Dálkový průzkum země v mikrovlnné části spektra II Pasivní mikrovlnné snímání, interferometrie, družicová altimetrie, laser scanning - LIDAR M Pasivní mikrovlnné snímání křivka vyzařování abs. černého tělesa o teplotě 300 K oblast pasivního mikrovlnného snímání 1 jim 1000 jum 1 mm X Těmito metodami je měřena přirozená dlouhovlnná energie vyzářená objekty na zemském povrchu. Systémy pracují na stejném principu jako termální radiometry a skenery. Intenzita naměřeného signálu závisí nejenom na teplotě a množství dopadajícího záření, ale také na jeho schopnosti vyzařovat, vést či odrážet (chemické, fyzikální, elektrické, geometrické vlastnosti povrchů) elm. energii - kombinace všech faktorů - má za následek, že měřený signál má vždy velký podíl šumu a jeho interpretace je obtížnější. Výhodou je nezávislost na podmínkách počasí • Systémy pracují na letadlech i družicích • Mikrovlnný přijímač přepíná mezi anténou a kalibračním teplotním signálem - z rozdílu vzniká záznam tzrnmetod pasivního mTRFoTOneffo snímání • měření teplotních profilů atmosférou • zjišťování charakteristik svrchní vrstvy půdy • mapování teploty půdy a půdní vlhkosti • studium minerálního obsahu půd • mapování rozsahu mořského ledu • mapování rozsahu a mocnosti sněhové pokrývky • zjišťování průběhu tání sněhu • studium charakteristik mořských proudů • mapování směru a rychlosti větru • detekce ropného znečištění pasivního mikrovlnného snímání Družice NIMBUS 5, ESMR (období 1972 - 1976) Jednokanálový radiometr pracující na vlnové délce 1,55 cm. Družice NIMBUS 7, SMMR (říjen 1978 - srpen 1987 Pětikanálový mikrovlnný radiometr pracující s vertikálmí i horizontální polarizací. Použité vlnové délky: 0,81, 1,36, 1,66, 2,80, 4,54 cm Družice DMSP, SMMI (červen 1987 - souč.) Desetikanálový mikrovlnný radiometr GCOM W1, 2012(z anglického Global Change Observation Mission Water Satellite, japonsky pojmenovaný jako SHIZUKU), klimatologická družice o hmotnosti 1900 kg, vybavená pokročilým skenujícím radiometrem AMSR2 (z angl. Advanced Microwave Scanning Radiometer 2), 6 vlnových délek (frekvencí) Mapování je založeno na měření jasové teploty v oblasti mikrovln a na rozdílné emisivitě volné mořské hladiny a mořského ledu. Např. na vlnové délce 1,55 cm je emisivita mořského ledu vysoká (0,80-0,97), avšak emisivita volné mořské hladiny je pouze 0,44. Výrazně vyšší emisivita mořského ledu převažuje skutečnost, že led je chladnější než voda a tedy jeho jasová teplota by měla být nižší. Jasová teplota mořského ledu nabývá hodnot vyšších než 190 K, jasová teplota mořské vodní hladiny je většinou nižší než 160 K. ŕ^ŕ 0 44 Mapy průměrné koncentrace mořského ledu v oblasti Antarktidy v září (maximální rozsah) a v únoru (minimální rozsah v ročním chodu) v roce 1994. Mapy sestaveny ze snímků družice DMSP s mikrovlnným radiometrem SSM/I Archiv: http://iup.physik.uni- bremen.de:8084/ssmis/archivebrowse.php?sensor=A MSR2 ASI (from AMSR2) ver. 5.2, Grid 6.25 km Ice Concentration zdroj: http://iup.physik.uni-bremen.de:8084/amsr2/ Mapy rozsahu mořského ledu v oblasti Antarktidy v r. 1985 sestavené z dat pořízených mikrovlnným radiometrem SMMR na družici Nimbus 7. Monitorování rozsahu mořského ledu Použité algoritmy poskytují nesprávné hodnoty o rozsahu ledu podél pobřeží v důsledku tzv. smíšených pixelů. Tento efekt se označuje jako "land contamination" -jasová teplota smíšených pixelů má hodnoty blízké hodnotám mořského ledu. Uvedený efekt lze potlačit použitím map SST. Vedle rozsahu mořského ledu lze zjišťovat i jeho koncentraci (procento pokrytí) a ze série map též charakteristiky pohybu. E a: ŕ c o 17 16 15 14 13 12 11 IG S 9 8 7 IMS Total Ice 3-Day Mean Current Ice Extent (04/24): 14.301Million Sq. Km. Last Week (04/17): 14.975 Million Sq. Km. Weekly Ice Gain/Loss: 174,373 Sq. Km. 2015 Maximum: 16.047 Million Sq. Km (03/03) 2015 Minimum: -.