univerzita pavla jozefa Šafárika v košiciach...
TRANSCRIPT
Aktívne systémy DPZ
Mgr. Michal Gallay, PhD.
Univerzita Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach
Prírodovedecká fakulta
Ústav geografie
Porovnanie pasívnych a aktívnych
systémov diaľkového prieskumu
Pasívne systémy DPZ zaznamenávajú prirodzené EMG žiarenie
odrazené (napr. modré, zelené, červené, infračervené svetlo) alebo
vyžiarené (napr. termálne EMG) z povrchu Zeme
Aktívne systémy DPZ produkujú vlastné EMG žiarenie, ktoré 1) je
vysielané zo senzora smerom k Zemi, 2) interaguje s objektami na
zemskom povrchu odrážajúc energiu 3) zaznamenávanú prijímačom
na senzore.
Aktívne systémy nie sú teda závislé na slnečnej EMG ani
tepelných vlastnostiach Zeme.
Jensen,
2008
Aktívne systémy DPZ
Najrozšírenejšie:
• RADAR - využíva dlhovlnné mikrovlnné žiarenie (3 – 25 cm)
a zaznamenáva intenzitu odrazenej časti žiarenia od zemského
povrchu;
• LIDAR, využíva krátkovlnné žiarenie svetla (0,6 - 10 mm) s
vysokou koherenciou (rovnobežný zväzok lúčov) typu LASER
zaznamenáva intenzitu odrazenej časti žiarenia od zemského
povrchu;
• SONAR, využíva zvukové vlny vysielané vo vodnom prostredí
a zaznamenáva intenzitu odrazenej energie od dna alebo objektov
vo vodnom stĺpci. Jensen, 2008
RADAR
princíp
Jensen, 2008
•EMG vysielané v dávkach
energie – pulzoch (cca.
každých 0,000 000 1 s)
•Energia jedného pulzu sa
odráža od objektov na
povrchu v poradí podľa
vzdialenosti od
zdroja/vysielača na palube
•Zaznamenáva sa intenzita
odrazenej energie a čas za
ktorý sa pre daný pulz vráti.
Jensen, 2008
RADAR typické vlnové dĺžky a frekvencie pre DPZ
mikrovlnné žiarenie
Mikrovlnná rúra: 2,5 GHz a vlnová dĺžka okolo 12 cm
Mobilní operátori okolo 1 GHz a vlnová dĺžka okolo 30 cm
RADAR typické vlnové dĺžky a frekvencie pre DPZ
Band Designations
(common wavelengths Wavelength () Frequency ()
shown in parentheses) in cm in GHz
_______________________________________________
K 1.18 - 1.67 26.5 to 18.0
Ka (0.86 cm) 0.75 - 1.18 40.0 to 26.5
Ku 1.67 - 2.4 18.0 to 12.5
X (3.0 and 3.2 cm) 2.4 - 3.8 12.5 - 8.0
C (7.5, 6.0 cm) 3.8 - 7.5 8.0 - 4.0
S (8.0, 9.6, 12.6 cm) 7.5 - 15.0 4.0 - 2.0
L (23.5, 24.0, 25.0 cm) 15.0 - 30.0 2.0 - 1.0
P (68.0 cm) 30.0 - 100 1.0 - 0.3
Jensen, 2008
SIR-C/X-SAR Images
of a Portion of
Rondonia, Brazil,
Obtained on April 10,
1994
Jensen, 2008
Radarový obraz
Rwanda
Na porovnanie Landsat
Rwanda
Predskrátenie,
predloženie, a tieň
Jensen, 2008 Radar shadow (radarový tieň)
Layover (predloženie obrazu)
Foreshorteing (skrátenie obrazu)
Predskrátenie
Foreshortening
Jensen, 2008
Synthetic Aperture Radar (SAR)
RADAR
SAR
Lillesand et al. (2004): Remote Sensing and Image Interpretation
Princíp predlžovania antény
Side looking radar (SLAR)
Priestorové rozlíšenie sa s narastajúcou vzdialenosťou objektu od antény zhoršuje.
