Wprowadzenie

TELE (od greckiego słowa) – daleko;  działający, osiągany z dużej odległości

DETEKCJA – wykrywanie dowolnych sygnałów (w tym przypadku promieniowania elektromagnetycznego)

TELEDETEKCJA – to badanie obiektów, zjawisk i procesów zachodzących na powierzchni Ziemi, pod jej powierzchnią i w atmosferze za pomocą rejestracji promieniowania elektromagnetycznego, analizy zarejestrowanych danych i ich interpretacji. Teledetekcja środowiska zajmuje się zarówno poszczególnymi komponentami środowiska jak i jego całością (strukturą), jak również zjawiskami zachodzącymi w środowisku i jego strukturalnych częściach. W swoich badaniach posługuje się różnymi metodami wypracowanymi w trakcie jej rozwoju, jak też metodami zaczerpniętymi z różnych dziedzin wiedzy i przystosowanymi do potrzeb badań teledetekcyjnych.

 HISTORIA

    fotografia - fotogrametria - fotointerpretacja - teledetekcja - telegeoinformatyka

foto + grafia = photos – światło

                        grapho – piszę

foto + gra + metria = gra(mma) – zapis, rysunek

                                   meteo – mierzę

foto + interpretacja = interpretario – tłumaczenie, wyjaśnienie

tele + geo + informacja = Ge – Ziemia

                                 informatio – powiadomienie o czymś, zakomunikowanie czegoś

(w teorii informacji – teoria kodowania, przekształcania, przekazywania oraz ograniczania wyników ją zakłócających)

  WAŻNE DATY

1840 – pierwszy negatyw (papier+jodek srebra=negatyw ;  papier+chlorek srebra=pozytyw) Talbot

1858 - pierwsze zdjęcie z balonu w Paryżu   ( Nadar )

1891 – zdjęcie barwne

1909 – zdjęcie z samolotu  ( Wilbur Wright )

1930 – wykorzystanie zdjęć lotniczych do badań zasobów naturalnych

1937 – zastosowanie filmu barwnego

  METODY NIEFOTOGRAFICZNE

1800 – odkrycie promieniowania podczerwonego  ( Herschel )

1879 – wykorzystanie bolometru do pomiaru temperatury obiektu

1889 – Hertz przedstawia eksperyment pokazujący odbicie fal radiowych od ciał stałych

1916 – wykorzystanie termostosu do wykrywania obiektów ciepłych

1930 – pierwsze termo....

1940 – systemy laserowe

PRZYRZĄDY DO REJESTRACJI OBRAZÓW

XI-XV w. – camera obscura ( ciemnia optyczna – obraz odwrócony)

XVII w. – camera clara (obraz prosty)

1821 r. – obiektyw achromatyczny (nie rozszczepia światła białego jak pryzmat)

1893 r. – obiektyw anastygmatyczny (brak zniekształceń geometrycznych)

potem – fototeodolit

XX w. – kamery wieloobiektywowe do zdjęć z balonów, potem z samolotów

 ŚRODKI OPRACOWANIA ZDJĘĆ

1838 r.- stereoskop  (Whitestone) + znaczek pomiarowy (Pulfrich)

1908 r.- stereoautograf   (Uonorel – chyba)

lata 80-te XX w.- komputer + autografy cyfrowe

1964 r.- powstaje Zakład Teledetekcji Środowiska UW

FOTOMETRIA I FOTOGRAMETRIA

FOTOMETRIA

Pomiarami naświetlenia filmu zajmuje się fotometria.

Każdy punkt na filmie charakteryzuje się określoną szarością (fototonem). Można ją określić jako:

a.       zaczernienie, świadczy ono o zdolności pochłaniania światła,

b.      transmitacja, świadczy o zdolności przepuszczania światła.

Do opisu zaczernienia filmu stosuje się pojęcie gęstości optycznej, jest to logarytm zaczernienia lub logarytm odwrotności transmitacji

Ø  Emulsję fotograficzną charakteryzują:

1.      Światłoczułość:

Właściwość sprawiająca, że pod działaniem światła materiał ten ulega zmianom fizycznochemicznym, co umożliwia po obróbce fotochemicznej otrzymanie obrazu fotograficznego. Ilościowa charakterystyka światłoczułości jest wielkością odwrotną do naświetlania (E)

2.      Kontrastowość:

Zdolność do odtworzenia kontrastu obiektów na obrazie fotograficznym; wskazuje na różnice w obrazie pomiędzy najgłębszą czernią a najjaśniejszymi miejscami. Miarą kontrastowości jest współczynnik kontrastowości j, określa się go jako kąt nachylenia prostego odcinka krzywej charakterystycznej. Jego wartość określa kontrastowość negatywów:                  

0,7-1,0  miękki – mały kontrast, szarości

1,1-1,4  normalny  - kąt 45 stopni

1,5-2,0  kontrastowy (fot. lotnicza) – kąt większy od 45

3.      Zdolność rozdzielcza:

charakteryzuje możliwość odtworzenia drobnych szczegółów fotograficznego obiektu, określa się ją liczbą par kresek na przemian jasnych i ciemnych przypadających na odcinek obrazu o długości 1mm, reprodukowanych na zdjęciu przy optymalnym naświetleniu jako kreski oddzielne

4.      Barwoczułość:

zdolność do reagowania na barwy

Ø  sensybilizacja – doczulanie materiału

Ø  barwoczułość materiałów:

-          nieuczulone  500 nm  (fotokopie)

-          ortochromatyczne   580-600 nm  (reprodukcje)

-          panchromatyczne  600-730 nm  (wszystkie dziedziny fotografii, obniżona czułość na zieleń)

-          infrachromatyczne  >730 nm  (zdjęcia w podczerwieni)

 RODZAJE ZDJĘĆ LOTNICZYCH

Ø  na zdjęciach panchromatycznych:

niebieski – jasny szary

zielony – średni szary

czerwony – ciemno szary

Ø  Podobieństwa i różnice między obrazami fotograficznymi i skanerowymi:

CECHA                          SYS. FOTOGRAFICZNE                SYS. SKANEROWE

Zakres rejestrowanego            300-900 nm                              300nm – 14 mm

promieniowania

rozdzielczość spektralna           > 40 nm                                  kilka nm

system optyczny                     dla każdego zakresu                  jeden system dla

                                            oddzielny                                 wszystkich zakresów

kalibracja radiometryczna         trudna                                     łatwa

transmisja danych                   dostarczanie nośnika                 przekaz telemetryczny

na Ziemię                               danych (filmu)                          (elektroniczny)

Ø  Zakresy działania wielospektralnych systemów skanerowych:

~ widmo widzialne i bliska podczerwień

~ promieniowanie termalne

~ technologie hiperspektralne

Ø  Sposoby pozyskiwania danych w wielospektralnych systemach skanerowych (MSS)

-          obrazy dwuwymiarowe są pozyskiwane wzdłuż ścieżki lotu samolotu:

1.      ACCROS-TRACK – skanowanie omiatające

Obraz powstaje pasami

Na lustro jest zbierana energia z poszczególnych pasów. Energia jest ogniskowana i przekazywana do siatki ichronicznej, która oddziela prom. podczerwone od prom. widzialnego. Potem pryzmat dzieli na wiązki prom. widzialne. Następuje rejestracja i zapis cyfrowy. Druga wiązka (prom. podczerwone) zostaje podzielona na dwie wiązki.

Pojęcie chwilowego pasa widzenia – kąt stożkowy, w obrębie którego padająca energia jest zogniskowana w detektorze. Kąt b jest określony przez optykę systemu i rozmiar detektora. Na powierzchni terenu odpowiada on kołu o średnicy D, którą określa wzór

D = H’ x b              H’ - wysokość lotu powyżej terenu

                             b - widzenie systemu optycznego skanera wyrażany w radianach

                             D – średnica koła obejmującego teren widziany w chwilowym

                                    polu widzenia

Średnia D może być uznana za przestrzenną zdolność rozdzielczą systemu zwaną też terenową zdolnością rozdzielczą lub komórką rozdzielczości.

2.      ALONG-TRACK – skanowanie przepychające

Sukcesywna rejestracja całych linii zorientowanych pod kątem prostym do linii lotu przyrządzenia skanującego. Rejestracja energii na linijce detektorów zorientowane prostopadle do linii lotu

Każdy detektor jest przeznaczony do wychwytywania energii z jednej komórki rozdzielczości terenowej wzdłuż danej linii skanowania

Zalety:

-          dłuższy czas przebywania energii padającej na detektor

-          lepsza zdolność rozdzielcza terenowa i radiometryczna

-          lepsza geometria obrazów

-          mniejszy rozmiar urządzenia, zużywa mniej energii

-          większa niezawodność

·         Wady:

-          konieczność kalibrowania większej liczby detektorów

-          stosunkowo ograniczona czułość spektralna

Ø  Konsekwencje małego lub dużego pola widzenia:

1.      MAŁE IFOV - sprzyja rejestracji drobnych szczegółów terenowych

- mniejszy rozmiar rozpoznanego elementu (większa terenowa zdolność rozdzielcza)

2.      DUŻE IFOV – większa ilość całkowitej energii ogniskowej na detektorze

-          większa czułość pomiarów promieniowania dla danej sceny

-          lepsza rozdzielczość radiometryczna

Ø  Skanerowe pozyskiwanie danych termalnych:

- skanery termalne rejestrują promieniowanie środkowej i dalekiej podczerwieni w zakresach:           

                        3-5mm     środkowa podczerwień

                        8-14mm   daleka podczerwień

Detektorami są:

                        3-14mm           detektory rtęciowo-germanowe

                        3-5mm             antymonek indu

                        8-14mm           telurek rtęciowo-kadmowy

Naczynie Dewera: rodzaj kriostatu – termosu;

                        utrzymuje T 77K=196°C

- jego zadaniem jest obserwacja, rozróżnianie termalne razem z ciekłym azotem.

Ø  ZASADY PROMIENIOWANIA TERMALNEGO

- T kinetyczna – wewnętrzna manifestacja przeciętnej energii cząstek budujących dany obiekt

- T radiacyjna – zależy od T kinetycznej emitowanej przez dany obiekt, określa emitowaną energię

Ø  Promieniowanie CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO:

obiekty mające T wyższą od zera bezwzględnego emitują promieniowanie, którego intensywność i skład spektralny zależy od typu materiałów i jego T w danych warunkach.

Emitacja energetyczna – całkowita zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego.

Ø  Promieniowanie od materiałów rzeczywistych:

-          emisyjność zawiera się w zbiorze (0,1)

-          zmienia się wraz z długością fali i kątem widzenia

-          zmienia się wraz ze zmianą T

-          gdy emisyjność zmienia się wraz z długością fali, taki obiekt jest nazywany promiennikiem selektywnym

Ø  wpływ atmosfery na promieniowanie widzialne:

energia dochodząca do obiektu terenu = energia odbita+pochłonięta+transmitowana do obiektu terenowego

Ø  PROMIENIOWANIE KIRCHHOFFA

Ciało tym intensywniej promieniuje im intensywniej pochłania, czyli dobre pochłaniacze są dobrymi emitorami.

