Teledetekcja z elementami cyfrowego przetwarzania sygnału

Syllabus

Wykłady

Podstawy teledetekcji. Sensory aktywne a sensory pasywne. Współczesne sensory teledetekcyjne. Promieniowanie elektromagnetyczne: VIS, NIR, TIR i mikrofalowe. Kalibracja sensorów: korekcja radiometryczna, atmosferyczna, geometryczna. Krzywa spektralna, współczynnik odbicia, emisyjności i absorpcji. Okna atmosferyczne. Obrazy panchromatyczne, wielospektralne, hiperspektralne. Przetwarzania obrazu (kontrast, filtracja, progowanie). Ekstrakcja informacji: kompozycje barwne, wskaźniki wegetacji, klasyfikacja obrazu.

Laboratoria

Wprowadzenie do teledetekcji

Przegląd i omówienie platform udostępniających nieodpłatne dane teledetekcyjne (Sentinel Hub, Earth Explorer, EOS Land Viewer). Pozyskanie obrazów optycznych i radarowych (m.in. Landsat 8, Sentinel-1, Sentinel-2, CHRIS-PROBA, Hyperion).

Proj1

Misja Landsat

Przetwarzanie i analiza obrazów Landsat 8 w QGIS SCP– korekcja atmosferyczna, kompozycje barwne, pansharpening, narzędzia edycji rastra. Kalkulator rastrów - obliczanie wskaźnika wegetacji (NDVI) i innych. Klasyfikacja nadzorowana, szacowanie dokładności klasyfikacji, analiza wieloczasowa.

Lab2 Lab3

Opracowanie danych multispektralnych z sensora Sentinel - 2

Program Copernicus, konstelacja Sentinel. Opracowanie danych Sentinel-2 za pomocą Sentinel-2 Toolbox (ESA) – wstępna obróbka obrazu: korekcja Sen2Cor, ortorektyfikacja, resampling. Analiza tematyczna obrazów: obliczenie wskaźników wegetacji, wody, gleby, klasyfikacja nienadzorowana/ nadzorowana.

Opracowanie danych hiperspektralnych z sensora CHRIS PROBA.

Wprowadzenie do danych hiperspektralnych. Przetwarzanie wstępne obrazów CHRIS w oprogramowaniu opensource Beam VISAT (usuwanie szumów, korekcja atmosferyczna, korekcja geometryczna, redukcja kanałów). Analiza spektralna: spectral unmixing, feature extraction, obliczanie wskaźników.

Opracowanie danych Sentinel–1

Wprowadzenie do danych radarowych. Przetwarzanie obrazów S-1 w Sentinel Toolbox (ESA): obliczenie współczynnika rozpraszania wstecznego sigma 0 (calibration, terrain correction, specle filter). Analizy tematyczne.

Literatura

Semi-Automatic Classification Plugin

Science Education through Earth Observation for High Schools (SEOS - całość)

Science Education through Earth Observation for High Schools (SEOS - Wstep do teledetekcji - po polsku)

Hejmanowska B. 2014, Materiały dydaktyczne do przedmiotu: Remote sensing and photo-interpretation

Remote Sensing Tutorials, Government of Canada NRCAN

Definicja teledetekcji (ang. Remote Sensing)

tele detekcja - zdalne rozpoznanie - bez bezpośredniego kontaktu

Teledetekcja używana jest do pozyskiwania informacji o obiektach. Dane pozyskiwane są za pomocą instrumentów teledetekcyjnych, a następnie poddawane analizie. Urządzenie wykorzystywane do badania nie wchodzi w bezpośredni kontakt z obiektem. Wykorzystywane instrumenty umieszczone są "na odległość" w stosunku do powierzchni Ziemi (np. samoloty i satelity). Zawierają one sensory, które obserwują i badają Ziemię, jej powierzchnię, oceany, atmosferę i dynamikę jej zmian z przestrzeni kosmicznej (ESA Eduspace) (za SEOS)

General definition of Remote Sensingis “the science and technology by which the characteristics of objects ofinterest can be identified, measured or analyzed the characteristics without direct contact” (JARS, 1993).

Usually, remote sensing is the measurement of the energy that is emanated from the Earth’s surface. If the sourceof the measured energy is the sun, then it is calledpassive remote sensing, and the result of this measurement canbe a digital image (Richards and Jia, 2006). If the measured energy is not emitted by the Sun but from the sensor platform then it is defined as active remote sensing, such as radar sensors which work in the microwave range(Richards and Jia, 2006).

