TELEDETEKCJA TELEDETEKCJA WYBRANYCH WYBRANYCH ELEMENTÓW ELEMENTÓW

INFRASTRUKTURY INFRASTRUKTURY MIEJSKIEJMIEJSKIEJ

NA ZOBRAZOWANIACH NA ZOBRAZOWANIACH SATELITANYCHSATELITANYCH

Małgorzata JenerowiczMałgorzata JenerowiczWojskowa Akademia Wojskowa Akademia TechnicznaTechnicznaKierownik pracy: Dr hab. inż. Kierownik pracy: Dr hab. inż. Wiesław DębskiWiesław Dębski

CEL PRACY:CEL PRACY:

Analiza Technicznych Środków Analiza Technicznych Środków ObrazowaniaObrazowania obszarów miejskich w obszarów miejskich w zakresie systemów satelitarnychzakresie systemów satelitarnych

Organizacja informacjiOrganizacja informacji pozyskanych na pozyskanych na drodze teledetekcji, określenie oraz drodze teledetekcji, określenie oraz zapewnienie przydatności danego zapewnienie przydatności danego zobrazowania. zobrazowania.

Praktyczne wykazanie przydatności Praktyczne wykazanie przydatności zobrazowań satelitarnych Landsat TMzobrazowań satelitarnych Landsat TM, , w wykrywaniu zmian zaistniałych w obrębie w wykrywaniu zmian zaistniałych w obrębie obszaru miejskiegoobszaru miejskiego

Charakterystyka systemów Charakterystyka systemów satelitarnych w świetle obrazowań satelitarnych w świetle obrazowań obszarów miejskich:obszarów miejskich:

Wymiar pikselaWymiar piksela 0.61m w nadirze (PAN)0.61m w nadirze (PAN)

2.44m w nadirze (MS)2.44m w nadirze (MS)15m (PAN)15m (PAN)

30m (ETM +)30m (ETM +)

60m (TIR)60m (TIR)

Rozdzielczość spektralnaRozdzielczość spektralna 0.45-0.90 PAN0.45-0.90 PAN

0.45-0.52 B0.45-0.52 B

0.52-0.60 G0.52-0.60 G

0.63-0.69 R0.63-0.69 R

0.76-0.90 NIR0.76-0.90 NIR

ETM + ETM +

0.50-0.90 PAN 0.76-0.90 0.50-0.90 PAN 0.76-0.90 NIRNIR

0.45–0.52 B 1.55-1.75 0.45–0.52 B 1.55-1.75 MIRMIR

0.52-0.60 G 10.4-12.5 0.52-0.60 G 10.4-12.5 TIRTIR

0.63-0.69 R 2.08-2.35 0.63-0.69 R 2.08-2.35 MIRMIR

Rozdzielczość czasowaRozdzielczość czasowa 1 – 3.5 dni1 – 3.5 dni 16 dni16 dni

Rozdzielczość radiometrycznaRozdzielczość radiometryczna 11 bitów11 bitów 8 bitów8 bitów

Wysokość i rodzaj orbityWysokość i rodzaj orbity 450 km, 450 km, heliosynchronicznaheliosynchroniczna

705 km,705 km,

heliosynchronicznaheliosynchroniczna

Szerokość pasa zobrazowaniaSzerokość pasa zobrazowania 16.5 km16.5 km 185 km185 km

QuickBird 2 USA2002

LANDSAT 7 USA1999

Pojęcie rozdzielczości:Pojęcie rozdzielczości:

ZMIENNOŚĆ W CZASIE ZMIENNOŚĆ W CZASIE

ROZDZIELCZOŚĆ CZASOWAROZDZIELCZOŚĆ CZASOWA

CHARAKTERYSTYCZNE POKRYCIE TERENUCHARAKTERYSTYCZNE POKRYCIE TERENU

ROZDZIELCZOŚĆ SPEKTRALNAROZDZIELCZOŚĆ SPEKTRALNA

GEOMETRIA I POŁOŻENIEGEOMETRIA I POŁOŻENIE

ROZDZIELCZOŚĆ PRZESTRZENNAROZDZIELCZOŚĆ PRZESTRZENNA

B1 - Obwód budynku, obszar, objętość, wysokość, informacje katastralne ( granice )T1 - Główne osie drogiT2 - Dokładna szerokość drogiT3 - Badanie natężenia ruchu (samochody, samoloty, itp.)U1 - Sporządzanie map głównych linii (napowietrznych, podziemnych itp.) U2 - Dokładna szerokość linii, pierwszeństwo przebiegu liniiU3 - Usytuowanie słupów, włazów, podstacjiS1 - Szacowanie miejscowej populacjiS2 - Szacowanie populacji regionu/krajowejS3 - Wskaźniki jakości życiaE2 - Badania izolacji budynkówM5 - Monitorowanie ciepłych obszarów w miastachDE 1 - Zobrazowania sprzed katastrofyDE 2 - Zobrazowania po katastrofieDE 3 - Stopień uszkodzenia zabudowań DE 4 - Stopień uszkodzenia ciągów komunikacyjnych

