Tartalom
Kivonat
A fejezet céljai: A fejezetben be kívánjuk mutatni, hogy miként lehet grafikus felületen egyszerű és bonyolultabb modelleket készíteni. A modellalkotás elemi lépésein keresztül folyamatábra megismertetjük az olvasóval, hogyan lehet gyorsan, programozási nyelv ismerete nélkül lehet modelleket készíteni. A fejezetben olyan modellt állítunk elő, mely a raszteres alapú digitális űrfelvételek intenzitás értékeiből radiancia, majd reflektancia értékeket ad eredményül.
Szükséges ismeretek, fogalmak: távérzékelés; reflektancia; elektromágneses sugárzás; raszteres adatmodell; pixelérték; függvény; függő- és független változó
kulcsszavak: radiometrikus felbontás, radiometrikus korrekció, radiancia, reflektancia, irradiancia
A műholdas távérzékelés során többnyire a Napból érkező és a Föld felszínéről visszaverődő vagy kisugárzódó elektromágneses sugárzás energiáját mérik a műholdon elhelyezett érzékelő berendezések. A felvételezés ún. pásztázó technikával történik, vagyis a mozgó vagy rögzített optikai rendszeren keresztül a fókuszsíkon lévő detektorok felületére érkezik az analóg jel. A detektorok érzékenységétől függ, hogy mekkora az az adott hullámhossztartományban érkező energiamennyiség amit már, ill. még érzékelni tud a detektor. Az érzékelt energiát alakítja a fedélzeti rendszer számokká a radiometrikus felbontásnak megfelelően. A modern távérzékelésben legalább 8 biten, de esetenként 10, 11 biten is tárolják a spektrális információt. Ez azt jelenti, hogy a minimális (már érzékelhető) energiamennyiség (LMINλ) és a maximális (még érzékelhető) energiamennyiség (LMAXλ) közötti intervallumban hányféle energiaszintet tud a rendszer megkülönböztetni (8 biten pl. 0-tól 255-ig). A műholdas távérzékelés során létrejövő űrfelvétel nagy előnye, hogy minden képelem (pixel) értéke mérési eredményként jön létre, ugyanakkor a radiometrikus felbontás révén nem a felszínről visszavert energiaértéket olvashatjuk ki a pixel értékeként, hanem az ún. intenzitásértéket (DN). Az intenzitásértékek nehezen hasonlíthatók össze akkor, ha különböző évszakokban készült űrfelvételeket akarunk összehasonlítani, hiszen a felszínborítás változása mellett változnak a besugárzási viszonyok is, így a napsugarak beesési szöge, vagy a beérkező energiamennyiség a Föld-Nap távolságának változása miatt. Az űrfelvételek idősoros elemzéséhez tehát szükséges olyan abszolút skála használata, amely alapján két vagy több űrfelvétel összehasonlítható egymással. Ehhez a felvételezés változó körülményeit és a detektorok változó állapotát leíró, a változásokat figyelembe vevő modell elkészítésére és alkalmazására van szükség. A modell így lehetőséget nyújt az ún. radiometrikus korrekcióra. A radiometrikus korrekció részeredménye az adott felületről visszavert összenergia-mennyiség. Végeredménye pedig az adott hullámhossztartományban a felületről visszavert összenergia, valamint a Napból induló és felületre (atmoszférikus hatásoktól mentes) beérkező összenergia hányadosa, ill. ennek 100-szorosa. Ez utóbbi értéket nevezzük reflektanciának és %-ban fejezzük ki.
A modellünknek alkalmasnak kell lennie arra, hogy figyelembe vegye a változó paramétereket, ill. részeredményként a radianciát, végeredményként a reflektanciaértéket megadja minden képelemre vonatkozóan.
A radiancia érték egyszerűen kiszámolható, ha ismert a LMINλ és LMAXλ értéke. Ezeket általában a műholdfelvételekhez csatolt ún. metafile-okban vagy a műhold technikai adatait is tartalmazó honlapon találjuk meg. A detektorok „elöregedése” miatt a detektorokra vonatkozó paraméterek időszakonként módosulnak. (Chandler-Markham, 2003).
Az adott hullámhosszon, a detektoron mérhető spektrális radiancia értéke kiszámolható a következő képlet alapján
ahol Qcalc a maximális lehetséges pixelérték a radiometrikus felbontás szerint, 8 bit esetén 255 W/m2*sr*μm
Az adott hullámhosszhoz tartozó detektor esetében az (LMAXλ-LMINλ)/Qcalc értéke konstans és a szakirodalom Grescale értékként adja meg (lásd a fejezet 1. ábrája), míg a LMINλ értékét egyszerűen Brescale értéknek nevezi. Így a fenti képlet egyszerűen
alakban is megadható.
