarkkuus havainnoissa, koska voidaan havaita kohdetta pidemmän aikajakson kuin kohti-suoralla keilaimella

Lentosuunnan keilain Parempi tarkkuus havainnoissa, koska voidaan havaita kohdetta pidemmän aikajakson kuin kohtisuora keilain Voidaan pienentää havaintokulmaa- saadaan tarkempi kuva maastossa 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 m) 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

Esimerkki: Laserkeilaus Mittausperiaate 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 ("kaiku") voimakkuus 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

Mikroaaltotutka: profiloivat Sirontamittari (skatterometri) Mittaa takaisinsironnan voimakkuuden tarkasti Käytetään kohteen pinnan suhteellisen karkeuden mittaamiseen 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

HUTSCAT: profiloiva sirontamittari

Resoluutio / alueellinen erotuskyky Spatiaalinen - maastoresoluutio, 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

Maastoresoluutio l. maastoerotuskyky

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

Spektrinen erotuskyky Instrumentin kunkin kanavan aallonpituusalue 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  28 = 256 eri arvoa 16 bittinen data  216 = 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)

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 (l) =R (l) +A (l) +T (l) Energia ei häviä !!! Aallonpituudesta (l) 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(l) =I (l) -(A(l) +T (l) ) 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

Peiliheijastus Kohde on aivan sileä Kaikki (lähes) tuleva säteily heijastuu pois saman suuruisessa kulmassa kuin tulokulma Esim. peilityyni vesi

Diffuusi heijastus Heijastuksen määrä on (lähes) sama kaikkiin suuntiin Tasaisen karkeilla maastokohteilla

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 mm)

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 r=R(l)/ I(l) * 100% Kohteesta heijastuneen (R) ja kohteeseen tulevan säteilyn (I) (auringon valon) suhde on reflektanssi

Heijastussuhde Koska tuleva säteily I(l) on suurempi kuin heijastunut säteily R(l), 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 Bi-directional reflectance effect of grass (source: University of Zurich).

Heijastussuhde eri aallonpituuksilla Erilaisista maastokohteista saatava heijastussuhde eri aallonpituuksilla on kohteen spektrinen heijastuskäyrä

Heijastuskäyrä kullakin kohteella on oma tyypillinen heijastuskäyränsä jonka perusteella kohteet voidaan erotella Kutsutaan myös kohteen ominais-säteilyksi

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

Eri maastokohteet Puusto: Absorboi voimakkaasti sinistä (B) ja punaista valoa (R ) Heijastaa vihreää (G) ja lähi-infraa (IR)

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 mm) kasvillisuuden sisäinen rakenne vaikuttaa paljon heijastuksen (R ) määrään Eri kasvilajit ovat sisäiseltä rakenteeltaan erilaisia  lajit voidaan erottaa toisistaan

Kasvillisuus Kaukokartoitusinstrumentin kuvalta eri lajit voidaan tunnistaa, koska ne saavat kuvalla (erit. lähi-infrakanavilla) harmaasävyarvot Samoin kasvisairaudet ja kasvillisuuden kerrostuneisuus voidaan tunnistaa lähi-infrakanavilta

Puut Lehtipuilla suurempi heijastus kuin havupuilla, erityisesti infrapunalla

Kohteen kosteus Veden absorptio-aallonpituudet: 1.4, 1.9, 2.7 mm Kasvin tai kohteen kosteus mahdollista saadaan selville: kosteuden määrä/ lehden paksuus

Kasvillisuus: spektri Lehtipuu vihreä, havupuu punainen, ruoho sininen, kuiva ruoho syaani

Kasvillisuus: spektri Lehtipuu vihreä, havupuu punainen, ruoho sininen, kuiva ruoho syaani

AISA: Puulajit Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto) Harmaasävyt ”normalisoitu”, ts. kanavan harmaasävy jaettu kaikkien kanavien harmaa- sävyjen summalla ja kerrottu vakiolla. Kutsutaan nimellä Scaled Chromatic Ratio

AISA: Peltokasvi Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto) AISA-kuvaus suoritettu 2.9.1999.

AISA: Mänty, kasvupaikka Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto)

AISA: Kuusi, kasvupaikka Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto)

AISA: Koivu, kasvupaikka Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto)

AISA: Mänty, puu vs. metsä Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto)

AISA: Kuusi, puu vs. metsä Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto)

AISA: Koivu, puu vs. metsä Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto)

AISA: Ruoho, maalaji Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto)

AISA: Vehnä, maalaji Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto)

AISA: Leikattu vehnäpelto, maalaji Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto)

AISA: Kasvilaji vs. maaperän muodostuminen Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme / TKK Foto)

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