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

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

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

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

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

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)

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

Satelliittikuva dokumentoi ympäristön tilan kuvaushetkellä Landsat MSS kuva, Inari, 20.7.1973, kanavat 5, 7, 4

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)

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

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

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

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)

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

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

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

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)

Säteilyn lähde Tietyltä alueelta lähtenyt säteilyteho riippuu säteilijän lämpötilasta M = sT4 s= Stefan Boltzmannin vakio, T= lämpötila Emittoituneen säteilyn spektrinen jakauma riippuu myös lämpötilasta

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

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)

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

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

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

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

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

Näkyvä valo 400-700 nm Näkyvän valon alue on varsin pieni osa spektriä. Punaisella valolla on pisin aallonpituus, ja violetilla lyhyin. Violetti: 0.4 - 0.446 mm Sininen: 0.446 - 0.500 mm Vihreä: 0.500 - 0.578 mm Keltainen : 0.578 - 0.592 mm Oranssi: 0.592 - 0.620 mm Punainen: 0.620 - 0.7 mm (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

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)

Infrapunasäteily Infrapunasäteily 700-1400 nm (0.7 - 14 mm) lähi-infra 0.7-1.3 mm keski-infra 1.3 - 3.0 mm terminen infra 3.0-5.0 mm ja 8-14 mm Vain tietyt osa-alueet infrapunasäteilystä läpäisevät ilmakehän. Alueella 0.7-0.9 mm havainnot ovat lähinnä auringon heijastunutta säteilyä. Kaukokartoituksessa sovellutukset ovat paljolti samoja kuin näkyvän valon alueella. Termisen infrapunan havaittava säteily on kohteen emittoimaa lämpösäteilyä.

Mikroaalto 0.3-300 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.

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

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.

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)

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)

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.

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.

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

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

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 ilmakuvaus esim. kaavan pohjakarttaa varten kuitenkin suuremmalta alueelta kun maasta käsin käytetään myös satelliittihavaintojen vertailuaineistona ja korvaavana materiaalina

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

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

Satelliitti Landsat (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

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

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

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

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

Geostationääriset satelliitit Ovat varsin korkealla verrattuna muihin satelliitteihin (36 000 km) -> ne kuvaavat myös varsin suuren alueen maan pinnasta. Useat säähavainto-satelliitit, esim. Meteosat

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.

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.

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.

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.