Dr. Sárközy Ferenc: Térinformatika
Ebben a részben megkezdjük az távérzékelés tárgyalását. Ezen
belül megismerkedünk
- az
ürtávérzékelés fogalmával,
- a különböző szenzortipusokkal,
- részletesebben
a radaros szenzorokkal ; végül
- a
rádiometrikus korrekció fogalmával.
A távérzékelés szó használata az első Landsat
műhold 1972-es üzembelépésével vette kezdetét. Ha a szó betű szerinti értelmét kívánjuk
megfejteni, akkor a távérzékelés alatt olyan adatnyerési eljárásokat
értünk, melyek az adatokat a vizsgált objektummal létrehozott közvetlen,
fizikai kapcsolat nélkül produkálják. Ha belegondolunk a
meghatározásba, úgy nem nehéz rájönnünk, hogy ebben az értelemben távérzékelési
technikák már jóval a mesterséges holdak létrehozása előtt működtek, hiszen
például az asztrofizikai vizsgálatok az űrtechnikák megjelenése előtt még csak
nem is gondolhattak a csillagok közvetlen mintavételezésére. Az információt az
égitestek állapotáról, az ott lezajló folyamatokról különböző hullámhosszú
rezgések továbbítják földünkre. Ezek a rezgések vagy a kérdéses égitesten
végbemenő termonukleáris, vegyi stb. folyamatok termékei, vagy valamely más
égitest által kibocsátott hullámok visszaverődései.
Ha a térbeli adatnyerés oldaláról vizsgáljuk a kérdést, a
fotogrammetria mindenben megfelel a távérzékelés betűszerinti értelmezésének.
Mégis a tényleges szóhasználat alapvetően két kritériumhoz kapcsolja a
távérzékelés terminust: ugyanazt a jelenséget kettő vagy több tartományban
mérjük, és/vagy mesterséges holdról hajtjuk végre az észlelést. Ez tehát azt
jelenti, hogy ha a repülőgépen multispektrális felvételeket
készítünk, akkor légi-távérzékelésről beszélünk, ha űreszközről
(mesterséges hold, űrállomás, ürsikló) készítjük a felvételeket függetlenül
attól, hogy egy vagy több hullám tartományban a módszer neve űrtávérzékelés.
Az űrtávérzékelés legfontosabb jellemzője, hogy hatalmas
adattömeget tud automatikus rendszerben a földre továbbítani. Az érzékelő
műholdak pályaelemeiktől függő gyakorisággal letapogatják a föld felületét, s
az ugyanarra a területre vonatkozó ismételt felvételek megléte megteremti a multitemporális
analízis lehetőségét. A másik fontos jellemző hogy a legtöbb űrtávérzékelő
eszköz lehetőséget biztosít a multispektrális felvételek készítésére, melyek
segítségével kisebb nagyobb megbízhatósággal a felszíni alakzatok bizonyos
tulajdonság jellemzők egyezése alapján osztályokba sorolhatók. A létrejött
osztályok tematikus fedvényként átvihetők a GIS-be.
Míg a légifényképezés rendszerint csak a földfelszín által
visszavert illetve a felszín saját sugárzását felhasználva készíti a
felvételeket (ez az úgy nevezett passzív letapogatás), addig sok
távérzékelő űreszköz saját maga által kibocsátott sugárzás segítségével is
képes a földfelszín letapogatására. Ezt a módszert aktív letapogatásnak,
az eredményül kapott képeket radar képeknek nevezik. A radaros módszereknek az a nagy
előnye, hogy olyan hullámhosszakat használnak, melyeket a felhőzet kevéssé nyel
el, e mellett függetlenek a felszín megvilágítottságától, azaz a felvételek
minősége nem függ az időjárástól és a napszaktól.
|
3.54 ábra - az
elektromágneses hullámok spektruma és néhány szenzor a felhasználási
terület megnevezésével
|
|
A 3.54 ábrán bemutattuk az elektromágneses hullámok spektrumát
és felsoroltunk néhány szenzor típust a hozzátartozó felhasználás rövid
megnevezésével.
Rögtön el kell mondanunk, hogy a kiválasztott példákon kívül
valamennyi hullámtartományban számtalan másik szenzor típust is megnevezhettünk
volna. A továbbiakban, a műholdak és termékek ismertetésekor ezt részben meg is
tesszük. A korlátozás arra utal, hogy kizárólag a képalkotó szenzorokkal fogunk
foglalkozni (nem térünk ki a tengerek magasságát mérő altiméterekre, vagy a
tenger felszín szélviszonyait mérő scatterométerekre, stb.) és elsősorban a
nagyobb felbontású térképészeti célú érzékelőket ismertetjük.
