Daljinska Detekcija RAD

UNIVERZITET U NOVOM SADU

FAKULTET TEHNIČKIH NAUKA

KATEDRA ZA POLJOPRIVREDNO MAŠINSTVO

DALJINSKA DETEKCIJA I NJENA PRIMENA U SAVREMENOJ

POLJOPRIVREDNOJ PROIZVODNJI

ISPITNI RAD

Student:

Đorđe Vasić

Profesor:

Dr Milan Martinov

jun 2010

DALJINSKA DETEKCIJA I NJENA PRIMENA U SAVREMENOJ POLJOPRIVREDNOJ PROIZVODNJI

Sadržaj

1. Uvod.......................................................................................................................2

2. Definicija.................................................................................................................3

3. Princip daljinske detekcije......................................................................................4

4. Elementi daljinske detekcije...................................................................................5

4.1. Objekat - predmet istraživanja......................................................................5

4.2. Elektromagnetna energija.............................................................................5

4.3. Nosač senzora (Platforma)...........................................................................8

4.4. Senzor........................................................................................................10

4.4.1. Foto optički senzori...........................................................................10

4.4.2. Elektro optički senzori.......................................................................11

4.4.3. Mikrotalasni senzori...........................................................................14

4.4.4. Karakteristike senzora.......................................................................16

4.5. Snimak........................................................................................................16

4.6. Analiza snimka i podatak............................................................................17

5. Primena daljinske detekcije u savremenoj poljoprivrednoj proizvodnji................19

5.1. Detekcija količine hlorofila u usevima.........................................................19

5.2. Detekcija nedostatka azota.........................................................................20

5.3. Klasifikacija zemljišta..................................................................................22

6. Zaključak..............................................................................................................23

7. Literatura..............................................................................................................24

1


1. Uvod

Odavno postoji neophodnost da se neposredno opažaju i proučavaju pojave koje svojim dimenzijama prelaze gornju granicu ljudskih mogućnosti. Iz potrebe da osmatranja i izučavanja budu objektivnija od dosadašnjih sinteza, iz potrebe da se dobiju novi podaci, rođen je nov istraživački metod - daljinska detekcija.

Gotovo da nema poznate metode, naučne discipline ili naučne oblasti koje su imale tako intenzivan i brz razvoj kao daljinska detekcija. Sa savremenom tehnologijom i visoko usavršenom opremom, programskom podrškom ona je za veoma kratko vreme postala opšte prihvaćeno naučno područje i nezamenljivo sredstvo u svim sferama života. Daljinska detekcija je uz aerofotogrametriju nezamenjiv metod masovnog prikupljanja podataka o prostoru.

Stalni razvoj informacionih tehnologija omogućio je da daljinska detekcija u kombinaciji sa GIS-om (Geographic Information System) i njegovim aplikacijama pruža korisne informacije širokom krugu korisnika. U oblastima geodezije i kartografije daljinska detekcija se sve češće koristi kao važan izvor za kartiranje, u geologiji učestvuje pri utvrđivanju geološke građe terena, u poljoprivredi pri proučavanju pedološkog sloja i različitih kultura, u šumarstvu u oblasti izučavanja vegetacionog pokrivača, u hidrologiji praćenja stanja voda, itd. Tu su i najnovije oblasti primene, poput praćenja i predviđanja elementarnih nepogoda i prirodnih katastrofa usled pomeranja tla, zaštita životne sredine i dr.

Daljinska detekcija predstavlja veoma važnu kariku u lancu precizne poljoprivredne proizvodnje i njenim korišćenjem se omogućuje dobijanje tačne slike o stanju zemljišta i useva tj. planova za selektivno prskanje korova i insekata, ublažavanje biljnih bolesti, određivanje količine azota, raspoređivanje navodnjavanja itd.

2


2. Definicija

Daljinska detekcija u užem smislu obuhvata analizu i interpretaciju različitih snimaka delova Zemljine površine, načinjenih sa površine terena, iz vazdušnog prostora ili iz kosmosa. Početak njene istorije mogao bi biti nastanak klasične fotografije, koja se javlja 1839. godine i vezuje za ime Francuza Dagera (Daguerre). Deset godina kasnije, u Francuskoj fotografija počinje da se primenjuje pri izradi topografskih karata.

Naziv daljinska detekcija je slobodni prevod engleskog termina Remote Sensing. U francuskoj literaturi ovaj termin se prevodi kao Teledetection, u nemačkoj Fernerkundung, a u ruskoj Дистанционние исследования. Kod nas se, prema korišćenom literaturnom izvoru, pojavljuju i nazivi „daljinska opažanja“, „daljinska istraživanja“, „teledetekcija“, „daljinski metodi“, „distanciona istraživanja“. Pojam daljinska detekcija je najčešće u upotrebi.

Najpogodniju definiciju daljinske detekcije dala je Evelin Pruit 1960. godine koja glasi: „Daljinska detekcija predstavlja metod prikupljanja informacija putem sistema koji nisu u direktnom, fizičkom kontaktu sa ispitivanom pojavom ili objektom“. Podaci se prikupljaju registrovanjem i snimanjem odbijene ili emitovane energije objekta i obradom, analiziranjem i korišćenjem tog podatka.

3


3. Princip daljinske detekcije

Pri realizaciji sistema daljinske detekcije jasno se može definisati nekoliko direktno povezanih elemenata. U geonaukama, kao i u nama zanimljivoj poljoprivredi, objekat je fizička površina Zemlje. Objekat zrači elektromagnetnu energiju, koja nosi informacije o njegovim osobinama. Energija može biti sopstvena i reflektovana, koja je saopštena objektu iz prirodnog ili nekog veštačkog izvora. Tu energiju registruje senzor, koji se u najvećem broju slučajeva nalazi na pokretnoj platformi (kosmička, aero ili terestrička). Na osnovu složenog elektronskog sklopa senzora, registrovani signal prevodi se u oblik pogodan za obradu, odnosno nastaje odgovarajući snimak u digitalnom ili analognom obliku. Zatim, sledi analiza snimljenog područja, interpretacija rezultata i, na kraju, upotrebljiva informacija (podatak) o snimljenom sadržaju. Ta informacija najčešće obuhvata saznanje o vrsti, granicama prostiranja i intenzitetu registrovanog fenomena.

