Daljinska istraživanja

Daljinsko istraživanje (daljinsko pronicanje, teledetekcija), metoda prikupljanja informacija o nekom objektu ili fenomenu u većem ili manjem obimu pomoću uređaja za snimanje ili istraživanje u realnom vremenu koji je bežičan ili nije u fizičkom ili bliskom kontaktu s objektom (to jest pomoću aviona, svemirske letjelice, satelita, bove ili broda). U praksi se daljinsko istraživanje provodi pomoću različitih na daljinu postavljenih uređaja za prikupljanje informacija o nekom objektu ili području. Svi sljedeći postupci su primjeri daljinskih istraživanja: osmatranje Zemlje ili meteorološke satelitske kolekcijske platforme, osmatranje okeana i atmosfere s meteoroloških plutajućih platformi, nadzor trudnoće pomoću ultrazvuka, magnetska rezonantna vizualizacija (MRI), pozitronska emisijska tomografija (PET) i svemirske sonde. U modernoj upotrebi termin se općenito odnosi na upotrebu tehnologija vizualizacijskih senzora koji uključuju, ali nisu ograničeni upotrebom instrumenata u avionima ili svemirskim letjelicama, te se razlikuje od ostalih srodnih vizualizacijskih polja kao što je medicinska vizualizacija.

Postoje dvije vrste daljinskih istraživanja. Pasivni senzori detektuju prirodnu radijaciju koju emituju ili reflektuju promatrani objekti ili okolno područje. Reflektovano sunčevo svjetlo je najčešći izvor radijacije koju mjere pasivni senzori. Primjeri pasivnih daljinskih senzora uključuju filmsku fotografiju, infracrvene, uređaje sa spregnutim naelektrisanjem (CCD) i radiometre. Aktivno prikupljanje, u drugu ruku, emituje energiju radi skeniranja objekata i područja, a zatim pasivni senzor detektuje i mjeri radijaciju koju je cilj reflektovao ili raspršio u pozadini. Radar je primjer aktivnog daljinskog istraživanja pri kojem se mjeri vremenska odgoda između emisije i povratka čime se utvrđuje lokacija, visina, brzina i smjer objekta.

Daljinska istraživanja omogućavaju prikupljanje podataka na opasnim ili nepristupačnim područjima. Primjene daljinskih istraživanja uključuju nadzor deforestacije u područjima poput bazena Amazona, učinke klimatskih promjena na ledenjake i arktičke i antarktičke regije, te dubinsko sondiranje obalnih i okeanskih dubina. Vojno prikupljanje tokom Hladnog rata omogućilo je korištenje precizne zbirke podataka o opasnim graničnim područjima. Daljinska istraživanja također zamjenjuju skupo i sporo prikupljanje podataka na zemlji, te ne uzrokuju tim procesom narušavanje objekata ili područja.

Orbitalne platforme prikupljaju i odašilju podatke iz različitih dijelova elektromagnetskog spektra što u konjunkciji sa opsežnijim vazdušnim i zemaljskim istraživanjima i analizama daje istraživačima dovoljno informacija za nadziranje trendova kao što je El Niño ili neki drugi prirodni dugotrajni ili kratkotrajni fenomen. Ostale upotrebe uključuju različita područja geonauka kao što je upravljanje prirodnim resursima, zatim u poljoprivrednim poljima, upotrebu i očuvanje tla, nacionalnu sigurnost te visinska, prizemna i daljinska prikupljanja na graničnim područjima.

Tehnike prikupljanja podataka

Osnovu za multispektralno prikupljanje i analizu čine proučavana područja ili objekti koji reflektuju ili emituju radijaciju koja se izdvaja od okolnog područja.

