1. Εισαγωγή

Tηλεπισκόπηση ή Remote Sensing ονομάζουμε τη συλλογή πληροφοριών για ένα αντικείμενο χωρίς να έχουμε φυσική επαφή με αυτό (Rees, 2001). Στα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών σκοπός μας είναι, στις περισσότερες των περιπτώσεων, η καταγραφή δεδομένων για τα αντικείμενα που βρίσκονται στην επιφάνεια ή την ατμόσφαιρα της γής. Περιορίζοντας τον παραπάνω ορισμό στις ανάγκες και τους σκοπούς των GIS, τηλεπισκόπηση είναι η συλλογή πληροφοριών για ένα αντικείμενο χωρίς να έχουμε φυσική επαφή με αυτό χρησιμοποιώντας την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που ανακλάται ή εκπέμπετεται απο αυτά.

2. Ιστορική Αναδρομή

Οι ρίζες της τηλεπισκόπησης εντοπίζονται στην αρχαία Ελλάδα. Ο Αριστοτέλης ήταν απο τους πρώτους που ανέφεραν κάποια στοιχεία για τη φύση και τις ιδιότητες του φωτός ενώ οι Άραβες αναφέρουν πρώτοι το φαινόμενο του ανεστραμμένου ειδώλου όταν το φώς περνάει απο μία μικρή οπή (Καρτέρης, Δασική Αεροφωτογραφία, 2002).

Εικόνα 1. Pinhole Camera. Η συγκεκριμένη κατασκευή έχει δημιουργηθεί χωρίς την προσθήκη κάποιου συμβατικού οπτικού φακού. Μία πολύ μικρή τρύπα σε ένα πολύ λεπτό υλικό όπως είναι το χαρτί μπορεί να εστιάσει το φώς περιορίζοντας τις ακτίνες μίας σκηνής μέσα απο αυτή ενώ τα αποτελέσματα μπορούν να αποτυπωθούν σε φωτογραφικό χαρτί ή φίλμ.

Η πρώτη αξιόλογη προσπάθεια αποτύπωσης μίας εικόνας στο ορατό φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας χρησιμοποιώντας μεθόδους τηλεπισκόπησης πραγματοποιήθηκε το πρώτο μισό του 19^ου αιώνα, ενώ συγρόνως νέες μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ανακαλύφτηκαν όπως η υπέρυθρη ακτινοβολία (infrared), τα ραδιοκύματα (radio waves) καθώς και η υπεριώδης ακτινοβολία (ultraviolet). H συλλογή της πρώτης αεροφωτογραφίας έγινε το 1858 απο αερόστατο που πετούσε πάνω απο την Πόλη του Παρισίου, ενώ αργότερα χρησιμοποιήθηκαν και άλλες πρωτότυπες εξέδρες αεροφωτογράφησης όπως είναι οι χαρταερτοί και τα περιστέρια. Στις αρχές του 20^ου αιώνα χρησιμοποιήθηκαν τα αεροπλάνα ώς εξέδρες αεροφωτογράφησης. Η πρακτικότητα τους αναγνωρίστηκε γρήγορα ενώ η χρήση τους στον πρώτο και περισσότερο στο δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο για κατασκοπευτικούς σκοπούς ήταν καίρια. Στα μέσα της δεκαετίας του 1950 πρωτοεμφανίστηκε το υπέρυθρο φίλμ που χρησιμοποιήθηκε επι το πλήστον για στρατιωτικές εφαρμογές και χαρτογράφηση της βλάστησης. Οι αισθητήρες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας εξελίχθηκαν με γοργούς ρυθμούς ενώ άρχισαν να χρησιμοποιούνται οι δορυφόροι ως εξέδρες τηλεπισκόπησης. Ο πρώτος δορυφόρος που φέρει αισθητήρα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι ο TIROS-1 ενώ ακολουθεί ο ERTS το 1972 ο οποίος μετονομάζεται σε LandSAT-1 αργότερα. Ο αριθμός νέων δορυφόρων με αισθητήρες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας απο τότε έχει πολλαπλασιαστεί ενώ η χρήση τους έχει ξεφύγει απο τα στενά όρια του παρελθόντος αφού πλέον μπορούμε να πάρουμε μετρήσεις για πάρα πολλές μεταβλητές.

