3. TÁVÉRZÉKELÉSI KUTATÁSI MÓDSZEREK, ESZKÖZÖK
A távérzékelés a Föld vagy más bolygó, hold vagy egyéb égitest
felszínéről, annak jelenségeiről közvetlen kapcsolat nélküli méréssel,
műszeres megfigyeléssel történő információszerzés. Tágabb értelemben az
égitestek felszínének tanulmányozása légi és űreszközök közreműködésével,
szűkebb értelemben a felszín és a légkör elektromágneses hullámok
segítségével történő megfigyelése.
A távérzékelési rendszerek a vizsgált objektumról visszavert vagy az
általa kibocsátott sugárzásokat észlelik és dolgozzák fel. Ha a
megfigyeléshez valamilyen természetes energiaforrásból származó és a
vizsgált felszín által visszavert, illetve a felszín által kibocsátott
sugárzást mérjük, passzív távérzékelési rendszerről beszélünk. Aktív
eszközök használata esetén az eszköz által kibocsátott elektromágneses
hullámok a céltárgyról visszaverődve jutnak a szenzorokba. A visszaverődés
mindkét esetben a felszín tulajdonságaitól függ:
- anyagától
- alakjától
- elektromágneses jellemzőitől
A természetes sugárforrásról jövő és a célobjektumon visszaverődő fény
hosszabb-rövidebb utat légkörben tesz meg, a fény egy része itt elnyelődik
illetve szóródik. A bolygó felszínét elérve az elektromágneses hullámok a
felszínnel kölcsönhatásba léphetnek, a fénynek csak egy bizonyos része
verődik vissza. A felszín anyagának visszaverőképessége függ az anyagi
minőségen kívül a fény hullámhosszától is. A felszín anyagainak a
hullámhossztól függő visszaverőképessége hasznosítható információt hordoz. A
különböző hullámhossztartományokban történő mérések során a felszín
különböző tulajdonságait tárhatjuk fel.
A leggyakrabban alkalmazott detektorok a kamerák és a pásztázó
rendszerek. A kamerák, más néven azonnali képkészítő (framing vagy keretező)
rendszerek azonnal teljes képet készítenek az adott területegységről. A
fókuszban lévő fényérzékeny felületek nagyon sűrűn helyezkednek el. Az
információk rögzítése fotokémiai, illetve elektronikus módszerekkel
történhet. A pásztázó rendszerekben (scanner-ek) egyszerű detektorok vannak,
melyek egy sorban helyezkednek el, egyszerre csak egy keskeny képmezőről
származó sugárzást érzékelnek. Az elektronikus képrögzítés típusai:
- fotókamera: a berendezés filmre készít képet, azt automatikusan
előhívja, majd a negatívot egy képkiolvasó rendszer elektronsugara
letapogatja, a film feketedésének megfelelő változó feszültséget hoz
létre. Az így kapott elektronikus jelek lesugározhatók a Földre.
(Almár-Both-Horváth-Szabó, [1])
- vidikon rendszer: televíziós kamera, ahol az optikai rendszer a képet
egy fotoszenzitív felületre képezi le. A fényérzékeny felületen
töltéskülönbség jön létre, mely elektronikus úton továbbítható jelekké
alakítható. Az alkalmazási lehetőségeket befolyásolják a használt
filmek spektrális érzékenysége. Általában az UV tartománytól a
visszavert IR tartományig érzékenyek a filmek.
- Töltéscsatolt eszköz - Charge
Coupled Device (CCD): az egyik
legfontosabb detektorfajta. A
CCD chipet 1970 táján fejlesz-
tettek ki a Bell Laboratóriumok-
ban. A szilícium alapú félvezető
eszköz felső részét átlátszó
anyaggal fedik. Az akár több
millió képelemet tartalmazó te-
rületen a ráeső fény mennyiségé-
vel arányos töltés halmozódik
fel, amit elektronikus úton ki
lehet olvasni.
Ha egymás mellé több elektró-
dát helyezünk el, s megfelelően
változtatjuk az ezekre kapcsolt
''38. ábraď0 feszültséget, úgy a töltéscsomag
''A CCD chipď0 mozgathatóvá válik.
