Krištof OŠTIR

DALJINSKO ZAZNAVANJE

Projekt: Programska zasnova in priprava gradiv za izvedbo strokovnega

dela izpita iz geodetske stroke Naročnik: Inženirska zbornica Slovenije, Matična sekcija geodetov

(MSGeo) Dunajska 104, Ljubljana Odgovorna oseba: Matjaž Grilc, predsednik upravnega odbora

Izvajalca: Geodetski inštitut Slovenije (GI)

Jamova cesta 2, Ljubljana Odgovorna oseba: mag. Roman Rener, v.d. direktorja

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo (FGG), Oddelek za geodezijo Jamova cesta 2, Ljubljana Odgovorna oseba: prof. dr. Jurij Banovec, dekan

Avtor: dr. Krištof Oštir

2

Kazalo: 1 TEORETIČNE OSNOVE................................................................................................ 4

1.1 Definicija ..................................................................................................................................... 4 1.2 Elektromagnetno valovanje ......................................................................................................... 5 1.3 Interakcija z atmosfero ................................................................................................................ 5 1.4 Interakcija s površjem ................................................................................................................. 6 1.5 Pasivni in aktivni senzorji ........................................................................................................... 6 1.6 Sistemi daljinskega zaznavanja ................................................................................................... 7

1.6.1 LANDSAT .......................................................................................................................... 7 1.6.2 SPOT ................................................................................................................................... 7 1.6.3 RADARSKI SISTEMI ........................................................................................................ 9

2 PRAKTIČNA UPORABA................................................................................................ 9 2.1 Elementi vizualne interpretacije ................................................................................................ 10 2.2 Digitalna obdelava podob.......................................................................................................... 11

3 ZAKONSKE PODLAGE ............................................................................................... 12 4 TRENDI RAZVOJA....................................................................................................... 12 5 PREGLED STANJA V SLOVENIJI ............................................................................ 12 6 LITERATURA................................................................................................................ 13 7 IZPITNA VPRAŠANJA ................................................................................................. 13

3

1 TEORETIČNE OSNOVE

1.1 Definicija Definicij daljinskega zaznavanja je veliko. Nekatere med njimi so obsežne, druge dokaj skope, vse pa imajo nekaj skupnih točk. V splošnem lahko daljinsko zaznavanje definiramo takole:

»Daljinsko zaznavanje je znanost (v določeni meri tudi umetnost) pridobivanja informacij o površini Zemlje, ne da bi z njo prišli v neposredni stik. Pri tem zaznavamo in zapisujemo odbito ali sevano elektromagnetno valovanje, ga obdelujemo, analiziramo in uporabimo v različnih aplikacijah.«

Slika 1: Postopek daljinskega zaznavanja (vir CCRS 2001). Pri daljinskem zaznavanju se najpogosteje, ne pa vedno, ukvarjamo z opazovanjem Zemlje; poznani so tudi primeri snemanja Lune, Venere, Marsa in drugih planetov. Daljinsko zaznavanje je postopek, ki vključuje interakcijo vpadnega elektromagnetnega sevanja (svetlobe) z opazovanimi predmeti. Pri tem ponavadi ločimo naslednjih sedem delov (Slika 1):

• Vir elektromagnetnega valovanja (A) – prvi pogoj za daljinsko zaznavanje je elektromagnetno valovanje, ki bodisi osvetli opazovane predmete, ali pa ga ti sevajo sami.

• Pot skozi atmosfero (B) – elektromagnetno valovanje, ki potuje skozi atmosfero, z njo sodeluje. Plasti atmosfere lahko prečka enkrat (od površja do senzorja) ali dvakrat (od vira energije – Sonca ali aktivnega instrumenta – do površja in nazaj).

• Interakcija s površjem (C) – ko valovanje prispe do zemeljske površine z njo interagira. Način sodelovanja je odvisen tako od lastnosti površja kot od lastnosti valovanja.

• Zapis valovanja s senzorjem (D) – potem ko se valovanje siplje na površju ali pa ga to oddaja, ga moramo zaznati s senzorjem. Senzorji zaznavajo elektromagnetno valovanje in ga pretvorijo v značilen zapis (fotografski ali digitalni).

• Prenos, sprejem in obdelava (E) – signale, ki jih zabeležijo senzorji, moramo prenesti, praviloma v elektronski obliki z radijskim valovanjem, do sprejemne postaje na Zemlji. V sprejemni postaji podatke obdelamo in iz njih ustvarimo podobo, bodisi tiskano ali (in) digitalno.

• Interpretacija in analiza (F) – obdelano podobo moramo interpretirati, kar lahko storimo vizualno ali (in) digitalno. Z interpretacijo skušamo izluščiti čimveč informacij o opazovanem predmetu.

• Uporaba (G) – zadnji, a bržkone najpomembnejši element postopka daljinskega zaznavanja je uporaba informacij, ki smo jih dobili z interpretacijo v določeni študiji ali pri reševanju konkretnega problema.

