Uzaktan Algılama Dersi 1. Ünite Özet

Uzaktan Algılamada Temel Kavramlar

Özet
Sorularla Öğrenelim

TANIM VE TARİHÇE

Uzaktan algılama incelenen cisim hakkında uzaktan bilgi elde edilmesidir. Farklı bir tanımla uzaktan algılama, arada mekanik bir temas olmaksızın bir cisimden yayılan veya yansıtılan elektromanyetik ışınımın nitelik ve nicelik yönünden değerlendirilmesi ile cismin özelliklerinin uzaktan ortaya konması ve ölçülmesidir.

Uzaktan algılamanın temeli, yeryüzünün görüntüsünü kaydetmek olduğundan, bu bilimin başlangıcı fotoğrafın icat edildiği tarihtir.

Yeryüzünün havada balonlardan kaydedilmesinde fotoğrafların kullanımı ilk 1850’li dönemlerde başlamıştır.
Bu ilk dönemlerde olarak güvercinler bile kullanılmıştır.
I. Dünya Savaşı’nda hava fotoğrafları önemli bir keşif aracı olarak kullanılmış ve II. Dünya Savaşı sırasında da kullanımı yaygınlaşmıştır.
İlk uzaydan algılama faaliyetleri Alman V-2 roketlerine yerleştirilen otomatik foto-kamera sistemiyle başlamıştır.
4 Ekim 1957’de fırlatılan SPUTNIK uydusu ile uzayda belirli bir yörüngedeki uzay aracına film kameralarının takılması mümkün olmuş ve 1960’larda meteoroloji uydularından (TIROS-1) televizyona benzer siyah-beyaz görüntüler elde edilmiştir.
Operasyonel bir sistem olarak yeryüzü hakkındaki bilgilerin periyodik toplanması, 1970’lerde SKYLAB ve LANDSAT sistemleriyle başlamış, yeryüzündeki doğal ve kültürel kaynakların belirlenmesi (haritalanması) amaçlanmıştır.
1978’de aynı amaçlarla bir RADAR sistemi olan SeaSAT devreye girmiştir.
İlk askeri olmayan RADAR sistemi ise, 1982’de SIR-A uydusunun fırlatılmasıyla başlamıştır.
1980’lerde uçak-bazlı sistemlere yerleştirilen ve elektromanyetik ışınımı simultane olarak çok sayıdaki spektral bantlar şeklinde kayıt eden hiperspektral algılayıcıların uydu sistemlerinde kullanımı bu yüzyılın sonlarına doğru başlamıştır.
Günümüzde farklı yörüngelerde bulunan ve farklı özelliklere sahip birçok uydu sistemi bulunmaktadır.

Güneş ışınımı yansıtımının kaydedildiği bir uydu görüntüsünde algılayıcıya çok uzak olan yeryüzü cisimlerinin görüntüsünü gösteren bir uydu görüntüsünü doğru yorumlayabilmek için;

Ne tür bir ışınım formunun kullanıldığı?
Bu ışınımın nasıl toplandığı ve/veya kaydedildiği?
Görüntünün ölçeği?
Kaydedilen özelliklerin büyüklüklerine ve yansıtım değerlerine göre görüntüdeki detay içeriği?

vb. gibi soruların cevaplanması ve uzaktan algılama sistemini oluşturan temel kavramların bilinmesi gerekmektedir.

UZAKTAN ALGILAMA SİSTEMİ

Tüm uzaktan algılama teknolojileri belirli temel kavramlara dayalıdır, Sistemdeki temel bileşenler;

Hedef,
Enerji kaynağı,
İletim(yayılım) yolu ve
Bir algılayıcıdır

Uzaktan algılamanın temel hedefi, ilgilenilen bir yeryüzü cismi veya materyaline fiziksel temas olmaksızın hedef hakkında bilgi edinmedir.

Uzaktan algılama sisteminde hedefi aydınlatan veya elektromanyetik enerji sağlayan bir enerji kaynağı olmalıdır.
Bu enerji, hedefin özellikleri ve gelen ışınıma bağlı olarak hedef ile etkileşimde bulunup hedeften algılayıcıya bilginin iletilmesi için bir iletim (yayılım) ortamı olarak hareket edecektir.
Algılayıcı ise hedeften gelen ışınımı ölçen ve kaydeden bir aygıttır.
Hedeften gelen enerji kaydedildikten sonra bir uydu yer istasyonuna iletilerek görüntü formatına dönüştürülmek üzere işlenir.
Daha sonra hedef hakkında bilgi çıkarmaya yönelik görsel olarak yorumlanır ve/veya elektronik olarak dijital görüntü işleme algoritmaları kullanılarak işlenir.