T3

DE2

DE3DE4

B1

T2,U2,U3

T1,U1

S2S1

DE1, E2

S3

Digital FramePhotography

andTraditional

Aerial Photography0.25x0.25 m (0.82x0.82ft)

1x1m (3.28x3.28ft)

ORBITIMAGEOrbView 2Pan 1 x 1MSS 4 x 4

IKONOS 2Pan

0.82X0.82 MSS

3.24X3.24

ASTEREOS TerraVNIR 15X15

mSWIR 30X30

mTIR 90x90 m

LANDSAT 7 ETM+Pan 15x15 MSS

30x30TIR 60x60

LANDSAT 4.5Pan 30X30 MSS 80X80

TIR 120X120

IRS-1 CDPan 5.8x5.8

LISS-3 23.5x23.5;MIR

70x70WIFS 188x188

IRS-1 ABLISS-1

72.5x72.5LISS-2

36.25x36.25

ERS-1,2C-band 30x30

SPOT HRV 4Pan 10x10XS 20x20

SPOT 5 HRG (2001; not shown) Pan 2.5x2.5; 5x5MSS 10x10; SWIR 20x20JERS-1

MSS 18x24L-band 15x18

SPINKVR-1000 2x2TK-350 10x10

Quickbird 2Pan 0.62x0.62MSS 2.48x2.48

0.2 0.3 0.5 0.8 2 3 5 8 15 20 30 50 80 200 300 500 800 2*103 3*103 8*103

1m 10m 100m 1km 5km 10km

100 min

3

5

2

810

30

50

20

80

300

500

200

800

min

1 h

12 h

1 d103min

2 d

3 d4 d5 d

104min

105min

9 d

16d

30 d

44d

180 d

1y

2 y3 y4 y5 y

15 y10 y

107 min

106 min

44d30d26d16d

IRS P6Pan 5.8x5.8

LISS-3 23.5x23.5;AWIFS 56÷70

EROS A1Pan 1.8X1.8

TES, IRS Cartosat 2Pan 1X1

Formosat 2Pan 2X2 MSS 8X8

EROS BPan 0.7X0.7

IRS P5Pan 2.5X2.5

Resurs DK1Pan 1X1

MSS 2.5÷3.5

M5

Dziś…Dziś…

Możliwość pokrycia obszaru jednym Możliwość pokrycia obszaru jednym zobrazowaniemzobrazowaniem

Zachowanie stałych warunków oświetleniowychZachowanie stałych warunków oświetleniowych Periodyczność wykonania, a co za tym idzie, Periodyczność wykonania, a co za tym idzie,

aktualność aktualność Możliwość wykonania zobrazowań w rejonach Możliwość wykonania zobrazowań w rejonach

gdzie misja lotnicza byłaby niemożliwa ze gdzie misja lotnicza byłaby niemożliwa ze względów technicznych i politycznych względów technicznych i politycznych

Możliwość monitorowania w czasie Możliwość monitorowania w czasie Sprawna dystrybucja, skrócony czas Sprawna dystrybucja, skrócony czas

oczekiwaniaoczekiwania

Klimat miejski – celowość Klimat miejski – celowość zastosowania zobrazowań zastosowania zobrazowań satelitarnych:satelitarnych:

Mapowanie obszarów niekorzystnych klimatycznie w obrębie miasta

Klimat miejski – celowość Klimat miejski – celowość zastosowania zobrazowań zastosowania zobrazowań satelitarnych:satelitarnych:

Jutro…Jutro…

Zwiększenie ilości misjiZwiększenie ilości misji Dążenie do pozyskania obrazu w szerokim Dążenie do pozyskania obrazu w szerokim

pasie terenu w możliwie dobrej rozdzielczości pasie terenu w możliwie dobrej rozdzielczości przestrzennejprzestrzennej

Rozwój i popularyzacja małych satelitów Rozwój i popularyzacja małych satelitów Prace nad umieszczeniem satelitów o średniej i Prace nad umieszczeniem satelitów o średniej i

wysokiej rozdzielczości na orbicie wysokiej rozdzielczości na orbicie geostacjonarnej geostacjonarnej

Budowa i operowanie pikselem o wymiarze Budowa i operowanie pikselem o wymiarze 0,5m 0,5m

Lata 2012 – 2020: wzrost rozdzielczości Lata 2012 – 2020: wzrost rozdzielczości systemów obrazujących (10 cm dla zakresów systemów obrazujących (10 cm dla zakresów optycznych i do 0,5m dla systemów optycznych i do 0,5m dla systemów radarowych)radarowych)