Ez nagyjából egybeesik azzal a szándékunkkal is, hogy
igyekszünk redukálni azokat a globális szempontból ugyan nagyon fontos, de
hazai vonatkozásban kevéssé releváns ismereteket, melyek az óceánok, a jég és
hó és a trópusok monitorozására vonatkoznak.
Az űrtávérzékelés eszközei, termékei
Az első távérzékelési műholdak felbocsátásakor két megoldás
között választhattak a tervezők: a képeket elektrooptikai érzékelőkkel készítik
és digitális formában a földre sugározzák vagy filmre fényképező automatikus
kamarákat alkalmaznak, melyek a leexponált filmeket automatikusan a földre
továbbítják. Az első megoldást az amerikaiak választották, a második megoldást
a Szovjetunióban alkalmazták.
|
3.55 ábra - a
LANDSAT MSS szkenner egyszerűsített vázlat
|
A szöveg alatti ábra a HVR szenzort vázolja
fel. Tekintettel arra, hogy a SPOT szatellitát később konstruálták (1978)
érzékelőként már sorszenzorokat alkalmaztak, ezért nem volt szükségük kifejtő
tükörre. Az ábrán látható vezérelhető tükör nem is ezt a célt szolgálja,
hanem azt, hogy a felvétel függőleges vagy ferde kamara tengellyel készüljön.
|
A baloldali ábrán a multispektrális
ürtávérzékelés veteránjának a LANDSAT műholdak MSS nevű szkannerének
vázlatát látjuk. A tipus egyes példányai 1972 és 1992 között működtek a
különböző LANDSAT műholdakon. A jelenleg is működő LANDSAT 5 műholdon az
MSS-t 1992-ben kikapcsolták.
Amint az
ábrából látható a 6 elemből álló szenzorra nem keresztben képezik le a
sávot, hanem a repülés irányában. A kereszt irányú leképezést a lengő tükör
biztosítaja. Ez más szavakkal azt jelenti, hogy a tükör csatornánként
egyszerre 6 vonalról készít digitális felvételt.
|
|
3.56 ábra - a
francia SPOT műhold HRV nevű szkennere
|
|
A digitális megoldás esetén töltéscsatolt
félvezető elemekből (CCD) álló egyedi- vagy sor-szenzorokat alkalmaznak (
annyit ahány hullámhossz tartományban érzékelnek egyidejűleg), az egy
szenzor(sor)ra történő leképezés geometriája megfelel a fotogrammetriában
megismert centrális vetítés törvényszerűségeinek. Az intervallumok szerinti
bontást fénybontó prizma és interferencia szűrők segítségével valósítják meg.
A (sor)detektor elemeinek töltését a kiolvasás és
analóg-digitális átalakítás után a szatellita rádióhullámok segítségével a földre
sugározza. Mivel a vételi körülmények biztosítása az egész pálya mentén nem mindig
volt egyszerűen megoldható, a vételmentes területeken az elektronikus képeket
magnón tárolják.
A pálya sebessége komoly követelményeket támaszt a kiolvasás
és átalakítás sebességével szemben, például a SPOT szatellita esetében a
sordetektor két expozíciója közötti idő nem haladhatja meg az 1.5 ms-t.
Míg a képkoordináta rendszer egyik tengelyét a sorszenzor
egyértelműen definiálja, a sorok egymásutánját definiáló, a műhold haladási
irányába eső másik tengely az idő
függvénye. A szatellita pályáján haladva, a föld
forgása és kismértékű saját tengely körüli forgása következtében elferdíti a
képet s így 700-800 km. magas pálya esetén 20-40 km. hullámhosszú, 40-50 m.
amplitúdójú oszcillációk jönnek létre a haladási irányra merőlegesen (a sorok
középpontja a haladási irány által meghatározott tengely körül oszcillál). Bár
az oszcillációk képeként 20-40 földi illesztőpont felhasználásával jelentősen
csökkenthetők, megmaradó részük a felbontás által megengedett legnagyobb
nagyításoknál kisebb nagyítást tesz csak lehetővé.
A fényképezés alkalmazása esetén más jellegű problémák
adódnak. A szállítható filmanyag korlátozott mennyisége nem teszi lehetővé a
hosszabb időn keresztül a folyamatos fényképezést, problémát jelent az exponált
negatívok visszajuttatása s jelentős késedelmet okoz, hogy a visszajuttatott
negatívokat még ki is kell dolgozni, sőt digitális feldolgozás esetén még a
szkennelés is időt vesz igénybe.