Uzaktan algılamada iki farklı algılama sistemi vardır:

Pasif Algılayıcı Sistemler:
Bu tip algılama yapan algılayıcılar, Güneş’in gönderdiği ışınlar aracılığıyla cisimden yansıtılan ışınları ölçerler.
Örnekler:
Pasif Mikrodalga Radyometresi, Radyometre
Aktif Algılayıcı Sistemler: Bu tip algılayıcılar Güneş enerjisine ihtiyaç duymazlar. Mevsim veya günün zamanına bakılmaksızın kendi ışınlarını kendileri gönderir ve yansıtılan enerjiyi geri alarak görüntü elde ederler.
Örnekler:
LIDAR (Işık Saptama ve Uzaklık Belirleme - LIght Detection And Ranging), RADAR (Radyo Dalgaları ile Saptama ve Uzaklık Belirleme - RAdio Detection And Ranging)

Elektromanyetik Enerji

Elektromanyetik enerji, uzaktan algılama sisteminin bileşenleri arasındaki bağlantıyı oluşturur. Enerji, iş yapabilme kabiliyeti olup bir noktadan diğer bir noktaya

Konveksiyon,
Kondüksiyon
Işımayla taşınır.

Elektromanyetik dalgalar, elektromanyetik alanın uzayda yayılması sonucu oluşur. Elektromanyetik bir dalga hem birbirlerine hem de yayılma doğrultusuna dik olan elektrik (E) ve manyetik (M) alanlardan oluşmaktadır.

Dalga boyu ( $\lambda$ ),
Frekans ( $\nu$ )
Genlik (A)

enerjinin dalga karakterini ifade etmek için kullanılan parametrelerdir.

Elektromanyetik enerjinin parçacık karakteri Planck tarafından açıklanmıştır. Parçacık anlamında enerji sürekli dalgalarla aynı doğrultuda ve hızda yayılan küçük parçacıklar (kuantum) olarak düşünülür. Her bir ışıma parçacığının sahip olduğu enerji foton olarak adlandırılır. Elektromanyetik dalganın hızı ışık hızı (c) olup, frekansıyla dalga boyunun çarpımına eşittir.

$C=\lambda \nu$

$E=h\nu =h\frac{c}{\lambda }$

Enerji, frekansla doğru ve dalga boyu ile ters orantılı olduğundan artan dalga boyuyla enerjide bir azalma gözlenmektedir.

Kızıl ötesi bölgede cisimlerin içindeki moleküllerin kinetik enerjisinden dolayı mutlak sıfırın üstünde bir sıcaklığa sahip bütün cisimler elektromanyetik enerji yayar. Bu enerjinin dağılımı değişen dalga boyuyla birlikte düzenli olarak değişim göstermez. Eğer cisim ideal bir siyah cisim ise, enerji ışıması Planck denklemine uygunluk gösterir. Bir siyah cismin yaydığı toplam ışınım Stefan-Boltzman kanunu ile açıklanır. Bu kanuna göre, bir siyah cismin birim yüzeyinden yaydığı toplam ışınım cismin mutlak sıcaklığının (T) dördüncü kuvveti ile orantılıdır.

$E=\sigma .T^{4}$

Elektromanyetik Spektrum

Elektromanyetik enerji spektrumu 10 ^-10 $\mu$ m dalga boylarından (kozmik ışınlar) 10 ¹⁰ µm dalga boylarına kadar (radyo dalgaları) olan sürekli bir enerji ortamıdır

Uzaktan algılamada, özellikle 0.3-15 µm arasındaki optik dalga boyları ile 1-1000 mm arasındaki mikrodalga bölgeleriyle ilgilenilmektedir.

ELEKTROMANYETİK IŞINIMIN ATMOSFER İLE ETKİLEŞİMİ

Güneş’ten gelen elektromanyetik dalgalar uzayda yayıldıktan sonra yeryüzü atmosferine ulaşarak burada atmosferik parçacıklar ve gazlarla etkileşimde bulunurlar. Bu etkileşim yutulma, saçılma veya tekrar uzaya geri yansıma şeklinde oluşmaktadır.

