Végh Gábor mérnök százados A távérzékelés mint elsődleges információszerzési lehetőség 1. Távérzékelés fogalma, jellemzői, fizikai alapjai 1.1 A távérzékelés fogalma Azok a vizsgálati módszerek tartoznak a távérzékelés gyűjtőfogalmába, melyekkel a közelünkben vagy tágabb környezetünkben található tárgyakról vagy jelenségekről gyűjtünk adatokat, úgy hogy az adatgyűjtő berendezés (szenzor) nincs közvetlen kapcsolatban a vizsgált tárggyal vagy jelenséggel. A fényképezés egy tipikusan távérzékelési adatgyűjtési forma. A távérzékelést szót először azonban a földfelszínt pásztázó vagy fényképező műholdakra szerelt berendezések üzembeállítása kapcsán kezdték használni, és csak ezután terjesztették ki az adat-felvételezési technikákra is. Meg kell jegyezni azonban, hogy a távérzékelés fogalmába nem csak az adatok gyűjtését lehetővé tevő szenzorok, az adatok gyűjtésének folyamata, hanem a kapott adatok feldolgozása is beletartozik. A különböző hordozóeszközökön (melyek lehetnek pld.:repülőgép, helikopter, sárkányrepülő, műhold stb.) elhelyezett szenzorok úgy gyűjtenek adatokat, hogy a földfelszín tárgyai által különböző hullámhosszon visszavert vagy kisugározott elektromágneses energiát rögzítik. Az így rögzített adatok a feldolgozás után információval szolgál(hat)nak a vizsgált felszínrészről. A rögzített elektromágneses sugárzás feldolgozásában alapvető szerepe van a felszínről rendelkezésre álló tudásunknak. Az ún. referencia adatok alkalmazása elengedhetetlen feltétele a rögzített adatok elemzésének. A referencia adatok gyűjtése a kiértékelés alapvető mozzanata. Az adatok értelmezését nem csak a referált területekre, hanem a teljes adatmezőre lehetővé teszi. A kiértékelés lehet vizsgálódás-szerű, minőségi és mennyiségi elemzés, továbbá érintheti a távérzékelt adatok bizonyos részeit vagy az egészet.
A távérzékelésnek rendkívüli jelentősége van a természeti erőforrások térképezésénél, állapotának felmérésénél, állapotváltozásainak nyomon követésénél (monitoring). A távérzékelés előnyeit a következő pontokban foglalhatjuk össze: Olcsó és automatizálható adatnyerés A jelenlegi műholdfelvételek 3 000... 40 000 km2 területről nyújtanak információt. Az űrfelvételek rendkívül kedvező, kb. 1 Ft/ha fajlagos költségen beszerezhetők. A légifényképezés is néhány száz Ft/ha-os áron megrendelhető. A felvételek elkészítése jóval kevesebb munkaerőt igényel, mint amennyi a hagyományos terepi felmérésekhez szükséges. Gyors, naprakész adatgyűjtés Az adatgyűjtés űrfelvételek esetében néhány másodperc, de légifényképezésnél is néhány óra alatt kivitelezhető. A felvételek néhány óra, illetve nap elteltével a felhasználónál lehetnek. Jó térbeli, időbeli mintavételezés A távérzékelés egy sűrű szabályos rácshálózatban történő mérésként fogható fel, a térben pontszerű, mintavételezéseken alapuló eljárásokkal szemben ez rendkívül jó térbeli lefedést nyújt. A távérzékelés, mint olcsó és automatizálható adatnyerés, az időbeli visszatérést is megfelelő módon tudja biztosítani. Nagy területről kapunk homogén adatrendszert A távérzékelő szenzor gyorsan, pillanatszerűen készít felvételeket nagy kiterjedésű területekről. A felvételen megfigyelt földfelszín közel azonos állapotban rögzítődik. A terepi mérések időben hosszasan elhúzódhatnak és emiatt általában nagy szórással jellemezhetők. A földfigyelő műholdak kvázipoláris napszinkron műholdpályán keringenek, visszatérési idejük 16-24 nap és helyi idő szerint ugyanakkor készítik a felvételeket. A digitális felvételek számítógéppel feldolgozhatók A számítástechnika lehetővé teszi a digitális felvételek objektív, hatékony feldolgozását. A digitális képeket és a kiértékelés eredményeit közvetlenül integ- 2