''39. ábra A töltéscsomagok mozgása egy háromfázisú eszközben, és az
egyes fázisok feszültség-idő grafikonja (Fűrész, [3])ď0
A t1 időpillanatban a töltések csak az A jelű elektródák alatt
találhatók, mivel mellettük, B és C elektródákon alacsonyabb feszültség van.
A t2 időpont eléréséig B-re is fokozatosan a magasabb feszültséget
kapcsoljuk. Így az elektronokat tartalmazó "potenciálgödör" kiszélesedik,
majd A-n csökkentve a feszültséget ismét csak egy elektródányi területen
helyezkednek el a töltések, de ekkor már B alatt (t3). Ezt a folyamatot
ismételve a töltések elléptethetőek a kiolvasó egységig, lépésenként
99.9990%-os hatásfokkal. A kiolvasás úgy történik, hogy egy nagyon pontos
referenciafeszültséggel kalibrált kondenzátorra léptetnek egy
töltéscsomagot, majd annak kisütése során mért feszültségből levonva a
referenciafeszültséget megkapják az analóg jelet, mely arányos a beérkezett
fotonok számával. (Fűrész, [3])
A CCD érzékelők előnye a többi szenzorral szemben
- a magas kvantumhatásfok (észlelt fotonok/a szenzorra érkezett fotonok
száma),
- széles spektrális érzékenység, valamint
- nagyfokú linearitás az egész spektrális tartományon, vagyis például
kétszer akkora megvilágítás hatására kétszer akkora jelet ad.
A CCD detektorokat egyaránt alkalmazhatjuk keretező és pásztázó
rendszerben. Például keretező rendszerben működnek a távcsövekre szerelt CCD
kamerák, míg pásztázó rendszerben működik a soros CCD detektor a SPOT
erőforráskutató műholdakon.
A képrögzítő berendezések fontos kiegészítői lehetnek a spektrométerek:
feladatuk a detektorba érkező elektromágneses hullámok különböző
hullámhossztartományokra bontása, és a különböző spektrális érzékenységű
szenzorokra irányítása, illetve a beérkezett fény spektrumának vizsgálata. A
légkörön áthaladó fény abszorpciós színképéből az objektum légkörének
alkotóelemeiről kaphatunk információt. A visszavert sugarak hullámhossz-
tartományonkénti vizsgálata a felszín anyagáról, domborzatáról, a
vízborításról, nyújt ismereteket. Ha egyidejűleg a spektrum több sávjában
készülnek a felvételek ugyanarról a területről, akkor multispektrális képet
kapunk. A különböző hullámhossz-tartományokban készült képekből
pánkromatikus képek, valódi illetve hamis
színes kompozíciók állíthatók elő.
(Mucsi, [11])
Az aktív távérzékelés műszerei közé
tartoznak a mikrohullámú rendszerek. A
mikrohullámok előnyei a látható
tartománnyal szemben, hogy jobb a légkörön
való áthatoló képességük, a felszínről
másképpen verődnek vissza, mint a látható
fény. A földfelszínről visszaverődő
energia erősségét befolyásolják: a felszín
geometriai és elektromos tulajdonságai, a
talaj, víz, növényzet, jég jelenléte.
''40. ábra
Pánkromatikus SPOT felvétel
A passzív és aktív távérzékelési rendszerek leggyakrabban a Föld
vizsgálatát végzik, de más bolygók, holdak, egyéb égitestek vizsgálatára is
alkalmas módszerek lehetnek. A felhasználási területek: meteorológia,
légkörkémia, térképészet, vegetáció-térképezés, geológiai megfigyelések,
hidrológia, bolygók alakjának pontos meghatározása, stb.
