Remote Sensing. Kortlægning af Jorden fra Satellit. Note GV 2m version 1, PJ

Transkript

1 Remote Sensing Kortlægning af Jorden fra Satellit. Indledning Remote sensing (også kaldet telemåling) er en metode til at indhente informationer om overflader uden at røre ved dem. Man mærker altså på afstand. I praksis er det en fællesbetegnelse for målinger af Jorden indhentet af satellitter. Der findes mange forskellige typer af data som kan indsamles fra satellit: måling af lokale variationer i Jordens tyngdefelt, reflekteret lys, radiostråling mm. Vi vil i det nedenstående koncentrere os hvordan overfladers refleksion af solens stråling kan bruges til miljøovervågning som eksempelvis Landsat satellitten gør. Lidt forsimplet kan man sige, at man i denne metode anvender billeder fra et avanceret fotografiapparat monteret på en satellit der kredser om Jorden. Lad os derfor starte med at se lidt nærmere på et foto vist på figur 2. Figur 1: Landsat 7 satellitten optager multispektrale satellitbilleder fra 705 kilometers højde. På baggrund af disse billeder er det muligt at overvåge eksempelvis ørkenspredning, snedække og meget mere. Måling på afstand Fotografiet på figur 2 er et eksempel på måling på afstand. Her er vist hvordan det er muligt at konstruere et infrarødt (IR) billede af en bygnings temperaturfordeling. Dermed kan man se hvilke områder af huset der er dårligt isoleret, idet disse vil fremstå med en høj temperatur. IR-kameraet opfanger den elektromagnetiske stråling der kommer fra bygningen i form af varmestråling (IR-stråling). På den måde er det muligt at drage konklusioner om bygningens isolering helt uden at røre ved bygningen. Men faktisk er det almindelige foto af bygningen også et eksempel på en slags remote sensing. Her opfanger det almindelige kamera det reflekterede sollys fra bygningen og sætter det sammen til et foto. På den baggrund kan vi måle og opnå viden om bygningen helt ud at røre ved den. Men hvad er forskellen på de to billeder? Der er flere forskelle: Figur 2: Optagelse af termografisk billede. Kameraet opfanger varmestråling fra bygningen og omsætter dette til et billede. Kilde Figur 3: IR-billede af Jorden. Kilde: 1

2 Remote sensing benytter andet end synligt lys. I tilfældet med varmekameraet opfanger kameraet elektromagnetisk stråling som ikke er synligt for mennesker. Hvis vi ser på elektromagnetiske spektrum (figur 4) er det tydeligt at det kun er en lille del af det elektromagnetiske spektrum der er synligt for os. I remote sensing benytter man også dele af spektret som ikke kan ses af mennesker. Som i tilfældet med IR-kameraet kan man jo fint lave en kunstig farveskala som vi så kan se. Ved at sætte et IR-kamera på en satellit vil man altså kunne måle overfladetemperaturen præcis som på figur 2. Remote sensing benytter især det synlige område samt det infrarøde område af det elektromagnetiske spektrum. Figur 4: Det elektromagnetiske spektrum. Refleksion og emission Remote sensing udnytter den stråling der kommer fra en overflade enten på grund af refleksion eller emission. En anden forskel mellem det almindelige kamera og IR-kameraet er at et almindeligt kamera opfanger det lys som reflekteres fra overfladen. Det vil sige vi skal have Solen til at lys for os. Derfor kan man ikke tage almindelige billeder når det er mørkt. Et IR-kamera virker derimod også i mørke. For det er ikke Solens lys der reflekteres. Det er varmen i bygningen som skaber den elektromagnetiske stråling, som udsendes så IRkameraet kan modtage det. Derfor kan man fint tage IR-billeder i mørke. Ja faktisk bliver de bedst når det er mørkt! Den stråling en satellit modtager fra Jorden i dagslys vil således være en blanding af Figur 5: Teoretisk fordeling af henholdsvis Solens indstråling og Jordens udstråling som funktion af bølgelængde. Bemærk at x-aksen er logaritmisk. Bølgelængder over 0,7 µm kaldes IR-stråling som igen opdeles i undergrupper. IR-stråling med bølgelængder over 3 µm kaldes termisk IR-stråling indenfor remote sensing. Dette skyldes at strålingen hovedsageligt kommer fra Jordens termiske udstråling repræsenteret ved den sorte top. 2

