Objective Analysis and Data Assimilation

Fizyczne Podstawy Teledetekcji
Wykład 1
Krzysztof Markowicz
Instytut Geofizyki
Uniwersytet Warszawski
[email protected]
Uwagi ogólne
• Wykład dla wydziału Geografii, studia II stopnia
Specjalność: Geoinformatyka
• Specjalizacja: Teledetekcja
• Egzamin: pisemnym
• Termin: wtorek 15:15-17:00, sala 104a
• Konsultacje wtorek 17:00-18:00 pok. 427
2
Plan wykładu
•
•
•
•
•
Wprowadzenie do teledetekcji środowiskowej.
Zagadnienie odwrotne. Teledetekcja pasywna i
aktywna.
Podstawy fizyczne promieniowania
elektromagnetycznego, promieniowanie ciała
doskonale czarnego, podstawowe wielkości
opisujące promieniowanie.
Oddziaływanie promieniowania z materią.
Absorpcja promieniowana przez gazy
atmosferyczne oraz rozpraszanie promieniowania
przez chmury oraz aerozole. Odbicie
promieniowania od powierzchni Ziemi.
Transfer promieniowania w atmosferze.
Modele transferu radiacyjnego
3
• Fizyka detektorów promieniowania
elektromagnetycznego.
• Kalibracja przyrządów.
• Satelitarne systemy pomiarowe, rodzaje orbit, tryby
skanowania powierzchni Ziemi.
• Kolor oceanu, wyznaczanie albeda powierzchni oceanu.
Wyznaczanie koncentracji chlorofilu w wodzie. Pojęcie
poprawki atmosferycznej. Algorytmy teledetekcyjne
stosowane dla przyrządów SeaWIFS i MODIS
• Teledetekcja obszarów lądowych, zmienność spektralna
współczynnika odbicia w zależności od pokrycia terenu,
indeks NDVI.
• Wyznaczanie temperatury powierzchni oceanów SST
•
•
•
•
•
•
•
Wykorzystanie radaru do pomiarów poziomu oceanów
(projekt Topex/Posejdon). Omówienie pierwszego
radaru meteorologicznego na orbicie (TREM).
Wykorzystanie systemu GPS do pomiarów zawartości
pary wodnej w atmosferze.
Teledetekcja ozonu stratosferycznego.
Przegląd satelitów środowiskowych.
Techniki pomiarowe oraz algorytmy satelitarne
stosowane do wyznaczania własności optycznych
aerozoli na podstawie pomiarów przyrządami MODIS,
AVHRR i MISR.
Wykorzystanie metod teledetekcyjnych do
wyznaczania koncentracji gazów śladowych (metoda
LIMB) oraz profili pionowych temperatury powietrza.
Badania teledetekcyjne chmur.
5
Literatura
• Materiały przygotowane przez wykładowcę
http://www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/wyklady/FizycznePodstawyTeledetekcji/
• G. L. Stephens, Remote Sensing of the Lower
Atmosphere. An Introduction.
• G. W. Petty, A First Course in Atmospheric Radiation.
• W.G.Rees "Physical principles of Remote Sensing"
University Press, Cambridge
• P.N.Slater "Remote Sensing-optics and optical systems”
Addison-Weslay Publishing Company
6
Teledetekcja
TELE ( gr. Tele = daleko)
-działający, osiągany z dużej odległości
-DETKCJA (łac. Detectio) -wykrywanie dowolnych
sygnałów, w tym przypadku promieniowania
elektromagnetycznego
TELE + DETECTIO = TELEDETEKCJA
7
TELEDETEKCJA ŚRODOWISKA
to badanie obiektów, zjawisk i procesów zachodzących na
powierzchni Ziemi pod jej powierzchnią i w atmosferze,
za pomocą rejestracji promieniowania
elektromagnetycznego, analizy zarejestrowanych danych w
celu uzyskania informacji, które po interpretacji tworzą
wiedzę o badanych obiektach i zjawiskach.
Teledetekcja środowiska zajmuje się zarówno
poszczególnymi komponentami środowiska jak i jego
całością (strukturą), a także zjawiskami zachodzącymi w
środowisku i jego strukturalnych częściach.
• W swoich badaniach posługuje się rożnymi metodami
wypracowanymi w trakcie jej rozwoju jak też metodami
zaczerpniętymi z różnych dziedzin wiedzy i
przystosowanymi do potrzeb badań teledetekcyjnych.
