Τηλεπισκόπηση

Ορισμός

Η τηλεπισκόπηση (Remote sensing) ορίζεται ως η τεχνική απόκτησης πληροφοριών για αντικείμενα που βρίσκονται στη γήινη επιφάνεια, μέσα από την ανάλυση δεδομένων που συλλέγονται από ειδικά όργανα τα οποία όμως δεν έχουν φυσική επαφή με τα αντικείμενα. Έτσι, η τηλεπισκόπηση μπορεί να αποδοθεί και ως η αναγνώριση ενός αντικειμένου από απόσταση. Η τηλεπισκόπηση διαφέρει από την επιτόπια παρατήρηση ή μέτρηση στο ότι στη δεύτερη το ειδικό όργανο παρατήρησης είναι μέσα ή εφάπτεται του αντικειμένου που μετράμε ή ερευνάμε, όπως π.χ. το θερμόμετρο. Οι Lillesand και Kiefer (2000) ορίζουν την τηλεπισκόπηση ως την επιστήμη και τέχνη του να επιτυγχάνουμε πληροφόρηση για αντικείμενο, περιοχή ή φαινόμενο, από την ανάλυση δεδομένων που αποκτήθηκαν από ένα μέσο το οποίο δεν είναι σε επαφή με το αντικείμενο, την περιοχή ή το φαινόμενο που εξετάζεται.

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (EMR) είναι η βασική ποσότητα ενέργειας όπου έχει την ικανότητα να παράγει έργο, και η οποία μετράται σε Joules. Η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια εκφράζεται όπως είναι γνωστό, σαν μηχανική, χημική, ηλεκτρική και θερμική. Η μετάδοση της ενέργειας γίνεται με επαφή, μεταφορά και ακτινοβολία. Απ' αυτούς τους τρεις παράγοντες μόνο η ακτινοβολία είναι δυνατό να μεταδώσει ενέργεια από ένα σώμα σ' ένα άλλο χωρίς την παρέμβαση ενδιάμεσου φορέα και διασχίζοντας εκατομμύρια χιλιόμετρα στο κενό διάστημα. Τη μέθοδο της μεταφοράς ενέργειας με ακτινοβολία, εκμεταλλεύεται και η τηλεπισκόπηση, η οποία γίνεται από ένα σώμα προς τον δέκτη (κατάλληλο αισθητήριο όργανο) που λαμβάνει το σήμα.

Νόμοι ακτινοβολίας

Στην περίπτωση της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας δυο μοντέλα είναι αυτά που περιγράφουν και διασαφηνίζουν τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά της:

Μοντέλο κύματος: Kάθε μόριο με θερμότητα πάνω από το απόλυτο μηδέν ταλαντώνεται (πάλλεται). Αυτή η ταλάντωση προκαλεί μια αναταραχή, κυματική στο ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο που περιβάλλει το μόριο, το οποίο έτσι δρά ως πηγή ακτινοβολίας. Αυτά τα δυο πεδία είναι κάθετα μεταξύ τους. Το κύμα ταλάντωσης ταξιδεύει από την πηγή με σταθερή ταχύτητα, την ταχύτητα του φωτός που ισούται με 3x10⁹ m/sec και συμβολίζεται με c, όταν το μέσο διάδοσης είναι το κενό.

Το γινόμενο του μήκους κύματος (λ) μιας φωτεινής ακτινοβολίας επί την αντίστοιχη συχνότητα της (ν) είναι σταθερό και ισούται με την ταχύτητα του φωτός που είναι ε (c): λν=c

Θεωρία των κβάντα: Αυτή δίνει έμφαση στις όψεις της συμπεριφοράς της ακτινοβολίας και υποστηρίζει ότι αποτελείται από πολλά μικρά σωματίδια τα quanta φωτός τα οποία αργότερα ονομάστηκαν από τον Einstein, φωτόνια. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι εκτός από την κυματική, το φώς έχει και ιδιότητες σώματος. Η ενέργεια που φέρει ένα φωτόνιο ορίζεται ως: E/ν=h όπου h: η σταθερά του Planck= 6,625x10^-27 erg/sec ή 6,626x10^-34 J/s, ν: συχνότητα του κύματος.

Οι νόμοι που διέπουν τις πηγές ακτινοβολίας με την αντίστοιχη ΕMR που εκπέμπουν είναι οι ακόλουθοι:

Νόμος Planck: Ο νόμος αυτός μας επιτρέπει τον υπολογισμό του ποσού της EMR που ακτινοβολείται από ένα σώμα για συγκεκριμένη θερμοκρασία και μήκος κύματος.

