Jordfjernmåling | |
---|---|
Modsatte | observation på stedet [d] |
Mediefiler på Wikimedia Commons |
Fjernmåling af jorden (ERS) - observation af jordens overflade ved jord-, luftfarts- og rumfaciliteter udstyret med forskellige typer billedbehandlingsudstyr . Driftsområdet for bølgelængder modtaget af billedbehandlingsudstyret spænder fra brøkdele af en mikrometer ( synlig optisk stråling) til meter ( radiobølger ). Lydmetoder kan være passive, det vil sige at bruge den naturlige reflekterede eller sekundære termiske stråling af objekter på jordens overflade på grund af solaktivitet og aktive ved at bruge stimuleret stråling af objekter initieret af en kunstig retningsbestemt kilde. Fjernmålingsdata opnået fra et rumfartøj (SC) er karakteriseret ved en stor grad af afhængighed af atmosfærens gennemsigtighed . Derfor bruger rumfartøjet multikanaludstyr af passive og aktive typer, som detekterer elektromagnetisk stråling i forskellige områder.
Fjernmålingsudstyr fra det første rumfartøj, der blev opsendt i 1960'erne-1970'erne. var af sportypen - projektionen af måleområdet på Jordens overflade var en linje. Senere dukkede fjernmålingsudstyr af en panoramisk type op og blev udbredt - scannere, hvis projektion af måleområdet på jordens overflade er en strimmel.
Jordens fjernmålingsrumfartøjer bruges til at studere jordens naturressourcer og løse meteorologiske problemer . Rumfartøjer til undersøgelse af naturressourcer er hovedsageligt udstyret med optisk eller radarudstyr, fordelene ved sidstnævnte er, at det giver dig mulighed for at observere jordens overflade på ethvert tidspunkt af dagen, uanset atmosfærens tilstand, se engelsk. Radar billeddannelse .
Fjernmåling er en metode til at indhente information om et objekt eller et fænomen uden direkte fysisk kontakt med dette objekt. Fjernmåling er en delmængde af geografi . I moderne forstand refererer udtrykket hovedsageligt til luftbårne eller rumbårne sanseteknologier med det formål at detektere, klassificere og analysere genstande på jordens overflade samt atmosfæren og havet ved hjælp af udbredte signaler (for eksempel elektromagnetisk stråling). De er opdelt i aktiv (signalet udsendes først af et fly eller en rumsatellit) og passiv fjernmåling (kun et signal fra andre kilder, såsom sollys, optages).
Passive fjernmålingssensorer registrerer et signal, der udsendes eller reflekteres af et objekt eller et tilstødende territorium. Reflekteret sollys er den mest almindeligt anvendte strålingskilde, der detekteres af passive sensorer. Eksempler på passiv fjernmåling er digital- og filmfotografering, anvendelse af infrarød, ladningskoblede enheder og radiometre .
Aktive enheder udsender til gengæld et signal for at scanne objektet og rummet, hvorefter sensoren er i stand til at detektere og måle den stråling, der reflekteres eller dannes ved tilbagespredning af sansemålet. Eksempler på aktive fjernmålingssensorer er radar og lidar , som måler tidsforsinkelsen mellem udsendelse og registrering af det returnerede signal og dermed bestemmer et objekts placering, hastighed og retning.
Fjernmåling giver mulighed for at indhente data om farlige, svært tilgængelige og hurtigt bevægende objekter, og giver dig også mulighed for at foretage observationer over store områder af terrænet. Eksempler på fjernmålingsapplikationer ville være overvågning af skovrydning (såsom i Amazonas ), gletscherforhold i Arktis og Antarktis , måling af havdybde ved hjælp af meget. Fjernmåling erstatter også dyre og relativt langsomme metoder til at indsamle information fra Jordens overflade, samtidig med at den garanterer, at mennesker ikke forstyrrer naturlige processer i de observerede områder eller objekter.
Med kredsende rumfartøjer er forskere i stand til at indsamle og transmittere data i forskellige bånd af det elektromagnetiske spektrum, som kombineret med større luftbårne og jordbaserede målinger og analyser giver den nødvendige række af data til at overvåge aktuelle fænomener og tendenser, såsom El Niño og andre naturfænomener, både på kort og lang sigt. Fjernmåling er også af anvendt betydning inden for geovidenskab (for eksempel naturforvaltning) , landbrug (brug og bevarelse af naturressourcer), national sikkerhed (overvågning af grænseområder).
Jord-fjernmålingsmarkedet (ERS) anses for at være et af de hurtigst voksende i verden. Nye virksomheder, teknologier, tjenester og tjenester dukker op hvert år. Store perspektiver er forbundet med brugen af ubemandede køretøjer, lidarer, mikrosatellitter [1] .
