Συστήματα καταγραφής - Είδη αισθητήρων

Γενικά στοιχεία

Ο όρος απομακρυσμένοι αισθητήρες (remote sensors) περιλαμβάνει όλα τα όργανα ανίχνευσης και μέτρησης από απόσταση της ανακλώμενης ή εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, καθώς και τα ανακλώμενα ακουστικά κύματα από αντικείμενα που βρίσκονται κάτω από τις υδατικές μάζες, στην περίπτωση των Sonar. Οι αισθητήρες διακρίνονται σε δυο μεγάλες κατηγορίες, που είναι οι καταγραφικοί (π.χ. ο φασματογράφος) και οι απεικονιστές. Οι πρώτοι μετρούν την ένταση της ακτινοβολίας, κάτω από συνεχείς διακυμάνσεις του μήκους κύματος, με ταυτόχρονη καταγραφή σε διαφορετικά φασματικά κανάλια. Οι δεύτεροι λειτουργούν καταγραφικά σε δυο διαστάσεις (μήκος και πλάτος), συνθέτοντας την εικόνα του αντικειμένου που ανιχνεύουν. Η απεικόνιση αυτή μπορεί να γίνει με κατακόρυφη σχέση αισθητήρα και αντικειμένου στη γήινη επιφάνεια, οπότε και έχουμε τις κατακόρυφες εικόνες ή με γωνία διαφορετική από την κατακόρυφο, οπότε και έχουμε τις υπό γωνία ή κεκλιμένες εικόνες.

Οι απεικονιστές μπορούν να ταξινομηθούν:

• ανάλογα με τις διεργασίες ανίχνευσης (π.χ. φωτογραφικοί ή απεικονιστές τηλεόρασης),

• ανάλογα με τη φασματική περιοχή λειτουργίας τους ή του τρόπου λειτουργίας τους (π.χ. ενεργητικοί ή παθητικοί απεικονιστές). Σύμφωνα με τους Lillesand και Kiefer (2000) οι απεικονιστές ταξινομούνται σε οπτικούς (optical) ή παθητικούς και μικροκυματικούς (microwave) ή ενεργητικούς. Οι οπτικοί απεικονιστές λειτουργούν στην υπεριώδη, ορατή και υπέρυθρη περιοχή του φάσματος και όλοι χρησιμοποιούν για απεικόνιση στοιχεία ανάκλασης και επανεκπομπής. Οι μικροκυματικοί απεικονιστές λειτουργούν σε φασματική περιοχή με μήκος κύματος ίσο ή μεγαλύτερο του χιλιοστού και χρησιμοποιούν την ακτινοβολία που οι ίδιοι εκπέμπουν.

Χαρακτηριστικά των μέσων τηλεπισκόπησης

Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά της τηλεπισκόπησης στην χρήση εικόνων, όπου χρησιμοποιούνται φασματικά κανάλια στο ορατό, υπέρυθρο και μικροκυματικό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, περιγράφονται με την χωρική, φασματική, ραδιομετρική και χρονική διακριτική ικανότητα ή ανάλυση. Για ορισμένα όργανα καταγραφής η απόσταση μεταξύ της γήινης επιφάνειας και του οργάνου καταγραφής αποτελεί καθοριστικό ρόλο στην λεπτομέρεια της πληροφορίας που καταγράφεται. Η ευδιάκριτη λεπτομέρεια σε μια εικόνα εξαρτάται από την χωρική διακριτική ικανότητα του οργάνου καταγραφής και αναφέρεται στο μέγεθος του μικρότερου χαρακτηριστικού που μπορεί να ανιχνευθεί. Συνήθως οι δορυφόροι που βρίσκονται σε πολύ υψηλή τροχιά ενώ καταγράφουν μεγάλες περιοχές η διακριτική ικανότητα περιορίζεται. Ανεξάρτητα από διακριτική ικανότητα ενός συστήματος μικρά χαρακτηριστικά μπορούν να αναγνωριστούν εάν η φασματική τους απόκριση διαφέρει σημαντικά από το περιβάλλοντα χώρο (π.χ. δρόμοι). Εάν ένα σύστημα καταγραφής έχει χωρική διακρικτική ικανότητα 20m τότε στην αντίστοιχη εικόνα κάθε pixel αντιπροσωπεύει μια περιοχή της επιφάνειας ίση με 20x20m.