A műholdak pályái
A műhold keringési síkja és a Föld Egyenlítőjének síkja által közbezárt
szög, az inklináció általában ugyanakkora marad a pálya minden pontjában. A
pályahajlás szöge 0º és 180º közötti érték lehet. Ha az inklináció 90º,
akkor a műhold poláris pályán kering. A 0º inklináció az ekvatoriális pályát
jelenti. A felszíntől számított nem túl nagy magasság esetén az inklináció
megfelelő megválasztásával elérhető, hogy a műhold egy adott pont fölött
mindig azonos helyi időben haladjon át. Ezt a pályát nevezzük napszinkron
pályának. Geoszinkron vagy geostacionárius pályáról akkor beszélünk, ha a
műhold keringése során pontosan ugyanazon egyenlítői pont fölött
tartózkodik. A geoszinkron pálya kialakulásának feltétele, hogy a műholdat a
Föld esetében 35900 km magasságba juttassuk a Föld felszínétől mérve,
valamint a műhold pályasíkjának az Egyenlítő síkjával kell egybeesnie. A
geoszinkron pályák előnye, hogy mivel mindig ugyanazon felszíni pont fölött
tartózkodik a műhold, lehetőséget biztosít egy terület folyamatos
vizsgálatára (például meteorológiai műholdak). A poláris vagy majdnem
poláris pályákon keringő eszközök viszont a bolygó egész felületéről képesek
adatot gyűjteni.
A műholdak fontos paramétere a felbontás. Megkülönböztetünk geometriai,
spektrális, radiometriai felbontást. A geometriai felbontás a felvételező
rendszer egyik legfontosabb paramétere. Azt mutatja meg, hogy a felszínen
mekkora a legkisebb tárgy, amit meg lehet különböztetni a képen. A
geometriai felbontást befolyásolja a film feloldóképessége, a kamera
fókusztávolsága illetve elektronikus képrögzítési eljárások esetén a
detektor pillanatnyi látómezeje (Instanteous Field of View - IFOV), illetve
a műhold repülési magassága. A radarfelvételeknek sugármenti és azimutális
összetevője van, melyeket befolyásol az antenna mérete és a repülési
magasság.
A spektrális felbontás a műhold szenzor sávjainak számát, sávszélességeit
és a sávok spektrumon belüli helyét jelenti. A nagyobb sávszélesség a
különböző felszíni objektumokról származó kibocsátott és visszavert
sugárzások közötti különbségeket kiegyenlíti, viszont nagyobb geometriai és
radiometrikus felbontást eredményez. A kis sávszélesség a felszín
különbözőségeit kiemeli az alacsonyabb radiometrikus felbontás mellett.
A radiometrikus felbontás az analóg adatok digitalizálása során
alkalmazott feldolgozási szintek számát jelenti. Értéke általában 2 valamely
hatványának felel meg. A nagyobb radiometrikus felbontás nagyobb
adatmennyiség feldolgozását teszi lehetségessé és szükségessé.
A különféle felvételezési eljárások eredményeként kapott nyers
felvételeken korrekciókat kell végrehajtani. A radiometriai korrekció a
detektorok összehangolásához szükséges. Az esetenként több ezer (Landsat
Multispectral Scanner: 3000 db, SPOT High Resolution Visible Imaging System:
6000 db) detektor nem lehet teljesen egyforma, ezért van szükség a
korrekcióra, melyet a rendszer üzemeltetői folyamatosan elvégeznek. A
geometriai korrekció során többek között a műhold pályájának
egyenetlenségeit, a hold alatt elforduló Föld hatását küszöbölik ki.
Bizonyos detektorok használata esetén a forgó tükör nem egyenletes
mozgásából származnak torzulások. A képkészítés során a vizsgált objektum
felületét, amely gömbfelület, síkba képezzük le. Ez a leképezés torzulásokat
okozhat, melyek a geometriai korrekciókkal minimalizálhatók. A detektorra
érkező fény a légkörön halad át, ami szintén befolyásolja a kép minőségét. A
légkör hatásának korrekciója is viszonylag egyszerűen megvalósítható időben
állandó fényvisszaverő képességű felszíni objektumokról készített felvételek
segítségével.
- Töltéscsatolt eszköz - Charge
Coupled Device (CCD): az egyik
legfontosabb detektorfajta. A
CCD chipet 1970 táján fejlesz-
tettek ki a Bell Laboratóriumok-
ban. A szilícium alapú félvezető
eszköz felső részét átlátszó
anyaggal fedik. Az akár több
millió képelemet tartalmazó te-
rületen a ráeső fény mennyiségé-
vel arányos töltés halmozódik
fel, amit elektronikus úton ki
lehet olvasni.