h - výška letu, L – dĺžka antény, - uhol medzi horizont.rovinou a vyslaným lúčom
Radar typu Synthetic aperture radar (SAR)
Priestorové rozlíšenie je v smere letu nezávislé od vzdialenosti od antény. Teda je konštantné v smere letu a v smere kolmom na let závisí od uhla pohľadu.
h - výška letu, L – dĺžka antény, - uhol medzi horizont.rovinou a vyslaným lúčom
Synthetic Aperture Radar (SAR)
pozície antény
smer letu
objekt O
signálom
ožiarená stopa
Ra, Rb, Rc – vzdialenosti k objektu O
Li et al. (2005): Digital Terrain Modeling,
Principles and Methodology
Princíp zaostrovania
Li et al. (2005): Digital Terrain Modeling,
Principles and Methodology
pozície antény
smer letu
objekt O
signálom
ožiarená stopa
Ra, Rb, Rc – vzdialenosti k objektu O
Synthetic Aperture Radar (SAR)
Princíp zaostrovania
pozície antény
smer letu
objekt O
signálom
ožiarená stopa
Li et al. (2005): Digital Terrain Modeling,
Principles and Methodology
Ra, Rb, Rc – vzdialenosti k objektu O
Synthetic Aperture Radar (SAR)
Princíp zaostrovania
pozície antény
smer letu
objekt O
signálom
ožiarená stopa
Ra, Rb, Rc – vzdialenosti k objektu O
Li et al. (2005): Digital Terrain Modeling,
Principles and Methodology
i
pcy
sin.2
.
2
Lx
L – dĺžka antény
c – rýchlosť svetla
- dĺžka trvania pulzu
p
x
y
Synthetic Aperture Radar (SAR)
Princíp zaostrovania
SLAR
SAR
Lillesand et al. (2004): Remote Sensing and Image Interpretation
RADAR
SAR
Dôsledky šikmého snímania
Forma SAR záznamu
Synthetic Aperture Radar (SAR)
Synthetic Aperture Radar (SAR)
Určovanie nadmorskej výšky
Kianička (2005), Li et al. (2005)
?
Synthetic Aperture Radar (SAR)
Určovanie nadmorskej výšky
Fázový rozdiel prijatého signálu Intenzita prijatého signálu
Radargrametria Interferometria
(c) Intermap Inc.
(c) Intermap Inc.
Synthetic Aperture Radar (SAR)
Metódy analýzy obrazu
Range direction
Paralaxa p
Kianička (2005), Li et al. (2005)
21 cotcot
ph
Radargrametria
Synthetic Aperture Radar (SAR)
Princíp merania paralaxy bodu P pomocou SAR stereosnímok.
Range direction
Parallax p
DTM
Stereosnímky s prekryvom
Kianička (2005), Li et al. (2005)
(c) Intermap Inc.