rálhatjuk egy geoinformációs rendszerbe. A számítógépes feldolgozás adja meg távérzékelés hatékony gyakorlati alkalmazhatóságának lehetőségét. A távérzékelés hátrányaként a kiértékelésben rejlő nehézségeket kell megemlítenünk. A távérzékelt felvételeken a tematikus tartalom meghatározása jelentős szakértelmet és speciális képfeldolgozási rendszerek alkalmazását igényli. A tematikus tartalom meghatározásának pontossága, megbízhatósága rendkívül sok tényezőtől függ. 1.2 Az elektromágneses sugárzás alapvető fizikai törvényei Az elektromágneses sugárzás forrása természetesen leggyakrabban a Nap. A földfelszín távérzékeléssel történő vizsgálatában a Napból eredő és a felszín által visszavert sugárzást mérik. Ugyancsak fontos adat a felszín által kibocsátott hőmérsékleti sugárzás. A Napból jövő és a felszín által visszavert vagy saját kibocsátott sugárzás mérése esetén passzív távérzékelésről beszélünk. Mivel a légkör az elektromágneses spektrumnak csak meghatározott hullámhossz értékű részét engedi át, ennek megfelelően távérzékelésre csak az ún. légköri ablakok használhatók. Aktív távérzékelési rendszerekről beszélhetünk, ha az elektromágneses sugárzás forrása és az érzékelők egyaránt repülőgépen vagy műholdon vannak elhelyezve. A távérzékelésben használható légköri ablakok a következők: -Látható fény tartománya -Infravörös tartomány (közeli-, középső- és távoli infravörös) -Mikrohullámú tartomány Természetesen a légkör hat az elektromágneses sugárzásra A légköri ablakok ugyan alkalmasak az áthaladó elektromágneses sugárzás mérésére, de a légkör zavaró hatása a légköri ablakokon belül is igen jelentős. Két jelenség figyelhető meg: az elektromágneses hullámok részben szóródnak, részben elnyelődnek (abszorpció). Az atmoszférikus szóródást az atmoszférában található részecskék okozzák. A szóródásnak különböző fajtáit ismerjük attól függően, hogy a részecskék átmérője hogyan aránylik a vele kölcsönhatásba lépő sugárzás hullámhosszával. Rayleigh-szóródásnak hívjuk a szóródást, ha a légkörben lebegő részecskék (molekulák, szilárd részecskék) átmérője lényegesen kisebb, mint a sugárzás hullámhossza. Ez a típusú sugárzás okoz- 3
za a műholdképek homályosságát, ami a kép élességének csökkenésében, a kontraszt romlásában nyilvánul meg. A Mie-szóródás akkor lép fel, ha a lebegő részecskék átmérője azonos a sugárzás hullámhosszával. A Mie-szóródást elsősorban a vízgőz és a porrészecskék okozzák. A harmadik típusú szóródás akkor jön létre, ha a részecske átmérője sokkal nagyobb (pl. vízcseppek), mint a sugárzás hullámhossza. Ezt a típusú szóródást nem-szelektív szóródásnak nevezzük. Az abszorpció következtében az elektromágneses hullám energiáját elnyelik az abszorbeáló molekulák (elsősorban a vízgőz-, a széndioxid- és ózonmolekulák). A légkört alkotó egyes molekulák jellegzetes abszorpciós hullámhosszokkal rendelkeznek, ezeken a hullámhosszokon távérzékelést nem lehet végezni. A mikrohullámú tartományokban az abszorpció alacsony szintje következtében a távérzékelés alkalmazását a légköri viszonyok nem zavarják. Ráadásul az elektromágneses hullám a földfelszínt elérve kölcsönhatásba lép vele, melynek következtében az energia részben elnyelődik, részben visszaverődik (reflexió), vagy átlátszó közegen (pl. víz) áthalad. A visszaverődésnek két szélsőséges típusát különböztetjük meg: a tükrös reflexiót és a diffúz reflexiót. A tükrös reflexió esetében a beeső és a visszaverődő hullám haladási iránya azonos szöget zár be a beesési merőlegessel. A diffúz reflexió esetén a felszín egyenetlenségei a beeső energiát minden irányban egyenletesen verik vissza. A visszavert, az elnyelt és az áthaladó energia aránya a felszín anyagának típusától és állapotától függ. Általában elmondható, hogy a különböző tárgyak, felszíni formák másképpen reflektálnak a különböző hullámhossztartományokban. Ezen alapszik a távérzékelésben széles körben alkalmazott multispektrális adat-felvételezés, amely éppen a különböző felszínrészek különböző spektrális tulajdonságait használja fel információ gyűjtésére az adott tárgyról. A spektrális tulajdonságok szemléltetésére szolgál a spektrális visszaverődési görbe (1.sz. ábra). Spektrális visszaverődési görbének (spektrális reflektanciagörbének) nevezzük a tárgynak vagy a felszínrésznek a hullámhossz függvényében kifejtett spektrális visszaverődési értékeit ábrázoló grafikont. A spektrális visszaverődési görbe 4
