Obecné principy dálkového průzkumu Země

DPZ (dálkový průzkum Země, Remote sensing) je moderní metoda distančního získávání informací o objektech na zemském povrchu. Největší předností takového postupu je to, že informace o objektech získáváme bez nutnosti fyzického kontaktu. Data můžeme získávat konvenčními metodami v analogové formě (pořízená fotografickým snímkováním), která jsou následně převedena do podoby digitální, nebo můžeme získávat data nekonvenčními metodami, kdy vznikají snímky postupně tzv. řádkováním za pomoci přístrojů na měření radiace - radiometrů a tzv. snímacích zařízení - skenerů. Skenery snímají zemský povrch postupně po úzkých řádcích (Dobrovolný, 1998). Data jsou tedy pořizovaná i zpracovávaná digitálně.

Tento typ dat v dnešní době převažuje. Jsou pořizována skenery umístěnými na nosičích. Nosičem bývá letadlo, které pořizuje letecké snímky nebo družice pořizující snímky družicové. Snímky jsou pořizovány ve výškách od 200 m (kdy jsou používány dálkově řízené vrtulníky) do 36 000 km, kde se pohybují nejvzdálenější družice.

Družice snímají v širokém spektru vlnových délek od 0,30 μm až do jednoho metru. Vlivem atmosféry však dochází k ovlivňování a záření je pohlcováno a rozptylováno. Rozptyl závisí na velikosti rozptylových částic v atmosféře. Rozptyl, který ovlivňuje především krátké vlnové délky a snižuje ostrost a kontrast obrazu se nazývá Rayleighův. Tento rozptyl způsobují částice mnohem menší než je vlnová délka. Pokud jsou rozptylující částice větší než vlnová délka, vzniká rozptyl aerosolový. Nejčastěji bývá způsobován vodními parami, či prachem. Velké částice, jako kapky vody, způsobují rozptyl neselektivní, který rozkládá všechny vlnové délky (Dobrovolný, 1998).

Pohlcování probíhá v různých vlnových délkách s různou intenzitou. Hlavními plyny pohlcujícími záření jsou ozon, oxid uhličitý a vodní pára. Tyto plyny pohlcují v některých částech spektra takové množství záření, že je nemožné je měřit. Oblasti, které nejsou ovlivňovány pohlcováním a rozptylem, se nazývají atmosférická okna. Tato okna se nachází převážně ve viditelných vlnových délkách, dvě okna jsou i v termální části (3 - 5 μm a 8 – 14 μm) a jedno v oblasti mikrovln (obr. 1 a 2).

Obr. 1 Spektrum a jeho ovlivnění v atmosférou (upraveno podle Sunday, Smith, 1999)

Množství odraženého záření lze charakterizovat tzv. spektrální odrazivostí, kterou lze definovat například jako poměr intenzity odraženého záření a intenzity záření dopadajícího na určité vlnové délce (Dobrovolný, 1998).

Obr. 2 Odraz a absorpce slunečního záření (upraveno podle Sunday, Smith, 2003)

Senzor snímající požadované charakteristiky je umístěn na nosiči. Nosičem bývá dnes nejčastěji družice či letadlo. S myšlenkou družicového systému přišel nejprve známý spisovatel sci-fi Arthur C. Clarke již v roce 1945. Dnes existuje několik fungujících družicových systémů. Nejvýše nad zemským povrchem, ve výšce 36 000 km, se pohybují družice geostaciární (GEO), nebo také synchronní. Pro mapování přírodních zdrojů se využívají družice synchronní se sluncem, umístěné na polárních drahách ve výšce 700 – 1 000 km.

Nejvýznamnějším zástupcem této skupiny je systém LANDSAT, jehož snímky byly použity i v této práci. První družice tohoto systému byla vypuštěna v roce 1972 pod názvem ERTS 1, později byla přejmenována a následovaly ji další. V současnosti aktivně snímkují družice systému, a to LANDSAT 5 vypuštěný 1. března 1984 a LANDSAT 7 vypuštěný 15. dubna 1999 (Sheffner, 1996).