Radargrametria - podobne ako pri fotogrametrii
21 cotcot
ph
Synthetic Aperture Radar (SAR)
11 cos. RHh
B..4
.arcsin 12
1
2
1
Synthetic Aperture Radar (SAR)
Zber údajov o nadmorskej výške
Interferometria
Koregistrácia snímok
interferogram
rozbalenie fáz
prevod fáz na výšky
SAR záznam 1
DTM
GCPs
SAR záznam 2
Princíp merania fázového rozdielu
dvoch snímok
Diferenciálna interferometria
opakované snímanie s časovým odstupom
• meranie zmien výšky povrchu
(seizmické poruchy, pohyb ľadovca, morskej hladiny)
• subcentimetrová presnosť
Kianička (2005): Radar Interfeometry used for detection of landslides and subsidences in Northern Bohemia Brown Coal Basin. PhD Thesis
Interferogram
Dif. interferogram
SAR 3
SAR 1
SAR 2
Synthetic Aperture Radar (SAR)
Výhody a nevýhody radarového snímania
– zložitejší vznik obrazu ako vo fotogrametrii
- nezávislosť od dennej doby (deň-noc)
- nezávislosť od počasia (signál preniká oblačnosťou)
- potrebný vlastný zdroj energie
- obmedzená životnosť
- možnosť snímania niekoľkých vlnových dĺžok
- prienik pod zem – dlhšie vlnové dĺžky
- zber výšok reliéfu
- určovanie veľmi malých zmien relatívnej výšky povrchu
(diferenciálna interferometria)
Využitie radarového obrazu
– kartografia – oblačné oblasti
- geológia – geologické mapovanie
- hydrológia – pôdna vlhkosť, povodne, sneh
- poľnohospodárstvo – rozlíšenie kultúr
- lesníctvo – holoruby, požiare
- oceanológia – tvar, smer vĺn, znečistenie
- obrana, NATO, ...
- Družicové merania použiteľné pre mapovanie
1:25 000 – 500 000
- Letecké meranie okolo 1:10 000
Prienik mikrovĺn
povrch prienik do hĺbky
sladká voda mm až cm
čistý ľad 1 m až 100-ky m
morský ľad cm až 1 m
suchá pôda cm až m
mokrá pôda cm až cm
Prienik mikrovĺn = 3 až 15 cm :
Jazero Vostok
Antarktída
- pod 4000 m hrubou vrstvou ľadu
- ukryté pod ľadom min. 420 000 rokov
- hĺbka 670 m, plocha 14 000 km2
- objav 1996 - radar
- 250 x 50 km
- 5/2005 – ostrov v jazere
Radarové snímacie systémy
– Radarsat (1995), RS 8 až 100 m
- Radarsat (leto 2007), RS 3 m
- ERS 1 (1991), RS 10 m
- ERS 2 (1995)
- Envisat (2002), najväčšia družica DPZ
- JERS (1992)
- ALMAZ (1991)
- STS-59, STS-68, STS-99
(Endeavour OV-105)
Porovnanie digitálnych modelov zemského povrchu zo SAR a LiDAR údajov
Systematic noise • Low-pass filtering • Downscaling the DEM • Denoising algorithms
Radarsat
– kanadská družica
ERS – European Radar System
– európske
družice
- ERS1, ERS2
Envisat
– európska
družica
- 8217 kg
JERS
– japonská družica
- 2001 – zánik nad Atlantikom
ALMAZ
– sovietska družica
- 1992 - zánik
SRTM – Shuttle Radar Topographic Mission (február 2000)
Topografické mapovanie pomocou raketoplánom neseného radaru
- Interferometrické meranie výšok povrchu pomocou dvoch SAR antén
Jensen, 2008
Laserová altimetria (LIDAR)
Laserové skenovanie
Laserové skenovanie – reálnejšia aproximácia krajiny Michal Gallay, Ján Kaňuk Seminár Centra excelentnosti informatických vied a znalostných systémov, Košice 4.4.2012
Rýchla, presná a detailná technológia pre zber polohovo
lokalizovaných informácií
• najmodernejšia metóda diaľkového prieskumu Zeme (DPZ)
• rozmach v posledných 20 rokoch
• vysoko efektívna (presnosť, rýchlosť a hustota zberu údajov)
• na základe snímania povrchu laserovým lúčom (laser scanning )
• LADAR (LAser Detection And Ranging )
• LIDAR (Light Detection And Ranging)
Technológia LiDAR
CW laser
Pulzný laser
Li et al. (2005): Digital Terrain Modeling, Principles and Methodology
Geometria snímania
