Kertausta 1. luennolta mitä kaukokartoitus vaatii?

1. Kertausta 1. luennoltamitä kaukokartoitus vaatii? A. Säteilylähde B. Ilmakehä (väliaine) C. Energian törmääminen kohteeseen D. Instrumentti havaitsemaan säteily E. Tiedon siirto, vastaan-otto, prosessointi F. Tulkinta, laskenta ja analysointi G. Soveltaminen käytäntöön

2. Kertausta 1. luennoltaAuringon säteily ja ilmakehä

3. 2. luennon aiheet • Kuvausalustat • Satelliittijärjestelmästä tarkemmin • Yleiset kuvaavat instrumentit • Jatkoa peruskäsitteille • Sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutus kohteen kanssa

4. Instrumenttien kuvausalustat • Maassa sijaitsevat • jalustalla, katolla tai • käsikäyttöiset laitteet • Kohteen yksityiskohtainen tutkiminen, esimerkiksi ominaissäteilyn määrittäminen • Tehdään kohteesta vertailuhavaintoja satelliittihavaintoja varten • Kuvassa puomin päässä mikroaaltoradiometrin antenni

5. Kuvausalustat • Analytical Spectral Devices FieldSpec-spektrometri, aallonpituusalue 350 - 2500 nm

6. Kuvausalustat... Kaasupallot: • Maksimikorkeus noin 50 km • Vakaa • Käytetään lähinnä ilmakehäluotauksissa

7. … kuvausalustat • lentokone tai helikopteri • kun halutaan tarkempaa tietoa kohteesta kuin mitä satelliitista voidaan saada • kuitenkin suuremmalta alueelta kun maasta käsin • käytetään myös satelliittihavaintojen vertailuaineistona ja korvaavana materiaalina

8. Leko / Heko • Usein maassa ja lentokoneessa tehdään havaintoja hyvin monelta ja kapealta eri aallonpituusalueelta • Saadaan tarkkaa tietoa kohteen spektrisistä ominaisuuksista eli ominaisuuksista eri aallonpituusalueilla

9. Satelliitti-instrumentissa taas on usein vähemmän kanavia ja ne ovat leveämpiä

10. Leko / Heko jatkuu... • Helikopteri: • Matala korkeus + hidas nopeus • Kokeiluinstrumenttien alusta • Lentokone: • Maksimikorkeus noin 20 km • Yli 3 km korkeuksissa tarvitaan paineistettu ohjaamo • Etuja: joustavuus kuvausajankohdan, lentonopeuden ja lentokorkeuden suhteen • Haittoja: alttius tuulelle ja turbulensseille • Kartoituskuvauksissa: 2 moottoria, minimilentonopeus 200 km/h

11. Lentokone • TKK/Avaruustekniikan laboratorion tutkimuslentokone Short Skyvan Nokassa AISA-spektrometri

12. Lentokone • Erilaisia radiometrien antenneja… …ja sivukulma- tutkan antenni.

13. Lentokone • Maanmittauslaitoksen Rockwell Turbo Commander 690A • Ilmakuvauskamera Wild RC-10 käytössä • Nykyään WILD/LEICA RC 20 + FMC

14. Satelliitit instrumenttien alustana • Satelliitit kiertävät kohdettaan tiettyä reittiä pitkin. • Satelliitin reittiä kutsutaan radaksi • Rataa kuvataan rataparametreillä • kuten korkeudella (etäisyys maan pinnasta)

15. Satelliitti • Koostuu hyötykuormasta (payload) ja alijärjestelmistä (bus, subsystem) • Hyötykuorma: Instrumentit • Alijärjestelmät vastaavat satelliitin oikeasta kiertoradasta, asennon säädöstä, sähkön tuottamisesta, lämmön kontrolloimisesta, mekaanisesta tukirakenteesta ja kommunikoinnista maa-aseman kanssa Asennonsäätöjärjestelmä • Huolehtii satelliitin pysymisestä oikealla radalla • Satelliitin korkeuden mittaamiseen käytetään GPS-satelliitteja, painovoimamittausta tai auringon säteilypainetta • Asennon mittaukseen käytetään gyroskooppeja, magnetometreja tai tähtisensoreja • Tarvittaessa satelliitin asentoa muutetaan työntömoottorijärjestelmän tai momenttipyörän avulla

