Távérzékelés - alapfogalmak

Átírás

1 Távérzékelés - alapfogalmak Dr. Berke József Kvark Bt., Keszthely

2 Tartalom A képfeldolgozás fogalma Távérzékelés fogalma Hazai és nemzetközi kitekintések Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői Gyakorlati példák, bemutatók A jövő

3 A képfeldolgozás fogalma

4 A digitális kép jellemzése Minden olyan információ, amely vizuális és számítógéppel kezelhető, feldolgozható Típusai: Raszteres (pontokból, digitális fényképezőgép) Vektoros (függvényekből, grafikus táblák)

5 Hazai kitekintés Orvosi fejlesztések célprogramok (Budapest, Szeged) Mezőgazdasági távérzékelés, mérési adatok feldolgozása (DE, FÖMI, VE Georgikon, Keszthely) Anyagvizsgálati fejlesztések - Miskolc Ipari alkalmazások (rendszám, precíziós gyártás) Bűnügy- és biztonságtechnikai fejlesztések (ujjlenyomat, térmegfigyelés, beléptetés, stb.) Irodai alkalmazások (karakterfelismerés) Oktatási anyagok és programok fejlesztése Művészeti lehetőségek Elméleti (alap) kutatások - neurális hálózatok MTA SZTAKI, GDF, BME, SZIE

6 Hazai kitekintés II. Graphisoft R&D Számítástechnikai Fejl. Rt. Falcon-Vision Rt. Recognita Rt. PICTRON Számítás- és Videotechnikai Kft., HEXIUM Műszaki Fejlesztő Kft. AnaLogic Computers Számítástechnikai Kft. Recover Kft. Fornix Kft. Bekes Kft. Egyetemek, kutatóintézetek egységei

7 Nemzetközi fejlesztések Eszközfejlesztés SGI, APPLE, COMPAQ, LEICA, ZEISS, INTERGRAPH, CANON, NIKON, OLYMPUS, KODAK, MATROX, NVIDIA, 3DLABS, stb. Szoftverfejlesztés ERDAS, LEICA, ESRI, ADOBE, INTERGRAPH, IDL, COREL, MGI, ACD Systems, LizardTech, stb. Szabványok fejlesztése (IEEE, MPEG, JPEG, Jelentősebb eszközfejlesztők, stb.) Távérzékelési teljes megoldások fejlesztése (NASA, SPOT, EURIMAGE, LANDSAT, SAR, IRS, stb,) Mozgókép fejlesztések (IEEE, MPEG, SONY, UCLA, Philips, MATROX, SGI, Ulead, ADOBE, APPLE, stb.) 3D alapú fejlesztések (Alias_Wavefront, 3DMAX, ERDAS, ESRI, UCLA, Leuven, EU IST, ILM, PIXAR, VE GMK, stb.)

8 Légi- és űrfelvételek Távérzékelés alkalmazásával két vagy háromdimenziós (időben változó folyamatok követése esetén négydimenziós) objektumok vizsgálhatók úgy, hogy az érzékelő eszközök nincsenek közvetlen kapcsolatban a vizsgálat tárgyával.

9 Légi érzékelők I. Szenzor Hozzáférhetőség Csatornák száma Hullámhossz (nm) AAHIS AHI AISA-1/ AISA AISA Eagle AISA Hawk AISA Dual ARGUS ASAS APEX 2005 Max ASTER AVIRIS AVIS CASI

10 Légi érzékelők II. Szenzor Hozzáférhetőség Csatornák száma Hullámhossz (nm) DAIS EPS-H EPS-A HYDICE HYMAP MAIS MAS MIVIS OMIS PROBE ROSIS SASI SFSI VIFIS

11 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői - hőmérsékleti sugárzás A feketetest-sugárzás olyan képzeletbeli testnek az abszolút fekete testnek a sugárzása, amely az elektromágneses sugárzás minden hullámhosszát képes elnyelni vagy kibocsátani. A feketetest idealizált, nem fordul elő a természetben. A feketetest jól modellezhető egy üreges gömbbel, amelynek a fala adott hőmérsékletű és a felülete egy vékony lyukon át sugároz, ezáltal a bejutott vagy kimenő sugárzás csapdába esik. A hullámhosszfüggés grafikonját nevezzük Planck-görbének, mivel ezt a függést Max Planck német fizikus vezette le 1900-ban, felfedezve, hogy az energia nem folytonos, hanem csak adott (nagyon kicsi) adagokban adható át.

12 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői - hőmérsékleti sugárzás Egy részecske/hullám energiája a sugárzás frekvenciája és a Planck-állandó szorzata. E = h ν ahol ν a frekvencia és h a Planck-állandó, értéke Planck féle sugárzási törvény: Egy T hőmérsékletű, abszolút fekete test egységnyi felületéről, adott idő alatt kibocsátott λ hullámhosszúságú sugárzás energiája: ahol c a fénysebesség, h a Planck-állandó, k a Boltzmann-állandó.

13 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői a hőmérsékleti sugárzás következménye A feketetest sugárzásnak két alapvető következménye: I. Stefan-Boltzmann féle sugárzási törvény II. Wien-féle eltolódási törvény

14 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői Stefan Boltzmann féle sugárzási törvény A Stefan Boltzmann féle sugárzási törvény a feketetest-sugárzás egyik alapvető összefüggése ben Jožef Stefan szlovén fizikus mérte meg először a feketetest által az összes hullámhosszon kisugárzott energiát. Azt tapasztalta, hogy az arányos az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával. Ezt később elméleti úton magyarázta meg Ludwig Boltzmann, ezért hívják az eredményt Stefan- Boltzmann-törvénynek. R = σ T 4 ahol R a teljes fajlagos kisugárzás vagy emittancia, vagyis a feketetest által egységnyi idő alatt, egységnyi felületen, valamennyi hullámhosszon kisugárzott energia. T az abszolút hőmérséklet, és σ a Stefan-Boltzmannállandó, melynek értéke: A spektrális eloszlás tehát nem függ az üreg anyagi minőségétől, hanem csak az abszolút hőmérséklettől. Ez pedig csak úgy lehetséges, ha igen alapvető jelenséggel állunk szemben.

