Uzaktan Algılama (JDF439) Çözünürlük kavramı Yrd. Doç. Dr. Saygın ABDİKAN (Grup B) 2016-2017 Öğretim Yılı Güz Dönemi 1
YANSIMA Doğada her nesne farklı yansıma özelliklerine sahiptir 2
Sağlıklı bitki örtüsünün idealleştirilmiş spektral yansıtma eğrisi 3
4
Kısa dalga kızıl ötesi bölgede yansıtım, su miktarına ve buna bağlantılı olarak da yaprak kalınlığına bağlıdır. Kanopi geometrisi, yaprakların geçirimi, yaprak tabakalarının sayısı, bitki üzerindeki yaprakların dizilimi ve arka plandaki yapının karakteri (toprak, yaprak, vb.) yansıtımı etkileyen faktörlerdir. 5
Isıl kızılötesi bölgede ise bitki örtüsü kanopisinin sıcaklığı, geniş yüzey alanına ve yüksek terleme oranına bağlı olarak değişir. Toprak sıcaklığı, algılayıcı açısı, bitki örtüsü tipi ve bitki örtüsünün su içeriği dikkate alınır 6
YANSIMA Toprak Yansıtım artan dalga boyuna bağlı olarak artış gösterir Toprağın yansıtma özelliği Su içeriğine Minarellerin cins ve miktarına Doku ve yüzey pürüzlülüğüne Organik madde içeriğine Doku tipi, içindeki kil, silt ve kum taneciklerinin farklı oranlarına göre belirlenir. Toprak tanecik boyutu küçüldükçe diğer faktörler sabitse toprak yüzeyi daha yumuşak olur ve gelen enerjinin daha büyük bir kısmı yansıtılır. 7
YANSIMA Su Bitki örtüsü ve topraktan farklı olarak suya gelen ışınımın büyük çoğunluğu yutulur ve iletilir Görünür bölgede enerjinin ~%5 i yansıtılır, büyük bir kısmı geçiririlir Yakın kızılötesi ve orta kızıl ötesinde güçlü yutulmaya sahiptir Su kütlesinin yansıtımını etkileyen faktörler su derinliği, içerisindeki materyaller, suyun yüzey pürüzlülüğü Sığ su kütlelerinde yansıtım su taban yapısının yansıtım özelliklerinden de etkilenir Organik olmayan maddeler saçılmayı ve yansıtmayı arttırıcı özelliğe sahiptir 8
Görünür bölgede, organik olmayan cisimler saçılmayı ve yansımayı arttırıcı özelliğe sahiptir. 9
UZAKTAN ALGILAMA VERİNİN ELDE EDİLMESİ AKTİF VE PASİF UZAKTAN ALGILAMA Görüntüleme sistemleri pasif veya aktif sistemler olabilir. (1) Pasif Sistemler: Pasif sistemler yeryüzünün doğal yayılım enerjisi veya güneş enerjisinin yansıtımını algılayan optik, ısıl ve mikrodalga algılayıcılardır. (2) Aktif Sistemler: Aktif Sistemler kendi enerji kaynaklarını kullanırlar. Hedefe ürettikleri elektromanyetik dalga sinyallerini yollar ve hedeften saçılan enerjiyi algılarlar. 10
WHISKBROOM SCANNING PUSHBROOM SCANNING http://ces.iisc.ernet.in/hpg/envis/remote/introfile9.htm 11
Kullanılan platforma göre Yer-bazlı algılama sistemleri (50m ye kadar olan yer, araç, kule) Uçak-bazlı algılama sistemleri (50km ye kadar uçak, helikopter, yüksek irtifa uçakları, balon) Uydu-bazlı algılama sistemleri (100km-36000km roket, uydu, mekik) Uzay mekiği:250-300km Uzay istasyonu:300-400km Alçak yörüngeli uydu:500-2000km Yüksek yörüngeli uydu:~36000km 12
13
Uydu sistemleri Genel anlamda herhangi bir cisim etrafında (örn. Galaksi, Güneş) dönen cisimlere uydu denilmektedir. Yapay uydular Platform ve Tarayıcılardan oluşurlar İnsanlı uydular : Mercury, Gemini, Apollo, Uzay mekiği (space shuttle), MIR uzay aracı İnsansız Uydular:Haberleşme uyduları, Konum belirleme ( GPS) uyduları,yeryüzünü inceleme uyduları ( casus, meteoroloji, ölçme) 14
15
Ekvatoral yörüngeye sahip uydular: Yörüngeleri ekvator düzlemi içinde kalan uydu sistemleridir Kutupsal yörüngeye sahip uydular: Yörüngeleri Dünya nın kutupsal eksenini içine alan düzlemde kalan uydu sistemleridir 16
Kutupsal Yörüngeli Uydular 17
Y.O. Ouma / Advances in Space Research 57 (2016) 110 126 18
Sayısal Görüntü Piksel görüntüyü oluşturan en küçük anlamlı eleman koordinatı ve her bir piksel alanına karşılık gelen gri değeri vardır (DN) matris olarak ifade edilir y 0 gij 255 x
20
Bu da obje tarafından yayılan enerjinin (analog sinyal) bir algılayıcı tarafından öngörülen elektromanyetik aralıkta algılanarak sayısal sinyal haline dönüştürülmesi ile olanaklıdır. Analogdan dijitale dönüştürülmüş sinyallerin işlenmesine dijital sinyal işleme, dijital sinyalden elde edilen görüntülerin işlenmeşine dijital görüntü işleme denilir. 21
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Görüntü türleri
23
GÖRÜNTÜ KARAKTERİSTİKLERİ Histogram Diğer bir ifade ile histogramın sol tarafı koyu renk tonuna, orta bölgeler orta gri renk tonuna ve sağ tarafı ise açık renk tonuna sahip pikselleri göstermektedir. Görüntü histogramına bakılarak öncelikle görüntüdeki tonal dağılım hakkında bir fikir edinilir ve görüntünün görsel kalitesinin arttırılması için gerekli görüntü işleme adımları belirlenir
Farklı görüntüler aynı histograma sahip olabilir çünkü Histogramla piksel değerlerinin dağılımını gösterir, mekansal dağılımı göstermez. 25
GÖRÜNTÜ KARAKTERİSTİKLERİ Histogram 3 bitlik 4 bantlı yapay bir dijital uydu görüntüsünde, Bant 1 in frekans dağılımı ve histogram grafiği
ÇÖZÜNÜRLÜK Birçok uzaktan algılama algılayıcısı, verileri uzaktan algılamada geçerli olan temel prensiplere bağlı olarak algılamış olsa da, sonuç görüntüsünün formatı ve kalitesi çok farklılık gösterebilir. Bu farklılıklar dört farklı uydu çözünürlüğü ile ilişkilidir. Mekansal/Konumsal/Geometrik (Spatial resolution) Radyometrik Spektral Zamansal
Çözünürlük Geometrik/Mekansal Mekânsal çözünürlük görüntüde ayırt edilebilir detay seviyesini gösteren bir özelliktir. Diğer bir ifade ile bir uydu görüntüsünde görünen detaylar algılayıcının mekânsalçözünürlüğüne bağlı olup, bu değer görüntünün en küçük elemanı olan bir pikselin yeryüzündeki kapladığı alana karşılık gelmektedir. Örneğin NOAA uydusundaki AVHRR algılayıcısı1kmx1km SPOT pankromatik (P) görüntüsünde ise bir piksel ise10m x 10m lik IKONOS -Pan - 1mx1m
Yeryüzünde algılanan minimum alan görüntünün maksimum mekânsal çözünürlüğüne eşit olup bu alan, algılayıcının platform yüksekliğine ve Anlık Görüş Alanı (IFOV) ile ifade edilen gözleme açısına bağlı olarak belirlenir. Daha küçük gözleme açısı veya daha alçak uydu yüksekliği daha küçük IFOV a neden olur. Gözleme doğrultusunun nadir doğrultuda veya eğik algılama olması durumu da yerde kaplanan alana etki etmektedir.
GSD = Ground Sample Distance (Yer örnekleme aralığı) Komşu piksellerin merkezlerinin yeryüzündeki fiziksel karşılığıdır. GSD büyükse mekansal çözünürlük küçüktür, detaylar daha az görünür. 30
Çözünürlük Geometrik/Mekansal Bir görüntünün /geometrik/uzaysal/mekansal çözünürlüğü (spatial resolution), ilgili görüntünün 1 pikselinin fiziksel büyüklüğüne eşittir. Kısaca çözünürlük, bir görüntünün detaylanabilir en küçük parçasıdır.
Uzaysal / Mekansal çözünürlük Whiskbroom tarayıcılar için bu durum mekânsal çözünürlüğün görüntü merkezinden kenarlara doğru değişmesine neden olmaktadır Pushbroom tipi tarayıcı sistemler için; Yer çözünürlük elemanı = Uydu yüksekliği (H) Anlık görüş alanı (IFOV) olarak belirlenir, burada IFOV, radyan cinsinden ölçülmektedir.
Mekânsal çözünürlük açısından uydu görüntüleme sistemleri: Düşük mekânsal çözünürlüklü sistemler (30 - >1 km) Orta mekânsal çözünürlüklü sistemler (4 m - 30 m) Yüksek mekânsal çözünürlüklü sistemler (0.5 m - 4 m) olarak gruplandırılmaktadır.
35
36
Yüksek ve düşük mekânsal çözünürlüğe sahip dijital görüntülerdeki temel avantaj ve dezavantajlar
38
39
40
LAC: Lokal Kapsama Alan, GAC: Global Kapsama Alan 41
MODIS Terra.721 42
43
44
30m x 30m Landsat ve 20m x 20m SPOT uyduları 450 hektar lık alanı kaç piksel ile kaplarlar? 450x10000=4500000m 2 30x30=900m 2 4500000/900= 5000piksel 450x10000=4500000m 2 20x20=400m 2 4500000/400= 11250 piksel 45
UYDU SİSTEMLERİ Görüntülerin Özellikleri Spektral Ayırma Gücü Nesnelerin ve arazi türlerinin uzaktan algılama yolu ile ayırt edilebilmelerinin en önemli nedeni spektral özelliklerinin değişiklik göstermesidir. Algılayıcılar bu değişimleri fark edecek şekilde tasarlanır Her spektral aralık elektromanyetik spektrumun bir bölgesine duyarlıdır Spektral dalga boyu genişliği: Bir algılayıcının, elektromanyetik spektrumda kaydedebildiği spesifik dalga boyu aralığıdır. Algılama yapılan bant sayısı: Bant sayısı arttıkça spektral çözünürlük de artmaktadır.
Genel olarak spektral çözünürlüğe bağlı olarak algılayıcı sistemler; geniş-bant aralıklı, dar-bant aralıklı, spektral, hiperspektral algılayıcılar olarak gruplandırılırlar.
ÇokSpektrumluTarama(WhiskbroomAlgılama) eryerhücresinin,görüntüeldeedilmesüresi,verilenanlıkgörüşalanında(ifov)çokkısa olmalıdır.çünkütarananhattespitedilecek olanbirçokyerhücresindenoluşmaktadır.ç okiyibilinenwhiskbroomgörüntüleyicileria VHRR(AdvancedVeryHighResolutionRa diometer),landsatveseawifs tir(sea- ViewingWideField-of-ViewSensor). 48
50
http://www.oneonta.edu/faculty/baumanpr/geosat2/rs%20history%20ii/rs-history-part-2.html
http://all-geo.org/volcan01010/wp-content/uploads/2013/01/multipart.png 52
53
54
RapidEye Özellikleri 400-850 nm aralığında 5 bant İlk red-edge kanalına sahip çok bantlı yüksek çözünürlüklü görüntü 630 km yükseklikte 77 km genişliği tarıyor 5.5 günde bir tekrar veri alabiliyor 6.5 m örnekleme çözünürlüğü 12 bit 55
Red Edge nedir? Red Edge (Kırmızı Kenar) bitki örtüsünün yansıma değerinin ani artış gösterdiği yaptığı elektromanyetik spektrumun 680-740 nm aralığını ifade etmektedir. Bu aralıkta bitki örtüsüne ait iki optik etki söz konusudur: a) spektrumun kırmızı bölgesinde güçlü klorofil yutulmasından dolayı meydana gelen düşük yansıma b) b) yakın kızılötesi bölgede bitki örtüsüne ait yaprakların sebep olduğu yüksek saçılmadan dolayı oluşan yüksek yansıma R. Darvishzadeh, C. Atzberger, A. K. Skidmore & A. A. Abkar (2009): Leaf Area Index derivation from hyperspectral vegetation indices and the red edge position, International Journal of Remote Sensing, 30:23, 6199-6218 56
Red Edge (Yansıtım Özellikleri) 57
Worldview-3 spektral bantlar 58
Panchromatic: 450-800 nm 8 Multispectral: (red, red edge, coastal, blue, green, yellow, near-ir1 and near-ir2) 400 nm - 1040 nm 8 SWIR: 1195 nm - 2365 nm 12 CAVIS Bands: (desert clouds, aerosol-1, aerosol-2, aerosol-3, green, water-1, water- 2, water-3, NDVI-SWIR, cirrus, snow) 405 nm - 2245 nm 59
Panchromatic Nadir: 0.31 m GSD at Nadir 0.34 m at 20 Off-Nadir Multispectral Nadir: 1.24 m at Nadir, 1.38 m at 20 Off- Nadir SWIR Nadir: 3.70 m at Nadir, 4.10 m at 20 Off-Nadir (Commercial delivery at 7.5m resolution) CAVIS Nadir: 30.00 m 11-bits per pixel Pan and MS; 14-bits per pixel SWIR 60
Yüksek ve düşük spektral çözünürlüğe sahip dijital görüntülerdeki temel avantaj ve dezavantajlar : Dar bant aralığına sahip bantlar daha fazla spektral detay içerirler, ancak daha az enerjiye diğer bir ifade ile düşük sinyal gücüne sahiptirler. Çok bantlı veri daha fazla bilginin depolanması, iletilmesi ve işlenmesini gerektirir. Ancak daha fazla bant sayısı daha fazla spektral detay içerdiğinden cisimlerin ayırt edilmesinde daha çok kolaylık sağlamaktadır.
62
63
1bit renk derinliğine sahip bir noktacık 2 1 = 2 adet renk alabilir. (siyah ve beyaz) 2 bit renk derinliğine sahip bir noktacık 2 2 = 4 adet renk alabilir. 3 bit renk derinliğine sahip bir noktacık 2 3 = 8 adet renk alabilir. 4 bit renk derinliğine sahip bir noktacık 2 4 = 16 adet renk alabilir. 6 bit renk derinliğine sahip bir noktacık 2 6 = 64 adet renk alabilir. 7 bit renk derinliğine sahip bir noktacık 2 7 = 128 adet renk alabilir. 8 bit renk derinliğine sahip bir noktacık 2 8 = 256 adet renk alabilir. 11 bit renk derinliğine sahip bir noktacık 2 11 = 4.096 adet renk alabilir. 16 bit renk derinliğine sahip bir noktacık 2 16 = 65.536 adet renk alabilir. 24 bit renk derinliğine sahip bir noktacık 22 4 = 16.777.216 adet renk alabilir. (yaklaşık 16.7 milyon) 32 bit renk derinliğine sahip bir noktacık 2 32 = 4.292.967.296 adet renk alabilir. (yaklaşık 4.3 milyar) 64
UYDU SİSTEMLERİ-Görüntülerin Özellikleri Radyometrik çözünürlük bir görüntü dosyasının boyutunu (depolama alanını) da hesaplamada kullanılır. Örneğin 100 x 100 pikselden oluşan 8bit lik bir görüntünün kapladığı alan; Dosya boyutu = Görüntü boyutu (satır * sütun) Radyometrik çözünürlük (bit) = 100 100 8 = 80 000 bit veya 10 000 bayt dır.
UYDU SİSTEMLERİ-Görüntülerin Özellikleri Zamansal Ayırma Gücü Uydunun aynı bölgeden arka arkaya geçişi arasındaki süre Bu ise uydudan uyduya farklılık göstermektedir, diğer bir ifade ile bazı uydu sistemleri birkaç saatte, bazıları ise birkaç gün sonra aynı bölgeden algılama yapabilmektedir. LANDSAT-TM uydusu 16 günde NOAA/AVHRR günde 2 kez Bazı uygulamalar için görüntülerin alınma aralığı önem taşır Tarım alanlarının izlenmesinde : Gün Kent alanlarının büyümesinin izlenmesinde : Yıl
UYDU SİSTEMLERİ-Görüntülerin Özellikleri Zamansal çözünürlük, tek bir görüntü yerine aynı algılayıcının zaman içerisinde algıladığı seri görüntüleri belirttiğinden özellikle değişim saptama uygulamaları için çok önemlidir. Zamansal çözünürlük özellikle; yeryüzünün belirli bölgeleri için (örn. tropik bölgeler) bulutsuz görüntü alma olanağının sınırlı olması durumunda, insan ve/veya doğal kaynaklı afet olaylarının (sel baskını, gemilerden yağ tabakası deşarjı, vb.) izlenmesinde, çok-zamanlı görüntülerin karşılaştırılmalarını (örn. böcek istilası durumunda zarar gören orman kaynaklarının yıldan yıla izlenmesi ve yayılımının belirlenmesi)gerektiren uygulamalarda, dinamik özelliğe sahip arazi örtü sınırlarının (örn. buğday ürünü gelişiminin izlenmesi) zaman içindeki gelişiminin izlenmesinde oldukça kritik bir faktör olduğundan, uzaktan algılama uygulamalarında kullanılacak algılayıcı seçiminde büyük önem taşımaktadır.
Zamansal çözünürlük-şehirleşme IKONOS 2002 2008 http://www.mdpi.com/2072-4292/6/7/5976/htm 68
Zamansal çözünürlük- Orman alanları 69
Zamansal çözünürlük- Doğal afet izleme 22/06/2010 14/10/2012 http://www.mdpi.com/2072-4292/7/8/10347/htm 70
Zamansal çözünürlük- Arazi kullanımı http://www.tylerkaebisch.com/work/ 71
Zamansal çözünürlük- heyelan https://www.gislounge.com/remote-sensing-automating-detection-landslides/ 72