Hovedmålet med multispektrale undersøgelser og analyse af de opnåede data er objekter og territorier, der udsender energi, hvilket gør det muligt at skelne dem fra baggrunden af miljøet. En kort oversigt over satellit-fjernmålingssystemer kan findes i oversigtstabellen .
Som regel er det bedste tidspunkt at indhente data fra fjernmålingsmetoder sommertid (især i disse måneder er solen i sin største vinkel over horisonten, og dagslængden er længst). En undtagelse fra denne regel er indsamling af data ved hjælp af aktive sensorer (f.eks . Radar , Lidar ), samt termiske data i det lange bølgelængdeområde. Ved termisk billeddannelse, hvor sensorer måler termisk energi, er det bedre at bruge det tidsrum, hvor forskellen mellem jordtemperaturen og lufttemperaturen er størst. Det bedste tidspunkt for disse metoder er således i de koldere måneder, samt et par timer før daggry på et hvilket som helst tidspunkt af året.
Derudover er der nogle andre hensyn at tage. Ved hjælp af radar er det for eksempel umuligt at få et billede af jordens nøgne overflade med et tykt snedække; det samme kan siges om lidar. Disse aktive sensorer er imidlertid ufølsomme over for lys (eller mangel på samme), hvilket gør dem til et fremragende valg til anvendelser på høje breddegrader (for eksempel). Derudover er både radar og lidar i stand til (afhængigt af de anvendte bølgelængder) at fange overfladebilleder under skovkronerne, hvilket gør dem nyttige til applikationer i stærkt bevoksede områder. På den anden side er spektrale dataopsamlingsmetoder (både stereobilleddannelse og multispektrale metoder) anvendelige hovedsageligt på solrige dage; data indsamlet under dårlige lysforhold har en tendens til at have lave signal-/støjniveauer, hvilket gør dem vanskelige at behandle og fortolke. Derudover, mens stereobilleder er i stand til at afbilde og identificere vegetation og økosystemer, er det ikke muligt med denne metode (som med multispektral lyd) at trænge ind i trækroner og erhverve billeder af jordens overflade.
Fjernmåling bruges oftest inden for landbrug, geodæsi, kortlægning, overvågning af jordens og havets overflade samt lagene af atmosfæren.
LandbrugVed hjælp af satellitter er det muligt at modtage billeder af enkelte marker, regioner og distrikter med en vis cyklicitet. Brugere kan modtage værdifuld information om jordens tilstand, herunder afgrødeidentifikation, afgrødearealbestemmelse og afgrødestatus. Satellitdata bruges til nøjagtigt at styre og overvåge resultaterne af landbruget på forskellige niveauer. Disse data kan bruges til bedriftsoptimering og rumbaseret styring af tekniske operationer. Billederne kan hjælpe med at bestemme placeringen af afgrøder og omfanget af jordudtømning og kan derefter bruges til at udvikle og implementere en landvindingsplan for lokalt at optimere brugen af landbrugskemikalier. De vigtigste landbrugsmæssige anvendelser af fjernmåling er som følger:
Fjernmåling bruges også til at overvåge skovdække og identificere arter. Kort opnået på denne måde kan dække et stort område, mens de viser detaljerede mål og karakteristika for området (trætype, højde, tæthed). Ved hjælp af telemålingsdata er det muligt at definere og afgrænse forskellige skovtyper, hvilket ville være vanskeligt at opnå med traditionelle metoder på jordoverfladen. Dataene er tilgængelige i en række forskellige skalaer og opløsninger for at passe til lokale eller regionale krav. Kravene til terrænvisningens detaljer afhænger af undersøgelsens omfang. For at vise ændringer i skovdække (tekstur, bladtæthed) skal du anvende:
Overfladeovervågning er en af de vigtigste og mest typiske anvendelser af fjernmåling. De opnåede data bruges til at bestemme den fysiske tilstand af jordens overflade, såsom skove, græsgange, vejbelægninger osv., herunder resultaterne af menneskelige aktiviteter, såsom landskabet i industri- og boligområder, tilstanden af landbrugsområder, osv. Indledningsvis bør der etableres et jorddækningsklassifikationssystem, som normalt omfatter jordniveauer og -klasser. Niveauer og klasser bør udvikles under hensyntagen til formålet med brugen (på nationalt, regionalt eller lokalt niveau), den rumlige og spektrale opløsning af fjernmålingsdata, brugeranmodninger og så videre.
