Hiperspektrális felvételezés tervezése és végrehajtása

Alapvetően az elektromágneses távérzékelés teljes folyamatát két nagy részfolyamatra bonthatjuk: az adatok gyűjtésére és az adatok elemzésére (Mucsi, 2004).

A hiperspektrális képalkotó berendezések adatgyűjtését bizonyos tényezők, mint a beérkező sugárzás, a beesési szög, valamint a légköri körülmények nagy mértékben befolyásolják (Berke és Kozma-Bognár, 2010a). Nyilvánvaló, hogy bizonyos körülmények, mint az időjárási viszonyok, a rendelkezésre állási idő nem szabályozhatóak (Paine és Kiser, 2003), ezért a felvételezések nagy körültekintést és precíz tervezést igényelnek. A légifelvételezések megkezdése előtt bizonyos paramétereket meg kell határozni: vizsgálni kívánt terület, repülési időpont, repülési magasság, repülés orientációja, repülési sávok száma, vízszintes és horizontális pontosság, terepi felvételezések, boresight kalibráció. Mivel a repülési kampányok nagyon költséges és időigényes feladatok, ezért a kapcsolódó tervezési és lebonyolítási feladatok kulcsfontosságúak a kiváló minőségű adatok szolgáltatása szempontjából (Borengasser et al., 2008). A legtöbb esetben ezeket a feladatokat a felvételezést koordináló szervezetek végzik.

A hiperspektrális légifelvételezés tervezésénél első lépésként megadásra kerülnek a kutatási terület adatai, a kívánt térbeli felbontás, a spektrális felbontás és a csatornaszám.

Ezen információk alapján a repülést koordináló szervezet repülési tervet készít, majd elvégzi a repüléshez szükséges paraméterek számítását, a repülési nyomvonal meghatározását, a repülés várható költségeinek becslését, valamint a repülést megelőző feladatokat. A repülési kampányok tervezésének és végrehajtásának Tomor és munkatársai által megfogalmazott főbb technológiai folyamatait (Tomor et al., 2011) foglalja össze a 11. sz. melléklet.

A repülési terv részeként a repülési paraméterek kerülnek meghatározásra: a szenzor típusa, repülési magasság, repülési sebesség, spektrális és geometriai felbontás, csatornaszám, valamint az adatfeldolgozás célja. A területi lehatárolás alapján elkészítik a repülési nyomvonalat a repülési sávok megfelelő átfedésének (30-50%) biztosításával, majd később ezek kerülnek feltöltésre a navigációs GPS készülékbe. Ezt megelőzően a érzékelőket és a GPS/INS rendszert (a repülő GPS adatait és háromtengelyű pozícióját rögzíti) kalibrálni kell. Az úgynevezett boresight kalibrációt a szenzorok optikai tengelye

31

és a GPS/INS rendszer között ellenőrző pontok koordinátái alapján végezik el (Brook és Ben-Dor, 2010).

A repülési költségek számítása során általában a következő elemek kerülnek beállításra:

• Nettó repülési idő (felszállástól a leszállásig)

• Rendszerteszt a felszállás előtt (+10-30 %-a a repülési időnek)

• Boresight kalibráció (repülési idényenként 3-4 alkalommal kerül rá sor, időtartama általában 0,2-1 óra)

Esetenként további költségek fordulhatnak elő, mint pl. a külföldi légifelvételezések elvégzése esetében a reptéri illeték, az állásidő, a napidíj, stb. Az adat előfeldolgozás költségei a felhasználó kívánságának megfelelően az előfeldolgozási szint függvényében változik.

A repülési terv (áttekintő térkép a repülési paraméterekkel együtt) engedélyeztetéséhez a repülési tervdokumentációt Magyarországon el kell juttatni a Légügyi Hatóság és a Honvédelmi Minisztérium Geoinformációs Szolgálatának részére, ahol általában 2-4 hét az engedélyezés lebonyolítása.

