Paikkatiedon keruu ja muokkaus: kaukokartoitus Paikkatietotekniikan erikoistumisopinnot ZM06 Paikkatiedon keruu ja muokkaus: kaukokartoitus Markus Törmä Markus.Torma@tkk.fi

Sisältö ”Opintojaksolla perehdytään uusiin kaukokartoitusmenetelmiin ja niiden käyttöön paikkatiedon hyödyntämisessä ja paikkatietoanalyyseissä. Opintojaksolla opiskellaan satelliittikuvien käsittelyä ja tulkintaa, ilmakuvien käsittelyä digitaalisella stereomittausasemalla sekä laserkeilauksen mahdollisuuksia paikkatiedon tuottamisessa.”

Aikataulu la 21.10. 13-15.30 Johdanto / Sähkömagneettinen säteily / Instrumentit / Kuvausalustat pe 27.10. 10-14 Sähkömagneettisen säteilyn käyttäytyminen kohteen kanssa / Satelliittijärjestelmät pe 10.11. 10-14 Kuvan korjaaminen: oikaisu, radiometrian korjaus (ilmakehä- ja topografiakorjaus) / Kuvan ehostaminen: useiden kuvien yhdistäminen, pääkomponentti-, Tasselled Cap-muunnokset / Digitaalinen stereotyöasema pe 24.11. 10-13 Tulkinta, Corine Land Cover 2000 la 9.12. 9-12 Sovelluksia

Harjoitukset Jussi Sumanen (jussi.sumanen@mil.fi) 27.10. (4h) ER Mapper- alkeet Kuvan parantaminen Erilaiset satelliittikuvat 10.11. (4h) Kuvan georeferointi Kuvien yhdistäminen ja – vertaaminen Muutokset kuvilla 9.12 (4h) Ohjaamaton luokittelu Datan irroittaminen kuvilta Yhdistäminen muuhun paikkatietoon

Tentti Ajankohta: pe 26.1. klo 8-10 Tenttimateriaali Luennot Pruju http://foto.hut.fi/~markus/Presentation/Evtek/jennin_kirja_2003.doc Timo Tokola, Harri Hyppänen, Saija Miina, Lauri Vesa, Perttu Anttila: Metsän kaukokartoitus, Joensuun yliopisto, Metsätieteellinen tiedekunta, Silva Carelica 32, 1998, sivut: 1-24, 35-49, 62-87, 90-99, 104-107

GEOINFORMATIIKKA Yleisnimike maahan, kasvillisuuteen, rakennuksiin ja rakenteisiin yms. liittyvien tietojen keräämiselle. Toinen nimike geomatiikka

GEOINFORMATIIKKA Keskeisessä osassa paikkatietojärjestelmät (GIS) Sijaintitieto: kohteen koordinaatit joilla se voidaan paikantaa Ominaisuustieto: kertoo kohteen ominaisuuksista (mitä, millainen)

GEOINFORMATIIKKA Sijaintitietojen ja osin ominaisuustietojen keruu seuraavin menetelmin: Geodesia Fotogrammetria Kuvatulkinta Kaukokartoitus

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

DIGITAALINEN FOTOGRAMMETRIA Ennen ihminen mittasi… …nykyään kone mittaa ja ihminen valvoo

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

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

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)

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)

EDUT / HAITAT Kaukokartoituksen etuja Pysyvä tallennusväline Joskus ainoa tiedonhankintamenetelmä (lämpökuvaus) "Nähdään metsä puilta" Erilaiset kuvausmittakaavat Erilaiset kuvauspaikat Eri ajankohtina otetut kuvat Sähkömagneettisen spektrin eri osien käyttö Kuvankäsittelyllä saadaan eri asioita näkyviin Kaukokartoituksen haittoja Kuvauksessa syntyvien virheiden korjaaminen voi olla hankalaa Kaukokartoituksen käyttö vaatii oman erikoisosaamisen Sääolot voi häiritä Erotuskyky saattaa olla tehtävän kannalta riittämätön

HISTORIAA Tarvitaan: 1. Sähkömagneettista säteilyä keräävä laite 2. Säteilyn tallennus-järjestelmä 1342 Neulanreikäkamera (Eurooppa, ilmeisesti kiinalaiset tunsi jo aiemmin) 1757 Hopeakloridin valoherkkyys 1838 Varsinainen valokuvaus 1858 Ensimmäinen ilmakuva ilmapallosta käsin 1859 Mittakamera 1889 Ilmakuvatulkintaan perustuva metsätalouskartta 1901 Stereoskooppinen mittausperiaate 1909 Ensimmäinen ilmakuva lentokoneesta 1915 Kartoituskoje 1925 - 45 Väri - ja infrapunakuvaus 1939 - 45 Tutkat ja lämpökuvaus 1957 Sputnik 1959 Avaruudesta otetaan valokuva maasta 1960 TIROS-I 1960 - luvulla valokuvia avaruus- lennoilta ja vakoilusatelliiteista 1972 ERTS-1 (Landsat 1) 1973 Skylab 1975 Landsat 2 1978 Landsat 3, HCMM, Seasat, Nimbus, TIROS-N 1981 Space shuttle jne...