3 refleksion af Solens lys samt emission af varmestråling fra Jordens overflade. IR-stråling dækker området med bølgelængder fra ca. 0,7 μm (10-6 m) til 100 μm. Intervallet af IR-stråling dækker altså et område som er 100 gange bredere end den synlige del af spektret! Man opdeler IR-stråling efter deres strålingsegenskaber. Den reflekterede IRstråling som stammer fra Solens indkomne stråling og den IR-stråling der stammer fra Jordens emission - kaldet termisk IR-stråling. Den del af IR-strålingen som stammer fra reflekteret sollys har bølgelængder som ligger i intervallet: 0,7 μm til 3,0 μm. Denne stråling kan altså ikke bruges til bestemme overfladernes temperature, men bruges sammen med det reflekterede lys til at identificere overfladerne (se afsnittet om spektral signatur nedenfor). Den termiske IR-stråling har bølgelængder fra 3,0 μm til 100 μm. Denne stråling kan udelukkende benyttes til at bestemme overflades temperatur. Figur 5: Eksempel på et falsk farvebillede. Kilde: Falske farvebilleder Remote sensing kan kombinere forskellige frekvensområder hvorved der kan skabes farvebilleder og falske farvebilleder. En anden forskel mellem de to billeder er at farvefotoet er konstrueret ved at tage tre billeder og sætte dem sammen. I et almindeligt kamera sidder der således tre forskellige typer sensorer. En der er følsom over for hhv. blåt, grønt og rødt lys. Disse kombineres så til ét farvebillede. Man kan i princippet bytte om på farverne så rød fremstår blå osv. I sådanne tilfælde kalder man det for et falsk farvebillede. Et eksempel er vist på figur 5. Billedet på figur 1 repræsenterer altså i virkeligheden fire forskellige områder af det elektromagnetiske spektrum. Rød, Grøn, Blå og IR. Disse fire bånd kan kombineres på kryds og tværs i et falsk farve billede. Hvorved man eksempelvis kunne få bygning til at fremstå rødlig i de områder hvor bygningen afgiver meget IR-stråling. Mere om dette i afsnittet om spektral signatur. (Se nedenfor) Figur 6: Et farvebillede er sammensat af tre billeder. Rød, Grøn og Blå. Alle farver på en computerskærm gengives ved at kombinere de tre grundfarver. Et sort-hvidt billede er derimod kun et enkelt billede. Når man tager et farvefoto sættes tre billeder sammen i ét. 3