Ø  Dla materiałów rzeczywistych T kinetyczna obiektu pozostaje w relacji do T radiacyjnej wg wzoru:     T rad = Emisja^1/4 T kin

Dla tej samej T kin różnych obiektów mogą być różne T rad

Obrazowanie mikrofalowe

Ø  II wojna światowa (Anglia) – opracowano technologię zdalnego wykrywania i określania odległości od obiektów latających, którą nazwano RADAR-em od słów Radio Direction And Range

Ø  1951 – koncepcja systemu radarowego SLAR

Ø  1953 – opracowanie projektu SLAR na potrzeby wojska

Ø 1958 – w USA uzyskano po raz pierwszy obrazy radarowe za pomocą aparatu SLAR

Ø 1967 – zrealizowano program RAMP polegający na wykonaniu mapy Panamy na podstawie obrazów radarowych. Mapa dla obszaru o powierzchni 17000 km² w skali 1:250.000. Obrazy wykonane przy całkowitym zachmurzeniu

Ø 1970 – system SLAR został udostępniony służbom cywilnym. Pierwsze radarowe zobrazowanie Księżyca przez urządzenie zamontowane na sowieckiej sondzie kosmicznej LUNA – 16

Ø 1971 – realizacja programu RADAM, w ramach którego zobrazowano 9 mln km² w dorzeczu Amazonki i innych obszarów Ameryki Łacińskiej oraz Ameryki Północnej, a także w Afryce (Nigeria), Azji (Filipiny, Indonezja) i w Europie

Ø 1972 – z APOLLO-17 wykonano obrazy radarowe Księżyca za pomocą systemu SLAR o długości fali 2 cm z terenową zdolnością rozdzielczą 10 m, w ZSRR opublikowano pierwsze doniesienie o systemie TOROS

Ø 1978 – na orbicie okołoziemskiej umieszczono pierwszego satelitę przystosowanego do operacyjnego wykonywania obrazów radarowych SEASAT

Ø   projekt Teleradar – obrazy radarowe dla południowej części Polski

Ø Podział zakresów promieniowania mikrofalowego wykorzystywanym w obrazowaniu radarowym:

  Literowy kod zakresu                Częstość prom.                Długość fali w m            

            K_s                                           0,75-1,1                                  40-26,5

            K                                            1,2-1,67                                  26,5-18

            K_V                                                        1,68-2,4                                  18-12,5

            X                                            2,41-3,75                                 12,5-8

            C                                            3,76-7,5                                   8,0-4,0

            S                                            7,51-15,0                                 4,0-2,0

            L                                            15,01-30,0                                2,0-1,0

            P                                             30,1-100

Ø  1992 – satelita ERS 1 ; system aktywny – ma własne źródło promieniowania wysyłanego przez antenę, ona też odbiera sygnał, który został odbity od powierzchni terenu

Ø  zobrazowanie terenu SLAR : obraz nie powstał bezpośrednio pod samolotem lecz z boku, zasięg kierunkowy prostopadły do kierunku lotu ; antena, odbiornik, natężenie, lampa ; od powierzchni gładkich mamy mało intensywny sygnał, sygnał odbija się od wszystkich przedmiotów, cień radarowy, elementy dobrze odbijające są jasne, gorzej – są ciemne.

Ø  TOROS : antena rzeczywista, zdolność rozdzielcza 30 m, obiekty o niewielkiej wysokości dobrze widoczne, obiekty czarne to obiekty płaskie (np. łąka), reaguje na szorstkość powierzchni (są one znacznie rozjaśnione), gładki powierzchnie nie są widoczne.

Ø  Zjawisko interferencji : wyznaczenie terenów, które zmieniły swoją wysokość; zmiany w terenach pokopalnianych, osuwiska.

FOTOINTERPRETACJA

STEREOSKOPIA

Ø    Budowa oka:

- źrenica ; rogówka ; tęczówka ; ciecz szklista ; soczewka ; spojówka ; nerw wzrokowy ; ślepa plamka Man ; siatkówka ; naczyniówka ; twardówka (białkówka)

Ø    Widzenie monokularne = jednooczne

Ø    Widzenie binokularne = dwuoczne

Ø    Widzenie przestrzenne – każde oko widzi ten sam przedmiot z dwóch różnych punktów widzenia

Ø    Elementy i parametry widzenia stereoskopowego:

1. płaszczyzna bazowa (wzrokowa) w której odbywa się widzenie
2. kąt konwergencji (25 cm = 15˚)
3. kąt paralaksy ; minimalny kąt paralaktyczny to 10”
4. paralaksa fizjologiczna ; min. Paralaksa fizjologiczna to 0,001 mm
5. maksymalna paralaksa fizjologiczna to 0,4 mm
6. rozdzielczość stereoskopowa  10” – 30”

Ø  ostrość stereoskopowa widzenia zależy od:

-          właściwości fizjologicznych

-          warunków obserwacji

-          charakteru obserwowanych przedmiotów

-          zasięg widzenia stereoskopowego=1300m=promień widzenia

Ø  dokładność wzrokowego określania odległości obliczamy według wzoru:

              przy założeniu, że Δy ³ 10” , bÎ65 mm

Ø wielkość błędu oceny odległości do przedmiotu jest przy obserwacji stereoskopowej wprost proporcjonalna do kwadratu samej odległości i minimalnej różnicy kątów paralaktycznych oraz odwrotnie proporcjonalna do wielkości bazy ocznej

Ø  aby zwiększyć plastykę obrazu (widzenia) należy zwiększyć:

a.       bazę oczną (b)

b.      ostrość stereoskopowego widzenia (Δy), czyli rozdzielczość stereoskopową (służy do tego stereoskop)

Ø  warunki widzenia przestrzennego:

-          promienie rdzenne – odcinki łączące punkty rdzenne

Ø  aby uzyskać model stereoskopowy (widzenie przestrzenne zdjęć) należy tak zorientować zdjęcia aby baza oczna i obrazy obserwowanego punktu znalazły się w jednej płaszczyźnie rdzennej

Ø  punkty rdzenne:

      - oś rdzenna                                                  

      - promienie rdzenne

 powinny znaleźć się w jednej płaszczyźnie rdzennej.