Organizacja informacjiOrganizacja informacji pozyskanych na drodze pozyskanych na drodze teledetekcjiteledetekcji

2

CHARAKTERYSTYKA PRZYDATNOŚCI CHARAKTERYSTYKA PRZYDATNOŚCI ZOBRAZOWAŃ TELEDETEKCYJNYCH ZOBRAZOWAŃ TELEDETEKCYJNYCH POZYSKANYCH OD RÓŻNYCH SENSORÓW POZYSKANYCH OD RÓŻNYCH SENSORÓW

- SYSTEM NIIRS- SYSTEM NIIRS ORGANIZACJA DANYCH ZA POMOCĄ ORGANIZACJA DANYCH ZA POMOCĄ

SCHEMATU KLASYFIKACJISCHEMATU KLASYFIKACJI- USGS - U.S. Geological Survey - USGS - U.S. Geological Survey

Classification StandardClassification Standard- LBCS - Land-Based Classification Standard- LBCS - Land-Based Classification Standard

NIIRS:NIIRS:

2

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.

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.

Schemat klasyfikacji USGSSchemat klasyfikacji USGS

Atrybuty Roz.Czasowa Roz.Przestrzenna Roz.Spektralna

USGS Poziom pierwszyUSGS Poziom drugiUSGS Poziom trzeciUSGS Poziom czwarty

5 - 10 lat5 -10 lat3 - 5 lat1 - 3 lat

20 - 100 m5 - 20 m1 - 5 m0.25 - 1 m

V - NIR - MIR -RadarV - NIR - MIR -RadarPan - V - NIR - MIRPan

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: Schemat klasyfikacji LBCS: Wielowymiarowość (działalność, funkcja, struktura, charakter Wielowymiarowość (działalność, funkcja, struktura, charakter rozwojowy, własność).rozwojowy, własność).

PARK ROZRYWKI – PD KALIFORNIA

Działalność7000: czas wolnyFunkcja5310: zabawa, rozrywkaWłasność3000: publiczny rejon

zgromadzenia

Analiza cyfrowa – mapa zmian:Analiza cyfrowa – mapa zmian:

Miasto jest strukturą wielce skomplikowaną o Miasto jest strukturą wielce skomplikowaną o szczególnym nasileniu działalności przestrzenno-szczególnym nasileniu działalności przestrzenno-

ekonomicznych i społecznych, wynikających przede ekonomicznych i społecznych, wynikających przede wszystkim z realizacji potrzeb życiowych jego wszystkim z realizacji potrzeb życiowych jego

mieszkańców, czego wewnętrznym przejawem jest stale mieszkańców, czego wewnętrznym przejawem jest stale przekształcający się fragment przestrzeni, którą zajmuje.przekształcający się fragment przestrzeni, którą zajmuje.

Hiszpańskie miasto – Hiszpańskie miasto – WalencjaWalencja Landsat TM 1988r. oraz Landsat TM 1988r. oraz 2004 r.2004 r.

Analiza cyfrowa – mapa zmian:Analiza cyfrowa – mapa zmian:Korekcja geometrycznaKorekcja geometryczna

Liczba punktów transformacji:Liczba punktów transformacji:

n – stopień wielomianu n – stopień wielomianu w transformacjiw transformacjiMetoda resamplingu:Metoda resamplingu:Cubic convolutionCubic convolutionDokładność transformacji:Dokładność transformacji: x1,x2 – współrzędne x na obrazie 1 i 2x1,x2 – współrzędne x na obrazie 1 i 2y1,y2 – współrzędne y na obrazie 1 i 2y1,y2 – współrzędne y na obrazie 1 i 2

mmss (RMS) < ½ piksela (15m) (RMS) < ½ piksela (15m)

2

)2)(1( nn

221

221 yyxxRMS

Analiza cyfrowa – mapa zmian:Analiza cyfrowa – mapa zmian:Korekcja radiometrycznaKorekcja radiometryczna

Różne terminy rejestracji :Różne terminy rejestracji :różne stany oświetleniaróżne stany oświetleniawarunki atmosferycznewarunki atmosferycznestan detektorów skanerastan detektorów skanera

Erdas Imagine 9.0Erdas Imagine 9.0 : :Haze ReductionHaze Reduction Destripe TM dataDestripe TM data Histogram MatchingHistogram Matching

Analiza cyfrowa – mapa zmian:Analiza cyfrowa – mapa zmian:

Metoda odejmowania wartości odbicia Metoda odejmowania wartości odbicia spektralnego obrazów spektralnego obrazów nieprzetworzonych nieprzetworzonych

Metoda odejmowania wartości odbicia Metoda odejmowania wartości odbicia spektralnego obrazów przetworzonychspektralnego obrazów przetworzonych

