Interpretacja danych teledetekcyjnych o środowisku przyrodniczym Promieniowanie elektromagnetyczne. Atmosfera. Dodając przymiotni „przyrodniczy” zawęża się zakres zastosowań teledetekcji, do tego co nas, jako przyrodników interesuje.

Teledetekcja jako nauka Teledetekcja – to dziedzina wiedzy, nauki zajmująca się badaniem właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych przedmiotów bez bezpośredniego z nimi kontaktu. Nośnikiem informacji jest w teledetekcji promieniowanie elektromagnetyczne. Teledetekcja Dane i technologia GIS

Trochę pojęć...(1) Teledetekcja – to dziedzina wiedzy, nauki zajmująca się badaniem właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych przedmiotów bez bezpośredniego z nimi kontaktu. Fotogrametria – dziedzina wiedzy zajmująca się rozwijaniem metod pomiarów na danych teledetetekcyjnych, pozyskiwanych z pułapu satelitarnego i lotniczego. Czyli można używać określania zdjęcia z przymiotnikami lotniczy i satelitarny, które w tym wypadku mówią o tym na jakim typie pojazdów latających zainstalowano sensor, urządzenie zapisujące obraz fotograficzny.

Trochę pojęć...(2) Zdjęcie to fotograficzny obraz przedmiotu, -ów, a więc także powierzchni Ziemi, a fotografia to zapis światła (z greckiego: photos – światło graphos zapis). Zapis obrazu najczęściej dokonuje się na filmie fotograficznym lub w sposób cyfrowy, wykorzystując macierze CCD Czyli można używać określania zdjęcia z przymiotnikami lotniczy i satelitarny, które w tym wypadku mówią o tym na jakim typie pojazdów latających zainstalowano sensor, urządzenie zapisujące obraz fotograficzny. Zdjęcia lotnicze (wykonywane z pułapu do 100 km) i satelitarne (powyżej 100 km);

Energia Głównym źródłem promieniowanie elektromagnetycznego EM jest energia słoneczna. Właściwości tego promieniowania charakteryzuje kilka podstawowych wielkości. Energia promienista (Q), przenoszona przez promieniowanie elektromagnetyczne, jest miarą zdolności promieniowania do wykonania pracy fizycznej, rozgrzania obiektu lub wywołania zmiany stanu materii (Suits, 1975). Powoduje ona reakcję fotochemiczną w emulsji filmu lub pobudza element światłoczuły w urządzeniach wyposażonych w macierz CCD (kamery cyfrowe, skanery, sensory umieszczone na pokładach satelitów). Wielkość energii niesionej przez promieniowanie elektromagnetyczne zależna jest od długości fali. Jednostką miary energii promienistej jest dżul [J].

Energia (2) Strumień energii (F) jest wielkością charakteryzującą szybkość przepływu energii przez rozważaną powierzchnię i wyraża się wzorem: gdzie: dQ – ilość energii promienistej w dżulach, dt – czas w sekundach. Jednostką strumienia energii jest wat [J s-1]. Gęstość strumienia promieniowania (E, M) informuje o wielkości strumienia promieniowania na jednostkę powierzchni (Suits, 1975): gdzie: d - strumień energii promieniowania w watach, dA – jednostkowa powierzchnia w m2. Jednostką gęstości strumienia promieniowania jest wat na metr kwadratowy [W m-2]:

Energia (3) Jeżeli rozważane jest promieniowanie padające na daną powierzchnię, wówczas gęstość strumienia odpowiada irradiancji, zwanej inaczej napromieniowaniem (E). Natomiast kiedy rozpatrujemy promieniowanie opuszczające daną powierzchnię, wówczas gęstość strumienia promieniowania odpowiada emisji (M). Luminancja (L), z danego punktu przestrzeni (x, y, z) w określonym kierunku (q, f), jest definiowana jako strumień energii wysyłany w jednostkowym kącie bryłowym w danym kierunku (następny slajd), przechodzący przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do tego kierunku (Kopystyńska, 1992; Suits, 1975).

Energia (4) gdzie: dw - jednostkowy kąt bryłowy w steradianach Luminacja wyrażana jest poniższym wzorem: gdzie: dw - jednostkowy kąt bryłowy w steradianach q - kąt pomiędzy normalną do powierzchni dA i wybranym kierunkiem. Kąt bryłowy to część przestrzeni ograniczona półprostymi wychodzącymi z danego punktu O i przechodzącymi przez wszystkie punkty krzywej zamkniętej, leżącej na powierzchni kuli o środku O (Bronsztejn, Siemiendiajew 1988). Jednostką miary kąta bryłowego jest steradian. Jeden steradian to kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli, wycinający z jej powierzchni pole równe kwadratowi promienia kuli. Pełny kąt bryłowy wynosi 4 (Słownik fizyczny, 1996).