Ø  stereogram = zdjęcie stereoskopowe

Ø  warunkiem widzenia stereoskopowego punktu odfotografowanego na zdjęciu jest:

a. położenie punktu na płaszczyźnie zawierającej środki rzutów zdjęć oraz obrazy tego punktu na obydwu zdjęciach płaszczyznę taką nazywamy płaszczyzną rdzenną

b.   prostą łączącą środki rzutów poszczególnych zdjęć nazywa się osią rdzenną (baza), przebija ona płaszczyznę zdjęć w tzw. punktach rdzennych

c.  proste łączące punkty rdzenne i obrazy identycznych punktów przestrzeni to promienie rdzenne. Są one krawędziami przecięcia poszczególnych płaszczyzn rdzennych z płaszczyznami zdjęć

d.  usytuowanie elementów rdzennych pozwala wnioskować o położeniu kamery w momencie wykonywania zdjęcia, a zatem tworzy się kryterium utworzenia poprawnego modelu stereoskopowego

Ø  warunki braku przewyższenia wysokościowego modelu stereoskopowego:

Ø  czynniki wpływające na przewyższenie modelu stereoskopowego (czynniki związane z fotografowaniem):

-          baza fotografowania B

-          wysokość fotografowania H

-          ogniskowa aparatu

Ø  im dłuższa baza fotografowania , tym większe przewyższenie modelu sterepskopowego

Ø  H – stosunek skali poziomej do skali pionowej ; odwrotnie proporcjonalny wpływ wysokości na przewyższenie ; czyli im wyższa wysokość tym mniejsze przewyższenie modelu stereoskopowego

Ø Ogniskowa aparatu f – wpływa odwrotnie proporcjonalnie na przewyższenie m. S. ; im dłuższa ogniskowa tym mniejsze przewyższenie modelu stereoskopowego

Ø  Elementy związane z obserwacją (wzrokiem):

-          odległość dobrego widzenia

-          odstęp między zdjęciami

-          baza oczna

Ø  im bardziej oddalamy zdjęcia – model rośnie

Ø im większa odległość między zdjęciami tym większe przewyższenie modelu ; wzrost odległości proporcjonalnie wpływa na powiększenie modelu ster.

Ø  Baza oczna E – długość bazy ocznej obserwatora wpływa odwrotnie proporcjonalnie na przewyższenie modelu ; baza krótsza daje większe przewyższenie

Ø  OGÓLNA FORMUŁA WPŁYWU CZYNNIKÓW:

Ø  Szacunkowe określanie wielkości przewyższenia wysokościowego modelu ster.:

                  D – odległość optyczna

                     f – ogniskowa

                     B – baza

                     H – wysokość zdjęcia

                       d – odległość dobrego widzenia

                       E – baza oczna

Ø  Sposoby obserwacji stereoskopowej:

1. bez instrumentów

2. za pomocą stereoskopu (lustrzany lub soczewkowy):

- efekt ortoskopowy – góra górą, dolina doliną;

- efekt pseudoskopowy – góra doliną, dolina górą;

- efekt zerowy.

3. za pomocą anaglifów:

                      - dwa zdjęcia jedno w kolorze czerwonym, drugie – zielononiebieskie;

                      - wzajemne nałożenie z niewielkim przesunięciem;

                      - obserwacja przez okulary z filtrami czerwonym i niebieskim.

4. za pomocą światła spolaryzowanego:

                      - dwa zdjęcia stereoskopowe zrzutowane razem i jednocześnie światłem spolaryzowanym na ekran i oglądane przez   odpowiednie okulary polaryzacyjne.

5. chromostereoskopia

                      - informacja o głębi widzenia kodowana jest barwą i zgodnie z teorią Einthowena (1997 r.) poszczególne barwy inaczej zachowują się w zależności od wysokości.

POMIAR WYSOKOŚCI NA ZDJĘCIACH LOTNICZYCH

Zjawisko paralaksy

               H – wysokość lotu

            DH – cień na zdjęciu

- graficzny i stereoskopowy pomiar paralaksy+pomiar wysokości – ODBIĆ

Instrumenty interpretacyjno – pomiarowe

1.lupy fotointerpretacyjne proste:  im większa Æ tym mniejsze powiększenie ; np. lupy Brunella ( miarka, dokładność 0,05 mm , pomiar długości cienia)

2.mikroskopy i lupy fotointerpretacyjne: np. lupa Brinella, lupa składana, lupa powiększająca z zoomem, mikroskop Brinella (dokładność pomiaru do 0,05 mm)

3.stereoskop: np. stereoskop zwierciadlany Wildea, stereoskop soczewkowy (dwa szkła powiększające +11 dioptri zamocowane na nóżkach o wysokości 11 cm), stereoskop lustrzany (SLS-2, produkcja polska)

4.stereomikrometr : pręt połączony ze śrubą mikrometryczną (oszacowanie odległości między dwoma punktami), przesuwanie płytki prawej w stosunku do nieruchomej płytki lewej, wartość odległości odczytujemy na wskaźniku, paralaksa z dokładnością do setnych części mm

5.steroskop podwójny : 2 osoby, 1 wspólny obraz

6.stereopantometr: połączenie stereoskopu lustrzanego i śruby stereomikrometru, układ jest sztywny, można montować rylec, ołówek, płynne przesuwanie po zdjęciach przy wyznaczaniu linii jednakowych paralaks

7.przetwornik optyczny zwany „Luzem” : przenoszenie zinterpretowanej treści nas zdjęciu lotniczym na podkład kartometryczny; podstawa, kolumna, uchwyt – na nim ruchomy ekran, ruchome ramie z pryzmatem, oświetlenie; mapa na stole, zinterpretowaną kalkę kładziemy z tyłu ekranu, obserwator patrzy przez wziernik z pryzmatem, co pozwala na obserwację zarówno mapy jak i ekranu w płaszczyźnie poziomej; szyny ze szkłami korekcyjnymi +/- 3 dioptrie ; 6 szkieł dla obserwacji mapy i 6 szkieł dla obserwacji zdjęcia ; filtry do przyciemniania obrazu zdjęcia lub mapy

