Skrypt PDF

Metody komputerowe w geologii II (07.06.2010r.)
1)
Teledetekcja jest działem nauk technicznych, zajmującym się pozyskiwaniem, przetwarzaniem i
interpretowaniem danych, będących wynikiem rejestracji promieniowania elektromagnetycznego
odbitego lub emitowanego przez różnego rodzaju obiekty. Rejestracji dokonuje się przyrządami
przenoszonymi przez satelity lub samoloty. Pomiary takie pozwalają wnioskować o istocie i rodzaju
terenu oraz zachodzących na nim zjawiskach, lub też badać stan mórz i oceanów (Sitek 1997).
Współczesna technika pozwala na rejestrację wszystkich znanych zakresów promieniowania
elektromagnetycznego. Jednak
w
badaniach środowiska geograficznego metodami
teledetekcyjnymi wykorzystuje się tylko niektóre zakresy spektrum. To ograniczenie wynika z
nieprzepuszczalności określonych długości fal elektromagnetycznych przez atmosferę ziemską.
Zakresy fal przepuszczane przez atmosferę to tzw. okna atmosferyczne.
Wpływ atmosfery na fale elektromagnetyczne, od najkrótszych do najdłuższych:
pochłanianie
pochłanianie
pochłanianie
oprócz
najdłuższych
fal
bez
przeszkód
filtruje - okna
atmosferycz
ne
brak wpływu
brak wpływu
gamma
X
nadfiolet
widzialne
podczerwień
mirofale
radar
Zdjęcie lotnicze jest obrazem terenu przedstawionym na płaszczyźnie w rzucie środkowym.
Rzut środkowy – odwzorowanie przestrzeni na płaszczyznę, tak że każdemu punktowi przestrzeni
przypisany jest punkt przecięcia się prostej, przechodzącej przez ten punkt i przez środek rzutu, z
płaszczyzną. Przykładem rzutu środkowego jest obraz powstający w oku ludzkim oraz w aparacie
fotograficznym.
W przypadku zdjęcia lotniczego, rolę środka rzutu spełnia punkt główny obiektywu aparatu O,
promieniami rzutującymi są promienie świetlne, biegnące od powierzchni terenu, przez środek
rzutów O, do płaszczyzny zdjęcia. Płaszczyzna zdjęcia znajduje się w stałej odległości od środka
rzutów O (głównego punktu obiektywu).
Ortofotomapa – zdjęcie fotograficzne terenu pozbawione zniekształceń położenia punktów
wywołanych deniwelacją. Powstaje w wyniku przetworzenia rzutu środkowego, w jakim wykonane
zostały zdjęcia, na rzut ortogonalny, w którym wykonuje się mapy wielkoskalowe.
Proces wykonania ortofotomapy to ortorektyfikacja.
Zdjęcia lotnicze wykonuje się zwykle podczas tzw. nalotów fotogrametrycznych w zespołach po
kilka lub kilkanaście szeregów równoległych o wzajemnym pokryciu poprzecznym i podłużnym.
Pokrycie podłużne/poprzeczne zdjęcia – stosunek powierzchni dwukrotnie sfotografowanej do
powierzchni pojedynczego zdjęcia [%].
Dzięki pokryciu poprzecznemu możliwa jest obserwacja stereoskopowa zdjęć.
2)
Zobrazowania satelitarne
Cechy elektronicznych systemów obrazowania satelitarnego:
●"
dostarczają obraz drogą radiową w czasie rzeczywistym, tj. w momencie obrazowania; ma to
zasadnicze znaczenie dla śledzenia z kosmosu procesów szybkozmiennych (np. pokrywy
chmur dla meteorologii);
●"
mogą dostarczać obrazy w zakresach spektralnych niedostępnych dla fotografii (podczerwień
średnia, podczerwień termalna, mikrofale);
●"
satelity umieszczone na orbitach bliskobiegunowych dostarczają obrazy praktycznie z
powierzchni całego globu;
●"
żywotność satelitów liczona jest w latach, a skanery umieszczone na ich pokładzie
permanentnie dostarczają obrazy Ziemi, pokrywające obrazami co kilka-kilkanaście dni cały
glob; Pozwala to monitorować dynamikę procesów zachodzących na powierzchni Ziemi.