Ha egymás mellé több elektró-
dát helyezünk el, s megfelelően
változtatjuk az ezekre kapcsolt
''38. ábraď0 feszültséget, úgy a töltéscsomag
''A CCD chipď0 mozgathatóvá válik.
''39. ábra A töltéscsomagok mozgása egy háromfázisú eszközben, és az
egyes fázisok feszültség-idő grafikonja (Fűrész, [3])ď0
A t1 időpillanatban a töltések csak az A jelű elektródák alatt
találhatók, mivel mellettük, B és C elektródákon alacsonyabb feszültség van.
A t2 időpont eléréséig B-re is fokozatosan a magasabb feszültséget
kapcsoljuk. Így az elektronokat tartalmazó "potenciálgödör" kiszélesedik,
majd A-n csökkentve a feszültséget ismét csak egy elektródányi területen
helyezkednek el a töltések, de ekkor már B alatt (t3). Ezt a folyamatot
ismételve a töltések elléptethetőek a kiolvasó egységig, lépésenként
99.9990%-os hatásfokkal. A kiolvasás úgy történik, hogy egy nagyon pontos
referenciafeszültséggel kalibrált kondenzátorra léptetnek egy
töltéscsomagot, majd annak kisütése során mért feszültségből levonva a
referenciafeszültséget megkapják az analóg jelet, mely arányos a beérkezett
fotonok számával. (Fűrész, [3])
A CCD érzékelők előnye a többi szenzorral szemben
- a magas kvantumhatásfok (észlelt fotonok/a szenzorra érkezett fotonok
száma),
- széles spektrális érzékenység, valamint
- nagyfokú linearitás az egész spektrális tartományon, vagyis például
kétszer akkora megvilágítás hatására kétszer akkora jelet ad.
A CCD detektorokat egyaránt alkalmazhatjuk keretező és pásztázó
rendszerben. Például keretező rendszerben működnek a távcsövekre szerelt CCD
kamerák, míg pásztázó rendszerben működik a soros CCD detektor a SPOT
erőforráskutató műholdakon.
A képrögzítő berendezések fontos kiegészítői lehetnek a spektrométerek:
feladatuk a detektorba érkező elektromágneses hullámok különböző
hullámhossztartományokra bontása, és a különböző spektrális érzékenységű
szenzorokra irányítása, illetve a beérkezett fény spektrumának vizsgálata. A
légkörön áthaladó fény abszorpciós színképéből az objektum légkörének
alkotóelemeiről kaphatunk információt. A visszavert sugarak hullámhossz-
tartományonkénti vizsgálata a felszín anyagáról, domborzatáról, a
vízborításról, nyújt ismereteket. Ha egyidejűleg a spektrum több sávjában
készülnek a felvételek ugyanarról a területről, akkor multispektrális képet
kapunk. A különböző hullámhossz-tartományokban készült képekből
pánkromatikus képek, valódi illetve hamis
színes kompozíciók állíthatók elő.
(Mucsi, [11])
Az aktív távérzékelés műszerei közé
tartoznak a mikrohullámú rendszerek. A
mikrohullámok előnyei a látható
tartománnyal szemben, hogy jobb a légkörön
való áthatoló képességük, a felszínről
másképpen verődnek vissza, mint a látható
fény. A földfelszínről visszaverődő
energia erősségét befolyásolják: a felszín
geometriai és elektromos tulajdonságai, a
talaj, víz, növényzet, jég jelenléte.
''40. ábra
Pánkromatikus SPOT felvétel
A passzív és aktív távérzékelési rendszerek leggyakrabban a Föld
vizsgálatát végzik, de más bolygók, holdak, egyéb égitestek vizsgálatára is
alkalmas módszerek lehetnek. A felhasználási területek: meteorológia,
légkörkémia, térképészet, vegetáció-térképezés, geológiai megfigyelések,
hidrológia, bolygók alakjának pontos meghatározása, stb.
