Konular Uzaktan Algılama ya Giriş II. HAFTA : Temel Esaslar Doç. Dr. Semih EKERCİN II. HAFTA Temel Esaslar Bu nedenle, uzaktan algılama biliminde,

Transkript

1 Uzaktan Algılama ya Giriş Doç. Dr. Semih EKERCİN Harita Mühendisliği Bölümü Güz Yarıyılı 1 Uzaktan Algılama ya Giriş Konular I. HAFTA : Giriş II. HAFTA : Temel Esaslar III. HAFTA : Dijital Görüntü ve Özellikleri IV. HAFTA : Cisimlerin Spektral Yansıtma Özellikleri V. HAFTA : Algılama Sistemleri VI. HAFTA : Optik Algılayıcılar ve Özellikleri VII. HAFTA : Uydu Görüntülerinin Yorumlanması (Optik Veriler için) VIII. HAFTA : Aktif Algılama Sistemleri (Radar, Lidar, InSAR, Sonar-Lidar) IX. HAFTA : Radar Verilerinin Üretimi ve Yorumu (3B, SRTM, İnterferometri) X. HAFTA : Gerçek ve Yapay Açıklıklı Radar XI. HAFTA : Lidar (Light Detection and Ranging) Sistemi ve Özellikleri XII. HAFTA : Spektroradyometre ve Ölçmeleri XIII. HAFTA : Hiperspektral Algılama XIV. HAFTA : Örnek Projelerin Tanıtımı Genel Değerlendirme 2 Uzaktan Algılama ya Giriş II. HAFTA Temel Esaslar Elektromanyetik Spektrum 1.2. Kuantum Teorisi 1.3. Stefan-Boltzmann Kanunu 1.4. Wien Yerdeğiştirme Kanunu 2. Spektral Etkileşim Cisimler ile Etkileşim 3. Spektral Yansıma 3 Elektromanyetik enerji (ışınım), c ışık hızı ile harmonik dalgalar halinde hareket eden bütün enerji şekillerini kapsar. Harmoniklik dalgaların eşit ve periyodik bir şekilde olduklarını ifade eder. Görünen ışık, elektromanyetik enerji şekillerinden ancak bir tanesidir. Radyo dalgaları, ısı, mor ötesi ve X-ışınları diğer şekilleridir. 4 Elektromanyetik enerji (ışınım), atmosfer, su ve başka ortamlardan değişik oranlarda geçebildikleri gibi uzay boşluğundan da geçebilen tek enerji türüdür. Bu nedenle, uzaktan algılama biliminde, enerji kaynağı olarak elektromanyetik dalgalar kullanılmaktadır. Elektromanyetik enerji iki bileşenden oluşmaktadır: Elektriksel Alan ve Manyetik Alan. Elektromanyetik enerji ışık hızında hareket etmektedir (c=299,793 km/saniye veya c=3*10 8 m/saniye) ve hem tanecik hem de dalga modeli ile açıklanmaktadır. 5 Genlik 6 1

2 Elektromanyetik enerjinin hareketi; hız, dalga boyu ve frekans cinsinden ifade edilebilir: Bir dalga hareketinin iki tepe noktası arasındaki uzaklığına (λ) dalga uzunluğu ve birim zamanda bir noktadan geçen tepe noktası sayısına ise (f) dalganın frekansı denir. Dalga hareketi için; Hız (c), dalga boyu (λ), ve frekans (f) olmak üzere; c = f * λ bağıntısı geçerlidir. (c=3*10 8 m/saniye) Genlik Dalga boyu kısa Frekans yüksek Dalga boyu uzun Frekans düşük Dalga boyu ile frekans ters orantılıdır!!! 7 Elektromanyetik enerji katı, sıvı veya gaz halindeki cisimle temasta şiddet, doğrultu, dalga uzunluğu, polarizasyon ve faz gibi bakımlardan birçok değişikliğe uğrar. Uzaktan algılamada bu değişiklikler saptanır ve kaydedilir. Bu işlem sonucu ortaya çıkan görüntü ve veriler, kayıt edilen elektromanyetik ışınımda değişikliğe neden olan cismin özelliklerinin uzaktan belirlenmesi için yorumlanır!!! 8 Elektromanyetik Spektrum Elektromanyetik spektrum, ışık hızı ile hareket eden, dalga boyu nanometrelerden kilometrelere kadar uzanan sürekli enerji ortamıdır. Elektromanyetik spektrum; dalga boyları bina mertebesinde uzunluğa sahip radyo dalgalarından, bir atom çekirdeği mertebesindeki kısa dalga boylarına kadar uzanır. İnsan gözünün algılayabildiği dalga boyları, sadece görünür bölgedekilerdir. (400nm=0.4μm) μm (Mavi) μm (Yeşil) μm (Kırmızı) Elektromanyetik Spektrum Uzaktan algılamada çoğunlukla kullanılan dalga boyları; görünür ve kızılötesi (0,30 µm-15 µm) ışınımlar ile mikrodalga (5-500 mm) ışınımlarıdır. (400nm=0.4μm) μm (Mavi) μm (Yeşil) μm (Kırmızı) 9 10 Kuantum Teorisi (Gündüz yeryüzünü görebilmeye imkan tanır) (Fotoğrafik olmayan (Termal) algılama sistemi ile algılanabilir) Güneş, uzaktan algılamada temel elektromanyetik ışınım kaynağıdır. Bir cisim ısınmaya başladıkça dalga boyu kısalmaya başlar ve içerilen tüm enerji dışarıya verilir. 11 Einstein (1905), Max Planck tarafından ortaya atılan Kuantum fikrini fotoelektrik olay üzerinde geliştirerek elektromanyetik enerjinin (ışığın) aslında dalga olmayıp fotonlardan, yani kuantum paketçiklerinden oluştuğunu ortaya koymuştur. Foton, elektromanyetik dalganın toplam enerjisini oluşturan enerji paketçiklerinden her biri için kullanılan isimdir. Elektromanyetik enerji, dalga özelliklerine de sahiptir. Etkileşimlere parçacık olarak girebilir ancak dalga olarak yayılır. 12 2