Detektion af ændringer i jordens overflade er nødvendig for at opdatere landdækningskort og rationalisere brugen af naturressourcer. Ændringer detekteres typisk, når man sammenligner flere billeder, der indeholder flere niveauer af data, og i nogle tilfælde, når man sammenligner gamle kort og opdaterede fjernmålingsbilleder.
Jordoverfladeinformation og ændringer i jorddækningen er afgørende for formuleringen og implementeringen af miljøbeskyttelsespolitikker og kan bruges sammen med andre data til at udføre komplekse beregninger (f.eks. erosionsrisici).
GeodæsiIndsamlingen af geodætiske data fra luften blev først brugt til at opdage ubåde og opnå gravitationsdata, der blev brugt til at bygge militære kort. Disse data er niveauerne af øjeblikkelige forstyrrelser af Jordens gravitationsfelt , som kan bruges til at bestemme ændringer i fordelingen af Jordens masser , som igen kan være nødvendige for forskellige geologiske undersøgelser.
Akustiske og næsten akustiske applikationerVed koordinering af en række observationer i stor skala afhænger de fleste sonderingssystemer af følgende faktorer: platformens placering og sensorernes orientering . Instrumenter af høj kvalitet bruger nu ofte positionsinformation fra satellitnavigationssystemer . Rotation og orientering bestemmes ofte af elektroniske kompasser med en nøjagtighed på omkring en til to grader . Kompasser kan måle ikke kun azimut (det vil sige gradafvigelse fra magnetisk nord ), men også højder (afvigelse fra havoverfladen ), da magnetfeltets retning i forhold til Jorden afhænger af breddegraden , hvor observationen finder sted. For mere nøjagtig orientering er brugen af inerti-navigation nødvendig , med periodiske korrektioner ved forskellige metoder, herunder navigation efter stjerner eller kendte vartegn.
Oversigt over de vigtigste instrumenterVed fjernmåling anvendes som regel behandling af digitale data, da det er i dette format, at fjernmålingsdata i øjeblikket modtages. I digitalt format er det nemmere at behandle og gemme information. Et todimensionalt billede i et spektralområde kan repræsenteres som en matrix (todimensional matrix) af tallene I (i, j) , som hver repræsenterer intensiteten af stråling modtaget af sensoren fra elementet af Jordens overflade, som svarer til en pixel af billedet.
Billedet består af nxm pixels, hver pixel har koordinater (i, j) — linjenummer og kolonnenummer. Tallet I (i, j) er et heltal og kaldes det gråniveau (eller den spektrale lysstyrke) af pixlen (i, j) . Hvis billedet opnås i flere områder af det elektromagnetiske spektrum, er det repræsenteret af et tredimensionelt gitter bestående af tallene I (i, j, k) , hvor k er nummeret på spektralkanalen. Fra et matematisk synspunkt er det ikke svært at behandle digitale data opnået i denne form.
For korrekt at gengive et billede fra digitale poster leveret af informationsmodtagepunkter er det nødvendigt at kende postformatet (datastrukturen) samt antallet af rækker og kolonner. Der bruges fire formater, som arrangerer dataene som:
I BSQ -format er hvert områdebillede indeholdt i en separat fil. Dette er praktisk, når der ikke er behov for at arbejde med alle zoner på én gang. En zone er nem at læse og visualisere, zonebilleder kan indlæses i den rækkefølge, du ønsker.
I BIL -formatet skrives zonedata til en fil linje for linje, mens zonerne veksler i linjer: 1. linje i 1. zone, 1. linje i 2. zone, ..., 2. linje i 1. zone, 2. linje af 2. zone osv. Denne indtastning er praktisk, når alle zoner analyseres samtidigt.
I BIP -formatet gemmes zoneværdierne for den spektrale lysstyrke for hver pixel sekventielt: først værdierne af den første pixel i hver zone, derefter værdierne af den anden pixel i hver zone, og så på. Dette format kaldes kombineret. Det er praktisk, når du udfører pixel-for-pixel-behandling af et multi-zone-billede, for eksempel i klassifikationsalgoritmer.
Gruppekodning bruges til at reducere mængden af rasterinformation. Sådanne formater er praktiske til at gemme store snapshots; for at arbejde med dem skal du have et dataudpakningsværktøj.
Billedfiler leveres normalt med følgende yderligere billedrelaterede oplysninger:
Yderligere information er indeholdt enten i billedfilens overskrift eller i en separat tekstfil med samme navn som billedfilen.
I henhold til graden af kompleksitet skelnes der mellem følgende niveauer af behandling af CS, der leveres til brugere:
Kvaliteten af data opnået fra fjernmåling afhænger af deres rumlige, spektrale, radiometriske og tidsmæssige opløsning.
