20. Fjärranalys (uppdaterad 2012) - Institutionen för naturgeografi ...
20. Fjärranalys (uppdaterad 2012) - Institutionen för naturgeografi ...
20. Fjärranalys (uppdaterad 2012) - Institutionen för naturgeografi ...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Introduktion till<br />
<strong>Fjärranalys</strong><br />
Lars Eklundh<br />
Inst. <strong>för</strong> Naturgeografi och<br />
Ekosystemvetenskap<br />
EXTA50: Samhällsmätning<br />
Litteratur:<br />
Harrie: kap. 5.3, 5.4<br />
denna presentation,<br />
samt övningen.
<strong>Fjärranalys</strong>, jordobservation och<br />
fotogrammetri<br />
<strong>Fjärranalys</strong>: All insamling av data på avstånd, t.ex.<br />
- Flygbilder<br />
- Satellitdata<br />
- Radar och Lidar (laser) både markbaserad och från luften<br />
Jordobservation: fjärranalys av jordytan<br />
Fotogrammetri: användning av stereografiska fjärranalysdata <strong>för</strong><br />
skapande av höjddata m.m.
Var<strong>för</strong> använda fjärranalys?<br />
• Täcker stor yta. Många karteringar omöjliga att ut<strong>för</strong>a utan<br />
fjärranalys enbart p.g.a. att det tar <strong>för</strong> lång tid med fältbaserade<br />
metoder.<br />
• Ger överblick: vissa mönster, m.m. kan bara ses från ovan,<br />
t.ex. arkeologi, geologiska strukturer, landformer, m.m.<br />
• Ger möjlighet till aktualitet!<br />
• Man vill studera olika <strong>för</strong>eteelsers rumsliga <strong>för</strong>delning och<br />
placering i landskapet.
Användning av fjärranalys (exempel)<br />
• Rita kartor – ekonomiska, topografiska, orienteringskartor (vägar,<br />
byggnader, markanvändning, terräng)<br />
• Skogsbruk – skogsgränser, in<strong>för</strong> avverkningar (höjd, täthet),<br />
skogsvägar, kalhyggen, upprätta skogsbruksplaner, hälsotillstånd<br />
Samhällsplanering – planering av städer, utbyggnadsområden,<br />
grönområden, naturreservat<br />
Geologi – jordarter, landformationer, blockrik terräng<br />
Ekologiska studier – kartering av vegetationstyper,<br />
vegetations<strong>för</strong>ändringar, ädellövskog, våtmarker<br />
Väder – prognoser, klimateffekter<br />
Militärt – spaning, kartering av framkomlighet<br />
Forskning – globala <strong>för</strong>ändringar, klimat, vegetation, hav, is,<br />
atmosfär, miljö<strong>för</strong>störing, u-landsfrågor, etc.
Svartvit bild – pankromatisk<br />
• hög geometrisk upplösning<br />
• bra <strong>för</strong> mätning<br />
Flygbilder<br />
Färgbild – multispektral<br />
• lägre geometrisk upplösning<br />
• bra <strong>för</strong> tolkning av markegenskaper<br />
• ofta IR-bilder – bra <strong>för</strong> vegetation
Flygstråk med överlappande bilder<br />
• Tolkning av bilder i 3D stereo<br />
• Mätning av höjder av objekt<br />
• Höjdmodeller<br />
• Ortofoton<br />
Image: http://www.imtcan.com/services/triangulation.htm
data (bilder)<br />
Bildegenskaper<br />
tolkning<br />
information (karta)<br />
Bildegenskaper definieras av<br />
• geometrisk upplösning - pixelstorlek, GSD<br />
• spektral upplösning - antal våglängdsband<br />
• tidsupplösning - hur ofta bilderna kan tas<br />
• radiometrisk upplösning - hur känslig en sensor är<br />
• atmosfären - moln, dis, m.m.<br />
• m.m.
