Ugrás a tartalomhoz

Fotointerpretáció és távérzékelés 2., Felvevőrendszerek

Verőné Wojtaszek Malgorzata (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

2.5 Mikrohullámú távérzékelés

2.5 Mikrohullámú távérzékelés

Mikrohullámú érzékelésre az elektromágneses spektrum 0,5 mm-től 1 m-ig terjedő hullámhossz tartományát használják. A légkörnek csekély hatása van erre a spektrumtartományra. A mikrohullámok teljes mértékben áthaladnak az atmoszférán, és csak a nagyobb esőcseppek térítik el azokat, vagy nyelik el az energiájukat. Ennek köszönhetően a mikrohullámú berendezések működtetése gyakorlatilag időjárás- és napszak független. A mikrohullámú berendezések további előnye az optikai sávú berendezésekkel szemben az, hogy meg lehet választani az érzékelésre használt energia hullámsávját és polarizációját. A hullámforrás és a felvevő különbözőképpen polarizálható, eszerint HH, VV, HV, VH (H - vízszintes, V – függőleges) típusú felvételezés lehetséges. A mikrohullámú energia visszaverődését elsődlegesen a felszín geometriai és elektromos tulajdonságai, valamint a talaj, a víz, a növényzet és a jég jelenléte befolyásolja. Az energia érzékelésére használt antenna csak azt az energiát tudja észlelni, amely a besugárzás irányában verődik vissza. Ha a felület a beeső sugarak hullámhosszához viszonyítva sima (a terület érdességei kisebbek a hullámhossznál), akkor a felszín tükörszerűen viselkedik, így gyakorlatilag nincs visszaérkező jel. Ahhoz, hogy észlelhető energia mennyiség érkezzen az antennához a visszaverő felületnek a beeső sugarak irányára közel merőlegesnek kell lennie (2-15. ábra) Ilyenkor a felület világos árnyalatban jelenik meg a felvételen, a más irányban visszaverő sima felületek pedig sötétnek látszanak (2-16. ábra). A durvább felszín minden irányba szétszórja a hullámokat, ezért azok szemcsésnek látszó képet alkatnak (2-16. ábra).

2- 15. ábra Mikrohullámú energiát visszaverő felületek

2- 16. ábra A különböző terepi objektumok tipikus visszaverődési képei Forrás: http://gisfigyelo.geocentrum.hu/sarkozy_terinfo/gif/34arad35.gif

A sugarakat visszaverő felület durvasága mellett a visszaverődést lényegesen befolyásalja a felületet alkotó anyag elektromos tulajdonsága. A felszíni tárgyak elektromos jellegét a komplex dielektromos állandó fejezi ki, ami összefüggésben van a tárgyak reflektivitásával és vezetőképességével. A különböző anyagok dielektromos állandójának értékét nagymértékben befolyásolja a víztartalom. Például a száraz talajok dielektromos állandójának értéke 3-tól 8-ig terjed, ami 40%-os víztartalom esetén 30-ra emelkedik. A víz dielektromos állandója 80 körül van. Ez azt jelenti, hogy a nedvességtartalom jelentősen növeli a visszaverődést. A következő két radarfelvétel ugyanazt a területet mutatja eső előtt és után (2-17. ábra). A víz dielektromos állandója többszöröse a száraz talajok dielektromos állandójának, így a vegetációmentes talaj felső (néhány cm) rétegének nedvességtartalom változása kimutatható a radarképeken. A nagyon száraz talajok esetében a hullámhossztól függően néhány méteres behatolás is lehetséges a talajba.

2-17. ábra Nedvességtartalom (eső előtt és után) hatása mikrohullámú energia visszaverődésére. Forrás: http://geo.efe.hu/hun/onlinejegyzet/geoinfo/index.htm

Egy radarkép szembetűnő tulajdonsága, hogy különböző lejtőoldalak eltérő intenzitással képződnek le a felvételen. Ez annak a következménye, hogy a lejtőszög, a lejtőkitettség változása a besugárzás szögének módosulását okozza. A szenzorral „szembenéző” lejtőkön viszonylag magas, míg az ellentétes lejtőkön egyáltalán nincs visszaverődés. Ezekre a területekre radarárnyék jellemző, mely teljesen sötét (nincs visszaverődés) és élesen elkülönül a világosabb, radarral szemben elhelyezkedő területektől (2-18. ábra). A terep eltérő magasságából származó eltolódások is jellemzőek a radarképekre (2-19. ábra).

