Kertausta 1. luennolta mitä kaukokartoitus vaatii?

Kertausta 1. luennoltamitä 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

Kertausta 1. luennoltaAuringon säteily ja ilmakehä

2. luennon aiheet

• Kuvausalustat

• Satelliittijärjestelmästä tarkemmin

• Yleiset kuvaavat instrumentit

• Jatkoa peruskäsitteille

• Sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutus kohteen kanssa

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

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

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

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

SatelliittiTyöntömoottorijärjestelmä

• 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

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

SatelliittiTelemetria-, 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

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.

• Kohteen valaistusominaisuudet ovat samanlaiset, kun tehdään havaintoja kohteesta

• eri vuosina samaan aikaan • havaintoja peräkkäisinä päivinä.

• Eri vuodenaikoina auringon sijainti ja myös valaistusominaisuudet poikkeavat.

Aurinkosynkroniset satelliitit

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.

Instrumentit• Sähkömagneettinen säteily informaation

välittäjä • Tarkastelemalla kohteen emittoiman /

heijastaman sähkömagneettisen säteilyn ominaisuuksia voidaan tehdä päätelmiä kohteen ominaisuuksista

• Tarvitaan laite, joka mittaa säteilyä • Toimintaperiaate:

Optis-mekaaninenOptis-sähköinenSähköinen

Instrumentit• Passiiviset instrumentit mittaavat kohteen

heijastamaa tai emittoimaa säteilyä • Aktiiviset instrumentit mittaavat kohteesta

sironnutta tai heijastunutta säteilyä

Passiivinen Aktiivinen

VIS & IR: Valokuvauskamera, LidarCCD, vidicon,keilaimet,spektrometrit

MW: Radiometri Tutka (SLAR & SAR)

Kamera

• Passiivinen instrumentti aallonpituusalueella 0.3 - 0.9 m

• Filmi ja digitaaliset kamerat

• Filmikamera:

linssisysteemi (B)

filmi (C)

sulkija

Neulanreikäkamera

• Lähinnä teoreettinen malli

Filmikamerat

• Filmi on yleensä herkkää – UV-säteilylle, – näkyvän valon ja – lähi-infrapuna-alueen aallonpituuksille, eli

• Auringon säteilyn kattamille aallonpituuksille (0.3-0.9 m).

• Suotimilla voidaan poistaa tiettyjä aallonpituuksia ja päästää toisia läpi

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

Kuvausvirheitä• Optiikka ym. aiheuttaa virheitä jotka pitäisi

tuntea ja poistaa• Tynnyrivääristymä vasemmalla, virheetön

kuva keskellä, tyynyvääristymä oikealla

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

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

lentonopeudelle -> sotilastiedustelu

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

Kameratyypit

Panoraamakamera Stripkamera Mittakamera ilmakuvaukseen

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. CCDValokuva 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 eriaallonpituusalueisiin Ilmaisin: säteilyn energia muuttuu sähköiseksi signaaliksi Signaalin prosessointi: muuntaa sähköisen analogiasignaalindigitaaliseksi signaaliksi A/D muuntimen avulla

Tallennus: esim. nauha

KeilainIlmaisimet• 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

KeilainIlmaisimen 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 yleensä 10o-20o

• F on keilausalueen eli kuva-alueen leveys

Lentosuunnan keilain• Pushbroom • Havaitaan samanaikaisesti

koko keilausalueen leveys• Kullekin lentosuuntaa

vastaan kohtisuorassa suunnassa olevalle pikselille on oma ilmaisin

• A ilmaisinrivi joka on kuvatasolla B

• C linssisysteemi

Lentosuunnan keilain

• Tarvitaan rivi ilmai-simia kullekin aallonpituusalueelle 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)

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

Esimerkki: Laserkeilaus• Mittausperiaate

Metsikkö

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

Mikroaaltoradiometri

• Passiivinen instrumentti

• Mikroaaltoalue: aallonpituus 0.3 - 100 cm, taajuus 0.3 - 100 GHz

• Mittaa antenniin saapuvaa kirkkauslämpötilaa (kohteen emissiivisyyden ja kineettisen lämpötilan tulo)

• Mitattu kirkkauslämpötila koostuu kohteen emittoimasta, ilmakehän emittoimasta, pinnasta heijastuneesta ja kohteen läpäisseestä säteilystä

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

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

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

Mikroaaltotutka: profiloivatSirontamittari (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

HUTSCAT: profiloiva sirontamittari

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

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

• 8 bittinen data 28 = 256 eri arvoa

• 16 bittinen data 216 = 65536 eri arvoa

• Vieressä 2 bittiä vs. 8 bittiä

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)

Sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutus kohteen kanssa

• Auringon säteilyenergia törmää maahan erilaisiin maastokohteisiin, mitä tapahtuu?