Primjene podataka iz daljinskih istraživanja

• Konvencionalni radar je većinom povezan sa kontrolom zračnog prometa, ranim uzbunjivanjem i određenim opsežnim meteorološkim podacima. Dopplerov radar koriste lokalni redarstvenici za nadziranje ograničenja brzine, a u poboljšanom meteorološkom prikupljanju u određivanju brzine i smjera vjetra unutar vremenskih sistema. Ostale vrste aktivnog prikupljanja uključuju plazme u jonosferi. Interferometrijski radar sa sintetičkom aperturom koristi se za stvaranje preciznih digitalnih elevacijskih modela terena u velikom mjerilu (vidi RADARSAT, TerraSAR-X, Magellan).
• Laserski i radarski altimetri ili visinomjeri na satelitima pružaju širok raspon podataka. Mjerenjem ispupčenja vode uzrokovanog gravitacijom, oni kartiraju oblježja morskog dna u rezoluciji od milje ili otprilike veličine. Mjerenjem visine i valne dužine okeanskih valova, visinomjeri mjere brzine i smjerove vjetra, te površinske okeanske struje i njihove smjerove.
• Light Detection And Ranging (LIDAR) dobro je poznat u primjerima gađanja oružjem, lasersko iluminiranim praćenjem projektila. LIDAR se koristi za detekciju i mjerenje koncentracije različitih hemikalija u atmosferi, dok se zračni LIDAR može koristiti u mjerenju visine objekata i obilježja na tlu pouzdanije od radarske tehnologije.
• Radiometri i fotometri najčešći su instrumenti u upotrebi, te služe za prikupljanje reflektirane i emitirane radijacije u širokom rasponu frekvencija. Najčešći su vidljivi i infracrveni radari, a za njima slijede mikrovalni, gama-valni i ultraljubičasti. Također se mogu koristiti za detektiranje emisijskog spektra različitih hemikalija čime pružaju podatke o hemijskim koncentracijama u atmosferi.
• Stereografski par zračnih fotografija često su koristili u izradi topografskih karata analitičari snimaka, terenski analitičari u saobraćaju i autocestnim odjelima za projektovanje mogućih trasa saobraćajnica.
• Simultane multispektralne platforme poput Landsata nalaze se u upotrebi od 1970-ih. Ovi tematski maperi rade snimke u višestrukim valnim dužinama elektromagnetske radijacije (multispektralno) pa se obično nalaze na satelitima za osmatranje Zemlje uključujući (na primjer) Landsatov program satelita IKONOS. Karte pokrova tla i upotrebe tla iz tematskog mapiranja mogu se koristiti u pretraživanju minerala, detektiranju ili nadgledanju upotrebe tla, deforestacije, te proučavanja zdravlja autohtonih biljaka i usjeva uključujući čitave poljoprivredne regije ili šume (precizna poljoprivreda).
• U aspektu borbe protiv uništavanja šuma daljinska istraživanja omogućuju praćenje i nadgledanje rizičnih područja toekom dugog razdoblja, determiniranje desertifikacijskih faktora, podupiranje donositelja odluka u definiranju relevantnih mjera upravljanja okolinom, te procjenjivanju njihovih učinaka.

Geodetske tehnike

Cjelovito geodetsko prikupljanje prvi put je korišteno u zračnom detektiranju podmornica, te u gravitacijskim podacima korištenim u vojnim kartama. Ovi podaci otkrivaju kako se minutne perturbacije u Zemljinom gravitacijskom polju (geodezija) mogu koristiti za determiniranje promjena u masenoj distribuciji Zemlje, što se zatim može koristiti u geološkim ili hidrološkim istraživanjima.

Akustične i paraakustične tehnike

Pasivne; sonar se koristi za detektiranje, određivanje raspona i mjerenje podvodnih objekata i terena. Seizmogrami uzeti na različitim lokacijama mogu locirati i mjeriti potrese (nakon što se oni pojave) uspoređujući relativni intenzitet i precizno vrijeme. Aktivne: geolozi koriste pulseve za detektiranje naftnih polja.

Za koordinaciju nizom opsežnih osmatranja većina istraživačkih sistema će zavisiti od slijedećeg; lokaciji platforme, trenutačnom vremenu, te rotaciji i orijentaciji senzora. Krajnji instrumenti danas često koriste pozicijske informacije iz satelitskih navigacijskih sistema. Rotaciju i orijentaciju često daju unutar jednog ili dva stupnja elektronički kompasi. Kompasi mogu mjeriti ne samo azimut (tj. stepene magnetskog sjevera), nego također visinu (stupene iznad horizonta) jer magnetsko polje ponire u Zemlju u različitim stepenima na različitim geografskim širinima. Egzaktnije orijentacije zahtjevaju žiroskopsku orijentaciju, periodično nanovo usklađene različitim metodama uključujući navigaciju pomoću zvijezda ili poznatih referentnih tačaka.