- rozlíšenie v smere lúča
t - čas od vyslania po
prijatie pulzu
∆t - dĺžka pulzu
c – rýchlosť svetla
- fáza
- fázový rozdiel
f - frekvencia
www.geolas.com
Brenner et al. 2006
mechanizmus
vzor na skenovanom
povrchu
Mechanizmy skenovania
Nosič
Družicový (napr. GLAS)
Letecký (LLS)
Pozemný (PLS)
Výška letu
600 km 1 km 1 m
Priemer stopy
60 m 25 cm 1-10 cm
Vertikálna presnosť
15 cm - 10 m (závisí od
sklonu svahu)
20 cm (závisí od
sklonu svahu)
1-10 cm (závisí najmä
od vzdialenosti)
Nosiče
DMR Grónska z GLAS údajov http://nsidc.org/daac/projects/lidar/glas.html
Družicový LiDAR Nosič: Ice, Cloud, and land Elevation Satellite (ICESat) Lidarový senzor - Geoscience Laser Altimeter System (GLAS)
Rozpätie bodov: 170 m Priemer stopy: 70 m
Nosiče
Obdobie snímkovania: 09/2009 Nosič senzora: lietadlo Výška letu nad terénom: 3500 m Presnosť merania (RMSE z): 23 cm Rozloha: 141 km2
Počet bodov: 23 500 000 Priemerná vzdialenosť bodov: 2,4 m Rozsah oblasti: východná časť NP Slovenský kras (Soroška-Drienovec)
Referenčné dáta CaKS – metadáta k bodom LLS Pre Centrum excelentnosti znalostných systémov
Posledný odraz Prvý odraz
Model povrchu vegetácie nad modelom terénu Model terénu
Všetky typy bodov (7)
Referenčné dáta CaKS – klasifikácia bodov
Pozemné laserové skenovanie
Site at the Rossett Bridge
N
Site at the Middle Fell Farm LS point cloud
LS point cloud
Böhm, J., Haala, N. (2005): Efficient integration of aerial and terrestrial laser data for virtual city modeling using lasermaps
Kombinácia pozemného a leteckého skenovania pre extrakciu budov.
Objektové skenovanie
Digitálny model povrchu pieskovca pred a po 40 cykloch laboratórneho soľného zvetrávania. Hustota merania 1 000 000 bodov/m2.
Zdroj: Stephen McCabe (QUB Belfast)
Presnosť, frekvencia, výška letu
Leica ALS50-II
• Slaboodrazivé povrchy môžu byť nedetekovateľné, resp. vysokoodrazivé povrchy menej presne zamerané.
• Príliš silný odraz slnečného žiarenia od vysokoodrazivého povrchu môže presýtiť detektor a meranie bude neplané alebo menej presné.
• Najmenší rozmer detekovateľného objektu závisí od odrazivosti jeho povrchu.
Odrazivosť povrchu
Diskrétny a „full waveform“ záznam odrazu laserového lúča
www.riegl.com
Oproti diskrétnemu záznamu umožňuje • vyššiu hustotu meraní • neobmedzené množstvo záznamov odrazu jedného pulzu (zachytenie rôznych úrovní), • vysoké rozlíšenie viacerých objektov zachytených v rámci jednej stopy (od 0.5 m pre RIEGLLMS-Q560), • určenie priečneho rezu laserovou stopou.
Výhody „Full waveform“ záznam odrazu laserového lúča
Monitorovanie v lesníctve a poľnohospodárstve • Výška vegetácie, štruktúra vegetácie,
zdravotný stav vegetácie, výpočet biomasy
Vysokodetailné mapovanie urbánnej krajiny • 3D modelovanie budov, vegetácie • zlúčenie so záznamom z pozemného
laserového skenovania
Vysokodetailné mapovanie zaplavovaných území • Vysokokvalitné digitálne modely terénu,
schopnosť rozlíšiť aj nízku vegetáciu, presnejšie určenie drsnosti povrchu
Plánovanie a manažment infraštruktúry
• mapovanie elektrického vedenia, potrubí, železníc, ciest
Aplikácie “fullwaveform” lidaru
Hustota merania
Body zamerané totálnou stanicou
Body zamerané diferenciálnym GPS
Body z leteckého laserového skenovania
Body z pozemného laserového skenovania
Hustota vzorkovania reality – úroveň detailu (mierka)
Radar typu ISAR, DSM Bunka: 5x5m Hustota pôvodných meraní: 2,5x2,5m
Svah pri Middle Fell Farm, Great Langdale Valley, Anglicko. Pôvodné údaje: (c) Intermap Ltd.