4

Opisanih sedem elementov sestavlja postopek daljinskega zaznavanja od začetka do konca. Praviloma – ne pa vedno – pri vsakem snemanju naletimo na vseh sedem korakov. Predvsem tretji je delno spremenjen v primeru, ko opazujemo lastno (termično) sevanje predmetov.

1.2 Elektromagnetno valovanje Elektromagnetno valovanje nastane zaradi različnih pojavov, recimo sprememb v energijskem stanju elektronov, pospeševanja nabitih delcev, razpada radioaktivnih snovi in termičnega gibanja atomov in molekul. Jedrske reakcije v notranjosti Sonca, na primer, ustvarijo bogat spekter elektromagnetnega valovanja, ki skoraj brez večjih sprememb potuje skozi vesolje. Elektromagnetno valovanje je »samorazširjajoče« valovanje, kar z drugimi besedami pomeni, da za svoje širjenje ne potrebuje »medija«. Sestavljeno je iz nihajočega električnega in magnetnega polja, ki sta pravokotna drug na drugega in hkrati na smer razširjanja valovanja. Vsako valovanje, torej tudi elektromagnetno, opišemo z valovno dolžino (λ), frekvenco (ν) in amplitudo (A). Spekter elektromagnetnega valovanja je zelo širok in ne obsega samo vidne svetlobe (tiste, ki jo zazna naše oko), temveč tudi dolge, srednje, kratke in ultrakratke radijske valove, mikrovalove in infrardečo svetlobo v smeri večjih valovnih dolžin, ter ultravijolično svetlobo, rentgensko svetlobo in sevanje gama proti manjšim valovnim dolžinam. Pri daljinskem zaznavanju zaradi lastnosti atmosfere in načina interakcije na površju uporabljamo le njegov manjši del, in sicer vidno in infrardečo svetlobo ter mikrovalove (radarske valove).

1.3 Interakcija z atmosfero Preden elektromagnetno valovanje pride do površine Zemlje, mora skozi atmosfero. Atmosfera je plinast plašč okoli Zemlje, v katerem trdni delci, molekule plinov in tekočin vplivajo na vpadno valovanje. Glavni načini delovanja ozračja na prehajajoče valovanje so:

• sipanje, • absorpcija in • lom.

Do sipanja pride, ko valovanje pade na delce, recimo prah, ali velike plinske molekule v ozračju. Pri tem se smer valovanja spremeni. Kako močno je sipanje, je odvisno od veliko dejavnikov, od katerih so najpomembnejši valovna dolžina valovanja (�), gostota delcev in molekul ter dolžina poti, ki jo valovanje opravi v atmosferi. Naslednji pojav, da katerega pride med potovanjem elektromagnetnega valovanja skozi atmosfero, je absorpcija. Pri absorpciji molekule v ozračju absorbirajo energijo različnih valovnih dolžin. Ozon, ogljikov dioksid in vodna para med vsemi sestavinami ozračja najmočneje absorbirajo elektromagnetno valovanje. Pri lomu svetlobe pa gre za spremembo smeri valovanja na prehodu med optično različno gostimi snovmi. Absorpcija v plinih ozračja določa, katere dele spektra lahko uporabljamo pri daljinskem zaznavanju. Dele, na katere atmosfera ne vpliva pretirano – in jih torej lahko uporabimo – imenujemo atmosferska okna. Pri izbiri pravih valovnih dolžin, moramo upoštevati tudi značilnosti dveh najpogostejših virov elektromagnetnega valovanja, to je Sonca in Zemlje.

1.4 Interakcija s površjem Elektromagnetno valovanje, ki se ne absorbira ali sipa v atmosferi, pride do zemeljskega površja in z njim interagira. Obstajajo trije glavni načini sodelovanja valovanja s površjem:

• absorpcija, • transmisija in • odboj.

5

Slika 2: Poznamo tri osnovne načine interakcije valovanja s površjem, in sicer absorpcijo (A), transmisijo (T) in odboj (R) (vir CCRS, 2001). Vpadna energija interagira s površjem na enega ali več od omenjenih načinov (Slika 2). Razmerje med njimi je odvisno od valovne dolžine svetlobe ter lastnosti in stanja površja. Absorpcija je pojav, pri katerem se sevanje (energija) vpije ali absorbira v snovi. Pri transmisiji valovanje ali pogosteje njegov del prodre skozi snov. Ob odboju oziroma refleksiji se valovanje na opazovanem predmetu »odbije« in nadaljuje pot v spremenjeni smeri. Pri daljinskem zaznavanju se ponavadi ukvarjamo z reflektirano svetlobo, to je valovanjem, ki se od opazovanih predmetov odbije v smeri proti senzorju. Ločimo dva skrajna primera odboja elektromagnetnega valovanja na površini, in sicer zrcalni odboj in difuzni ali razpršeni odboj. Do zrcalnega odboja pride, kadar valovanje pade na gladko površino. Pri tem se vsa – ali skoraj vsa – vpadna energija odbije stran od odbojne površine v eni sami smeri, odbojni kot pa je enak vpadnemu. Razpršeni odboj pa se pojavi, kadar je ploskev groba in se valovanje odbije približno enako v vse smeri. Večina predmetov na površju Zemlje je po lastnostih nekje med zrcalnim in difuznim odbojnikom. Dogajanje pri interakciji valovanja s površjem – to je pri absorpciji, transmisiji in odboju – je razmeroma zapleteno. Še posebej, če imamo v mislih veliko število različnih predmetov na zemeljski površini, njihovo različno geometrijo in različne valovne dolžine uporabljene svetlobe. Z merjenjem energije, ki se odbije na predmetih zemeljskega površja (ali pa jo ta sevajo), lahko ustvarimo spektralni podpis opazovanih predmetov. S primerjavo odziva pri različnih valovnih dolžinah lahko predmete med seboj ločimo, kar pri opazovanju z eno samo valovno dolžino pogosto ni mogoče. Tako imata, na primer, voda in rastlinje približno enako odbojnost v vidnem delu spektra, medtem ko ju v infrardečem vedno ločimo med seboj.