2- 18. ábra Radarárnyék Forrás: http://www.ccrs.nrcan.gc.ca/glossary /index_e.php?id=2844

A növényzet és a mikrohullámú energia kölcsönhatása rendkívül összetett, hiszen az érkező jel nemcsak a levélzetről (ami legtöbb esetben több szintű), szárakról, ágakról, hanem a talajról is visszaverődik. Rövidebb hullámhossz alkalmazása esetén a sűrű növényborítottság erősebb visszaverődést eredményez (Mucsi, L. 2004).

2- 19. ábra A domborzat hatása radar felvételezés esetén: a) magassági eltolódások, b) domboldal fordított helyzetben Forrás: http://www.ccrs.nrcan.gc.ca/glossary/index_e.php?id=2844

A sima vízfelszín tükörszerűen veri vissza a radarjeleket, így egyáltalán nem vagy csak kevés jel jut vissza az érzékelőhöz. A tengeri hullámok magasság növekedésével növekszik az érkező jel erőssége. A hóval és jéggel borított területekről a mikrohullámú energia visszaverődése a hóréteg vastagságától, a jég eloszlásától, korától, érdességétől és hőmérsékletétől függ.

A mikrohullámú tartományban végzett távérzékelésen belül attól függően, hogy a vizsgált objektumok által kisugárzott mikrohullámokat, vagy a radarhullámokat kibocsátó adó jelének a megfigyelt objektumról történő visszaverődését érzékeljük, passzív és aktív rendszereket különböztetünk meg.

A passzív érzékelők a különböző hőmérsékletű testek által kibocsátott energiamennyiséget észlelik. A kibocsátott energia mértéke nemcsak a felszín hőmérsékletétől, hanem a felszín emissziós tulajdonságaitól is függ. Az ilyen passzív rendszerű berendezéseket mikrohullámú radiométereknek nevezzük. Az általában repülőgépen üzemeltetett mikrohullámú radiométerek elsősorban a talaj nedvességtartalmának és ásványi anyag tartalmának vizsgálatára alkalmasak.

Aktív mikrohullámú távérzékelő eszközök a rádiólokátorok, más néven radarok (radar – Radio Detection and Ranging). Aktív rendszerek esetén az érzékelő berendezés saját maga állítja elő az érzékeléshez szükséges energiát, amit a tárgy vagy földfelszín felé irányít, majd méri az eredeti energiának a felületről visszavert részét. Az antenna az energiát impulzusokban gerjeszti, az egyes impulzusokat kódolja és méri a kibocsátás és visszaverődés között eltelt időt (2-20. ábra). Mivel az elektromágneses energia terjedési sebessége ismert, a tereptárgynak az antennától való távolsága meghatározható a tárgy által visszavert sugár kibocsátásának és visszaérkezési idejének különbségéből.

Az aktív mikrohullámú berendezések felvételezésének alapelvét a 2-21. ábra mutatja. Az antenna először adásra van állítva. A kibocsátott energia-impulzus a repülés irányára merőlegesen végig pásztázza az antenna látószöge és az energia-impulzus hossza által fedett területet. Ezután az antenna átáll vételre és érzékeli az előző impulzusból eredő visszavert energiát. Közben az érzékelőt hordozó jármű előre haladva újabb keresztpásztát hoz létre és a folyamat gyorsan ismétlődik.

2-20. ábra Aktív mikrohullámú érzékelő és a tereptárgy közötti távolság meghatározási módja Forrás: Csornai G.-Dalia O., 1991)

2-21. ábra Aktív mikrohullámú érzékelő általános felépítési és működési vázlata. Forrás: Bajzák D. 1990

A mikrohullámú adatgyűjtés terepen, repülőgépekről és jelentős mértékben műholdakról - képalkotó és nem képalkotó üzemmódban is - történik. A nem-képalkotó radar egyik formája a pozíciójelző radar (PPI- plan position indicator). A PPI rendszereket elsősorban az időjárás-előrejelzésben, a légi irányításban, katonai felderítésben és a navigációban alkalmazzák. A képet alkotó felvevők egyik típusa az oldalra néző radar SLAR (Side Looking Airborne Radar). A SLAR rendszereket katonai felderítés céljából az 1950-es években fejlesztették. Hadászati jelentősége mellett igen hatékony eszközzé vált a természeti erőforrások kutatásában, az óceánok monitoringjában és a térképészetben. A Föld gyakran felhővel borított területein a radar fontos szerepet játszik a nyersanyagkutatásában, térképészetben, erdő- vízkészlet és az infrastruktúra felmérésében. A SLAR földi feloldóképessége az antenna látószögétől és a kibocsátott impulzus hosszától függ (2-22. ábra). Így a rövidebb impulzus és kisebb látószög használata növeli a feloldóképességet. Azonban mind az impulzus rövidítésének, mind az antenna meghosszabbításának fizikai határai vannak, a feloldóképességet csak egy bizonyos fokig lehet növelni. Viszont ha az érzékelő a visszavert energianyalábon belüli frekvencia változásokat is tudja mérni (2-22. ábra), akkor a földi feloldóképesség növelhető. Az ilyen mikrohullámú érzékelő berendezést szintetikus aperturájú radarnak, SAR–nak (Synthetik Aperture Radar) nevezzük.