— Million Sq. Km (—/-) IMS 2006 IMS 2007 ■ IMS 2008 IMS 2009 IMS 2010 IMS 2011 IMS 2012 ■IMS 2013 -IMS 2014 ■IMS 2015 N ^ H M H psi fM *j oo Ln iiiiiujmor^ í\l CTl m O T-HÍNr\J h fN m 00 Ln CDWlCÍ)MM£l.Q.ail. Vývoj rozsahu mořského ledu na severní polokouli zdroj: http://www.natice.noaa.gov/ims/ nitorování rozsahu sněhové^oRřyvky Rozsah sněhové pokrývky je monitorován na snímcích družic NOAA využívajících optické (viditelné a infračervené) části spektra od r. 1966. Řady map jsou k dispozici s týdenním rozlišením. Snímky z optické části spektra jsou degradovány oblačností, nelze je pořizovat v době polární noci, neposkytují informace o mocnosti sněhové pokrývky, pouze o jejím rozsahu. Princip pasivního mikrovlnného snímání spočívá v přímé závislosti mezi mocností sněhové pokrývky a pohlcováním dlouhovlnného záření. Jasová teplota měřená mikrovlnným radiometrem je nepřímo úměrná mocnosti sněhové pokrývky. Princip mapování charakteristik sněhové pokrývky mikrovlnným radiometrem Většina algoritmů používaných pro sestavování map rozsahu a mocnosti sněhové pokrývky je založena na empirických vztazích. Snímky z radiometru SMMR na družici Nimbus zaznamenávají jasovou teplotu na frekvenci 18 GHz a 37 GHz. Sněhová pokrývka absorbuje méně záření na nižší frekvenci. Čím mocnější bude sněhová pokrývka, tím větší bude rozdíl jasových teplot 18 a 37 GHz. Mapuje sněhovou pokrývku o mocnosti 5-70 cm - oproti reálným podmínkám tedy podhodnocuje rozsah sněhové pokrývky. Nelze využít na mapování sněhu, který se nachází na ledovcovém příkrovu (Grónsko, Antarktida). Rozsah sněhové pokrývky v lednu Maximální rozsah (8-14. 1.1979) a srpnu 1993, družice DMSP Northern Hemisphere Snow-Cove red Area Departures from Monthly Means :—.............L—i—i—i—i—i——i—i—i——i—i——i—i—i—i—r j-,-.-1-1-1-i-1-■-1-■-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-i-1-■-1-■-1-f 80 85 y0 95 00 05 Year http://nsidc.org/cryosphere/sotc/snow_extent.html Rozsah a výška sněhové pokrývky v únoru a květnu roku 1986 (max a min v ročním chodu), mapy sestaveny ze snímků družice NIMBUS red: Sep 2002-2006 AMSR-E ASI 50% ice cone. |Ce Concentration Rozsah sněhové pokrývky a mořského ledu na severní polokouli (nahoře duben 2011 a 2014) a současný rozsah sněhové pokrývky v oblasti Afghánistánu (vpravo) Zdroj: http://www.natice.noaa.gov/ims/ Rozptyloměr (Skaterometr) 500 km Měření je založeno na kvantifikaci rozptylu intenzivního mikrovlnného signálu odraženého od zemského povrchu. Nad hladinou oceánu je rozptyl způsoben především vlněním a je úměrný směru a rychlosti větru Pracuje s hrubým prostorovým rozlišením (cca 45 km) což omezuje jeho použití na mapování v regionálním a globálním měřítku NASA Scatterometer (NSCAT) družice ADEOS tajfuny Violet a Tom (1996) u japonských ostrovů zdroj: http ://w ww.eorc .j axa.jp/en/h atoyama/satellite/firstimage/ nscat first e.html Měření výškových poměrů aktivními metodami DPZ Metoda přesných výškových měření na základě rozdílů ve fázi dvou radarových signálů získaných z odlišné pozice Rozdíl (interference) fází je nositelem informace o výšce daného místa. Zpracováním hodnot korespondujících obrazových prvků z obou radarových snímků se vytváří