8
9
Ważniejsze daty rozwoju telegeoinformacji
fotografia:
• 1720 - J.Schulze - odkrywa światłoczułość azotanu srebra
• 1819 - Jan Fryderyk Wilhelm Herschel odkrywa tiosiarczan sodu, poźniej
wykorzystywany jako utrwalacz
• 1820 -J.Niecephore (Niepce)- światłoczułość posrebrzanej płyty miedzianej
• 1827 - Pierwsze zdjęcie fotograficzne na metalowej płycie pokrytej asfaltem
syryjskim
• 1891 - Pierwsze zdjęcia barwne
• 1900 – Pierwsza kamera do fotografii wielospektralnej
• 1909 – pierwsze zdjęcia wykonane z samolotu (Wilbur Wright)
• 1910 – Stereoautograf Orela-Zeissa do opracowywania serii zdjęć
stereskopowych
• 1915 – Wykorzystanie zdjęć lotniczych do rozpoznania wojskowego w
czasie I wojny światowej
• 1920 – pierwsze wykorzystanie zdjęć lotniczych do rozpoznania
geologicznego przy poszukiwaniach ropy naftowej
• 1937 – Pierwsze zastosowanie w fotografii lotniczej filmu barwnego
• 1964 – Program NASA badania użyteczności fotografii wielospektralnej w
badaniach zasobów Ziemi
METODY NIEFOTOGRAFICZNE
• 1800 – Odkrycie przez Wiliama HERSCHELA promieniowania
podczerwonego
• 1889 – HERTZ przedstawia eksperyment pokazujący odbicie fal
radiowych od ciał stałych
• 1916 – Wykorzystanie termostosu do wykrywania efektów cieplnych
• 1930 – Pierwsze próby (Anglia, Niemcy) systemów termalnych
przystosowanych do pracy w nocy
• 1940 – Początki prac związanych z opracowaniem systemów radarowych
• 1950 – Szeroki rozwój prac nad systemami termalnymi
• 1960 – Intensywne prace nad różnymi detektorami pozwalającymi na
budowę urządzeń obrazujących, radiometrów nieobrazujacych,
skanerów, spektrometrów i polarymetrów
• 1968 – pierwsze prace nad systemami laserowymi
Rozwój satelitarnych badań atmosfery i
oceanów
• 1959 satelita Exporer 7 do badania budżetu energetycznego
Ziemia-Atmosfera
• 1960 TIROS I – pierwszy satelita meteorologiczny wykonujący
fotografie chmur
• 1969 NIMBUS III – zaopatrzony w dwa spektrometry IRIS działające
w dalekiej podczerwieni do wyznaczania profilu pionowych
temperatury powietrza, pary wodnej, ozonu oraz w przyrząd do
pomiary promieniowania UV. Służył on do wyznaczania całkowitej
zawartości ozonu w pionowej kolumnie powietrza.
• 1972 NIMBUS V – zastosowano pierwsze detektory mikrofalowe do
wyznaczania temperatury atmosfery oraz całkowitej zawartości pary
wodnej.
• 1974 SMSI – pierwszy satelita geostacjonarny używany do
fotografowania chmur nad półkulą północną, jego następcy to GOES
• 1977 METEOSAT I – satelita Europejskiej Agencji Przestrzeni
Kosmicznej początkujący serie METEOSATÓW
12
Kilka dat z historii przyrządów do
rejestracji obrazów
• XI-XV w. - „camera obscura” -ciemnia optyczna - obraz odwrócony
• XVII w. - „camera clara” (system optyczny: obiektyw - lustro matówka)
• obraz prosty. Beautemps-Beaupre sporządził obrys wybrzeża wyspy
Santa Cruz, wykorzystane do sporządzenia ma topograficznych
• 1821 - obiektyw achromatyczny (Chevalier)
• 1893 - obiektyw anastygmatyczny,
• Fototeodolit
• Początek XX wieku - różnego rodzaju kamery jedno i
wieloobiektywowe do wykonywania zdjęć lotniczych najpierw z
balonów potem samolotów
ŚRODKI DO PRZENOSZENIA KAMER
BALONY
• 1858 -1859 G.F.TOURNACHON - zdjęcie niewielkiej miejscowości w
pobliżu Paryża (wysokość fotografowania 80 -200 m)
• 1860 -James Wallace BLACK - zdjęcie miasta i portu w Bostonie
(wysokość fotografowania 365 m)
• 1886 - KOWAŃKO - zdjęcia Petersburga (wysokość fotografowania