Princip daljinske detekcije se jednostavno može sagledati na osnovu slike 3-1. na kojoj se uočavaju pomenuti elementi.

Slika 4.1-1 Elementi i princip daljinske detekcije

Princip daljinske detekcije se, najkraće rečeno, svodi na sistematsko merenje određenog energetskog polja i tumačenje utvrđenih anomalija razlikama u svojstvima ispitivanog objekta.

4


4. Elementi daljinske detekcije

Iz prethodnog razmatranja principa daljinske detekcije proizilazi da u procesu daljinske detekcije učestvuje osam elemenata: objekt, elektromagnetna energija, senzor, platforma, snimak, analiza, interpretacija i podatak. Svaki od njih ima svoje specifičnosti.

Za razumevanje i primenu metoda daljinske detekcije neophodno je njihovo detaljnije poznavanje.

4.1. Objekat - predmet istraživanja

U užem smislu reči, objekat predstavlja deo Zemljine površine koji se istražuje tj. za koji se traže informacije. Istraživanju se može prići sa različitih aspekata. U šumarstvu istraživanja će biti usmerena na vegetacioni pokrivač, u hidrologiji na snežni pokrivač i raspored voda, dok geološke discipline imaju svoje specifične interese koji se odnose na utvrđivanje geološke građe određenog terena. U geodeziji daljinska detekcija je usmerena na prikupljanje prostornih podataka koji se odnose na reljef i topografiju terena.

Istraživanja u poljoprivredi se odnose na pedološki sastav zemljišta i rasprostranjenje različitih kultura kao i na njihovo stanje.

4.2. Elektromagnetna energija

Svako telo, koje se nalazi na Zemljinoj površini, usled Sunčevog zračenja poseduje energiju određene frekvencije i talasne dužine i sposobno je da emituje energiju dela elektromagnetnog spektra. Određene čestice materije poseduju električni naboj. One menjaju okolni prostor oko sebe i stvaraju električno polje. Polje deluje silom na svaki električni naboj koji se nalazi u njemu. Čestice sa električnim nabojem u pokretu čine električnu struju. Električna struja izaziva dalje promene okolnog prostora i stvara magnetno polje. Magnetno polje takođe deluje silom na svaku česticu sa električnim nabojem u pokretu. Na taj način izmenjeno električno polje stvara magnetno polje, a izmenjeno magnetno polje stvara električno polje. Nastale promene vode ka uvećanju energije u vidu povezanih električnih i magnetnih polja sa vremenski i prostorno promenljivom jačinom.

Slika 4.2-2 Grafički prikaz električnog i magnetnog polja elektromagnetnog polja

Vektori električnog i magnetnog polja međusobno su upravni, a u svakoj tački prostora pružaju se upravno na pravac rasprostranjenja energije kao sto je prikazano na slici 4.2-1.

5


Opšti zakon talasnog kretanja glasi: C =λ ⋅ fgde su:

λ – talasna dužina, f – frekvencija,

C – brzina svetlosti.

Skup svih vidova zračenja naziva se spektar (slika 4.2-2).

Slika 4.2-2 Spektar elektromagnetne energije u prirodi

Istorodne oblasti sastavljene su od više spektralnih linija, koje se sastoje od: područja γ i x zraka; ultraljubičastog zračenja; područja vidljivog dela spektra; područja infracrvenog zračenja; mikrotalasnog i radio-talasnog područja.

Zraci iz područja γ i χ zračenja imaju malu prodornost kroz atmosferu, pa su neupotrebljivi za daljinsku detekciju terena.

Ultraljubičasto zračenje (UV – ultravioletno), čini 10% od ukupne svetlosne energije koja dospe na Zemljinu površinu. Talasne dužine UV zraka su male i kreću se od 0,1 do 0,4 μm. Prodornost UV zraka iz dalekog i srednjeg dela UV područja kroz atmosferu praktično ne postoji, pa su oni u potpunosti neupotrebljivi u daljinskoj detekciji. U bliskom delu prodornost se povećava, ali su do sada obavljena ispitivanja imala prvenstveno eksperimentalni značaj.

Vidljivo područje spektra elektromagnetne energije obuhvata zračenja talasnih dužina od 0,4 do 0,7 μm. Njegove granice su postavljene prema osetljivosti ljudskog oka. Čovek registruje zračenje energije u vidljivom području kao tzv. "belu svetlost". Prema talasnoj dužini u vidljivom delu spektra razlikuje se, međutim, više boja, od ljubičaste sa najkraćom (0,4-0,044 μm), preko plave (0,44-0,5 μm), zelene (0,5-0,57 μm), žute (0,57-0,59 μm) i narandžaste (0,59-0,62 μm), do crvene sa najvećom talasnom dužinom (0,62-0,7 μm). Spektar "bele svetlosti" može se generalizovati u tri osnovne boje koje sadrži svaka od ostalih boja (slika 4). Osnovne boje su plava (0,4-0,5μm), zelena (0,5-0,6 μm) i crvena (0,6-0,7 μm). Osnovni izvor elektromagnetne energije vidljivih zraka je sunce i njihova prodornost kroz atmosferu je izuzetno visoka. Vidljivi deo predstavlja najviše i najčešće korišćeno spektralno područje u daljinskoj detekciji.

Infracrveno područje, označeno kao IC područje (standardna oznaka: IR – infra red), obuhvata vrlo širok spektar zračenja, čije talasne dužine variraju u rasponu od 0,7 do 1000 μm. U okviru njega razlikuju se:

– blisko infracrveno zračenje, sa talasnim dužinama između 0,7 μm do 1,5 μm;

6


– srednje infracrveno zračenje, deo sa dužinama od 1,5 μm do 5,6 μm;– daleko infracrveno zračenje talasnih dužina od 5,6 μm do 1000 μm.

U odnosu na izvor zračenja može se detektovati: emitovano (termalno) i reflektovano infracrveno zračenje. Reflektovano IC zračenje (0,7 μm do 3μm) nastaje kao posledica Sunčevog zračenja i odbijanja od površine Zemlje ili od posmatranog objekta, dok emitovano IC zračenje (0,3 μm do 1000 μm).predstavlja, prvenstveno, energiju emitovanu sa površine Zemlje u obliku toplote.