Az adott hullámhossztartományban (λ) a geometriai felbontásnak megfelelő területet (Landsat TM esetén 30*30 m2) reprezentáló pixelhez tartozó reflektancia kiszámítható a következőképpen
ahol
Refλ az adott λ hullámhosszon a reflektancia értéke
Lλ a detektoron mérhető spektrális radiancia,
d a Föld-Nap távolsága csillagászati egységben,
ESUNλ az átlagos külső-atmoszférikus irradiancia,
θ a napsugarak beesési szöge a zenithez képest fokokban (Chandler-Markham, 2003)
A Refλ így kiszámolt értéke 0 és 1 közé eső szám, melyet 100-zal megszorozva kapjuk meg a reflektanciát %-ban.
A reflektancia számításához szükséges fenti képletből az Lλ (a detektoron mérhető spektrális radiancia) értékét már kiszámoltuk. A Föld-Nap távolságát a felvételezés időpontjának ismeretében lehet kiszámítani. A felvételezés időpontja szintén a metafileból olvasható ki. A Landsat felvételek pl. ingyenesen letölthetők a GLOVIS honlapról. Az űrfelvételhez tartozó metafile a File/Download Visible Browse & Metadata almenűből tölthető le és txt fileként egy szövegszerkesztőben megtekinthető.
A 12.2.ábrán látható 187-027-es keresőkoordinátájú 1994. szeptember 13-án készült kép első és utolsó sorának felvételezési ideje az alábbi volt a kép metaadata (link a filera) szerint:
start_time = 1994:256:08:43:25.82388
stop_time = 1994:256:08:43:52.77238
A kép közepén (szintén a metafileból)
scene_center_lat = 47.46390; scene_center_lon = 20.22891
a műhold kb. az 1994-es év 256. napján 8 óra 43 perc 39 mp-kor haladt át.
Ehhez az időponthoz tartozó Föld-Nap távolságot, ill. ezen távolság és az átlagos Föld-Nap távolság (AU=149,597,870,700±3 m) arányát megkaphatjuk, ha a következő linken elérhető honlapon (utolsó elérés: 2013. január 03.) http://www.fourmilab.ch/cgi-bin/uncgi/Solar/action?sys=-Si
a megfelelő helyekre beírjuk a szükséges paramétereket (a képközéppont földrajzi koordinátáit és a képközépponton történő áthaladás idejét):
Ezekből a képkészítés idején a Föld-Nap távolsága, vagyis a képletben szereplő d értéke 1,006 AU volt .
A napsugarak beesési szögét szintén tartalmazza a metafile,
sun_elevation = 40.2433155° , amit a metafile a horizonthoz képest ad meg, így a képletben szereplő θ értéke 90-40.2433155=49.7566845°
Az ESUNλ (az átlagos külső-atmoszférikus irradiancia) értékét szakirodalomból (Chandler-Markham, 2003) olvashatjuk ki.
Az űrfelvétel minden képelemére ismert az intenzitás érték. Ezért az intenzitásértékből radianciát, majd reflektanciát számoló modell feladata, hogy minden bemenő képelemre, annak intenzitásértékéből és az előbb meghatározott változók értékeinek, továbbá a képletben szereplő konstansok értékeinek ismeretében, megadja kimenő információként a képelemet (adott területet) jellemző radiancia, ill. reflektancia értéket.
A grafikus modellező használata megkönnyíti a az adott szoftverkörnyezetben nem kidolgozott munkafolyamat végrehajtását. Saját magunk készíthetünk modellt, melyet folyamatábraként is értelmezhetünk. Néhány beépített összetett művelet is valójában egy grafikus modell, melynek háttérben történő futtatása eredményezi a művelet végrehajtását. Az Erdas Imagine 9.1. verziójában a beépített modelleket elérhetjük a Leica Geosystems/Geospatial Imaging 9.1/etc/models könyvtárban és betölthetjük a Modeler főikon alól indítható a Model Maker-ből pl. a File/Open paranccsal.
Az elkészítendő modell egyszerű szerkezetű, hiszen a letöltött raszteres állományon kell pixelenként végrehajtani az ismert függvény szerinti műveletsort, majd az eredményt képként el kell menteni. Az új modell megnyitása a Modeler főikon Model Maker menűjére kattintva történik. A képernyőn megjelenik egy üres, fehér felületű ablak (New_Model) melybe a jobbra lévő Tools (Eszközök) segítségével húzható be a megfelelő grafikus eszköz.
Az elkészítendő modell minden részeleme ismert. Az űrfelvételt letöltöttük pl. a Glovis rendszerből a metafile-lal együtt. Az intenzitásértékekből – minden pixelre vonatkozóan – a megadott képleteknek megfelelően ki lehet számítani a radiancia és a reflektanciaértékeket. A modellalkotás folyamata 3 részre bontható:
a, a bemenő (input) űrfelvétel megadása,
b, a radiancia és a reflektancia értéket megadó függvény szerkesztése,
c, a kimenő (output), raszteres adatállomány mentése képként.