Az azonban egyértelmű, hogy a filmfelvételek felbontása,
geometriai korrektsége ma még jóval alkalmasabbá teszi őket a sorkamarával
készült képeknél a térképészeti-térinformatikai felhasználásra. Ugyanakkor a
globális megközelítést igénylő monitoring jellegű feladatok (pld. egy adott
évre a világ gabonatermésének előrejelzése) csak automatikus üzemű opto-elektronikus
érzékelőkkel ellátott műholdakkal oldhatók meg. Az is világos ugyanakkor, hogy
a félvezető technika fejlődése műszakilag lehetővé teszi hogy a keretkamarák a polgári célú műholdakon is alkalmazásra
kerüljenek s ezzel a filmen történő távérzékelés előnyei a minimálisra
csökkennek.
A nagyfelbontású polgári célú digitális űrtérképező
rendszerek létrehozásának napjainkban már nem elsősorban technikai inkább
politikai akadályai vannak. 1994 februárjában több amerikai cégből álló
konzorcium keresetet nyújtott be az USA Kereskedelmi Minisztériumába, hogy
engedélyezze az Eyeglass szatellita projektet. A tervezett szatelliták olyan 1
méter felbontású fekete-fehér digitális képeket készítenének és sugároznának a
világszerte elszórt vevőhálózat antennái felé, melyek jó minőségű ortofotó
térképek, s általában nagyfelbontású térinformatikai rendszerek alaptérképeinek
létrehozására használhatók. A tervezett minőségű felvételeket korábban csak a
kém-műholdak részére specifikálták.
Jelenleg
(1997 közepe) a projekt ott tart, hogy a minisztérium által 1995-ben kiadott
négy engedélyből egy tulajdonosa a Space Imaging EOSAT nevű vállalat 1997 végén
kivájna fellőni a jobboldali fényképen bemutatott IKONOS 1 nevű szatellitáját,
mely KODAK gyártmányú mátrix szenzora 1 m.-nél jobb felbontást biztosít a
fekete fehér (pankromatikus), és 4 méteres felbontást a négycsatornás (vörös,
zöld, kék, közel infravörös) multispektrális képek számára. A fénysugarak
összegyűjtését könnyű tükrös távcső biztosítja.
A műhold, hasonlóan a SPOT-hoz, tükrök
segítségével függőleges és ferde képeket is tud gyűjteni. Míg azonban a SPOT
csak a pálya mentén vagy azzal párhuzamosan pásztáz, addig az IKONOS 1 a
pályára merőlegesen 130 km * 76 km-es sáv felmérésére is alkalmas. A
hivatkozott tartományban magányos képek is exponálhatók, méretük 11 km * 11 km.
Egyszerű geometriai szemléletből belátható, hogy az
oldalra néző felvételek felbontása kisebb mint a függőleges felvételeké (a
ferdeségi szög koszinuszával el kell osztani a függöleges esetnek megfelelő
eredeti földi pixel oldalhosszát) ezért ha az oldalra néző felvételeknél is
biztosítani akarjuk az 1 m-es felbontást ez azzal jár, hogy a pályamenti
felbontás jobb lesz 1 m.-nél. Az elmondottakat, beleértve a felbontás különbség
vizuális hatását jól szemlélteti a 3.58 ábra.
|
|
|
3.58 ábra - a
felvételi magasság kapcsolata a széleken való felbontással
|
|
|
3.57 ábra - az
IKONOS 1 tesztelés közben
|
|
A további engedélyek közül egyet az ORBIMAG vállalat
kapta, mely az 1 m-es felbontást az OrbView-3 műholdján kivájna
realizálni. Hogy ennek a felbocsátása mikorra várható azt egyelőre nem tudjuk.
A harmadik résztvevő az Earth Watch cég két
szatellitára kapott engedélyt melyekkel két lépcsőben kivájna elérni a kitűzött
célt.
|
3.59 ábra - az
EarlyBird műhold makettje
|
|
3.60 ábra - a
QuickBird műhold makettje
|
|
Az EarlyBird műhold felbocsájtására a
tervek szerint 1997 nyarán kerül sor. A műhold tulajdonképpen átmenetet
jelent a méteres felbontás felé, mivel pankromatikus (fekete-fehér) szenzora
3 m felbontású a nadírban. Egy exponálásra 3 km * 3 km-es négyzetet
fényképez. Ez a műhold is képes 30 fokos pályairányú és 28 fokos oldalirányú
pásztázásra. A multispektrális szenzor (zöld, vörös, közel infravörös) 15
m-es felbontású a nadírban és egy exponálással 15 km * 15 km-es területet
fényképez le. Érdemes megemlíteni, hogy a pixeleket 8 bittel írja le szemben
az IKONOS 1 11 bitével.
A QuickBird tervezett fellövési idejéről nincs
adatunk. A pankromatikus szenzor felbontása 0.82 m nadírban. Egy kép mérete
22 km * 22 km. Ez a műhold is képes sáv térképek készítésére. A multispektrális
szenzora (kék, zöld, vörös és közel infravörös) 3.28 m felbontású a nadírban
és egy fénykép 22 km * 22 km-t fed le. A pixelek kódolására ez a műhold már
11 bitet használ.