Za daljinsku detekciju IC zračenje ima veliki značaj, a naročito sopstvenozračenje tela koje zavisi od sastava tog tela, te na taj način određuje njegova svojstva. Nijanse infracrvene boje su dobar pokazatelj temperaturnih razlika objekta na Zemljinoj površini. Nijansa određene boje ukazuje na odredjene karakteristike pa tako zelena najviše, a crvena najmanje odbija ove zrake, pa se zbog toga naročito dobro može prikazati vegetacija, zbog reagovanja hlorofila na infracrvene zrake.

Karakteristično za IC zrake je da se oni probijaju kroz maglu, izmaglicu, dim i slično, kao i da se fotografije ove vrste mogu dobiti i noću.

Područje mikrotalasa obuhvata zračenja velikih talasnih dužina čije se vrednosti kreću u rasponu od 1.000 μm (1 cm) do 1.000.000 μm (1 m). Izvor zračenja mikrotalasa može biti prirodan, kada mikrotalase emituje površina zemlje, ili veštački gde ove zrake proizvodi čovek. Prodornost mikrotalasnih zraka kroz atmosferu je izuzetno velika, čak veća i od vidljivih zraka. Ovi zraci prodiru kroz oblake, vlagu u vazduhu, krošnje drveća, čak i kroz plitke naslage na površini terena kao što su peskovi i finozrni aluvijalni sedimenti i posledica toga je da se njihova primena u daljinskoj detekciji svakodnevno proširuje.

Radiotalasi predstavljaju zračenje velikih talasnih dužina, preko 1 m, koja se koriste za potrebe radiokomunikacija. Ova energija je veštačkog porekla, proizvodena od strane čoveka. U daljinskoj detekciji se koristi izuzetno retko, samo u specijalnim slučajevima.

Tabela 4.2-1 Raspodela energije sunčevog zračenja po delovima spektra

Glavni emiteri elektromagnetnog zračenja Sunce, površina zemlje i objekti na njoj i veštački izvori koje stvara čovek. Sunce sa temperaturom od 6.000 K je izvor najveće

7


energije zračenja. Količina ove energije koja stiže do zemljine površine nije ravnomerno raspoređena po spektralnim područjima.

Tabela 4.2-1 prikazuje procentualno učešće pojedinih delova spektra u raspodeli ukupne energije sunčevog zračenja.

Zraci elektromagnetne energije, koja potiče iz prirodnog ili veštačkog izvora, emitovane ili reflektovane, moraju između izvora i senzora da pređu određeni put kroz atmosferu. Propustljivost atmosfere nije jednaka za zrake različitih frekvencija. Zračenje iz pojedinih područja biva potpuno ili u znatnoj meri prigušeno u atmosferi. Za pojedine delove spektra atmosfera je pak potpuno propustljiva. Područja gde je prigušenje minimalno, odnosno, prodornost zraka najveća, nazivaju se prozori. Raspored glavnih prozora gasovite atmosfere prikazuje tabela 4.2-2.

Tabela 4.2-2 Najpropustljiviji prozori gasne atmosfere

Sa izuzetkom bliskog UV dela, navedena područja istovremeno pokazuju i vrste elektromagnetne energije koje se najčešće koriste u daljinskoj detekciji.

4.3. Nosač senzora (Platforma)

Platforma je pokretni nosač senzora, koji omogućuje registraciju elektromagnetne energije na većoj površini terena. Ona se može kretati po površini zemlje (terestrička platforma), u vazduhu (aero platforma) i u kosmosu (kosmička platforma). U svim slučajevima platforma treba da obezbedi sistematsko snimanje. Da bi ovaj zahtev bio ispunjen pravci kretanja platforme moraju biti unapred utvrđeni i prostorno definisani. Tokom kretanja mora neprekidno postojati mogućnost odredjivanja njenog tačnog položaja. Dobar kvalitet snimaka podrazumeva pri kretanju visoku stabilnost platforme, odnosno. senzora. Utvrđivanje položaja platforme, odn. senzora pri snimanju obavlja se po pravilu GPS tehnologijom.

Na slici 4.3-1je dat prikaz pomenutih platformi.

Terestričke platforme mogu se kretati po kopnu ili vodi, te se u te svrhe koriste vozila ili plovila, posebno opremljeni automobili, odnosno brodovi. Terestričke platforme obično od senzora nose termalne infracrvene skenere i/ili radare.

8


Slika 4.3-3Pregled platformi koje se koriste za snimanje u daljinskoj detekciji

Aero-platforme se kreću u vazduhu, na visinama od, najčešće, par kilometara. U principu to može biti svaka letilica - balon, helikopter ili avion. Za sistematska snimanja, posebno kada su u pitanju veće površine terena, isključivo se koriste teži avioni dovoljno stabilni u vazduhu, opremljeni pored senzora i svim potrebnim uređajima za preciznu navigaciju i pozicioniranje u momentu snimanja. Sa platformi iz vazduha obavljaju se različite vrste aerosnimanja. Najčešće se obavljaju fotografska snimanja u vidljivom delu spektra, po pravilu u stereo tehnici, zatim infracrvena i ultraljubičasta snimanja. Veoma često avioni se koriste i za skenerska infracrvena termalna snimanja, kao i radarska snimanja sa bočnim zahvatom, bilo sa stvarnom, bilo sa sintetičkom antenom.

Kao kosmičke platforme koriste se veštački Zemljini sateliti i kosmički brodovi. Sateliti imaju fiksnu putanju kretanja i rade potpuno automatizovano. Putanja kretanja kosmičkih brodova je promenljiva, dirigovana komandama posade. Ukoliko je brod automatizovan, bez ljudske posade, njegovim kretanjem se upravlja radiovezom iz komandnog centra sa Zemlje. Kosmičke platforme se kreću na hektokilometarskim visinama. Za sistematska snimanja iz kosmosa redovno se koristi više različitih senzora. Sandardnu opremu čine multispektralni skeneri (MSS), i/ili radari sa bočnim zahvatom. Za radarska snimanja u kosmos se sve češće upućuju i posebni, namenski sateliti.

9


4.4. Senzor

Uopsteno, senzori predstavljaju uređaje koji vrše pretvaranje jedne fizičke veličine u neku drugu, čiji oblik je korisniji za tumačenje i analizu. U oblasti daljinske detekcije senzori se definišu kao uređaji za otkrivanje, registraciju i merenje zračenja eletromagnetne energije, sopstvene (emitovane) i/ili saopštene (reflektovane).