E(T) = C₁*λ^-5*d*λ*e^C₂/λ*Τ

Νόμος Stephan-Boltzman: Aποτελεί το ολοκλήρωμα για όλα τα μήκη κύματος του νομου του Planck. Είναι σημαντικό να κατανοηθεί ότι από το νόμο των Stephan-Βoltzman συνάγεται ότι όσο υψηλότερη θερμοκρασία έχει ένα σώμα τόσο περισσότερη ακτινοβολία εκπέμπει. Το γεγονός αυτό λαμβάνεται σοβαρά υπόψη κατά το σχεδιασμό των αισθητήρων που μετρούν την EMR. Ψυχρότερα σώματα, όπως π.χ. η Γή, εκπέμπουν λιγότερη ενέργεια και κατά συνέπεια απαιτείται ή μεγαλύτερος χρόνος έκθεσης ή χρήση μεγαλύτερης στοιχειώδους επιφάνειας (εικονοστοιχείο, pixel) προκειμένου να συλλεχθούν αρκετά φωτόνια για μια αξιόπιστη μέτρηση η οποία δεν θα επηρεάζεται από το θόρυβο.

Νόμος μετατόπισης του Wein: Ο νόμος αυτός ορίζει ότι το μήκος κύματος κατά το οποίο παρατηρείται η μέγιστη εκπομπή φωτός από μια φωτεινή πηγή είναι αντιστρόφως ανάλογο της θερμοκρασίας της πηγής:

λ_m=2897/T.

Νόμος Beer-Lambert: Σύμφωνα με το νόμο αυτό (φέρεται επίσης και ως νόμος Beer-Lambert-Bouguer ή ακόμη και ως ο νόμος Βeer) η φωτεινή ενέργεια ακτινοβολίας με συγκεκριμένο μήκος κύματος που χάνεται (dI_λ) κατά τη διέλευση της από ένα υγρό είναι ανάλογη με την εισερχόμενη (Ι_λ), την πυκνότητα του υγρού (ρ) και το μήκος της διαδρομής (ds) μέσα στο υγρό:

dI_λ=Ι_λ*k_λ*ρds.

Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία - Φασματικά κανάλια

Ολόκληρο το εύρος της ηλεκτρικής ακτινοβολίας αποτελεί το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. (EMS-Electromagnetic Spectrum). Το φάσμα διαχωρίζεται σε φασματικά κανάλια, (spectral bands), τα οποία με την σειρά τους συγκροτούνται από μικρές ομάδες συνεχών φασματικών γραμμών. Τα φασματικά αυτά κανάλια είναι το υπεριώδες (Ultraviolet, UV), το ορατό (Visible), το υπέρυθρο (Infrared, IR) και το μικροκυματικό (Microwave), από τα οποία το ορατό καθορίζεται σαφέστερα με βάση την ανθρώπινη όραση. Το κανάλι UV βρίσκεται μεταξύ ακτίνων Χ και ορατού στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, με μήκος κύματος από 0,01 έως 0,40 μm και διακρίνεται σε μακρινό (far UV 0,01-0,20 μm), ενδιάμεσο (middle UV, 0,20-0,30 μm και κοντινό (near UV, 0,30-0,40 μm). Το ορατό κανάλι, με μήκος κύματος από 0,40 έως 0,70 μm, έχει όρια που καθορίζονται από την ανθρώπινη όραση.

Το κανάλι ΙR κυμαίνεται από το ερυθρό του ορατού καναλιού, μέχρι τα μικροκύματα με μήκος κύματος από 0,70 μm έως 1000μm. Διακρίνεται σε κοντινό (near IR, 0,70-1,50 μm), ενδιάμεσο (middle IR, 1,50-5,60 μm) και μακρινό (far IR, 5,60-1000μm). Το υπέρυθρο χωρίζεται επίσης σε ανακλώμενο (reflected IR από 0,70-3,00μm) και θερμικό (thermal IR, από περίπου 3,00 έως 1000μm ή 0,1cm). Το κανάλι των μικροκυμάτων τοποθετείται μεταξύ του υπέρυθρου και των ραδιοκυμάτων, με μήκος κύματος από 0,1 cm έως 1m. Η ακτινοβολία των μικροκυμάτων έχει την ικανότητα να διαπερνάει τα σύννεφα και διάφορα επιφανειακά αντικείμενα ανάλογα με το μήκος κύματος που χρησιμοποιείται. Σ' αυτό το κομμάτι της ακτινοβολίας, δηλαδή στο μικροκυμματικό κομμάτι του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος λειτουργούν τόσο παθητικοί όσο και ενεργητικοί αισθητήρες. Οι παθητικοί αισθητήρες (δέκτες) καταγράφουν την ενέργεια που προέρχεται από ένα αντικείμενο (στόχος), ενώ οι ενεργητικοί εκπέμπουν σήμα το οποίο αποστέλλεται στον στόχο και επιστρέφοντας καταγράφεται από κατάλληλους δέκτες.