Világméretű hálózat gondoskodik mindkét műhold adatainak
vételéről, a vevőállomások vételi körzetén kívül a műholdak rögzítik a
felvett információt.
|
Az EarthWatch cég home page-én egy felméréssel találkozunk,
melynek az a célja, hogy felhasználói adatokat gyűjtsön a világ első kereskedelmi
radaros műholdja tervezési irányelveihez. Ez a tény is megerősíti azt a
meggyőződésemet, hogy a radaros távérzékelés a jövőben még a mainál is
fontosabb szerepet fog játszani. Ezért indokolt, hogy nagy vonásokban
megismerkedjünk a radaros rendszerek alapelvével.
Napjainkban a leggyorsabb fejlődés az aktívan érzékelő radaros
rendszerek területén jelentkezik, ezért indokolt e szenzor tipus rövid
ismertetése.
A 'RADAR' (RAdio Detection And Ranging) a II.
világháború során a repülőgépek felderítésére és távolságuk meghatározására
konstruált műszer azon az egyszerű elven működött, hogy mérte azt az időt ami a mikrohullám impulzusok kibocsátása
és visszaverődés utáni vétele között eltelik.
A mikrohullámot
azért választották, mivel egyenes vonalban terjed, a légköri hatások (pára,
felhő, eső) viszonylag kevéssé csillapítják, a hullámhossztól függően
viszonylag kis méretű antennákkal jól fókuszálható és a repülőgépek fémes
felületéről jól verődik vissza. Amint az alábbiakban
látni fogjuk a hullámhossznak a távérzékelési radar rendszerekben is fontos
szerepe van, ezért a használt tartományokat a 3.5 táblázatban foglaljuk össze.
Hullámsáv
elnevezése
|
Hullámhossz
centiméterben
|
Ka
|
0.75
- 1.10
|
K
|
1.10
- 1.67
|
Ku
|
1.67
- 2.40
|
X
|
2.40
- 3.75
|
C
|
3.75
- 7.50
|
S
|
7.50
- 15
|
L
|
15 -
30
|
P
|
30 -
100
|
3.5 táblázat
A távérzékelési radarokat nagy többségükben oldalra néző
radar (angol elnevezése Side Looking Airborn Radar, rövidítve SLAR)
formájában készítik. A radar antennája a hordozó eszköz pályája irányában
helyezkedik el.
|
3.61 ábra - oldalra néző radar sémája
|
|
|
3.62 ábra - néhány jelölés az oldalra néző radar elvi
sémáján
|
|
A baloldali ábra (3.61) sematikusan vázolja fel az űrsiklóra
szerelt SLAR-t felvételkészítés közben, s bemutatja az elkészült
felvétel egy kis részletét is.
A 3.62 ábrán pedig kiegészítésül feltüntettük azokat a
geometriai paramétereket is, melyek az oldalra néző radar felvétel egy sávját
jellemzik. A radar egy impulzus kibocsátásakor ellipszist világít meg a
földfelszínen, az ellipszis méretei attól függnek, hogy milyen az adott
irányban az antenna irányítottsága (fókuszáltsága).
Homogén, pontszerű sugárzó (pld. parabola antenna) esetén az
antenna által kibocsátott sugárkúp szöge:
|
, ahol a hullámhossz, D
pedig az antenna átmérője.
|
Az oldalra néző radarrendszereket azonban úgy igyekeznek
kialakítani, hogy a repülési irányban keskenyebb a repülésre
merőlegesen pedig szélesebb területeket sugározzanak be. Erre az
esetre téglalap alakú antennát feltételezve a megvilágított ellipszis nagy
tengelyére (a besugárzott sáv szélességére) a következő közelítő összefüggések
írhatók fel:
.
A képletben a 3.62 ábrán jelölt, illetve a már ismertetetteken
kívül alkalmazott jelölések a következők: - a sugárkúp haladási
irányra merőleges nyílásszöge, b - a derékszögű antenna haladási irányra
merőleges oldalhossza.