Rezolucija utječe na prikupljanje, a najbolje je objašnjena sljedećim odnosom; niža rezolucija=manje detalja & veća pokrivenost, viša rezolucija=više detalja, manja pokrivenost. Izvježbano upravljanje prikupljanjem rezultira isplativim prikupljanjem i izbjegavanjem situacija poput upotrebe višestrukih visokorezolucijskih podataka koji uzrokuju zapreke transmisijskoj infrastrukturi i onoj za smještaj podataka.

Procesiranje podataka

Više informacija: inverzni problem

Daljinska istraživanja djeluju općenito na principu inverznog problema. Ako promatrani objekti ili fenomeni (stanje) ne mogu biti izravno mjereni, onda se koriste neke druge postojeće varijable koje se mogu detektirati i izmjeriti (opservacija), a koje mogu biti povezane sa posmatranim objektom upotrebom računarskog modela dobivenog iz podataka. Uobičajena analogija koja se koristi za opisivanje ovog postupka je pokušavanje određivanja vrste životinja prema njenim tragovima. Primjerice, iako je nemoguće izravno izmjeriti temperature u višoj atmosferi, moguće je izmjeriti spektralne emisije poznatih hemijskih vrsta (poput ugljik dioksida) u tom području. Frekvencija emisije zatim se može povezati sa temperaturom u tom području putem različitih termodinamičkih odnosa.

Kvalitet podataka u daljinskim istraživanjima sastoji se od njihove prostorne, spektralne, radiometrijske i vremenske rezolucije.

Prostorna rezolucija

Veličina piksela koji se zapisuje u rasterskom snimku – pikseli tipično mogu odgovarati kvadratnim područjima čija veličina stranice može biti od 1 do 1.000 metara.

Spektralna rezolucija

Broj različitih zapisanih frekvencijskih pojaseva – obično je ovo jednako broju senzora na platformi. Trenutna Landsatova zbirka sadrži sedam pojasa, uključujući nekoliko u infracrvenom spektru. Sateliti MODIS imaju najbolju rezoluciju na 31 pojasu.

Radiometrijska rezolucija

Broj različitih intenziteta radijacije koje senzor može razlikovati. Tipičan raspon ide od 8 do 14 bita što odgovara 256 razina skale sive boje, te do 16.384 intenziteta ili "sjenki" boje u svakom pojasu.

Vremenska rezolucija

Odgovara frekvenciji preleta satelitom ili zrakoplovom, te je relevantna samo u istraživanjima vremenskih slijedova ili u onima koji zahtijevaju prosječan ili mozaičan snimak kao u monitoriranju deforestacije. Postavljanjem jedinica ili modifikacijom/uvođenjem opreme obavještajna je zajednica prva primijenila ovu vrstu snimanja kako bi ponovljenim preletima otkrila promjene infrastrukturi. Oblačni pokrov nad promatranim područjem ili objektom zahtijeva ponavljanje prikupljanja podataka na toj lokaciji.

Ekonomska rezolucija

Isplativ način upravljanja zbirkom podataka.

Radi stvaranja senzorskih karata, većina sistema daljinskih istraživanja zahtijeva ekstrapolaciju senzorskih podataka u odnosu na referentnu tačku uključujući udaljenost između poznatih tačaka na tlu. Ovo ovisi o vrsti korištenog senzora. Na primjer, u konvencionalnim fotografijama, udaljenosti su pouzdane u centru slike, dok se distorzija mjerenja povećava udaljavanjem od centra. Drugi faktor je valjak na koji se otiskuje film, a koji može uzrokovati ozbiljne pogreške kada se koriste fotografije za mjerenje udaljenosti na tlu. Korak u kojem se taj problem riješava naziva se georeferenciranje, te uključuje računarsko sparivanje tačaka na snimku (tipično 30 ili više tačaka po snimku) koji je ekstrapoliran upotrebom određene referentne tačke, "iskrivljujući" snimak kako bi nastali pouzdani prostorni podaci. Od ranih 1990-ih većina se satelitskih snimaka prodaje u potpunosti georeferencirano.