16. Satelliitti Työntömoottorijärjestelmä • Säilyttää satelliitin haluttujen rajojen sisällä • Tarvittaessa muuttaa satelliitin rataa Sähköntuottojärjestelmä • Tuottaa satelliitin tarvitseman sähköenergian • Auringon valo muunnetaan aurinkokennojen avulla sähköksi • Kohdistettu koko ajan aurinkoon • Varastoidaan akkuihin • Venäläisissä satelliiteissa myös pieniä ydinreaktoreja

17. Satelliitti Lämmönsäätö • Turvaa lämpötasapainon ja eri osien toiminnan • Osa satelliitista aurinkoon päin (kuuma), osa poispäin (kylmä) • Lämpötilaero eri puolella satelliittia voi olla jopa 200K • Peitemateriaalit, eristeet ja aktiiviset lämmönsiirtimet Tukirakenne • Pitää satelliitin kasassa

18. Satelliitti Telemetria-, seuranta-, käsky- ja tietoliikennejärjestelmä • Komento- ja tiedonsiirtoyhteys maa-aseman ja satelliitin välillä • Maa-asema tarkkailee ja ohjaa instrumenttien ja muiden järjestelmien toimintaa • Välittää instrumenttien mittaukset maa-asemalle Maa-asema • Ottaa vastaan ja tallettaa satelliitin lähettämän datan • Antennisysteemi seuraa satelliitin kulkua • Poistetaan tiedonsiirron kohina • Voi suorittaa datan radiometrisen ja geometrisen korjauksen

19. Satelliitin rata • Satelliitti kiertää planeettaa ympyrä- tai ellipsiradalla • Satelliitti ohittaa planeetan hyperbeli- tai paraabeliradalla • Keplerin lait: 1. Planeettaa kiertävän satelliitin rata on ellipsi, jonka toisessa polttopisteessä on planeetta 2. Satelliitin paikkavektori pyyhkii yhtä suurina aikaväleinä yhtä suuret pinta-alat 3. Satelliittien kiertoaikojen neliöt suhtautuvat toisiinsa kuten isoakselien puolikkaiden kuutiot • Kiertoradan planeettaa lähinnä olevaa pistettä kutsutaan perigeumiksi ja kauimmaista pistettä apogeumiksi

20. Satelliitin rata Rataparametrit: • a: ellipsin pääakselin puolikas • : radan eksentrisyys • i: inklinaatiokulma eli kulma jossa rata leikkaa päiväntasaajan tason • : oinaasta itään mitattu nousupisteen kulma (nousupiste: radan ja päiväntasaajan leikkauspiste) • : nousupisteen ja perigeumin välinen kulma • tpe: ajanhetki, jolloin satelliitti on perigeumin kohdalla • Kaukokartoituksessa käytetään ympyräratoja: isoakseli a = pikkuakseli b

21. Geostationäärinen satelliitti • Kiertää maata samalla nopeudella kuin maa kiertää itsensä ympäri • Maahan nähden paikoillaan → havaitsevat siten jatkuvasti samaa kohdetta • Inklinaatiokulma i=0

22. Geostationäärinen satelliitti • Ratakorkeus noin 36 000 km → kuvaa varsin suuren alueen maanpinnasta. • Useat sääsatelliitit: Meteosat, Goes Meteosat 1.7.2006 klo 12:00, VIS ja IR kanavat

23. Geosynkroninen rata • Satelliitti kiertää maata maan pyörimisliikkeen nopeudella • Pysyy kapealla pituuspiirialueella • Ei kuitenkaan kuvaa täsmälleen samaa kohdetta koko ajan

24. Aurinkosynkroniset satelliitit • Aurinkosynkronisetsatelliitit kuvaavat saman alueen samaan vuorokaudenaikaan joka päivä. • Kaikkina vuodenaikoina auringon sijainti on taivaalla sama satelliitin ylilennon aikana.

25. Aurinkosynkroniset satelliitit • Kohteen valaistusominaisuudet ovat samanlaiset, kun tehdään havaintoja kohteesta • eri vuosina samaan aikaan • havaintoja peräkkäisinä päivinä. • Eri vuodenaikoina auringon sijainti ja myös valaistusominaisuudet poikkeavat.

