Előfizetés a lapra

A Földmegfigyelő

Föld, földfelszín, geoinformatika, műhold, radar, űrkutatás

2014/12/17

Az ember vizuális lény, legfontosabb érzékelési módja a látás. Talán éppen ezért, azokat a dolgokat a legnehezebb ismertetni, amelyek láthatatlanul mennek végbe. A radarberendezéssel történő "fényképezés" olyan elektromágneses hullámok segítségével alkot képet objektumokról, amelyek az ember számára nem érzékelhetők. A mikrohullám segítségével történő leképezés könnyebb megismerése érdekében tekintsük át leegyszerűsítve a hagyományos digitális fényképezés alapját.

A legelterjedtebb színes digitális képrögzítési eljárásban a képérzékelő elemi részeiből legalább háromféle található az érzékelőlapon: az egyik a vörösre, a másik a zöldre, a harmadik pedig a kékre van érzékenyítve. Az elemi képpont ezekből épül fel, ebből a három színből kikeverve adja meg a pixel színét. Mivel a három részadat három különböző ponton képződött le (legyenek azok szorosan egymás közelében, vagy egymás alatt), az elektromos jelet digitális jellé alakító rendszer is külön kezeli őket, sőt a számítógépünkön is három különböző csatornán tárolódnak el.

Hegyek és kráterek Tanzániában a Föld nagy részét érintő SRTM-űrsiklóval történő felmérésből. Egyebek között ez a globális háromdimenziós modell adja a Googla Earth szolgáltatásban szereplő magasságadatokat.

 A számítógépünk monitora adott képterület színárnyalatát ugyancsak a három csatornán eltárolt színértékekből keveri ki, így a kommersz képmegjelenítő szoftverek többségét a háromcsatornás, csatornánként 8 bites (együttesen 24 bit) képek kezelésére dolgozták ki. Az adott pixelekhez tehát három fényerőértékeket tároló csatorna adatait rendelik a szoftverek, ami színes kép esetében vörös, zöld és kék csatornát, fekete fehér kép esetében egy szürkeárnyalatos csatornát jelent. A szürkeárnyalatos képek minden képpontja fényerőértékkel rendelkezik, amely 0-tól (fekete) 255-ig (fehér) terjedhet. 16 és 32 bites képeken a színárnyalatok száma jelentősen nagyobb, mint a 8 bites képeken. Bár a fekete-fehér kép teljes egészében eltárolható egyetlen csatornán, vannak olyan képmegjelenítő szoftverek, amelyek kizárólag a háromcsatornás képeket képesek értelmezni, ezért sokszor RGB-színmódban, három csatornán tárolják őket, ahol mind a három csatorna azonos, szürkeárnyalatos fényerőértékeket hordoz. Ez természetesen felesleges tárolóhely-kapacitás foglalásához vezet, de nagyobb kompatibilitást biztosít.

 A radarról általában

Ahogyan a fényképezőgép, a radarberendezés is a tárgyakról visszaverődő elektromágneses hullámokat érzékeli, de amíg a digitális fényképezőgép az elektromágneses hullámok 400 – ~800 nm hullámhosszúságú tartományát (fény) alakítja elektromos jellé, majd digitális adattá, addig a radar az elektromágneses hullámok millimétertől méterekig terjedő hullámhosszúságú tartományát érzékeli. Ezen belül legtöbb esetben a mikrohullámot (300 ľm – 30 cm) és a rövidhullámot (1 m – 10 m) használja.

 Ahogyan gyenge megvilágításnál a fényképezőgépnek is segédfényre van szüksége (vaku, reflektorok vagy természetes fényt fókuszáló eszközök), a radarberendezésnek is szüksége van erős, jól detektálható mikrohullámokra. Vannak ugyan olyan szituációk, amikor a természetes forrásból származó mikrohullámokat detektáljuk és értelmezzük, de a legtöbb esetben egy jól meghatározott forrásból, a detektorral azonos platformra erősített jeladóról kibocsátott (mesterségesen generált) hullámoknak a célfelületről visszaverődő hányadát érzékeljük. A radar esetében a jel visszaverődési ideje, polarizációja, hullámhosszúsága hordozza az adott pontra jellemző információt, vagyis mindazt, ami a színes felvételek esetében az R, G és B komponens fénysűrűsége, vagyis a radar által rögzített adatfolyam is képpé alakítható.

Hegyek és kráterek Tanzániában a Föld nagy részét érintő SRTM-űrsiklóval történő felmérésből. Egyebek között ez a globális háromdimenziós modell adja a Google Earth szolgáltatásban szereplő magasságadatokat.