Rumlig opløsning
Det er karakteriseret ved størrelsen af en pixel (på jordens overflade) optaget i et rasterbillede - varierer normalt fra 1 til 4000 meter.Spektral opløsning
Landsat -data inkluderer syv bånd, inklusive infrarød, der spænder fra 0,07 til 2,1 µm. Hyperion-sensoren fra Earth Observing-1 er i stand til at optage 220 spektralbånd fra 0,4 til 2,5 µm med en spektral opløsning på 0,1 til 0,11 µm.Radiometrisk opløsning
Antallet af signalniveauer, som sensoren kan registrere. Varierer normalt fra 8 til 14 bit, hvilket giver fra 256 til 16.384 niveauer. Denne egenskab afhænger også af støjniveauet i instrumentet.Midlertidig tilladelse
Frekvensen af satellitten, der passerer over det interessante område. Det er af værdi i studiet af billedserier, for eksempel i studiet af skovens dynamik. I første omgang blev der udført serieanalyser til behovene for militær efterretning, især for at spore ændringer i infrastruktur og fjendens bevægelser.For at skabe nøjagtige kort baseret på fjernmålingsdata er en transformation nødvendig for at eliminere geometriske forvrængninger. Et billede af jordens overflade med en enhed rettet nøjagtigt nedad indeholder kun et uforvrænget billede i midten af billedet. Når du bevæger dig mod kanterne, bliver afstandene mellem punkterne i billedet og de tilsvarende afstande på Jorden mere og mere forskellige. Korrektion af sådanne forvrængninger udføres i forbindelse med fotogrammetri . Siden begyndelsen af 1990'erne er de fleste kommercielle satellitbilleder solgt allerede korrigerede.
Derudover kan radiometrisk eller atmosfærisk korrektion være påkrævet. Radiometrisk korrektion konverterer diskrete signalniveauer, såsom 0 til 255, til deres sande fysiske værdier. Atmosfærisk korrektion eliminerer de spektrale forvrængninger, der indføres ved tilstedeværelsen af atmosfæren.
Inden for rammerne af NASA Earth Observing System- programmet blev niveauerne for fjernmålingsdatabehandling formuleret: [2] [3]
Niveau | Beskrivelse |
---|---|
0 | Data, der kommer direkte fra enheden, uden overhead (synkroniseringsrammer, overskrifter, gentagelser). |
1a | Rekonstruerede enhedsdata forsynet med tidsmarkører, radiometriske koefficienter, ephemeris (orbitalkoordinater) for satellitten. |
1b | Niveau 1a data konverteret til fysiske enheder. |
2 | Afledte geofysiske variabler (havbølgehøjde, jordfugtighed, iskoncentration) med samme opløsning som Tier 1-data. |
3 | Variabler vist i den universelle rum-tid skala, muligvis suppleret med interpolation. |
fire | Data opnået som følge af beregninger baseret på tidligere niveauer. |
På de fleste videregående uddannelsesinstitutioner undervises der i telemåling på de geografiske afdelinger. Relevansen af telemåling er konstant stigende i det moderne informationssamfund. Denne disciplin er en af luftfartsindustriens nøgleteknologier og har stor økonomisk betydning - for eksempel udvikles de nye TerraSAR-X og RapidEye sensorer konstant, og efterspørgslen efter kvalificeret arbejdskraft vokser også konstant. Derudover har fjernmåling en ekstrem stor indvirkning på dagligdagen, lige fra vejrrapportering til klimaændringer og naturkatastrofeprognoser. Som et eksempel bruger 80 % af de tyske elever Google Earth ; alene i 2006 blev programmet downloadet 100 millioner gange. Undersøgelser viser dog, at kun en lille del af disse brugere har grundlæggende viden om de data, de arbejder med. Der er i øjeblikket en enorm videnskløft mellem brugen og forståelsen af satellitbilleder. Undervisningen i telemålingsprincipper er meget overfladisk i langt de fleste uddannelsesinstitutioner på trods af det presserende behov for at forbedre kvaliteten af undervisningen i dette fag. Mange af de computersoftwareprodukter, der er specielt designet til at studere fjernmåling, er endnu ikke blevet introduceret i uddannelsessystemet, hovedsagelig på grund af deres kompleksitet. Denne disciplin er således i mange tilfælde enten slet ikke med i pensum eller indeholder ikke et kursus i videnskabelig analyse af analoge billeder. I praksis kræver faget fjernmåling en konsolidering af fysik og matematik, samt et højt kompetenceniveau i brugen af andre værktøjer og teknikker end simpel visuel tolkning af satellitbilleder.
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|