Távérzékeléssel kapcsolatos alapfogalmak

A távérzékelésben az elektromágneses hullámokat leggyakrabban a hullámhosszukkal és az elektromágneses spektrumon belül elfoglalt helyükkel jellemezzük. A hullámhossz jellemzésére a mikrométert (1 mm = 1 x 10^-6 m) használjuk.

Az elektromágneses (EM) spektrum egyes tartományai ( kozmikus, röntgen, ultraibolya, látható, infra, mikrohullám és rádió) nem választhatók szét élesen. A spektrumon belüli sugárzástípusok elkülönítése a szenzorok érzékenységének növekedésével egyre finomabbá vált.

A EM sugárzás 0,03 nm hullámhosszig terjedő tartománya a kozmikus és gamma tartomány. Ez fontos szerepet tölt be az Univerzumról alkotott elképzeléseink tisztázására. Gyakorlatilag a fizikusok és csillagászok „használják” csupán.

A röntgen sugárzást (0,03 nm-3,0 nm), amely a földi életre általában káros, a légkör szinte teljesen elnyeli. Az ultraibolya sugárzás a teljes spektrum látható részének kék-ibolya színű végétől a kisebb hullámhosszú tartomány felé található (0,03-0,4 mm). Az emberi szem érzékenysége a 0,4 és 0,7 mm közötti sávra terjed ki, ez a látható tartomány. Ezen belül a kék 0,4-0,5 mm, a zöld 0,5-0,6 mm, a vörös 0,6-0,7 mm hullámhosszú. Szemünk és a fotótechnikában használt negatív- és diafilm érzékenysége az ilyen erősségű és hullámhosszú energiára, vagyis a látható tartományra van hangolva. A látható fénynél hosszabb hullámú kibocsátott energia csak speciális érzékelők segítségével vizsgálható. A látható fény vörös végétől az infravörös tartomány három különböző tartománya található: közeli-infravörös (near-infrared-IR) 0,7 mm-től 1,3 mm-ig, a középső infravörös (mid-infrared) 1,3-3 mm és a hőtartomány (thermal-infrared) 3 mm-100 mm. A 3 mm-es hullámhossz határvonal a visszavert és a kibocsátott infravörös sugarak között. Ez alatti hullámhosszakra a visszavert energia, míg fölötte a kibocsátott energia detektálása a jellemző. A spektrum következő tartománya (1 mm - 30 cm) képezi mikrohullámú sugárzást. Azon túl található a rádió tartomány (30 cm-től nagyobb hullámhosszú sugárzás).

A legáltalánosabb érzékelő rendszerek a látható fény egy vagy több sávjával, infravörös sávokkal vagy mikrohullámokkal dolgoznak. A távérzékelés szempontjából nagyon fontos, hogy az infravörös tartományon belül csak a hőtartományú-infravörös sáv alkalmas a hőmennyiség direkt érzékelésére a másik két sáv, a közeli- és a közép-infravörös sáv nem.

A földfelszín átlagos hőmérséklete kb. 300 °K (27°C). A Wien-féle törvény szerint a maximális energiát a földfelszín a 9,7 mm-es hullámhosszon bocsátja ki, ez a termális infravörös csúcs. A Nap energiacsúcsa 0,5 mm hullámhossz közelében van.

A Wien-féle eltolódási törvény alapján, fekete test sugárzási görbéje az alábbi összefüggés szerint függ a fekete test hőmérsékletétől:

ahol

             = a maximális spektrális sugárzás hullámhossza mm-ben,

                 = abszolút hőmérséklet, °K

                 = 2898 mm °K.

Bizonyos szenzorok, pl. a radarok, saját energiaforrásukkal pásztázzák a vizsgált felszínt. Az ilyen típusú rendszereket "aktív", a természetes sugárzást érzékelő rendszereket pedig "passzív" rendszereknek nevezzük. A villanófényt használó kamera aktív rendszernek, napfényt alkalmazó fényképezőgép passzív rendszernek minősül.

Az atmoszféra távérzékelésre gyakorolt hatása függ a sugár által megtett út hosszától, a sugárzás energiájának nagyságától, az atmoszféra összetételétől, a részecskék nagyságától és a hullámhossztól. A távérzékelés szempontjából a szóródás és az elnyelés a két legfontosabb atmoszférikus hatás.

Az atmoszférikus szóródás az atmoszférában megtalálható részecskék okozta hatás. Több típusa létezik, aszerint, hogy a részecske átmérője hogyan viszonyul a vele kölcsönhatásba lépő sugárzás hullámhosszával. Ha a részecskék (pl. nagyobb molekulák) átmérője sokkal kisebb, mint a sugárzás hullámhossza, a szóródást Rayleigh-szóródásnak nevezzük. Mivel a Rayleigh-szóródás hatása a hullámhossz negyedik hatványával fordítottan arányos, ezért sokkal intenzívebb a rövidebb hullámhosszak szóródása, mint a hosszabb hullámhosszaké.