4 Når stråling rammer overflader Når sollysets stråling rammer en overflade kan der ske tre ting: absorption (A), transmission (T) og reflektion (R). Energien fra den indkomne stråling vil således opdeles på de tre processer. Hvordan fordelingen vil være afhænger af hvad det er for en overflade, men også af bølgelængden for den indkomne stråling. Absorption (A) sker, når stråling (energi) absorberes overfladen, mens transmission (T) sker for den del af strålingen som passerer gennem overfalden (eksempelvis et blad). Refleksion (R) opstår, når stråling kastes tilbage fra overfladen i en given retning. For refleksion sker der altså ikke en optagelse af strålingsenergien. Figur 7: Skitse af reflekteret, absorberet og transmitteret stråling. I remote sensing er vi mest interesseret i at måle på den reflekterede stråling. Man taler om to typer af refleksion, som repræsenterer de to ekstreme ender af den måde, hvorpå energi reflekteres fra en overflade: spejlrefleksion og diffus refleksion. Når en overflade er glat vi får spejlende eller spejllignende refleksion, hvor næsten al energien er rettet væk fra overfladen i en enkelt retning (figur 8 nederst). Diffus refleksion opstår, når overfladen er ru, og energien spredes i alle retninger (figur 8 øverst). De fleste af Jordens overflader ligger et sted mellem et perfekt spejlende og en diffus reflektor. Om en overflade reflekterer stråling spejlende eller diffust afhænger af overfladens ruhed i forhold til bølgelængden af den indkommende stråling. Hvis bølgelængder er meget mindre end overfladens variationer eller overfladens partikelstørrelser, vil diffus refleksion dominere. For eksempel ville finkornet sand synes temmelig glat for mikrobølger (stor bølgelængde), men synes ganske ru for synligt lys (korte bølgelængder). Denne forskel i overfladens ruhed bruges i remote sensing blandt andet til at kortlægge udbredelsen af havis. Da den reflekterede stråling fra en overflade ikke tilfører energi til en overfladen opvarmes overfladen kun af den absorberede del af strålingen. Dette kender vi fra begrebet albedo som jo netop er defineret som: Begrebet albedo bruges ikke mindst i klimasammenhæng da det jo forholder sig til forholdet mellem reflekteret og tilført energi fra Solens lys. Ændres albedo som følge af forandringer på Jordens overflade har det i sidste ende konsekvenser for Jordens temperatur. Figur 8: Øverst. Et hvidt papir har en høj refleksion - det er derfor det fremstår hvidt. Men der er tale om diffus refleksion på grund af rugheden af papiret. Derfor kan man ikke spejle sig i et stykke papir selv om det meste lys kastes tilbage. Nederst: En blank metaloverflade kan spejle. Den har en høj refleksion ligesom det hvide papir. Men fordi overfladen er blankpoleret vil den have en retningsbestemt refleksion i modsætning til det hvide papir. Dermed spejler den lyset der rammer overfladen så indfaldsvinkel er lig udfaldsvinkel. Det gør at man kan spejle sig i blanke overflader. Foto: 4

5 Begrebet albedo ser på forholdet mellem refleksion og indsendt lysenergi uden at skelne mellem hvad der sker ved forskellige bølgelængder. Man kan derfor godt have en rødlig overflade og en grønlig overflade som har samme albedo. De reflekterer lyset forskelligt, men mængden af lysenergi der reflekteres forbliver den samme. Derfor er det tilstrækkeligt at se på et gråtonebillede når man er interesseret i albedo. Men hvad nu hvis man måler refleksionen ved hver bølgelængde? Dette viser sig at være en god idé som leder os frem til begrebet spektral signatur. Spektral signatur: En spektral signatur for en overflade viser hvordan overfladen reflekterer stråling af varierende bølgelængde. Som bekendt reflekterer overflader Solens stråling forskelligt, hvilket vi jo godt kender fra farver. Når en trøje er rød skyldes det at det især er Solens røde farver der reflekteres mens de andre farver absorberes. Men ikke kun det synlige område af Solens stråling varierer. Refleksionen i IR-området kan også være meget forskellig. For at forstå dette nærmere ser vi på interaktionen af lys og IR-stråling for henholdsvis vegetation (blade) og vand. Solens interaktion med vegetation (blade) En kemisk forbindelse i blade kaldet klorofyl absorberer meget af det røde og blå område af Solens stråling. Til gengæld reflekteres meget af de grønne bølgelængder. Blade vises "grønnest" for os i løbet af sommeren, når klorofylindholdet er på sit maksimum. I efteråret, der er mindre klorofyl i bladene, så der er mindre absorption og forholdsvis mere refleksion af de røde bølgelængder. Dette får bladene til at fremstå røde eller gule (gul er en kombination af røde og grønne bølgelængder). Den interne struktur i blade fungerer som fremragende diffuse reflektorer for det nær-infrarøde område af Solens stråling. Hvis vores øjne var følsomme over for nær-infrarødt ville træer forekommer meget lyse for os ved disse bølgelængder. Faktisk benytter forskere måling af refleksion i det nær- Infrarøde område til at bestemme sundhedstilstanden for et vegetationsområde. Figur 9: Solens strålings interaktion med vegetation (et blad). Grønt lys (G) samt det nærinfrarøde (IR) reflekteres mens rødt (R) og blåt (B) lys absorberes af bladenes klorofyl og bruges til fotosyntese. Solens interaktion med vand (hav) Vand absorberer mere af de rødlige farver og IR-stråling end de blålige farver med kortere bølgelængde. Derfor ser vand som regel blåt eller grønligt ud da lys med disse bølgelængder reflekteres mere. Desuden vil vand fremstå mørkere hvis man ser i de rødlige lys og IR-området af spektret - simpelthen fordi mindre energi reflekteres i dette Figur 10. Refleksion af blåt lys (B), grønt lys (G), rødt lys (R) samt IR-stråling. Venstre: for klart vand (t.v.) Højre: vand med sediment i suspension (S). 5