Osnovna podela senzora zasniva se na poreklu registrovane energije. Po ovom kriterijumu senzori se dele u dve kategorije:

Pasivni senzori registruju energiju koja dolazi od samog objekta, bez obzira da li je sam objekt poseduje i emituje, ili pak reflektuje energiju saopštenu od nekog prirodnog izvora. Pasivni senzori, dakle, samo primaju energiju.

Aktivni senzori proizvode sopstvenu, veštačku energiju, šalju je ka objektu i registruju odbijeno zračenje. Za razliku od pasivnih oni i šalju i primaju energiju.

Prema konstrukciji i načinu rada senzori se mogu svrstati u tri osnovne kategorije:

• foto-optički senzori• elektro-optički senzori• mikrotalasni senzori.

4.4.1. Foto optički senzori

Foto-optički senzori obuhvataju široki spektar različitih konstrukcija foto kamera. Elektro magnetno zračenje se otkriva i registruje primenom fotohemijskog procesa. Prozirna podloga (4) izrađena od celuloida ili poliestera se presvlači emulzijom koju čine kristali halogenida srebra (bromidi, hloridi, ili jodidi) (1) u želatinskoj smesi (2) (slika 4.4.1-1).

Slika 4.4-4 Presek crno-belog filma 1- zrnca srebro hlorida 2- želatin 3- emulzija 4- osnova 5- ojačanje

Ovakav materijal, nazvan fotografski film, stavlja se u mračnu komoru foto kamere (slika 4.4.1-2).

Otvaranjem zatvarača (1) film (5) se preko sočiva (3) kamere u većoj ili manjoj meri osvetljava. Dužina osvetljavanja (ekspozicija) zavisi od jačine zračenja objekta na koji je fotokamera usmerena i osetljivosti filma na svetlost. Halogenidi srebra su u mraku postojani.

10


Slika 4.4-5 Šematski prikaz preseka kamere sa jednim objektivom 1- zatvarač, 2- blenda, 3- sočivo, 4- telo kamere, 5- film

Prilikom osvetljavanja dolazi do slabljenja veze između srebra i halogenih elemenata. Slabljenje je utoliko veće ukoliko je jači intenzitet osvetljavanja. Na taj način na filmu se formira skrivena, tzv. latentna slika objekta. Dejstvom hemijskog reagensa (razvijač) na emulziji se koncentrišu čestice srebra. Izdvajanje i koncentracija srebra su utoliko veći, ukoliko je bilo jače osvetljavanje. Delovi snimka sa koncentrisanim srebrom postaju tamniji. Nasuprot tome na neosvetljenim, ili slabije osvetljenim delovima snimka koncentracija čestica srebra je znatno manja, emulzija se uklanja sa podloge i ti delovi filma postaju svetliji. Drugim hemijskim reagensom (fiksir) raspadanje halogenida srebra se prekida i preostala emulzija stabilizuje. U odnosu na objekte koje predstavlja, dobijeni snimak daje inverziju svetlih i tamnih područja i stoga se naziva negativ. Posebnom obradom negativa dobija se pozitiv kod koga su odnosi svetlih i tamnih delova identični odnosima u prirodi.

Elektromagnetna energija registrovana na ovaj način naziva se fotosnimak ili fotografija. Prvobitna fotografija je bila ograničena na spektralno područje vidljivih zraka. Sa razvojem tehnike povećavana je osetljivost filmova, tako savremena fotografija obuhvata šire spektralno područje, počev od bliskog ultraljubičastog zračenja (0,3-0,4 μm) do bliskog infracrvenog zračenja (0,7-1,5 μm).

Film na kome se obavlja registracija elektromagnetne energije predstavlja i osnovno ograničenje upotrebljivosti foto-optičkih sistema kao senzora u daljinskoj detekciji. Film je neobnovljiv materijal za arhiviranje podataka. Jednom snimljen ne može se koristiti za nova snimanja. Kontinuirano, ili pojedinačno snimanje fotokamerom stoga je vremenski ograničeno dužinom filma. Snimanje zahteva aktivno učešće operatera pa samim tim ovi senzori nemaju veliku rasprostranjenost primene u daljinskoj detekciji.

4.4.2. Elektro optički senzori

Uređaji koji registruju i pretvaraju elektromagnetnu energiju (emitovanu i reflektovanu) u električni impuls nazivaju se elektrooptički senzori. Impulsi dalje stvaraju prepoznatljivu sliku iz prirode. Među elektrooptičkim senzorima razlikuju se video i televizijske kamere i skeneri.

Fotografske, video i televizijske kamere registruju EM zračenje trenutno za celo posmatrano područje. Savremene video kamere obavljaju snimanja u crno-beloj tehnici,

11


koloru, ili multispektralno, u više pojedinačnih užih spektralnih područja istovremeno. Razvoj tehnike povećava osetljivost video kamera, tako da se danas obavljaju snimanja i u bliskom infracrvenom spektralnom području sa talasnim dužinama do 1,1 μm. Video i televizijske kamere su portabilne, lake za korišćenje sa zemlje, iz vazduha ili iz kosmosa i obavljaju kontinuirana snimanja. Jedino vremensko ograničenje njihovog dejstva čini trajanje izvora energije, obično obezbeđene korišćenjem solarnih električnih baterija. Načinjeni snimci čuvaju se na nekom digitalnom nosaču medija na samom uređaju, ili se pak radio-vezom prenose do neke prijemne stanice. Navedena svojstva čine video i televizijske kamere izvanrednim senzorom, široko upotrebljivim za potrebe daljinske detekcije.

Skeneri takođe funkcionišu na principu konverzije elektromagnetne energije u električne impulse. Naziv (u engleskom originalu "scanner") je izveden od engleskog glagola "to scan", u slobodnom prevodu pregledati, pretraživati. Fotografske i video kamere registruju elektromagnetnu energiju za celo posmatrano područje odjednom. Skener koristi rotirajuće ili oscilirajuće ogledalo putem koga registruje elektromagnetnu energiju po uskim, međusobno bliskim i gusto raspoređenim trakama, upravnim (along track) ili poprečnim (across track) na pravac kretanja nosača-platforme (slika 4.4.2-1).

