Nekonvenční metody snímání zemského povrchu ko nven^ní c h metod Energie dopadajícího záření je převáděna na měření elektrických veličin, využívá se fotoelektrický jev, který zaznamenávají senzory, DETEKTORY , umístěné na snímacích zařízeních • Odlišná technika vytváření obrazu - obraz je vytvářen postupně po jednotlivých obrazových prvcích (pixelech) • Velké spektrální rozlišení, (fotografické metody 0,3 až 0,9 mikrometrů), nekonvenční (od 0,3 do 14 mikrometrů). •Prostorové rozlišení - rozměr obrazového prvku se pohybuje v intervalu od desítek cm do několika desítek či stovek metrů. • Registrace v dynamickém režimu a specifické formy geometrických zkreslení. • Nosiče se pohybují po předem definovaných drahách, obrazové záznamy jsou zaznamenávány elektronicky, a jsou snáze porovnatelné • Zaznamenávání obrazových záznamů v digitální (číslicové) podobě umožňuje automatizovat některé kroky jejich zpracování a kombinaci s jinými digitálními daty v GIS. ělenL detektor Detektory (senzory) lze rozdělit do dvou tříd podle toho, zda sledují charakteristiky přirozených fyzikálních polí (pasivní senzory), nebo charakteristiky uměle buzených polí (aktivní senzory). Mohou být dále členěny na senzory nezobrazující (měří celkovou charakteristiku zkoumaného objektu) a senzory zobrazující (vytvářejí obraz objektu) i— n ezo b rázuj íc í -ne s ken u jící m i kroví n n é ra di orn etry m a g n eti c kése nzo ry gravimetry — spektrometry seismograf/ _ zobrazující detektory - pasívni černobílé barevné kamery -f- infračervené barevné infračervené L ostatní skenující .zobrazující { obrazové skenovani -A L ob TV kamery razové skenery optický mechanický objektové skenování skener •-aktivní - -neskenující — nezobrazující mikrovlnný radiometr mikrovlnné radiometry a výškomery laserové hloubkorněry a dálkoměry sonary seismografy '-skenující zobrazující í o obrazové skenování — radar s pasivně fázovaným polem p radar s reálnou aperturou bjektové skenování- - radar se syntetickou aperturou - inverzní radar sonar lidar ■ Spektrální citlivost - určuje, nakolik je detektor citlivý na změny vlnové délky záření. Tepelné detektory jsou neselektivní, zatímco fotonové jsou výrazně selektivní. ■ Časová konstanta - udává rychlost reakce detektoru. Tepelné detektory jsou pomalé a setrvačné (mají velkou časovou konstantu) v důsledku relativně pomalého zahřívání. Fotonové jsou naopak rychlé a jejich časová konstanta bývá v řádu \is či ns. Časová konstanta ovlivňuje možnou rychlost snímání -kratší časová konstanta dovoluje mnohem rychlejší měření a tedy i pohyb nosiče. ■ Časová nezávislost odezvy - popisuje stabilitu výstupního signálu. Stává se, že i při konstantní úrovni záření, začne výstupní signál detektoru slábnout. Pokud signál není stabilní, je potřeba do soustavy zařadit přerušovač. Bude docházet k pravidelnému přerušování záření a signál detektoru se ustálí na určité hodnotě. Detektory poskytují v zásadě tři skupiny informací: informace prostorové, spektrální a informace o intenzitě pole prostorová informace Představovaly přechod mezi klasickými fotografiemi a snímacími rozkladovými zařízeními. Pracovaly ve viditelném a infračerveném oboru spektra. Druhy snímacích zařízení Televizní systémy Snímací rozkladová zařízení • Mechanické (mechanooptické) • Elektronické (elektrooptické) Digitálni