Applying Geography! Geodata: GIS, GPS and Earth Observation ESRI konference 2015 http://media.esri.com/arcstream/2015/07/46 38-uc2015-opening-video_960.mp4 DÁLKOVÝ PRŮZKUM ZEMĚ  Video Landsat  http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5203 ZÁKLADNÍ BODY OSNOVY Definice Metody Letecká data Družicová data Ukázky Dálkový průzkum Země  https://www.youtube.com/watch?v=BPbHD KgBBxA definice  Pod pojmem dálkový průzkum Země (DPZ) (Remote Sensing) se rozumí zkoumání, měření a zobrazování objektů a jevů v krajinné sféře bez přímého fyzického kontaktu s nimi.  DPZ - procesy . DPZ zahrnuje problematiku:  zhotovování,  přenosu,  zpracování,  vyhodnocení (interpretace),  analýzu  a využití  snímků a obrazových záznamů z letadel  a vrtulníků a dnes zejména z družic. Systémy DPZ  DPZ je jednou z moderních informačních technologií Systém DPZ 1. Subsytém : SBĚR A PŘENOS DAT. Technická část 2. Subsytém : ANALÝZA A INTERPRETACE DAT Zpracování prostorové informace Materiály  Výsledkem DPZ jsou obrazová data z letadel a družic:  letecké snímky/data  družicové obrazové záznamy (zpracované v digitální či analogové formě) ukázky obrazová data z letadel a družic obrazové materiály letecká a družicová data obsahují prostorovou informaci obdobně jako topografické či tématické mapy polohová informace (poloha , tvar , velikost) tematická informace ( druh vegetace, hloubka vody, zdravotní stav lesa atd.) prostorovou informace metody DPZ  data DPZ se získávají klasickými metodami fotografie, analogová forma nekonvenčními metodami skenované snímky, digitální forma V části interpretační se metody prolínají Metody DPZ  podle zdroje elektromagnetického záření:  1.pasivní :  přímé - odražené sluneční záření  nepřímé – odražené vlastní vyzařování objektu např. termovize Pasivní přímé metody  2. aktivní – záření je vysíláno ze zdroje umístěného na nosiči, odražené záření je zachyceno na nosiči - radar Metody DPZ Klasické fotografie z letadel  vznikají centrální projekcí na citlivé fotografické vrstvy  v jeden okamžik  kladem značný detail konstrukce přesných topografických map  z letadel, balónů, příp. družic, raketoplánů (tj. nosičů) centrální projekce tj. středové promítání a jeho zkreslení zkreslení fotografií ve středovém promítání tabule ortorektifikace proces, kdy snímek ve středovém promítání přepočítáme na snímek kolmý v každém bodě a umístíme do souřadné soustavy dělení leteckých měřičských snímků  podle sklonu záběru:  svislé +- 5°  šikmé  vodorovné 85 – 90° ukázka Výhody a nevýhody kolmých a šikmých snímků Svislé snímky - výhody  - připomíná do značné míry plán fotografovaného území  - je možno provádět měření jako na mapě  - měřítko je na celém snímku přibližně stejné  - snadné srovnání s mapou daného území  - montáž jednotlivých snímků v souvislých obraz fotografovaného území – fotoschema.  kolmost pohledu  - nezvyklý obraz (netradiční vertikální pohled na území,  obtížnější čtení a interpretace obsahu svislých snímků ( rozlišení objektů spolu s množstvím obsahově nepodstatných prvků vyžaduje určitý cvik a zkušenosti) svislé snímky - nevýhody Šikmé snímky - výhody  :  - pohled je přirozenější (s perspektivou)  - snadnější rozpoznávání zobrazených objektů i a terénních tvarů,  - zobrazení mnohem větší rozlohy území šikmé snímky - nevýhody  :  - nelze ho použít pro přesnou lokalizaci objektu ani pro mapování,  - měřítko není stálé  - pozn. stálé měřítko je pouze na přímkách rovnoběžných s horizontem letecké snímkování území  na jeden snímek  na více překrývajících se snímků  překryt podélný obvykle 60 %. (ve směru letu)  překryt příčný 20-30 %. ( letecké řady) Sousední dvojice leteckých snímků v digitalizované podobě Stav bloku po triangulaci snímků sestava ortorektifikovaných snímků Lícování ortorektifikovaných snímků RMS– 2,85 pix. tj. 142 cm Mozaikování ortofotosnímků – bezešvý celek 1. Oříznutí okrajů o 5 % 2. Vyrovnání pomocí histogramu 3. Automatické generování linií spojení snímků Mozaika ortofotosnímků z roku 1953 Ortofotomapy  Ortofotomapa  je speciální kartografický model území, jehož polohopisným obsahovým základem jsou letecké (družicové) snímky.  