8.zoomtransperskopy : umożliwiają dwuoczną obserwację zdjęcia i mapy, model ZT4

9. digital transfer scope : obraz na ekranie komputera, cyfrowe przetwarzanie zdjęcia

BADANIA ZIEMII ZA POMOCĄ ZDJĘĆ SATELITARNYCH

Kosmos został arbitralnie zdefiniowany. Tak naprawdę nie wiadomo, gdzie się zaczyna. Pierwsze zdjęcie zrobione Ziemi z kosmosu przyjmuje się, że jest to zdjęcie po przekroczeniu przez rakietę wysokości 100 km,  czyli przypada na rok 1946. Rakieta była zaopatrzona w aparat fotograficzny, ale jakość zdjęcia pozostawia dużo do życzenia. Informacje mają znikomą wartość. Kolejne 11 lat to przerwa w fotografii satelitarnej. W roku 1962 Amerykanie w związku z misją Merkury wysłali człowieka w kosmos. Był to główny cel tej misji, skutkiem ubocznym były zdjęcia robione przez astronautów na orbicie. Następna misja nazwana Gemini przywiozła kolejne zdjęcia, na których również nie dało się odtworzyć barw rzeczywistych. Zbyt duże jest rozpraszanie promieniowania w paśmie widzialnym przez atmosferę ziemską. Sukcesem natomiast było zaobserwowanie po raz pierwszy układu frontalnego nad Północnym Atlantykiem, które stanowiło dowód co do słuszności wcześniejszych teorii klimatycznych. Stało się jasne, że satelita może być potężnym urządzeniem meteorologicznym.

W celu wyeliminowania rozpraszającego wpływu atmosfery zastosowano metodę, która sprawdza się do dziś, a mianowicie film spektrostrefowy rejestrujący promieniowanie elektromagnetyczne w trzech różnych, bądź więcej kanałach (niebieski, zielony, czerwony). Kolejne zdjęcia udokumentowały przydatność fotografii satelitarnej w badaniach litologii i tektonice. Powstał tylko jeden problem natury technicznej : aby ze zdjęcia mogła powstać wiarygodna mapa, czyli m.in. : posiadająca dokładną skalę , należało zdjęcia wykonywać w rzucie pionowym. Początkowo sprawa ta sprawiała wiele trudności, Dziś satrlity zachowują to specyficzne położenie (prostopadłe do fotografowanego terenu) dzięki orientowaniu statku na bardzo odległe gwiazdy. Przełomem w pracach nad udoskonalaniem metod teledetekcji było pierwsze wykorzystanie zdjęć satelitarnych w poszukiwaniach złóż mineralnych. Teledetekcja zaczęła się opłacać. Były to zdjęcia kopalni diamentów na Pustyni Namib. Były dwie główne cechy tych pierwszych zdjęć satelitarnych : fotografowanie odbywało się tylko z orbit okołorównikowych, czyli badanie obszarów co najwyżej ze strefy międzyzwrotnikowej, ale za to umożliwiały szybką interpretację terenów trudno dostępnych i na dosyć dużym obszarze.

Potrzeba wykorzystania nowych metod badawczych na całej kuli ziemskiej, a nie tylko na wąskim jej wycinku zmusiła władze USA do rozpoczęcia systematycznych badań nad możliwościami przystosowania osiągnięć programu ,,Gwiezdnych wojen ‘’ dla celów teledetekcji. W efekcie powstało wiele satelitów, których przeznaczenie było czysto cywilne : LANDSAT, METEOSAT, NOAA, SPOT, SEESAT.

RODZAJE ORBIT

Początkowo satelity wykorzystywały tylko orbitę okołorównikową m.in.: Merkury, Gemini. Pierwsza stacja orbitalna SKYLAB również poruszała się po tej orbicie. Zdjęcia wykonywała bez przerwy z wysokości do 360 km stereoskopowo. Zastosowano bardzo czuły film przy dużej rozdzielczości (ponad kilka tyś. linii na mm). Istniały również różne sposoby uczulenia filmu, a zdjęcia można było wykonywać tylko ręcznie. Umieszczenie satelity na orbicie równikowej nie sprawiało tyle kłopotów co wystrzelenie go na orbitę biegunową. Trasa wzdłuż równika ogranicza pole badań, obiekt wystrzelony z Florydy (około 30 stopni N) będzie nachylony  pod  tym  samym kątem więc z tej trasy nie będzie można zobaczyć terenów Polski. Wysokości  które osiągają satelity są niesamowite. Siła, która wynosi rakiety musi pokonać przyciąganie ziemskie, czyli około 7.5 km/sek. Stało się to możliwe tylko zastosowaniu trójczłonowych rakiet. Ta siła umożliwia utrzymanie się na wysokości do 1000 km, czyli około tyle co wynoszą wysokościorbit okołobiegunowych. Orbity równikowe dzisiejsze są o wiele wyższe. Wiadomo, że im dalej od powierzchni Ziemi tym przyciąganie jest mniejsze, czyli ta sama siła rakiety może osiągać szybszą prędkość. Tak też jest w praktyce. Satelity okołorównikowe poruszają się z prędkościami porównywalnymi do prędkości ruchu Ziemi i w dodatku w tym samym kierunku. Skutkiem jest pozorny bezruch satelity w stosunku do Ziemi. Takie orbity nazywamy geostacjonarnymi. Satelita cały czas znajduje się nad tym samym miejscem obserwując je. Cecha tej orbity jest tak znacząca, że ONZ uznało ją za zasoby naturalne Ziemi i podzieliła pomiędzy poszczególne kraje jej kawałki.