kamery Televizního systému využívaly první meteorologické družice TIROS Vedle klasických televizních systémů lze využívat i videokamer nebo tzv. vidikonových kamer se zpětným paprskem. Systém RBV (Return Beam Vidicon) na družicích LANDSAT, snímal ve viditelné a blízké IČ části spektra. Prostorová rozlišovací schopnost byla u snímků z LANDSAT 1 a 2 kolem 80 metrů, u LANDSAT 3 kolem 24 metrů v tzv. panchromatickém módu. Měřítko originálního obrazu se pohybovalo kolem 1:7,25 mil. Fungovaly například také na sovětských družicích METEOR, přístroje nesly označení MSU. systémy Přístroj obsahuje měřící prvek - radiometr (skener), který měří radiaci z určité elementární plochy zemského povrchu v určitém intervalu spektra. Velikost této plochy je dána jednak technickými parametry snímacího zařízení, jednak konfigurací celého systému - především výškou letu nosiče. Téměř všechny systémy dnes pracují jako multispektrální - tedy vytvářejí několik obrazových záznamů snímaného území v několika intervalech spektra Používané detektory radiometrů lze rozdělit na tepelné (množství dopadající energie je přímo úměrné změně teploty čidla) a detektory fotonové (zaznamenávají intenzitu dopadajících fotonů) a jsou přesnější. Výstupní signál je zaznamenáván v určitém počtu úrovní - v tzv. dynamickém rozsahu. Obrazová data zaznamenaná v 256 úrovních se označují jako 8-bitová. ZÁŘENÍ VÝSTUPNÍ SIGNÁL OPTICKÝ SYSTÉM DETEKTOR PŘED ZESILOVAČ schéma konstrukce radiometrů Příčné skenování (mechanooptický) skene rotující zrcadlo smer pohybu detektory elektronika spektrální děliče aaaa záznamové zařízeni Mechanický skener provádí měření z 1 elementární plochy území (1 pixelu) po druhé a přesuny mezi nimi zajišťuje mechanické zařízení (plus pohybu nosiče Podélné s :trooptický, pushbroom, Elektronický skener měří naráz sadu elementárních plošek území a vytváří naráz řádku obrazu, což je umožněno používáním paralelního snímání sadou detektorů série CCD detektorů smer pohybu Digitální käme íířímací zařízení je vybaveno kvalitní optikou, přes kterou je záření směrováno na matici CCD detektorů, snímek vzniká v jednom okamžiku a ne po řádcích. Geometrické vlastnosti obrazových záznamů Odlišný způsob vytváření obrazu oproti letecké fotografii vnáší do výsledného obrazu jiná geometrická zkreslení o skenovaná řádka pohybu Princip kolísání velikosti obrazového prvku příčně skenovaného obrazového záznamu genciální změny měřítka Ve směru kolmém na pohyb nosiče se mění rozměr obrazového prvku a následně se deformují tvary zobrazených objektů letecká fotografe konstantní úhlová rychlost rotujícího zrcadla —»»■ proměnlivé příčné měřítko skenovaný záznam příčného skeneru smer pohybu Relativní změny v poloze objektů jsou způsobeny jejich různou nadmořskou výškou letecká fotografie skenovaný obr. záznam r 1 -o 9 smer pohybu Porovnání efektu relativní změny v poloze objektů na letecké fotografii (a) a skenovaném záznamu (b) • Většina družic pořizuje obrazová i neobrazová data metodami dálkového průzkumu delší dobu • Nejedná se pouze o jednu družici, ale o družic několik, které mají z hlediska kompatibility pořizovaných obrazových záznamů, z hlediska technických parametrů nosiče i z hlediska parametrů snímacího zařízení podobné vlastnosti. • Tyto jsou pak označovány jako družicové systémy. • Základní vlastností, která