Atmosferdeki gazlar ve parçacıklar, elektromanyetik ışınımı yeniden yönlendirecek şekilde saçılmaya neden olurlar ve bu saçılım miktarı ışınımın dalga boyuna, gaz ve parçacıkların yoğunluğuna, ışınımın atmosferde aldığı yol miktarına bağlıdır.

Atmosferde üç tür saçılım gerçekleşir:

Rayleigh saçılımı
Mie saçılımı
Seçmesiz saçılım

Rayleigh Saçılımı: Atmosferin üst tabakalarında oluşan bu saçılma türü nitrojen ve oksijen molekülleri, ufak tanecikler gibi parçacıkların, ışınımın dalga boyuna göre çok küçük olması durumunda gerçekleşir.

Enerjinin kısa dalga boylarındaki saçılımı, uzun dalga boylarına göre daha fazla olduğundan gökyüzü mavi renkte görünür.

Gün doğumu ve gün batımında Güneş ışınları atmosferden geçerken, gün ortasına göre daha fazla yol aldığından görünür bölgede uzun dalga boylarındaki saçılım daha fazla olmakta ve bu durum gökyüzünün kırmızı renkte görülür.

Mie Saçılımı: Bu saçılma türü ışığın dalga boyu ile aynı büyüklükteki toz, duman ve su buharı gibi parçacıkların etkileşmesinden meydana gelir. Havanın kapalı olduğu zamanlarda ya da atmosferdeki parçacıkların biraz daha büyük olması durumunda Mie saçılımı gözlenir

Seçmesiz Saçılma: Bu saçılma türü atmosferin daha alt tabakalarında oluşur. Büyük toz parçacıkları, su damlacıkları gibi ışınımın dalga boyundan çok daha büyük olması durumunda gerçekleşir. Seçmesiz saçılma olarak adlandırılmasının nedeni bütün dalga boylarında gelen ışığın eşit olarak saçılmasıdır.

Ozon: Daha çok canlılar için zararlı olan ultraviyole ışınlarının yutulmasına neden olur.

Karbondioksit: Spektrumun kızıl ötesi bölgesinde etkilidir. Sera gibi bir etkisi olduğundan “Greenhouse” gazı olarak da bilinir.

Işınımın atmosferden oldukça az bir zayıflama ile geçtiği bölgelere atmosferik pencere denir

ELEKTROMANYETİK IŞINIMIN YERYÜZÜ CİSİMLERİ İLE ETKİLEŞİMİ

Atmosferde yutulmadan ve/veya saçılmadan yeryüzüne ulaşan toplam elektromanyetik ışınım yeryüzüne ulaştığında cisimlerle üç farklı şekilde etkileşimde bulunur;

Bir kısmı yutulur (E _a )
Bir kısmı geçirilir (E _t )
Bir kısmı yansıtılır (E _r )

Materyaldeki elektron veya moleküler reaksiyonlar yoluyla yüzey cisimleri tarafından yutulan Güneş ışınımının bir kısmı cisim tarafından uzun dalga boylarında tekrar yayılır. Diğer kısmı ise cisimde kalarak cismin ısınmasına neden olur. Atmosferin üst kısmında bulunan ozon tabakası Güneş’ten gelen yüksek enerjili ultraviyole (UV) ışınlarını yutarak yeryüzü canlılarının bu yüksek enerjiden zarar görmesini engeller. Bu enerjinin bir kısmı ısı enerjisi olarak tekrar atmosfere yayılır.

Uzaktan algılamada cisimlerden yansıtılan enerji miktarı önemlidir. Cisimden yansıtılan ışınım miktarının gelen toplam ışınıma oran› “ albedo (yansıtabilirlik)” olarak tanımlanmaktadır

Albedo, cismin yüzey dokusuna, özelliklerine ve alanına bağlı olarak değişir. Uzaydan dünyamıza bakıldığında, üzerlerine düşen Güneş ışınımının büyük bölümünü yansıtan bulutlar parlak (albedoları yüksek), üzerlerine düşen Güneş ışınımının büyük bölümünü yutan okyanus yüzeyleri ise genelde koyu (albedoları düşük) olarak gözükür. Genel olarak kar ve kum yeryüzü cisimleri arasında en yüksek albedo oranına sahiptirler. Yeni sürülmüş nemli topraklar ve ormanlık alanlar en düşük albedo değerlerine sahip olanlardır.

