Kertausta 1. luennolta mitä kaukokartoitus vaatii?

Esitys aiheesta: "Kertausta 1. luennolta mitä kaukokartoitus vaatii?"— Esityksen transkriptio:

1 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

2 Kertausta 1. luennolta Auringon säteily ja ilmakehä

3 2. luennon aiheet Kuvausalustat Satelliittijärjestelmästä tarkemmin
Yleiset kuvaavat instrumentit Jatkoa peruskäsitteille Sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutus kohteen kanssa

4 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

5 Kuvausalustat Analytical Spectral Devices FieldSpec-spektrometri, aallonpituusalue nm

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

7 … 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

8 Leko / Heko Usein maassa ja lentokoneessa tehdään havaintoja hyvin monelta ja kapealta eri aallonpituusalueelta Saadaan tarkkaa tietoa kohteen spektrisistä ominaisuuksista eli ominaisuuksista eri aallonpituusalueilla

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

10 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

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

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

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

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

15 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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 Geostationäärinen satelliitti
Kiertää maata samalla nopeudella kuin maa kiertää itsensä ympäri Maahan nähden paikoillaan → havaitsevat siten jatkuvasti samaa kohdetta Inklinaatiokulma i=0

22 Geostationäärinen satelliitti
Ratakorkeus noin km → kuvaa varsin suuren alueen maanpinnasta. Useat sääsatelliitit: Meteosat, Goes Meteosat klo 12:00, VIS ja IR kanavat

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

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

25 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.

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

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

28 ...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.

29 ...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.

30 … 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.

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

32 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.

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

34 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

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

36 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.

37 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

38 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)

39 Kamera Passiivinen instrumentti aallonpituusalueella 0.3 - 0.9 m
Filmi ja digitaaliset kamerat Filmikamera: linssisysteemi (B) filmi (C) sulkija

40 Neulanreikäkamera Lähinnä teoreettinen malli

41 Filmikamerat Filmi on yleensä herkkää
UV-säteilylle, näkyvän valon ja lähi-infrapuna-alueen aallonpituuksille, eli Auringon säteilyn kattamille aallonpituuksille ( mm). Suotimilla voidaan poistaa tiettyjä aallonpituuksia ja päästää toisia läpi

42 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

43 Kuvausvirheitä Optiikka ym. aiheuttaa virheitä jotka pitäisi tuntea ja poistaa Tynnyrivääristymä vasemmalla, virheetön kuva keskellä, tyynyvääristymä oikealla

44 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

45 Strip-kamera Kuvatasossa kapea rako (määrittää valotuksen)
Kameran liikkuessa siirretään filmiä Suljin koko ajan auki Suunniteltu alhaiselle lentokorkeudelle & suurelle lentonopeudelle -> sotilastiedustelu

46 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

47 Kameratyypit Panoraamakamera Stripkamera Mittakamera ilmakuvaukseen

48 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

49 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.

50 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

51 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

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

53 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

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

55 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

56 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).

57 Kohtisuoraan lentosuuntaan nähden toimiva keilan
Whiskbroom Kuvaa kohdetta linjoina kohtisuoraan lentosuuntaa vasten Kääntyvä peili (A) ohjaa sensoria (ja linssisysteemiä) puolelta toiselle

58 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

59 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

60 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

61 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

62 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

63 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

64 Esimerkki: AISA-spektrometri
AISA-kuvan tulkinnan periaate (Juho Lumme, TKK/Foto)

65 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

66 Esimerkki: Laserkeilaus
Mittausperiaate Metsikkö

67 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

68 Mikroaaltoradiometri
Passiivinen instrumentti Mikroaaltoalue: aallonpituus cm, taajuus GHz Mittaa antenniin saapuvaa kirkkauslämpötilaa (kohteen emissiivisyyden ja kineettisen lämpötilan tulo) Mitattu kirkkauslämpötila koostuu kohteen emittoimasta, ilmakehän emittoimasta, pinnasta heijastuneesta ja kohteen läpäisseestä säteilystä

69 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

70 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

71 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

72 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

73 HUTSCAT: profiloiva sirontamittari

74 Resoluutio / alueellinen erotuskyky
Spatiaalinen - maastoresoluutio, pikselin koko maastossa, pienin kohde jonka voi erottaa Hyvin tarkka: 0.5m – 5m Tarkka: 5m - 35 m Keskiresoluutio m Karkea: 1000 m km

75 Maastoresoluutio l. maastoerotuskyky

76 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

77 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

78 Spektrinen erotuskyky
Instrumentin kunkin kanavan aallonpituusalue Kuinka kapea on aallonpituusalue kullakin instrumentin kanavalla

79 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.

80 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?

81 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

82 Radiometrinen erotuskyky
8 bittinen data  28 = 256 eri arvoa 16 bittinen data  216 = eri arvoa Vieressä 2 bittiä vs. 8 bittiä

83 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)

84 Sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutus kohteen kanssa
Auringon säteilyenergia törmää maahan erilaisiin maastokohteisiin, mitä tapahtuu? Mitä tapahtuu ilmakehässä säteilyn reitillä auringosta maahan ja maasta instrumenttiin?

85 Mitä tapahtuu kun auringon säteily kohtaa erilaisia maastokohteita?
Säteily joko heijastuu (R=reflection) absorboituu (A= absorbtion) läpäisee (T= transmission)

86 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

87 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

88 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

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

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

91 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 ( mm)

92 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

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

94 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

95 Säteilyn tulo- ja lähtökulmien vaikutus
Säteilylähde pysyy paikallaan, kuvaussuunta vaihtelee Bi-directional reflectance effect of grass (source: University of Zurich).

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

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

98 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

99 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

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

101 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

102 Tyypillinen kasvillisuuden heijastusspektri

103 Kasvillisuus Lähi-infran aallonpituuksilla ( mm) kasvillisuuden sisäinen rakenne vaikuttaa paljon heijastuksen (R ) määrään Eri kasvilajit ovat sisäiseltä rakenteeltaan erilaisia  lajit voidaan erottaa toisistaan

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

105 Puut Lehtipuilla suurempi heijastus kuin havupuilla, erityisesti infrapunalla

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

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

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

109 AISA: Puulajit Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

121 Kasvillisuus: Spot esimerkki
Spot-kuva Portugal Peltokasvillisuus kirkas vihreä Metsät tumma vihreä

122 Kasvillisuus: yhteenveto
H A L VIS Pigmentti NIR Fyysinen rakenne MIR Vesipitoisuus Alhainen korkea H: Heijastus A: Absorptio L: Läpäisy