Slika 4.4-6 Tipovi skenera najčešće korišćenih u daljinskoj detekciji a) poprečni, b) uzdužni

Skener može biti konstruisan tako da posebno registruje elektromagnetnu energiju različitih talasnih dužina, tj. zračenja različitih spektralnih područja i onda se naziva multispektralni skener (slika 4.4.2-2).

12


Slika 4.4-7 Multispektralni skeneri poprečni, b) uzdužni

- Multispektralni skener ("Multispectral Scanner", skraćeno MSS) simultano registruje elektromagnetnu energiju u bliskom ultraljubičastom (UV), vidljivom, reflektovanom infracrvenom (IC) i termalnom IC spektralnom području. Ovakav senzor registruje i reflektovano i emitovano elektromagnetno zračenje. Svaka pojedinačna talasna dužina ima na skeneru svoj kanal. Modernije konstrukcije multispektralnih skenera najčešće obuhvataju 5-10 kanala. Raspon talasnih dužina koje registruju multispektralni skeneri je od 0,3 do 14 μm. Kao i kod prethodnih senzora iz kategorije elektro-optičkih sistema elektromagnetna energija koju registruje multispektralni skener se konvertuje u električni impuls za svaki talasnu dužinu (kanal) posebno. Impulsi se beleže na nekom nasaču digitalnog modelija, a odatle prevode u vidljivu sliku na televizijskom ekranu ili kompjuterskom monitoru.

Multispektralni skeneri predstavljaju senzore koji se široko koriste u daljinskoj detekciji. Registracija elektromagnetne energije, odn. snimanje ovim senzorima obavlja se po pravilu iz letilica, od helikoptera i aviona do veštačkih zemljinih satelita, sa visokim stepenom automatizacije.- Termalni infracrveni skener ("Thermal IR Scanner") je identičan multispektralnom skeneru s’ tim što razliku čini spektralni opseg u kome se obavlja registrovanje elektromagnetnog zračenja. Termalni IC skener je ograničen na atmosferske prozore između 3 i 5 μm, odn. 8 i 14 μm. U ovim prozorima javlja se zračenje sopstvene energije tela (emitovana energija), koja u znatno većoj meri predstavlja svojstva objekata nego reflektovana energija. Intenzitet zračenja reflektovane elektromagnetne energije, koja dolazi od Sunca, znatno je, međutim, veći od intenziteta emitovane energije. Kod spektralnih područja čije su talasne dužine preko 2 μm, gde spadaju oba navedena prozora infracrvenog termalnog zračenja, osnovni problem je upravo uticaj toplote površine tla zagrejane zračenjem Sunca. Stoga su senzori namenjeni za registraciju termalnog infracrvenog zračenja opremljeni specijalnim filterima, koji dozvoljavaju prolaz samo zračenju talasnih dužina od 3 do 5 μm i od 8 do 14 μm. Termalni infracrveni skener pretvara u navedenim prozorima termalno infracrveno zračenje u električne signale čija je

13


jačina proporcionalna intenzitetu zračenja. Intenzitet dobijenih električnih signala beleži se na odgovarajući način na nosač digitalnih medija.

4.4.3. Mikrotalasni senzori

Mikrotalasno područje elektromagnetnog spektra obuhvata zračenja talasnih dužina 1.000 do 1.000.000 μm, tj. od 1mm do 1 m. Ova zračenja mogu biti prirodna, kada ih emituje sam objekat ili emitovana iz nekog veštačkog izvora, upućena ka objektu i reflektovana od njega. Shodno tome senzori iz grupe mikrotalasnih sistema mogu biti pasivni, koji registruju emitovanu sopstvenu energiju objekta, i aktivni, koji proizvode energiju, upućuju je ka objektu i registruju reflektovano zračenje. Intenzitet prirodnog mikrotalasnog zračenja je izuzetno slab i zbog toga se pasivni senzori, u koje spadaju mikrotalasni radiometri, u daljinskoj detekciji se ne koriste.

Osnovni aktivni senzor iz grupe mikrotalasnih sistema je radar. Naziv radar je akronim reči "Radio Detection And Ranging", u slobodnom prevodu otkrivanje i merenje udaljenosti objekata putem radio talasa. Radar proizvodi mikrotalasno zračenje, usmerava ga ka objektu i registruje reflektovanu energiju kao signal nazvan eho (slika 4.4.3-1).

Slika 4.4-8 Princip radarskog snimanja

Intenzitet eha za jedan tip radara zavisi od svojstava objekta. Proces detekcije kod radara je nezavisan od sunčeve energije, te se podjednako uspešno primenjuje i danju i noću. Sem toga, zračenja velikih talasnih dužina su prodornija od kratkih talasa. Mikrotalasi prodiru kroz maglu i oblake, koji drugim senzorima predstavljaju velike smetnje pri snimanju. Podešavanjem ugla i pravca zračenja radara mogu se isticati pojedina svojstva istraživanih objekata. Radari koriste zračenja više pojedinačnih talasnih dužina.

Daljinska detekcija koristi radar sa bočnim zahvatom, koji se javlja u dvevarijante: kao radar sa realnom i kao radar sa sintetičkom aperturom. Apertura predstavlja otvor kroz koji senzor reflektuje ili prima elektromagnetnu energiju, a sastoji se i od antene, odašiljača i prijemnika.

Radar sa bočnim zahvatom poznat je pod nazivom SLAR (Side Looking Airborne Radar) u slobodnom prevodu bočno usmereni radar za snimanja iz vazduha (slika 4.4.3-2).

14


Slika 4.4-9 Bočni radar SLAR

Svi senzori tipa SLAR imaju antenu postavljenu izvan letilice, koja obuhvata odašiljač elektromagnetne energije i prijemnik reflektovanog zračenja (eho), i uređaj za arhiviranje primljenih signala u digitalnom obliku. Antena je izdužena u pravcu kretanja letilice, a opremljena je posebnim prekidačem koji automatski reguliše njenu aktivnost kao odašiljača ili kao prijemnika. Odašiljač i prijemnik su usmereni bočno, upravno na pravac leta i koso na dole. Usmereni zrak koji odašiljač emituje zahvata uzanu traku terena. Antena šalje kratak impuls koji teren reflektuje, zavisno od svojstava reljefa i geološke građe. Deo ovog reflektovanog impulsa prihvata antena, prebačena u međuvremenu na funkciju prijemnika. Posle određenog vremena prekidač prebacuje antenu na funkciju odašiljača i ona emituje novi impuls. U tom vremenu je i letilica prešla određeni put, tako da impuls zahvata novu traku terena, paralelnu sa prethodnom i pomerenu u pravcu leta. Antena, ponovo kao prijemnik, prima eho novog impulsa. Postupak se tokom snimanja višestruko ponavlja sve dok se teren ne pokrije nizom traka koje grade red, paralelan pravcu kretanja letilice, odn. nizom od više paralelnih redova, koji pokrivaju veće površine terena.