15 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői Wien-féle eltolódási törvény A Wien-féle eltolódási törvény értelmében a Planckgörbe maximumának megfelelő λmax(t) hullámhossz és a T hőmérséklet szorzata állandó.

16 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői az energiamegmaradás Az elektromágneses energia és a földfelszín találkozásakor, három alapvető energia-kölcsönhatást különböztetünk meg. A beérkező energia egy része visszaverődhet, elnyelődhet vagy/és elvezetődik. Az energiamegmaradás elve alapján igaz, hogy: E b = E r + E a + E t ahol E b - a beérkező energiamennyiség, E r - a reflektált (visszavert) energia, E a - az abszorbeált (elnyelt) energia, E t - a továbbított energia. Mindegyik komponens a hullámhossz függvénye.

17 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői a reflektancia DEF: A reflektancia (ρ) egy objektum visszaverő képessége, azaz az objektum által visszavert sugárzás és az objektumra eső sugárzás hányadosa. A reflektancia értéke hullámhosszfüggő, egy adott objektum a különböző hullámhosszúságú sugárzást különböző mértékben veri vissza. Megjegyzés: A hétköznapi életben, a tárgyak látható-tartománybeli reflektancimenetére (vagyis a reflektanciának a hullámhosszfüggésére) a tárgy színe alapján következtethetünk.

18 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői a reflektancia

19 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői a radiancia DEF: A radiancia (jele: L) egységnyi felületen áthaladó, egységnyi térszög irányából érkező spektrális teljesítménysűrűség. Mértékegysége: [W/m 2 /steradian]. A radiancia mérése A távérzékelés során használt eszközök adott nyílásszöggel jellemezhető optikáján keresztül a színszűrökkel meghatározott hullámhossztartományba eső, a detektor felületére érkező sugárzás teljesítményét mérik. A műszerek kalibrációjakor megállapítják a műszerbe jutó radiancia és a műszer által kiadott digitális jelszint közötti kapcsolatot. A műszerek előállítás során arra törekednek, hogy a kapcsolat lineáris legyen. A kapcsolatot leíró egyenletben szereplő α és β együtthatók a műszerállandók. L = α * CN + β ahol CN a műszer által kijelzett digitális jelszint, szám (Count Number) és/vagy intenzításérték (pixel érték).

20 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői a radiancia és a reflektancia kapcsolata A radiancia és a reflektancia kapcsolata Ismert megvilágítás (irradiancia, E, [W/m 2 ]) esetén, a légköri hatásokat elhanyagolva, egy Lamberti típusú (a ráeső fényt minden irányban egyformán visszaveri ) visszaverő felszín radianciája: L = [ρ E cos(θ)] / π ahol θ a Nap zenitszöge (A zenitszög a helyi függővonal felfelé meghosszabbítása valamint a Nap irányába húzott félegyenes által bezárt szög.

21 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői a radiancia és a reflektancia kapcsolata A radiancia és a reflektancia kapcsolata II: 1. Az előző képlet alkalmazásakor feltételezzük, hogy a sugárzás teljes egészében a Nap irányából érkezik (elhanyagoljuk a légkör vagy más felszíni objektumok szórását) és feltesszük, hogy a felület vízszintes (a felületet érő megvilágítást a Nap zenitszöge alapján számíthatjuk.) 2. Az előző egyenlet alapján ismert megvilágítási viszonyok esetén, a radiancia méréséből a felszín reflektanciája meghatározható. A fenti egyenletben elhanyagoltuk a légkör hatását, ezért az ilyen módon számított reflektanciát látszólagos reflektanciának nevezzük.

22 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői a BRDF Általános eset (BRDF): Általános esetben egy felszín reflektanciájának irányfüggését leíró függvényt BRDF-nek nevezzük - (Bi-directional Reflectance Distribution Function). A függvény megadja, hogy egy felszín, különböző megvilágítási irányok esetén különböző irányokba mennyi sugárzást ver vissza. ahol L a radiancia, E az irradiancia, és θ i szög az ω i és a felület n normálvektora között mért szög (zenitszög). Megjegyzés: a BRDF függvényt Edward Nicodemus 1965-ban adta meg először.

23 Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői

24 Légi- és űrfelvételek - növényzet érzékelése A növény levelei erősen elnyelik a kék és a vörös fényt, míg a zöld tartományban sugárzott energiát erősen visszaverik Az egészséges vegetáció zöld színű Ha egy növény betegségben szenved, vagy káros hatás éri, akkor lelassul a normális növekedése A klorofill-tartalom csökkenésében is megnyilvánul Kisebb lesz a kék és vörös elnyelődése azaz sárgább lesz a növény

25 Talaj és víz A Talaj reflexiós képességét: a nedvességtartalma, a szerkezete (pl. fizikai összetétele, a felszín egyenetlensége, a vasoxid jelenléte és szerves anyag tartalma határozza meg. A víz: A víz spektrális visszaverődési tulajdonságai közül a legjellemzőbb, a szinte minden sávban fellépő energia elnyelődés.

26 Légifelvételezés eszközei

27 Felvételek látható és közeli infra Színhelyes felvétel Közeli infra felvétel (CIR)

28 Hiperspektrális adatkocka - AISA

29 Előfeldolgozott és geokódolt felvétel VÁRVÖLGY KIS-BALATON