Amint már említettük a radar két mennyiséget mér: azt az időt
ami az impulzus kibocsájtása és visszaverődés utáni vétele közt eltelik,
valamint a visszavert impulzus amplitúdóját, foglalkozzunk röviden először az
utóbbival.
|
3.63 ábra
diffúz visszaverődés
|
|
A rádióhullámokból kialakított impulzusok a
felszínre érve részben elnyelődnek részben visszaverődnek. A visszavert impulzusok
szóródnak és változtatják polaritásukat. Minél egyenletesebb a szóródás annál
kisebb a vevőbe jutó 'visszhang' amplitúdója. A diffúz visszaverődés a terep egyenetlenségek
és a hullámhossz viszonyának függvénye. Tulajdonképpen csak akkor beszélhetünk
diffúz visszaverődésről, ha a terep egyenetlenségek kisebbek a hullámhossz
tizedénél.
|
A vett, visszavert jel amplitúdója tehát
többek közt függ:
- a jel hullámhosszától, az adó és a vevő polaritásától;
- a jel beesési iránya és a terepelem normálisa közti szögtől;
- a felszíni egyenetlenségek mérete és a hullámhossz viszonyától;
- a felszín elektromos tulajdonságaitól.
|
3.64 ábra - a
különböző terepi objektumok tipikus visszaverődési képei
|
Ha a vett amplitúdó értékekhez szürkeségi
értékeket rendelünk, akkor egy megadott hullámhosszhoz, adó és vevő
polaritáshoz illetve oldalszöghöz a 3.64 ábrához hasonló 'jelmagyarázatot'
rendelhetünk.
|
Kézenfekvő, hogyha ugyanarról a területről különböző hullámhosszú
felvételeket készítünk, úgy a különböző képek digitális összehasonlításával (lsd. osztályozási eljárások) olyan objektumokat tudunk
kiválasztani, melyek megkülönböztetése egy kép esetén nem lehetséges.
Hasonlóképpen az osztályozást segíti, ha ugyanazon a hullámhosszon de különböző
adó és vevő polarizációval készítjük a felvételeket. A polarizáció
azt jelzi, hogy milyen síkban rezegnek a rádióhullámok; H a vízszintes
polarizációt jelöli (tulajdonképpen a rezgés síkját a pálya érintője és az
antennából az ellipszis középpontlába húzott egyenes határozzák meg), V
pedig az előzőre merőleges síkban rezgő hullámokat jelölő függőleges
polarizációt.
Ha a különböző hullámhosszú vagy polaritású képeket vizuálisan szeretnénk
értékelni, úgy munkánkat jelentősen megkönnyíti, ha úgy nevezett hamis színes
kompozitokat készítünk az egyes képekből.
|
3.65 ábra - L
sáv, vízszíntes adó és vevő polarizáció (LHH)
|
|
3.66 ábra - L
sáv, vízszíntes adó, függőleges vevő polarizáció (LHV)
|
|
|
3.67 ábra - L
sáv, függőleges adó és vevő polarizáció (LVV)
|
|
3.68 ábra - L
sávú hamisszines kép, HH=kék, HV=zöld, VV=vörös
|
|
|
A 3.68 ábrán egy északamerikai
helyszín a pensylvaniai SUNBURY hamis színes képét látjuk. A kompozit úgy
készült, hogy a HH képhez kék, a HV képhez zöld,
a VV képhez pedig vörös színt rendeltek.
A képek szemlélésekor elég nehéz a különbségeket szabad szemmel meghatározni, a
színes kép azonban e különbségeket jól érzékelhető markáns színekkel fejezi ki.
A képek szemlélésekor egyelőre nem szabad elfelejtenünk, hogy
eddigi ismereteink egyelőre csak egy folt észlelésére vonatkoznak azt még nem
tudjuk, hogy miként helyezi el ezeket a foltokat a radarszenzor feldolgozó
egysége a radar kép létrehozásakor. Foglalkozzunk tehát a térbeli kifejtéssel.
Mivel egy impulzus a 3.61 és 3.62 ábrákon látható sáv minden
pontjáról visszaverődik, s mivel ezek a pontok az antennától különböző
távolságra helyezkednek el a visszaverődés után az antenna sok jelet vesz.
Minden vett visszavert
impulzus egy pixelt reprezentál a haladásra merőleges sorban, melynek
szürkeségi értékét a vett impulzus amplitudója, helyét pedig az impulzus kibocsátása
és vétele között eltelt idő határozza meg. Azaz a sávon belüli képalkotás a
terjedési időintervallumok sorba állításával, számítással oldható meg.
Két egymástól dharánt távolságra
elhelyezkedő szomszédos pixel reflektált jeleinek időkülönbsége
|
,
|
ahol c a hullám terjedési sebessége. A rendszer haladási értelemre
merőleges felbontóképességét a legkisebb detektálható érték
határozza meg. Ez az érték megegyezik a kibocsátott impulzus időtartamával -al,
azaz a keresztirányú felbontóképesség:
|
.
|
Igy már érthető, hogy miért alkalmaznak oldalra néző
megoldást, hisz ha a radar a hordozó objektum alá irányulna helyzet állna
elő és a pixelek sávmenti elhelyezése határozatlanná válna.
Ha például és , úgy a felbontás dharánt = 440 m.