Clemenstorget, Lund<br />
bild: www.lund.se
Clemenstorget, Lund
Inzoomning
Inzoomning
Inzoomning<br />
25 cm<br />
25 cm
Ales stenar
Kontrastskillnader ger ökad upplösning
Satellitteknik – skillnad mot flygbildsteknik<br />
• Högre flyghöjd<br />
– Lägre upplösning<br />
– Längre väg genom atmosfären – störningar<br />
– Annan geometri (ej centralprojektion, jordkurvatur påverkar)<br />
• Elektronisk mätning med kalibrerad radiometer – möjligt mäta<br />
fysikaliska storheter (radians, reflektans, strålningstemperatur)<br />
• Multispektral registrering – smalare och fler våglängdsband<br />
• Fasta banor eller positioner<br />
– Regelbunden återkomst<br />
– Bättre tillgång till tidsserier
Vad vet vi om satelliter från filmens värld?<br />
• Man kan identifiera individer<br />
• Man kan jaga springande människor<br />
i gatumiljö<br />
• Man kan läsa av bilars<br />
nummerskyltar<br />
• Man kan se in i byggnader
Olika rumslig och temporal skala<br />
0.5 – 2 m 10 – 30 m 250 – 1000 m<br />
år månad dag
Satellitbanor<br />
Geostationära eller nära-polära banor
Geostationära satelliter<br />
• Roterar med samma vinkelhastighet som jorden, dvs. de befinner<br />
sig alltid över över samma punkt på jordytan (ekvatorn)<br />
• Befinner sig ca 36000 km över jordytan<br />
• Fram<strong>för</strong> allt meteorologiska<br />
• Satelliterna kan se mycket stort område (nästan halva jorden)<br />
• Täta registreringar i tiden (15-30 min)<br />
Meteosat visible and<br />
infrared imager.<br />
VIS: 0.45-1.0,<br />
SWIR: 5.7-7.1<br />
IR: 10.5-12.5
Meteosat<br />
3 km<br />
upplösning<br />
12<br />
våglängdsband<br />
Meteosat-8<br />
09 May 2003,<br />
1215 UTC
Sahara: moln och stoftstorm<br />
Meteosat 3 March 2004
Nära-polära satelliter<br />
• Går i en NÄRA-POLÄR BANA runt jorden. Omloppstiden är ca<br />
100 minuter.<br />
• Banan är <strong>för</strong> det mesta SOLSYNKRON, dvs. banan bibehålles i<br />
en konstant position i <strong>för</strong>hållande till solen under satellitens<br />
rörelse. Detta innebär att satelliten alltid passerar vid SAMMA<br />
LOKALA TID på samma latitud.<br />
• Flyger på ca 200 -1000 KM höjd.<br />
• “Tittar” på ett begränsat område<br />
• Både meteorologiska och jordresurs-satelliter.
Vädersatelliten<br />
NOAA<br />
1 km upplösning<br />
5 våglängsband<br />
daglig återkomst<br />
1999-08-03
Havsis i Arktis 2005 jäm<strong>för</strong>t med 1979
Landsat<br />
(f.d. ERTS)<br />
Första<br />
jordresurs-<br />
satelliten<br />
1972 – idag<br />
Sensor ETM<br />
30 m upplösning<br />
7 våglängdsband<br />
återkomsttid 16 dagar
juni 1975<br />
juli 1989<br />
sep 2001<br />
aug 2008<br />
Skogsavverkning – Rondonia (Brasilien)<br />
Source:<br />
USGS / Google
juni 1975<br />
juli 1989<br />
sep 2001<br />
aug 2008<br />
Skogsavverkning – Rondonia (Brasilien)<br />
Source:<br />
USGS / Google
juni 1975<br />
juli 1989<br />
sep 2001<br />
aug 2008<br />
Skogsavverkning – Rondonia (Brasilien)<br />
Source:<br />
USGS / Google
juni 1975<br />
juli 1989<br />
sep 2001<br />
aug 2008<br />
Skogsavverkning – Rondonia (Brasilien)<br />
Source:<br />
USGS / Google
Quickbird 0.6 m upplösning, 4 våglängdsband<br />
Bild: DigitalGlobe
GeoEye<br />
0,5 m upplösning<br />
Små områden!<br />
Port-au-Prince, Haiti<br />
efter jordbävningen<br />
12/1, 2010<br />
(magnitud 7)<br />
Källa: GeoEye
Källa: Digitalglobe / Google<br />
New Orleans 2005<br />
31 augusti, 2005, kl.10.00
Typer av sensorer<br />
Aktiva sensorer – har egen energikälla (laser, radar)<br />
Passiva sensorer – utnyttjar solen som energikälla, man mäter<br />
reflekterad eller emitterad energi.<br />
Data registreras elektroniskt och lagras och distribueras i digitalt<br />
format. ”Bilder” skapas som liknar rasterskikt. Dessa kan finnas i<br />
ett eller flera våglängdsband.
Källa: Nebel & Partner<br />
Laserskanning<br />
• Pixelupplösning: 1.5 – 25 cm<br />
• Höjdupplösning: +- 10 cm
Radar<br />
Oil slick, Skåne Tsunami damage - Nicobar island
Mt. Vesuvio<br />
Messina strait<br />
Radar
Elektromagnetiska spektrumet<br />
Synligt ljus är en liten del av det elektromagnetiska spektrumet.<br />
Kortare våglängder är t.ex gammastrålning, röntgenstrålning och UV-ljus.<br />
Längre våglänger är t.ex. nära-infraröd (NIR), termal-infraröd (TIR, värmestrålning),<br />
mikrovågsstrålning och radiovågor.
