Transcript ppt
TELEDETEKCJA WYBRANYCH ELEMENTÓW INFRASTRUKTURY MIEJSKIEJ NA ZOBRAZOWANIACH SATELITANYCH Małgorzata Jenerowicz Wojskowa Akademia Techniczna Kierownik pracy: Dr hab. inż. Wiesław Dębski CEL PRACY: Analiza Technicznych Środków Obrazowania obszarów miejskich w zakresie systemów satelitarnych Organizacja informacji pozyskanych na drodze teledetekcji, określenie oraz zapewnienie przydatności danego zobrazowania. Praktyczne wykazanie przydatności zobrazowań satelitarnych Landsat TM, w wykrywaniu zmian zaistniałych w obrębie obszaru miejskiego Charakterystyka systemów satelitarnych w świetle obrazowań obszarów miejskich: QuickBird 2 USA 2002 LANDSAT 7 USA 1999 Wymiar piksela 0.61m w nadirze (PAN) 2.44m w nadirze (MS) 15m (PAN) 30m (ETM +) 60m (TIR) Rozdzielczość spektralna 0.45-0.90 PAN 0.45-0.52 B 0.52-0.60 G 0.63-0.69 R 0.76-0.90 NIR ETM + 0.50-0.90 PAN 0.76-0.90 NIR 0.45–0.52 B 1.55-1.75 MIR 0.52-0.60 G 10.4-12.5 TIR 0.63-0.69 R 2.08-2.35 MIR Rozdzielczość czasowa 1 – 3.5 dni 16 dni Rozdzielczość radiometryczna 11 bitów 8 bitów Wysokość i rodzaj orbity 450 km, heliosynchroniczna 705 km, heliosynchroniczna Szerokość pasa zobrazowania 16.5 km 185 km Pojęcie rozdzielczości: ZMIENNOŚĆ W CZASIE ROZDZIELCZOŚĆ CZASOWA CHARAKTERYSTYCZNE POKRYCIE TERENU ROZDZIELCZOŚĆ SPEKTRALNA GEOMETRIA I POŁOŻENIE ROZDZIELCZOŚĆ PRZESTRZENNA 107 min 15 y 10 y 106 min S 3 S1 5y 4y 3y 2y B1 1y 180 d Resurs DK1 Pan 1X1 MSS 2.5÷3.5 105min IRS-1 AB LISS-1 72.5x72.5 LISS-2 36.25x36.25 T1,U1 DE1, E2 T2,U2,U3 S 2 SPOT HRV 4 Pan 10x10 XS 20x20 SPOT 5 HRG (2001; not shown) Pan 2.5x2.5; 5x5 JERS-1 MSS 10x10; SWIR 20x20 MSS 18x24 SPIN L-band 15x18 KVR-1000 2x2 ERS-1,2 TK-350 10x10 C-band 30x30 44 EROS B 44 Pan 0.7X0.7 d 30 d30 Quickbird 2 dd Pan 0.62x0.62 16 MSS 2.48x2.48 IRS P5 d26 Pan 2.5X2.5 9 dd TES, IRS Cartosat 2 4min Pan 1X1 1016 EROS A1 5 dd Pan 1.8X1.8 4d IKONOS 2 3d 2d 80 0 50 0 30 0 20 0 DE2 12 h LANDSAT 4.5 Pan 30X30 MSS 80X80 TIR 120X120 LANDSAT 7 ETM+ Pan 15x15 MSS 30x30 TIR 60x60 ASTER EOS Terra VNIR 15X15 m SWIR 30X30 m TIR 90x90 m Pan 0.82X0.82 MSS 3.24X3.24 DE3 DE4 1d 103min IRS-1 CD Pan 5.8x5.8 IRS P6 LISS-3 Pan 5.8x5.8 23.5x23.5;MIR LISS-3 23.5x23.5; AWIFS 56÷70 70x70 WIFS 188x188 Formosat 2 M5 Pan 2X2 MSS 8X8 ORBITIMAGE OrbView 2 Pan 1 x 1 MSS 4 x 4 100 min 80 50 30 20 10 8 1h Digital Frame Photography and Traditional Aerial Photography 0.25x0.25 m (0.82x0.82ft) 1x1m (3.28x3.28ft) min T3 5 3 2 1m 0.2 0.3 0.5 0.8 10m 2 3 5 8 100m 15 20 30 50 80 1km 200 300 500 800 5km 2*103 3*103 10km 8*103 B1 - Obwód budynku, obszar, objętość, wysokość, informacje katastralne ( granice ) T1 - Główne osie drogi T2 - Dokładna szerokość drogi T3 - Badanie natężenia ruchu (samochody, samoloty, itp.) U1 - Sporządzanie map głównych linii (napowietrznych, podziemnych itp.) U2 - Dokładna szerokość linii, pierwszeństwo przebiegu linii U3 - Usytuowanie słupów, włazów, podstacji S1 - Szacowanie miejscowej populacji S2 - Szacowanie populacji regionu/krajowej S3 - Wskaźniki jakości życia E2 - Badania izolacji budynków M5 - Monitorowanie ciepłych obszarów w miastach DE 1 - Zobrazowania sprzed katastrofy DE 2 - Zobrazowania po katastrofie DE 3 - Stopień uszkodzenia zabudowań DE 4 - Stopień uszkodzenia ciągów komunikacyjnych Dziś… Możliwość pokrycia obszaru jednym zobrazowaniem Zachowanie stałych warunków oświetleniowych Periodyczność wykonania, a co za tym idzie, aktualność Możliwość wykonania zobrazowań w rejonach gdzie misja lotnicza byłaby niemożliwa ze względów technicznych i politycznych Możliwość monitorowania w czasie Sprawna dystrybucja, skrócony czas oczekiwania Klimat miejski – celowość zastosowania zobrazowań satelitarnych: Mapowanie obszarów niekorzystnych klimatycznie w obrębie miasta Klimat miejski – celowość zastosowania zobrazowań satelitarnych: Jutro… Zwiększenie ilości misji Dążenie do pozyskania obrazu w szerokim pasie terenu w możliwie dobrej rozdzielczości przestrzennej Rozwój i popularyzacja małych satelitów Prace nad umieszczeniem satelitów o średniej i wysokiej rozdzielczości na orbicie geostacjonarnej Budowa i operowanie pikselem o wymiarze 0,5m Lata 2012 – 2020: wzrost rozdzielczości systemów obrazujących (10 cm dla zakresów optycznych i do 0,5m dla systemów radarowych) 2 Organizacja informacji pozyskanych na drodze teledetekcji CHARAKTERYSTYKA PRZYDATNOŚCI ZOBRAZOWAŃ TELEDETEKCYJNYCH POZYSKANYCH OD RÓŻNYCH SENSORÓW - SYSTEM NIIRS ORGANIZACJA DANYCH ZA POMOCĄ SCHEMATU KLASYFIKACJI - USGS - U.S. Geological Survey Classification Standard - LBCS - Land-Based Classification Standard 2 NIIRS: NIIRS składa się z 10 poziomów, stopniowanych od 0 do 9 Każdy poziom posiada kilka kryteriów, które wskazują ilość informacji możliwych do wydobycia z obrazu w danym poziomie interpretacyjnym. Np.: POZIOM 1: Wyróżnia główne kategorie użytkowania terenu (np. teren miejski, rolniczy, leśny, wodny, nieużytki); wykrywa średniej wielkości porty; odróżnia pasy startowe i pasy kołowania na dużym lotnisku; GRD: powyżej 9,00m. Schemat klasyfikacji USGS Atrybuty USGS Poziom pierwszy USGS Poziom drugi USGS Poziom trzeci USGS Poziom czwarty Roz.Czasowa Roz.Przestrzenna 5 - 10 lat 5 -10 lat 3 - 5 lat 1 - 3 lat 20 - 100 m 5 - 20 m 1-5m 0.25 - 1 m Roz.Spektralna V - NIR - MIR -Radar V - NIR - MIR -Radar Pan - V - NIR - MIR Pan 1 Obszary miejskie lub zabudowane 2 Obszary rolnicze 3 Obszary występowania zieleni 4 Obszary zalesione 5 Wody 6 Obszary podmokłe 7 Obszary jałowe 8 Tundra 9 Obszary wiecznie ośnieżone lub oblodzone Schemat klasyfikacji LBCS: Wielowymiarowość (działalność, funkcja, struktura, charakter rozwojowy, własność). PARK ROZRYWKI – PD KALIFORNIA Działalność7000: czas wolny Funkcja5310: zabawa, rozrywka Własność3000: publiczny rejon zgromadzenia Analiza cyfrowa – mapa zmian: Miasto jest strukturą wielce skomplikowaną o szczególnym nasileniu działalności przestrzenno-ekonomicznych i społecznych, wynikających przede wszystkim z realizacji potrzeb życiowych jego mieszkańców, czego wewnętrznym przejawem jest stale przekształcający się fragment przestrzeni, którą zajmuje. Hiszpańskie miasto – Walencja Landsat TM 1988r. oraz 2004 r. Analiza cyfrowa – mapa zmian: Korekcja geometryczna Liczba punktów transformacji: (n 1)( n 2) 2 n – stopień wielomianu w transformacji Metoda resamplingu: Cubic convolution Dokładność transformacji: x1 x 2 2 y1 y 2 2 x1,x2 – współrzędne x na obrazie 1 i 2 y1,y2 – współrzędne y na obrazie 1 i 2 RMS ms (RMS) < ½ piksela (15m) Analiza cyfrowa – mapa zmian: Korekcja radiometryczna Różne terminy rejestracji : różne stany oświetlenia warunki atmosferyczne stan detektorów skanera Erdas Imagine 9.0 : Haze Reduction Destripe TM data Histogram Matching Analiza cyfrowa – mapa zmian: Metoda odejmowania wartości odbicia spektralnego obrazów nieprzetworzonych Metoda odejmowania wartości odbicia spektralnego obrazów przetworzonych Metoda klasyfikacji nadzorowanej Różnicowanie obrazów nieprzetworzonych Na tym etapie zostały utworzone dwa obrazy różnicowe, pierwszy w pełnym zakresie spektralnym kompozycji barwnej false colour (4,3,2), drugi w zakresie podczerwonym. Jedynym pewnym wnioskiem interpretacyjnym takich zobrazowań jest stwierdzenie iż znacznej rozbudowie uległ port miejski oraz teren w kierunku południowym, jednak konkretnej informacji na temat jakiego charakteru są zaistniałe zmiany nie mamy Różnicowanie obrazów przetworzonych PRINCIPAL COMPONENTS ANALYSIS Metoda ta polega na analizie głównych składowych zobrazowań wielospektralnych, które są ze sobą silnie skorelowane. Został stworzony nowy zakres danych, który nie jest skorelowany bądź posiada bardzo niski stopień korelacji. Niemal cały ładunek informacji zawarty jest w czterech pierwszych składowych. W analizie wykorzystujemy składową nr 2 . Jedynym pewnym wnioskiem interpretacyjnym takich zobrazowań jest stwierdzenie iż znacznej rozbudowie uległ port miejski Różnicowanie obrazów przetworzonych WSPÓŁCZYNNIK NDVI Metoda ta jest niezwykle przydatna w analizie rozwoju miejskiego w przypadku gdy zmiany w pokryciu terenu polegają na przejściu z klas roślinnych na klasę zabudowy NDVI ( NIR RED) ( NIR RED) Klasyfikacja nadzorowana Stworzenie pól treningowych poszczególnych kategorii obrazu za pomocą narzędzia Signature Editor programu Erdas Imagine 9.0. Narzędzie to umożliwia wyznaczenie i porównanie parametrów statystycznych charakteryzujących poszczególne klasy (wartość średnia). Dzięki takiej informacji istnieje możliwość oceny zmienności spektralnej dla danych klas. Analiza różnic odbicia dla poszczególnych klas wykazała podobne charakterystyki spektralne dla niektórych kategorii terenów miejskich Rok 1988 Rok 2004 Klasyfikacja nadzorowana Rok 1988 Rok 2004 teren inne (pola, naga ziemia, suche łąki itp.) zabudowa stara zabudowa nowa roślinność Park Narodowy zabudowa stara morze zabudowa nowa zabudowa nowa zabudowa stara obiekty sportowe roślinność Wnioski końcowe: Pojęcie teledetekcji obszarów miejskich nie istnieje bez usystematyzowanego kryterium rozdzielczości. Rozdzielczość czasowa realizowana przez systemy satelitarne (1-3 ÷ 26 dni) jest wystarczająca przy niemalże każdym atrybucie miejskim poza badaniem natężenia ruchu (5-10min), W większości zadań miejskich niezbędna rozdzielczość spektralna to: pasmo VIS i PAN, w pełni zapewniana przez analizowane w pracy systemy średnio- i wysoko- rozdzielcze. Ograniczeniem dla zobrazowań satelitarnych są wymogi związane z rozdzielczością przestrzenną. Najmniejszy terenowy wymiar piksela satelity QuickBird 2 nie ma zastosowania w badaniach związanych ze szczegółową analizą dróg i zabudowy, gdzie górna granica wynosi 0.5m. Schematy organizacji danych pozyskanych na drodze teledetekcji potwierdzają, iż zobrazowania satelitarne nie dostarczają pełnych informacji z zakresu badań obszarów miejskich, ze względu na niewystarczający wymiar piksela obrazowania Przeprowadzone w pracy analizy wykazały przydatność zobrazowań satelitarnych średnio rozdzielczych - Landsat TM, w wykrywaniu zmian oraz mapowaniu terenów niekorzystnych klimatycznie, na obszarach urbanistycznych ze względu na wysoką rozdzielczość spektralną sensora. Atuty systemów satelitarnych, tj. monitorowania w czasie wykonywania danych inwestycji, pokrycie obszaru jednym, ewentualnie kilkoma obrazami oraz aktualność, nie doprowadzą do wyparcia z rynku danych lotniczych, ale powstanie rynek na którym będą się one wzajemnie uzupełniały i wzmacniały. Koniec Dziękuję za uwagę Małgorzata Jenerowicz