1.5 Pasivni in aktivni senzorji Kot vir elektromagnetnega valovanja oziroma energije za daljinsko zaznavanje smo že nekajkrat omenili Sonce. Energija, ki iz Sonca pride na Zemljo se bodisi odbije, recimo v vidnem delu spektra, ali pa se absorbira in nato znova izseva, na primer v delu termičnih infrardečih valov. Senzorji daljinskega zaznavanja, ki »merijo« tako, v naravi obstoječo energijo, se imenujejo pasivni senzorji. Z njimi lahko zaznavamo samo takrat, ko je vir energije prisoten. Za odbito sončevo svetlobo to pomeni, da lahko snemamo samo, kadar Sonce osvetljuje Zemljo; z drugimi besedami – opazujemo lahko samo podnevi. Lastno termično sevanje zemeljske površine pa lahko opazujemo tako podnevi kot ponoči. Aktivni senzorji za snemanje uporabljajo lastni vir elektromagnetnega valovanja oziroma energije. Tovrstni senzorji oddajajo valovanje v smeri proti opazovanim predmetom, nato pa merijo intenziteto odbitega valovanja. Prednost aktivnih senzorjev je zmožnost snemanja kadarkoli, ne glede na dnevni ali letni čas. Poleg tega lahko z aktivnimi senzorji opazujemo površje v spektralnih pasovih, pri katerih je sončeve energije premalo, recimo v področju mikrovalov, in bolje vplivamo na način osvetlitve površja. Aktivni senzorji za svoje delovanje potrebujejo razmeroma velik vir energije, saj morajo ustvariti dovolj močan signal. Primera aktivnih senzorjev sta laserski fluorosensor in umetno odprtinski radar (synthetic aperture radar, SAR).

6

1.6 Sistemi daljinskega zaznavanja Senzor, s katerim želimo zaznavati in zapisovati odbito ali sevano elektromagnetno valovanje, se mora nahajati na stabilni platformi oziroma nosilcu. Ta mora biti poleg tega odmaknjena od predmeta ali površine, ki jo opazujemo (sicer ne gre za daljinsko zaznavanje). Platforme, ki jih uporabljamo, so lahko na:

• tleh, • letalih ali balonih (oziroma kakih drugih nosilcih znotraj atmosfere) in • satelitih ali vesoljskih plovilih (oziroma drugih nosilcih zunaj atmosfere).

Talne senzorje ponavadi uporabljamo za primerjavo informacij o površju s podatki, ki jih prinašajo sateliti in letala. Talni senzorji so lahko nameščeni na lestvah, posebnih odrih, visokih zgradbah, vozilih s posebnimi rokami, žerjavih ... V zraku daljinsko zaznavanje ponavadi poteka iz prirejenih letal, včasih pa uporabljamo tudi helikopterje. Z letali lahko pridobivamo zelo natančne podatke o zemeljskem površju, ob ugodnih razmerah lahko z njimi snemamo na kateremkoli delu Zemlje in to kadarkoli. V vesolju snemanje opravljamo iz vesoljskih plovil (space shuttle) ali, pogosteje, iz satelitov. Sateliti so telesa (objekti), ki krožijo okrog drugih teles, v našem primeru okrog Zemlje. Primer naravnega satelita je Luna, umetni sateliti pa so tisti, ki jih je ustvaril človek in so namenjeni za daljinsko zaznavanje, telekomunikacije, telemetrijo (določanje položaja in navigacijo).