A tervezést követően az adatgyűjtés szakasza akkor érkezik el, amikor az időjárási körülmények lehetővé teszik a légifelvételezés megfelelő szintű elvégzést. A légifelvétel készítéséhez alkalmas időszak olyan felhőmentes időszak, amelynél maximális a megvilágítás, a napállás legalább 30 fok, vagy az feletti. A javasolt időszak a 10-14 óra közötti időtartam (Borengasser et al., 2008). A megfelelő időjárási viszonyok elérése céljából a gyakorlatban a légifelvételezés lebonyolításra nagyobb időintervallum kerül megjelölésre. Ameddig az időjárás nem megfelelő, készenléti állapotot tartanak fent, amely akár az egy hónapot is elérheti. Természetesen a felvételezésre akkor kerülhet sor, ha a légi jármű és a detektor is rendelkezik a szükséges műszaki paraméterekkel és tanúsítványokkal. A felvételezés közvetlen megkezdése előtt elvégzendő főbb feladatok:

• Paraméterek beállításai a szenzoro(ko)n

• GPS/INS rendszer szinkronizálása

• Felszállási engedélyének kérése a légi irányítástól

• Terepi mintavételezések indítása

A légifelvételezés közben a szenzor vezérlése során folyamatosan figyelni kell a repülési körülményeket, és adott esetben változtatni kell a rendszer paraméterein. Amennyiben a megengedettnél nagyobb elfordulás, bólintás vagy billenés (roll, pitch, yaw) következik be

32

a repülőgép mozgásában, illetve a felvételezési sebességet jelentősen túllépik, akkor hibás sáv keletkezik és meg kell ismételni a felvételezést.

A kapott adatsorok pontosságát tovább lehet növelni a terepi adatgyűjtések, valamint a korábbi archív adatsorok felhasználásával (Milics, 2008). A légifelvételezéshez szorosan kapcsolódó, annak elengedhetetlen részét képező munkafolyamat a földön végzett terepi mérés. Az előre kijelölt terepi pontokon végzett referenciamérésekre a légifelvételezéssel egy időben, vagy ahhoz minél közelebbi időpontban kell hogy sor kerüljön (Berke és Kozma-Bognár, 2010b). A földi adatgyűjtés a következő főbb feladatokból épül fel:

1. Tanító területek és ellenőrző területek felmérése

2. Referenciamérések elvégzése terepi spektrofotométerrel

3. Terepi minták gyűjtése, elszállítása, később tárolása és laboratóriumi mérése 4. GNSS adatok gyűjtése

Tomor és munkatársai a következő javaslatokat fogalmazták meg a 2011. évi kutatási összefoglalójukban (Tomor et al., 2011), melyet a 2006 óta végzett saját repüléseink is alátámasztanak. A tanító területek valamint az ellenőrző területek meghatározásánál ügyelni kell arra, hogy homogén területek legyenek kiválasztva a vizsgált tulajdonságra nézve. Amikor már ezek meghatározásra kerültek, a vizsgált osztályok számát is meg kell állapítani. Az atmoszférikus korrekcióhoz homogén felszínű és anyagösszetételű (pl. beton, aszfalt) referencia területeket kell kijelölni. Figyelni kell arra, hogy ne legyen árnyékos a felvétel és a terepi felbontásnak legalább kétszerese legyen a referenciafelület nagysága. A spektrofotométeres mérések esetében a felvétellel megegyező vagy annál jobb spektrális felbontású földi berendezést szükséges alkalmazni. A mérések helyszínén GPS mérést is végezni kell a terepi felbontással megegyező vagy annál jobb felbontással rendelkező eszköz használatával.

A kvantitatív minták gyűjtése során ügyelni kell arra, hogy a szedett minták minél előbb feldolgozásra kerüljenek, amennyiben ez nem valósítható meg, a szállítást és a tárolást megfelelő biztonsággal a minták tulajdonságainak megváltoztatása nélkül kell megoldani.