Osnovni tipovi radara gledano prema vrsti aperature su RAR (Real Aperture Radar) i SAR (Synthetic Aperature Radar), znači radari sa realnom i veštačkom aperaturom. Razlika između njih je u duzini antene. RAR imaju kratku antenu čime je i kvalitet napravljenih snimaka ograničen, dok je kod SAR antena vestački produžena korišćenjem kretanja letelice pa je samim tim i kvalitet snimaka znatno bolji.

15


4.4.4. Karakteristike senzora

Osnovne karakteristike senzora koji se koriste u daljinskoj detekciji su:

Prostorna rezolucija – najmanja jedinica zemljišta koja se na snimku može prepoznati (npr. 5x5 m, 10x10 m) i ona je funkcija konstrukcije senzora i visine leta, tj. orbite platforme.

Spektralna rezolucija - predstavlja blizinu i broj spektralnih kanala korišćenih u senzoru. Da bi snimak imao što bolju spektralnu rezoluciju potrebni su senzori koji će registrovati zračenja iz različitog dela spektra, odnosno uske intervale talasnih dužina.

Radiometrijska rezolucija – ukupan broj sivih nijansi u jednom kanalu (najčešće 256 ili 64).

Vremenska rezolucija – vezana za satelitske platforme i predstavlja period u kojem satelit prelazi isto područje (izraženo brojem dana) tj. period između dva uzastopna snimanja istog područja.

Položajna tačnost – tačnost lokacije u realnom prostoru;

Visinska tačnost

4.5. Snimak

Snimak predstavlja registrovano zračenje elektromagnetne energije. Da bi snimak ispunio zahteve koji se pred njega stavljaju, tj. da bi postao izvor informacija o objektu koji predstavlja, zapis elektromagnetne energije mora se prevesti u vidljivu sliku. Kod klasične fotografije zapis se već javlja u takvom obliku. Kod drugih sistema kao što su skeneri, radar i dr., digitalni zapis energije se može prevesti u vidljivu sliku prikazom na monitoru kompjutera.

Zavisno od vrste senzora kojim je načinjen snimak dobija i naziv. Tako se fotografski snimak naziva fotogram, skenerski skenogram, zapis elektromagnetne energije načinjen radarom radarski snimak, itd.

Kompjutersko procesiranje dozvoljava znatna poboljšanja snimka koja obuhvataju povećanje ili smanjenje kontrasta, ujednačavanje svih delova jednog ili više snimaka po intenzitetu osvetlenja i kontrasta, njihovu geometrijsku korekciju, kombinovanje snimaka iz različitih spektralnih područja, i/ili snimaka različitih senzora, itd. Snimci daljinske detekcije se skoro po pravilu koriste u digitalnom obliku. Snimak preveden u vidljivu sliku se može javiti u različitim vidovima. On može biti negativ ili pozitiv, crno-beli (gray scale), kolor, lažni kolor ili kolor kompozit.

Značajno svojstvo, koje određuje kvalitet i upotrebljivost snimka jeste njegova moć razlaganja ili rezolucija. Rezolucija zavisi od vrste senzora, tj. od načina registracije elektromagnetne energije i visine snimanja, odn. od razmere snimka. Rezoluciju ne treba izjednačavati sa pojmom najmanjeg objekta koji se može uočiti na snimku. Kod savremenih snimaka pohranjenih u digitalnom formatu, rezolucija odgovara jediničnom elementu slike, tj. pikselu.

Za praćenje stanja useva koriste se senzori visoke rezolucije. Na slici 4.5-1 prikazani su snimci jednog područja zabeleženi pomoću satelita Landsat.

16


Slika 4.5-10 Snimci zabeleženi pomoću satelita Landsat

4.6. Analiza snimka i podatak

Analiza snimka je postupak utvrđivanja razlika u svojstvima i izdvajanje područja po pojedinim svojstvima. Ta svojstva mogu biti npr. karakteristike reljefa (gustina drenaže, nagib padina i sl.), razlike u razvoju vegetacije, intenzitet tona na crno-belim snimcima, odn. različite boje na kolor, lažnim kolor snimcima i kolor kompozitima, i sl.

Analiza snimka se u principu može obaviti na dva suštinski različita načina. Prvi predstavlja vizuelna, ili logička, a drugi instrumentalna, ili formalna analiza. Svaki od njih ima određene prednosti i ograničenja. Najbolji rezultati dobijaju se kombinovanjem oba postupka.

Vizuelna analiza obavlja se osmatranjem snimaka, uočavanjem razlika i izdvajanjem anomalnih područja, koja se po pojedinim svojstvima jako razlikuju od okoline. Prednost ovakvog postupka je mogućnost logičke selekcije podataka. Drugu prednost predstavlja mogućnost istovremene analize više različitih svojstava.Nedostatak vizuelne analize su ograničena sposobnost ljudskog čula da uoči veći broj nijansi razlika jednog svojstva i subjektivnost ocene jednog svojstva. Ovo poslednje posebno dolazi do izražaja kod identifikacije područja sa istim svojstvima. Svojstva terena često se veoma postepeno menjaju. Postavljanje granice između pojedinih kategorija u takvim slučajevima je veoma teško. Identifikacija područja istih svojstava i njihovo razgraničenje sa terenima drugih svojstava tada postaju krajnje subjektivni i nepouzdani.

Instrumentalna analiza se obavlja instrumentalnim – računarski podržanim putem. Pri tome se koriste isključivo snimci u digitalnom obliku, te je i ceo postupak poznat i pod imenom digitalna analiza. Suštinsku prednost formalne analize nad logičkom čine daleko veći spektar razlika u svojstvima koje se mogu registrovati i objektivnost postupka. Formalni postupak je, pored toga, znatno brži i efikasniji od vizuelnog osmatranja.