1.6.1 LANDSAT Razvoj opazovanja Zemlje je pospešil uspeh prvih vremenskih satelitov sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja, pa tudi zanimivi pogledi iz vesolja in številni uspešni poleti s človeško posadko. Leta 1972 je NASA izstrelila ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite), prvi satelit, ki je bil namenjen izključno opazovanju kopnih površin. Satelit se je kasneje preimenoval v Landsat 1. Projekt Landsat je uspel zaradi različnih razlogov, najpomembnejši med njimi so zanimiva kombinacija senzorjev s spektralnimi pasovi, ki so posebej primerni za opazovanje Zemlje, dobra prostorska ločljivost in odlična pokritost površja (širna pasu snemanja in čas ponovnega snemanja). Dolžina trajanja programa je poskrbela za ogromen arhiv razpoložljivih posnetkov, ki omogočajo dolgotrajno časovno opazovanje, »zgodovinske« zapise in raznovrstne raziskave. Vsi sateliti Landsat se nahajajo v skoraj polarnih, sončno sinhronih tirnicah. Z drugimi besedami to pomeni, da krožijo v smeri od severnega pola proti južnemu in nazaj, pri čemer opazujejo iste dele površja vedno ob istem krajevnem času. Prvi trije sateliti (Landsat 1 do 3) so krožili okrog Zemlje na višini približno 900 km, vsi naslednji sateliti pa letijo (oziroma so leteli) nižje, in sicer na višini približno 700 km. Poljubno točko na površju Zemlje lahko posnamejo vsakih 16 dni. Sateliti so bili opremljeni z različnimi senzorji, od katerih je najpomembnejši Thematic Mapper (TM), ki je na najnovejšem Landsatu 7 v izpopolnjeni različici Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+). Senzor TM snema površje z uporabo vrtečega zrcala, ki se giblje v smeri pravokotno na smer leta satelita, in sicer hkrati v sedmih kanalih od vidne do termične infrardeče svetlobe. Prostorska ločljivost senzorja TM je 30 m za vse kanale razen termičnega, v katerem je prostorska ločljivost 120 m. Skener ETM+ na satelitu Landsat 7 ima tudi pankromatski kanal, ki pokriva zeleno, rdečo in bližnjo infrardečo svetlobo, z ločljivostjo 15 m; poleg tega je prostorska ločljivost termičnega kanala na senzorju ETM+ 60 m, medtem ko je pri starejšem TM 120 m. Landsat podatke zajema v pasu, širokem 185 km, pri čemer je polna scena velika 185 km krat 185 km. Vrednosti odboja so podane v razponu med 0 in 255, čemur ustreza 8-bitna radiometrična ločljivost. Tabela 1 podaja spektralne in prostorske značilnosti senzorja Landsat TM skupaj z nekaj primeri uporabe.

1.6.2 SPOT SPOT (Satellite Pour l'Observation de la Terre) je skupina satelitov, ki jo je pripravil in izstrelil francoski CNES (Centre National d'Études Spatiales). Prvi satelit iz skupine, SPOT-1, so izstrelili leta 1986, temu pa so vsake tri do štiri leta sledili nasledniki. Vsi sateliti krožijo okrog Zemlje na višini približno 830 km v sončno sinhronih, skoraj polarnih tirnicah. Sateliti prečkajo ekvator približno ob pol enajstih dopoldne po krajevnem sončnem času. SPOT je bil eden prvih sistemov, ki je uporabil tehniko snemanja površja v vzdolžni smeri, to je v smeri leta satelita, poleg tega pa je bil med prvimi komercialnimi satelitskimi sistemi.

7

Kanal λ (µm) Barva Ločljivost (m) Uporaba TM ETM+ TM 1 0,45 – 0,52 modra 30 30 ločevanje prsti in vegetacije; merjenje

globine voda in kartiranje obal; prepoznavanje kulturne in urbane krajine

TM 2 0,52 – 0,60 zelena 30 30 kartiranje zelene vegetacije (meri vrh odboja); prepoznavanje kulturne in urbane krajine

TM 3 0,63 – 0,69 rdeča 30 30 ločevanje vegetacije in nevegetacije, prepoznavanje posameznih vrst rastlin (absorpcija klorofila); prepoznavanje kulturne in urbane krajine

TM 4 0,76 – 0,90 bližnja IR 30 30 določanje vrst rastlin, zdravosti in količine biomase; označevanje vodnih teles; merjenje vlage

TM 5 1,55 – 1,75 bližnja IR 30 30 merjenje vlage v prsti in vegetaciji; ločevanje snega in oblakov

TM 6 10,4 – 12,5 termična IR 120 60 termično kartiranje (urbane in vodne površine); stanje vegetacije, določanje vlažnosti prsti v povezavi s termičnim sevanjem

TM 7 2,08 – 2,35 bližnja IR 30 30 določanje mineralov in tipov kamnin; merjenje vlažnosti vegetacije

PAN 0,52 – 0,90 pankromatsko – 15 izboljšanje ločljivosti; prepoznavanje vegetacije

Tabela 1: Spektralni pasovi senzorjev TM in ETM+ na satelitih Landsat.