egyrészt a tárgy vagy a felszínrész spektrális tulajdonságairól tájékoztat, másrészt meghatározza azokat a hullámhossz-tartományokat, melyekben a tárgy vagy a felszínrész távérzékelési módszerrel vizsgálható. Megemlíthető még az emittált sugárzás, amely a távoli infravörös és a passzív mikrohullámú tartományokban az objektumok által kibocsátott (saját) elektromágneses sugárzás az információhordozó. A térképészeti alkalmazásokban nincs különösebb jelentősége. 1. ábra 2. Távérzékelő rendszerek A távérzékelő rendszerek hordozói általában repülőgépek és műholdak. A felvevők lehetnek fényképező és digitális pásztázó eszközök. A fényképező rendszerek a 0.4-0.9 m m-es hullámhossz tartományt használják a felvételek készítésére. A felvételeket fényérzékeny többrétegű filmre rögzítik. A többsávos, multispektrális fényképező rendszerekben több precízen összeépített, szűk áteresztőképességű szűrővel szerelt kamera szinkronban készíti a felvételeket. A fényképező rendszerekhez lehet sorolni a 5
TV-kamerás rendszereket. A felvételek felbontása rosszabb, de a gyors és olcsó információszerzés miatt kitűnő eszköz az agrár szférában és a környezetvédelemben. A többsávos digitális pásztázók (multispectral scanner) eleinte repülőgépen, majd műholdakra szerelve a 60-as évektől léteznek. A pásztázók a földfelszínnek, a repülésre merőleges sávjáról a detektorokba érkező elektromágneses sugárzás intenzitás értékeit rögzítik a különböző hullámhossz tartományokban. A régebbi pásztázóknál egy forgó tükör biztosította a vizsgált földfelszíni egységről beérkező sugarak továbbítását (Landsat). Újabban egy detektorsor végzi el ugyanezt. Ezekkel az eszközökkel sikerült csökkenteni az elemi pixel terepi méretét (SPOT, CCD kamerák). A SPOT műholdak és repülőgépre szerelt CCD rendszerek képesek az oldalra/hátra tekintésre, ezzel térbeli (sztereo) kiértékelésre alkalmas felvételeket tudnak előállítani. A letapogatás eredménye a sávok számával megegyező digitális raszterkép. A digitálisan rögzített képet adatvesztés nélkül lehet tárolni, illetve a földi figyelőállomásra továbbítani. A 2. számú ábra a SPOT műhold felvételezési üzemmódjait mutatja: A SPOT felvételezési üzemmódjai 2. ábra 6
A SPOT pánkromatikus felvételeken már az apróbb részletek is felismerhetők (3.ábra): Pánkromatikus felvétel 3. ábra A többsávos pásztázók jellemzése a következő táblázat alapján történik: Jellemző Landsat Landsat TM Noaa/Avhrr SPOT P SPOT XS MSS Terepi felbontás 80 m 0.5 ha 30 m 0.1 ha 1100 m 120 ha 10 m 0.01 ha 20 m 0.04 ha Spektrális felbontás 4 sáv 7 sáv 5 sáv 1 sáv 3 sáv Radiometriai felbontás 0..63 érték 0..255 érték 0..1023 érték 0..255 érték 0..255 érték Időbeli felbontás 18 nap 6 nap 1 nap (13) 26 nap (13) 26 nap Felvett terület szélessége 185 km 185 km 2700 km 60-80 km 60-80 km Pálya-magasság 700 km 900 km 1450 km 830 km 830 km További jellemzők lehetnek a spektrális sávok hullámhossz-tartományai, a felvételek geometriai jósága, a rögzített adatokhoz való hozzáférési idő, a felvételek fajlagos költségei, illetve a felhasználó számára szükséges információ költségének és az információ által megszerzett bevétel aránya. 7
Többcsatornás műholdas vagy légi spektrométerek a 0.4-15.0 m m-es tartományt 20-500 egyforma széles csatornára bontják és ezzel egy majdnem folytonos spektrumot alkotnak a felszínről. Ilyen rendszerek az AIS, AVIRIS és a NASA EOS, MODIS felvevők. A MODIS eszköz 0.62-14.4 m m hullámhossz intervallumban pásztáz 250, 500, illetve 1000 méteres terepi felbontással 36 sávban, sávonként 4096 intenzitás értéket elkülönítve. A mikrohullámú felvevők az 1 mm - 1 m hullámhossz-tartományt hasznosítják. A mikrohullámú távérzékelés alapvető jellemzői a következők: a mikrohullám áthatol a légköri párán és a felhőzeten, ezáltal időjárásfüggetlen a mikrohullám nagyon érzékeny a felszíni objektumok térbeli struktúrájára a víz jelenlétét nagy dinamikával érzékeli hullámhossztól függően be tud hatolni részben a földfelszín alá is a hullám amplitúdóján kívül annak fáziskésése és polarizációja is fontos (polarizáció alapján megkülönböztetünk HH,HV,VH és VV felvételeket) durvább felszín és magasabb víztartalom esetén növekszik a hullámok visszaverése. A 4. Ábrán lévő két radarfelvétel ugyanazt a területet mutatja eső előtt és után: 4. ábra Radarfelvétel eső előtt és után A Landsat rendszer 1972 júliusában Earth Resources Technology Satellite (ERTS) néven állították pályára az első erőforrás-kutató műholdat a sorozatból a NASA (National Aeronautics and Space Administration) irányításával, de csak később, 1975-ben kapta a Landsat nevet. 8
