Přednáška v rámci předmětu Základy geoinformatiky, katedra geografie FP TUL

1. … po tisíciletí měl člověk představu jen o jeho
vlastním území, o místě, kde se narodil a žil.
Poznání teritoria za jeho hranicemi pro člověka
znamenalo odchod z jeho vesnice;
A každý člověk přesahující rozhledem jeho území
se stává obyvatelem Země…
Eratosthenes (275-193 BCE)
1
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

2. Základy geoinformatiky|Jiří Šmída
Základy geoinformatiky
Téma 3: Dálkový průzkum Země - úvod
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

3. Obsah přednášky
1. Definice pojmu a oboru DPZ
2. Struktura DPZ
3. Fyzikální podstata DPZ
4. Charakteristika spektrálních oblastí E-M
záření
5. Ovlivnění E-M záření
6. Spektrální chování povrchů
7. Metody pořizování dat DPZ
3
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

4. 1. Definice DPZ
Dálkový průzkum Země

5. Definice oboru
• DPZ: dálkový průzkum Země
• RS: Remote Sensing
• DPZ je získávání informací o objektech a jevech na dálku bez
přímého kontaktu s těmito jevy nebo objekty.
5

6. Definice
• Dálkový průzkum je věda i umění získávat užitečné informace o
objektech, plochách či jevech prostřednictvím dat měřených na
zařízení, která s těmito zkoumanými objekty, plochami či jevy
nejsou přímo v kontaktu.
(Lillesand, Kiefer 1994)
• Dálkový průzkum je shromažďování informací o přírodních zdrojích
s využitím snímků pořízených senzory umístěnými na palubách
letadel nebo družic.
(Bob Ryerson, CCRS)
6

7. Definice „ne-vážně“
• Dálkový průzkum je umění rozdělit svět na množství
malých barevných čtverečků, se kterými si lze hrát na
počítači a odhalovat jejich neuvěřitelný potenciál, který
vždy přesahuje naše možnosti.
(Jon Huntington, CSIRO Exploration, Geoscience,
Australia)
• Dálkový průzkum je nejdražší způsob, jak vytvořit
obrázek. (Andrew Bashfield, Intergraph Corporation)
7

8. 2. Struktura DPZ
Dálkový průzkum Země

9. Struktura procesu DPZ
A. Zdroj energie a světla
B. Záření a atmosféra
C. Kontakt s předmětem
D. Zaznamenání odražené
energie senzorem
E. Přenos, přijetí a
zpracování dat
F. Interpretace a analýza
dat
G. Využití informací
9

10. 3. Fyzikální podstata DPZ
Dálkový průzkum Země

11. Východisky pro metody DPZ jsou:
 objekty na zemském povrchu pro ně
charakteristickým způsobem ovlivňují okolí
 distanční metody zaznamenávají hodnoty
elektromagnetického záření
 viditelná část je zaznamenatelná lidským zrakem
 vyvinuli jsme přístroje schopné zaznamenat další
části elektromagnetického záření
 E-M záření lze kvantifikovat
11

12. Elektromagnetické spektrum
 energie elektromagnetického záření spočívá ve vlnění –
šíří se v prostoru ve tvaru tzv. elektromagnetické vlny
 2 komponenty (sinusoidy): elektrická vlna (E), magnetická vlna (M)
 svírají navzájem pravý úhel
 šíří se rychlostí světla c
 Charakteristiky:
 vlnová délka ( ),
 frekvence (f)
12

13. Elektromagnetické spektrum -
charakteristiky
 Vlnová délka λ je vzdálenost mezi sousedními vrchy
 JEDNOTKA: metr, mikrometr 10-6 m (μm), centimetr 10-2 m
(cm)
 Perioda T je doba jednoho cyklu = mezi následnými
stejnými velikostmi
 složky (např. vrchy) JEDNOTKA: sekunda
 Frekvence f je převrácená
hodnota doby jedné periody,
udává počet cyklů za sekundu
 JEDNOTKA: s-1 = hertz (Hz)
13

14. Spektrum E-M záření
 je spojité
14

15. Spektrum E-M záření
 podle vlnové délky se dělí do několika oblastí
= konvence
15

16. 4. Charakteristika spektrálních
oblastí E-M záření
Dálkový průzkum Země

17. Charakteristika oblastí E-M spektra
využitelného v DPZ
 ultrafialové záření (0,1–0,4
µm)
 viditelné záření (0,1–0,7
µm)
 infračervené zář. blízké
(0,7–1,4 µm)
 infračervené zář. střední
(1,4–3,0 µm)
 tepelné záření (3 µm až 1
mm)
 mikrovlnné záření
(1 mm až 1 m)
17
Zdroj: http://science-edu.larc.nasa.gov/EDDOCS/Wavelengths_for_Colors.html