Pomocná mriežka: 10x10m
Letecký lidar, DSM Bunka: 5m Hustota pôvodných meraní: 2m
Svah pri Middle Fell Farm, Great Langdale Valley, Anglicko. Pôvodné údaje: (c) Environment Agency UK
Pomocná mriežka: 10x10m
Hustota vzorkovania reality – úroveň detailu (mierka)
Pozemný lidar DSM Bunka: 5 m Hustota pôvodných meraní: 0,2m
Svah pri Middle Fell Farm, Great Langdale Valley, Anglicko. Pomocná mriežka: 10x10m
Hustota vzorkovania reality – úroveň detailu (mierka)
Lidar DSM Bunka: 2m Hustota pôvodných meraní: 2m
Svah pri Middle Fell Farm, Great Langdale Valley, Anglicko Pôvodné údaje: (c) Environment Agency UK
Pomocná mriežka: 10x10m
Hustota vzorkovania reality – úroveň detailu (mierka)
Pozemný lidar DSM Bunka: 0,2m Hustota pôvodných meraní: 0,2m
Pomocná mriežka: 10x10m
Hustota vzorkovania reality – úroveň detailu (mierka)
Zber
• uhol sklonu reliéfu
• uhol skenovania
• presnosť klesá so vzrastajúcim sklonom svahu
Zdroje chýb
∆Z
∆XY
Laserová stopa na svahu
Filtrovanie údajov
• Záznam viacerých odrazov laserového lúča
• Pre tvorbu modelov reliéfu (terénu), detekciu budov, stromov, je potrebné body filtrovať (klasifikovať)
• Rôzne algoritmy produkujú rôzne výsledky.
• Porovnávanie bodov v definovanom malom okolí.
• Napr. na základe lokálneho sklonu, krivosti, zhlukovania.
Zdroje chýb
DSM zo všetkých bodov
Bunka rastra: 1 m
Spracovanie LiDAR údajov – filtrovanie
DMR po po filtrácii
Oblasť západne od obce Silica
Systematické chyby
• nepresná kalibrácia celého meracieho systému (skener+DGPS+IMU) limituje externú orientáciu skenovaných pásov
• výsledkom je systematická chyba merania („odskok“ pásu bodov)
• Odstránenie chyby vyžaduje zber kontrolných bodov skenovaním naprieč cez ostatné pásy
• Taktiež pozemný zber kontrolných bodov (najmä okraje násypov, rohy budov)
• Zlepšenie horizontálne chyby (40%) a vertikálnej chyby (25%)
Priečny prekryt viacerých pásov je potrebný pre úplne vyrovnanie chýb.
Výsledné mračno bodov po odstránení systematických chýb.
Zdroje chýb
• Zachytenie rozdielnych rozlišovacích úrovní
• Náhodné chyby (šum)
• Prítomnosť antropogénnych foriem reliéfu,
• Redundancia údajov, a súvisiaca výpočtová náročnosť.
Súvisiace problémy
LiDAR DMR DMR z vrstevníc
Náhodné chyby
Využitie laserového skenovania
– tvorba digitálnych modelov reliéfu najmä urbánne oblasti povodňové oblasti - mobilní operátori - architektúra - modelovanie povodní - detekcia elektrických vedení - Lesníctvo - výška lesného porastu, výpočet biomasy - prírodné havárie - meteorológia - podzemné staviteľstvo, ....