Ο Αστάρας (1994) αναφέρει ως χωρική διακριτική ικανότητα μιας εικόνας ή φωτογραφίας, την ελάχιστη απόσταση μεταξύ δυο αντικειμένων, στην οποία οι διαστάσεις τους φαίνονται χωριστά και καθαρά. Η χωρική διακριτική ικανότητα εξαρτάται από την αντίθεση φωτεινότητας (contrast) των αντικειμένων της εικόνας. Ως αντίθεση φωτεινότητας ορίζεται ο λόγος της διαφοροποίησης στην φωτεινότητα, μεταξύ ενός αντικειμένου και των υπολοίπων που βρίσκονται γύρω του, ή του αθροίσματος των δυο αυτών φωτεινοτήτων, εκφραζόμενο %.

Σύμφωνα με τον Campbell (1996) ως αντίθεση ορίζεται ως η διαφοροποίηση της φωτεινότητας ενός αντικειμένου, σε σχέση με το "φόντο" που υπάρχει γύρω του. Η αντίθεση (contrast) εξαρτάται από:

• το σχήμα των αντικειμένων ή των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους,

• το λόγο του προσανατολισμού (όψη-aspect ratio) του μήκους σε σχέση με το πλάτος,

• τον αριθμό των αντικειμένων σε μια περιοχή,

• το "άπλωμα" (βαθμός που εκτείνεται) και η ομοιομορφία του γύρω χώρου.

Όσον αφορά αποκλειστικά τις φωτογραφίες (αναλογικά προϊόντα), αυτή εκφράζεται σε ζεύγη γραμμών που μπορούν να διακριθούν και εξαρτάται από την ανθρώπινη όραση, την κλίμακα και την απόσταση παρατήρησης. Στις δορυφορικές ψηφιακές εικόνες που παράγονται από τους σαρωτές ή τις κάμερες, η χωρική διακριτική ικανότητα ταυτίζεται με το "στοιχείο της εικόνας" (pixel) που είναι η "στοιχειώδης επιφάνεια" της γης που καταγράφεται από τους δέκτες. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος μέτρησης της χωρικής διακριτικής ικανότητας, που βασίζεται στις γεωμετρικές ιδιότητες του συστήματος είναι το Στιγμιαίο Πεδίο Λήψεως ή IFOV (Instantaneous Field of View) του αισθητήρα.

Το IFOV ορίζεται ως η περιοχή στη γήινη επιφάνεια που ανιχνεύεται από το ανάλογο όργανο, για ένα συγκεκριμένο ύψος λήψης, σε μια δεδομένη στιγμή και εξαρτάται από την ταχύτητα της κίνησης σάρωσης και την κίνηση του μέσου μεταφοράς του συστήματος. Άλλοι τρόποι μέτρησης είναι το Ground Resolved Distance (GRD), το Line Pairs per Millimeter (LPM) και το Modulation Transfer Function (MTF). Η δεύτερη σημαντική ιδιότητα ενός οπτικού συστήματος εικόνας είναι η φασματική διακριτική ικανότητα. Η φασματική διακριτική ικανότητα σχετίζεται με τον αριθμό των φασματικών καναλιών που χρησιμοποιεί ο κάθε δορυφόρος και είναι πολύ σημαντική ιδιότητα, όπως αναδεικνύεται στην συνέχεια, αφού στις πολυφασματικές εικόνες:

• η θέση στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, το εύρος και ο αριθμός των φασματικών καναλιών, μπορούν να καθορίζουν τον βαθμό και το είδος των διαφόρων στόχων και

• η χρήση τους μπορεί να επιφέρει πολύ καλά αποτελέσματα διακριτικής ικανότητας σε σχέση με οποιοδήποτε μεμονωμένο φασματικό κανάλι.