Ahogyan a légi fényképből is lehet térképi fényképet (ortofotót) készíteni, a radarkép is georeferálható, térképpé alakítható. Tekintsük át, hogy ezek a radartérképek milyen információkat hordozhatnak a felszínről!

 A felszín háromdimenziós modellje

Háromdimenziós modell, a DEM (Digital Elevation Model) akkor hozható létre radarfelvételekből, amennyiben például ismert a jeladó és a detektor pozíciója, a jelvisszatérés ideje. A visszatérési idő a radarberendezést hordozó jármű vagy műhold mozgásának, helyzetének ismeretében távolsággá számítható át. Az adott pont távolsága földrajzi térré számítható át, és mivel a jelkibocsátás sokszoros és folyamatos, nagy területek pásztázhatók végig, létrehozva egy pontfelhőt. A pontfelhő koordinátáinak kinyerésével reprodukálható a háromdimenziós tér, de az eredmény pontossága és részletessége erősen összefügg a műszer és a vizsgált felület távolságával, a kibocsátott energiával, a detektor minőségével és a zavaró, zajképző tényezők előfordulásával.

Az ismert oldalra tekintő apertúrájú radarral szerelt műholdak adatai

 A leképződő adatok egy felületen értelmezhetők, így ebben az esetben is képpé alakíthatjuk az eredményt. A kép minden pixele egy magassági adatot tartalmaz. A fájl az egycsatornás fekete-fehér fényképhez hasonló, de itt a fényerősség helyett tengerszint feletti magasságértékek tárolódnak. Szoftverkörnyezettől függ, hogy a sötét a mély, a világos a magas értékeket tartalmazó árnyalat, vagy fordítva. Mivel egy pixel csak adott mennyiségű értéket vehet fel, a domborzat leírásának részletességét eleve meghatározza a bitmélység és a legalacsonyabb, illetve legmagasabb pont különbsége, úgy, ahogyan a hagyományos fényképek esetében a színárnyalatok részletességét is meghatározza az árnyalatterjedelem.

 Ahhoz, hogy minél nagyobb területről gyűjtsenek információt a műholdak és repülőgépek fedélzetén elhelyezett berendezésekkel, célszerűen nem lefelé, hanem lefelé-oldalra tekintő radarokat alkalmaznak, ráadásul szintetikusan növelt antennával (SAR) a jobb felbontás érdekében. A háromdimenziós modell kinyerését radaros távérzékelés esetében célszerű legalább két ellentétes vagy közel ellentétes irányból elvégezni, a radarárnyék-hatás csökkentése érdekében. A radarárnyék tulajdonképpen olyan fekete foltokat jelent a felvételen, amelyeket a hegycsúcsok és a kimagasló objektumok kitakartak. Ezeknek a területeknek az adattal való feltöltése a felmérés ellentétes irányból történő elvégzésével lehetséges.

 

SAR interferometria

Az oldalra tekintő apertúrájú radarok nem csupán a felületek háromdimenziós feltérképezésére alkalmasak. Segítségükkel a felületek anyagminőségi, víztelítettségi és anyagszerkezeti jellemzői is becsülhetők.

 A radar-interferometria a visszatérő jelek fáziseltéréseit vizsgálja, úgy, hogy a műhold és a földfelszín között érvényes hullámhosszak egész számú eltolódásai nem ismertek, de az extra frakció rendkívül pontosan mérhető. A nyers adat nem használható, mert a pixelek értékei nem fejezik ki a számunkra érdekes felszíni információkat, mivel nagyon sok hatással terheltek. Az interferogram két vagy több (majdnem azonos pozícióból készült) radarfelvétel közös elemzésével készül, kiküszöbölve egyes káros hatásokat. A legfontosabb pixelértékeket befolyásoló tényező a felszín okozta fáziseltolódás. Ez a felszín anyagi tulajdonságaitól is függ, így hasznos információt hordoz a számunkra. Fontos elkészíteni a domborzatmodellt, hogy kivonhassuk a domborzatkülönbség okozta hatásokat a felszíni anyagminőség vizsgálatakor. Ha a magasság és a topográfia ismert, a topográfiai fázishozzájárulás kiszámítható és kivonható a vizsgálati eredményből. Ha a reflexiók, az orbitális különbségek (bázistávolság-torzulás, azaz a felvételezés helyének változása) és a magassági különbségek okozta adattorzulásokat eltávolítottuk, valamint a megmaradt zajt is szűrtük, megkapjuk a felszíni anyagminőségi információkat. Ilyen lehet például a növényzeti borítás sűrűsége, a talaj nedvességtartalma.