3. Εφαρμογές

Η επιστήμη της τηλεπισκόπησης καθώς και οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σε αυτή συνεχίζουν να εξελλίσονται με γοργούς ρυθμούς. Αποτελέσμα αυτής της ανάπτυξης είναι η μείωση της τιμής των παραγόμενων δεδομένων καθώς και η αύξηση στο εύρος και το πλήθος των εφαρμογών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι νέες τεχνικές και μεθοδολογίες παρατήρησης της γής. Τα κύρια πλεονεκτήματα της τηλεπισκόπησης σήμερα είναι η χαμηλή τιμή των δεδομένων, η καλή ποιότητα των δεδομένων, η ποικιλία στην ανάλυση ανάλογα την εφαρμογή που μας ενδιαφέρει, η εύκολη διαχείριση και επεξεργασία τους με χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή και ο μικρός χρόνος αναμονής για απόκτηση των δεδομένων. Τα παραπάνω στοιχεία σε συνδυασμό με το γεγονός ότι οι μετρήσεις στο πεδίο είναι αρκετά χρονοβόρες και ακριβές κάνουν τα δεδομένα που παράγονται απο τηλεπισκόπηση να βρίσκουν εφαρμογή σε πολλές επιστήμες και επαγγέλματα. Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα μπορούν να είναι χρήσιμα στις επιστήμες που σχετίζονται με την επιφάνεια της γής (Δασολόγοι, Περιβαλλοντολόγοι, Γεωλόγοι, Τοπογράφοι, Γεωγράφοι, Γεωπόνοι, Πολιτικοί Μηχανικοί, Αρχιτέκτονες κτλ) για την μέτρηση μεγεθών όπως οι μετακινήσεις των τεκτονικών πλακών, η θερμογρασία και η υγρασία του εδάφους, οι κλίσεις, το εμβαδόν και η τοπογραφία του εδάφους, το είδος, η υγεία και η πυκνότητα της βλάστησης, η βιομάζα των δασών και του φυσικού περιβάλλοντος γενικότερα, την ποσότητα των αερίων του θερμοκηπίου που μετακινείται στο φυσικό περιβάλλον κτλ. Επίσης τα τηλεπισκοπικά δεδομένα είναι χρήσιμα για επιστήμες και επαγγέλματα που ασχολούνται με την ατμόσφαιρα και τους Ωκεανούς της γής (Μετεωρολόγοι, Ωκεανολόγοι, Μηχανικοί Περιβάλλοντος, Χημικοί Μηχανικοί, Ναυτικοί, Φυσικοί κτλ). Τα δεδομένα σε αυτές τις επιστήμες χρησιμοποιούνται για την μέτρηση θερμοκρασιών αέρα και ωκεανού, υγρασίας, εξάτμησης του νερού, ταχύτητες του ανέμου, διοξειδίου του άνθρακα, όζοντος, τοπογραφία των ωκεανών, παλίρροιες, βαρυτικό πεδίο της γής, παραγωγικότητα πλανγτόν κτλ.

4. Συστήματα Τηλεπισκόπησης

Τα συστήματα τηλεπισκόπησης, δηλαδή το σύνολο των συσκευών και τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται για τη συλλογή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας διακρίνονται σε δύο κύριες κατηγορίες.

α) Τα παθητικά συστήματα τηλεπισκόπησης: είναι εκείνα τα συστήματα που εντοπίζουν και καταγράφουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία φυσικά.

β) Τα ενεργητικά συστήματα τηλεπισκόπησης: είναι εκείνα τα συστήματα που εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και αναλύουν αυτήν που επιστρέφει πίσω σε αυτά. (Rees, 2001)

Για να γίνει περισσότερο κατανοητό στα παθητικά συστήματα τηλεπισκόπησης το μέσο που εκπέμπει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι ο Ήλιος και η ποσότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που μετράται απο τους αισθητήρες του συστήματος είναι αυτή που ανακλάται απο τα αντικείμενα που μας ενδιαφέρουν. Τα παθητικά συστήματα έχουν την δυνατότητα να μετρούν και την θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται απο τα αντικείμενα. Στα ενεργητικά συστήματα τηλεπισκόπησης η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκπέμπεται απο κάποιο τεχνητό μέσο που συνήθως βρίσκεται ενσωματωμένο στο σύστημα (π.χ ραντάρ, LiDAR κτλ)

Εικόνα 2. Παθητικό Σύστημα Τηλεπισκόπησης και χαρακτηριστικά του. Ο ήλιος εκπέμπει μία ποσότητα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (Ι) η οποία προσπίπτει στα αντικείμενα της εικόνας. Μέρος αυτής της ακτινοβολίας διαχέεται (α), ένα άλλο μέρος απορροφάται (τ) ενώ ένα μέρος αυτής ανακλάται (ρ) και καταγράφεται. Σημαντική επίδραση στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει η ατμόσφαιρα της γής υποβαθμίζοντας την ποιότητα της εικόνας που παράγεται.