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

Eri aallonpituusalueita hyödyntämällä kohteesta saadaan esiin monipuolisempaa informaatiota kuin vain näkyvän valon aallonpituuksilla. NOAA-sääsatelliitin AVHRR-instrumentti

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

Spektri Yhtä kuvapikseliä voidaan tarkastella aallonpituuden funktiona Esimerkki: spektrometrillä mitattu tervettä ja sairasta kasvin lehteä Vaaka-akseli: aallonpituus nanometreissä Pystyakseli: lehden heijastussuhde eli reflektanssi

Kaukokartoituksen eri osa-alueet eli mitä tarvitaan ? 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

ESIMERKKEJÄ Meteosat-8 sääsatelliitin kuvaamat näkyvän valon ja infrapuna-alueen kuvat

Globaali merien pintalämpötila

Huhtikuu 09 Huhtikuu 27 Toukokuu 01 Toukokuu 20 Lumikarttoja keväältä 2000 (SYKE) Huhtikuu 09 Huhtikuu 27 Toukokuu 01 Toukokuu 20

IRS IRS WiFS: Channels: RED and NIR Spatial resolution: 188m

Landsat, Sortavala (MSS, TM, ETM)

Esimerkki: Landsat TM Landsat-5 Thematic Mapper Etna, Italia, otettu 3.6.1995 Kanavat 321 ja 453

IRS LISS Etna, 25.7.2001: pun SWIR, vih IR, sin RED

Esimerkki: Tulva SPOT 5 monikanavakuva, alueellinen erotuskyky 10 m Ebro-joki, Espanja, otettu 10.2.2003

Spot: Porvoo Spot 5 Pankromaattinen Porvoo, 11.9.2002

IKONOS Kerava 15.5.2000 Pankromaattinen, 1m

Esimerkki: SAR + tulva ERS-2 tutkakuvat, otettu 22.8.2002 ja 13.8.1998 Havel-joki Saksassa tulvan alla olevat alueet sinisiä

Esimerkki: SAR + öljypäästö ENVISAT ASAR, otettu 17.11.2002 Tankkeri Prestige uppoaa

Esimerkki: visualisointi DEM + Landsat ETM-kuvasta tehty tulkinta Syyria, Eufrat-joki Sininen vastaa vettä, vihreä kasvillisuutta, keltainen vähäkasvillista peltoa ja muut värit enemmän tai vähemmän kasvittomia alueita

TOPOGRAFINEN KARTOITUS Venäläinen TK-350 kuva ja stereoparista tehty topografinen kartta

VIDEOKUVAUS Videokuvaus lentokoneesta  kuvamosaiikki + pintamalli VTT:n GLORE-projekti: http://www.vtt.fi/tte/research/tte1/tte14/proj/glore/

VIDEO- KUVAUS EnsoMOSAIC: http://212.213.110.18/ forestconsulting/eng/ ensomosaic/ensomosaic.html

3D KAUPUNKIMALLIT Zürichin Teknillisen korkeakoulun CyberCity Modeler Rakennukset mallinnnetaan ilmakuvilta Julkisivut maakuvilta

3D KAUPUNKIMALLIT Esimerkki Torontosta Rakennusten lisäksi myös kasvillisuus ja maanpinta mallinnettu ja teksturoitu

LASERPROFILOINTI (TKK/Foto)

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 0.4-0.7 mm 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 noin 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.

SÄTEILYN TALLENTAMINEN

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

Instrumentti Kaukokartoitusinstrumentit jaotellaan kahdella eri tavalla toimintatapansa mukaisesti: 1. kuvaavat ja kuvaa muodostamattomat 2. aktiiviset ja passiiviset instrumentit.

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)

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.

KAMERA Kamera on laite jolla kerätään ja talletetaan näkyvän valon ja lähi-infrapuna-alueen sähkömagneettista säteilyä Keskusprojektio: kuva syntyy yhden pisteen, projektiokeskuksen, kautta kulkevien valonsäteiden avulla Kuvaus on suora ja kuva kääntyy projektion aikana nurinpäin.