Wysokości orbit                                           Czas obiegu Ziemi

równikowa            36 000  km                        około 1 h

biegunowa            800-900  km                      nieruchome

Inne cechy orbity geostacjonarnego to obserwacja całego dysku ziemskiego, słabsza jakość pozyskiwanego obrazu im dalej od punktu zawieszenia. Satelity geostacjonarne zawieszone są nad równikiem co 70 stopni. Jest ich pięć. Mając je możemy cały czas obserwować całą naszą planetę. Satelity te są zaopatrzone w aparaty i skanery. Wykonują zdjęcia w zakresie promieniowania widzialnego, zdjęcia pary wodnej (nie w oknie fotograficznym) oraz zdjęcia nagrzania Ziemi (termalne). Zdjęcia są robione co 30 minut w nocy nie robi się zdjęć w paśmie widzialnym. Rozdzielczość zdjęć to kwadrat o boku 4km  na 4 km (taki obiekt będzie już widoczny)

ZASTOSOWANIE ZDJĘĆ SATELITARNYCH

Satelity:

- 1970-2000: 50 misji satelitarnych środowiskowych

- 2000-2015: planowane jest 75 misji

satelity geostacjonarne:

zawieszone nad jednym punktem nad powierzchnią Ziemi, z reguły nad równikiem, np. Neosat ; GOES-E (USA) ; GOES-W (USA); INSAT (Indie); GMS (Japonia) ; FY1 i FY2 (Chiny)

Satelity heliosynchroniczne:

- NOAA (USA), wysokość 833 km.

    SATELITY GEOSTACJONARNE

Dla Europy najważniejszy jest satelita METEOSAT, gdyż ma zdolność wychylania się ze swojego położenia i wykonywanie zdjęć w takim stanie. Dzięki temu mamy dokładne zdjęcia meteorologiczne. Dodatkowa cecha to automatyczne wprowadzanie na obraz zarys kontynentów, co umożliwia natychmiastową analizę informacji zaraz po uzyskaniu zdjęcia.

SATELITY OKOŁOBIEGUNOWE

Poruszają się prędkością postępową równą około 7.5 km/sek.  Czas obrotu wokół Ziemi to 100 minut. Możliwości zobrazowania całej powierzchni globu z powodu ruchu obrotowego Ziemi. Nakłada się na siebie ruch planety i ruch satelity. Możliwości przecinania się są nieograniczone.

NOAA

To amerykański satelita pierwotnie przeznaczony dla celów badań meteorologii . Obecnie wykorzystywany w większym zakresie. Rozdzielczość jego zdjęć w punkcie w nadirze (bezpośrednio pod nim) to kwadrat o boku  1km na 1km. Wysokość zawieszenia to 730 km. Rejestruje obraz w 5 kanałach : zielony, czerwony, podczerwień bliska oraz dwa kanały dalekiej podczerwieni (zdjęcia termalne). Satelita NOAA posiada skaner AVHRR o podwyższonej rozdzielczości radiometrycznej (to trzeci typ rozdzielczości zaraz po : geometrycznej – wielkość obiektów najmniejszych, oraz spektralnej) Skaner widzi 1024 tony między bielą a czernią, satelity dotychczasowe tylko 256, człowiek 12 tonów.

W roku 1979 powstała mapa MAEN SURFACE TEMPERATURE, jednak było tak dużo danych, jak na tą rozdzielczość, że postanowiono zgeneralizować poziom informacji do pola powierzchni 1 stopień na 1 stopień. Większa dokładność uniemożliwiałaby wykorzystanie wyników z powodu braku tak intensywnych metod kartograficznej prezentacji.

v  Zdjęcia termalne (temperatury) powierzchni Ziemi dowodzą, że klimat ociepla się i rośnie obszar pustyń. Zdjęcia te umożliwiają analizę chmur (widoczne tylko Cumulusy). NOAA oblicza także wskaźniki zieleni np.: w USA dla rolnictwa, czyli poprzez podział zdjęć zapisanych cyfrowo rozróżniamy intensywność zieleni i jej widma. Program ten służy prognozowaniu plonów.

Rozpoznanie EL Nino czyli zaniku zimnego prądu peruwiańskiego na skutek ustania pasatów.

Urządzenie to potrafi dostrzec subtelne zmiany temperatury wody, które w grudniu 1999 roku wynosiły +/- 9°  Celsjusza (pomiędzy zimnym prądem Peruwiańskim, a otaczającymi wodami). Podobne zjawisko mieszania się wód o różnych  temperaturach  wykryto na Oceania Atlantyckim (Golfsztrom oraz Prąd Labradorski). Miejsca takie są bardzo sprzyjające dla połowu ryb, a NOAA zagwarantował możliwość ich poszukiwania.

Na zdjęciu termalnym zaobserwowano także, że temperatura wnętrza Antarktydy nie zmienia się prawie w ogóle w ciągu roku. Panuje tam względnie jednolita pogoda. Układ natomiast dookoła lądolodu podlega gwałtownym zmianom. Potwierdza to fakt, że taka wielka ilość lodu odgrywa decydujący wpływ na klimat obszarów przyległych.

Satelita ten po raz pierwszy dostarczył także obrazu zanieczyszczeń Bałtyku. Dostarczono niepodważalny dowód, że to właśnie Polska jest głównym trucicielem tego akwenu. Zdjęcia te pokazały  jak straszliwie zanieczyszczony jest Atlantyk przez produkty ropne.

Satelita NOAA dostarczył danych na temat „Dziury Ozonowej”, która widoczna jest wyłącznie nad półkulą południową, gdyż pogoda tam jest na tyle stabilna aby satelita w trakcie powtórnych okrążeń mógł zaobserwować to zjawisko. Na północy zmiany w atmosferze zachodzą zbyt gwałtownie

LANDSAT

Seria satelitów amerykańskich, które od roku 1972 do dziś cały czas prowadzą badania powierzchni Ziemi. Były to pierwsze satelity cywilne Do dziś istniało 7 satelitów, przy czym 6 rozbił się przy starcie, a 7 jeszcze nie został wystrzelony.