Rozdzielczość geometryczna (przestrzenna) – rzeczywista długość odcinka w terenie,
odpowiadająca długości boku piksela obrazu:
●"
skanery satelitów meteorologicznych: ~1000 m,
●"
skanery satelitów środowiskowych: ~1-30 m,
●"
satelity wysokorozdzielcze: < 1 m.
Zdolność rozdzielcza obrazów w zakresie wielospektralnym jest gorsza niż w zakresie
panchromatycznym. Piksele w zakresie wielospektralnym są zwykle 4 razy większe niż w zakresie
panchromatycznym. Dzięki połączeniu obrazów multispektralnych z panchromatycznym
otrzymujemy obraz barwny, "wyostrzony" (ang. pan-sharpened). Kolory tego obrazu są nieco
zmienione, ale wielkość piksela odpowiada obrazowi panchromatycznemu.
Rozdzielczość spektralna – ilość kanałów spektralnych rejestrowanego promieniowania
elektromagnetycznego (np. R, G, B, NIR).
Rozdzielczość radiometryczna – ilość poziomów, na które jest podzielony zakres promieniowania
odbieranego przez czujnik (np. rozdzielczość 8 bit to 256 możliwych poziomów promieniowania).
Teledetekcja satelitarna jest dziś głównym źródłem danych w naukach zajmujących się badaniami
na skalę globalną, a więc przede wszystkim w meteorologii i fizyce atmosfery, w klimatologii i
oceanografii, geologii planetarnej, geofizyce i kartografii. Dostarcza także wielu informacji z
zakresu innych dyscyplin nauki (np. geografii, leśnictwa czy rolnictwa).
Informacje pozyskane za pomocą satelitów znajdują coraz większe zastosowanie w gospodarce i
ochronie środowiska.
Obraz drzew liściastych i iglastych w podczerwieni
Różnice w budowie wewnętrznej liści i igieł są przyczyną zróżnicowania obrazu fotograficznego
drzewostanów liściastych i iglastych na zdjęciach wykonanych w podczerwieni.
Zdrowe, zielone rośliny mają mniejsze współczynniki odbicia wzakresie promieniowania
niebieskiego i czerwonego, większe zaś w zakresie promieniowania zielonego (ok. 550 nm). Jest to
tłumaczone obecnością chlorofilu. Powyżej 680 nm (bliska podczerwień) następuje gwałtowny
wzrost odbicia promieniowania. Chlorofil jest dla tego zakresu promieniowania całkowicie
przeźroczysty, a wzrost odbicia jest spowodowany dużą ilością powietrza znajdującego się
wprzestrzeniach międzykomórkowych tkanek liścia. Drzewa iglaste, oodmiennej budowie igieł, nie
wykazują zwiększenia odbicia promieniowania podczerwonego.
Na zdjęciach w podczerwieni bardzo dobrze widoczne są uszkodzenia drzewostanów,
niewidoczne nawet dla oka ludzkiego. Jest to możliwe dzięki temu, że na podczerwień przypada
maksimum odbicia promieniowania elektromagnetycznego zdrowej roślinności. Zdrowe drzewa
liściaste na zdjęciach spektrostrefowych odfotografowują się wbarwach różowoczerwonych,
natomiast iglaste są szarozielone z różowym nalotem.
Uszkodzenia drzew powodują zanik różowego zabarwienia i rozjaśnienie barwy.