2.1  Hyperspektrální a Multispektrální senzory

Podle Dobrovolného (1998) je hyperspektrální senzor zařízení, které pořizuje velké množství obrazových záznamů daného území ve velmi úzkých na sebe navazujících intervalech spektra v oblasti viditelného, blízkého a středního infračerveného elektromagnetického záření (obr. 3). Tyto senzory mohou mít až několik stovek spektrálních pásů, ve kterých snímají a pro každý pixel tak vytváří úplné spektrum (Goetz a kol., in ENVI Tutorials). S rozvojem hyperspektrálního snímkování dochází ke specializaci senzorů, které již nemusí snímat celé spektrum, ale zaměřují se na části spektra, důležité pro zkoumání daného jevu.

Multispektrální senzory pořizují obrazové záznamy v několika málo (cca 10) na sebe navazujících širokých spektrálních pásmech. Z důvodu malého počtu pásem je nemožné zjistit přesný průběh spektrální křivky pixelu a následně určit druh a další specifické vlastnosti povrchu. Přesto mají družice s multispektrálními senzory široké využití v mapování přírodních zdrojů a v meteorologických aplikacích.

Obr. 3 Pojetí spektrálního mapování (upraveno podle Vane, 1985 in Intro to Hyperspectral Analysis, 1993)

Družice LANDSAT nosí standardně dva senzory, které snímají různá vlnová pásma s rozdílným rozlišením. The Multispectral Scanner (MSS) je zařízení, které snímá povrch Země kolmo na orbitu. Tento pohyb je zajištěn výkyvným zrcadlem. Při každém kmitu je skenováno 6 řádků obrazu ve čtyřech spektrálních pásmech. Snímaný pixel má vlivem pohybu družice rozměry 68 metrů v kolmém směru a v  podélném 83 metrů, přičemž překryv řádků je 15 metrů. Thematic Mapper (TM) je pokročilý, multispektrální skener pozemních zdrojů navržený k tomu, aby dosáhl vyššího obrazového rozlišení a ostřejšího spektrálního oddělení než MSS, a aby zlepšil geometrickou a radiometrickou přesnost a rozlišení. TM data jsou snímaná v sedmi spektrálních pásmech současně. Pásmo 6 snímá termální infračervené záření. Scénu tohoto pásma lze získat pouze v noci a to s rozlišením 120 m, ostatní pásma snímají s rozlišením 30 metrů. Enhanced Thematic Mapper + (ETM+) zahrnuje nové rysy, které ho dělají všestrannějším a účinnějším nástrojem pro globální studium změn, monitorování a určení zemního pokryvu a mapování velkých územ než byl jeho předchůdce. Nalezneme jej pouze na družici LANDSAT 7. ETM+ je osmipásmový multispektrální radiometr schopný poskytovat informace ze zemského povrchu s vysokou rozlišovací schopností. Zjistí spektrálně filtrované záření v pásmech VNIR (viditelné a blízké infračervené záření), SWIR (střední infračervené záření), LWIR (oblast dlouhovlnného infračerveného záření) a PAN (panchromatické pásmo) z osvětlené části Země v 183 km širokém pásu. Nominální vzorek je 15 metrů v panchromatickém pásu, 30 metrů ve VNIR a SWIR pásmech a 60 metrů v pásmu LWIR (Rocchio, Williams, 2005). Data ze senzoru ETM+ byla použita i v této práci.

Druhý typ dat, který byl v práci využit pochází ze senzoru ASTER, který je umístěný na družici TERRA. Tato družice nese ještě další dva senzory – MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) a MISR (Multi-Angle Imaging Spectro-Radiometer).