Pierwsze trzy Landsaty (1-3) miały  na pokładzie skanery MSS oraz tajna kamera RBV (posiadała trzy osobne kamery o dużej rozdzielczości 40 m co ze względów na swoją dokładność stanowiło informację strategiczną). Landsaty 4-5 posiadały TM w którym dodano kanał dalekiej podczerwieni (10.4 – 12.5 podobnie jak w 3), 6-5 natomiast ETM. Najnowszy Landsat 7 dodatkowo ma kanał panchromatyczny (o zakresie 52-90) porócz wszystkich wcześniejszych. Na świecie jest 12 stacji odbierających informacje z Landsatów

Skaner Mssobrazował pas o szerokości 185 km i długości 80 m, czyli teoretycznie była to linia. Nie było to zdjęcie. Obraz  otrzymywano metodą addytywną przez dodanie kanałów 4,5 i 7 (zielony, czerwony i bliska podczerwień 0.8 - 1.1 mikrometrów). Kanał 6 został pominięty z powodu małej ilości informacji (0.7 – 0.8). Pierwsze pięć Landsatów  korzystały z odbitego światła słonecznego dla tych kanałów. Landsat 3 ponadto jako pierwszy posiadał dodatkowy 8 kanał dla MSS częstotliwości (10.4-12.5 mikrometrów) czyli termalna podczerwień (korzystał już z mikrofal, czyli swoje źródło światła – antena) o innej rozdzielczości niż pozostałe kanały, a mianowicie 237 m. Rozdzielczość przestrzenna (wielkość najmniejszego elementu) 79 metrów 1 piksel. Skaner tworzył pas szerokości 185 km, który składał się z bardzo wąskich linii po 60 m. Na raz było ich robionych 6. Kolejnym krokiem było cięcie pasa na kwadratowe zdjęcia o boku 185 km. Zdjęcia satelitarne są zawsze w barwach nierzeczywistych. Zjawiska takie jak lód i śnieg są zawsze białe. Kompozycje barwne dobiera się na tej zasadzie by woda czysta – czarna, a czerwona zanieczyszczona.

Landsat 1-3 wykonywały 1 obieg w około 103 minuty, pełne pokrycie terenu w 18 dni, w ciągu doby 14 orbit na wysokości 907 – 915 km. Odległość pomiędzy orbitami powyżej 2000 km. Piętnasta orbita, czyli pierwsza kolejnego cyklu zawsze jest trochę przesunięta w stosunku do pierwszej poprzedniego cyklu. Rozdzielczość czasowa to 18 dni w tym przypadku (ilość dni na zobrazowanie całego globu).Polska w tym systemie jest zobrazowana w 6 dni, potrzeba pogodnych dla dobrych zdjęć, co u nas jest ewenementem w związku z pogodą. Jakość tych zdjęć pozostawia więc wiele do życzenia. Średnio Polska mieści się  średnio na 28 zdjęciach (przesunięcia orbit). Na tych zdjęciach Wisła jest widoczna tylko do Oświęcimia. Wyżej jej bieg rozmazuje się przy tej rozdzielczości.

Za każdym zdjęciem MSS rejestruje wysokość słońca i azymut, w celu możliwości ustalenia na podstawie tych parametrów wysokości obiektu na zdjęciu. Pomocny w tym jest cień tego obiektu.  

Skaner TM   na pokładzie Landsatów 4-5, których wysokość wynosi 705 km, orbita jedna zajmowała mu 99 minut, rozdzielczość czasowa 16 dni, rozdzielczość przestrzenna zdjęć 30 m (1 piksel to 900 m kwadratowych)wystarczająca dla większości badań geograficznych. Bardziej dokładne zdjęcia nie są wymagane gdyż zawierają lub wręcz za dużo  informacji, lub przedstawiają za mały obszar, nie pasujący do skali badań. Rozdzielczość spektralna 7 kanałów, w tym środkowa podczerwień, ważna w badaniach zdrowotności roślinności oraz daleką podczerwień. Ciekawostką jest, że kanał pierwszy rejestrował  część widma w zakresie koloru niebieskiego (0.45 – 0.53). Daleka podczerwień to kanał 6 mogący jako jedyny wykonywać zdjęcia w nocy. Zakres jego to 10.4 – 12.5 mikrometrów (rozdzielczość 120 m) dwie mozliwości.

Najnowsza wersja tego skanera ETM+ dodatkowo posiada rozszerzoną podczerwień tkz.: kanał panchromatyczny o rozdzielczości przestrzennej 15 m, kanał 10.4 –12.5 o częstotliwości 60 m, oraz wszystkie inne o 30 m ( trzy możliwości)

SPOT

Francuski satelita wystrzelony na orbitę 20 lat temu. Obiega Ziemię na wysokości 830 km. Jest wyposażony w baterie słoneczne. Jest to pierwszy satelita, który został wyposażony w dwa urządzenia pokładowe ( skanery ) tego samego rodzaju. Rozwiązanie to zapewnia satelicie szersze pole widzenia. Pojedynczy pas obserwacji mierzy w nadirze 60 km. Zdjęcia pokrywają się na przestrzeni 3 km, stąd jednorazowo obrazowany jest obszar o szerokości 117 km (dla porównania pas ten wynosi 185 km dla Landsata i 300 dla satelity Noaa).