26. Kaukokartoitussatelliitit • Maailmanlaajuinen peitto • Mittausetäisyys kohteeseen on vakio (500-1000 km) • Saman alueen ylitys samaan aikaan päivästä = aurinkosynkroninen rata • Kallistuskulma napoihin nähden • Kiertoaika on 95-100 minuuttia

27. Lentävät maapallon toisella puolella pohjoissuuntaan (=nouseva rata) Toisella puolella eteläsuuntaan (=laskeva rata) Napojen kautta kulkevat satelliitit

28. Kun kohde on auringon valaisema, voidaan tehdä havaintoja passiivisilla instrumenteilla, jotka havaitsevat auringon lähettämää säteilyä. Eli kun satelliitti on samalla puolella maapalloa kuin aurinko Tällöin satelliitin rata on usein laskeva. ...satelliitin rataparametrit…laskeva ja nouseva rata

29. Nouseva rata on silloin toisella puolella maapalloa jossa ei ole valaistusta sillä hetkellä Eikä myöskään voida tehdä havaintoja auringon heijastuneesta säteilystä. ...satelliitin rataparametrit…laskeva ja nouseva rata

30. Passiiviset instrumentit, jotka havaitsevat kohteen lähettämää lämpösäteilyä (TIR ja MW) voivat tehdä havaintoja myös laskevan eli valaistuksettoman radan puolelta. Myös aktiivisilla instrumenteilla (tutkat), jotka lähettävät ja havaitsevat omaa säteilyään, voidaan tehdä havaintoja koko ajan, myös valaistuksettoman radan puolelta. … laskeva ja nouseva rata…

31. Kuva-alan tai havaintoalueen leveyson instrumentin havaintoalueen leveys maastossa kohtisuoraan lentosuuntaan vasten. Yleensä kymmeniä tai satoja kilometrejä vaihtelee paljon instrumenteilla Havaintoalueen leveys

32. Maa pyörii itä-länsi-suunnassa samalla kun satelliitti lentää napojen yli kiertävällä radallaan. (itään päin) Satelliitin rata näyttää siirtyvän maastossa länsisuuntaan kunkin ylityskerran välillä. Vierekkäiset radat

33. Kiertoliikkeestä johtuen vierekkäisiltä radoilta tehdyt havainnot kattavat laajoja alueita maapallolla Vierekkäiset radat

34. Radan sykliksi eli toistojaksoksikutsutaan sitä aikaa, joka kuluu ennen kuin satelliitti ylittää taas täsmälleen saman kohdan maastossa maan pyörimisliikkeen johdosta Aiempikin ylitys voi tuoda havainnon samasta kohteesta, mutta se on havaittu hieman sivusta, edelliseltä tai seuraavalta radalta, eikä suoraan saman alueen yläpuolelta Radan sykli eli toistojakso

35. Nadir • Nadir-kohdaksikutsutaan maastossa suoraan instrumentin alapuolella olevaa kohtaa. • Instrumentit kuvaavat myös radan ylilentokohdan sivuilla olevia alueita, näitä kutsutaanoff-nadir-alueiksi.

36. Ratojen päällekkäisyys • Napojen läheisyydessä vierekkäiset radat menevät enemmän päällekkäin, havaintoja saadaan samalla satelliitilla enemmän kuin päiväntasaajan alueelta. • Suomi sijaitsee siis varsin hyvällä paikalla kuva-aineistoja ajatellen.

37. Instrumentit • Sähkömagneettinen säteily informaation välittäjä • Tarkastelemalla kohteen emittoiman / heijastaman sähkömagneettisen säteilyn ominaisuuksia voidaan tehdä päätelmiä kohteen ominaisuuksista • Tarvitaan laite, joka mittaa säteilyä • Toimintaperiaate: Optis-mekaaninen Optis-sähköinen Sähköinen

38. Instrumentit • Passiiviset instrumentit mittaavat kohteen heijastamaa tai emittoimaa säteilyä • Aktiiviset instrumentit mittaavat kohteesta sironnutta tai heijastunutta säteilyä PassiivinenAktiivinen VIS & IR: Valokuvauskamera, Lidar CCD, vidicon, keilaimet, spektrometrit MW: Radiometri Tutka (SLAR & SAR)