Input file megadása a grafikus modellezőben
A modell input raszteres állománya egy létező űrfelvétel, melynek felvételezési ideje meghatároz egyéb paramétereket is. Az elkészítendő modellünk nem interaktív abban a tekintetben, hogy rugalmasan alkalmazkodik bármilyen bemenő űrfelvétel változó paramétereihez. Emiatt, ha változik a modell input rétege, akkor a belső függvény paramétereit is változtatnunk kell és az egész modellt más néven kell mentenünk. A bemenő raszter réteget a modell input rétegeként az Eszközpaletta (Tools) raszter ikonjának a fehér szerkesztőfelületbe történő mozgatásával tehetjük meg. A bemenő raszterréteg megadása (a raszter ábrára kattintva) történhet úgy, hogy a modell input raszterréteg nevét azonnal beírjuk a megfelelő helyre (File Name a Raster ablakban), de történhet úgy is, hogy a modell futtatása közben választjuk ki a megfelelő képet. Ez utóbbi esetben a Raster ablakban a Prompt User for File at Run Time szöveg előtt kapcsolóikonra kell kattintani!
Függvény megadása és szerkesztése a grafikus modellezőben
A függvény a meghatározott műveleteket a bemenő adatokon hajtja végre. A modellbe a függvényt az Eszközpaletta (Tools) függvény ikonjának a fehér szerkesztőfelületbe történő mozgatásával tehetjük meg. Ezután a Eszközpaletta (Tools) kapcsoló ikonjával összekapcsolhatjuk a bemenő raszterréteget a függvénnyel. Ugyanazzal a réteggel több függvényt is összekapcsolhatunk.
A fenti ábrán a lehetséges input a felhasználó által a modell futtatása közben kiválasztott file lehet. A függvény definiálása a Function Definition ablak jobb oldalán található, nagyon sok lehetőséget tartalmazó, gördülő menü alapján történik, kezdve a legegyszerűbb aritmetikai műveletektől a bonyolultabb függvénydefiniálásig. A kiválasztott függvény megadását a megadott szintaxis segíti.
Példánkban a (2) képlet alapján a Landsat TM szenzor 1. sávjában radianciaértéket megadó függvény a következő:
LλL5TM1s = 0,602431 * $n1_PROMPT_USER(1) - 1.52
ahol a $n1_PROMPT_USER(1) kifejezés hivatkozik a felhasználó által a modell futtatása közben megadott raszteres állomány (L5TM1s=Landsat 5 TM szenzor 1 sáv) elő rétegére.
Ebből a (3) képlet (Refλ=(Π * Lλ * d2) / (ESUNλ * cosθs)) alapján
Refλ= Π * (0,602431 * $n1_PROMPT_USER(1) - 1.52) * 1,006**2) / (1957 * cos(PI/180 * 49,7566845))
Amennyiben a radianciát külön is el kívánjuk menteni, akkor modellt a két függvény külön alkalmazásával kettéoszthatjuk (10. ábra)
Miután a radiancia és a reflektancia értékek számításakor a detektor paraméterei sávonként változnak (1. ábra), így a függvényeket sávonként kell beépíteni a modellbe. A Landsat TM esetében az első 5 sávban, valamint 7. sávban mérjük a földfelszínről visszavert elektromágneses sugárzást. Ezért csak ezekre a sávokra lehet reflektanciát számolni. A hőtartományú infravörös tartományban (6. sáv) a földfelszín által kisugárzott energiát mérjük, így reflektanciát nem lehet számolni ebben a sávban, de a radiancia ismeretében kiszámolható a felszín hőmérséklete (lásd Chandler-Markham, 2003). A reflektanciát sávonként megadó modell egy 6 ágú folyamatábraként jellemezhető, és következőképpen néz ki:
A Glovis-ból letöltött űrfelvételt a felvételezés geometriája alapján korrigálták UTM (WGS84) rendszerbe, így a képet tartalmazó raszteres állomány 4 sarkában fekete háromszög-alakú területeket találunk, ahol a pixel értéke 0. Ezek reflektanciaértéke természetesen 0 lesz. A reflektanciaérték számításában esetleg előfordulhat, hogy a kiszámított érték < 0, ezért egy egyszerű feltételes függvény beiktatásával az ilyen pixelekhez a 0 értéket rendelhetjük. Például az 1.sáv feltételes függvénye a következő a modellünkben:
EITHER 0 IF ( $n8_PROMPT_USER < 0 ) OR $n8_PROMPT_USER OTHERWISE Min
12.12. ábra - Radiancia és reflektancia értékeket számító modell teljes struktúrája sávonként összefűzéssel
 |
A kész modellt mentsük el, és a Process menű Run funkciójával indítsuk el a modell (a program) futását. Hiba nélküli modell futásakor csak a felhasználó által megadandó input és outfile-ok nevét kell kiválasztani vagy megadni. A kész képi állomány az Erdas Viewer-ben nyitható meg.
Megjegyzés: Az Erdas újabb verziója (v10.x) a Landsat 7 ETM+ szenzorával készített űrfelvételek radiometrikus korrekciójához tartalmaz már egy interaktív felületet. Ezzel a radoimetrikus korrekció modellalkotás nélkül elvégezhető. Hasonló elven működnek az Erdas Imagine-hez külön megvásárolható Atcor2 és Atcor3 modulok, melyek a radiometrikus korrekció mellett elvégzik az űrfelvétel atmoszférikus korrekcióját is sík felszín (Atcor2), ill. digitális domborzatmodell (Atcor3) felhasználásával.