Štaviše, snimci se ponekad moraju radiometrijski i atmosferski korigovati.

Radiometrijska korekcija

daje skalu vrijednostima piksela, tj. monokromatska skala od 0 do 255 bit će izmijenjena u aktualne vrijednosti radijacije (sjaja).

Atmosferska korekcija

eliminira atmosferske plinove ponovnim skaliranjem svakog frekvencijskog pojasa tako da njegova minimalna vrijednost (obično ostvarenu na vodenim površinama) odgovara vrijednosti piksela od 0. Digitaliziranje podataka također omogućuje manipulaciju podacima promjenama vrijednosti skale sive boje.

Interpretacija je kritičan proces stvaranja smislenosti podataka. Prva primjena zbila se u zračnom fotografskom prikupljanju koje je koristilo sljedeći proces; prostorno mjerenje pomoću korištenja tablice svjetla kako u konvencionalnom pojedinačnom tako i u stereografskom pokrovu, poboljšano je upotrebom fotogrametrije, fotomozaika, ponovljenog pokrova, poznatih dimenzija objekta što je sve omogućilo detektiranje modifikacija. Analiza snimaka nedavno je razvijena automatizirana računarska aplikacija koja se sve više koristi.

Analiza snimka temeljena na objektu (OBIA, engl. Object-Based Image Analysis) je subdisciplina znanosti o GIS-u koja se fokusira na particioniranje snimaka daljinskih istraživanja u semantičke snimke-objekte, te procjenjuje njihove karakteristike u prostornom, spektralnom i vremenskom mjerilu.

Stari podaci iz daljinskih istraživanja često su vrijedni zbog toga što mogu pružati samo dugoročne podatke za velik dio geografije. Istovremeno su podaci kompleksni za interpretaciju, te glomazni za smještaj. Moderni sistemi teže digitalnom smještaju podataka često uz kompresiju bez gubitka. Teškoće kod ovog pristupa predstavlja lomljivost podataka, moguća zastarjelost formata, te lagana falsifikacija podataka. Jedan od najboljih sistema za arhiviranje serija podataka je računarsko generirani, mašinski čitljivi mikrofilm obično u tipskom fontu kao što je OCR-B ili kao digitalizirani polutonski snimak. Mikrofilmovi mogu u standardnim bibliotekama trajati nekoliko vijekova. Oni se mogu stvarati, kopirati, ispunjavati i pronaći pomoću automatskih sistema. Oni su kompaktni poput arhivskih magnetskih medija, a opet se mogu čitati uz minimalnu, standardiziranu opremu.

Historija

Izviđački/nadzorni avion TR-1.

2001 Mars Odyssey koristio je spektrometre i kamere u potrazi za dokazima prošle ili sadašnje vode i vulkanske aktivnosti ina Marsu.

Osim primitivnih metoda daljinskog istraživanja koje se koristili naši najraniji preci (npr. stajanje na visokoj litici ili stablu kako bi vidjeli krajolik), moderna disciplina nastala je tek razvojem letenja. Balonist G. Tournachon (alias Nadar) izradio je fotografije Pariza iz svog balona 1858. godine. Prva taktička upotreba zbila se tokom građanskog rata. Golubovi pismonoše, zmajevi, rakete i bespilotni baloni također su se koristili za rane snimke. Sa izuzetkom balona, ovi prvi pojedinačni snimci nisu bili posebno korisni za izradu karata ili naučne svrhe.