Ty jsou dále doplněny grafickým barevným zvýrazněním důležitých objektů (silnic jednotlivých tříd, vodních ploch), vrstevnic, geografickým názvoslovím, popisem zeměpisné sítě, legendami apod. Ortofotomapy  Poskytují kvalitativně vyšší a aktuální úroveň obrazu geografické reality než běžné mapy stejného území.  podávají lepší představu o skutečnosti než klasické mapy (znázornění všech geografických objektů je řešeno jenom prostřednictvím formalizovaného klíče mapových značek. )  jsou zpracovány v konkrétním matematickém zobrazení (projekci), formátu a zvoleném měřítku. letecké snímky v praxi • černobílé nebo barevné • v měřítkovém rozsahu 1:2 000 až 1:30 000 • z výšek větších než 600 m nad terénem. Využití leteckých snímků  v tvorbě a údržbě mapových děl – aktualizace map  vznik prostorového (stereoskopického) modelu terénu ze dvou sousedních snímků jedné řady  digitální model reliéfu - průběh vrstevnic , výškové body archiv leteckých snímků  území Československa snímkováno od r. 1935  archiv snímků – Dobruška  využití archivovaných snímků  v geografii, ekologii – nauka o krajině, vývoj krajiny  historie  právní obory a soudy video proměna krajiny  zpracovaná z: – archivních leteckých snímků – aktuálních leteckých snímků – digitálního modelu reliéfu  pomocí špičkových geoinformačních technologií Družicová data snímky  vznikají řádkováním za pomoci přístrojů:  1.na měření radiace – radiometrů  2.snímacích rozkladových zařízení – skenerů Scény z družic  vznikají obrazové záznamy ( imagery)  liší se obrazovým detailem  (detail obecně menší než u fotografie)  pořizovány v široké části spektra  poskytovány v číselné – digitální - podobě  Scény z družic jsou charakterizovány řadou parametrů, které mají bezprostřední vztah k možnostem rozlišení objektů na snímku. U klasických leteckých v analogové formě nelze hovořit o rozlišení – technicky vznikají osvětlením citlivého filmu s jednotkou velikosti detailu daného velikostí zrna citlivé emulze. Skenování území Atmosféra  dobře propouští dlouhovlnné záření  krátké vlny pohlcuje a rozptyluje – chladné objekty ( vyzařují málo dlouhovlnného záření) jsou hůře detekovatelné pohlcuje (O3, CO2, vodní pára) rozptyluje (částce, aerosoly) Fyzikální podstata DPZ  Objekty o sobě vydávají informace pomocí silových polí  silové pole, jehož charakteristika se v DP zaznamenává, je elektromagnetické záření  částí elektromagnetickéo záření je i viditelné záření - část spektra, na kterou je citlivý lidský zrak elektromagnetická energie dopadající na zemský povrch může být  odrážena  pohlcována  vedena efekt barvy objekt se jeví jako modrý, odráží-li především modrou část spektra. změna odraženého záření spektrum kosmické záření 10 -7 UV záření infračervené mikrovlnné viditelné BRG 0,4 – 0,7 nanometru televizní, rádiové 105, 106, 108 blízké, střední, termální Visible light, the light we see with our eyes alone, is a very small part of the whole spectrum of radiant energy in the universe.  