Podatak je predstava nekog objekta, pojave ili procesa u realnom vremenu, dok se samo obrađeni podatak koji je spreman za upotrebu naziva informacija.

Na osnovu rezultata daljinske detekcije može se izvoditi sinteza određenih prostornih podataka, kao i proučavati znatno veća površina prostora nego što je to slučaj sa terenskim istraživanjima. Terenska merenja nikada ne pokrivaju celu površinu istraživanog područja. Primenom postupaka daljinske detekcije, logičke ili instrumentalne analize i interpretacije merenja na snimku obavljaju se na celoj površini snimka. Velika prednost je u tome što uticaji kao što su prohodnost terena, spoljni klimatski uslovi, doba dana i drugi

17


ograničavajući faktori terenskih merenja ne utiču na merenja na snimku u domenu daljinske detekcije.

Vrednost dobijenih informacija pomoću daljinske detekcije, kao nove i drugačije kategorije podataka, nije u suprotnosti i ne isključuje rezultate klasičnih metoda merenja već se međusobno dopunjuju, što ih čini objektivnijim i pouzdanijim.

18


5. Primena daljinske detekcije u savremenoj poljoprivrednoj proizvodnji

Sa povećanjem broja stanovnika širom sveta raste i potreba za povećanjem poljoprivredne proizvodnje, a samim tim i za poboljšanjem upravljanja poljoprivrednim resursima. Da bi to bilo moguće prvo je potrebno doći do pouzdanih podataka, ne samo o tipu, već i o kvalitetu, sastavu i lokaciji posmatranog zemljišta. Mogućnost snimanja i obrade slike polja useva iz satelita, aviona i pomoću kopnenih vozila, obezbedila je inzvaredne mogućnosti što se tiče planiranja i pravilnog raspolaganja poljoprivrednim resursima tj. unapredjenja precizne poljoprivredne proizvodnje. Komercijalne namene daljinske detekcije radi poboljšanja upravljanja poljoprivrednim resursima su bliže da postanu realnost.

Daljinska detekcija predstavlja u poljoprivredi dijagnostički alat čije su najvažnije funkcije:

dobijanje informacije o refleksiji elekrtomagnetnih talasa iz useva, koja može biti korisna u otkrivanju bolesti biljaka. Snimci mogu da se prikupljaju i nekoliko puta tokom cele sezone rasta sto omogućuje pravovremeno donošenje upravljačkih odluka i ispravljanje problema i nedostataka trenutnog stanja useva.

slike ili mape kreirane na osnovu daljinske detekcije pružaju brz metod za procenu stanja zemljišta i lokacija koje imaju slične karakteristike sto se tiče sastava zemljišta. Izradom mapa o prinosu podstiče se kreativna istraga o dugoročnom algoritmu upravljanja.

dobijene slike obezbeđuju vizuelni metod za razumevanje efekata uloženih inputa, kao što su veštačko hranivo i načina obrade zemljišta, npr. oranje. One su takođe korisne za razumevanje uticaja faktora okoline kao što su odvodnjavanje ili pojava štetočina.

Pravovremene, tačne i jeftine informacije su veoma važne za uspeh precizne poljoprivredne proizvodnje. Zbog toga na tržištu postoje kompanije čija delatnost je ponuda proizvoda koji uključuju on-line pristup izvornim snimcima potrebne rezolucije, a posebno alatke za merenje i analizu, dok neke kompanije nude proizvode dizajnirane da pruže određene informacije o poljima i usevima. Na raspolaganju su i multispekrtalni satelitski snimci. Satelit Ikonos, na primer, može da snimi četiri frekvencijska opsega ( plava, zelena, crvena i bliska IC) rezolucije četiri metra, dok satelit Qickbird 2 može da snimi višespektralne snimke još veće rezolucije. Medjutim, jedan od najjeftinijih i najčešćih načina detektovanja je pomoću manjih aviona na koje su postavljene infracrvene kamere.

Primena daljinske detekcije u oblasti poljoprivredne proizvodnje je veoma raznovrsna i široka, od detekcije količine hlorofila u usevima, izrada mapa za selektivno prskanje, prehranjivanje, detekcija korova i štetočina itd. Neke od ovih primena biće razrađene u nastavku rada.

5.1. Detekcija količine hlorofila u usevima

Većina vrsta kamera i sličnih instrumenata koje se koriste kao senzori u daljinskoj detekciji, oslanjaju se na princip fotografisanja energije sunca koja se reflektuje od površine objekata na zemlji. Energija se prenosi, apsorbuje ili reflektuje u zavisnosti od svojstava materijala na koga deluje. Svetlosna energija koja se apsorbuje biva pretvorena u toplotu dok se reflektovana energija beleži pomoću pomenutih senzora. Na primer, svetle nijanse zemljišta reflektuju više svetlosti nego tamne. Nasuprot tome, tamno

19


zemljište apsorbuje više svetlosne energije i greje se mnogo brže. Vode imaju različite karakteristike refleksije od zemljišta, a kvalitet refleksije zavisi od dubine i zamućenosti.

Elektromagnetna energija emitovana od useva varira tokom cele sezone i tokom dana u zavisnosti od sunčevog zračenja. Međutim, najkorisnije informacije predstavljaju razlike refleksije među različitim delovima EM spektra i one se koriste za razlikovanje zdrave vegetacije od uvenule ili bolesne.

Različiti faktori kao što su suša, nedostatak hraniva, bolesti, hebricidi mogu promeniti sadržaj hlorofila i ostalih biljnih supstanci koje utiču na refleksiju. Hlorofil apsorbuje najveći deo crvenog i plavog dela vidljivog spektra, ali reflektuje talasne duzine koje odgovaraju zelenoj boji tako da ce se za biljke sa visokim sadržajem hlorofila vezati zelena boja. Kada lišće biljke gubi hlorofil, manja je apsorpcija i srazmerno visa refleksija talasnih dužina koje odgovaraju crvenoj boji što dovodi do toga da se na snimku pojavljuje crvena ili žuta boja ( žuta je kombinacija crvene i zelene). Unutrašnja struktura zdravog lišća takođe reflektuje blisko IC zračenje, zato se ono i koristi kao odlčan pokazatelj zdravstvenog stanja vegetacije.