3 Kuantum Teorisi Elektromanyetik Spektrumu oluşturan gama, X, mor ötesi, görünen ışık ve kızıl ötesi ışınlarıyla, mikro dalgalar, radyo, radar ve televizyon dalgalarının farklı özellikler göstermesi, sadece aralarındaki dalga boyu farkı nedeniyledir. Bu ise, elektromanyetik dalgaları taşıyan foton adını verdiğimiz parçacıkların ihtiva ettiği enerji miktarına bağlıdır. Fotonun enerjisi (elektron sayısı) ne kadar fazla ise, dalga boyu o kadar kısa, frekansı ise o kadar fazladır. Hatırlatma (Atomun Yapısı) Atomda proton, nötron ve elektron adı verilen üç temel tanecik vardır. Proton ve nötron çekirdekte bulunur. Elektronların yoğun olarak bulunduğu bölgeye yörünge adı verilir Kuantum Teorisi Elektromanyetik enerjinin cisimlerle ilişkisi Kuantum Teorisi ile açıklanır. Bir foton veya kuantumun enerjisi: E = h. f E = h. c / λ E: bir Kuantum enerjisi, Joule (J), h: Planck sabiti (6,626x10-34 j.sn.) c: ışık hızı ( km/sn) (f=c/λ) Buradan dalga uzunluğu ile enerjinin birbiri ile ters orantılı olduğu görülür. Yani dalga uzunluğu arttıkça enerji miktarı azalır. Bu bağıntı uzaktan algılamada önemlidir. Çünkü buradan cisimlerden doğal olarak ışıyan uzun dalga boylu ışınımı algılamanın kısa dalga boylu ışınıma göre daha zor olduğu Stefan-Boltzmann Kanunu Güneş, uzaktan algılamada temel elektromanyetik ışınım kaynağı olmakla birlikte, mutlak sıfırın ( o K=-273 o C) üzerindeki her cisim az ya da çok elektromanyetik enerji (ışınım) neşreder. Bir cismin ne kadar ışınım yaptığı yüzey sıcaklığına bağlı olup Stefan-Boltzmann Kanunu ile izah edilir: W = σ. T 4 W: Birim cisim yüzeyinden birim zamanda neşredilen toplam ışınım (W/m 2 ), σ: Stefan-Boltzmann sabiti (5,6697x10-8 Wm -2 o K -4 ) T: Mutlak sıcaklık ( o K) anlaşılmaktadır Wien Yerdeğiştirme Kanunu Spektral ışınım neşrinin en üst düzeyde olduğu dalga uzunluğu ise Wien Yerdeğiştirme Kanunu ile deyimlendirilir: λ m = A / T λ m : Işınım neşrinin maksimum olduğu dalga uzunluğu, A : 2898 (μm o K) T : Sıcaklık ( o K) Yukarıdaki eşitlikten, artan sıcaklık ile ışımanın maksimum olduğu dalga uzunluğunun azaldığı görülür. Örneğin; ısıtılan bir demir 500 o K de kırmızı görünürken, 5000 o K de sarıya dönüşür. 17 Kirchhoff Yasası Kirchhoff yasası bize matematiksel olarak iyi bir yayıcı ve iyi bir soğurucunun kötü bir yansıtıcı olduğunu veya (tam tersi) Kötü bir yayıcı ve soğurucunun iyi bir yansıtıcı olduğunu anlatır. 18 3