A műholdak pályái
A műhold keringési síkja és a Föld Egyenlítőjének síkja által közbezárt
szög, az inklináció általában ugyanakkora marad a pálya minden pontjában. A
pályahajlás szöge 0º és 180º közötti érték lehet. Ha az inklináció 90º,
akkor a műhold poláris pályán kering. A 0º inklináció az ekvatoriális pályát
jelenti. A felszíntől számított nem túl nagy magasság esetén az inklináció
megfelelő megválasztásával elérhető, hogy a műhold egy adott pont fölött
mindig azonos helyi időben haladjon át. Ezt a pályát nevezzük napszinkron
pályának. Geoszinkron vagy geostacionárius pályáról akkor beszélünk, ha a
műhold keringése során pontosan ugyanazon egyenlítői pont fölött
tartózkodik. A geoszinkron pálya kialakulásának feltétele, hogy a műholdat a
Föld esetében 35900 km magasságba juttassuk a Föld felszínétől mérve,
valamint a műhold pályasíkjának az Egyenlítő síkjával kell egybeesnie. A
geoszinkron pályák előnye, hogy mivel mindig ugyanazon felszíni pont fölött
tartózkodik a műhold, lehetőséget biztosít egy terület folyamatos
vizsgálatára (például meteorológiai műholdak). A poláris vagy majdnem
poláris pályákon keringő eszközök viszont a bolygó egész felületéről képesek
adatot gyűjteni.
A műholdak fontos paramétere a felbontás. Megkülönböztetünk geometriai,
spektrális, radiometriai felbontást. A geometriai felbontás a felvételező
rendszer egyik legfontosabb paramétere. Azt mutatja meg, hogy a felszínen
mekkora a legkisebb tárgy, amit meg lehet különböztetni a képen. A
geometriai felbontást befolyásolja a film feloldóképessége, a kamera
fókusztávolsága illetve elektronikus képrögzítési eljárások esetén a
detektor pillanatnyi látómezeje (Instanteous Field of View - IFOV), illetve
a műhold repülési magassága. A radarfelvételeknek sugármenti és azimutális
összetevője van, melyeket befolyásol az antenna mérete és a repülési
magasság.
A spektrális felbontás a műhold szenzor sávjainak számát, sávszélességeit
és a sávok spektrumon belüli helyét jelenti. A nagyobb sávszélesség a
különböző felszíni objektumokról származó kibocsátott és visszavert
sugárzások közötti különbségeket kiegyenlíti, viszont nagyobb geometriai és
radiometrikus felbontást eredményez. A kis sávszélesség a felszín
különbözőségeit kiemeli az alacsonyabb radiometrikus felbontás mellett.
A radiometrikus felbontás az analóg adatok digitalizálása során
alkalmazott feldolgozási szintek számát jelenti. Értéke általában 2 valamely
hatványának felel meg. A nagyobb radiometrikus felbontás nagyobb
adatmennyiség feldolgozását teszi lehetségessé és szükségessé.
A különféle felvételezési eljárások eredményeként kapott nyers
felvételeken korrekciókat kell végrehajtani. A radiometriai korrekció a
detektorok összehangolásához szükséges. Az esetenként több ezer (Landsat
Multispectral Scanner: 3000 db, SPOT High Resolution Visible Imaging System:
6000 db) detektor nem lehet teljesen egyforma, ezért van szükség a
korrekcióra, melyet a rendszer üzemeltetői folyamatosan elvégeznek. A
geometriai korrekció során többek között a műhold pályájának
egyenetlenségeit, a hold alatt elforduló Föld hatását küszöbölik ki.
Bizonyos detektorok használata esetén a forgó tükör nem egyenletes
mozgásából származnak torzulások. A képkészítés során a vizsgált objektum
felületét, amely gömbfelület, síkba képezzük le. Ez a leképezés torzulásokat
okozhat, melyek a geometriai korrekciókkal minimalizálhatók. A detektorra
érkező fény a légkörön halad át, ami szintén befolyásolja a kép minőségét. A
légkör hatásának korrekciója is viszonylag egyszerűen megvalósítható időben
állandó fényvisszaverő képességű felszíni objektumokról készített felvételek
segítségével.