Az első műhold működését egyéves időtartamra tervezték, végül hat évig üzemelt kifogástalanul. Az első Landsat műhold 1972-es fellövése óta még további ötöt állítottak pályára. Az első három (első generáció) két szenzorral működött: RBV (Return Beam Vidicon) és MSS (Multispectral Scanner). A második generációs Landsat műholdak a Landsat-4 1982-es fellövésétől kezdődően [Salomonson, 1984] az MSS mellett fedélzetükön ott volt a Thematic Mapper-t (TM). 1993 októberében a Landsat-6 pályára állítása kudarcba fulladt, fedélzetén a Landsat-7 műholdra tervezett Enhanced Thematic Mapper (ETM+) berendezéshez hasonló ETM volt. 1999-ben pályára állították a Landsat-7 műholdat fedélzetén az Enhanced Thematic Mapper (ETM+), valamint egy új nagyfelbontású pásztázó működik. A Landsat műholdakon elhelyezett szenzorok pásztázási szélessége: 185 km. A Thematic Mapper (= TM) kipróbálása a Landsat 4 fedélzetén történt. A Landsat 5 fedélzetén az előzővel azonos szenzort helyeztek el. A Landsat 7 a multispektrális sávok mellett egy pankromatikus sávban is készít felvételeket. A Landsat 7 nyolc spektrális sávban vevő-berendezés, melyekből 7 reflexiós. Az 5. ábrán egy természetes színben készült Landsat TM felvétel látható. Landsat TM felvétel 5. ábra 9
A SPOT rendszer A francia űrprogram keretében 1986 óta működik a SPOT-műhold (Satellite Pour l Observation de la Terre) sorozat. A műholdat a CNES (Centre National d Etudes Spatiales) tervezte, svéd és belga segítséggel fejlesztették ki. A pásztázási szélesség: 60 km. Jelenleg a SPOT 2 és a SPOT 4 műhold üzemel, a két műhold együttesen a 40 szélességtől É-ra bármely területre naponta készíthet képeket. A SPOT műhold-felvételezés növekvő igényeinek megfelelően a SPOT 1-et a közeljövőben.ismét működésbe fogják hozni A SPOT 1, 2, 3 műholdakon két nagyfelbontású adatrögzítő (High Resolution Vidicon) működik, együtt és egymástól függetlenül is rögzítenek adatokat. Mindkét HRV bemeneti tükre földi irányítással a függőleges iránytól 27 -kal elmozdítható, ezzel megnövelik az egy pályáról készíthető képek számát, ill. ez a technikai megoldás lehetőséget biztosít sztereo képek készítésére. Mindkét HRV párhuzamosan vagy egymástól függetlenül üzemeltethető pankromatikus és multispektrális módban egyaránt. A SPOT 4-nél az előző három műholdon alkalmazott képalkotó berendezéseket egy középső infravörös sávval egészítették ki (1,58-1,75 mm), a berendezés neve HRVIRre változott. A két HRVIR egymástól függetlenül programozható. További újdonság a spektrális sávok fedélzeti illesztése (registration). Ezt a korábbi PAN (0,51-0,73 mm) sáv helyett az új B2 (0,61-0,68 mm) sáv alkalmazásával érik el, ugyanis ebben a sávban 10 és 20 m-es felbontású adatrögzítés is lehetséges. A SPOT 4 még egy képalkotó berendezést üzemeltet: ez a VEGETATION, amely 2000 km széles sávban 1 km-es terepi felbontással készít képeket 4 spektrális sávot használva. 10
A SPOT képek rendkívül jó földi felbontást nyújtanak: pankromatikus módban:10x10 m, multispektrális módban pedig 20x20 m. Pankromatikus módban a műhold felvevő berendezése az elektromágneses spektrum látható tartományának egyetlen sávjában működik, tehát fekete-fehér képeket készít. A SPOT1, SPOT2 és SPOT3 műholdakon a pankromatikus csatorna, az alábbi táblázat szerinti 0,51-0,73 mm között üzemel. A SPOT4 esetében ez a tartomány 0,61-0,68 mm-re szűkül. Természetes színű SPOT 5 felvétel 6. ábra A topográfiai térképezés szempontjából fontos a 2002-ben pályára állított SPOT 5 műholdon elhelyezett HRG (High Resolution Geometry) szenzor adatainak ismertetése. HRG High Resolution Geometry. Az új berendezés főbb jellemzői: terepi felszíni felbontás 5 és 3 méteres (a jelenlegi 10 méter helyett) a pankromatikus üzemmódban; terepi felbontás a multispektrális üzemmódban is 10 m (a jelenlegi 20 m helyett), mind a három sávban, a látható és a közeli infravörös tartományban; közülük a középső infravörös (vegetációs szempontból létfontosságú) sáv továbbra is 20 m-es felbontású marad; 11