6 område (figur 10 venstre). Hvis der er sediment (i suspension) i de øverste lag i vandet (havet) vil det give bedre refleksivitet og et lysere udseende af vandet (figur 10 højre). Den tilsyneladende farve af vandet vil ændre sig svagt mod længere bølgelængder. Er der meget sediment i vandet vil det derfor fremstå brunt. Vand med suspenderet sediment (S) kan let forveksles med lavvandet (men klar) vand, da disse to fænomener synes meget ens. Klorofyl i alger absorberer flere af de blå bølgelængder og afspejler de grønne, hvilket gør vandet fremstår med mere grøn farve, når alger er til stede. Om overfladen er ru eller glat på grund manglende bølger kan også have en indflydelse på den refleksion man ser fra satellit. Pointen med de to ovenstående eksempler er at vise hvorledes refleksionen ved de forskellige bølgelængder afhænger af en række specifikke forhold ved den konkrete overflade. Kender vi til overfladers absorption, transmission og refleksion eksperimentelt under forskellige forhold er det muligt at udnytte dette til kortlægning. Altså gå fra satellitbilleder baseret på den reflekterede stråling til en tolkning af hvilke processer/overflader der er tale om i det givne område. Ved at måle den energi, der er reflekteres (eller udsendes) af overflader på Jorden over et bredt spektrum af forskellige bølgelængder, er det muligt at sammensætte en spektral signatur for en given overflade. Forskellige overflader har forskellig spektral signatur. Når dette udnyttes kan vi kortlægge forskelle som ellers ikke var synlige for os. Eksempelvis er det muligt at skelne en Figur 11: Spektral signatur for vegetation (grøn) og vand (blå). Bemærk den store forskel mellem refleksionen for det nærinfrarøde område (0,75-0,8 µm). Man kan altså let skelne vand fra vegetation ved at måle i dette område. normal fodboldbane fra en der er lavet af kunstgræs (figur 12). Metoden giver helt generelt mulighed for at overvåge ændringer i Jordens overfalde hvad enten det er ørkenspredning, skovrydning eller ændring af snedække. Vi vil se nærmere på miljøsatellitten LANDSAT. Figur 12: To billeder af et stadium. T.v. Normalt farvefoto. T.h. Et falsk farvebillede med nær-ir som rød. Bemærk hvorledes træer og græs lyser rødt på billedet til højre mens kunstgræsset på stadion fremstår mørk. Herved kan vi se at der er tale om kunstgræs. 6

7 Figur 13: Diagram som viser princippet i multispektral remote sensing. Satellitten opfanger den reflekterede stråling fra jordoverfladen. Strålingen opdeles i forskellige spektrale bånd af satellittens instrumenter. Derved opstår der en række simultane fotooptagelser af et givent område ved forskellig bølgelængde. Disse bånd kan senere i efterbehandlingen sammensættes på forskellig vis og der kan dannes falske farvebilleder som kan bruges til at identificere forskellige overflader. 7