The electromagnetic spectrum is “the system that classifies, according to wavelength, all energy (from shortcosmic to long radio) that moves, harmonically, at the constant velocity of light” (NASA, 2013). Passive sensors measure energy from the optical regions of the electromagnetic spectrum: visible, near infrared (i.e. IR), short-wave IR, and thermal IR (see FigureElectromagnetic-Spectrum(page 130))


co odróżnia metody teledetekcyjne od innych metod pomiarowych?


Promieniowanie elektromagnetyczne, okna atmosferyczne

Promieniowanie gamma, rentgenowskie, ultrafiloteowe, widzialne, podczerwień bliska i średnia, termalna, promieniowanie radarowe, fale radiowe

bh

Spektrum elektromagnetyczne i przepuszczalność atmosfery Źródło: Albertz 2007 po modyfikacjach za SEOS


czy możemy zmierzyć promieniowanie Ziemi i ewentualnie uw jakim zakresie długości fal?


Prawa fizyczne

bh

Promieniowanie jako funkcja długości fali dla obiektów o różnych temperaturach bezwzględnych. Źródło: ESA Eduspace po modyfikacjach za SEOS

SI radiometry units

Planck'a - zależność energii promieniowania od długości fali

Wiena - wraz ze zmniejszaniem się temperatury ciała maksimum promieniowania przesuwa się w kierunku fal dłuższych (por. Ziemia i Słońce)

Stefana-Boltzmana - określa całkowita energię wypromieniowaną przez ciało w całym zakresie długości fal

Kirchoff'a - zdolność do pochłaniania (absorpcji) promieniowania jest taka sama jak zdolność jego emitowania


co to jest radiancja?


Oddziaływanie promieniowania z atmosferą i z powierzchnią Ziemi

"Wszystkie zakresy promieniowania podlegają wpływowi atmosfery na wiele różnych sposobów. Promieniowanie słoneczne, podobnie jak ziemskie promieniowane odbite, jest rozpraszane, odbijane lub absorbowane przez cząsteczki w atmosferze. Chmury stanowią dla promieniowania największą przeszkodę i uniemożliwiają pasywnym sensorom satelitarnym przeprowadzenie pomiaru powierzchni Ziemi." (SEOS)

bh


Dlaczego niebo jest niebieskie ?


bh bh

Definicja współczynników: odbicia, transmisyjności, emisyjności (absorpcji). W teledetekcji możemy zarejestrować promieniowanie odbite (rozproszone) i emitowane, nie możemy zarejestrować promieniowania transmitowanego i zaabsorbowanego.

bh

bh

"Prawo Kirchoffa, opracowane w 1859 roku, stwierdza: α=ε, zdolność absorpcji i emisji jest taka sama. W związku z tym obiekty, które absorbują całość promieniowania padającego (α=1) mają najwyższą zdolność do oddawania energii termalnej (ε=1). Są one określane jako ciała doskonale czarne, gdzie termin czarny wskazuje na całkowity brak promieniowania odbitego. Obiekty, które absorbują choćby ułamek promieniowania padającego (α<1) są określane ciałami doskonale szarymi.

Zdolność absorpcji i emisji jest zależna od długości fali dla danego ciała/obiektu. Wysoka lub niska zdolność absorpcji obiektu w różnych zakresach widmowych przekłada się na wysoką lub niską zdolność emisji w tych samych zakresach spektralnych. W związku z tym uogólnione prawo Kirchoffa można zapisać jako: αλ=ελ" (za SEOS)

bh

Odbicie lustrzane i rozproszone (za SEOS)


od czego zależy wielkość promieniowania docierającego do sensora?


Pozyskiwanie obrazów satelitarnych

Orbity geostacjonarne znajdują się około 36000 km nad ziemią. Na tej wysokości satelita potrzebuje dokładnie 24 godzin, aby okrążyć całą Ziemię. W tym samym czasie Ziemia wykonuje pełny obrót wokół własnej osi. Satelity są "zawieszone" prostopadle do równika, więc obserwowane z Ziemi wydają się być nieruchome. Zatem, satelita zawsze "widzi" tę samą część powierzchni Ziemi i atmosfery.