Ηλιακή ακτινοβολία και γήινο περιβάλλον

Ο ήλιος αποτελεί την πηγή της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας η οποία με μορφή ΕΜR τροφοδοτεί τη γη με φώς και θερμότητα χρήσιμα για τη ζωή στον πλανήτη μας. Η σημαντικότερη και η πιο καθοριστική ιδιότητα του ηλίου, ως πηγή ακτινοβολίας είναι η θερμοκρασία που επικρατεί στην επιφάνειά του, η οποία σύμφωνα με ορισμένους ερευνητές είναι 5.727^oC.

Η ΕMR που εκπέμπεται από τον ήλιο φθάνει στην επιφάνεια της γής από την οποία στη συνέχεια και επαναεκπέμπεται οπότε και ανιχνεύεται από τους αισθητήρες. Έτσι, η ακτινοβολία περνάει δυο φορές μέσα από την ατμόσφαιρα. Το 50% της ηλιακής ακτινοβολίας διέρχεται την ατμόσφαιρα και απορροφάται με διαφορετικό βαθμό από τα αντικείμενα της γήινης επιφάνειας. Το μεγαλύτερο μέρος της απορροφούμενης ακτινοβολίας μετατρέπεται σε χαμηλής θερμοκρασίας θερμική ενέργεια (θερμότητα), η οποία στη συνέχεια αποδίδεται πίσω στην ατμόσφαιρα ως ακτινοβολία σε θερμικά υπέρυθρα μήκη κύματος μεταξύ 4.00 και 25.00 μm, με ένα μέγιστο στα 9.70μm. Tο μέγιστο της ηλιακής ακτινοβολίας απαντά σε μήκος κύματος γύρω στα 0,48 μm.

Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα

Οι διάφοροι τρόποι με τους οποίους αντιδρά η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με την ατμόσφαιρα είναι οι ακόλουθοι:

• Να διέλθει ευθύγραμμα, σχεδόν ανεμπόδιστη. Ένας μεγάλος αριθμός αερίων της ατμόσφαιρας, όπως τα Ο₂, Ν₂, Ο₃, CO₂, οι υδρατμοί και η λεπτόκοκκη σκόνη, είναι υπεύθυνα για την απορρόφηση σε ορισμένα μήκη κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η απορρόφηση κυριαρχεί στο υπέρυθρο τμήμα (1-20 μm).

• Να ανακλαστεί και να διαχυθεί από αυτήν χωρίς να επέλθει καμιά μεταβολή στην ταχύτητα και στο μήκος κύματος της. Το φαινόμενο της διάχυσης υφίσταται όταν σωματίδια ή μεγάλου μεγέθους μόρια αερίων που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα δράσουν επί της ακτινοβολίας δίνοντας σε αυτή νέα πορεία.

• Αφού διέλθει από την ατμόσφαιρα να απορροφηθεί από τη γήινη επιφάνεια και στη συνέχεια εκπεμπόμενη ως μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία να προκαλέσει την άνοδο της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας λόγω της απορρόφησης της από αέρια μόρια. Κατά τον μηχανισμό της απορρόφησης τα μόρια της ατμόσφαιρας απορροφούν ενέργεια σε διάφορα μήκη κύματος.