Színes radarfelvétel. A különböző színárnyalatok különböző felszíni anyagminőséget jelölnek. (Az illusztrációk az  Interspect Csoport közreműködésével készültek)

Amennyiben több felvételt komplex módon, közösen elemzünk, azokat subpixeles pontossággal (a pixel méreténél is pontosabban) kell georeferálnunk, különben az elcsúszott pixelértékekből hibás információk kerülnek kiszámításra. Amennyiben nagy időkülönbséggel készül a két radarfelvétel, a felület megváltozása (például a növényzet növekedése vagy eltűnése) okozhat olyan különbségeket, amelyek subpixeles pontosság dacára is zajt generálnak. Az elemzést tehát nagyon körültekintően kell elvégezni, minden tényezőt figyelembe kell venni, különben téves információkból vonnánk le következtetéseket.

 

SAR-polarimetria

A polarimetria a különböző polarizációjú transzverzális hullámokkal vizsgálja a felszínt. A különböző anyagok különböző intenzitással tükrözik a radarhullámokat. Gyakran három különböző polarizációjú jelet küldenek ki, amelyeket mint a három színes csatornát alkalmaznak a szintetizált felvételnél. Ezt úgy kell elképzelni, mint a színes fénykép esetében az R,G,B csatornákat, csak itt az egyes csatornákon nem a vörös, a zöld és a kék színösszetevőket tárolják, hanem a felszínről visszaverődött különböző polarizáltságú mikrohullámú jeleket. A három csatornából kikevert színárnyalatok értelmezése az ismert anyagok tesztelésével alakul, empirikus jellegű. Ezek a mérések különösen jól elkülönítik és ezáltal térképezhetővé teszik a tengeri olajszennyezéseket. A két különböző felvétel közös elemzésével kidolgozott eredmény esetében problémát okozhatnak mozgásban lévő járművek, föld alatti üregek és speciális felületek.

 A fő probléma a talajnedvesség és felületi érdesség becslésénél a visszaszórt jelet befolyásoló egyéni hatások szétválasztásában keresendő. Itt kap fontos szerepet a polarimetria, mivel lehetővé teszi, hogy akár közvetlen vagy közvetett folyamattal válasszuk el ezeket a tényezőket, amelyek a mért jelet befolyásolták. A szórás problémájára (elektromágneses hullámok véletlenszerűen durva felületeken történő szórása) a tudománynak még nem sikerült egzakt megoldást találnia, de köztes megoldások léteznek, így tapasztalati összefüggéseket dolgoztak ki.

 

Alternatív módszerek

A magassági adatok megszerzésére az ismertetett időeltolódás mérése alapján működő módszert kidolgozták fényre is. A LiDAR (Light Detection and Ranging) a mikrohullám helyett fény kibocsátásán és detektálásán alapul. A lézerrel megvilágított felületről visszaverődő fényt detektálja a szenzor.

 A felvételeket magasságmérésre, kontúrtérképezésre, felület, illetve domborzatmodell kinyerésére használják, elsősorban a geomatikai, régészeti, földrajzi, geológiai, geomorfológiai, szeizmológiai, erdészeti, légkörfizikai, távérzékelési vizsgálatok során, de rendőrségi helyszínelések alkalmával is szoktak ilyen módszerrel háromdimenziós képet készíteni a tetthelyekről.

 

Címlapképünkön: Radartéképezés. Fantáziakép.

 Veszélyes-e ?

A nagy energiájú mikrohullám-kibocsátás veszélyeire már a második világháború idején felhívták a figyelmet. A radar feltalálása is egy olyan fegyver kikísérletezésének köszönhető, amely mikro- és rádióhullámmal ölte volna meg az ellenséget a tankokban és repülőgépekben, anélkül, hogy kárt tett volna a hadizsákmányban. A fegyver nem készült el, de az ellenséges objektumok észlelésére létrejött a radarberendezés. A vadászgépek fedélzeti (repülőgép-befogó) radarberendezéseinek földön történő aktiválása szigorúan tilos, mivel komoly károsodást okoz az emberi szervezetben. Amikor ilyen eset mégis előfordult, a repülőtéren a nyulak és a kisebb rágcsálók tömeges elhullását figyelték meg.

 Számos kutatási program foglalkozik a földmegfigyelő radarok hatásaival. Ezeket összefoglalva, a radarfelmérés a távolság és a kibocsátott energia függvényében fejti ki hatását a környezetre. A kis- és közepes magasságú radarfelmérések engedélyeztetése során a terhelés megengedett mértékét meghatározzák, míg az űreszközök terhelése vita tárgyát képezi. Az elérhető tudásanyag általában csak a polgári földmegfigyelő műholdakra telepített berendezésekkel foglalkozik.

 BAKÓ GÁBOR  

2014/47