3)
Numeryczny Model Terenu – NMT (ang. Digital Elevation Model – DEM) Jednymi z
podstawowych informacji wykorzystywanych do przestrzennego modelowania zjawisk
przyrodniczych są geodane reprezentujące przebieg powierzchni (terenu, obiektów, opadu
atmosferycznego, immisji przemysłowych itp.). Powierzchnia numerycznego modelu powstaje ze
zbioru punktów o współrzędnych x, y oraz wartość parametru z (np. wysokość n.p.m., ppm
zawartości metali ciężkich w glebach, itp.) na bazie algorytmów służących do aproksymacji jej
położenia i kształtu na podstawie tych punktów.
Istnieje kilka sposobów modelowania danych trójwymiarowych, takich jak numeryczne modele
terenu:
●"
za pomocą regularnej siatki kwadratów (ang. grid) – tworzy rastrowy zbiór danych, gdzie
każda komórka siatki zawiera informacje o wysokości. Model grid w każdym miejscu,
zarówno dla terenów o niewielkich deniwelacjach jak i górzystych, posiada taką samą
rozdzielczość przestrzenną;
●"
za pomocą nieregularnej sieci trójkątów (ang. Triangulated Irregular Network) –
powierzchnia składa się z sąsiadujących ze sobą i niepokrywających się trójkątów. Model TIN
tworzy się na podstawie siatki punktów o znanych współrzędnych x, y, z. Zaletą TIN jest
możliwość dostosowania rozkładu punktów w zależności od skomplikowania rzeźby terenu.
Obydwa w/w modele są niekiedy określane jako modele 2,5-D, pon. prawdziwy model 3-D
charakteryzuje się możliwością występowania punktów o tych samych współrzędnych x i y, ale
różnych z. Dzięki temu może przedstawiać nawisy, tunele itp.
Powszechnie stosowane w analizach przestrzennych GIS są Numeryczne Modele Terenu tworzone
na podstawie map topograficznych oraz na podstawie opracowań fotogrametrycznych. Dane dla
NMT można również pozyskiwać metodami teledetekcyjnymi, np. radarowymi bądź skaningu
laserowego (LiDAR – dane o bardzo dużej dokładności).
SRTM – Shuttle Radar Topographic Mission
SRTM – trwająca 11 dni i zakończona 22 lutego 2000 roku, misja promu kosmicznego Endeavour.
Miała na celu pozyskanie danych o pokryciu terenu dla ponad 80% powierzchni lądów. Do
stworzenia globalnego NMT wykorzystano metodę interferometrii radarowej (InSAR - Synthetic
Aperture Radar Interferometry), do zalet której zaliczyć należy całkowitą niezależność od
warunków atmosferycznych czy oświetlenia.
Prom kosmiczny poruszał się po orbicie nachylonej do równika pod kątem 57° na wysokości 223
km i wykonywał pomiary w kolejnych pasach.
Przetworzone dane w dalszych krokach posłużyły do generowania numerycznego modelu pokrycia
terenu, charakteryzującego się parametrami:
●"
rozdzielczość terenowa piksela 1 x 1 arc sek (30 x 30 m);
●"
dokładność wysokościowa bezwzględna <= 16 m;
●"
dokładność wysokościowa względna <= 10 m, oraz
●"
dokładność horyzontalna względna <= 20 m.
Dane te dla obszarów leżących poza granicami USA są rozpowszechniane z uwzględnieniem
polityki obronnej Stanów Zjednoczonych i powszechnie dostępny jest produkt SRTM o
rozdzielczości 3 x 3 arc sek (90 x 90 m).
Model SRTM jest dostępny min. do pobrania z portalu Earth Science Data Interface:
http://glcfapp.umiacs.umd.edu
Tworzenie NMT na podstawie mapy topograficznej:
●"
ręczna digitizacja poziomnic z mapy papierowej za pomocą digitizera;
●"
wektoryzacja ekranowa poziomnic z zeskanowanej mapy rastrowej;
●"
wektoryzacja półautomatyczna – umożliwia śledzenie linii do momentu przecięcia się
z innym obiektem bądź przerwania.