18. UV záření (0,1–0,4 µm)
 k povrchu propouštěna jen malá část (výrazné
pohlcování atmosférou)
 monitorování ropných skvrn, ložiska zlata (geologické
aplikace)
Zdroj: http://www.watertreatmentguide.com/ultraviolet_systems.htm

19. Viditelné záření (0,1–0,7 µm)
 jedno z největších
atmosférických oken
 v čisté a suché atmosféře
ovlivňováno jen velmi málo
 aerosol - rozptyl a
pohlcování
 zdroj = Slunce (pouze den)
 schopnost procházet vodním
sloupcem (modrá část)
 většina družicových systémů
poskytuje data v této části
spektra
Zdroj: http://vertebratepest.wordpress.com/tag/wavelength/

20. Viditelné záření
Viditelná část: barvy
Červená: 0,620–0,700 m
Oranžová: 0,592–0,620 m
Žlutá: 0,578–0,592 m
Zelená: 0,500–0,578 m
Modrá: 0,446–0,500 m
Fialová: 0,400–0,446 m

21. 21

23. Infračervená část (0,7 µm – 1,0 mm)
Infračervená část

24. Blízké IČ záření
 blízké – pokračování viditelného – chování podobné
– lze zaznamenávat konvenčními metodami i
elektronicky
 méně pohlcováno a rozptylováno – snímky ostré s
dobrým kontrastem
 topografické účely, studium vegetace (lesnictví,
zemědělství)
 voda se chová téměř jako absolutně černé těleso
24

25. Střední IŠ záření
 Infračervené záření - střední
 vegetační a geologické studie
 rozpoznávání ledu a sněhu
 odlišení oblačnosti
 studium zdravotního stavu vegetace
25

26. Vzdálené IČ - tepelné záření
 dvě atmosférická okna
 teplená bilance objektů
 zjišťování povrchové teploty oceánů (SST)
 mapování tepelného znečištění řek a jezer,
krajiny
 lokalizace lesních požárů
 poměrně značně ovlivňováno atmosférou
 pouze kvalitativní údaje
26

29. 29
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

31. Mikrovlnné záření
několik pásem
31

32. Mikrovlnné záření
 pasivní snímání
 aktivní = radary
 dlouhé vlnové délky mohou za určitých
podmínek pronikat i pod povrch
 nejméně závislé na podmínkách počasí
 meteorologické aplikace (srážkové oblasti,
intenzita srážek)
 plovoucí led, geomorfologie, výškové poměry
 nejintenzivnější rozvoj
32

34. 5. Ovlivnění E-M záření
Dálkový průzkum Země
34

35. Ovlivnění E-M záření atmosférou
Vlivy atmosféry na charakteristiky záření závisí na
těchto faktorech:
• délce dráhy, kterou toto záření prochází atmosférou
• velikostí emitovaného signálu
• atmosférických podmínkách
• vlnové délce
35

36. Interakce s atmosférou
záření je ovlivňováno především pohlcováním a rozptylem

37. Interakce s atmosférou
 Rozptyl
 Molekulární (Rayleighův) rozptyl – částice, které mají
mnohem menší rozměr než vlnová délka – ovlivňuje
především krátkovlnné záření
 Aerosolový rozptyl rozptylující částice větší než vlnová
délka záření – vodní pára, prach
 Neselektivní rozptyl – nezávisí na vlnové délce – velké
částice – vodní kapky
 Pohlcování
 Hlavní pohlcující plyny jsou ozón, CO2, vodní pára

38. Atmosférická okna
 Části elektromagnetického spektra, které nejsou
ovlivňovány pohlcováním a rozptylem

39. 6. Spektrální chování povrchů
Dálkový průzkum Země
39

40. Interakce s povrchem - ZÁVĚRY
 V závislosti na chemickém složení a aktuálním
fyzikálním stavu bude možno každý typ povrchu
charakterizovat podle odraženého záření
 Spektrální odrazivost
 Spektrální chování

41. POJMY
spektrální chování objektů
spektrální odrazivost
spektrální křivka odrazivosti
spektrometrie
vegetační indexy (leaf area index)
spektrální příznaky
41

42. E-M záření na cestě
 záření je částečně absorbováno i odráženo
42

43. Co má vliv na množství odraženého a
emitovaného záření?
 druh látky nebo objektu
 např. jeho chemické složení
 fyzikální stav
 např. obsah vody, zhutnění povrchu, drsnost
povrchu
 stav okolí
 např. propustnost atmosféry
43