ASTER je nástroj poskytnutý japonským ministerstvem mezinárodního obchodu a průmyslu. Produkuje multispektrální snímky zemského povrchu a oblačnosti s vysokým rozlišením (15 – 90 metrů), takže data mohou být přímo spojena s detailními fyzikálními procesy. Operuje ve třech viditelných a blízkých infračervených pásmech s rozlišením 15 metrů, v šesti středních infračervených pásmech s 30ti metrovým rozlišením a v pěti termálních pásech s 90ti metrovým rozlišením. Snímá 60ti kilometrový pás, který dráhu letu kříží v úhlu ±8,55° ve SWIR a TIR (tepelné infračervené záření) a pod úhlem ±24° ve VNIR. Dodatečný VNIR dalekohled (na zádi) pokrývá vlnovou délkou rozsah tří kanálů. Kombinací s daty z teleskopu na přídi jsou tvořeny stereopáry. Každý bod na Zemi je dostupný nejméně každých 16 dní ve všech 14ti pásmech a jednou za 5 dní ve třech kanálech viditelného a blízkého infračerveného záření (King, McClung, 2005).

Asi nejpoužívanějším leteckým senzorem pro geologické aplikace je hyperspektrální scanner HyMap, který od roku 1996 vyrábí firma Integrated Spectronics Pty Ltd. Je vybaven optomechanickým snímačem s přední optikou v kombinaci se standardními vysokovýkonnými spektrografy a optimalizovanými snímači polí. Řada HyMap pokračuje v rozvíjení systému poskytujícího spektrální pokrytí ve 126 pásech vlnové délky 0,45 – 2,5 µm a 32 pásech v tepelném infračerveném záření (8 - 12 µm) s výjimkou pásma atmosférických vodních par a vlnového rozsahu mezi 15 – 20 nm. Prostorové rozlišení těchto dat je 3,5 – 10 metrů (HyMap Specs, 2000).

K vizualizaci hyperspektrálních dat v trojrozměrném prostoru slouží spektrální kostka. Podle rozměrů scény se jedná o krychli nebo kvádr, jehož tři osy jsou definovány řádky obrazového záznamu (osy x a y) a hodnotami radiometrické charakteristiky jednotlivých pásem (osa z) (Dobrovolný, 1998). Na vrcholu kostky jsou data zachycená na nejkratší vlnové délce, základnu tvoří data vzniklá z nejdelší vlnové délky. Hyperspektrální data lze vizualizovat i dvojrozměrně v grafu, kdy je na osu x vynesena vlnová délka a na osu y naměřené hodnoty.

2.2  Spektrální vlastnosti minerálů a hornin

Horniny a především minerály představují oproti půdám z hlediska jejich chemického složení objekty do značné míry homogenní. Spektrální projev hornin není tak jednoznačný, jak u jednotlivých minerálů. Obecně lze říci, že mnohem snazší pro rozpoznání je spektrum minerálů. Příčinou je jistá homogenita vyjádřená chemickým vzorcem. Příkladem může být například pyrit (FeS₂), který obsahuje železo. To se spektrálně projevuje v oblasti viditelného a blízkého infračerveného záření, takže pyrit je charakteristický výrazným pásmem absorpce v této oblasti.

Spektrální projevy minerálů a jejich složek lze rozdělit do několika částí podle vlnové délky elektromagnetického záření:

É        viditelné a blízké infračervené záření (VNIR, 0,4 – 1,0 µm)

É        střední infračervené záření (SWIR, 1 – 3 µm)

É        termální infračervené záření (TIR, 3 µm - 1 mm )

É        mikrovlnné části spektra ( 1 mm - 1m)

První oblasti nejkratších vlnových délek se spektrální projevy téměř nedotýkají. Silikáty, oxidy, hydroxidy, karbonáty a fosfáty, které tvoří většinu 23 zemských povrchových hornin, postrádají v regionu viditelného a blízkého infračerveného záření spektrální rysy.