2- 22. ábra Radar feloldóképességének ábrázolása: a) valós nyílású radar (SLAR) b) Szintetikus nyílású radar (SAR). Forrás: Bajzák D. 1990

SEASAT

Az aktív mikrohullámú távérzékelés jelentősége az 1980-os években ugrásszerűen megnövekedett. Kedvező tulajdonságai miatt egyre nagyobb szerepet játszik a különböző földi erőforrások kutatásában. A műholdas mikrohullámú távérzékelés a SEASAT rendszer felbocsátásával, 1978-ban kezdődött. A műhold feladata a jég és a tenger monitoring, valamint a geológiában, a térképészetben és erdőgazdálkodásban alkalmazható megfigyelések elvégzése volt. Sajnos, az energiaellátó rendszer hibája miatt a műhold csak három hónapig működött. A műhold 800 km magasságban, közel-poláris pályán mozgott, a lefedett terület szélessége 100 km volt. A fedélzetén lévő képalkotó SAR felvevőnek 25 m felbontása volt. A tengerfelszín hőmérsékletének, a szélsebességnek és más légköri adatoknak a mérését többcsatornás radiométer végezte. Az első nagypontosságú magasságmérő (10 cm) az óceáni áramlásokat, a szélsebességet és a hullámmagasságot mérte.

ERS

Az Európai Földmegfigyelési Program részeként az Európai Űrügynökség (ESA- Europen Space Agency) elindította az ERS (European Remote Sensing satellite system) programját. Az ERS-1 műhold (1991-től) főleg a jég és az óceán monitoringját végezte, valamint kihasználva a radar adta lehetőségeket a szárazföldeket és a partmenti területeket is vizsgálta. Az ERS-1 ismétlődő, globális megfigyelést végez mikrohullámú szenzorai segítségével. A radar alkalmazása biztosítja a folyamatos mérést az időjárástól függetlenül, ami kiküszöböli a változó napsugárzási viszonyokat, valamint a felhőborítottságot. Ez a meteorológiában, a tengerállapot előrejelzésben, a jégmozgás monitoring szempontjából kiemelkedő fontosságú. Az ERS-1 műhold 785 km magasságban, poláris pályán kering. A képalkotó üzemmódban (SAR) 100 km-es sávban pásztázza a területet. Pixel méret 25 m. A műhold a képalkotás funkciói mellett több olyan mérést is végez, melyeket korábban egyetlen műhold sem volt képes. Ezek közé tartozik az óceáni áramlatok, a tenger-jég felszínek tanulmányozása. A műhold fedélzetén elhelyezett műszerek alkalmasak a szélirány és sebesség mérésére, a tenger-hullámzás irány, hullám magasság és hullámhossz mérésére, a tenger és a felhők hőmérsékletének mérésére, valamint az atmoszféra-óceán kölcsönhatások vizsgálatára. Az ERS-1 program folytatásaként 1995-ben bocsátották fel az ERS-2 műholdat. Az elődjével megegyező műszereket kiegészítették a légkör kémiai összetételét vizsgáló berendezéssel. Az ERS-2 pályája napszinkron, közel-poláris, az átlagos magassága 780 km. A műhold visszatérési ideje 35 nap – hasonlóan az ERS-1-hez – de egyes műszerekkel 3 naponta is felvételezhető ugyanaz a terület. A képalkotó SAR berendezés technikai jellemzőit a 2-13. táblázat tartalmazza.

2- 13. Táblázat ERS-2 SAR technikai jellemzői

Frekvencia

5.3 GHz (C- sáv)

Polarizáció

V-V

Pásztázott terület szélesége

100 km

Pixel méret

25 m

Antenna

10 x 1 m

RADARSAT

Az első kanadai földmegfigyelő műholdat (RADARSAT-1) 1995-ben bocsátották fel. A RADARSAT fedélzetén egycsatornás SAR szenzort helyeztek el, mely a fedélzeti számítógép ellenőrzése mellett különböző üzemmódokban működik (2-14. táblázat). A frekvencia kiválasztásánál a legtöbb hasznosítható információ nyerése volt a cél. A multifrekvenciális repülőgépes rendszerekkel szerzett tapasztalatok alapján a C – sávot (7,69 - 4,84 cm) választották, mely a legszélesebb alkalmazási lehetőségeket biztosítja. Az alkalmazott polarizáció HH. A műhold átlagosan 798 km magasságban kering. A pálya ismétlődési periódusa 24 nap, ami a széles pásztázási móddal csökkenhető. A 70˚ északi szélesség mentén ebben az üzemmódban naponta készíthetők teljes fedésű radarképek.