• Mitä tapahtuu ilmakehässä säteilyn reitillä auringosta maahan ja maasta instrumenttiin?

Mitä tapahtuu kun auringon säteily kohtaa erilaisia maastokohteita?

Säteily joko

• heijastuu – (R=reflection)

• absorboituu– (A= absorbtion)

• läpäisee– (T= transmission)

Energian säilymisyhtälö

• Tuleva säteily = heijastunut + absorboitunut + läpäissyt

• I () =R () +A () +T ()

• Energia ei häviä !!!

• Aallonpituudesta () riippuvainen

• Aallonpituudesta & maastokohteesta riippuu, miten paljon absorboituu, läpäisee ja heijastuu

Kaukokartoituksen kannaltasama yhtälö järkevämmin

• Heijastunut eli havaittu R=

Tuleva säteily I - (absorboitunut A + läpäissyt T)

R() =I () -(A() +T () )

• Heijastunut säteily on sitä mitä instrumentti havaitsee

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

Peiliheijastus

• Kohde on aivan sileä

• Kaikki (lähes) tuleva säteily heijastuu pois saman suuruisessa kulmassa kuin tulokulma

• Esim. peilityyni vesi

Diffuusi heijastus

• Heijastuksen määrä on (lähes) sama kaikkiin suuntiin

• Tasaisen karkeilla maastokohteilla

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 (0.4-0.7 m)

• 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

Todellinen maastokohde

Heijastussuhde eli reflektanssi

=R()/ I() * 100%

• Kohteesta heijastuneen (R) ja kohteeseen tulevan säteilyn (I) (auringon valon) suhde on reflektanssi

Heijastussuhde

• Koska tuleva säteily I() on suurempi kuin heijastunut säteily R(),

• heijastussuhde on aina (!) pienempi kuin 100%

• Luonnonmateriaaleilla heijastussuhteeseen vaikuttaa aallonpituuden lisäksi säteilyn tulo- ja lähtökulmat

Säteilyn tulo- ja lähtökulmien vaikutus

Bi-directional reflectance effect of grass (source: University of Zurich).

Säteilylähde pysyy paikallaan, kuvaussuunta vaihtelee

Heijastussuhde eri aallonpituuksilla

• Erilaisista maastokohteista saatava heijastussuhde eri aallonpituuksilla on kohteen spektrinen heijastuskäyrä

Heijastuskäyrä

• kullakin kohteella on oma tyypillinen heijastuskäyränsä jonka perusteella kohteet voidaan erotella

• Kutsutaan myös kohteen ominais-säteilyksi

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

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

Eri maastokohteet

Puusto:• Absorboi

voimakkaasti sinistä (B) ja punaista valoa (R )

• Heijastaa vihreää (G) ja lähi-infraa (IR)

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

Tyypillinen kasvillisuuden heijastusspektri

Kasvillisuus

• Lähi-infran aallonpituuksilla (0.7-1.3 m) kasvillisuuden sisäinen rakenne vaikuttaa paljon heijastuksen (R ) määrään

• Eri kasvilajit ovat sisäiseltä rakenteeltaan erilaisia

lajit voidaan erottaa toisistaan

• Kaukokartoitusinstrumentin kuvalta eri lajit voidaan tunnistaa, koska ne saavat kuvalla (erit. lähi-infrakanavilla) harmaasävyarvot

• Samoin– kasvisairaudet ja – kasvillisuuden kerrostuneisuus

voidaan tunnistaa

lähi-infrakanavilta

Kasvillisuus

Kohteen kosteus

• Veden absorptio-aallonpituudet:

1.4, 1.9, 2.7 m

• Kasvin tai kohteen kosteus mahdollista saadaan selville: kosteuden määrä/ lehden paksuus