Kanal λ (µm) Barva Ločljivost (m) P 0,51 – 0,73 pankromatsko 10 B1 0,50 – 0,59 zelena 20 B2 0,61 – 0,68 rdeča 20 B3 0,79 – 0,89 bližnja infrardeča 20 B4 1,58 – 1,75 bližnja infrardeča 20

Tabela 2: Spektralni pasovi senzorja HRV na satelitih SPOT. Kanal B4 je prisoten samo na satelitu SPOT-4. Vsak od satelitov SPOT ima dva senzorja HRV (High Resolution Visible), ki lahko delujeta vsak zase ali skupaj. Vsak od senzorjev lahko zaznava bodisi v pankromatskem načinu z visoko ločljivostjo (P) oziroma v večspektralnem načinu z nekoliko slabšo ločljivostjo (XS, Xi). Pri satelitih SPOT-1 do 3 so bili večspektralni kanali trije (XS), medtem ko so pri novejšem satelitu SPOT-4 štirje (Xi). Vsak od vzdolžnih senzorjev HRV je sestavljen iz štirih (oziroma petih) vrstic detektorjev. Ena izmed njih ima 6000 elementov, namenjena pa je pankromatskemu snemanju z ločljivostjo 10 m. Tri oziroma štiri vrstice s po 3000 elementi pa snemajo večspektralne kanale z ločljivostjo 20 m. Tabela 1 prikazuje spektralne lastnosti obeh načinov snemanja na satelitih SPOT. Če je instrument usmerjen proti nadirju (točki neposredno pod satelitom), je pas snemanja pri obeh instrumentih enak 60 km. Kot gledanja senzorjev na satelitih SPOT lahko spremenimo, tako da so njegovi pogledi usmerjeni na eno ali drugo stran nadirja. S tako imenovanim stranskim gledanjem lahko precej zmanjšamo čas ponovnega snemanja, to je čas, ko satelit lahko zaporedoma opazuje isto območje. Senzorje na satelitih SPOT lahko zasukamo do 27° od nadirja in tako povečamo frekvenco ponovnega snemanja v ekvatorialnem pasu na tri dni (sedemkrat v 26 dneh).

8

SPOT ima cel kup prednosti v primerjavi z drugimi optičnimi senzorji. Za njegovo priljubljenost sta še posebej pomembna dobra prostorska ločljivost in zmožnost usmerjanja senzorjev. Tri ali po novem štirikanalne podatke lahko tudi »izostrimo« z upoštevanjem pankromatskega kanala. To je precej priljubljena tehnika pri vseh sistemih, ki zajemajo podatke pankromatsko z večjo ločljivostjo. S sistemi SPOT lahko opravljamo študije, ki zahtevajo visoko ločljivost, pri čemer pa ohranimo nizko ceno in pogostost snemanja, ki jo dosegajo sateliti.

1.6.3 RADARSKI SISTEMI Radar je okrajšava za RAdio Detection And Ranging (radijsko zaznavanje in merjenje razdalje). Radarski sistemi so aktivni, kar pomeni, da sami poskrbijo za svoj vir elektromagnetnega valovanja. Aktivni mikrovalovni senzorji, naj gre za letalske ali satelitske, sevajo elektromagnetno valovanje v obliki kratkih impulzov. Antene imajo ponavadi usmerjene pravokotno na smer leta sistema in sicer poševno navzdol. Ko valovanje pade na predmete na Zemlji, se ga del odbije nazaj proti senzorju. To povratno sipanje zaznamo, izmerimo in določimo čas njegovega potovanja. Čas, ki je potreben, da impulz pride do predmeta in nazaj, določa (poševno) razdaljo med anteno in opazovanim površjem. Z zapisovanjem jakosti odbite energije ustvarimo dvorazsežno podobo zemeljskega površja. Ker radar sam skrbi za svoj vir valovanja, lahko podobe ustvarja tako podnevi kot ponoči, torej neodvisno od sončevega sevanja. Mikrovalovi lahko poleg tega prodirajo skozi oblake in dež, kar pomeni, da opazovanje ni omejeno z vremenskimi razmerami. Radarski sistemi so postali zelo priljubljeni predvsem po letu 1991, ko je bil izstreljen evropski satelit ERS-1.

2 PRAKTIČNA UPORABA Če želimo izkoristiti in pravilno uporabiti podatke daljinskega zaznavanja, moramo iz podob izluščiti pomembne informacije. Pri interpretaciji in analizi daljinsko zaznanih podob se ukvarjamo s prepoznavanjem in (ali) merjenjem lastnosti predmetov. Predmeti na podobah so lahko katerikoli objekti ali pojavi, ki jih opazimo, in imajo naslednje lastnosti:

• predmeti so lahko točkovni, linijski ali ploskovni; to pomeni, da imajo lahko kakršnokoli obliko, od, recimo, avtobusa na postajališču, letala na vzletni stezi, prek mosta na železniški progi, do vodne površine sredi polj;

• predmeti morajo biti razločljivi; z drugimi besedami, morajo se jasno ločiti od drugih predmetov, ki se nahajajo v njihovi bližini.