39. Kamera • Passiivinen instrumentti aallonpituusalueella 0.3 - 0.9 m • Filmi ja digitaaliset kamerat • Filmikamera: linssisysteemi (B) filmi (C) sulkija

40. Neulanreikäkamera • Lähinnä teoreettinen malli

41. Filmikamerat • Filmi on yleensä herkkää • UV-säteilylle, • näkyvän valon ja • lähi-infrapuna-alueen aallonpituuksille, eli • Auringon säteilyn kattamille aallonpituuksille (0.3-0.9 mm). • Suotimilla voidaan poistaa tiettyjä aallonpituuksia ja päästää toisia läpi

42. Mittakamera • Kuvaus suurella geometrisella tarkkuudella (topografinen kartoitus, fotogrammetria) • Kuvatason mitat, kameravakio ja kuvan pääpiste määritetty kalibrointimittausten avulla • Osia: Suodin, Objektiivi, Suljin, Himmennin, Kuvataso, Filmikasetti • Kuvaushetkellä filmin reunoihin tallennetaan kuvatason reunamerkit, kellonaika, kuvanumero • Koska kuvausalusta liikkuu valotuksen aikana, tarvitaan kuvaliikkeen kompensaattori • Muita apuvälineitä: peittosäädin, aikasäädin, tähtäinkiikari, valotus- ja laukaisuautomatiikka

43. Kuvausvirheitä • Optiikka ym. aiheuttaa virheitä jotka pitäisi tuntea ja poistaa • Tynnyrivääristymä vasemmalla, virheetön kuva keskellä, tyynyvääristymä oikealla

44. Monikanavakamera • Otetaan useampi valokuva samasta paikasta eri filmi-suodin kombinaatioilla • Yleensä: useampi lähekkäin oleva kamera jotka ottavat kuvan samanaikaisesti • Värikuvien muodostus optisen näyttölaitteen tai tietokoneen avulla

45. Strip-kamera • Kuvatasossa kapea rako (määrittää valotuksen) • Kameran liikkuessa siirretään filmiä • Suljin koko ajan auki • Suunniteltu alhaiselle lentokorkeudelle & suurelle lentonopeudelle -> sotilastiedustelu

46. Panoraamakamera • Objektiivissa kapea rako • Objektiivia käännetään lentosuunnan suhteen kohtisuoraa • Filmi kaarevalla pinnalla • Objektiivin kääntyessä kaistale filmiä valottuu • Kun objektiivi on käännetty laidasta laitaan siirretään filmiä • Toinen vaihtoehto: tasainen kuvataso + objektiivin edessä pyörivä prisma • Etuja: hyvä erotuskyky, laaja kuvakulma ja kuva-ala • Haittoja: geometriset vääristymät, ilmakehän vaikutus erilainen kuvan eri osissa

47. Kameratyypit Panoraamakamera Stripkamera Mittakamera ilmakuvaukseen

48. Digitaaliset kamerat • Tuleva säteily havaitaan sähköisien ilmaisimien avulla. • Tallennetaan digitaalisessa muodossa, joka voidaan suoraan hyödyntää digitaalisena kuvana • Digitaalisissa kameroissa on usein nykyään CCD - ilmaisinjärjestelmä • CCD = charge coupled device

49. CCD ilmaisin • CCD-kenno koostuu matriisista, jossa on useita ilmaisimia, yksi kullekin tulevalle kuvapikselille • Kohteesta tuleva säteily tulee ilmaisimeen ja tuottaa sähkövarauksen, joka riippuu säteilyn voimakkuudesta. • Sähkövaraus muunnetaan digitaaliseksi lukuarvoksi, josta saadaan kuvan harmaasävyarvo kutakin ilmaisinta vastaavassa pikselissä. • Digitaalinen lukuarvo tallennetaan.

50. Valokuva vs. CCD ValokuvaCCD Kuvanmuodostus: Hopeahalidit säteilylle filmissä herkkä ilmaisin Varastointi: filmi tai tietokonelevyke, paperikopio kovalevy, CD Manipulointi: kemiallinen kehitys, digitaalinen optinen kopiointi kuvankäsittely Siirto: Posti, faksi tietokoneverkko, -levyke Esitysmuoto: dia, elokuva monitori, TV paperikopio printteri