Rozdzielczość spektralna: 3 kanały: zielony, czerwony (widmo widzialne) oraz bliska podczerwień (700-800 nm). Dla porównania Landsat miał 6 kanałów i był uczulony na średnią podczerwień. Skaner satelity Spot nie posiada części mechanicznej (lustra wirującego), co gwarantuje jego bezawaryjność. Wyposażony jest w elektroniczną linijkę detektora, która rejestruje naraz wszystkie piksele, nie da się go uczulić na dalsze częstotliwości, bbraz nie ma zniekształceń geometrycznych. Kanały są tylko typowe, w związku z czym nie jest możliwa wnikliwa analiza stanu roślinności, Nowa cecha to możliwość obserwacji terenu nie tylko w nadirze. Uchylne lustro pozwala na zwiększenie terenu obserwacji o 27 stopni w lewo i w prawo od osi orbity, czyli szerokość obrazowania zwiększa się do 950 km.  Z tej wartości wybieramy interesującą nas część, w zależności od aktualnego stanu pogody (brak zachmurzenia), lub w związku z interesującym nas obszarem. Kolejna zaleta to możliwość powtórzenia obserwacji tego samego terenu z innej orbity (zwiększenie częstotliwości obrazowania). Pokrycie zdjęciami kuli ziemskiej trwa 35 dni, to jest ponad dwukrotnie dłużej niż w przypadku Landsata. Cechą charakterystyczną Spota jest zwiększenie częstotliwości obrazowania : obszar położony na równiku może być 7-krotnie zobrazowany w ciągu jednego cylu 35 dni, obszary na 45 stopniu szerokości geograficznej 11 razy ( wraz ze wzrostem szerokośći geograficznej rośnie częstotliwość obrazowania ). Uchylne lustro umożliwia otrzymanie zdjęcia stereoskopowego. Im większa jest baza takiego zdjęcia, tym lepsza percepcja głębi. Stosunek bazowy bliski wartości 1, umożliwia rozpoznanie wysokości z dokładnością do 7 metrów (stosunek bazowy jest równy jedności gdy odległość między zdjęciem lewym a prawym równa jest wysokości fotografowania). Z powodu wysokiej wartości paralaksy czasowej (kilka dni) zaprzestano stosowania tej techniki. Współczesne satelity wykonują zdjęcia stereoskopowe z jednej orbity, robiąc zdjęcia przed i pod sobą (różnica kilkunastu sekund).

W oparciu o zdjęcia ze Spota zostały opracowane mapy topograficzne terenów mało dotychczas poznanych, np. dla Afryki. Stanowią one oprócz map sytuacyjnych opracowanych na podstawie zdjęć z Landsata podstawowy zbiór informacji o rzeźbie kontynentów. Siedmiometrowe cięcie poziomicowe jest nie wystarczające dla Europy.

Rodzaje zdjęć ze Spot’a:

1.Wielospektralne (3 kanały),

2.Barwne kompozycje (addytywne) o rozdzielczości 20 m (400 m kw.),

3.Wysokorozdzielcze : barwne kompozycje łączy się w jeden monochromatyczny kanał, zwiększając chwilową rozdzielczość do 10 m, co upodabnia je do zdjęć lotniczych, a te zarezerwowane są dla celów wojskowych – stąd wynikają problemy – zdjęcia ze Spot’a udostępniane są dla celów cywilnych tylko dla terenów, na których nie występują konflikty,

4.Stereoskopowe.

Wadą zdjęć ze Spot’a jest ich cena 5 000 $ za 60 ´ 60 km (dla porównania zdjęcia z Landsat’a 3 500 za 180 ´ 180 km

SEASAT

Wprowadzony na orbitę w 1978 roku, pierwszy satelita mikrofalowy, zaopatrzony w antenę, stanowiącą jego własne źródło światła, potrafi pokonać przeszkodę w postaci chmur. Najbardziej skomplikowane urządzenie na świecie. Jego zdjęcia zawsze są zdjęciami poziomymi. Są one zawsze czarno białe, gdyż wykonane w jednym spektrum. Dla mikrofali woda jest urzeźbiona. Na tej podstawie wykonywano bardzo dokładne mapy m.in.: mapa urzeźbienia powierzchni oceanów (widoczne rowy i grzbiety oceaniczne – stąd wniosek, że woda oddaje w zgeneralizowanej formie charakter dna, deniwelacja poziomu morza przy brzegach Hiszpanii, a środkiem Atlantykiem wynosi 220 m – ale to potwierdziły późniejsze satelity), mapa zawartości pary wodnej, mapa prędkości wiatrów nad morzami (ciecie co 1.8 m/sek) i ich kierunków, mapy ukształtowania wewnętrznego cyklonów, mapa wysokości fal morskich (szczegółowość do 80 cm, wykonana przez pokładowy wysokościomierz mikrofalowy), zasolenie wody, mapa deniwelacji dna morskiego. Wszystkie te wiadomości zostały uznane za zbyt cenne i strategiczne dla marynarki wojennej USA, a dostęp do nich był powszechny, w związku z czym satelita został zestrzelony po 106 dniach. Wyniki badań SEASAT zostały potwierdzone przez kolejne satelity, natomiast ogrom informacji, dostarczonych przez czas pracy tego satelity do dzisiaj doczekał się pełnego opracowania (mamy lepsze metod zdobywania tych samych informacji). 

NAJNOWSZE SATELITY MIKROFALOWE

Obrazują rzeźbę lądów i mórz. Zjawisko interferencji fal umożliwia badanie różnic wysokości punktów na powierzchni Ziemi z dokładnością równą połowie długości emitowanej fali tj.: z dokładnością do 2.5 cm. Mikrofala penetruje zawsze przez pierwszą przeszkodę : penetracja piasków pustynnych (7 m ) po odbiciu od skały macierzystej ukazała dawny obraz rzeźby Afryki. Skuteczność penetracji spada wraz ze wzrostem wilgotności podłoża. Mikrofale służą również do badania grubości lądolodu Antarktydy i Grenlandii.

Fale o długości 70 – 130 cm są ściśle tajne z powodów wojskowych.

ZSRR

Satelity radzieckie cechowało przywożenie z kosmosu negatywów zdjęć, co dawało najlepsze wyniki, jednak wada to zmiana kolorów w centrum zdjęcia. Wszystkie inne satelity przysyłają informację drogą radiometryczną.

Zdjęcia z satelity KOSMOS miały rozdzielczość 10 m.