Interpretacijo in prepoznavanje predmetov na podobah lahko opravljamo vizualno (»ročno«) ali digitalno (z računalnikom). Ročna interpretacija sega v sam začetek daljinskega zaznavanja in fotointerpretacije. Digitalna analiza je precej mlajša, saj sta jo omogočila šele razvoj sistemov za elektronsko zajemanje podatkov in izboljšanje zmogljivosti računalnikov. Tako ročna kot digitalna obdelava podatkov imata svoje prednosti in slabosti. Splošno lahko rečemo, da ročna interpretacija zahteva le malo opreme, medtem ko pri digitalni potrebujemo zelo namensko, strogo specializirano opremo. Pri ročni interpretaciji ponavadi analiziramo samo en podatkovni kanal ali eno samo podobo; obdelava več podob hkrati je za človeka namreč prezapletena. Računalniki nimajo večjih težav pri shranjevanju in obdelavi zapletenih podob z več kanali, ki so jih zaznali različni senzorji ob različnih časih. Digitalna obdelava je torej uporabna za hkratno analizo več spektralnih kanalov in omogoča zelo hitro obdelavo velikih podob. Ročna obdelava je subjektiven postopek, kar pomeni, da različni operaterji ustvarijo različne rezultate. Pri digitalni obdelavi gre za računske operacije v računalnikih, kar zagotavlja mnogo večjo objektivnost in bolj dosledne rezultate. Seveda pa je določanje veljavnosti in natančnosti tovrstnih obdelav precej zapleteno. Kljub temu se vizualna in digitalna analiza podob ne izključujeta. Obe imata namreč svoje prednosti, zato v praksi praviloma uporabimo njuno kombinacijo. Ne nenazadnje o uporabnosti in pomenu informacij, dobljenih z daljinskim zaznavanjem in obdelavo podob, na koncu vedno odločajo ljudje.

9

2.1 Elementi vizualne interpretacije Omenili smo že, da pri analizi na daljinsko zaznanih podobah prepoznavamo najrazličnejše predmete. Ti so lahko naravni ali umetni, lahko so točkovni, linijski ali ploskovni. Predmete na površju določa način odboja ali sevanja elektromagnetnega valovanja, ki ga izmerijo in zapišejo senzorji, v končni obliki pa je predstavljeno kot letalska ali satelitska podoba. Zakaj je interpretacija daljinsko zaznanih podob bolj zapletena od vsakodnevnega opazovanja naše okolice? V prvi vrsti zato, ker pri opazovanju dvorazsežnih podob izgubimo občutek globine, razen če za slednjo poskrbimo s stereoskopskim opazovanjem. Opazovanje »od zgoraj« ustvari tudi precej drugačno perspektivo od tiste, ki smo je vajeni. Če upoštevamo še različno merilo in odsotnost lahko prepoznavnih podrobnosti, razumemo, da je še tako poznane predmete včasih nemogoče določiti. Ne nazadnje, naše oko je občutljivo samo na svetlobo vidnega dela spektra. Opazovanje odboja v valovnih dolžinah zunaj tega dela je za človeka težko in pogosto nerazumljivo. Opazovanje razlik med predmeti in njihovo okolico vključuje primerjavo glede na enega ali več osnovnih elementov, ki so:

• ton, • oblika, • velikost, • vzorec, • tekstura, • senca in • povezava.

Ton se nanaša na relativno svetlost ali barvo predmetov na podobi in je glavni element za ločevanje med različnimi predmeti in pojavi. Spreminjanje tona omogoča tudi opazovanje oblike, teksture in vzorca predmetov. Oblika opisuje splošno zgradbo oziroma oris posameznih predmetov. Ostri robovi ponavadi predstavljajo urbane ali kmetijske površine, medtem ko so naravni elementi, na primer gozdni robovi, praviloma bolj nepravilnih oblik; pravilne oblike v naravi so rezultat človekove dejavnosti. Velikost predmetov na podobi je povezana z merilom. Pri interpretaciji je pomembna tako absolutna velikost kot tudi relativna. Absolutna omogoči natančno določitev predmeta, zelo pomembno za interpretacijo pa je določiti tudi relativno velikost glede na druge predmete na podobi. Bežna ocena velikosti predmeta interpretacijo usmeri v pravo smer in hitreje zagotovi ustrezne rezultate. Tako lahko, recimo, interpretator oceni, da majhne stavbe pomenijo naselja, velike pa tovarne ali druge poslovne objekte. Vzorec pomeni prostorsko razporeditev predmetov, ki jih lahko vidimo (ponavljanje tonov in tekstur). Sadovnjaki, na primer, imajo pogosto drevesa v enakomernih razmikih, podobno velja za naselja z mrežo ulic in hiš. Tekstura je značilna razporeditev in frekvenčno spreminjanje tona na posameznih območjih podobe. Grobe teksture vsebujejo znatno spreminjanje sivih vrednosti, ki se menjajo na majhnih razdaljah, to je z veliko frekvenco. Mehkim ali gladkim teksturam po drugi strani pa se toni le malo spreminjajo. Mehke teksture so praviloma posledica enakomernih, gladkih površin, recimo polj, asfalta in travnikov. Predmeti z močno razgibano in nepravilno površino, na primer gozdne krošnje, pa imajo precej živahno spreminjanje tonov. Sence so prav tako v veliko pomoč pri interpretaciji; podajajo namreč podatke o višini in višinskem profilu predmetov, kar olajša njihovo prepoznavanje. Seveda pa sence interpretacijo tudi otežujejo ali celo onemogočajo. V njihovem vplivnem območju so namreč predmeti mnogo slabše vidni ali v primeru radarskih posnetkov celo nevidni. Po drugi strani pa sence s pridom uporabljamo pri poudarjanju in določanju topografije, še posebej pri radarskih podobah. Povezava upošteva medsebojna razmerja med opazovanim predmetom in drugimi prepoznanimi predmeti ali pojavi v njegovi okolici. Opazovanje lastnosti, ki jih povezujemo z določenimi predmeti, je torej pomemben del interpretacije podob. Tako lahko poslovne objekte povežemo z bližino pomembnih prometnic, bivalna naselja pa povežemo s šolami, igrišči in športnimi objekti.