A kék ég a Rayleigh-szóródás következménye. A napsugárzás kölcsönhatásba lép az atmoszférával, a rövidebb (kék) hullámhosszak erőteljesebben szóródnak, mint más látható hullámhosszak. Napkeltekor és napnyugtakor, a napsugarak sokkal hosszabb utat tesznek meg, mint napközben. A hosszabb út miatt, a rövidebb hullámhosszak szóródása és elnyelése szinte teljes, ezért csak a kevésbé szóródó, hosszabb hullámokat (narancs és vörös) látjuk.

A Rayleigh-szóródás következtében a műholdas fényképek homályosak. Ez abban nyilvánul meg, hogy csökken a kép élessége és romlik a kontrasztja. Színes fényképezésnél, légi- és űrfelvételeknél, különösen nagy magasságokban, kékes-szürke árnyalata lesz a képnek. Ezek kiszűrése megfelelő fényszűrő alkalmazásával lehetséges.

A másik típusú szóródás, az ún. Mie-szóródás, mely akkor lép fel, ha a kölcsönhatásba lépő részecske átmérője közel egyenlő a sugárzás hullámhosszával. A vízgőz és a por okoz Mie-szóródást. Hatása inkább a nagyobb hullámhosszak esetén érezhető. A Mie-szóródás már csekély felhőzet esetén is jelentős lehet.

Nem elhanyagolható szóródás-típus a nem-szelektív szóródás, mely akkor jön létre, ha a részecske átmérője sokkal nagyobb, mint a vele kölcsönhatásba lépő sugárzás hullámhossza. A vízcseppek átmérője általában 5 és 100 mm között változik, így az átmérő nagyobb, mint a látható- és infravörös sugárzás hullámhossza. Ezért a szóródás nem-szelektív a hullámhosszal kapcsolatban. A kék, a zöld és a vörös fényt teljesen egyenlő mértékben szórják a vízcseppek, ezért fehér színű a felhő és a köd.

A szóródással ellentétben, az atmoszférikus abszorpció valódi energia-veszteséget jelent. A vízgőznek, a széndioxidnak és az ózonnak van a legjelentősebb abszorpciós hatása. Ezek a gázok az elektromágneses energiát egyes hullámhosszsávokban intenzíven vagy teljes egészében elnyelik. Így döntően befolyásolják azt, hogy mely spektrális sávokat alkalmazhatjuk az adott távérzékelő rendszerekben. Azokat a tartományokat, melyekben az atmoszféra részlegesen vagy teljes egészében átengedi az elektromágneses energiát "atmoszférikus ablakoknak" nevezzük (13. ábra).

13. ábra

Atmoszférikus ablakoknak megfelelő tartományok

Az emberi szem spektrális érzékenységi tartománya kapcsolatban van egy atmoszférikus ablakkal és a napsugárzás kibocsátási csúcsával. A földfelszín által kibocsátott hőenergia a 3 és 5 mm, valamint a 8 és 14 mm közötti atmoszférikus ablakokon figyelhető meg. Ezekben a tartományokban működő érzékelőket termális szkennereknek (thermal scanners) nevezzük. A többsávú érzékelők vagy multispektrális szkennerek (MSS) a látható fény és az infravörös tartomány több, vékony sávját egyidejűleg képesek vizsgálni. A radar és a passzív mikrohullámú rendszerek az 1 mm és az 30 cm közötti atmoszférikus ablak adta lehetőségeket használják ki.

Az elektromágneses energia és a földfelszín találkozásakor, három alapvető energia-kölcsönhatást különböztetünk meg; a beérkező energia egy része visszaverődhet, elnyelődhet vagy/és elvezetődik. Az energiamegmaradás elve alapján igaz, hogy:

ahol

 a beérkező energiamennyiség,

 a reflektált (visszavert) energia,

 az abszorbeált (elnyelt) energia,

 a továbbított energia.

Mindegyik komponens a l hullámhossz függvénye.

A visszavert, az elnyelt és a továbbított energia aránya változik a földfelszín különböző tárgyain, függ az anyag típusától, állapotától. Lehetséges, hogy egy adott földfelszíni forma (pl. növényzet) másképpen reflektálja az energiát a különböző tartományokban. Ezért lehetséges az, hogy bizonyos növények teljesen hasonlóak egy spektrális tartományban, míg különbözőek egy másik sávban. A látható fény tartományában, ezeknek a spektrális variációknak az eredményei a színek. Akkor mondjuk, hogy egy tárgy kék, ha döntően a spektrum kék sávját veri vissza, zöld színű, ha a spektrum zöld sávját veri vissza és így tovább.