ovlivňuje většinu dalších parametrů systému je oběžná dráha družice. Dráhu charakterizuje především výška a inklinace http: //science.nasa.gov/realtime/jtrack/3d/JTrack3D.html/ MET9 RGB-dust 2010-04-20 05:00 UTC £: E U METS AT GOES-W (USA) 135°W GOES-E (USA) 75°W NOAA (USA) GMS (JAPAN) 140°E METEOR (RUSSIA) METEOSAT (EUMETSAT) 0° longitude FY-2 (CHINA) 105°E GOMS (RUSSIA) 76°E Družice pro výzkum přírodních zdrojů Země (LANDSAT, SPOT, TERRA, ...) Princip dráhy synchronní se sluncem (heliosynchronní) https: / / www. ssec. wise. edu / datacenter / LAND S AT- 8 družic LANDSAT nad CR Šířka scény 185 km družic SPOT nad CR Velikost scény a prostorového rozlišení pro vybrané družicové systémy PIXEL SIZE COMPARISONS LANDSAT 7 ETM+ Sensor LANDSAT MSS Sensor T I_I_I_I_I_I_1_I_I_I_I_I_l i—I—r G 10 20 30 40 50 40 30 20 1—i—[ J_I_I HL Jr 10 G 56m 79m American Football Field Systém nich přijímacích stan družic LAN! • příjem zpráv o stavu družice • vysílání povelů • příjem snímků http://landsat.usgs.gov/about ground stations.php Naměřený signál je zaznamenáván v určitém počtu úrovní v tzv. dynamickém rozsahu. Obrazová data zaznamenaná 256 úrovních se označují jako 8-bitová. alm sníme. 170 23a 35 266 221 0 63 136 17 170 119 63 221 0 23a 136 0 266 119 266 86 170 136 23a 233 17 221 63 119 266 35 170 119 221 17 136 Digitální snímek se skládá z množství tzv. obrazových prvků (pixelů). Každý pixel nese jedno číslo - toto číslo je prezentováno jako odstín šedi ■ DN hodnota - digital number astnosti digitálního snímku Obrazový záznam charakterizují čtyři základní druhy rozlišovacích schopností: 1. Radiometrické rozlišení 2. Spektrální rozlišení 3. Prostorové rozlišení 4. Časové rozlišení Radiometrické rozliše Udává počet úrovní, do nichž je obraz zaznamenán o o o I 6-bitů (64 úrovní) LANDSAT MSS 256 úrovní ■► | 8-bitů (256 úrovní LANDSAT 7 TM 10-bitů (1024 úrovní) NOAA - AVHRR ► 1 12-bitů (4096 úrovní)] LANDSAT 8 OLI Reálná čísla 32 tis., komplexní čísla | SAR • Počet vytvářených snímků v MS režimu • Šířka intervalu zaznamenaných vlnových délek panchromatický snímek 37 £»3 ■33 177 67 93 0,4 Mm Q.7]xm Bíue+Green+Red multispektrální snímky hyperspektrální snímky »Iii w 176 183 130 37 177 181 1ľ 96 9& Ě7 14 11 35 0.4 0.5 0.6 0.7 Blue Green Red 0.1 pm 1235 40 x 40 m 80 x 80 m 1 10 20 80 m Zhruba odpovídá velikosti obrazového prvku Družice METEOSAT 7 NOAA 17 LANDSAT 7 SPOT 5 QuickBird 2 WorldView-3 Pixel 2,5-5 km 1,1 km 30 (15) m 2,5 (10) m 0,65 m 0,31 m Pros veraz Měřítko mapy a potřebná velikost pixelu QuickBird PAN Ikonos PAN SPOT 5 PAN IRS-1C PAN SPOT 4 PAN LANDSAT TM Minimální velikost obrazového prvku nutná k interpretaci vybraných objektů 1: 5000 0,7 m 1: 10 000 1 m 1: 25 000 2,5 m 1: 50 000 5 - 6 m 1: 100 000 10 m 1: 250 000 30 m Objekt Velikost pixelu (m) jednotlivé menší budovy a cesty 2 menší silnice a vodní toky 5 hlavní silnice a bloky budov 10 1. 6. mm 17. 6. 3. 7. 16 dnů t O t o t Příklad časového rozlišení snímků z družice Landsat 5 Časové rozlišení - frekvence s jakou systém vytváří snímky stejného území: Družice METEOSAT 7 NOAA 17 QuickBird 2 LANDSAT 7 SPOT 5 Časové rozliš. 