a fenti terepi felbontások biztosítása esetén a sztereo kiértékelés síkrajzi hibája 10 m, a magassági hiba 5 m lesz, ami az 1:50 000-es méretarányú térképek pontosságának felel meg. A 6. ábrán egy természetes színben készült SPOT 5 felvétel látható. Nagyfelbontású űrfelvételeket szolgáltató rendszerek Az erőforrás-kutató műholdak (geometriai felbontásuk 10-100 m körüli) kifejlesztése és üzemeltetése állami beruházásokból valósult meg, a műholdak által vett adatok terjesztését, az értéknövelt termékek előállítását pedig utólag bízták, általában kereskedelmi cégekre (ilyenek pld.: az EOSAT, Space Imaging, EURIMAGE, SPOT IMAGE és egyebek). A kilencvenes évek végére a műszaki haladás következtében olyan szenzorok előállítása is lehetségessé vált, amelyek az eddigieknél lényegesen nagyobb geometriai felbontású képeket is tudnak készíteni. Ezekre az adatokra az előrejelzések szerint nagy szükségük volt (ill. van) az állami térképészeti szervezeteknek a saját kataszteri és topográfiai térképrendszereik létrehozására vagy felújítására. Ezzel belátható közelségbe került a hordozóra és a szenzorra valamint az üzemeltetésre fordított költségek megtérülése, ill. lehetőség nyílt profit képzésére. Bár néhány év késéssel, de sikerült pályára állítani és ma már operatívan szolgáltat adatokat az IKONOS-műhold. Nagy várakozás előzte meg ennek a kereskedelmi műholdnak a pályára állítását. Az 1 m-es felbontású képek nagy ugrást jelentenek az eddig készített műholdfelvételekhez képest, és most először nyílik lehetőség arra, hogy a légifényképek felbontásához közeli felbontással rendelkező adatforrást is megvizsgálhassunk nagyméretarányú (1:10 000) térképek készítésének és felújításának szempontjából. Az 1 m-es felbontást a pankromatikus tartományban biztosítja a felvevő (szemben a SPOT pankromatikus 10 m felbontású sávjával), multispektrális üzemmódban az IKONOS által elérhető maximális felbontás 4 m (szemben a SPOT multispektrális 20 m-es felbontású sávjával). Nem csak a felbontásban van azonban különbség az IKO- NOS és a SPOT műhold által készített adatok között. Talán még fontosabb az adatok szigorú geometriája, ami nem mondható el a SPOT- vagy a Landsat-képekre. Az IKONOS (Space Imaging) műhold ill. a szenzor műszaki adatai: 12
A műhold neve: IKONOS Pályára állítás időpontja: 1999. szeptember 24. Pálya adatai A pálya magassága Max. geometriai felbontás Spektrális sáv Keringési idő Visszatérési idő Közel poláris napszinkron körpálya 680 km 1 m (11 km-es sávban) 1 pankromatikus, 4 multispektrális 98 perc 5 nap Inklináció 98 A pontos magassági adatok alapvető fontosságúak a topográfiai térképezésben. A SPOT pankromatikus képekből előállított magassági értékek pontossága terepi illesztőpontok alkalmazása esetén 10 m körüli, amely nem elégíti ki az 1:10 000-es topográfiai térképek pontossági követelményeit. A SPOT-rendszerben a sztereo képek előállítása vételi sávok között (cross-track) történik, az IKONOS esetében azonban vételi sávon belül (in-track). 1 méteres felbontású IKONOS felvétel 7. ábra 13
A 7. ábrán egy 1 méteres felbontású IKONOS felvétel látható. A szuper nagyfelbontású műholdak előnyei a következők: a polgári célra valaha készült legnagyobb felbontás; a kamera fókusztávolsága nagyon nagy, elérheti a 10 m-t; előre, nadírban és hátra néző töltéscsatolt sordetektor alkalmazásával vételi sávon belüli sztereó adatfolyam készítése; a bázis/magasság arány (a szenzor bázisvonalának és a pálya magasságának aránya) 0,6 vagy nagyobb, ami hasonlatos a légifényképezésnél alkalmazott arányhoz. Sztereokép létrehozásakor egy felszíni objektum képe háromszor képeződik le: egyszer előrenéző, egyszer nadír állású és egyszer hátranéző kameraállásnál. A sordetektor minden alkalommal egy-egy képcsíkot alkot. Ennek megfelelően a felvételi sáv irányú sztereó felvételezés a sztereopárok három kombinációját hozza létre. A bázisvonal hossza az IKONOS esetében 680, ill. 1360 km. A bázis/magasság arány a kritikus érték a magassági kiértékelés szempontjából. Az IKONOS esetében ez az arány egyenlő 1-gyel, ami azt jelenti, hogy az IKONOS által készített sztereopárok alkalmasak a domborzati információk kivonására. A felvételi sávok között (across-track) is kialakítható sztereó átfedés. A domborzatábrázolás szempontjából a két egymás melletti adatfolyam azonos eredményt ad hasonlóan a vételi sávon (in-cross) belüli sztereoképpárhoz. A következőkben még két nagyfelbontású űrfelvételeket