Jednou z mála výjimek je železo, jehož ionty ukazují silnou absorpci v oblasti UV až modrých vlnových délek. Železo, pyroxeny, amfiboly a magnetit obsahují magmatity a jejich absorpční pásy tedy korespondující s železnatými a železitými ionty mezi 0,7 µm a 1 µm. Také pískovce obvykle mívají příměs železitých oxidů, které vytvářejí spektrální znaky v 0,87 µm, dolomity spíše okolo 1 µm. Podle Hunta (1971) v Papp a Cudahy (2002) dochází k patrné odlišnosti i u hornin s obsahem manganu a chrómu.

Oblast středního infračerveného záření zahrnuje dvě atmosférická okna se středy přibližně 1,5 a 2,2 mikrometrů. Obě jsou nejdůležitější především pro vegetační a geologické studie.

Výrazný absorpční pás mezi 2,74 - 2,77 µm je typický pro ionty hydroxylu, které se vyskytují ve slídách, jílech, či chloritu. V případě, že se hydroxylové ionty nacházejí v kombinaci s hliníkem a hořčíkem (Al-OH a Mg-OH), které bývají běžné v jílech a hydratovaných silikátech, vyskytne se několik ostrých absorpčních rysů v oblasti 2,1 – 2,4 µm. Tento široký pás absorpce je použit k diagnóze oblastí bohatých na jíly.

V 1,4 µm a 1,9 µm se vyskytují významné absorpční pásy molekul vody. Tyto pásma jsou důležitá pro identifikaci sedimentů, které obsahují velké množství vody, a mají tedy i odpovídající pásma absorpce v 1,4 µm a 1,9 µm. Jílové břidlice mají navíc absorpční pás i mezi 2,1 – 2,3 µm. Karbonátové břidlice jsou znakově chudší, jednotvárné.

Vápence a kalcitické (vápenaté) horniny jsou charakterizovány absorpčním pásem karbonátů. Karbonáty, které se v zemské kůře vyskytují například ve formě kalcitu (CaCO₃), magnezitu (MgCO₃), dolomitu ( [Ca-Mg] CO₃) a sideritu (FeCO₃), mají tři výrazná absorpční pásma ve vlnových délkách 1,9 µm (podobnost s vodou), 2,35 µm (podobnost s jíly) a 2,55 µm. Pro lepší identifikaci se používá kombinace všech tří hodnot (Gupta, 2003). V 1,4 µm, 1,9 µm a 2,2 µm vykazuje absorpční pás pegmatit, což koresponduje s absorpčními pásy OH a H₂O. Granitoidy mají méně vody a absorpční pás OH je tedy slabší.

Metamorfity rovněž nejsou ušetřeny absorpčních znaků vody a hydroxylů (1,4 a 1,9 µm), což je typické pro mramor, kvarcit, či krystalickou břidlici. Mramor charakterizují pásma karbonátů v 1,9 µm a 2,35 µm.

Oblast tepelné části spektra ( 3 µm - 1 mm) je centrem spektrálních příznaků většiny minerálů a jejich složek, jako jsou silikáty, karbonáty, oxidy, fosfáty, sulfáty, nitráty, nitrity a hydroxyly. Největší absorpce silikátů je soustředěna kolem 10 µm, celá oblast absorpce je pak v závislosti na struktuře 8,5 µm až 12 µm. Karbonáty mají nápadný absorpční rys v 11,3 µm, fosfáty mají dvě pásma absorpce na 9,25 µm a 10,3 µm, pro sulfáty jsou typické vlnové délky 9 µm a 16 µm.

Z geologického pohledu je oblast TIR nejdůležitějším spektrálním regionem. Snímků je využíváno například k určování druhů hornin, lokalizaci geologických zlomů, mapování půd, zjišťování teplotních charakteristik vulkánů, studiu evapotranspirace, lokalizaci teplých a studených pramenů, studiu teplotního znečištění, cirkulace v nádržích a mořích a k lokalizaci lesních požárů.