Spektrális visszaverődési görbének nevezzük egy objektumnak a hullámhossz függvényében kifejezett visszaverődési értékeit. Az egészséges zöld vegetáció, a talaj és a víz visszaverődési görbéje látható a 14. ábrán. A görbék ezeknek a felszíni formáknak a fő jellegzetességeit mutatják, de ezeken belül jelentős eltérések vannak.

A spektrum látható tartományában jelentkező minimum a növény leveleiben található színtestekhez (pigmentekhez) kötődik. A klorofill erősen elnyeli a 0.45 és 0.67 mm közötti hullámhossz-tartomány energiáját. A növény levelei erősen abszorbeálják a kék és a vörös fényt, míg a zöld tartományban sugárzott energiát nagyon erősen visszaverik, ezért a szemünk az egészséges vegetációt zöld színben látja.

Ha egy növény valamilyen betegségben, vagy káros hatástól szenved, akkor lelassul a normális növekedése, ami a klorofill-tartalom csökkenésében is megnyilvánul. A kisebb klorofill mennyiség kisebb kék és vörös abszorpcióhoz vezet. Gyakran a vörös visszaverődés növekedése úgy jelentkezik, hogy a növény a zöld és a vörös színek kombinációjaként sárga színű lesz.

14. Ábra

Reflektancia görbék

Az infravörös tartomány felé haladva, a 0,7 mm-es hullámhossznál, az egészséges növényzet visszaverődése ugrásszerűen megnő. A 0,7 és 1,3 mm közötti sávban, az egészséges növényzet a beérkezett energia 40-50%-át visszaveri. A maradék energia legnagyobb része elvezetődik, hiszen az abszorpció ebben a sávban minimális (kevesebb, mint 5 %). A növényzet visszaverő képessége a 0,7 és 1,3 mm közötti sávban főleg levélzetének belső szerkezeti sajátosságaiból következik. Eltérő fajoknál a belső szerkezet nagyon különböző is lehet. Így a visszaverődés mérése lehetőséget ad a fajták elkülönítésére még akkor is, ha a látható fényben ezek a fajták nagyon hasonlítanak egymásra.

Hasonlóképpen, ezen sávban működő szenzorokat használhatunk az egyes fajták betegségeinek kimutatására is, hiszen a betegség is megváltoztatja a visszaverődési tulajdonságokat.

A méréskor zavaró lehet a növény levélzetének rétegzettsége, amely lehetővé teszi a többszörös visszaverést és elvezetést. Ezért az infravörös visszaverődés növekszik a korona levélrétegeinek a számával.

1,3 mm-nél nagyobb hullámhosszúságú energia legnagyobb része elnyelődik, vagy visszaverődik a növényzeten, kevés az energia elvezetés. Az 1,4 és a 2,7 mm-nél előforduló minimumok azért alakulnak ki, mert a levelek magas víztartalma elnyeli ezeket a hullámhosszakat. Ezeket a sávokat "vízelnyelési sávoknak" nevezzük. Visszaverődési csúcsokat találunk az 1,6 mm és a 2,2 mm-es sávban, az elnyelési sávok között. Az 1,3 mm-nél nagyobb hullámhosszakra igaz, hogy a levél visszaverődése hozzávetőlegesen fordítottan arányos a levél teljes víztartalmával. A teljes víztartalom pedig a növény nedvességtartalmától és a levél vastagságától függ.

A talaj reflexiós képességét a nedvességtartalma, a szerkezete (fizikai összetétele, a homok, iszap és az agyag aránya, stb.), a felszín egyenetlensége, vasoxid jelenléte és a szerves anyag tartalma határozza meg. Ennek megfelelően a különböző talajfajták reflektancia görbéje is eltérő.

A talaj nedvességtartalma szoros kapcsolatban van a talaj fizikai összetételével. A kavicsos, homokos talajok rendszerint jól vezetik a vizet. Ennek következménye a homoktalajok alacsony víztartalma és relatíve magas visszaverése, ugyanakkor a rossz vízvezető talajok (agyagos, iszapos talajok) általában alacsony visszaverő képességűek. A talajnedvesség hiányában a talaj szerkezete döntő a visszaverődés szempontjából és a kavicsos, durvább szemcse-összetételű talajok sötétebbnek látszanak, mint a finomabb szerkezetű talajok. Ezért egy talajtípus visszaverő képessége csak bizonyos feltételek mellett marad változatlan. A visszaverődés mértékét a talajfelszín egyenetlensége, a talaj szerves anyag tartalma és vasoxid tartalma szintén jelentősen befolyásolja.

A víz spektrális visszaverődési tulajdonságai közül a legjellemzőbb az infravörös sávban fellépő energia abszorpció. Ez az infravörös abszorpció nemcsak nyílt vízfelületek (óceán, tengerek, tavak, folyók) esetén figyelhető meg, hanem a növényzetben és a talajban jelenlévő víz is hasonló elnyelést okoz.