szolgáltató távérzékelési rendszert mutatok be. Az egyik a Quick Bird (EarthWatch Inc.) a másik pedig az OrbView (ORBIMAGE) rendszer. Az EarthWatch Inc. által üzemeltetett Quick Bird szuper nagyfelbontású képeket szolgáltató műholdat 2001 októberében állították pályára. A Quick Bird-ön két szenzor működik párhuzamosan: az egyik pankromatikus, a másik multispektrális üzemmódban. A felbontás pankromatikus üzemmódban 0.61 m, míg multispektrális üzemmódban 2.44 m. A 8. ábrán egy 0.61 m-es felbontással készült Quick Bird kép látható. Az OrbView műholdcsaládnak - melyet az ORBIMAGE üzemeltet- jelenleg két tagja szolgáltat adatokat az Orb View 2 és az Orb View 3. Az OrbView-2 8 multispektrális csatornán 1 km-es felbontással szolgáltat adatokat, az Orb View 3 pedig multrispektrális csatornán 4m-es, míg pankromatikus csatornán 1 m-es felbontásra 14
képes. Az ORBIMAGE 2007-ben tervezi üzembe állítani az Orb View 5 műholdat, melynek a felbontása 0.41 m lesz pankromatikus és 1.64 m multispektrális csatornán. A 8. ábrán egy Quick Bird, a 9. ábrán pedig egy Orb View felvétel látható. Quick Bird felvétel Orb View felvétel 8. ábra 9. Ábra 3. Új távérzékelési eljárások Az űrtávérzékelés mellett a hagyományos fotogrammetriának egyre komolyabb más vetélytársai is helyet követelnek a terepre vonatkozó adatok gyűjtésében. A gyors (operatív) hadszíntér megjelenítés ma már nem tudja nélkülözni olyan korszerű technológiai eszközök alkalmazását, mint a LIDAR (Light Detection and Ranging fény érzékelés és távmérés) és IFSAR (Interferometric Syntetic Aperture Radar szintetikus nyílású interferencia radar). Ezek az eszközök alkalmasak nagyfelbontású digitális domborzatmodellek (Digital Terrain Modell DTM, amely a topográfiai felszín tereptárgyak nélkül mért magassági adatait tartalmazza) és digitális felszín modellek (Digital Elevation Modell, amely magában foglalja a tereptárgyak magasságát is.) előállítására, objektumokra vonatkozó adatok kinyerésére. A LIDAR és IFSAR alkalmazhatóságát és előnyeit jól szemléltette Precision Strike Demonstration Project Office által 1996-ban Fort Belvoir-ban folytatott kísérletek, amelyek bizonyították, hogy a DHC-7 repülőgépre telepített LIDAR és IFSAR eszközökkel kielégíthetők a korszerű hadműveleti követelmények. Ennek megfelelően a rendszer alkalmas arra, hogy 18 óra alatt 400 km 2 -ről, illetve 72 óra alatt 8 100 km 2 -ről alapanyagot biztosítson a Level 4 15
és 5 szintű (3 illetve 1 méteres pixelnagyság) domborzat modell, valamint 12 nap alatt 90 000 km 2 -ről alapanyagot biztosítson a Level 3 szintű (10 m) domborzatmodell elkészítéséhez. A LIDAR technológia (10. ábra) egy repülőgép, egy lézertávmérő és a GPS navigációs rendszer házasságából született, amely inerciális navigációs rendszerrel is kiegészülhet. A LIDAR felvételek egyre szélesebb körű alkalmazást nyernek a polgári életben is. A 90-es évek végétől kezdték el alkalmazni a komplex LIDAR topográfiai térképező rendszereket. Ezek különösen jól alkalmazhatók építkezések tervezéséhez, árvízvédelmi elemzések készítéséhez. A LIDAR felvételezés eredményei alapján nagypontosságú digitális domborzatmodell, digitális felület modellés szintvonalak egyaránt előállíthatóak. A LIDAR rendszerek felhasználásával előállított domborzatmodellek pontossága eléri a repülési magasság 1/8 000 részét. Így például 1 200 méter repülési magasság esetén 15 cm, 6 000 méter esetén 75 cm pontosság érhető el. A LIDAR-nak a pontosság mellett számos más előnye is van. A technológia lényegesen kevésbé időjárásfüggő, mint a hagyományos mérőkamerás légifényképezés. A LIDAR felvételeket bármelyik napszakban elkészíthetjük, azok minősége nem függ a napállástól (árnyéktól), sőt az éjszaka kimondottan kedvező a munkák számára. A LIDAR technológia bemutatása 10. ábra 16