Η απορρόφηση από τα αέρια παρουσιάζει τις μέγιστες τιμές της για μήκη κύματος μικρότερα από 0,30 μm (υπεριώδης ακτίνες Χ και γ) και τις ελάχιστες για μήκη κύματος μεγαλύτερα από τα 0,60 cm (μικροκύματα). Αντίθετα, τα σύννεφα απορροφούν ένα μεγάλο μέρος από την μικροκυματική ακτινοβολία που προέρχεται από την γήινη επιφάνεια. Στο ορατό ή στο κοντινό του ορατού τμήματος υπέρυθρο φάσμα, η διάχυση του φωτός από την ατμόσφαιρα είναι η κύρια αιτία μείωσης της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, η οποία προκαλείται από μόρια αεριών (όπως Ο₂ και Ν₂) και τα σύννεφα, ενώ αντίθετα σε μήκη κύματος μεγαλύτερα από 18 μm, στην μικροκυματική περιοχή, δεν υπάρχει μεγάλη εξασθένηση της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που να οφείλεται στην ατμόσφαιρα.

Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας με την ύλη

Μετά την αρχική διέλευση της από την ατμόσφαιρα η ακτινοβολία φτάνει στην επιφάνεια με την οποία αντιδρά με ανάκλαση-διάχυση (R), απορρόφηση (Α) ή με διέλευση (Τ) σε περίπτωση μιας αρκετά λεπτής επιφάνειας.

Ανάκλαση-διάχυση: Σε λείες επιφάνειες επικρατεί η κατοπτρική ανάκλαση δηλαδή η ανάκλαση προς μια και μόνο διεύθυνση. Ο τρόπος με τον οποίο κάθε αντικείμενο ανακλά την ακτινοβολία εξαρτάται από την τραχύτητα, και τις φυσικοχημικές ιδιότητες του σε σχέση πάντα με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Η ανάκλαση εξαρτάται από:

• την κατεύθυνση της ακτινοβολίας
• την ένταση της ακτινοβολίας
• το μήκος κύματος και την συχνότητα της ακτινοβολίας που λαμβάνεται από τα αντικείμενα στη βάση της ατμόσφαιρας και
• την φασματική εξάπλωση της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας.

Απορρόφηση: ως απορρόφηση εκφράζεται το φαινόμενο κατά το οποίο η ακτινοβολία δεσμεύεται από το αντικείμενο και ακολούθως επανεκπέμπεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος του θερμικού υπέρυθρου καναλιού. Στην περίπτωση όπου η ακτινοβολία περνάει από ένα μέσο σε ένα άλλο με διαφορετική πυκνότητα τότε αλλάζει η ταχύτητα και το μήκος κύματος, με ταυτόχρονη μεταβολή της γωνίας εισόδου της ακτινοβολίας.

Φασματική απόκριση των αντικειμένων-Φασματικές ταυτότητες

Τα φυσικά χαρακτηριστικά και σύσταση κάθε αντικειμένου επηρεάζουν το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που ανακλάται, στα διάφορα μήκη κύματος, με τον δικό του χαρακτηριστικό τρόπο. Η ποσότητα και η φασματική κατανομή της ανακλώμενης και εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από ένα αντικείμενο χρησιμοποιείται ως μέσο αναγνώρισης του αντικειμένου αυτού. Η ιδιότητα αυτή αναφέρεται ως η φασματική ταυτότητα (spectral signature) ή φασματική απόκριση (spectral response) του αντικειμένου και καταγράφεται από τους δέκτες (sensors) των δορυφόρων που βρίσκονται σε τροχιά παρατήρησης της γής. Εκτός από τις επιδράσεις με την ύλη, όπως η απορρόφηση, η ανάκλαση και η διάχυση, οι οποίες διαμορφώνουν την πληροφορία, που συλλέγεται με τις μεθόδους τηλεπισκόπησης, ένας άλλος παράγοντας που επιδρά στην ποιότητα του φάσματος είναι η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας, η οποία εξαρτάται από το ύψος του ηλίου (sun elevation). Μια χρήσιμη ποσοτική έκφραση της ανάκλασης διαφορετικών αντικειμένων είναι ο συντελεστής ανάκλασης η φασματική ανάκλαση ή albedo. Εκφράζει το ποσοστό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας που ανακλάται από τα αντικείμενα, π.χ. με 50% νεφοκάλυψη ή φασματική ανάκλαση είναι 35%. Ως εκ τούτου, το albedo επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο εμφανίζονται τα αντικείμενα κατά την παρατήρηση της γής από το διάστημα.

Σχετικές σελίδες

Ορισμός τηλεπισκόπησης

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Νόμοι ακτινοβολίας

Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία - Φασματικά κανάλια

Ηλιακή ακτινοβολία και γήινο περιβάλλον

Αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα

Αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη

Φασματική απόκριση των αντικειμένων-Φασματικές ταυτότητες