Πολυφασματικά ονομάζονται τα συστήματα που καταγράφουν σε πάνω από δυο φασματικές ζώνες και υπερφασματικά με δεκάδες φασματικές ζώνες και πολύ μικρό εύρος των ζωνών. Όμως, η αύξηση της φασματικής ανάλυσης δεν μπορεί να αυξηθεί απεριόριστα χωρίς να πληρωθεί κάποιο τίμημα. Η αύξηση της φασματικής ανάλυσης στα τεχνολογικώς προηγμένα συστήματα δορυφόρων επιδρά αρνητικά στα παραγόμενα προϊόντα, με τη μείωση του λόγου S/N (S=σήμα, Ν=θόρυβος - signal to ratio). Τα συστήματα pushbroom ("σάρωση κατά μήκος"), που χρησιμοποιούνται σήμερα, δίνουν καλύτερα αποτελέσματα στον λόγο S/N για υψηλής φασματικής ικανότητας προϊόντα, σε σχέση με τους μηχανικούς σαρωτές.

Τα ραδιομετρικά χαρακτηριστικά περιγράφουν την πραγματική πληροφορία που περιέχεται σε μια εικόνα. Κατά την αποτύπωση μιας εικόνας, η ευαισθησία της στη ένταση της ανακλώμενης ενέργειας καθορίζει την ραδιομετρική ικανότητα. Ουσιαστικά η ραδιομετρική ικανότητα περιγράφει την ικανότητα ενός συστήματος να καταγράφει διαφορές στην ισχύ του σήματος. Τα δεδομένα μιας εικόνας αντιπροσωπεύονται από ψηφιακές τιμές που μεταβάλλονται από 0 έως μια τιμή Χ παραγωγή του 2(Χ²). Η αύξηση της ραδιομετρικής ικανότητας προκαλεί ανάλογη αύξηση των διαβαθμίσεων του γκρι στην εικόνα, και επομένως έχουμε μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα των στόχων. Ο Tucker (1979) ανακάλυψε τη σχέση μεταξύ της ραδιομετρικής ικανότητας και της ικανότητας να διακρίνει διαφορετικά είδη βλάστησης και παρατήρησε ότι επήλθε βελτίωση 2-3% με την χρήση 256 διαβαθμίσεων του γκρι (8 bits) σε σύγκριση με την χρήση 64 (6 bits).

Η χρονική διακριτική ικανότητα ενός συστήματος σχετίζεται με την συχνότητα λήψης εικόνων για την ίδια περιοχή. Η περίοδος επαληψιμότητας για ένα δορυφορικό σύστημα συνήθως είναι της τάξης κάποιων ημερών για να μπορέσει να αποτυπώσει την ίδια γεωγραφική περιοχή με την ίδια γωνία παρατήρησης, απόλυτη χρονική διακριτική ικανότητα. Στα χαρακτηριστικά που θα πρέπει να ικανοποιούνται από τη διαχρονική ανάλυση έτσι ώστε τα αποτελέσματα να είναι όσο το δυνατόν πιο αξιόπιστα, είναι τ΄ ακόλουθα:

• Οι διαχρονικές εικόνες πρέπει να λαμβάνονται από τα συστήματα καταγραφής την ίδια περίπου ώρα της ημέρας, ώστε να εξαλείφονται οι ημερήσιες διαφορές της γωνίας πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας, διότι προκαλούν ανώμαλες διαφοροποιήσεις των ιδιοτήτων ανάκλασης των αντικειμένων.

• Θα πρέπει να λαμβάνονται την ίδια περίοδο του έτους, ώστε να μειώνονται στο ελάχιστο οι φαινολογικές διαφοροποιήσεις διαφόρρων επιφανειακών χαρακτηριστικών. Ορισμένα δορυφορικά συστήματα έχουν την δυνατότητα να στοχεύουν την ίδια περιοχή ενώ βρίσκονται στην επόμενη ή την μεθεπόμενη τροχιά, λόγω της ικανότητας στρέψης του σαρωτή υπό γωνία, ενώ κάποια άλλα συστήματα μεταξύ δυο συνεχόμενων τροχιών παρέχουν επικάλυψη που κυμαίνεται από 10% έως 30%. Επομένως, η πραγματική χρονική διακριτική ικανότητα εξαρτάται από τις δυνατότητες του συστήματος, την επικάλυψη και το γεωφραφικό μήκος της περιοχής.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μέσων τηλεπισκόπησης

Οπτικά συστήματα: στα οποία υπάγονται οι κάμερες και οι σαρωτές.