44. Spektrální odrazivost
(spectral signature)
= „množství odraženého záření“
 ρ (λ)
 poměr intenzity odraženého záření (Mr) a
intenzity záření dopadajícího (Mi) na určité
vlnové délce λ
Mr( )
( ) .100 %
Mi ( )
44

45. Jak lze využít spektrální odrazivosti?
 každá látka (objekt, povrch) na zemském
povrchu se vyznačuje svojí vlastní spektrální
charakteristickou (hodnotou ρ (λ))
 některé objekty jsou dobře rozpoznatelné na
snímcích viditelného spektra, jiné na
snímcích IR spektra záření
 studujeme, jak intenzivně určitý druh látky
(objektu/povrchu) odráží/emituje v té které
části E-M záření
45

46. Spektrální křivka odrazivosti
spectral response curve
%
Jak graficky znázornit, že zelený list odráží nejvíce
záření na vlnové délce 0,500–0,578 m?
odrazivost (ρ)
Jak graficky popsat
spektrální chování povrchu?
30 %
20 %
0,7 µm 0,9 µm vlnová délka (λ) délkové jednotky
46
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

47. Spektrální křivka odrazivosti
spectral response curve
47

48. Spektrální křivka odrazivosti
spectral response curve
48

49. Spektrální chování
 Každý prostorový prvek má
konkrétní a kontinuální
průběh spektrální křivky,
která jej odlišuje od jiných
prvků, čehož lze využít pro
jeho rozpoznání
 křivka se mění dle
fyzikálního stavu objektů
49

50. Spektrální chování objektů
 SPEKTROMETRIE = disciplína studující
odrazové vlastnosti objektů
 stanovení spektrální křivek pro různé druhy
povrchů, jejich vlastností a okamžitých
fyzických stavů
a. spektrální projev vegetace
b. spektrální projev vody
c. spektrální projev půdy
50

51. Spektrální chování vegetace
51
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

52. a. Spektrální chování vegetace
 vegetace zastoupena (téměř) na všech
snímcích DPZ: je nezbytné klasifikovat druh
vegetace a její fyz. stav
 využíváme odrazových vlastností listů (jehlic)
52

53. Důležité faktory ovlivňující spektrální
chování vegetace:
 vnější uspořádání vegetačního krytu
 vnitřní uspořádání jednotlivých částí rostlin
 obsah vody
 zdravotní stav
 vlastnosti půdního substrátu
53

54. typické spektrální chování vegetace
(ideálního listu)
vlnové délky používané v DPZ vegetace:
A – modré záření
B – zelené
C – červené
D – blízké IČ
E – krátkovlnné IČ
54

55. A: Oblast zelených barviv
 určující pigmenty chlorofyl a karoteny; lokální
maximum odrazivosti v zelené části spektra
(= příčina zelené barvy vegetace)
55

56. B: Oblast buněčné struktury
 výrazný nárůst odrazivosti kolem 0,7 µm
 dáno morfologickými vlastnostmi listu a zvýrazněno více
vrstvami listů  stanovení míry hustoty vegetačního krytu
(index listové pokryvnosti LAI – leaf area index)
56

57. C: Oblast vodní absorpce
 odrazivost nepřímo úměrná obsahu vody v
listu
 zjištění vodního stresu rostlin
57

58. Vegetační indexy
 ukazatelé míry přítomnosti zelené hmoty a
jejího zdravotního stavu
58

59. Využití
 sdfsdf
59

60. Spektrální chování vody
60
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

61. b. Spektrální chování vody
 voda téměř na všech snímcích
 poměrně homogenní látka (oproti jiným)
 různé skupenství s odlišnou odrazivostí
 pokud je přítomna v jiných objektech,
modifikuje jejich spektrální chování
61

62. b. Spektrální chování vody
 kapalná voda se vyznačuje velmi nízkou odrazivostí ve všech
vlnových délkách
 max. odrazivosti ve viditelné části spektra
 v IR téměř absolutně černé těleso
 příměsi (plankton – chlorofyl, znečištění – plaveniny) 
odrazivost roste
 zjišťování hloubky mělkých nádrží (do 20 m)
62

63. b. Spektrální chování vody
 sníh a led mají ve viditelné a blízké IR části
spektra vysokou odrazivost
 vliv stáří sněhu, hustoty, znečištění
 radar v X-pásmu odliší stáří ledu, mocnost
ledu
 odlišení oblačnosti a ledu/sněhu ve středním
IR spektru
63