Sistemska vazdušna fotografija razvijena je za svrhe vojnog nadzora i izviđanja početkom Prvog svjetskog rata, a svoj vrhunac doživjela je tokom Hladnog rata upotrebom modificiranih borbenih vazduhoplova kao što su P-51, P-38, RB-66, F4-C ili specifično dizajniranih prikupljačkih platformi kao što su U2/TR-1, SR-71, A-5 i serija OV-1, kako za visinsko tako i za daljinsko prikupljanje. Nedavno su razvijena sve manja senzorna vozila koja koriste policija i vojska, a mogu biti u obliku bespilotnih ili pilotnih platformi. Napredak u tom pristupu očituje se u minimalnim zahtjevima modifikacije datog zračnog okvira. Kasnije će vizualizacijske tehnologije uključivati infracrvene, konvencionalne i dopplerove radare, te radare sa sintetičkom aperturom.

Razvoj umjetnih satelita u drugoj polovici 20. vijeka omogućio je napredak u daljinskim istraživanjima na globalnoj razini pri kraju Hladnog rata. Instrumentacija na različitim meteorološkim satelitima i satelitima za osmatranje Zemlje kao što su Landsat, Nimbus i nedavne misije RADARSAT-a i UARS-a omogućila je globalna mjerenja različitih podataka u civilne, istraživačke i vojne svrhe. Svemirske sonde poslane na druge planete također su stvorile mogućnost za obavljanje daljinskih istraživanja u ekstraterestričkoj okolini, a radar sa sintetičkom aperturom na svemirskoj letjelici Magellan dao je detaljne topografske karte Venere, dok su instrumenti na SOHO-u omogućili obavljanje proučavanja Sunca i solarnog vjetra.

Nekoliko nedavno razvijenih istraživačkih grupa u Silicijskoj dolini, koje su svoj početak imale u 1960-im i 1970-im razvojem procesiranja snimaka dobivenih satelitskim snimanjem, a među kojima se nalaze NASA Ames Research Center, GTE i ESL Inc. razvili su tehnike Fourierove transformacije što je dovelo do prvog značajnog napretka podataka sa snimanja.

Uvođenje online web usluga za brzi pristup podacima dobivenih daljinskim istraživanjima u 21. vijeku (uglavnom snimaka niske/srednje rezolucije) kao što je Google Earth približilo je daljinska istraživanja velikom dijelu javnosti što je populariziralo nauku.

Softver za daljinska istraživanja

Podaci dobiveni daljinskim istraživanjima procesiraju se i analiziraju pomoću računarskog softvera poznatog kao aplikacija za daljinska istraživanja. Postoje brojne komercijalne aplikacije i one otvorenog koda za procesiranje podataka u daljinskim istraživanjima. Prema istraživanju koje je sponzorirala NOAA, a proveo Global Marketing Insights, Inc. najčešće korištena aplikacija među azijskim akademskim grupama uključenima u daljinska istraživanja bila je: ESRI 30%; ERDAS IMAGINE 25%; ITT Visual Information Solutions ENVI 17%; MapInfo 17%; ERMapper 11%. Zastupljenost u akademskoj zajednici zapada je sljedeća: ESRI 39%, ERDAS IMAGINE 27%, MapInfo 9%, Autodesk 7%, ITT Visual Information Solutions ENVI 17%.

Literatura

• Campbell, J.B. (2002). Introduction to remote sensing (3rd ed. izd.). The Guilford Press. ISBN 1-57230-640-8.
• Jensen, J.R. (2007). Remote sensing of the environment: an Earth resource perspective (2nd ed. izd.). Prentice Hall. ISBN 0-13-188950-8.
• Jensen, J.R. (2005). Digital Image Processing: a Remote Sensing Perspective (3rd ed. izd.). Prentice Hall.
• Lasaponara, R. and Masini N. 2012: Satellite Remote Sensing - A new tool for Archaeology. Remote Sensing and Digital Image Processing Series, Volume 16, 364 pp., ISBN 978-90-481-8801-7
• Lillesand, T.M.; R.W. Kiefer, and J.W. Chipman (2003). Remote sensing and image interpretation (5th ed. izd.). Wiley. ISBN 0-471-15227-7.
• Richards, J.A.; and X. Jia (2006). Remote sensing digital image analysis: an introduction (4th ed. izd.). Springer. ISBN 3-540-25128-6.
• US Army FM series.
• US Army military intelligence museum, FT Huachuca, AZ

Vanjski linkovi

• daljinsko istraživanje na Curlie