800 - 1350 m)
SAMOLOTY
• 1909 - Wilbur WRIGHT - Zdjęcie filmowe Centotelli we Włoszech
SATELITY
• 1960 - PIERWSZE SATELITARNE ZDJĘCIE TELEWIZYJNE
• 1972 - PIERWSZY SATELITA OPERACYJNY DO BADAŃ
ŚRODOWISKA LĄDOWEGO LANDSAT-1 (ERTS)
• 1978 -PIERWSZY SATELITA DO BADAŃ MÓRZ I OCEANÓW
(SESAT)
• 1991 - PIERWSZY RADAROWY SATELITA EUROPEJSKI DO
BADAŃ ŚRODOWISKA (ERS-1)
Polska
• 1921-1924 Dla pogranicza polsko-sowieckiego wykonano
fotoplany w skali 1:10 000, dla powierzchni 3000 km2
• Do roku 1939 Zdjęcia lotnicze były wykorzystywane do
celów:
URBANISTYCZNYCH
• B. Piasecki (1930 - Plany miast na podstawie zdjęć
• lotniczych)
• Roman Feliński (1935 - Miasta, wsie uzdrowiska w
• osiedleńczej organizacji kraju)
MELIORACYJNYCH
• Roman Gryglaszewski (1931 - Zdjęcia sytuacyjne rzek
• Polesia metodą aerofotogrametryczną)
ROLNICZYCH
• 1937 - 1939 Do klasyfikacji gruntów
LEŚNICTWA
• 1947 - Rozpoczęcie fotografowania lotniczego do celów
topograficznych
Pierwsze zdjęcie lotnicze z terenu Polski, wykonane
prawdopodobnie w styczniu 1915 roku, przez 10Fl.K
(Fligerkompanien) z samolotu LOHNER C
GORLICE – 1914/1915
Wprowadzenie do pomiarów
teledetekcyjnych
• METODY TELEDETEKCYJNE są metodami zdalnym w
przeciwieństwie do pomiarów typu in-situ, które
wykonywane są w danym miejscu. Ich ogromną zaletą
jest duży zasięg prowadzonych obserwacji jednak
interpretacja sygnałów pomiarowych jest znacznie
bardziej skomplikowana i wymaga często stosowania
metod odwrotnych. Metody te wymagają użycia teorii
transferu promieniowania elektromagnetycznego w
atmosferze (czasami również w oceanie) a w
szczególności teorii rozpraszania oraz absorpcji.
• Z całego widma promieniowania analizowane są takie
przedziały spektralne, w których promieniowanie
elektromagnetyczne oddziaływuje z materią (molekuły
powietrza, aerozol, chmury, powierzchnia ziemi). W
ogólności sygnał S odbierany przez detektor może być
zapisany w postaci:
17
• S=F(T),
• gdzie, T jest badanym obiektem,
F reprezentuje zaś pewną
funkcję.
• Funkcja ta opisuje procesy
radiacyjne w ośrodku i jest
najczęściej funkcją nieliniową.
Funkcja odwrotna F-1 opisuje nam
badany obiekt, ze względu na
relację:
T=F-1(S).
W większości przypadków, z
jakimi mamy do czynienia w
teledetekcji funkcji odwrotnej F-1
nie możemy wyznaczyć. W takim
przypadku poszukujemy pewnych
parametrów naszego „targetu”,
które najlepiej odpowiadają
zmierzonemu sygnałowi.
problem bezpośredni
S=F(T)
Signal
(S)
Target
(T)
T=F-1(S)
problem odwrotny
18
19
Przykład cd.
• Problem bezpośredni na podstawie wiedzy na temat
wagi, wysokości, wieku, wielkości kończyn smoka
wyznaczamy kształt śladów jakie zostawia na piasku,
śniegu itd.
• Problem odwrotny – na podstawie śladów staramy
się wywnioskować jakie zwierze je pozostawiło, ile
miało lat, ile ważyło itd. Zadanie to jest znacznie
trudniejsze do rozwiązania. Niejednokrotnie
udzielenie odpowiedzi na pewne pytanie jest w
ogólne niemożliwe np. jaki kolor sierści miało to
zwierze?
20
• W rzeczywistości problem jest jeszcze bardziej
skomplikowany. Wyobraźmy sobie, że „pozostawione
ślady” zasypuje wiatr. Taką rolę w teledetekcji
powierzchni Ziemi odgrywa atmosfera czy też
powierzchnia Ziemi w teledetekcji parametrów
atmosferycznych.
• W tym przypadku pewnym ułatwieniem są dodatkowe
informacje np. pozostawiony włos z sierści smoka czy
pomiary w różnych długościach fali w przypadku
teledetekcji środowiskowej.