A mintavétel helyét GPS készülékkel rögzíteni kell a már korábban leírt kritériumoknak megfelelő eszközzel, valamint fotó/video dokumentációval alátámasztani a mérés elvégzését. Abban az esetben, ha a vizsgált mennyiségi tulajdonság térbeli felbontása nagyobb változatosságot mutat, mint a felvétel terepi felbontása, a helyszínen szükséges meghatározni a mintavételezés térbeli gyakoriságát.

33

A navigációs adatok utólagos feldolgozásához a felvételezés helyszínéhez legközelebbi bázisállomás adataival (legalább 1 Hz adatgyűjtési sebesség mellett) lehet elvégezni a DGPS alapú utókorrekciót.

A hiperspektrális légifelvételezés során az adatok külön-külön fájlba kerülnek rögzítésre, és a felvételezést követően ezek az állományok egy háttértárra kerülnek lementésre, az alábbiak szerint:

- dark adatok (dark frame data), amelyek az érzékelő zajra vonatkozó információit adják, - nyers képi adatfelvétel,

- a felvételhez kacsolódó egyéb (pl. kalibrációs) adatok (csatorna hullámhossza és szélessége),

- térinformatikai adatok.

A nyers adatállomány minden egyes hullámhosszhoz és pixelhez megadja a hozzá tartozó intezitásértékeket, amelyeket a kettes számrendszerben ábrázolt számok írnak le (pl. 12, 14, 16 bit). A relatív elhelyezkedés sorainak és oszlopainak értékei időbélyegzővel vannak ellátva. A képre és a GPS-re vonatkozó adatok egyszerű fájlformátumba kerülnek mentésre. Ezeket később olyan formátumba konvertálják át (az érzékelő gyártója által kiadott szoftverekkel), amelyeket a képfeldolgozó program közvetlenül kezelni tud.

Ügyelni kell arra, hogy a fedélzeti számítógépről csak a biztonsági mentéseket (fizikailag két különböző helyen) követően kerüljenek törlésre az adatok.

A távérzékelés azonban nem csak az adatok gyűjtését foglalja magába, hanem a kiértékelésüket is (Sabins, 1987). A kiértékelés lehet minőségi (kvalitatív) és mennyiségi (kvantitatív) elemzés, továbbá érintheti a távérzékelt adatok egészét vagy csak bizonyos részeit (Muller, 1988). A többlépcsős összetett munkafolyamat Burai és Tamás, Hargitai, valamint saját tapasztalataink alapján az alábbi főbb elemekre bontható (Burai és Tamás, 2004; Hargitai, 2006):

1. Tervezés

2. Légi és terepi adatgyűjtés

3. Radiometriai és geometriai korrekció 4. Zajszűrés

5. Geometriai és spektrális adatcsökkentés 6. Objektum spektrális jellemzőinek kiválasztása 7. Előosztályozás, osztályozás

34 8. Interpretáció

9. Utóosztályozás 10. Ellenőrzés

A hiperspektrális képfeldolgozás néhány lehetséges útját szemlélteti Hargitai folyamatábrája (Hargitai, 2006) a 12. sz. mellékletben. Borengasser és munkatársai az adatfájlt és annak konverzióját is beépítették a feldolgozásba (Borengasser et al., 2008).

Véleményük szerint a teljes folyamat részegységeit befolyásolja a megbízás jellege, a szenzor típusa, az alkalmazott szoftver, az elemző szakember tapasztalatai valamint a kívánt végtermék. Ezek függvényében változhat az egyes részegységek száma valamint a feladatok összetettsége és komplexitása. Rengeteg szakirodalmi eredmény született a hiperspektrális feldolgozás témakörében, viszont Chang 2003-ban és 2007-ben megjelent publikációiban felhívta a figyelmet arra, hogy ezen területek tudományterületi lefedettsége elég szelektívnek mondható (Chang, 2003; 2007a). Mindez jelenleg is helyes megállapítás.

A hiperspektrális adatfeldolgozás - a folytonosság megőrzése miatt - részletesen a következő alfejezetben kerül bemutatásra, bár részeiben módszertani elemeket is tartalmaz.