We measure radiant energy in wavelengths, from crest to crest. Wavelength (a)  is longer than wavelength (b)  Colors have different wavelengths! We see colors as different because they have different wavelengths. Red has the longest wavelengths of visible light, and blue/purple has the shortest wavelengths of visible light. Our eyes detect the entire visible range of those wavelengths, and our brains process the information into separate colors. Photo: Jeannette Allen Wavelengths we see as green are about 525-550 nanometers (nm) in length. Wavelengths we see as red are 630-800 nm in length. The red petals of this poppy flower reflect strongly at wave-lengths of 700 nm. Photo: Jeannette Allen 7 bands of data looked at side by side in shades of gray 5 6 74321 3,2,1 Visible Infrared Green Data is shown as GreenBlue Data is shown as BlueRed Data is shown as Red 5 6 74321 4,3,2 Visible Infrared NIR Data is shown as RedRed Data is shown as GreenGreen Data is shown as Blue Základní způsoby vizualizace digitálních obrazových dat  Obrazové záznamy – snímky území – se pořizují v multispektrálním režimu, tj. území je zaznamenáno ve více pásmech – intervalech – kanálech ( band, channel) Barevné skládání Černobílý obraz Pseudobarevný obraz RGB, tj. pásmo červené + zelené + modré  Barevná syntéza Snímky z různých částí spektra Převod odstínů černé na číselné hodnoty Snímky a jejich parametry,rozpoznání objektů na snímku – identifikace objektu změna odraženého záření Teorie spektrálního chování  Každý typ povrchu odráží určité množství záření v určitých délkách  každý povrch má typické spektrální chování  jeho průběh zaznamenává spektrální křivka ( tj. kolik a jakého záření konkrétní povrch odráží) People measure the spectral signatures of different surfaces on the ground. Then when they look at the spectral signature of a surface in a satellite image, they can tell what kind of surface the satellite was looking at. Researcher with hand-held spectrometer A farmer using remote sensing can tell which sugar beet fields are healthy and which are not, if she/he knows their spectral signatures. If s/he were designing a sensor solely to measure the health of his sugar beets, what wavelength range would he want the sensor to detect? rozpoznání objektů na snímcích  podle spektrálního chování objektů jsou tyto objety rozpoznány  existence „knihoven“  přiřazení ke konkrétnímu spektr. projevu povrch, který jej odrazil povrch na Zemi pozměněné záření s typickým chováním číselné zaznamenání na snímku rozpoznání objektu, který takové záření odrazil Interpretační znaky – tvar, – rozměr (příp. poměr šířky k délce), – barva, – stín – vlastní a vržený – vzájemná poloha s ostatními objekty- patern, Klasifikace obrazu  Cílem je nahradit radiometrické hodnoty hodnotami informačními ( co určitý pixel zobrazuje – např. třídu sníh, voda, les) Klasifikace na základě rozhodovacích pravidel Řízená – podle trénovacích ploch Neřízená – podle shlukových analýz Shluk = třída (jehličnatý les) technické parametry snímku  K technickým parametrům snímku, které ovlivňují interpretaci, řadíme: – prostorové rozlišení, – radiometrické rozlišení, – spektrální rozlišení, – časové rozlišení. Prostorové rozlišení Prostorové rozlišení družicových dat  Družicové scény dělíme na: – scény s nízkým rozlišením (low resolution) – rozlišení nad 100 m, – se středním rozlišením (medium resolution) – menší než 100 m – 10 m, – s vysokým rozlišením (high resolution) – 10 m a méně, – s velmi vysokým rozlišením – 3 m a méně Spektrální rozlišení  Podle elektromagnetického záření dělíme snímky na: – snímky pořízené ve viditelné části spektra tj. v intervalu vlnových délek 0,4 μm až 0.7 μm, – infračervené snímky (NIR– near infrared) jsou pořízené v intervalu 0,7 μm až 3.0 μm, obvykle se ještě dělí na snímky pořízené