A korszerű LIDAR rendszerek képesek több visszaverődést regisztrálni. Ez lehetővé teszi, hogy a rendszer egyaránt rögzítse a felszín és a fakorona magasságot. Különösen kedvező a rendszer a magas épületekkel beépített városi területek felmérésére. További előnye, hogy megfelelő technológia alkalmazásával alkalmas távvezetékek háromdimenziós megjelenítésére egyidejűleg rögzítve a felszín a fakorona és a vezeték magasságát. A rendszer ára meglehetősen magas (1 millió $ felett) és termelékenysége viszonylag alacsony: 90 km 2 /óra nagy pontosságú felmérés esetén. Az adatok feldolgozása általában a felvételezési idő háromszorosát igényli. Amennyiben nem szükséges szélső pontosság elérése, úgy a termelékenység fokozható és ezzel párhuzamosan a fajlagos költségek csökkenthetők. A másik korszerű távérzékelési eljárás a rádiólokációs elven működő IFSAR eszközök használatán alapul. A képalkotó radarokat már régóta alkalmazzák a katonai felderítésben. Ezen eszközök fejlődése a radarok felbontásának növekedése lehetővé tette a térképezési célú felhasználásukat. Az IFSAR a LIDAR-hoz hasonlóan elsősorban a digitális domborzatmodell és digitális felszín modell létrehozására alkalmas. Az elkészült radarfelvétel ugyanakkor lehetővé teszi topográfiai információk kinyerését is, különösen a vízrajz és az úthálózat elemeire vonatkozóan. Az IFSAR technológia topográfiai célú hasznosíthatóságát jól szemlélteti Venezuela topográfiai térképezési programja, valamint az Egyesült Államok térképezési programja a Panama-csatorna övezetében. Venezuela új topográfiai térképét teljes egészében IFSAR felvételek alapján készítették el, mivel az őserdők feletti páraréteg nagyon megnehezítette volna a hagyományos légifelvételek elkészítését, viszont a radarfelvételek problémamentesen előállíthatóak voltak. A korszerű eszközök nagypontosságú termékek előállítását teszik lehetővé. Azt is meg kell jegyezni, hogy az IFSAR technológiával előállított termékek lényegesen olcsóbbak, mint a LIDAR produktumok. Teljesen újszerű távérzékelési eszközt fejlesztett ki 1997-ben a német Űrkutatási Központ (DLR). A HRSC (High Resolution Stereo Kamera nagyfelbontású sztereó kamera egyszerre öt pánchromatikus (sztereo) felvételt és négy infraspektrális felvételt készít. A digitális felvételek felbontása 24 cm-től 1 m-ig terjedhet, pontosságuk eléri a 20 cm-t. A HRSC kamerát nagyon hatékonyan lehet alkalmazni sűrűn beépített telepü- 17
lések térképezésére, a települések telekommunikációs hálózatának tervezésére. A rendszerhez tartozó szoftverek segítségével az ortofotók mellett digitális felszín modellek is előállíthatók. Az eszköz érzékenysége lehetővé teszi kedvezőtlen meteorológiai körülmények között is az alkalmazását. A feldolgozó szoftverek gyakorlatilag teljesen automatizálják a képfeldolgozás folyamatait, beleértve a képek abszolút tájékozását, a felszín modell előállítását és az ortofotó készítést is. A jelenlegi fejlesztések a felvételek interpretálásának automatizálására irányulnak. A Holland Katonai Térképész Szolgálat (Topografische Dienst) eredményes kísérleteket végzett a HRSC felvételek felhasználására a topográfiai adatbázis tartalmának helyesbítésére. Ezen belül megoldották az épületek automatikus detektálását. 4. A digitális képfeldolgozás alapvető lépései 4.1 Előfeldolgozás Az űrfelvételek előfeldolgozásához tartoznak azok az optikai vagy digitális képátalakítási eljárások, melyek ahhoz szükségesek, hogy a nyers adatokból meghatározott célokra való felhasználásra alkalmas felvételeket állítsunk elő. Az előfeldolgozáshoz sorolhatók a radiometriai és a geometriai korrekciók, a térképi illesztés, a légköri korrekció. Radiometriai korrekció Általában jellemző, hogy a radiometriai korrekciót az adatok vétele után azonnal a vevőállomáson végzik el. A radiometriai korrekcióra azért van szükség, mert a felvételt készítő detektorok között bizonyos aszinkronitás jelentkezik, vagyis ugyanarra a radianciára különböző kimeneti jelet rögzítenek. A detektorok érzékenysége a működési idő folyamán is változik. Fenti jelenség következménye a felvételeken megjelenő csíkosság, melynek eltüntetéséhez képelemenkénti korrigálás szükséges. Geometriai korrekció A geometriai korrekció célja, hogy a felvevő berendezés által készített képet térképszerűvé alakítsa. A nyers űrfelvételt többféle geometriai hiba is terheli: a Föld elfordu- 18