A felbontás finomítását az impulzus hossz csökkentésével érhetnénk el, ennek
azonban műszaki és energetikai akadályai vannak. A megoldást frekvencia
modulált impulzusok kibocsátása nyújtja. Ebben az esetben ugyanis a felbontás
független az impulzus hosszától és csak SZ-től a frekvenciamodulált jel
sávszélességétől függ az alábbiak szerint:
|
.
|
A frekvencia moduláció előnyeit jól szemlélteti, hogy SZ
= 20 MHz sávszélesség és oldalszög esetén változatlan impulzus
hossz mellett a felbontóképesség dharánt = 22 m.-re
rövidül. Érdekességként megemlítjük, hogy folyamatos frekvenciamodulált jelek
visszaverődését már régóta használják repülőgépek magasságának meghatározására [5].
A pálya irányába (azimut irányba) eső felbontást
a 3.62 ábrán Xa -val jelölt kistengely jelenti. Felírható, hogy
|
.
|
A képletben jelöli a sugárkúp pálya irányú
csúcsszögét, h a repülési magasságot, a pedig az antenna pálya
irányú (hossz-) méretét.
Ha példaként reális értékekkel számolunk, úgy
a pálya irányú felbontásra dazimut = 16.3 km.
számértéket kapunk. Látható, hogy legfeljebb csak repülőgépre telepített
berendezés esetén vehet fel olyan értéket, mely összhangban van a keresztirányú
felbontással (h = 1 km. esetén dazimut = 20.4 m.).
Hogy a pályairányú felbontást reális antennaméretekkel is a
keresztirányú felbontás szintjére lehessen hozni a radarfelvételeket az úgy
nevezett Szintetikus Apertúrájú Radarok (SAR) segítségével hajtják
végre. A SAR alapelvét 1950-ben katonai felhasználásra dolgozták ki, a
60-as években repülőgépre szerelve először alkalmazták polgári célokra
(geológiai térképezés), majd 1978-ban először lőttek ki SAR-al
felszerelt mesterséges holdat a SEASAT-ot.
A SAR alapelve azon
nyugszik, hogy az adó antenna ismert (lehetőleg egyenes) pályán haladva
sorra bocsátja ki az impulzusokat. Ha vétel során gondoskodunk arról, hogy ne
csak a visszavert impulzusok feszültségét de a fázisukat is (hogy melyik adóimpulzusból
származnak) rögzítsük, úgy olyan adatsort nyerünk, mely megfelelő számítógépes
feldolgozás után hasonlóan finom pályamenti felbontást ad mintha az antennát a
pálya irányában jelentősen meghosszabbítottuk volna.
|
3.69 ábra - a
SAR működési elve
|
|
A szemléletesség kedvéért szokták a SAR nyers mérési
eredményeit a végleges kép digitális hologramjának is nevezni, melyből a
digitális korrelátor csak bonyolult számítások elvégzése után képes a
tulajdonképpeni képet előállítani.
A szintetikus apertúrát használó rendszer pálya irányú
felbontása várakozásunkkal ellentétben annál nagyobb minél kisebb a valódi
antenna pálya irányú mérete, a felbontást jellemző pixelméretet elméletileg az
alábbi egyenlőtlenségből határozzák meg:
|
.
|
Gyakorlatilag az elméleti pixel méretnél nagyobb méretek
adódnak, igy a példánkban szereplő a = 12 m.-es antenna esetén
konstrukciótól függően a pixel pálya irányú szélessége 10 - 20 méter között
változhat.
Az vevő és adó antennák általában síkpolarizált
hullámokat bocsátanak ki illetve ilyen hullámokat vesznek. Ha a SAR
rendszerben mind az adásra mind a vételre rendelkezünk vertikálisan és
horizontálisan polarizált antennákkal, úgy nem csak azt tanulmányozhatjuk, hogy
milyen reflexiókat szenved a horizontálisan (vertikálisan) polarizált impulzus
azonos polarizáltságú vétel esetén, de azt is, hogy hogyan változtatja meg a visszaverődés
a hullám polarizáltságát. A visszaverődés során nem csak az intenzitás, polarizáltság
de az erőtér fázisa is megváltozik. A visszavert hullám
elektromos terét az alábbi kifejezéssel írhatjuk le:
|
,
|
ahol
|
|
a visszavert hullám,
|
|
a beeső hullám elektromos tere,
|
|
a szórási mátrix (a p index az adó
antenna, a q index a vevő antenna
|
polarizációját jelüli), R a visszaverő
felület és az antenna távolsága, ko a megvilágító hullám
hullámszáma. A képet vagy az Spq szórásmátrix meglévő
elemeiből építjük fel, ha a komplex visszaverési tényezőt kívánjuk
reprezentálni, vagy a értékekből, ha a képet az intenzitás
keresztszelvényre alapozzuk. Az elemi intenzitások a szórási mátrix elemek abszolút
értékei négyzeteivel arányosak az alábbiak szerint:
|
.
|
Gyakran használják a normalizált keresztszelvényt melynek
elemei:
|
.
|
Érdemes megemlíteni, hogy dharánt tulajdonképpen
levezetett mennyiség, mivel a radar a ferde távolságok mentén alakítja ki
pixeleit, azaz
|
|
,
|
ahol a kérdéses pixelre vonatkozó beesési szög.