8 Landsat Landsat satellitterne er miljø-satellitter som NASA har haft i kredsløb siden De er løbende blevet udskiftet med bedre modeller. Den nyeste hedder landsat 8, og blev opsendt Den passerer henover Danmark ca. kl lokal dansk tid, hvis du vil ud og vinke :o) Landsat 8 har en opløsning på 30 m, så man kan ikke se de enkelte huse, men man kan godt se marker og byer. Satellitten befinder sig 705 km over jordoverfladen, og den er 16 dage om at fotografere hele Jorden. Landsat 7 blev opsendt i 1999 og er stadig i kredsløb om Jorden. Den gik dog delvist i stykker d. 31 maj 2003, så billederne herefter har sorte striber hvor der mangler data. Det er muligt at hente Landsat-satellitternes multispektrale billeder på hjemmesiden: Figur 14: Landsat 8 satellitten under konstruktion. I dag kredser den 705 km over jordoverfladen. Kilde NASA. Landsat 7 Spektralt bånd Bølgelængde Opløsning Bånd 1 - Blå 0,45-0,52 µm 30 m Bånd 2 - Grøn 0,52-0,60 µm 30 m Bånd 3 - Rød 0,63-0,69 µm 30 m Bånd 4 - Nær IR 0,77-0,90 µm 30 m Band 5 - Kort bølgelængde IR 1,55-1,75 µm Bånd 6 - Termisk IR 30 m 10,40-12,50 µm 60 m Bånd 7 - Kort bølgelængde IR 2,09-2,35 µm 30 m Bånd 8 - Pankromatisk 0,52-,90 µm 15 m Figur 15 Oversigt over Landsat 7 satellittens bånd. Kilde: NASA Landsat 8 Spektralt bånd Bølgelængde Opløsning Bånd 1 - Coastal / Aerosol 0,433-0,453 µm 30 m Bånd 2 - Blå 0,450-0,515 µm 30 m Bånd 3 - Grøn 0,525-0,600 µm 30 m Bånd 4 - Rød 0,630-0,680 µm 30 m Bånd 5 - Nær IR 0,845-0,885 µm 30 m Bånd 6 - Kort bølgelængde IR 1,560-1,660 µm Bånd 7 - Kort bølgelængde IR 2,100-2,300 µm 30 m 30 m Bånd 8 - Pankromatisk 0,500-0,680 µm 15 m Bånd 9 - Cirrus 1,360-1,390 µm 30 m Bånd 10 - Termisk IR 10,30-11,30 µm 100 m Bånd 11 - Termisk IR 11,50-12,50 µm 100 m Figur 16 Oversigt over Landsat 8 satellittens bånd. Kilde: NASA 8

9 Vegetationsindekset (NDVI-indeks): Et af de klassiske anvendelser af remote sensing er kortlægning af vegetationsændringer - eksempelvis som følge af ørkenspredning, skovfældning eller tørke. Levende grønne planter udnytter kun den røde del af solens lys til fotosyntese. Lys med længere bølgelængde end rødt er ikke energirigt nok til at indgå i fotosyntesen. Denne del af sollyset vil derfor blot varme planten unødigt, hvilket kan skade planten. Vegetation har derfor evolutionært udviklet evnen til at reflektere det nærinfrarøde lys (NIR). Dette bruges som tidligere beskrevet til at identificere vegetation. På figur 17 ses hvorledes de spektrale signaturer kan måles med de spektrale kanaler på LANDSAT-satellitten. Man har indført en standard for undersøgelse af hvor meget vegetation der er i et område gennem det såkaldte NDVI-indeks som beregnes således: ( Ø ) ( + Ø ) Her står RØD og NIR er refleksionen målt i hhv. det røde og det nær-infrarøde område. På landsat 7 satellitten er det hhv. kanal 3 og kanal 4. På LANDSAT 8 satellitten er det ændret til hhv. kanal 4 og kanal 5 jf. figur 16. Bemærk at figur 17 referer til LANDSAT 7. Typiske NDVI-værdier: Et område med vegetation har positive værdier (typisk 0,3 til 0,8) Sne og skyer vil optræde med negative værdier. Vand har lav refleksion både i det nær-infrarøde og røde bånd og vil have NDVI-værdier tæt på 0. Jord har derimod størst refleksion i det nærinfrarøde vil derfor fremstå med lave værdier. De fleste menneskeskabte overflader som beton osv. har tilsvarende lave værdier. Figur 17: Model for tre overfladetypers refleksion af sollys i forskellige bølgelængder af sollys og i forskellige kanaler i LANDSAT billeder. Bemærk at grøn vegetation har maksimal refleksion i det nærinfrarøde område (kanal 4) mens det har minimal refleksion i den røde lys (kanal 3). Kilde: Naturgeografi - Jorden og Mennesket, GOforlaget. 9