Natomiast satelity znajdujące się na orbicie synchronicznej ze Słońcem lub biegunem dostarczają obrazy o średniej i wysokiej rozdzielczości przestrzennej i są wykorzystywane do monitorowania środowiska. Krążą one na wysokości od 300 do 1400 km nad Ziemią. Podczas każdego obrotu trwającego około 90 min, Ziemia obraca się nieco dalej, w wyniku czego satelita obrazuje różne części powierzchni Ziemi w wąskich pasmach. Po paru dniach lub tygodniach satelita obrazuje ponownie ten sam obszar. Rozdzielczość czasowa tych satelitów jest więc ograniczona w porównaniu z satelitami geostacjonarnymi. (za SEOS)

Aktywne i pasywne sensory satelitarne

Ogółem, istnieją sensory pasywne rejestrujące promieniowanie świetlne i termalne oraz sensory aktywne wykorzystujące własne źródło promieniowania.

Przegląd różnych satelitów

Satelita Landsat 8

NASA 2020

bh

freely download Landsat images EarthExplorer - trzeba założyć konto


w których kanałach Landsata rejestrujemy promieniowanie odbite, a w których promieniowanie emitowane i co z tego wynika?


Obraz

Macierz składająca się z wierszy (r - rows) i kolumn (c - cols). Element macierzy (komórka) nazywa się pikselem. W pikselu zapisana jest wartość liczbowa (DN - digital number), nazywana jasnością piksela, która zależy od wielkości padającego na piksel promieniowania.

Rozdzielczość obrazów

Przestrzenna - wielkość piksela w terenie

Spektralna - liczba kanałów spektralnych

Radiometryczna - liczba bitów / jeden piksel

Czasowa - jak często rejestrowany jest obraz

więcej


Jak obliczyć ile różnych liczb można zapisać w pikselu, i o czym mówi na ta wartość?

Jak obliczyć wielkość pliku rastrowego na dysku?

Przetwarzanie obrazów


Korekcje radiometryczne:

a) Korekcja DN (liczby 0-255 lub 0-.... zależnie od rozdzielczości radiometrycznej) do wartości radiancji (W/m^2/str)

ppt porównać rozdziały 15 i 16 w podręczniku Semi-Automatic Classification Plugin

b) korekcja zakłócającego wpływy atmosfery

c) korekcja zakłócającego wpływy ukształtowania terenu (stoki północne ciemniejsze/zimniejsze niż południowe)


Korekcje geometryczne - wpasowanie obrazu w układ współrzędnych (nadanie georefrencji) - transformacje: Helmerta, afiniczna, rzutowa lub tworzenie ortofotomap z wykorzystaniem numerycznego modelu terenu (NMT)

bh

Schematyczne przedstawienie procesu korekcji geometrycznej (SEOS)


Wstępne przetwarzanie obrazów

a) zwiększanie kontrastu

b) tworzenie kompozycji barwnych

c) obliczenie indeksów


Wydobywanie informacji z obrazów

a) fotointerpretacja

b) klasyfikacja obrazu

c) analiza wiarygodności

Wstępne przetwarzanie obrazów

Obraz przed nieprzetworzony

bh

Obraz po "rozciągnieciu kontrastu

bh

Histogram przed i po "rozciągnięciu kontrastu"

bh

Zasada liniowego "rozciągnięcia kontrastu"

bh

bh

(za ILWIS stretch)

Obraz panchromatyczny (PAN) - w szerokim zakresie promieniowania widzialnego

bh

Tworzenie kompozycji barwnych

Każdy KOLOR można utworzyć ze składowych 3 kolorów: RGB Można zatem jednocześnie użyć trzech KANAŁÓW spektralnych wielospektralngeo obrazu

Kompozycja w barwach naturalnych: kanał B - kolor B, kanał G - kolor G, kanał R - kolor R

Kompozycja w barwach zafałszowanych tzw. FCC (False Color Composit) kanał G - kolor B, kanał R - kolor G, kanał IR - kolor R


Kompozycja w barwach naturalnych i FCC

bh

Wydobywanie informacji z obrazu

Proces klasyfikacji (Zmodyfikowane na podstawie: Naumann 2008, za SEOS)

bh


przeczytać: Rozdział 6 Rozdział 7

ppt

porównać rozdział 14 w podręczniku Semi-Automatic Classification Plugin


Wybór pól treningowych

bh

Analiza separatywności klas

bh

Algorytmy klasyfikacyjne

bh


pytanie: w jakich jednostkach wyrażona jest odległość?


bh

iloczyn skalarny wektorów

bh x - klasyfikowany piksel (klasa "a" czy klasa "b" ?)

Wynik klasyfikacji - mapa pokrycia/użytkowania terenu (LULC, Landuse / Landcover bh

Analiza wiarygodności wyniku klasyfikacji (confusion matrix) bh


*jak obliczyć: AA - średnią dokładność, AR - średnią wiarygodność, OA - dokł


cdn.