A radar felvételek rohamos elterjedése az utóbbi néhány évre
tehető. Napjainkban már olyan SAR eszközökkel is találkozunk, melyek
egyidejűleg több hullámsávon is letapogatják a felszínt. A multispektrális
radar felvételek hasznosítására már sok módszert dolgoztak ki, azonban egyelőre
még nem rendelkezünk olyan kiforrott eljárásokkal mint a CCD szenzoros
multispektrális távérzékelésben. A jelen stádiumban a legfontosabb eredmény,
hogy az elméleti megalapozás után megkezdték a radarfelvételek rádiómetrikus
korrekcióinak gyakorlati alkalmazását, amiről a következő alpontban szólunk.
Már itt fontosnak tartjuk azonban megjegyezni, hogy minden radar kép
felhasználásakor tudnunk kell, hogy a kérdéses képet ellátták-e rádiómetrikus
korrekcióval vagy sem.
A radar képek sajátosságai között meg kell említenünk azokat a
problémákat, melyeket a ferde felvételi mód okoz. Arról, hogy a kép
tulajdonképpen ferde síkokban képződik már szóltunk, azonban meg kell
említenünk, hogy e miatt minden pixelt geometriai korrekcióként le kell
vetíteni a felületre. Kevéssé kezelhetőbb probléma, hogy a felszín
domborulatai leárnyékolják a mögöttük lévő részeket. Ez a probléma
azonban rendszerint csak alacsonyabb repülési magasságok illetve magas hegyek
esetén lép fel.
|
3.70 ábra - a
RADARSAT kéthajlású SAR műszere
|
|
A keresztirányú felbontás vizsgálatakor
láttuk, hogy minél inkább eltér a függőlegestől a radar irányítottsága annál
finomabb a felbontás. Az előbb viszont arról is szóltunk, hogy erős
domborzatú terepen a sugár ferdeség növekedésével nő a hasznos információ
leárnyékolása. A kettős problémán úgy próbál segíteni a RADARSAT nevű
kanadai műhold SAR műszere, hogy az antenna két dőlési értékre
állítható.
|
A 3.70-es ábrán látható 1-es sugárhelyzetet dombos -
hegyes vidékeken alkalmazzák, míg a 2-es helyzetű sugárral a sík
területeket pásztázzák.
A szintetikus apertúra
megvalósításához az szükséges, hogy a koherens hullámokat szuperponálják e
közben azonban olyan interferencia jellegű hatások léphetnek fel melyek
pöttyössé teszik a képet. Ezt a hatást nevezik 'speckle effektusnak'.
Csökkentésére átlagoló szűrőt alkalmaznak az intenzitás alapú képen.
Bármilyen szenzort is alkalmazzunk a célunk az, hogy olyan
számértékeket kapjunk a földfelszín minden felületelemére (a felületelem vagy
pixel konkrét méretét a rendszer felbontása határozza meg), mely megadja az
adott területet borító (illetve alkotó) természetes és mesterséges objektumok
átlagos reflexiós (visszaverési) együtthatóját egy megadott hullámhosszra vagy
hullámsávra. Az átlagos jelzőre azért van szükségünk, mivel a felületet nem
feltétlenül homogén objektumok borítják illetve alkotják.
A felszínről visszaverődő sugárzás az atmoszférán át jut a
szenzor objektívjére, majd különböző bonyolult optikai elemeken keresztül
gerjeszt töltést a CCD sorszenzor elemeiben. A szenzor akkor működik jól, ha
valamennyi CCD elem valamennyi hullámhossz intervallumban azonos energia
hatására azonos töltésszintet (potenciált) hoz létre.
Bár első közelítésként a belépő energia és a potenciál között
lineáris kapcsolat áll fenn, a gyakorlatban ez a kapcsolat eltérhet a
lineáristól és cellánként is különböző lehet. A radiometrikus korrekció első
feladata a fentiek szerint az, hogy a CCD elemek potenciál válaszát a
fényenergiára azonos szintre hozza.
A további javítás részek közül csak kettőre szeretnék utalni.