Solspektrum och atmosfärisk absorption<br />
http://www.globalwarmingart.com/wiki/Image:Solar_Spectrum_png<br />
(nm)<br />
Solen (5800 K) emitterar energi med maximum i det synliga området.<br />
Jorden (300 K) emitterar energi med maximum i det termala området.
Atmosfäriska fönster<br />
http://www.geog.ucsb.edu/~jeff/115a/remote_sensing/spectrum_graphics.html
Vanliga våglängdsband inom fjärranalys<br />
0,4 – 0,7 m synligt<br />
0,7 – 1,5 m nära infrarött, NIR<br />
blått 0,4 - 0,5; grönt 0,5 – 0,6; rött 0,6 -0,7<br />
1,5 – 3,0 m mellan-infrarött, MIR<br />
8,5 – 12,5 m termalt infrarött, TIR
Elektromagnetisk strålning sprids mot<br />
markytan
Processer när energin interagerar med materia<br />
• reflektion<br />
• transmission<br />
• absorption → värme →<br />
emission<br />
Förhållandet mellan dessa<br />
beror på materians<br />
egenskaper.<br />
Den reflekterade och<br />
emitterade energin<br />
kan registreras av<br />
satellitsensorn
Spektrala signaturer<br />
plotta reflektans mot våglängd
Skillnad vanlig<br />
färgfilm mot<br />
IR-färgfilm<br />
Lillesand, Kiefer and Chipman
Botaniska trädgården, Lund<br />
Bild: Panoramio (www.panoramio.com)
Botaniska trädgården – skillnad RGB mot IR-färg
Dalby söderskog : RGB – IR-färg
flygkameror<br />
Sensorer<br />
CCD (charge coupled devices)<br />
satellitsensorer<br />
GSD (ground sampled distance) = pixelstorlek på marken
Multispektral registrering<br />
Skapa FCC (false color composite) genom<br />
att kombinera olika våglängdsband<br />
NIR R<br />
Rött → G<br />
Grönt B
Reflectance (%)<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
1 2<br />
3<br />
Landsat ETM - våglängdsband<br />
Landsat TM<br />
4 5 7<br />
0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6<br />
visible NIR MIR<br />
Senescent leaves<br />
Yellowing leaves<br />
Green leaves<br />
Wavelength<br />
(micro meter)
Landsat 7<br />
Enhanced<br />
Thematic<br />
Mapper (ETM)<br />
990803<br />
band R G B
Landsat ETM enskilda våglängdsband<br />
1<br />
4<br />
2<br />
5<br />
3<br />
7
Rött Nära infrarött
Landsat<br />
ETM<br />
FCC<br />
NIR<br />
Rött<br />
Grönt
Landsat<br />
ETM<br />
FCC
Spectral reflectance<br />
0.50<br />
0.40<br />
0.30<br />
0.20<br />
0.10<br />
0.00<br />
Vegetationsindex<br />
Aritmetiska kombination av olika våglängder<br />
• Enkelt kvotindex = RNIR / Rred Homogeneous vegetation<br />
Red Near-IR<br />
400<br />
600<br />
800<br />
1000<br />
1200<br />
1400<br />
1600<br />
1800<br />
2000<br />
2200<br />
2400<br />
Soil<br />
LAI 1<br />
LAI 3<br />
Utnyttjar denna skillnad<br />
jord<br />
lite vegetation<br />
mycket vegetation<br />
Maximerar vegetationssignalen och minskar effekt av störande<br />
bakgrund, atmosfär, m.m.
Hur vi analyserar fjärranalysdata<br />
• Bildtolkning / mätning av olika objekt.<br />
– Kontrast och färg<strong>för</strong>stärkningar<br />
– FCC<br />
– Rumsliga bilder – kantskärpning etc.
