Távérzékelés - alapfogalmak Dr. Berke József www.digkep.hu Kvark Bt., Keszthely
Tartalom • • • • • •
A képfeldolgozás fogalma Távérzékelés fogalma Hazai és nemzetközi kitekintések Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői Gyakorlati példák, bemutatók A jövő …
A képfeldolgozás fogalma
A digitális kép jellemzése Minden olyan információ, amely vizuális és számítógéppel kezelhető, feldolgozható Típusai: •Raszteres (pontokból, digitális fényképezőgép)
• Vektoros (függvényekből, grafikus táblák)
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
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
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.)
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.
Légi érzékelők I. Szenzor
Hozzáférhetőség
Csatornák száma
Hullámhossz (nm)
AAHIS
1994
288
432 - 832
AHI
1994
256
7.500-11.700
1982-1985 1985-1987
128
900-2.100 800-2.400
AISA +
1997
244
400-970
AISA Eagle
2002
244
400-970
AISA Hawk
2003
240
1.000-2.400
AISA Dual
2006
498
400-2.450
400
370-2.500
AISA-1/2
ARGUS ASAS
1987
62
400-1.060
APEX
2005
Max. 300
380-2.500
ASTER
1992
24
700-12.000
AVIRIS
1987
224
400-2.450
AVIS-2
2001
64
400-850
CASI
1989
288-2.200
400-1.000
Légi érzékelők II. Szenzor
Hozzáférhetőség
Csatornák száma
Hullámhossz (nm)
DAIS 7915
1994
79
498-12 300
EPS-H
1995
152
430-12.500
EPS-A
1998
31
400-12 000
HYDICE
1995
210
400-2.500
HYMAP
1996
126
450-2 500
MAIS
1991
71
450-12.200
MAS
1993
50
529-14.521
MIVIS
1993
102
433-12.700
OMIS
1999
128
460-12.500
100-200
440-2.543
PROBE-1 ROSIS
1993
128
440-850
SASI
2002
160
850-2.450
SFSI
1994
22-120
1.230-2.380
VIFIS
1994
64
420-870
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.
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.
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
Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői Stefan–Boltzmann féle sugárzási törvény A Stefan–Boltzmann féle sugárzási törvény a feketetest-sugárzás egyik alapvető összefüggése. 1879-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 StefanBoltzmann-törvénynek. R = σ· T4 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.
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.
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:
Eb = Er + Ea + Et ahol Eb - a beérkező energiamennyiség, Er - a reflektált (visszavert) energia, Ea - az abszorbeált (elnyelt) energia, Et - a továbbított energia. Mindegyik komponens a hullámhossz függvénye.
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.
Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői – a reflektancia
Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői – a radiancia DEF: A radiancia (jele: L) egységnyi felületen áthaladó, egységnyi térszög irányából érkező spektrális teljesítménysűrűség. Mértékegysége: [W/m2/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) .
Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői – a radiancia és a reflektancia kapcsolata A radiancia és a reflektancia kapcsolata Ismert megvilágítás (irradiancia, E, [W/m2]) 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.
Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői – a radiancia és a reflektancia kapcsolata A radiancia és a reflektancia kapcsolata II: 1.
2.
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.) 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.
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 θi szög az ωi és a felület n normálvektora között mért szög (zenitszög). Megjegyzés: a BRDF függvényt Edward Nicodemus 1965-ban adta meg először.
Légi- és űrfelvételek alapvető jellemzői
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
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.
Légifelvételezés eszközei
Felvételek – látható és közeli infra Színhelyes felvétel
Közeli infra felvétel (CIR)
Hiperspektrális adatkocka - AISA
Előfeldolgozott és geokódolt felvétel VÁRVÖLGY
KIS-BALATON