Na slici 5.1 prikazan je snimak zasada maslina dobijen daljinskom detekcijom (a) i koncentracija hlorofila pojedinih stabala nakon analize snimka (b).

Slika 5.1-11 Prostorna varijabilnost hlorofila u maslinovom zasadu a) snimak, b) koncentracija hlorofila nakon izvršene analize

5.2. Detekcija nedostatka azota

Azotno hranivo predstavlja značajan input u poljoprivrednoj proizvodnji i od njega u velikoj meri zavisi stanje biljaka u toku rasta sto se kasnije odražava i na konačni prinos. Komercijalni distributeri azotnog hraniva nemaju algoritam po kome upravljaju količinom hraniva distribuiranom na pojedinim delovima zemljišta što može dovesti do povećanja troškova i smanjenja prinosa.

20


Daljinska detekcija može da se koristi za uočavanje potencijalnih problema i pravovremenog reagovanja u slučaju istih.

Na slici 5.1-1 prikazano je polje kukuruza snimljeno na zapadu Sjedinjenih Država. Odmah se uočava razlika u visini biljaka na desnoj strani slike, kukuruz na koji je distribuirana azotna prehrana, u odnosu na levu stranu na kojoj nije izvršena pravilna distribucija zbog problema sa distributerom.

Slika 5.2-12 Zemljište na koje je distribuirano azotno hranivo (desno) i na koje nije vršena pravilna distribucija (levo)

Primenom daljinske detekcije i analizom snimka uočene su pojedine oblasti, između ostalog i oblast označena crnim pravougaonikom gde se vide crvene mrlje (siromašna vegetacija) i zelene oblasti (bujna vegetacija) (slika 5.2-2). Posebno su uočljive crvene mrlje na severu i jugu ovog polja, dok se istočno i zapadno od crnog pravougaonika prostire bujna vegetacija.

Slika 5.2-13 Slika polja prikupljena senzorom postavljenim na avionskoj platformi

Daljim ispitivanjem crvenih mrlja unutar crnog pravougaonika pomoću GPS tehnologije i terenske provere zemljišta (uzorkovanje i ispitivanje), pokazalo se da 25 hektara unutar ove oblasti nije pravilno snadbeveno azotnim hranivom. Problem je

21


ispravljen, tj. vegetacija je spašena upotrebom ispravnog distributera koji radi na bazi VRT tehnologije (Variable Rate Technology). VRT predstavlja tehnologiju promenljive stope prehranjivanja, primene pesticida i sl., a to sve na osnovu već izrađenih mapa ili na osnovu dobijenih signala sa senzora u realnom vremenu.

5.3. Klasifikacija zemljišta

Fizičke osobine zemljišta su u korelacijama sa reflektovanim elektromagnetnim talasima određenih talasnih dužina i zbog toga slike dobijene daljinskom detekcijom imaju potencijal u automatskoj klasifikaciji vrsta zemljišta i njihovom mapiranju. Na slici 5.3-1 prikazane su nijanse sive u crvenom delu spektra na osnovu kojih se može utvrditi procenat peska i gline u gornjih 30 cm zemljišta u određenim područjima. Svetliji delovi slike odgovaraju oblastima sa većom koncentracijom peska.

Slika 5.3-14 Gray scale slika neobrađenih polja u crvenom delu spektra sa procentualnom koncentracijom peska i gline u pojedinim lokacijama

22


6. Zaključak

Daljinska detekcija predstavlja veoma važan alat za pomoć u upravljanju tj. donošenju odluka u vezi delovanja na useve u toku vegetacije, kako bi se obezbedio dobar kvalitet i prinos uz smanjivanje količine zagadjivača koji se unose u životnu sredinu.

Međutim, kao i druge tehnologije, daljinska detekcija ima puno više smisla ako se kombinuje sa drugim vrstama podataka . Iz tog razloga, čak i istorijska fotografija može da preuzme novu vrednost. Poređenjem fotografija iz prošlosti sa današnjim snimcima može se predvideti ponašanje zemljišta u budućnosti.

Naučno istraživački projekti obuhvataju hiperspektralno očitavanje slika, upotrebu dinamičkog modela za praćenje raznih uticaja kao i razvoj neuronskih mreža za obradu podataka visoke rezolucije. Jedna od ustanova koja se bavi tehnologijom daljinskih ispitivanja je i labaratorija za daljinska istraživanja u poljoprivredi ILARS (Illinois Laboratory for Agricultural Remote Sensing).

Satelitski snimci su jos uvek, zbog visoke cene, dostupni za mali broj korisnika, ali rast broja kompanija na tržištu, koje se bave prodajom ovih snimaka, polako povećava konkurenciju tako da se u skorijoj budućnosti očekuju znatno niže cene i dostupnost većini korisnika.

Zbog ograničene vremenske rezolucije satelita, kao i zbog čestog kašnjenja između vremena kada je slika snimljena i kada je zaista dostupna proizvođačima, a prvenstveno zbog niže cene, u poslednje vreme se sve češće primenjuje “Low Cost Remote Sensing”, tj. snimanje digitalnim kamerama postavljenim na bespilotne letelice.

Potencijal i tendencija ka real – time analizi kvaliteta zemljišta i drugih faktora koji utiču na stanje useva, obezbediće dobijanje dragocenih informacija koje će pomoći u pravilnom i pravovremenom donošenju odluka i uticati na konačan ishod.

23


7. Literatura

Regodić, M : Daljinska detekcija kao metod prikupljanja podataka o prostoru, Vojnotehnički glasnik, 1/2008.

Oluić, M : Snimanje i istraživanje zemlje iz svemira, sateliti-senzori-primjena, Hrvatska akademija znanosti i umjetnosti, Zagreb, 2001.

Nowatzki J, Andres R, Kyllo K, Agricultural remote sensing basic, North Dacota State University, 2004.

Musaoglu N, Kaya S, Seker D, Goksel C : A Case Study of Using Remote Sensing Data and GIS for Land Management; Catalca Region, International congres Washington, 2002.

www.wikipedia.org

www.cropscience.org.au

24

http://www.cropscience.org.au/

http://www.wikipedia.org/

Documents

Daljinska Detekcija RAD