Enerjinin etkileşimde bulunduğu cismin geometrik yapısı da gelen enerjinin yansıtımında önemlidir. Genel olarak yüzeylerden spektral yansıtım 2 farklı şekilde oluşur:

Eğer yüzey düz ise, gelen tüm yansıtımın tek bir doğrultuda olduğu “aynaya benzer” yansıtım olarak adlandırılan tam yansıma meydana gelir.
Eğer yüzey pürüzlü ise, gelen enerjinin uniform olarak hemen hemen tüm doğrultularda geri yansıtıldığı dağınık (difüz) yansıma meydana gelir

Bitki Örtüsünün Spektral Özellikleri

Bir bitki örtüsü kanopisinin spektral yansıtımı dalga boyuna bağlı olarak değişim göstermektedir. Pigmentasyon, fizyolojik yapı ve su içeriği bitki örtüsü kanopisi için yansıtmada, yutulmada ve geçirimde önemli etkiye sahiptir. Görünür bölgede, bitkilerin içerdiği pigmentler (klorofil-a ve -b, beta karoten, ksantofil, vb.) fotosentez için gelen enerjiyi yutarlar. Bu pigmentler içinde en önemlisi klorofildir. Yutulma yeşil bölgede daha az olduğundan sağlıklı yapraklar gözümüze yeşil renkte görünür.

Toprağın Spektral Özellikleri

Zeminlere ait yansıtma eğrilerinin genel özelliği, yansıtmanın artan dalga boyuna bağlı olarak artış göstermesidir. Genel olarak zeminlerin yansıtma özellikleri;

Zeminin su içeriğine,
Zemini oluşturan minerallerin cins ve miktarına,
Doku ve yüzey pürüzlülüğüne
Organik madde içeriğine bağlıdır

Toprak dokusu tipi, içindeki kil, silt ve kum taneciklerinin farklı oranlarına göre belirlenir. Tanecik çapına göre kil <>

Genel anlamda bir zeminde su içeriği arttıkça yansıtım özelliği azalmakta olup, bu azalma toprak doygunluğa ulaşıncaya kadar sürmektedir. Kuru bir zemin, ıslak bir zemine göre daha fazla yansıtıma sahiptir. Topraktaki organik madde koyu renkli olup yansıtımı azaltan bir etkiye sahiptir.

Suyun Spektral Özellikleri

Bitki örtüsü ve topraktan farklı olarak suya gelen ışınır gücün büyük çoğunluğu yutulur ve iletilir. Görünür bölgede su yüzeyi tarafından enerjinin az bir kısmı yutulur, %5 den az bir kısmı yansıtılır ve büyük bir kısmı da geçirilir. Su, görünür bölgede mavi dalga boylarında en yüksek yansıtıma, yakın ve kısa dalga kızıl ötesi bölgelerde ise güçlü yutulmaya sahiptir.

Bir su kütlesinin yansıtımındaki konumsal değişkenliği etkileyen faktörler;

Su derinliği,
Su içerisindeki materyaller
Suyun yüzey pürüzlülüğü (dalgalılık) dür.

Sığ yüzeylerde yansıtım su yüzeyinin yanı sıra su tabanı ile de ilişkilidir. Sığ su kütlelerinde yansıtım, su taban yapısının yansıtım özellikleri tarafından etkilenmektedir.

Su içerisinde askıda olan materyallerin başında organik olmayan sedimentler, tanin ve klorofil gelir. Askıdaki materyallerin düzenli dağılmış olması, yatay veya düşey dizilimli olması veya heterojen veya homojen dağılmış olması yansıtmada değişimlere neden olmaktadır. Görünür bölgede, organik olmayan suyun sürüklediği çamur ve balçık gibi cisimler saçılmayı ve yansımayı arttırıcı özelliğe sahiptir. Klorofil içeren yeşil bitki örtüsünün bulunduğu su kütlelerinde yeşil bölge yansıtımında artma ve mavi ile kırmızı bölgelerdeki yansıtımda ise azalma meydana gelmektedir.