10

2.2 Digitalna obdelava podob Dandanes praktično vse podatke daljinskega zaznavanja zajamemo v digitalni obliki, ali pa jih pred obdelavami vanjo pretvorimo. Obdelava podob torej zajema vsaj nekaj elementov digitalnega procesiranja. Digitalna obdelava vsebuje veliko postopkov, med njimi oblikovanje in korekcijo podatkov, digitalno izboljšanje podob z namenom olajšanja vizualne interpretacije ali celo samodejno klasifikacijo, pri kateri predmete v celoti prepoznava računalniški sistem. Če želimo podobe daljinskega zaznavanja obdelovati elektronsko, jih moramo torej zapisati v obliko, ki je primerna za hranjenje v računalnikovem pomnilniku ali na njegovem trdem disku. Poleg tega potrebujemo sistem za obdelavo podob, pogosto mu pravimo tudi sistem za analizo geografskih podob, ki vsebuje potrebno programsko in strojno opremo. Obstaja kar nekaj zelo zmogljivih sistemov, ki so namenjeni samo obdelavi geografskih podob ali pa se z njimi ukvarjajo le deloma. Večino postopkov pri obdelavi digitalnih podob lahko razdelimo v štiri skupine:

• predobdelava, • izboljšanje, • transformacija in • klasifikacija in analiza.

Z izrazom predobdelava podob zajamemo vse operacije, ki jih praviloma izvedemo preden se prične glavni postopek analize in pridobivanja informacij. Praviloma gre za dve skupini operacij, in sicer radiometrične in geometrične popravke. Pri radiometričnih popravkih skušamo odpraviti nepravilnosti v delovanju senzorja in odstraniti vpliv atmosferskih šumov. Poleg tega podatke pretvorimo v obliko, ki karseda ustreza odbitemu ali oddanemu valovanju, ki ga je senzor zaznal. Geometrični popravki pa vključujejo odstranjevanje popačenja zaradi geometrije snemanja in njenega spreminjanja. Tovrstni popravki poskrbijo tudi za pretvorbo podatkov v izbrane koordinate na površju Zemlje, na primer v geografsko širino in dolžino. Glavni namen funkcij za izboljšanje podob je zgolj spremeniti njihov vizualni videz in tako olajšati njihovo vizualno interpretacijo in analizo. Primer postopkov izboljšanja podob je povečanje kontrasta z raztegovanjem histograma in s tem povečevanje razlik v tonu med predmeti na podobi. Poleg tega v to skupino operacij spadajo tudi različna filtriranja, ki poudarijo ali zadušijo določene prostorske vzorce na podobi.

Slika 3:Klasifikacija (levo) satelitskega posnetka Landsat TM (desno).

Transformacije podob so skupina operacij, ki so podobne postopkom za izboljšanje podob. Za razliko od slednjih, ki jih praviloma izvajamo z enim samim kanalom naenkrat, pri transformacijah praviloma upoštevamo podatke več spektralnih kanalov. Izvajamo različne aritmetične operacije, recimo seštevanje, odštevanje, množenje ali deljenje, in tako pretvorimo prvotne kanale v »nove« podobe. Te poudarijo določeno lastnost, ki na osnovnih podobah ni jasno razločna. V to skupino operacij štejemo tudi različna spektralna ali kanalna razmerja, na primer računanje vegetacijskega indeksa. Z operacijami klasifikacije in analize podob digitalno prepoznamo in razdelimo piksle na posnetku v razrede (Slika 3). Pri klasifikaciji, ki jo ponavadi izvajamo z večspektralnimi podatki, vsakemu

11

slikovnemu elementu na podobi priredimo določen razred ali temo glede na njegovo sivo vrednost in druge statistične značilnosti. Obstaja veliko načinov, kako razdelitev v razrede opravimo, v splošnem pa klasifikacijo lahko delimo na nadzorovano in nenadzorovano. Glavna razlika med obema je način, kako ustvarimo spektralne podpise, to je učne vzorce. Pri nadzorovani klasifikaciji operater določi manjša območja, kjer je razpoznaven določen tip rabe tal, računalniški program pa iz njih izračuna podpise. Pri nenadzorovani klasifikaciji pa podpise ustvari program sam, in sicer z matematičnim združevanjem (clustering) v n-razsežnem spektralnem prostoru, operater pa nato prepozna razrede, ki jim ustrezajo.