tzv. interferogram. Z něj lze zjistit relativní výškové rozdíly bodů na snímcích. Využitím vlícovacích bodů lze relativní hodnoty převést na hodnoty absolutní. Přesnost interferometrie je v řádu použitých vlnových délek - tedy v centimetrech. Možné konfigurace měřících systémů: • snímání jedním radarem ze dvou sousedních drah • snímání dvěma radarovými systémy umístěnými na dvou družicích (tandem - ERS-1 a ERS-2) • jeden nosič (družice či letadlo) může mít jeden radar a dvě přijímací antény umístěné ve známé vzdálenosti od sebe (raketoplán - SRTM). O Cjě dme Korespôni získat tzv. interferogram prvku lze SIR-C L, C BAND INTERFEROGRAMS FT. IRWIN, CALIFORNIA ětoda založená na rozdílu dvou interferogramů. Tímto postupem lze zjišťovat řádově centimetrové výškové rozdíly, ke kterým došlo v čase mezi pořízením obou interferogramů 1 %1 i ■ 1995 Hr 1 \ mí 999 0.2 0.4 0.ů 0.8 , Poklesy půdy v důsledku 10 těžby ropy - Družice ERS • detekce sesuvů • zemětřesných pohybů • měření výšky vodní hladiny • mocnosti sněhové pokrývky • tvorba digitálního modelu terénu • morfometrická analýza a topografické mapování • tvorba družicových ortofotomap a tématické mapován • zjišťování časových změn • geologické a hydrologické aplikace • výzkum kryosféry • regionální plánování • monitorování projevů vulkanismu TOPSAR (Topographic SAR) - nosič - letadlo DC-8, RADAR - C pásmo (6 cm), signál je přijímán na dvou anténách umístěných 2,6 metru od sebe. Produkuje DTM s vertikální přesností 1 až 3 metry v závislosti na komplexitě terénu, s horizontální přesností 5 až 10 metrů a to z plochy 10 x 50 km. IFSARE (nosič - letadlo LearJet36). RADAR - X-pásmo a dva anténní systémy. Systém vybaven diferenčním GPS a laserem. Výška letu 12 km, šířka snímaného území 10 km, rozlišení 2,5 metru. Produkuje DTM s vertikální přesností do 3 m. V období od 11. do 22. února 2000 bylo z raketoplánu nasnímáno území v rozsahu od 60° j.z.š. do 60° s. z. š. Tato měření slouží k sestavení výškového modelu Země SRTM - Pobřeží Omanu Tanzánie, kráter vyhaslé sopky Ngorongoro a údolí Olduvai. Výškový model terénu (223 x 223 km) vytvořený z radarových snímků raketoplán (SRTM) ERS SAR tandem color shaded DEM 29°55'0"E 30°5'0"E 30°15'O"E 40°55'O"N 4rj°50'0"N 40°45'0"N 40°40'0"N height values in meters (a.sJ.i - 1605 40°55'0"N 4rj°50'0"N 40°45'0"N 40°40'0"N 1 29°55'0"E SPILCE morphological evidence of fault scare Izmit, Turecko Model terénu sestavený z interferometrických měření družic ERS 1 a ERS 2 30 L 0Ů- 133 topographic sections crossing the fault line Signál je vysílán z nosiče kolmo k zemskému povrchu Radarové echo je zaznamenáno jednak jako časový interval mezi vysláním a přijetím signálu a jednak jako signál modifikovaný povrchem, od něhož se signál odrazil. Tvar křivky intenzity signálu pro hladký (a) a drsný (b) povrch Z tvaru křivky lze získat informaci nejen o výšce daného povrchu, ale také o jeho odrazových vlastnostech a drsnosti. Přesnost výškových měření může být lepší než 10 cm. • měření výšky hladiny oceánů • měření výšky povrchů pokrytých ledem • měření charakteristik vlnění (výška vln a jejich rychlost) • měření charakteristik pole větru • studium slapových jevů • studium mořských proudů • batymetrická měření • sestavení map dna světového oceánu • studium anomálií gravitačního pole Země • mapování výškových poměrů Antarktidy Zjišťování výšky hladiny oceánu s přesností 4-5 cm Pro každé místo na hladině světového oceánu s periodou 10 dní. March TOPEX/ Posseidon Difference ítom Mean Seo Level {mm} vm -m -AO 40 