21
Przykład – dlaczego liście widzimy jako zielone?
Liście na drzewach są zielone gdyż z całego widma
promieniowania które pada na liść tylko promieniowanie
odpowiadające barwie zielonej jest rozpraszane i dociera
do oka reszta zaś jest absorbowana przez liść (widmo
niebieskie oraz widmo czerwone oraz promieniowanie
podczerwone)
22
• Podstawowym problemem, jaki napotykamy w metodach
odwrotnych jest brak jednoznacznego rozwiązania.
• Wynika to z faktu, iż nasz problem jest najczęściej
problemem niedookreślonym ze względu na większą liczbę
parametrów które chcemy wyznaczać w stosunku do liczny
niezależnych obserwacji.
• Np. w przypadku wyznaczania profilu temperatury w
atmosferze zazwyczaj mamy pomiary w kilkunastu czy w
kilkudziesięciu kanałach spektralnych, zaś naszą
niewiadomą jest funkcja ciągła. Dlatego temperaturę
powietrza wyznacza się tylko dla kilku lub kilkunastu warstw
powietrza.
• W innym przypadku gdy chcemy wyznaczyć zawartość
chlorofilu w wodzie morskiej kluczową rolę odgrywa
atmosfera gdyż na sygnał docierający do satelity wpływ od
chlorofilu jest na poziomie kilku procent. Bez odjęcia
czynnika atmosferycznego koncentracji chlorofilu nie można
wyznaczyć. Własności optyczne atmosfery zmieniają się
23
istotnie i stanową kolejne niewiadome w zadaniu.
• Poza niejednoznacznością pojawia się problem
stabilności rozwiązania oraz problem uzyskania tego
rozwiązania.
• Niestabilności rozwiązania mogą pojawia się np. ze
względu na błędy obserwacyjne lub błędne założenia
poczynione na temat własności fizycznych badanego
ośrodka.
• W wielu metodach teledetekcyjnych problem odwrotny
sprowadza się do równania Fredholma pierwszego
rodzaju
b
g i   K i (x )f ( x )dx
a
• gdzie funkcja f(x) może opisywać np. profil pionowy
temperatury atmosfery, K(x) jest jądrem (zależnym od
fizyki problemu), zaś gi wartościami promieniowania w „i”
24
kanałach spektralnych.
• Jeśli uwzględnić niedokładności pomiarowe równania
Fredholma sprowadza się ono do równania
b
g i   i   K i (x)f ( x)dx
a
• gdzie błędy i mogą powodować znacznie zmiany profilu
funkcji f(x). Czułość rozwiązania na błędy pomiarowe
jest rzeczą bardzo niepożądana. Można ją jednak
minimalizować poprzez odpowiedni dobór obszaru
spektralnego dla którego wykonujemy pomiary
promieniowania. Ponadto poprzez założenia a priori
dotyczące własności optycznych atmosfery, powierzchni
Ziemi itd..
25
Teledetekcja aktywna
• Wykorzystuje się w niej sztuczne źródła
promieniowania elektromagnetycznego, takiej jak
lasery, radary. Emitują one fale o określonej długości,
zaś detektory rejestrują promieniowanie rozproszone,
odbite wstecznie.
• Ostatni rozwój technik lidarowych i radarowych
bazuje na metodach różnicowych czy
depolaryzacyjnych pozwalających detekcje pary
wodnej, aerozoli, gazów śladowych czy parametrów
mikrofizycznych chmur.
27
Teledetekcja pasywna
• Używa naturalnych źródeł promieniowanie
elektromagnetycznego takich jak Słońce,
powierzchnia ziemi i czy atmosfera.
• W badaniach atmosfery wykorzystuje się szerokie
widmo promieniowania począwszy od UV przez
promieniowanie widzialne, podczerwone po
mikrofale.
• Pasywna teledetekcja dostarcza informacji o
temperaturze powierzchni ziemi, atmosfery, profilach
pionowych koncentracji składników atmosferycznych
ponadto jest wykorzystywana do pomiaru bilansu
energetycznego na górnej granicy atmosfery.
28
29
30
Ogólny algorytm odzyskiwania wielkości
atmosferycznych
obserwacje satelitarne
wyznaczane wielkości
walidacja
kalibracja
metody odwrotne w
oparciu o modele
transferu radiacyjnego
czytanie formatu danych
informacje
klimatyczne
dowiązanie geolokacji
wybór pikseli
chmurowych lub
czystych
31