lása, a látószög változása, a lengő tükör egyenetlen mozgása, a földfelszín görbülete, a műhold egyenetlen mozgása következtében előálló hibák. A felsorolt hibákat ugyancsak az adatok vétele után a vevőállomáson korrigálják. Térképi vetületbe történő illesztés (transzformálás) A műholdfelvételből kivont információ általában térképi formában jelenik meg. Gyakori a más forrásból nyert információkkal történő összevetés, elemzés. Ezért szinte minden esetben elengedhetetlen a műholdkép térképi vetületbe való transzformálása. A geometriai korrekció nem eredményez megfelelő térképi pontosságot, ezért általában illesztőpontpárok segítségével, majd az ezek alapján történő interpolációval kell elvégezni az adott térképi vetületbe történő illesztést. Digitális terep modell (DTM) alkalmazásával az illesztés pontossága növelhető. 4.2 Ismeret alapú (knowledge based ) képfeldolgozási módszerek A műholdadatok térképészeti célú interpretálásakor az adatbázisnak sokkal inkább a nem-spektrális (objektum-leíró) információit használjuk, és kevésbé a spektrális információkat (spektrális információk: visszaverődési adatok és texturális adatok; objektum-leíró információk: alak, méret, struktúra, objektumok közötti térbeli viszony stb.). Az objektumok jelentős alakbeli eltéréseket mutatnak (pl. folyók, települések vagy egy erdő területe). Jelentős a strukturális eltérés (pl. települések jellegzetes utcahálózata, ami teljesen eltér egy természetes felszínrésztől). Az objektumok közötti térbeli kapcsolat bizonyos szabályok alapján ragadható meg (pl. település/utca, utca/épületek viszonya vagy mezőgazdasági tábla/gazdasági épületek térbeli viszonya, stb.) Mindezen információk azonban bizonytalanságokat tartalmaznak, melynek figyelembevétele a műholdadatok interpretálása és minősítése folyamatában komoly figyelmet érdemel. Még teljesen automatizált objektum-felismerési algoritmusok alkalmazása esetén is szükséges előzetes ismeret az adott területről és az ott található objektumokról, azok tulajdonságairól, térbeli elhelyezkedésük törvényszerűségeiről. A digitális topográfiai adatbázis (a Magyar Topográfiai Program keretében létrehozandó topográfiai térképek) vagy a jelenleg használatban lévő nyomtatott, különböző méretarányú topográfiai térképek szolgáltathatják (szolgáltatják) a szükséges ismere- 19
teket (területről, méretekről, alakzatokról, az objektumok szemantikai adatairól) a műholdfelvételek térképészeti alkalmazásához a megfelelő ismereteket. Európa és Észak-Amerika országaiban használatban vannak vagy a közeljövőben használatba kerülnek azok a topográfiai digitális adatbázisok, melyek tartalmazzák a műholdfelvételek térképészeti alkalmazásához szükséges valamennyi információt (pl. az ATKIS = Amtlich Topographisch-Kartographisches Informationssystem). Az ismeret alapú interpretációs metódust mind az automatikus információkivonási műveletekben (automated feature extraction), mind a vizuális interpretációba (visual interpretation) jól alkalmazhatók. 4.3 Objektumfelismerési eljárások. Jelenleg nincsenek olyan alakfelismerő algoritmusok, melyek segítségével valamennyi felszíni objektum azonosítása lehetséges lenne, de néhány felszíni objektum automatikus interpretálására történtek kísérletek. A jelenlegi alakfelismerő algoritmusokat tematikus információ kivonásaként, térbeli osztályozásként vagy geometriai alakfelismerésként, illetve ezek kombinációjaként írhatjuk le. A hagyományos multispektrális osztályozási eljárások igen sikeresek nagy területi kiterjedéssel rendelkező felszínrészek (pl. erdők, mezőgazdasági táblák, vízfelszínek stb.) interpretálásában. A topográfiai térképek azonban nem csak ezeket a felszínrészeket ábrázolják, hanem jelentős számban kis térbeli kiterjedésű objektumokat (pl. épületek, néhány m széles utak, vasútvonalak stb.) valamint a legbonyolultabb térbeli struktúrával rendelkező településeket is. A kis méretű vagy hosszan elnyúló, de keskeny objektumok felismerésének akadálya a rendelkezésre álló űrfelvételek geometriai felbontásának elégtelensége. Az ilyen bonyolult struktúrával rendelkező objektumok felismerésének és helyes interpretációjának akadályait abban lehet összefoglalni, hogy a multispektrális osztályozási módszerek az egyes képpontok spektrális tulajdonságát használják fel, de egyáltalán nem veszik figyelembe az objektum leíró, pl. méret-, alak-, struktúra- stb. információit. A térképészeti alkalmazás területén az alakfelismerési algoritmusok jelentős része az épületek és az utak automatikus kiválasztására szolgál. 20