KAMERA Mikäli aukko on pieni syntyy terävä kuva mutta kameraan pääsee vähän valoa  tumma kuva Mikäli aukkoa suurennetaan, kameraan pääsee enemmän valoa  kuvasta tulee epäterävä

KAMERA Tarvitaan linssejä taittamaan valoa siten että muodostuu terävä kuva  objektiivi

MITTAKAMERA Fotogrammetrisiin mittauksiin soveltuva, usein erikoisvalmisteinen kamera. Tärkeimmät osat ovat objektiivi eli projektiokeskus kuvaportti eli kuvataso. Projektiokeskuksen tulee sijaita kuvaportin suhteen paikallaan. Mittakamera fokusoidaan usein jo tehtaalla kiinteästi niille kuvausetäisyyksille, joihin sitä käytetään.

MITTAKAMERA Projektiokeskuksen sijainti kalibroidaan ja tunnetaan kuvaportin suhteen tarkasti. Tämän vuoksi mittakameran rungolta edellytetään erityistä tukevuutta ja geometrista stabiiliutta. Projektiokeskus merkitään tehtaalla mittakameran kuvaporttiin reunamerkein. Reunamerkit sijoitetaan yleensä symmetrisesti siten, että niiden kautta piirretyt suorat leikkaavat toisensa kuvan keskellä eli pääpisteessä.

MITTAKAMERA Pääpiste: piste, jossa objektiivin optinen akseli leikkaa kuvatason kohtisuoraan Kameravakio c: projektiokeskuksen etäisyyden kuvatasosta. Oheisessa kuvassa on reunamerkkeinä neljä ristiä, yksi kullakin kuvasivulla.

SULJIN Säätelee aikaa kuinka kauan filmille pääsee valoa Tyypillisesti valotusajat ovat luokkaa 1/8 … 1/500 sekuntia

HIMMENNIN Säätelee filmille pääsevän valon voimakkuutta himmentimen aukon koon avulla Yleensä käytetään aukkosarjaa f: 1, 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32 Yhden askeleen siirto vasemmalle  valovoima kaksinkertaistuu Siirto oikealle  valovoima puolittuu

OBJEKTIIVI Kerää kohteen heijastaman säteilyn ja tarkentaa sen kuvatasolle Objektiivit koostuvat yleensä useasta linssistä

ILMAKUVAKAMERA Ilmakuvakamera Zeiss LMK 2000: Vasemmalta navigointikaukoputki, kuvaliikkeen ohjausyksikkö, keskusyksikön terminaali, sekä kamera. Ilmakuvakamera Zeiss RMK TOP: oikealla kameran ohjausyksikkö T-CU ja asemmalla käytönojain T-TL

KUVAN LAATU Kriteerit, jotka kuvaavat objektiivien, kuvan ja koko kuvan muodostaman optisen systeemin hyvyyttä Metriset sovellukset: tarvitaan hyvää geometrista tarkkuutta ja alueellista erotuskykyä Tulkitsevat sovellukset: tarvitaan radiometrista erotuskykyä Kuvanlaadun mittoina käytetään kuvan erotuskykyä RP ja modulaation siirtofunktiota MTF

KUVAN LAATU Kuvien laatuun vaikuttavat monet tekijät Lennonaikaiset muuttujat: Kameran linssin laatu, Apertuuri, Valotusaika, Filmin tasaisuus, Kuvausmittakaava, Kameran tärinä, Kuvaliike, Ilmakehä, Auringon korkeuskulma Materiaalit ja prosessointi (analogiakuvat): Filmityyppi, Filmin tallennushistoria, Kehityskone, Kehitysprosessi, Skannaus Kuvan todellinen laatu selviää vasta lopputuotteesta mittaamalla.

OBJEKTIIVIN VIRHELÄHTEET Objektiivin muodostama kuva ja kuvanlaatu ei ole todellisuudessa koskaan täydellinen Näitä poikkeamia aiheuttavia tekijöitä kutsutaan kuvautumis- ja linssivirheiksi eli aberraatioiksi Riippuvat mm. lasin taitekertoimesta, kohteen etäisyydestä, polttovälistä, linssin muodosta, linssien välisistä etäisyyksistä, aukosta, himmentimen paikasta ja kuvakulmasta