A sáv detektor szélére leképezett pixelek messzebb vannak a CCD elemektől mint
középre leképezett társaik ezért az atmoszféra csillapító hatása következtében
azonos visszavert energia esetén is gyöngébb potenciált hoznak létre, ezt a
szabályos hatást is figyelembe kell venni a kalibráláskor. Az atmoszférát alkotó
gázok és gőzök csillapítása a földfelszínről visszaverődő sugárzásra függ a
kérdéses hullám hosszától. Bár általánosan azt mondhatjuk hogy az elnyelés a
hullámhossz növekedésével csökken ez a kijelentés csak akkor igaz, ha
figyelembe vesszük hogy míg a látható fény csillapítása alapvetően az
atmoszféra legapróbb víz- és füstrészecskéin (aerosol) előálló szóródás
következtében jön létre, addig az infravörös tartományban a csillapítást döntően
az atmoszférát alkotó gázok és gőzök molekuláris elnyelése okozza. Az általános
szabály az infravörös tartományra tehát csak akkor érvényes, ha a méréseket az
elnyelési sávok közötti ablakokban végezzük. A légköri ablakokat
a 3.71 ábrán vázoltuk fel. A már hivatkozott tankönyvben [5]
részletesebb grafikonokat is találhat az érdeklődő.
|
3.71 ábra -
áteresztési ablakok a légkörben
|
A radar szenzorok radiometrikus kalibrálása viszonylag
új téma. A kalibrálást elvégezhetik a műszer különböző blokkjainak mérésével,
ezt az úgy nevezett belső kalibrálást azonban célszerű terepi kalibrálással
megerősíteni. Anélkül, hogy túlságosan belemennénk a részletekbe szeretnénk
felhívni az olvasó figyelmét a kalibrálás néhány fontosabb csomópontjára (a
részletek iránt érdeklődőknek Freeman előadását [13]
ajánljuk a figyelmébe).
Talán a legfontosabb kalibrálási csomópont az adó és vevő
antennák nyereségének meghatározása. A nyereségi értékek
határozzák meg ugyanis, hogy azonos jel erősségből az antenna mennyit sugároz
ki adott irányba, illetve mennyit vesz adott irányból. Ezek az értékek tehát
függnek a felszínre vetített képelem középpontját az adó illetve vevő antennával
összekötő térbeli egyenes helyzetétől. Bár ezt a vizsgálatot földi körülmények
között is el lehet végezni. a tapasztalat azt bizonyítja, hogy a zord repülési
körülmények között a radar antennák karakterisztikái megváltozhatnak, ezért
azok repülési körülmények közötti kalibrálására is szükség lehet. A tereppontot
az antennával összekötő egyenes térbeli helyzete a hordozóeszköz illetve az
antennák koordináta rendszerében azonban függ a hordozó eszköz elfordulásaitól
is melyeket ezért valamilyen elfordulás mutató műszerrel regisztrálni kell.
Kalibrálni kell az erősítést, a csillapításokat a késleltetéseket (beleértve az
atmoszféra hatását is a hullám törésmutatójára) valamint figyelembe kell venni
a földgörbület hatását is ahhoz, hogy a radarképen a pixel távolsága és
intenzitása megfeleljen valóságos helyének és a hely visszaverő képességének.
Külön figyelmet érdemel a különféle zajok hatásának
vizsgálata, amikor is a méréseket kikapcsolt adóantennával hajtják végre
s így a processzorból kilépő jel, mely kizárólag a zajok következménye,
figyelembe vehető.
Igen nagy a jelentősége a processzor kalibrálásának, melyet
szimulált szabványos jelek segítségével hajtanak végre.
Az elmondottak érzékeltetik, hogy mennyire bonyolult
mérőrendszerről van szó, melyben az egyes csomópontokon elkövetett kalibrálási
hibák lényegesen megváltoztathatják a végterméket. Ez az oka annak, hogy a
belső kalibrálást rendszerint terepi kalibrálással is ellenőrzik. A terepi
kalibrálás azt a célt is szolgálhatja, hogy segítségével eldöntsük vajon
valamely szenzor által előállított radarkép kalibrált-e vagy sem.
A külső kalibrálás céljaira olyan területet keresünk, mely reflexiós
tényezője az adott hullámsáv, polaritás, geometria szempontjából ismert és
homogénnak vehető. A gyakorlatban mezőgazdasági művelés alatt álló táblákat, tropikus
erdőket és északi erdőket szoktak választani. Az eljárás során átlagolják a
képekben mért pixel teljesítményeket a természetes pötty-hatás csökkentése
érdekében, és a becsült átlagos hiba értékét kivonják az átlagból. A mért és az
ismert visszaverődési értékek birtokában a kalibrációs függvény számítható.
Megjegyzéseit
E-mail-en várja a szerző: Dr Sárközy Ferenc