2.2. táblázat - 2-14. Táblázat A RADARSAT-1 különböző üzemmódjai

üzemmód

Lefedett terült szélessége (km)

Terepi felbontás (m)

Besugárzási szög

Normál

100

28 x 30

20-49˚

Nagyfelbontású

55

8 x 8

30-49˚

Szélessávú

150

28 x 30

20-39˚

Teljes szélességű

500

100 x 100

20-49˚

kiterjesztett

75

28x20/28x50

49-60 ˚ /10-23˚


A 2007-ben felbocsátott RADARSAT-2 pályája napszinkron, magassága 798 km. A visszatérési idő 24 nap, a legszélesebb lefedés esetén 70˚szélességben naponta, az Egyenlítő mentén 2-3 naponta lehetséges ismételt felvételezés. A műhold SAR berendezésének technikai jellemzői lényegét tekintve hasonlók a RADARSAT-1 berendezéséhez. A szenzor 4-féle üzemmódban 3 - 100 m térbeli felbontású felvételeket képes készíteni. Különböző terepi felbontású RADAR felvételételek láthatók a 2-23. ábrán. A felvételek által lefedett terület szélessége 20 km-től 500 km-ig terjed. Minden üzemmódban lehetséges mind vízszintes, mind függőleges polarizációjú mikrohullámok használata. A térbeli felbontás növelése és a többféle polarizáció a felvételek felhasználhatóságát növeli. A 2-24. ábrán eltérő polarizációval készített radar felvételek láthatók.

2- 23. ábra Különböző terepi felbontású RADAR felvételek ugyanarról a területről: a) 3 m felbontású, C-sávú SAR felvétel, b) 25 m felbontású, C-sávú SAR felvétel. Forrás: http://radarsat.space.gc.ca/asc/eng/ satellites/ radarsat2/inf_data.asp

2- 24. ábra Különbözőképpen polarizált radar felvételek és színkompozit mezőgazdasági területről. Forrás: http://radarsat.space.gc.ca/asc/eng/satellites/ radarsat2/inf_data.asp

SRTM

Az elmúlt években a műholdas távérzékelő rendszerek mellett több olyan program indult, melynek során az űrsiklók fedélzetéről történik felvételezés. Ilyen programokhoz tartozik az SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). 2000 februárjában a NASA és az NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) által végzett program során az Endeavour űrsikló fedélzetén elhelyezett radarrendszerrel - 11 nap alatt - a Föld felszín kb. 80%-ról digitális domborzati térképeket (DDM) készítettek. A felmérés 60˚ északi, illetve 57˚ déli szélességi körök közötti területekre terjedt ki. Az 5,6 cm-es hullámhosszúságú radarjelekkel történő felvételezés a radar-interferometrián alapult. A térbeli bázisvonalú interferometria esetén a célterületet egyidejűleg két különböző állásról (pályáról) mérik fel. A két antenna a jel kibocsátásának és visszaérkezésének időkülönbségét méri. A fáziskülönbség pontos méréséből megállapítható a jeladó és a tárgy (földfelszín) távolsága. A jeladó helyzetének ismeretében elkészíthető a felszín topográfiája. Az SRTM program keretében használt űrsikló nyitott rakterében lévő fő antenna egy C- és X-sávú jel kibocsátására és fogadására volt képes, azonkívül az antenna pozícióját mérő berendezést is tartalmazott (2-25. ábra). A külső antenna egy 60 m hosszúságú tartószerkezet végén helyezkedett el . A felméréseket két eltérő terepi felbontásban végezték, ennek megfelelően a digitális domborzatmodell két felbontásban készült el: a pontosabbnak 1 szögmásodperc, a kevésbé részletesnek 3 szögmásodperc a felbontása. 2003-tól a 3 szögmásodperc felbontású modellek az interneten bárki számára elérhetők. Elérés: http://edcsgs9.cr.usgs.gov/ pub/data/srtm

2- 25. ábra. Az Endeavour űrsikló az űrben és az SRTM antennáinak elhelyezkedés vázlata. Forrás: http://www.goldensoftware.com/newsletter/Issue52s.shtml , http://directory.eoportal.org/pres_SRTMShuttleRadarTopographyMission.html