3 ZAKONSKE PODLAGE - Zakon o geodetski dejavnosti, Ur. l. št. 8; 31.01.2000 stran: 949 - Zakon o evidentiranju nepremičnin, državne meje in prostorski enot, Ur. l. št. 51; 13.06.2000 stran: 6921 - Pravilnik o evidenci državne meje, Ur. l. št. 21; 23.03.2001, stran: 2101 - Zakon o obrambi, Ur. l. št. 82: 30.12.1994 stran: 5032 - Odlok o varnostnih ukrepih na obrambnem področju, Ur. l. št. 49: 10.10.1992 stran: 2890

4 TRENDI RAZVOJA Razvoj daljinskega zaznavanja v zadnjih letih poteka v treh glavnih smereh: uveljavitev satelitov kot najpomembnejšega vira podob, razvoj sistemov visoke ločljivosti in uveljavitev radarskih sistemov. Daljinsko zaznavanje je v nekaj letih skoraj v celoti zamenjalo opazovalno platformo. Medtem ko je še pred dvema desetletjema opazovanje potekalo v glavnem iz letal, so danes glavni nosilci senzorjev sateliti. Razlogov za to je kar nekaj, odločilni pa so bili cenejše upravljanje, stabilnejše tirnice, sistematično snemanje in tako dalje. Sistemi visoke ločljivosti – komercialno so dostopni posnetki z ločljivostjo 1 m – so primerljivi z letalsko fotografijo in jo lahko ne le dopolnjujejo, ampak tudi nadomestijo. Pomembno polje razvoja je tudi na področju radarskih posnetkov. Radar je aktivni instrument, kar pomeni, da sam poskrbi za vir valovanja in meri odboj svojega lastnega sevanja. Radarsko valovanje se precej razlikuje od valovanja v vidnem in infrardečem delu spektra. Njegova glavna prednost je nemoteno potovanje skozi atmosfero, kar pomeni, da je neodvisen od vremenskih razmer. Radarski posnetki omogočajo podobne operacije kot optični, recimo klasifikacijo rabe tal, opazovanje sprememb površja in podobno, poleg tega pa nudijo tudi veliko naprednejših aplikacij, med katere zanesljivo sodi radarska interferometrija.

5 PREGLED STANJA V SLOVENIJI Daljinsko zaznavanje je v Sloveniji prisotno že nekaj desetletij; začetki pa tako kot v svetu segajo na področje obdelave letalskih posnetkov. V zadnjem času postajajo vse bolj pomembni satelitski posnetki in digitalna obdelava. Na področju daljinskega zaznavanja v Sloveniji najbolj aktivno delujejo tri institucije, in sicer Gozdarski inštitut Slovenije, Statistični urad RS in Znanstvenoraziskovalni center SAZU. Gozdarski inštitut Slovenije se ukvarja predvsem z uporabo daljinskega zaznavanja v gozdarstvu. Pri svojem delu v glavnem uporabljajo satelitske posnetke Landsat, z interpretacijo katerih skušajo pridobiti informacije o gozdovih in njihovem spreminjanju. Podatke daljinskega zaznavanja vključujejo v gozdarski informacijski sistem in uporabljajo v nadaljnjih analizah in pri smotrnem gospodarjenju z gozdom. Statistični urad RS uporablja posnetke satelitov Landsat in SPOT za analizo pokrovnosti tal. Pri tem vsakih nekaj let analizirajo satelitske posnetke, ugotovijo rabo tal in opravijo študijo sprememb. Rezultate povežejo z drugimi statističnimi kazalci in jih analizirajo v geografskem informacijskem sistemu. Znanstvenoraziskovalni center SAZU opravlja raziskave uporabnosti daljinskega zaznavanja na najrazličnejših področjih. Ukvarjajo se z analizami posnetkov Landsat, SPOT, ERS in RADARSAT, predvsem za kartiranje rabe tal in izdelavo modelov višin z radarsko interferometrijo. Poleg tega razvijajo naprednejše tehnike obdelave podob, recimo samodejno registracijo in mehko klasifikacijo.

12

6 LITERATURA Campbell, James B.: Introduction to Remote Sensing, Taylor & Francis, London, 1996. CCRS: Fundamentals of Remote Sensing, Canada Centre for Remote Sensing, Ottawa, 2001. (http://www.ccrs.nrcan.gc.ca/ccrs/eduref/tutorial/tutore.html) Sabins, Floyd F.: Remote Sensing : Principles and Interpretation, Freeman, New York, 1996. Thomas M. Lillesand in Ralph W. Kiefer: Remote Sensing and Image Interpretation, Wiley & Sons, New York, 1999. Kraus, Karl: Fernerkundung 1, 2, Dummler, Bonn, 1988.

7 IZPITNA VPRAŠANJA Kaj je daljinsko zaznavanje? Kateri so osnovni deli daljinskega zaznavanja? Opišite sistema Landsat in SPOT! Kateri so elementi vizualne interpretacije podob? Kaj je digitalna interpretacija podob? Katere operacije vsebuje?

13