5. Δεδομένα

Τα  δεδομένα που επεξεργαζόμαστε κατα την διαδικασία της ανάλυσης συνήθως έχουν τη μορφή μίας εικόνας καννάβου (raster image). Κάθε εικονοστοιχείο (pixel) πάνω στο raster έχει μία τιμή η οποία και αποτελεί κατα κάποιο τρόπο τη μέτρηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που ανακλούν τα αντικείμενα που μας ενδιαφέρουν. Τα χαρακτηριστικά των δεδομένων που παράγονται απο τα συστήματα τηλεπισκόπησης είναι αυτά που διαμορφώνουν της ποιότητα τους και είναι τα παρακάτω:

α) Χωρική διακριτική ικανότητα (spatial resolution): Το μέγεθος του εικονοστοιχείου (pixel). Συνηθισμένες τιμές είναι απο 15χ15m εώς 1000χ1000m.

β) Φασματική διακριτική ικανότητα (spectral resolution): Το φάσμα του μήκους κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που μπορεί να καταγραφεί απο τους αισθητήρες του συστήματος τηλεπισκόπησης. Συνήθως αυτό σχετίζεται με τον αριθμό των δίαυλων (bands) εφόσον μιλάμε για δορυφορικά συστήματα τηλεπισκόπησης ή για τον τύπο του φίλμ που χρησιμοποιούμε για όταν μιλάμε για φωτογραφικά συστήματα τηλεπισκόπησης. Ο δίαυλος είναι ουσιαστικά μία περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος την οποία καταγράφουμε (Καρτέρης, Τηλεπισκόπηση Περιβάλλοντος, 2004). Ο γνωστός δορυφόρος LandSAT μπορεί να καταγράψει μία εικόνα σε οκτώ δίαυλους, ο SPOT σε τέσσερις και ο ASTER σε 14.

γ) Ραδιομετρική διακριτική ικανότητα (radiometric resolution): Ο αριθμός των διαφορετικών εντάσεων την ακτινοβολίας που μπορεί να διαχωρίσει ο καταγραφέας του συστήματος τηλεπισκόπησης. Η ραδιομετρική διακριτική ικανότητα εκφράζεται σε bits και συνήθως το εύρος αυτών των τιμών κυμαίνεται απο 8 – 14 bits. Για παράδειγμα αν ένας δορυφόρος έχει 8bit ραδιομετρική διακριτική ικανότητα τότε τα δεδομένα που θα πάρουμε θα εκφράζονται σε 2⁸ = 256 επίπεδα διαβάθμισης.

δ) Χρονική Διακριτική Ικανότητα (Temporal resolution): Αναφέρεται στη συχνότητα κάλυψης και συλλογής δεδομένων απο ένα συγκεκριμένο τμήμα της γήινης επιφάνειας ή αλλιώς το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να περάσει ο δορυφόρος και να συλλέξει δεδομένα πάνω απο το ίδιο σημείο της γής.

Εικόνα 3. Διαφορά στην χωρική διακριτική ικανότητα των τριών δορυφόρων πάνω απο την ίδια περιοχή (Earth Science Office)

Πηγές:

Retrieved 02 02, 2010, from Earth Science Office: http://www.ghcc.msfc.nasa.gov/

Retrieved February 01, 2010, from http://www.fas.org/

Rees, W. G. (2001). Physical Principles Of Remote Sensing. Cambridge: Cambridge University Press.

Καρτέρης, Μ. Α. (2002). Δασική Αεροφωτογραφία. Θεσσαλονίκη: University Studio Press.

Καρτέρης, Μ. Α. (2004). Τηλεπισκόπηση Περιβάλλοντος. Θεσσαλονίκη: Πανεπιστημιακό Τυπογραφείο - ΑΠΘ.

| Περισσότερα...