eo 12a Aktivní metody snímání - LIDAR (Light Detection And Ranging) Základní komponenty: • laserový skener • navigační systém (GNSS+INS). • laserové paprsky iBtti^i^M"' ^IHÍJSHÄ* w& ■■! • časový interval mezi vysláním a přijetím paprskem slouží k určení 3D polohy snímaného bodu. • Změna intenzity signálu slouží k určení charakteru objektu, od kterého se signál odrazil. znamnévlastnosti laserovéhosvetlšT" vysoká pulzní energie krátké trvání pulzu vysoká přenost měření vzdáleností (io~68m) úzká šíře paprsku dobře se odlišuje od ostatního záření negativní vliv vodní páry a aerosol - zeslabují záření (dosah) odražené sluneční světlo - někdy problém Typické hodnoty leteckých laserových systémů • Vlnová délka většinou 0,8-l,6|im • Trvání pulsu cca 5 ns • Frekvence měření 50-500 kHz Laserové skenování • Letecké skenery - DMT, mapování liniových staveb, 3D modely Přesnost 0,10- 0,50 m • Pozemní skenery - měření různých objektů (bližší vzdálenost, statika) Přesnost 0,001- 0,025 m, přesnější jsou omezené dosahem, méně přesné větší vzdálenost - doly, lavinové vzdálenosti, dosah až 2km • Mobilní skenery - mobilní mapování dopravního značení, inženýrských sítí, budov (streetview, panorama) • relativní přesnost 5-iomm (ALS Airborne Laser Scanning) • Laserový dálkoměr pevně spojený s letadlem vysílá kontinuálně pulsy z laserové diody pracující v blízkém IR spektru, (pro určení prostorových souřadnic je potřeba měřit vzdálenost k bodu, náklon od svislé osy - viz obr. a souřadnice skeneru v okamžiku vysílání pulsu), rozmítáním paprsku vzniknou otisky - footprint • Snímají: • jednotlivé diskrétní odrazy (Discrete Return DR) • celý průběh křivky (vlny) návratu signálu (Full-waveform skenery FWF) P( ývoj palubních palubních laserových systémů • Po delší a pomalejší vývojové etapě v 90. letech učinilo letecké laserové skenování velký pokrok v posledních 8 letech. Letecké laserové skenování (ALS) se stalo vedle snímkování významnou mapovací technologií. Obě technologie se používají pro mapovací účely (výškový digitální model snímková data pro tvorbu ortofotomap). • Přibližně 500 leteckých skenerů je používáno po celém světě. • V inženýrských aplikacích je požadována vysoká hustota přesně měřených dat (obvykle desítky bodů na metr čtvereční v sub-decimetrové přesnosti). Na druhé straně je voláno po větším pokrytí terénu (data musí být získána ze stále větší výšky létu). • Rozsah vlnových délek: NIR 0,7-1,4 \im, Green 0,45-0,55 \im, SWIR 1,4-3,0 |im Princip určení geometrické polohy • Obecně laserové skenery pracují na základě měření doby letu vyslaného paprsku. Jsou využívány dvě možnosti určení vzdálenosti: • čas letu laserového pulsu (je vyslán laserový puls a měří se čas mezi vysláním pulsu a přijmutím odrazu) • porovnání fáze (je vyslán paprsek, který je modulován harmonickou vlnou a vzdálenost k předmětu se vypočte jako fázový rozdíl mezi vyslanou a přijatou vlnou). Celková koncepce a hlavní komponenty ALS jsou dány tím, že pozice a orientace skeneru je průběžně měřena pomocí GNSS / IMU. Současně řada délek a odpovídajících snímacích úhlů se měří laserovým dálkoměrem a úhlovým snímačem, který je připojen k mechanismu skenování. Spojení těchto dvou sad měření vede k určení bodů (s X, Y, Z souřadnicemi). puizu - tvar viny Novější přístroje umí zaznamenat i plně digitalizovaný tvar vlny (Full-WaweFormProcessing) - několikanásobný odraz, závisí na tv; Range \ Initial pulse Intensity 1 First echo Intermediate echoes Last echo Vliv povrchu na tvar odražené vlny b c d e f Odrazivost (při odrazivosti povrchu 80% je konkrétní dosah dle tabulky od výrobce) Znečištění vzduchu, viditelnost, obsah aerosolu, prachu Rychlost skenování - pomalejší rychlost skenování znamená větší dosah RIEGL LMS-Q560 Range Performance Target Reflectivity [%] Dosah skeneru • příklad pro Riegl LMS- Q 680 • 30% odrazivost dohlednost 23 km dosah pro 80kHz 2400m dosah pro 240kHz 1500m • 30% odrazivost dohlednost 10 km dosah pro 80kHz 1950m dosah pro 240kHz 1300m Složení více systémů a jejich přesností GPS/IMU je cca 0,10 m (pro letadlo letící rychlostí 8om/sec s referenční stanicí vzdálenou do 50 km). Čím větší je výška letu, tím více se projeví chyby v úhlových hodnotách získaných pomocí inerciální jednotky. Přesnost rozmítání paprsku 5-iomgon je nutno připojit k chybám IMU (iomgon=i6cm/ikm). Přesnost laserového dálkoměru je 0,02- 0,03 m. Další náhodné chyby: efekt divergence paprsku (footprint), atmosférická refrakce, terénní vlivy, časová synchronizace, transformace souřadnic Celková přesnost ve výšce je v rozsahu 0,1-0,5 m, polohová přesnost 0,1-1 m. Rozdíl ze dvou náletů může být 25-30011 Rozdílné výsledky ze 4 náletů • Část paprsků z jednoho pulzu projde vegetací, část se odrazí v různých úrovních porostu. Pro eliminaci bodů, které mají měřenou vzdálenost ovlivněnou více odrazy jsou používány speciální filtry • Jelikož palubní laserové systémy neposkytují nadbytečná měření, doporučuje se mít v zájmovém území nezávislé údaje -"vlícovací plochy" • Vliv počasí je u ALS menší než u fotogrammetrického snímkování. Lze skenovat pod mraky a v noci. Využití je • pro tvorbu DMT, DMP • speciální mapování, např. dokumentace liniových staveb - vedení vysokého napětí. • Výsledkem je zaměření terénu, výšky porostů, prostorové polohy elektrických vodičů a stožárů. Výsledky měření, zpracování • Je vyřešena automatická klasifikace odrazů od země a ostatních povrchů. Řeší se otázky podrobnější tematické interpretace (fůze dat). • surová data - mračno bodů X,Y,Z • vícenásobné odrazy - možnost extrakce DMT, DMP • obarvení, filtrace (odstranění šumu, chyb) klasifikace do tříd (porosty, budovy), vektorizace, konverze do rastru • možné využití intenzity odrazu • specializované softwary, moduly (pluginy) pro GIS, CAD Letecké laserové skenování - svislý profil bodovým mračnem http://photogrammetrydevelopment.blogspotxom/search/label/Lida r%20Tutorial Letecké laserové skenování - svislý profil terénem plikace Tvorba digitálního modelu terénu Vodní hospodářství Lesní hospodářství Telekomunikace 3D vizualizace Digitální model povrchu - řeka Svitava Zdroj: http://www.geodis.cz/sluzby/letecky-laserscanning Digitální model terénu - řeka Svitava Zdroj: http://www.geodis.cz/sluzby/letecky-laserscanning Vodní hospodářství Letecké skenování - výsledek 3D model Telekomunikace Mapování průběhu el. vedení Flip7 Spot Dialog Dialog View Options Tools Drawing Layer inquire. Help Across Flight Path Along Flight Path Nej známější výrobci jsou firmy • Optech : skenery ALTM Orion(liniové objekty, Gemini (plošné mapování + DMT), Pegasus (universální typ s vysokou frekvencí 400 kHz při výšce letu 500m) • Leica Geosystems: skenery, ALS70-HA (plošné mapování až z výšky 5km), ALS70-HP, ALS70-CM (liniové objekty z výšky 200-1000m) • Riegl: skenery LMS - Q 680,LMS- Q 680i (použití je universální - topografické aplikace, mapování koridorů i městských oblastí, mapování území pokrytých ledem a sněhem, mapování elektrických vedení. Umožňuje Full-WaweForm Processing.), Toposys - skener LID AR. Optech ALTM Gemini