Κάμερες: Πρόκειται για φωτογραφικές μηχανές που χρησιμοποιούν φιλμ, καλύπτουν το ορατό φάσμα και το κοντινό υπέρυθρο. Ο συνδυασμός φακών - φίλτρων - φιλμ και το ύψος λήψης διαμορφώνει το τελικό αποτέλεσμα, που είναι η εικόνα, ασπρόμαυρη ή έγχρωμη αποτυπωμένη σε χαρτί ή σε φιλμ (θετικό ή αρνητικό).

Πλεονεκτήματα:

• Δεν απαιτούν πολύπλοκα λογισμικά επεξεργασίας.
• Απαιτούν απλές γεωμετρικές διορθώσεις.
• Χαρακτηρίζονται από δυνατότητα μεγάλης χωρικής διακριτικής ικανότητας.
• Έχουν ευρύτατο στιγμιαίο πεδίο λήψης.

Μειονεκτήματα:

• Εξαρτώνται από τις καιρικές συνθήκες και την ηλιακή φωτεινότητα.
• Εμφανίζουν περιορισμό φασματικής ανάλυσης που καθορίζεται από τα φίλμ.
• Έχουν περιορισμένη λήψη εικόνας.
• Επιτρέπουν πολύ μικρή δυνατότητα βελτίωσης της εικόνας.
• Έχουν μεγάλη απώλεια πληροφόρησης κατά τη μετατροπή τους σε ψηφιακή μορφή μετά τη σάρωση.

Σαρωτές: Πρόκειται για όργανα που παράγουν εικόνες σε διαφορετικά φασματικά κανάλια ταυτόχρονα, σαρώνοντας την επιφάνεια της γης. Καλύπτουν το ορατό φάσμα και το υπέρυθρο.

Πλεονεκτήματα:

• Έχουν απεριορίστη λήψη δεδομένων.
• Παρουσιάζουν μεγάλη φασματική ανάλυση.
• Εμφανίζουν μεγάλη διακριτική ικανότητα.

Μειονεκτήματα:

• Παρουσιάζουν γεωμετρική παραμόρφωση που οφείλεται στην χρήση μηχανικών σαρωτών η οποία αν και μικρή δεν μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα.
• Εμφανίζουν προβλήματα σχετικά με τη ραδιομετρική διαβάθμιση. Έχουν εξάρτηση από τις καιρικές συνθήκες και την ηλιακή φωτεινότητα.

Radar: Ως επί το πλείστον είναι ενεργητικά συστήματα καταγραφής και καλύπτουν το μικροκυματικό φάσμα.

Πλεονεκτήματα:

• Δεν εξαρτώνται από τις καιρικές συνθήκες και την ηλιακή φωτεινότητα του γήινου περιβάλλοντος (λειτουργούν ημέρα και νύχτα με μερική ή ολική νεφοκάλυψη).
• Μπορούν να χρησιμοποιούν διάφορες φασματικές ζώνες αν και τα πιο πολλά συστήματα περιορίζονται σε μια ζώνη.

Μειονεκτήματα:

• Χρειάζονται αρκετό χρόνο και πολύπλοκα λογισμικά για την επεξεργασία των δεδομένων.
• Απαιτούν σημαντικές γεωμετρικές διορθώσεις στις οποίες κρίνεται αναγκαία η χρήση DEM (Ψηφιακών Υψομετρικών Μοντέλων).
• Έχουν μειωμένη λήψη δεδομένων.
• Δεν παρέχουν πολυφασματικά δεδομένα (με εξαίρεση πειραματικές πτήσεις και διαστημικά λεωφορεία).

Σχετικές σελίδες

Γενικά στοιχεία για τα συστήματα καταγραφής και τα είδη αισθητήρων

Χαρακτηριστικά των μέσων τηλεπισκόπησης

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μέσων τηλεπισκόπησης

Τηλεπισκόπηση