v blízkém infračerveném intervalu (VNIR – very near infrared) a SVIR středním infračerveném intervalu (SVIR – short wavelength infrared), – termální snímky zachycují interval vlnových délek 3,0 μm až 100 μm, – snímky pořízené v intervalu mikrovlnných délek – radarová data 1 mm to 1 m. Digitální zpracování materiálů DPZ  Analogová data: – fotogrammetrie, fotointerpretace podle znaků  Digitální data: – Předzpracování obrazu (korekce) – Zvýraznění obrazu – Extrahování informace – Studium dynamiky znaků – Modelování s daty – Integrace dat, vstup do GIS DÁLKOVÝ PRŮZKUM ZEMĚ družicové systémy Družicové systémy Oběžné dráhy družic - a) rovníková dráha - b) šikmá oběžná dráha c) subpolární oběžná dráha. Přelety podle místního času Dráha se Sluncem synchronní Podélné skenování družice Landsat Příční skenování, SPOT Družice v rovníkové dráze – vzdálenost 36 000 km – od západu k východu – úhlová rychlost oběhu družice odpovídá úhlové rychlosti rotace Země tj. pro pozorovatele na Zemi je tedy družice stále na stejném místě – geostacionární Družice v rovníkové dráze – meteorologické družice – monitorující synoptické procesy v atmosféře a umožňující ukazovat stav a pohyb oblačnosti, analyzovat a předpovídat počasí – družice METEOSAT METEOSAT – umístěná na nultém poledníku nad Guinejským zálivem – rovníková dráha, geostacionární – obraz zachycuje především Evropu, Afriku s přilehlými částmi Atlantského a Indického oceánu – provoz řídí organizace ESA (Evropská kosmická agentura) Meteosat Meteosat  Vybavení: – Hlavním snímacím na palubě družice MSG je přístroj SEVIRI . Jeho úkolem je pořizovat snímky Země v 11 úzkopásmových spektrálních kanálech a jednom širokopásmovém s vysokým rozlišením číslo kanálu označení kanálu poznámka 1 VIS0.6 solární kanály2 VIS0.8 3 NIR1.6 4 IR3.9 atmosférické okno 5 WV6.2 absorpce vodní páry6 WV7.3 7 IR8.7 atmosférické okno 8 IR9.7 absorpce ozónu 9 IR10.8 atmosférické okno 10 IR12.0 11 IR13.4 absorpce CO2 12 HRV solární kanál, vysoké rozlišení Seviri Meteosat, způsob přenesení na Zemi  1.Snímání jednou za 15- 30 min  2. Odeslání na stanici v Darmstadtu  3.Zpracování dat na stanici v Darmstadtu  (zpracování radiometrické a geometrické)  4. zpět zaslání na družicí  5. družice k uživateli: – primární data – za poplatek v plném rozlišení – sekundární – data v analogové podobě, zdarma, animace oblačných systémů, předpověď počasí číslo kanálu označení kanálu poznámka 1 VIS0.6 solární kanály2 VIS0.8 RGB 3 2 1 Obrazové záznamy Meteosatu viditelné pásmo (a), pásmo vodních par (b), termální pásmo (c) (a), (b), (c) Družice se subpolární dráhou oběhu  většina družic  ve směru poledníků ve výšce 700 až 1000 km  od severu k jihu  doba oběhu závisí na výšce letu (cca 2h)  12 až 16 oběhů za 24 hodin  jsou synchronní se Sluncem  tj. prolétají nad stejným místem ve stejnou hodinu místního času Družice se subpolární dráhou oběhu  Rozlišovací schopnost získaných údajů je několik metrů, nejlepší desítky cm.  Družice systému NOAA  Družice systému LANDSAT  Družice SPOT  Quick Bird NOAA  Nejvýzn. systém z rozsáhlé skupiny meteor. družic na polárních drahách  Subpolární dráha, výška 833 km, doba oběhu 102 min, 14 oběhů denně  Snímá celou zeměkouli včetně polárních oblastí NOAA  Data z radiometru lze využít pro:  1. Environmentální aplikace  2. Meteorologické aplikace  Data – základ mnoha projektů studující globální změny  http://old.chmi.cz/meteo/sat/avhrr/index.php Družice se šikmou oběžnou dráhou  Dráhy oběhu svírají s rovinou rovníku úhel 30° až 60°  družice-kosmické lodi s lidskou posádkou  Výška oběhu několik stovek kilometrů nad Zemí  Neposkytuje údaje z vyšších zem. šířek 