Kasvillisuus: spektri• Lehtipuu vihreä, havupuu punainen, ruoho sininen, kuiva ruoho

syaani

Spektrit:ASTER Spectral Library

Kasvillisuus: spektri• Lehtipuu vihreä, havupuu

punainen, ruoho sininen, kuiva ruoho syaani

AISA: Puulajit• Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme /

TKK Foto)Trees

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Channel

Mea

n g

rey-

leve

l va

lue

of

refl

ecti

on

(1-

255)

Pine

Fir

Birch

Willow

Harmaasävyt ”normalisoitu”, ts. kanavan harmaasävy jaettu kaikkien kanavien harmaa-sävyjen summalla ja kerrottu vakiolla.Kutsutaan nimelläScaled ChromaticRatio

AISA: Peltokasvi• Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme /

TKK Foto)Agricultural field

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Channel

Sca

led

Ch

rom

atic

Rat

io

Sugar-beet

Cornfield

Threshed cornfield

(Kuiva!)grass

(tuore!)grass

AISA-kuvaus suoritettu 2.9.1999.

AISA: Mänty, kasvupaikka• Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme /

TKK Foto)Trees: pine

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Channel

Sc

ale

d C

hro

ma

tic

Ra

tio

Organic sediments

Tills

Coarse grained sediments

AISA: Kuusi, kasvupaikka• Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme /

TKK Foto)Trees: fir

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Channel

Sca

led

Ch

rom

atic

Rat

io

Coarse grained sediments

Tills

Organic sediments

AISA: Koivu, kasvupaikka• Kanavat 1-3

sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho

Lumme / TKK Foto)

Trees: birch

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Channel

Sca

led

Ch

rom

atic

Rat

io

Fine grained sediments

Coarse grained sediments

Tills

Organic sediments

AISA: Mänty, puu vs. metsä• Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme /

TKK Foto)

A pine and pine wood

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Channel

Sca

led

Ch

rom

atic

Rat

io

Pine woods

Mean value of pine woods

A pine

AISA: Kuusi, puu vs. metsä• Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme /

TKK Foto)

A spruce and spruce wood

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Channel

Sca

led

Ch

rom

atic

Rat

io

Spruce woods

Mean value of spruce woods

A spruce

AISA: Koivu, puu vs. metsä• Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme /

TKK Foto)

A birch and birch grove

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Channel

Sca

led

Ch

rom

atic

Rat

io

Birch groves

A birch

Mean value of birch

Mean value of birch groves

AISA: Ruoho, maalaji• Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme /

TKK Foto)

Agricultural field: Grass

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Channels

Sca

led

Ch

rom

atic

Rat

io

Fine grained sediments

Coarse grained sediments

Organic sedimets

Mean value of f ine grained sedimets

Mean value of coarse grained sedimets

Organic sedimets

AISA: Vehnä, maalaji• Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme /

TKK Foto)Agricultural field: cornfield

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Channel

Sc

ale

d C

hro

ma

tic

Ra

tio

Fine grained sediments

Coarse grained sediments

Organic sediments

Mean value of f ine grained sedimets

Mean value of coarse grained sediments

Mean value of organic sediments

AISA: Leikattu vehnäpelto, maalaji • Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme /

TKK Foto)Agricultural field: stubble cornfield

0

20

40

60

80

100

120

140

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Channel

Sca

led

Ch

rom

atic

Rat

io

Fine sand cornfields

Clay cornfields

Mean value of fine sand cornfields

Mean value of clay cornfields

AISA: Kasvilaji vs. maaperän muodostuminen• Kanavat 1-3 sininen, 4-6 vihreä, 7-11 punainen, 12 - 16 lähi-infra (Juho Lumme /

TKK Foto)Supra-akvaattiset ja subakvaattiset alueet

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Channels

Sca

led

Ch

rom

atic

Rat

io

Coniferous forest (0)

Coniferous forest (1)

Deciduous forest (0)

Deciduous forest (0)

Grass (0)

Grass (1)

Kasvillisuus: Spot esimerkki

• Spot-kuva Portugal

• Peltokasvillisuus kirkas vihreä

• Metsät tumma vihreä

Kasvillisuus: yhteenveto

H A L

VIS 1 4 1 Pigmentti

NIR 3 1 2 Fyysinen rakenne

MIR 2 3 1 Vesipitoisuus

Alhainen 1 - 4 korkea

H: Heijastus

A: Absorptio

L: Läpäisy