15 minut 12 hodin 2-4 dny 16 dnů 26 dnů Šířka scény Pixel polokoule 2,5-5 km 2600 km 1,1 km 11 km 185 km 60 km 0,65 m 30 (15) m 2,5 (10) m Základní způsoby vizualizace 1. černobílý obraz 2. barevná syntéza (RGB systém) 3. pseudobarevný obraz (indexové barvy) + Green + Red = White + G = Cyan + R = Magenta G + R = Yellow Aditivní skládání barev ^^JSarífiflEyvodsHnec (panchromatické snímky) Vstupní pásmo Výsledný R G B odstín 0 0 0 černá • • • • • • • • • • • • 30 30 30 tmavě šedá • • • • • • • • • • • • 128 128 128 šedá • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 210 210 210 světle šedá • • • • • • • • • • • • 255 255 255 bílá M B R 255 bílá / linie / šedi černá. 0 255 G 255 arevná syntéza (multispektrální snímky) arev: (Snímky jako výsledky klasifikace ) Vstupní pásmo R G B Výsledná barva 0 255 255 255 bílá 1 175 125 0 světle hnědá 2 255 255 0 žlutá • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 90 25 96 0 tmavě zelená 91 0 255 0 zelená • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 254 0 0 180 tmavě modrá 255 0 0 255 modrá 3, les Jehl les list nezařazeno mix mesto • základní způsob informace o rozložení DN hodnot v obraze • základní prostředek pro zvýraznění obrazu (úpravu kontrastu) • nástroj pro jednoduchou klasifikaci Pro prvotní analýzu jsou důležité tyto charakteristiky • tvar histogramu (počet vrcholů, lokální minima) • rozsah zaznamenaných DN hodnot (min a max) • poloha v rámci možného dynamického rozsahu O 127 255 aritmetický průměr: 82,6 medián: 80,0 minimum: 6 maximum: 254 směrodatná odchylka: 26,9 ch zazn georeferenční data georeferenční body bitové mapy vektorová prezentace liniových prvků spektrální příznaky textové informace zobrazovací tabulky pseudobarevné tabulky parametry dráhy nosiče Channels [Other 3 I Ellipsoid I |TM E015 | |More...| Bounds: JGeocoded ^ 3601 65(1.000 E 5165925.000 3614150.000 E 5153125.000 j Georeferencing Mode Red d jíl lllliiiii.........- Green d /- lilium........ Blue d ní 1....................... Channel 1 ill J liliu Editor Size P Small (?■ Large lose I I Help | ompresm algoritmy Zvyšující se nároky na objem obrazových dat jsou podmíněny následujícími faktory: • zlepšování prostorového rozlišení snímků • hyperspektrální snímání • potřeba přenosu dat (internet) Dělení algoritmů: • ztrátové a bezztrátové • symetrické a asymetrické • kompresní poměr ezztrátové algoritmy RLE (Run Length Encoding) - PCX, BMP podle RLE algoritmu bude kódování: 34155344 Hufmannovo kódování Založeno na postupném sčítání frekvencí DN hodnot, které se v histogramu snímku vyskytují s nejmenší pravděpodobností LZW komprese - TIFF, GIF Hledá se opakovaný výskyt stejných sekvencí hodnot. Uchovává se pouze odkaz na první výskyt řetězce. ^^ZtrótSve algoHtm Fourierovy transformace, DCT - JPEG Posloupnost sin a cos funkcí (analogie analýzy časových řad 2D) Fraktálové komprese Vínkové komprese MrSID - Multi-resolutiom Seamless Image Database www.lizardtech.com ECW www.ermapper.com razové souboryTsystenr^afôzéní dat A A A A A A A A B B B B B B B B C C C C C C C C C Pásmo 1 Pásmo 2 Pásmo 3 Obecné obrazové formáty: BIP ABCABCABC ABCABCABC BIL AAABBBCCC AAABBBCCC BSQ AAAAAA BBBBBB CCCCCC BSQ (band sequentional) BIL (band interleaving by line) BIP (band interleaving by pixel) Objemy dat u vybraných družicových scén Družice a typ dat Rozměr scény [km] Počet pásem Rozměr pixelu [m] Paměťové nároky [MB] LANDSAT MSS 185 x 185 4 80 30 LANDSAT TM 185 x 185 7 30 (120) 300 SPOT XS 60x60 3 20 27 SPOT PAN 60x60 1 10 36