Energia (5) Energia promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi podlega odbiciu, absorpcji lub przenikaniu. Rozproszenie (odbicie) () wyraża stosunek jednostkowego strumienia odbitego (r) do jednostkowego strumienia padającego (i): Absorpcja () wyraża stosunek jednostkowego strumienia absorbowanego (a) do jednostkowego strumienia padającego (i): Przenikanie (), inaczej transmisja, wyraża stosunek jednostkowego strumienia przenikającego (t) do jednostkowego strumienia padającego (i):

Energia (6) Przemiany strumienia promieniowania elektromagnetycznego docierającego do powierzchni Ziemi można zatem zapisać w postaci poniższego równania: Wielkość tych przemian jest zmienna dla energii o różnej długości fali. Dlatego w przypadku badania relacji pomiędzy promieniowaniem odbitym, absorbowanym i przenikającym w odniesieniu do określonej długości fali, poprzednie równanie będzie miało postać: gdzie:  - oznacza długość fali.

Przemiany EM w atmosferze

Char. Prom. Elektromagnetycznego Podział według długości fali. Folia z (Ostrowski) Fale spełniają podstawowe równanie: Gdzie: c - prędkość światła, v - częstotliwość  - długość fali

Prawo Stefana-Boltzmana Ilość całkowitej emitowanej energii jest proporcjonalna do temperatury ciała w czwartej potędze.

Prawo Wien’a Maksimum promieniowania emitowanego przez dane ciało w danej temperaturze T występuje dla długości fali zgodnie ze wzorem: Dla Słońca, na powierzchni którego panuje temperatura około 6000 K, maksymalne emisja występuje dla długości fali 0,5 mm.

Char. Prom. Elektromagnetycznego

Okna atmosferyczne

Przekrój pionowy przez atmosferę Atmosfera, jako ośrodek fizyczny, bardzo istotnie wpływa na zobrazowania lotnicze i satelitarne. Z jednej strony, oddziałując z promieniowaniem elektromagnetycznym, powoduje zmianę jego charakterystyki. Z drugiej strony decyduje o warunkach technicznych lotu (Wójcik, 1989). Bezpośrednie promieniowanie słoneczne, które dochodzi do górnych warstw atmosfery, składa się z fal o długościach od 0,17 do 4 m. Gęstość strumienia tego promieniowania odpowiada stałej słonecznej i wynosi 1,39 [W m-2] (Wójcik, 1989).

Atmosfera Światło przechodzące przez atmosferę, zarówno bezpośrednie promieniowanie słoneczne, jak i odbite od powierzchni Ziemi, ulega w niej rozproszeniu, absorpcji i załamaniu. Natężenie tych zjawisk jest ściśle związane z odległością, jaką promieniowanie pokonuje w atmosferze oraz z jej gęstością. Odległość ta jest zależna od wysokości zenitalnej Słońca oraz odległości urządzenia rejestrującego od obiektu na powierzchni Ziemi (Wójcik, 1989). Gęstość powietrza atmosferycznego maleje wraz ze wzrostem odległości od powierzchni Ziemi. Najbardziej na promieniowanie oddziałuje dolna warstwa atmosfery – troposfera. W niej skoncentrowane jest 4/5 całej masy powietrza atmosferycznego. Troposfera posiada największą miąższość nad równikiem, wynoszącą przeciętnie od 15 do 17 km, natomiast najmniejszy wymiar pionowy - 9 km, osiąga nad biegunami (Chromow, 1970). Oprócz odległości istotny wpływ na przemiany światła ma zawartość aerozoli w atmosferze.

http://www.u.arizona.edu/ic/nats1011/lectures/ch02/FIG02_023.JPG

http://www.u.arizona.edu/ic/nats1011/lectures/ch02/FIG02_019B.JPG

http://www.u.arizona.edu/ic/nats1011/lectures/ch02/FIG02_006.JPG

Absorpcja promieniowania

Refrakcja

Refrakcja 2

Podstawy teledetekcji i interpretacji danych (Lillesand i in. 2004) Znajomość charakterystyki źródła energii promienistej. Zrozumienie przemian promieniowania EM w atmosferze na drodze od źródła do powierzchni Ziemi. Zrozumienie jak interakcje promieniowania EM z powierzchnią Ziemi przekazują informację zapisywaną na obrazie. Zrozumienie przemian promieniowania EM w atmosferze na drodze od powierzchni Ziemi do sensora.

Podstawy teledetekcji i interpretacji danych (Lillesand i in. 2004) c Podstawy teledetekcji i interpretacji danych (Lillesand i in. 2004) c.d. Znajomość charakterystyk detekcji i zapisu promieniowania EM przez sensor oraz jak one zmieniają informację niesioną przez promieniowanie elektromagnetycznie Korekcja zakłóceń wprowadzonych przez sensor na zebranych danych. Analiza i Interpretacja danych (bez zakłóceń, wprowadzanych przez sensor) Stworzenie produktów informacyjnych o specyficznych cechach ukierunkowanych na dobrze zdefiniowane potrzeby użytkownika końcowego. (ten element determinuje wymagania względem punktów 1.-7.) Przekazywanie danych użytkownikom końcowym.

Sensory... Aktywne: Radar (Radio Detection And Ranging); SAR (Synthetic Aperture Radar) i IFSAR (InterFerometric SAR) LIDAR (Light Detection And Ranging) Pasywne: Nieobrazowe radiometry (spektrometry) Obrazowe, rejestrujące optyczny zakres promieniowania: Jednozakresowe sensory (panchromatyczne) Krótkofalowe wielospektralne (B, G, R, NIR, MIR Termalne Hiperspektralne