Metoda klasyfikacji nadzorowanej Metoda klasyfikacji nadzorowanej

Różnicowanie obrazów Różnicowanie obrazów nieprzetworzonychnieprzetworzonych

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 Różnicowanie obrazów przetworzonychprzetworzonych

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 Różnicowanie obrazów przetworzonychprzetworzonych

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

)(

)(

REDNIR

REDNIRNDVI

Klasyfikacja nadzorowanaKlasyfikacja nadzorowana

Rok 1988 Rok 2004

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

Klasyfikacja nadzorowanaKlasyfikacja nadzorowana

teren inne teren inne (pola, naga (pola, naga ziemia, ziemia, suche łąki suche łąki itp.) itp.)

zabudowa zabudowa stara stara

zabudowa zabudowa nowa nowa

roślinność roślinność

Park Park Narodowy Narodowy

zabudowa zabudowa stara stara

morze morze zabudowa zabudowa nowa nowa

zabudowa zabudowa nowa nowa

zabudowa zabudowa stara stara

obiekty obiekty sportowe sportowe

roślinność roślinność

Rok 1988 Rok 2004

Wnioski końcowe:Wnioski końcowe:

Pojęcie teledetekcji obszarów miejskich nie istnieje bez usystematyzowanego Pojęcie teledetekcji obszarów miejskich nie istnieje bez usystematyzowanego

kryterium rozdzielczości.kryterium rozdzielczości.

Rozdzielczość czasowa realizowana przez systemy satelitarne (1-3 Rozdzielczość czasowa realizowana przez systemy satelitarne (1-3 ÷÷ 26 dni) jest wystarczająca 26 dni) jest wystarczająca

przy niemalże każdym atrybucie miejskim poza badaniem natężenia ruchu (5-10min), 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 W większości zadań miejskich niezbędna rozdzielczość spektralna to: pasmo VIS i PAN, w pełni

zapewniana przez analizowane w pracy systemy średnio- i wysoko- rozdzielcze. zapewniana przez analizowane w pracy systemy średnio- i wysoko- rozdzielcze.

Ograniczeniem dla zobrazowań satelitarnych są wymogi związane z rozdzielczością Ograniczeniem dla zobrazowań satelitarnych są wymogi związane z rozdzielczością

przestrzenną. Najmniejszy terenowy wymiar piksela satelity QuickBird 2 nie ma zastosowania przestrzenną. Najmniejszy terenowy wymiar piksela satelity QuickBird 2 nie ma zastosowania

w badaniach związanych ze szczegółową analizą dróg i zabudowy, gdzie górna granica wynosi w badaniach związanych ze szczegółową analizą dróg i zabudowy, gdzie górna granica wynosi

0.5m. 0.5m.

Schematy organizacji danych pozyskanych na drodze teledetekcji potwierdzają, iż Schematy organizacji danych pozyskanych na drodze teledetekcji potwierdzają, iż

zobrazowania satelitarne nie dostarczają pełnych informacji z zakresu badań zobrazowania satelitarne nie dostarczają pełnych informacji z zakresu badań

obszarów miejskichobszarów miejskich, ze względu na niewystarczający wymiar piksela obrazowania, ze względu na niewystarczający wymiar piksela obrazowania

Przeprowadzone w pracy analizy wykazały Przeprowadzone w pracy analizy wykazały przydatność zobrazowań satelitarnych średnio przydatność zobrazowań satelitarnych średnio

rozdzielczych - Landsat TMrozdzielczych - Landsat TM, w wykrywaniu zmian oraz mapowaniu terenów niekorzystnych , w wykrywaniu zmian oraz mapowaniu terenów niekorzystnych

klimatycznie, na obszarach urbanistycznych ze względu na wysoką rozdzielczość spektralną klimatycznie, na obszarach urbanistycznych ze względu na wysoką rozdzielczość spektralną

sensora.sensora.

Atuty systemów satelitarnychAtuty systemów satelitarnych, tj. monitorowania w czasie wykonywania danych inwestycji, , tj. monitorowania w czasie wykonywania danych inwestycji,

pokrycie obszaru jednym, ewentualnie kilkoma obrazami oraz aktualność, pokrycie obszaru jednym, ewentualnie kilkoma obrazami oraz aktualność, nie doprowadzą nie doprowadzą

do wyparcia z rynku danych lotniczychdo wyparcia z rynku danych lotniczych, ale powstanie rynek na którym będą się one , ale powstanie rynek na którym będą się one

wzajemnie uzupełniały i wzmacniały. wzajemnie uzupełniały i wzmacniały.

KoniecKoniec

Dziękuję za uwagęDziękuję za uwagę

Małgorzata JenerowiczMałgorzata Jenerowicz