Hur vi analyserar fjärranalysdata, forts.<br />
• Automatisk klassificering av multispektrala bilddata<br />
– Övervakad klassificering: användaren ”tränar” datorn med<br />
statistik från träningsytor<br />
Multispektrala data<br />
Bildstatistik i n<br />
våglängdsband<br />
<strong>för</strong> varje klassD<br />
Jäm<strong>för</strong> alla pixlar<br />
med träningsdata<br />
Klassad bild
Hur vi analyserar fjärranalysdata forts.<br />
– Oövervakad klassificering: Datorn ”delar in” bilden i olika klasser<br />
– användaren undersöker vad dessa motsvarar i verkligheten<br />
Multispektrala data<br />
5<br />
1<br />
klustring<br />
Tilldelning av klassattribut<br />
3<br />
2<br />
4
Hur vi analyserar fjärranalysdata forts.<br />
• Mätning av egenskaper<br />
Kräver omräkning av bilddata till fysikaliska storheter (radians)<br />
Kan bygga på fysikaliska eller empiriska relationer<br />
- Temperatur<br />
- Albedo<br />
– vegetationens struktur (bladyta, trädtäthet, biomassa etc.)<br />
– vegetationsprocesser (fotosyntes, avdunstning etc.)<br />
– Markfuktighet<br />
- Föroreningar<br />
- Atmosfärsegenskaper<br />
- m.m.<br />
• Förändringsprocesser<br />
– Multitemporala data<br />
• Analys av fjärranalysdata i GIS
Havsytetemperatur<br />
NOAA Juli 1984
Atmosfäriskt<br />
Ozone<br />
ERS-2<br />
GOME
Vattenånga<br />
Meteosat-7<br />
20 Oct 98, 1200 UTC
Användning av satellitburen fjärranalys<br />
• KARTERING <strong>för</strong> planering av utnyttjande av regionala och<br />
nationella resurser: markanvändning, skogsresurser<br />
• UPPDATERING av topografisk kartinformation<br />
• Regionala, nationella och internationella INVENTERINGAR av<br />
existerande resurser, och hur dessa <strong>för</strong>ändras: berggrund,<br />
markanvändning, tropiska skogar, m.m.<br />
• EU-ÖVERVAKNING av jordbrukssubventioner: Enbart i Sverige<br />
60000 bönder! Stickprov, automatisk klassning av Landsat TM-data,<br />
jäm<strong>för</strong>else med kartor som bönderna har ritat.
Användning av satellitburen fjärranalys, forts<br />
• METEOROLOGISK/OCEANOGRAFISK verksamhet: moln, vind,<br />
strömmar, havsis-övervakning, våghöjd, is, snö, m.m<br />
Kanske största operativa användningen av satellitdata!<br />
• ÖVERVAKNING vid aktuella miljöproblem eller katastrofer:<br />
stormar, oljeutsläpp, översvämningar, torka/svält, bränder,<br />
gräshoppsangrepp, algblomning, m.m.<br />
• MILJÖ OCH KLIMATFORSKNING: näringsläckage/vattenkvalitet,<br />
<strong>för</strong>surning/skogsdöd, ökenspridning och annan mark<strong>för</strong>störing,<br />
insektsangrepp, tropiska sjukdomar, klimat<strong>för</strong>ändringar,<br />
kolbalansstudier, is<strong>för</strong>hållanden, glaciärer, m.m.
Hantering av stora datamängder<br />
Image: Metria<br />
Global kartering med<br />
högupplösande data (Landsat,<br />
SPOT HRV, Aster…) innebär<br />
processering av tusentals<br />
satellitscener – alla med olika<br />
radiometri, atmosfärs<strong>för</strong>hållanden,<br />
geometri etc.
Förändringar - stormen Gudrun januari 2005<br />
SPOT 2004 SPOT 2005
Bild<strong>för</strong>stärkning<br />
- transformationer<br />
NDVI difference, PCA ch 3<br />
and channel 2004:1
Vår forskning med satellitdata<br />
• Effekt av klimat<strong>för</strong>ändringar i olika<br />
områden<br />
• Beräkning av kolupptag i vegetation<br />
med satellitdata<br />
• Övervakning av skogsskador pga.<br />
stormar och insektsangrepp.<br />
• Studier av torka och ökenspridning<br />
• Interaktionen mellan människa-miljö<br />
• Studier av växtlighetens säsongsdynamik<br />
(fenologi)<br />
• Biodiversitet
• Komersiella data köpes från<br />
t.ex. Metria<br />
• Ny nationell databas med<br />
gratis svenska satellitdata:<br />
SACCESS<br />
www.lantmateriet.se<br />
• Nytt arkiv med gratis<br />
LANDSAT-data<br />
http://glovis.usgs.gov/<br />
• Gratis tillgänglighet till<br />
globala satellitdata från<br />
NASA<br />
https://wist.echo.nasa.gov/<br />
Tillgänglighet till satellitdata
Mer information:<br />
http://www.nateko.lu.se/earth_observation<br />
E-post: lars.eklundh@nateko.lu.se
Change language