64. Spektrální chování půdy
64
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

65. c. Spektrální chování půdy
 půda heterogenní (komplex biotických a
abiotických částí)
 vlivy:
 minerální složení
 půdní vlhkost
 obsah organických látek
 textura (drsnost) půdního povrchu
65

66. c. Spektrální chování půdy
 s narůstající vlhkostí půdy se snižuje
odrazivost (a: 5 %, b: 20 %, c: 40 %)
 hrubé písčité půdy – vyšší odrazivost
 jílovité půdy – nižší odrazivost
66

67. 7. Metody pořizování dat DPZ
Dálkový průzkum Země
67

68. POJMY
metody konvenční a nekonvenční
metody pasivní a aktivní
fotografie
snímací rozkladová zařízení
radiometr
skener – mechanooptický a elektrooptický
systémy multispektrální a hyperspektrální
obrazový prvek (pixel)
68

69. Konvenční a nekonvenční metody
V DPZ měříme intenzitu odraženého nebo
emitovaného E-M záření
Známe dva způsoby – metody tohoto měření:
konvenční a nekonvenční
69

70. Konvenční metody
 klasické metody
 založeny na exponování filmu ve fotografické
komoře
 chemická reakce na citlivé vrstvě
fotografického papíru
 obraz vytvářen tzv. centrální projekcí (tedy v
jednom okamžiku)
 výsledkem fotografie
 lze zaznamenat 0,3–0,9 µm
 velké prostorové rozlišení
70

71. Nekonvenční metody
 dnes především systémy snímacích
rozkladových zařízení
 vytváří obraz po jednotlivých řádcích
rovnoběžně nebo kolmo k dráze letu nosiče
 převažují metody pasivní
71

72. Rozdíly nekonvenčních metod od
konvenčních
1. Odlišná technika vytváření obrazu (dynamicky po
jednotlivých pixelech)
2. Velké spektrální rozlišení (0,3–14,0 µm)
3. Omezené prostorové rozlišení (desítky cm až
desítky/stovky metrů, nejčastěji ale od jednotek
metrů)
4. Vznik specifických geometrických zkreslení u
multispektrálního snímkování
5. Obrazy zaznamenány elektronicky
6. Využitelnost počítačového prostředí pro analýzy
(GIS)
72

73. RADIOMETR
Snímací rozkladová zařízení
 dva základní druhy:
 mechanooptický skener
 elektrooptický skener
 radiometr – přístroj na měření radiace (množství
odraženého nebo emitovaného E-M záření) z
určité elementární plochy zemského povrchu v
určitém intervalu spektra
73

74. Elektrooptické snímací rozkladové
zařízení (stírací)
 řádkové pole detektorů
(označovaných CCD)
 každý detektor registruje
záření z plochy jednoho
pixelu
 skener je spolehlivější
 má lepší rozlišovací
schopnosti
74

75. Multispektrální a hyperspektrální
 multispektrální zařízení – záznam
odrazivosti vymezeného území v několika
intervalech spektra
 hyperspektrální zařízení – záznam v
několika stovkách úzce vymezených
spektrálních intervalů
75

76. Digitální obrazový záznam
 analogový (kontinuální) signál je
převáděn na signál diskrétní
představující nejčastěji hodnotu
radiace
 matice dat o určitém počtu řádků
a sloupců
 jednotka = obrazový prvek (pixel)
 rozměr pixelu odpovídá
prostorovému rozlišení záznamu
 každý pixel nese jedno číslo (tzv.
gidital number – DN)
76

77. Rozlišovací schopnosti digitálních
obrazových záznamů
 rozlišovací schopnost jednou ze základních
charakteritik každého snímacího zařízení
 definujeme 4 základní typy rozlišovacích
schopností:
radiometrická spektrální prostorová časová
77

78. 4 rozlišovací schopnosti obrazových dat DPZ
• určena citlivostí detektoru na sílu signálu, který
radiometrická zaznamenává
• udává šířku intervalu vlnových délek E-M
spektra, ve kterém senzor zaznamenává E-M
spektrální záření
• panchromatické pásmo = zaznamenává celé
viditelné spektrum
• udává nejmenší objekt, který může být na
prostorová snímku ještě rozpoznán
• dáno velikostí jednoho pixelu
• udává, jak často systém poskytuje snímky
časová daného území
• nejvyšší prostorová schopnost u
geostacionárních družic (30 minut)
78
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

79. děkuji za pozornost
jiri.smida@tul.cz
79
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci