Transcript Uzaktan Algılamanın Fizik İlkeleri

UZAKTAN ALGILAMA
FİZİK İLKELERİ
 Ali Kemal Aslan
1302090013
 Arif Yavuz
1302090107
 Gökhan Sekmen
1302090043
 Ç.Tanacan
Özdemir
1302090068
Konu Başlıkları
 Uzaktan Algılamanın Tanımı
 Uzaktan Algılamanın Kuramsal Temelleri
 Wien Yerdeğiştirme Yasası
 Stefan-Boltzmann Yasası
 Planck Yasası
 Elektromanyetik Enerji Tanımı
 Kirchoff Yasası
 Elektromanyetik Radyasyon
 Elektrmanyetik Spektrum
 Ua kısa biçimde ise
telekayıt ya da Dünya’nın
gözlenmesi olarak
tanımlanabilir. Genel
anlamda ise UA çoğunlukla
görüntünün oluşturulması
ile konum olarak durağan
veya hareketli, uzak
mesafelerden yeryüzeyinin
gözlenmesinde kullanılan
yöntemler, teknikler ve
araçların bütünüdür.
 Bugün, yeryüzünün
fiziksel yapısı hakkındaki
pek çok bilgi uzaktan
algılama teknikleri ile
elde edilmektedir.
Veriler ile ya bir görüntü
oluşturabilir ya da daha
sonraki aşamalarda
kullanılmak üzere
depolanabilir.
 Uzaktan Algılamanın Kuramsal
Temelleri
 ELEKTROMAGNETİK ENERJİ
 SİYAH CİSİM: Isıyı tamamen soğuran yada
yayan cisimlere verilen isimdir. Doğadaki tüm
cisimler sıcaklıklarına bağlı olarak ışınım
yaparlar ve ışıma termik ışıma olarak
isimlendirilir. Cismin yaydığı termik ışıma
enerjisi, cismin sıcaklığının fonksiyonu olarak
“Stefan-Boltzmann Yasası” ile açıklanabilir. Bu
yasaya göre ısıtılan cismin ortama yaydığı enerji
Denklem 2.1 ile ifade edilebilir.
 Q= ε σ A t T^4 ................................ 2.1
 Bir cismin birim yüzeyinden yaydığı toplam
ışınım cismin mutlak sıcaklığı ile orantılıdır.
 E = σ T^4 ................................. 2.2
 Burada ε cismin ısıyı yayma yada soğurma yeteneği,
σ; Stefan sabiti (σ=5,67.10-8 W/m2 K4),A; cismin
yüzeyi, T; cismin Kelvin cinsinden mutlak sıcaklığı
ve t; zaman olarak verilmektedir. Cismin yayma sabiti
ε yansıtıcı yüzeyler için 0 değerini alırken, enerjinin
tamamını yayan veya soğuran cisimler için 1 değerine
ulaşır.
 Doğadaki her cisim ışıma enerjisini yaymasının
yanısıra, ışıma enerjisini soğurur. Bu nedenle 2.1
denklemindeki ε sabiti “ısıyı soğurma yada yayma
yeteneği”olarak değerlendirilir. Isıtılan bir cismin
yaydığı enerjinin dalgaboyuna göre değişimini
açıklamak için siyah cisim tanımından yararlanılır.
 Isıtılan bir cismin yaydığı enerjiden elde edilen bilgi,
hangi dalga boyunda ışıma yaptığının bilinmesi
anlamına gelir. Bu kavramın detaylandırılmasında
Stefan-Boltzmann yasası yetersiz kalır. Siyah cisim
ışımasından destek almak gerekir.
 Teorik olarak üzerinde küçük bir delik bulunan içi
boşaltılmış, herhangi bir şekle sahip cisim olarak
değerlendirilen siyah cisimin içine giren ışık, cismin iç
duvarları tarafından ardışık yansımalar sonucu
soğurulur. Eğer kutunun içi aynı sıcaklıkta ise, küçük
delikten dışarıya yayılan ışıma, bu sıcaklığa bağlıdır.
Bu durum, siyah cisim ışımasının elektromagnetik
dalga yayılımı olduğu anlamına gelir. Siyah cisim ile
ışık etkileşimi Şekil 2.1’de gösterilmektedir.
 Deneysel çalışmalar kapsamında incelenen siyah
cisimin farklı sıcaklıklarda ışıma enerjisinin,
yayınlanan ışınımın dalgaboyuna göre nasıl değiştiği
Şekil 2.2’de görülmektedir.
 Her sıcaklıkta ışıma enerjisinin maksimum değeri, faklı
dalgaboylarında oluşmaktadır. Artan sıcaklığa paralel
olarak, ışıma enerjisinin maksimum değerine karşılık gelen
dalgaboyu küçülmektedir. Bu durum Wien yasası olarak
isimlendirilir ve Denklem 2.3 ile ifade edilir.
 Denklem 2.3'deki λmax ışıma enerjisinin maksimum
değerine karşılık gelen dalgaboyu, T ise sıcaklıktır. Bu
eşitlik daha sonra “Wien kayma yasası” olarak
adlandırılmıştır.
 Wien kayma yasası, siyah cisim ışımasının kısa dalgaboyları
için deneysel verilerle uyumlu olmasına rağmen, dalgaboyu
büyüdükçe bu uyumun gerçekleşmediğini ortaya koyar.
Rayleigh ve Jeans, Maxwell kuramından hareketle, kendi
adlarıyla anılan “Rayleigh-Jeans ışıma yasası”nı
bulmuşlardır. Bu yasada, Wien ışıma yasasının tersine,
yalnızca uzun dalgaboyları için doğru sonuç vermekte, kısa
dalgaboylarına gidildikçe yetersiz kalmaktadır.
 Siyah cisim ışımasının maksimum olduğu dalga boyu ise Wien
Yer Değiştirme kanunu ile açıklanmaktadır (Denklen 2.4).
 burada A = Wien yer değiştirme sabiti olup 0,298978
cmK dir. Wien Yer Değiştirme kanununa göre; bir
cisim tarafından yayılan ışınımın şiddeti bütün dalga
boylarında aynı değildir, spektrumun belirli bir
noktasında maksimumdur ve bu noktanın yeri cismin
sıcaklığına bağlıdır.
 Stefan-Boltzmann yasası ışımanın sıcaklığın dördüncü
kuvvetiyle değiştiğini gösterir. Wien yasası, şiddetin
maksimum değerine karşılık bir dalgaboyu
bulunabileceğini öne sürer. Rayleigh-Jeans yasası ise
büyük dalgaboylu ışımalar için anlamlıdır. Planck’ın
bulgularına göre maddenin ışıma enerjisini yayması
ve soğurması düşünüldüğü gibi sürekli olmayıp,
kesikli değerler de alabilir. Bu düşünceye paralel
olarak Planck, siyah cisim ışımasının dağılımını
çıkardı ve enerji dağılım fonksiyonunu Denklem
2.5’deki gibi belirledi.
 Denklem 2.5'te verilen c ışık hızı, k= 1.38x10-23 j/K Boltzmann
sabiti, T sıcaklık ve h ise Planck sabitidir. Burada, Eν,ν ile ν+dν
frekans aralığındaki çok küçük frekansa karşılık gelen,
soğurulan veya yayılan ışıma enerjisi olarak verilmektedir.
Siyah cisim de mümkün bütün frekanslarda ışığı soğurduğu
veya yaydığına göre, soğurulan veya yayılan toplam ışıma
enerjisi hν bir birim enerjinin tam katlarına eşittir. Bu durumda
Siyah cisim tarafından soğurulan veya yayılan enerji Denklem
2.6’deki gibi sadeleştirilebilir.
 Verilen n = 1, 2, 3 ... gibi tamsayılardır. Planck’ın ileri
sürdüğü termik ışıma yapan bir cismin yaydığı
enerjinin kesikli değerlere sahip olması, ışımanın
veya ışığın tanecikli yapıya sahip olduğunu ortaya
koyan deneylerden biri olarak kabul edilir.
 Siyah cisim için geçerli olan yukarıdaki bağıntıları
yeryüzü materyalleriyle ilişkilendirmek için yayım (e)
parametresi kullanılır. Yayım, ideal siyah cisim için
1’e eşit olup (e=1), diğer cisimler (gri cisim) için 0 ve
1 arasındadır (0<e<1). Siyah cisim (veya yüzey)
teorik olarak tanımlanan ideal bir ışınım yayıcısı ve
yutucusudur. Belirli bir sıcaklık ve dalga boyunda
hiçbir yüzey siyah cisimden daha fazla enerji yaymaz.
 Stefan – Boltzmann kanunu:
 Bir siyah cismin yayım gücü sadece onun
sıcaklıgına baglı olup termodinamigin ikinci
kanunu, yayım gücü ile salt sıcaklıgın
dördüncü kuvveti arasında bir orantılıgı
ispatlamada kullanılabilir.
 Stefan-Boltzman kanunu bir kara cismin
oluşturduğu toplam enerji ile ilgilidr (Planck ve
Wien kanunları ise dalga boyları ile ilgilidir)

Bu kanuna göme, bir kara cismin birim
yüzeyinden saldığı toplam ışınım (yani bütün
dalga boylarındaki ışınımın toplamı) onun
mutlak sıcaklığı ile orantılıdır. Yani kara cismin
yüzeyinin 1 cm2 lik kısmının 1 saniyede saldığı
toplam enerji miktarı bu cismin sıcaklığının 4.
kuvvetiyle orantılıdır.

 PLANCK YASASI
 "Planck ışınım yasası"nı buldu..
 Planck'ın uzmanlık alanı, termodinamik teori diye bilinen ısı
bilimiydi. Işık radyasyonu üzerinde çalışırken Planck bir
sorunla karşılaşır. Klasik fiziğin, "Enerjinin Eşit-bölünme
Teoremi"ne göre kor halindeki bir cisimden salınan
radyasyonun, hemen tümüyle, dalga uzunluğu olası en kısa
dalgalardan ibaret olması gerekiyordu. Bu, küçük bir ısının
bile son derece parlak bir ışık vermesi demekti. Öyle ki,
vücut ısımızın bizi bir ampul gibi aydınlatması beklenirdi.
Radyasyon enerjisi sürekli bir akış olarak varsayıldığından,
spektrumun kısa dalga (yüksek frekans) kesiminin
alabildiğine geniş olması, hatta sınırsız uzaması gerekirdi.
 Başka bir deyişle dalga uzunluğunun giderek kısalmasıyla
enerjinin sonsuza doğru artması söz konusuydu. Fizikçiler
bu beklentiyi mor ötesi facia diye niteliyorlardı. Oysa, deney
sonuçları spektrumda çok değişik bir enerji dağılımı ortaya
koymaktaydı. Bir kez deney, hiçbir maddenin, ne denli akkor
haline getirilirse getirilsin, sonsuz enerji salacağını
kanıtlamıyordu. Sonra çıkan enerjinin büyük bir bölümünün
orta dalga uzunluktaki kesimde olduğu görülüyordu.
 Yerleşik kuram ile deney sonuçları arasındaki tutarsızlık
gözden kaçmayacak kadar açıktı. Sorun deneysel verilere
dayalı hesaplamalarda bir hatadan kaynaklanmıyor idiyse,
yerleşik kuramın yetersizliği söz konusu olmalıydı.
 Planck'ın yetkin örnek olarak aldığı kara-cisim üzerinde
yürüttüğü kuramsal çalışması 1900'de yayımlanır.
Çalışmanın dayandığı temel düşünce şuydu: Madde her biri
kendine özgü titreşim frekansına sahip ve bu frekansla
radyasyon salan vibratörlerden ibarettir. Gerçi bu
düşüncenin yürürlükteki kurama ters düşen yanı yoktu: Ne
var ki, Planck aynı zamanda vibratörlerin enerjiyi sürekli bir
akıntı olarak değil, bir dizi kesik fışkırmalarla saldığı
görüşünü de ileri sürmekteydi. Bu demekti ki, belli bir
frekanstaki bir osilatörün saldığı veya aldığı enerji ancak
tam birimler biçimde olabilir; birim kesirleriyle olamazdı.
1900 yılında Kuantum Mekanigini keşfetmiştir. Planck'ın
çözüm arayışında başvurduğu istatistiksel yöntemin de,
inceleme konusu ilişkilerin sayılabilir olmasını gerektirmesi,
radyasyon enerjisinin bireysel bölümlerden oluştuğu
varsayımını kaçınılmaz kılıyordu.
 Çözümüne deneysel verileri matematiksel olarak dile getiren
masum bir formül gözüyle bakıyordu. Oysa, "kuvantum"
dediği bir enerji paketi ile bir dalga frekansı arasındaki
ilişkiyi belirleyen denklemi E=h.V bilimde yeni bir devrimin
temel taşıydı [Denklemde E enerjiyi, ν radyasyon frekansını,
h ise Planck sabiti denen sayıyı
 göstermektedir]. Buna göre, bir enerji kuvantumu, dalga
frekansıyla Planck değişmezinin çarpımına eşittir (ışık hızı
gibi doğanın temel değişmezlerinden sayılan h, herhangi bir
radyasyon enerji miktarının dalga frekansına orantısını
simgelemektedir).
Uzaktan algılama ; Yeryüzünün
jeolojik,hidrolojik,topoğrafik vb
özelliklerinin ölçüm ve yorum
yöntemleri ile uzaktan
saptanmasıdır.Uzaktan algılama
ölçme ve yöntemleri;jeoloji ve
maden araştırmalarının daha
ekonomik ,kapsamlı ve hızlı
yapılabilmesini sağlar.
Uzaktan algılama sistemlerinde ,geometrik
bağıntılar ve sistemin yöneltme parametreleri
,zamanın fonksiyonu olarak tanımlanabiliyorsa
,aktif ve pasif algılayıcıların perspektif
izdüşüm denklemleri kurulabilir.
 Aktif Algılayıcılar:Elektromanyetik radyasyon
yayarak uzaktan algılama yapan sistemlerdir.
 Pasif Algılayıcılar:Görünür ışık radyasyonu
kullanılan resim algılama sistemleri veya
yeryüzünden yansıyan ,yayınan radyasyonu
kullanan sistemlerdir.
Elektromanyetik Enerji
Uzaktan algılama terimi, hedef
karakteristiklerinin saptanması ve ölçülmesi
amacına yönelik olarak ışık, ısı ve radyo
dalgaları gibi elektromanyetik enerjiyi
kullanan metotlara işaret eder
Elektromanyetik ışınım şu fiziksel olayların etkisinde
kalır:
a)Işınım geçirilir. b)Işınım yutulur.
c)Işınım neşredilir.
d)Işınım saçılır.
e)Işınım yansıtılır.
Cisim ve enerji arasındaki bu ilişkiler uzaktan
algılamanın temelini oluşturur
Elektromagnetik enerji c ışık hızı ile harmonik
dalgalar şeklinde hareket eden tüm enerji şekillerini kapsar.
Harmoniklik dalgalar: eşit ve periyodik bir şekilde
Bir dalga hareketinin iki tepe noktası arasındaki uzaklığına λ
dalga uzunluğu birim zamanda bir noktadan geçen tepe
noktası sayısına ise dalganın f frekansı denir.
Elektromanyetik Enerji
Elektromanyetik enerji, harmonik dalga modelinde ışık
hızıyla hareket eden tüm enerjileri tanımlamaktadır.
Bir harmonik model zaman içinde eşit aralıklarla
meydana gelen dalgaları içermektedir.
Dalga kavramı, elektromanyetik enerjinin nasıl hareket
ettiğini açıklamaktadır.
Enerji sadece maddeyle etkileşimde iken saptanabilir.
Dalga hareketi için;
c= f. λ (c= 3x 108 m/sn )
Elektromanyetik enerji
kanuna göre;
Elektromanyetik enerji,harmonik dalga hareketi
biçiminde sabit bir hızla yayınır:
f=
c
λ*n
c=Işık Hızı(cm*sn^-1)
λ=Dalga Boyu(cm)
n= Ortamın kırıcılık indisi
Kirchoff kanuna göre
E
= f( λ, T )
A
E=Işınım yayınım gücü
λ=Dalga boyu(cm)
A=Cismin absorbe edilme gücü
T= Cismin mutlak sıcaklığı( Kelvin)
Bir cisme gelen toplam enerji yutulma, yansıtılma,
ve geçirilme miktarının toplamına eşittir. Enerji
yüzeye çarptığında yutulur, yansıtılır ve geçirilir.
Planck kanuna göre;
 E= h * f
 Bu eşitlikte ;
 f= Frekans(titreşim*s^-1)
 h=Planck sabiti = 6.625 * 10^-22 erg*s
 E=Enerji (erg)
Elektromanyetik Radyasyon
 Elektromanyetik radyasyon enerjisi ,3*10
üzeri 8 m/s ‘lik bir hızla enerji kaynağından ya
doğrudan veya dolaylı yansıma ile uzaktan
algılama sistemlerine gelir.Bu bakımdan
elektromanyetik radyasyon enerjisi uzaktaki
cisim ile alıcı arasında ,uzaktan algılama
yöntemleri için,yüksek hıza sahip bir bilgi
iletim hattı olarak kullanılabilir.
 Elektromanyetik radyasyon enerjisini
‘’Enerjinin hem elektriksel hem de manyetik
özellikleri gösteren bir türüdür’’ şeklinde
tanımlayabiliriz.İlk defa 1864 ‘te James Clerk
Maxwell ,elektriksel ve manyetik görüntüleri
dalga hareketi biçiminde matematiksel olarak
değerlendirmiştir.
Elektromanyetik Spektrum
 Elektromanyetik radyasyon,dalga boyları ve
frekanslarına göre
sınıflandırılarak,elektromanyetik spektrum
tanımlanır.
 Elektromanyetik spektrum 0.4-0.7
Mikrometrelik dalga boyu aralığında rastlayan
kısımları gözle algılanabilir.
 Tüm cisimler,ışığı yayması veya yansıtması
özellikleri ile görülürler.Işık radyo dalgaları ve
X ışınları gibi,elektromanyetik radyasyonun bir
türüdür.Cisimlerin değişik renkte görülmeleri
,değişik dalga boyundaki elektromanyetik
radyasyonu yansıtabilmelerine bağlıdır.
 Örneğin ,kırmızı bir cisim ,kırmızı ışığın 0.6-
0.7 mikrometre dalga boyundaki
elektromanyetik radyasyonu yansıtır,diğer
dalga boylarındaki elektromanyetik
radyasyonu yutar.Böylece cisim kırmızı renkte
görünür.