OBJEKTIIVIN VIRHELÄHTEET Tynnyrivääristymä, virheetön kuva, tyynyvääristymä

OBJEKTIIVIN VIRHELÄHTEET Aberraatioiden huomioiminen ja korjaaminen Aberraatiot korjataan parhaiten linssien suunnittelu- ja valmistusvaiheessa. Kuvaustilanteessa monien aberraatioiden vaikutusta voidaan pienentää himmentimen koolla, aukon suuruudella, ja sillä, kuinka suurta osaa linssistä käytetään. Yleensä aberraatioiden kompensointiin auttaa pienemmän himmentimen aukon käyttö Värivirheitä korjataan linssiyhdistelmillä, joissa linsseillä on erilainen värinhajotuskyky

OBJEKTIIVIN VIRHELÄHTEET "Oikean" muotoisen mittaamisen edellytyksenä on, että kuvat korjataan suoraviivaisiksi. Vääristymän määrä selvitetään kameran kalibroinnilla.

KESKUSPROJEKTIO Kuva syntyy yhden pisteen - projektiokeskuksen - kautta kulkevien valonsäteiden avulla Viereisessä kuvassa on esitetty kuvaustapahtuma ”positiiviasennossa”, eli kuvataso on piirretty projektiokeskuksen O eteen

KESKUSPROJEKTIO Keskusprojektiossa korkeuserot kuvautuvat suhteessa toisiinsa ns. "maastovirheenä” Maastovirhe poistetaan muuntamalla kuva keskusprojektiosat ortogonaaliprojektioon suorittamalla orto-oikaisu

KESKUSPROJEKTIO Mitataan eri kuvilta kuvapisteiden p’ ja p’’ kuvakoordinaatit Kohdepiste on kuvapisteiden p’ ja p’’ ja projektiokeskusten O1 ja O2 kautta kulkevien suorien leikkauspisteessä

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)

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

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

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

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

Alueellinen erotuskyky Esimerkkejä instrumenttien alueellisista erotuskyvyistä vs. jenkkifutiskenttä

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 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)

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 4 tai enemmän. (kuva: Canada Centre for Remote Sensing)

Kaukokartoitusmittausten esittäminen Mitataan kohteesta heijastuneen tai emittoituneen sähkömagneettisen säteilyn voimakkuutta Eri aallonpituusalueilla Mittauksen paikantaminen, ts. sidottu koordinaatistoon Lähestymistapoja: Kuva-avaruus (image space / domain) Spektriavaruus (spectral space / domain) Piirreavaruus (feature space / domain)

Kuva-avaruus Kuva: mittaukset järjestetään kaksi-ulotteiseksi hilaksi Matemaattisesti g = f(x,y) jossa x ja y ovat paikkakoordinaatit ja g mitattu säteilyn voimakkuus Kunkin aallon-pituusalueen mittaukset muodostavat oman kuvansa Kutsutaan myös nimellä kanava (band / channel)

Landsat ETM-kuvan kanavat Kanava 1 (B): 0.45 - 0.52 µm Kanava 2 (G): 0.53 - 0.61 µm Kanava 3 (R): 0.63 - 0.69 µm Kanava 4 (NIR): 0.78-0.90 µm Kanava 5 (NIR): 1.55-1.75 µm Kanava 7 (MIR): 2.09-2.35 µm

Kuva-avaruus Yhdistämällä eri kanavat värijärjestelmän avulla saadaan värikuvia Yleisesti käytetään RGB-järjestelmää Red, Green ja Blue ovat päävärejä joita yhdistämällä muut värit muodostuvat R: Ch3, G: Ch2, B: Ch1 R: Ch4, G: Ch3, B: Ch2 R: Ch7, G: Ch4, B: Ch3

Spektriavaruus Tarkastelun kohteena on sähkömagneettinen spektri, etenkin miten mitattu säteilyn määrä muuttuu aallonpituuden vaihtuessa Eri materiaaleilla erilainen spektri → Spektrejä vertailemalla voidaan tehdä päätelmiä materiaaleista ja näiden ominaisuuksista

Piirreavaruus Mittauksia, ”piirteitä”, tarkastellaan kahden tai useamman kanavan muodostamassa avaruudessa Kohteiden tunnistaminen eli luokittelu tarkoittaa tämän avaruuden jakamista osiin siten että kullakin luokalla on oma alueensa

Vasen: Landsat ETM kanava 3 (R) Oikea: Kanavien 3 ja 4 muodosta- ma piirreavaruus Vaaka-akseli: kanava 3 Pystyakseli: kanava 4 Väritetyt alueet: kuvalta löytyvät pikselikombinaa- tiot, punaisia eniten, magentaa vähiten Landsat kanava 4 (NIR) Kanavista 3 ja 4 tehty RGB-kuva R: Ch3, G: Ch4, B: Ch3

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

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 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.