4 Spektral Etkileşim Cisimler ile Etkileşim Kaynağa bakılmaksızın, uzaktan algılayıcılar tarafından algılanan bütün ışınlar atmosferde belirli bir yol alır. Bu yol uzaydan algılanan görüntüler için atmosferden geçip algılayıcıya ulaşmasında alınan yoldur. Yeryüzüne gelen güneş enerjisi atmosfer tarafından yutulma, saçılma, dağıtılma ve yansıtılma gibi fiziksel etkilere uğrarlar. En etkin yutucular su tanecikleri, karbondioksit ve ozondur Saçılma Atmosferdeki partiküllerin boyutları, elektromanyetik enerjinin atmosferde yayılımını etkilemektedir: Saçılma Atmosfer farklı sıcaklıklara göre farklı dilimlere ayrılabilir: Troposfer : Kutupla ekvator arasında yüksekliği 8-16 km dir. Stratosfer : 50 km Ozon Mezosfer : 80 km Thermosfer : 250 km Eksosfer : 500 km ~ 750 km Rasgele Saçılma Atmosferdeki gazlar farklı oranlarda olmak üzere yeryüzünden 80 km yüksekte yer alırlar. Ozon alçak stratosferde konsantre halde bulunur. Bunun dışında troposferde su buharı bulunur. Karbondioksit atmosferdeki temel gazlardan biridir ve son yüz yılda fosil kaynaklı yakıtların tüketimi ile artmıştır Saçılma Türleri Saçılma Türleri : Büyüklükleri gelen güneş ışınımının dalga uzunluğuna göre çok küçük olan gaz molekülleri nedeni ile ortaya çıkar. Rayleigh saçılması gökyüzünün mavi görünmesinin nedenidir. Güneş ise mavi ışınımın saçılmasından dolayı sarımtırak kırmızı gözükür. Saçılma olmasa idi gökyüzü siyah, güneş parlak beyaz renkte gözükecekti. Güneşin doğuş ve batışı sırasında gökyüzünün kırmızılığının nedeni de yine Rayleigh saçılmasıdır. Güneş ışınları bu sırada atmosferde çok uzun bir yol izlediklerinden kısa dalga uzunluklu ışınım saçılır ve uzun dalga uzunluklu kırmızı ve turuncu renkler göze ulaşır. Rastgele Saçılma 23 : Büyüklükleri gelen güneş ışınımı dalga uzunluğu civarında olan duman, su buharı, tuz kristalleri nedeni ile ortaya çıkar. Mie saçılması genel olarak dalga uzunluğu ile ters orantılıdır. Saçılma ışığı gölgelerin de tamamen koyu renk yerine mavimtırak görünmesine neden olur. Apollo astronotları tarafından ayda çekilen fotoğrafların en önemli ayrıcalığı gölgelerin tamamen siyah renkte görünmesidir. Bunun nedeni, ayda saçılmaya neden olacak atmosferin bulunmamasıdır. Rastgele Saçılma 24 4

5 Saçılma Türleri Rastgele Saçılma: Yayılan enerji, dalga boyundan daha büyük partiküllerle karşılaştığında meydana gelen bir dağılma tipidir. Su damlaları ve büyük toz parçaları bu tip dağılmaya neden olmaktadır. Dalga boyları takriben eşit olarak dağıldıklarından sis ve bulutlara sebep olurlar. Mavi, yeşil ve kırmızı ışığın eşit miktarda dağılması ve bunların birleşimi sonucunda beyaz renk oluştuğundan bulutlar ve sis, beyaz renkte görünmektedir. Yutulma Saçılmanın aksine yutulma, enerjinin yeryüzüne ulaşmadan atmosferde depolanmasına, bir bakıma kayıp olmasına neden olur. Yutulma sonucunda, ortama giren büyük frekanslı bir enerji daha küçük frekanslı bir enerjiye dönüştürülür, örneğin ışık sıcaklığa dönüşür. Güneş ışınımının en fazla yutulduğu ortamlar su buharı, karbondioksit ve ozondur. Rastgele Saçılma Yutulma Atmosfer (78%), O 2 (21%), CO 2, H 2 O, CO, SO 2, vb. bileşenlerden oluşmuştur. Kimyasal elementler farklı spektral özelliklere sahiptir, yine objelerin yapısal özelliklerine göre farklı yoğunluklara da sahiptirler. Sonuç olarak atmosfer çeşitli atmosferik gazların atmosferde farklı yutulma özellikleri söz konusudur. H 2 O atmosferde çok değişkendir. CO 2 ise mevsimsel olarak değişir. Bundan dolayı H 2 O ve CO 2 nin yutulma oranının belirlenmesi çok güçtür. Geçirgenlik Atmosferde saçılan ve yutulan enerjinin bir kısmı da geçirilir. Geçirgenlik oransal olarak; Geçirgenlik = Geçirilen Enerji / Gelen Enerji şeklinde hesaplanır Atmosferik Pencereler Atmosferik pencereler atmosferin kısmi olarak geçirebildiği enerjinin dalga boyu genişlikleridir. Uzaktan algılamada atmosferdeki yutulma nedeni ile sadece belirli dalga boylarında algılama yapılabilir. Bu nedenle tasarımcılar, algılayıcıları, söz konusu kısıtlamaları göz önünde bulundurarak tasarlarlar. Elektromanyetik Spektrum ve Atmosferik Pencereler Algılayıcı Belirleme Uzaktan algılamada ışınım kaynağı, atmosfer etkisi ve algılayıcının duyarlığı birbirini bütünleyen öğelerdir. Bu nedenle belirli bir iş için algılayıcı seçerken; 1. algılanmak istenen spektral bölgede atmosferin geçirgenliği, 2. algılama yapılacak enerjinin kaynağı,şiddeti ve spektral bileşimi 3. incelenecek özelliklere algılanan enerjinin etkisi 29 göz önüne alınmalıdır. 30 5

6 Spektral Etkileşim Cisimler ile Etkileşim 31 Cisimler ile Etkileşim Atmosferin bileşiklerinin izin verdiği atmosferik pencereden geçen güneş enerjisi yeryüzü cisimlerine ulaşır ve bu cisimlerin fiziksel özelliklerine göre, yansıtılır (reflected-e R ), yutulur (absorbed-e A ) ve geçirilir (transmitted-e T ). Enerjinin kaybolmayıp, ancak şekil değiştireceği göz önüne alınarak cisme gelen toplam enerji, cisim yüzeyi tarafından yansıtılan, cisim tarafından geçirilen ve yutulan enerjilerin toplamına eşittir. 32 Cisimler ile Etkileşim Yansıtılma (Ya): Toplam enerjinin bir kısmı hedeften geri yansıtılır ve ışının geliş açısı ve yüzey pürüzlülüğüne bağlı olarak farklı açılarda saçılır. Yutulma (Yu): Hedefe gelen toplam enerjiden bir kısmı ortamdaki elektron ve moleküler reaksiyonlar nedeniyle yutulur, bu enerjinin bir kısmı genellikle uzun dalga boylarında geri yayılır, diğer bir kısmı da yutularak hedefin ısısını arttırır. Geçirilme (Yi): Toplam enerjinin bir kısmı su gibi bazı maddelere nüfuz edebilir, madde saydam ve bir boyutu ince ise bir kısmı maddeden geçerek diğer ortama iletilir. Cisimler ile Etkileşim Spektral Yansıma Bir malzeme için yansıyan, soğurulan, veya geçirilen ışınım miktarları dalga boyuna bağlı olarak değişir. Bu önemli özellik sayesinde farklı nesneleri yada sınıfları ayırt etmek olanaklıdır. Spektral Yansıma (Katsayısı) =(Cisimden yansıyan enj./cisme gelen enj.).100 Her cisim yansıtma bakımından farklı bir davranış gösterir. Bu davranış spektral yansıtma eğrisi denilen bir eğri ile gösterilir. Eğri, dalga boyuna bağlı olarak yüzeyden yansıyan ışınımın yüzeye gelen toplam ışınımın yüzdesini ifade eder. Spektral yansıtma katsayısı ölçülerek cisimlerin spektral yansıtma eğrileri çizilebilir. Farklı arazi örtü tiplerine ait spektral yansıtma eğrileri Farklı arazi örtü tiplerine ait spektral yansıtma eğrileri

7 Spektral Yansıma Spektral yansıtma eğrileri, uzaktan algılamada çalışılacak bölgenin ve kullanılacak algılayıcının seçiminde yararlanılır. Spektral yansıtma özellikleri belirli spektral bölgelerde açık bir şekilde farklılık gösteren cisimler bu bölgelere duyarlı uzaktan algılama görüntülerinde farklı gri renk tonu ve renklerde gözükürler. Bu bakımdan cisimlere ait spektral yansıtma özelliklerinin bilinmesi, gerekli bir dalga uzunluğu bölgesinin (kanal) seçiminde önemli rol oynar. Farklı arazi örtü tiplerine ait spektral yansıtma eğrileri 37 7