Légi távérzékelés

A légi távérzékelés előnye, hogy a kisebb repülési magassággal nagyobb terepi felbontás érhető el, így részletesebb információnk lesz a felmérendő területről. A repülőgépeken elhelyezett optikai szenzorokkal akár 10 cm vagy annál nagyobb terepi felbontás is elérhető. A légi távérzékelés egy másik széles körben alkalmazott eszközei az aktív rendszerekbe tartozó légi lézerszkennelő (LIDAR) szenzorok, amelyek távolságot számítanak pontos időméréssel. Elektromágneses impulzust bocsátanak ki és a kibocsátott és a visszavert jelek közötti időkülönbségből határozzák meg a távolságot. A továbbiakban a növényzet és a talaj térképezésében a két szélesebb körben is gyakran alkalmazott, de különböző működési elvű légi távérzékelési módszert ismertetünk: hiperspektrális és LIDAR technológia.

Légi hiperspektrális technológia

Az elmúlt évtizedben a hiperspektrális távérzékelés és képelemzés a távérzékelés egyik leggyorsabban fejlődő területévé vált, ahol a nagy terepi felbontás mellett akár több száz spektrális csatornát tartalmazó felvételek készítésére is van lehetőség. Egy-egy felvétel akár 100 vagy akár több száz csatornát tartalmazó folyamatos spektrumot tartalmaz, szemben a multispektrális adatok 4–8 csatornájával. A hiperspektrális légifelvételezések célja, hogy nagy információtartalmú és terepi bontású adatokat gyűjtsünk a környezetünkről. Így egy ilyen felvétel olyan anyagi vagy biofizikai tulajdonságok meghatározására is alkalmas lehet, ami a hagyományos légi felvételekből nem lehetséges. Napjainkban a hiperspektrális légifelvételezés egyre szélesebb gyakorlati felhasználásai jelennek meg az ökológia, mezőgazdasági, környezetvédelmi, katonai, katasztrófavédelmi, és egyéb részletes környezeti adatokat igénylő területeken.

A légi hiperspektrális felvételezésre alkalmazott technikák többsége szenzorral vagy szenzorokkal összeépített navigációs adatokat rögzítő GPS/INS rendszerekből állnak.
A direkt georeferencia (azaz nem kell a terepen külön méréseket végezni az adatok pontosításához) alkalmazása gyors adathozzáférést, egyszerű kezelhetőséget eredményez. Ebben az esetben a szkennelés minden egyes sorához pontos GPS- és INS-adatok tartoznak, így az utófeldolgozás során azonnal geokódolt adatokat kapunk.

A Károly Róbert Főiskola nemzetközi viszonylatban is az egyik legmodernebb légi távérzékelő eszközparkkal rendelkezik. Az egyik modern és ebben a kiépítésben jelenleg az egyetlen az AISA Dual típusú hiperspektrális képalkotó rendszer (1. ábra), amely a teljes spektrális sávszélesség (400–2450 nm) között, 1024 pixel szélességben képes adatfelvételezésre, azaz pl. 1 m-es terepi felbontású adat esetében 1024 m szélességű pásztát állít elő. A rendszer átlagos napi teljesítménye az 1–1,5 m-es terepi felbontásnál a jelenleg alkalmazott két motoros légi járművel (Piper Aztec) 400–500 km2.

1. kép: repülőbe beépített AISA Dual szenzor (forrás: Burai Péter)

A légi felvételezés nagy előnye, hogy a megrendelő által meghatározott időpontban, akár szabálytalan terület felvételezésére is sor kerülhet (pl. vonalas létesítmények).
A hiperspektrális légi felvételek alkalmazási lehetőségei a mezőgazdasági és erdészeti gyakorlatban:

• biomassza-hozamvizsgálat fás és lágy szárú növények esetében (2. kép),
• faj és fajta szintű térképezés,
• tápanyaghiány,
• gyomtérképezés,
• növényi biofizikai változók vizsgálata (pl. növényi stressz),
• talajtani paraméterek vizsgálata (pl. szikesedés),
• felszíni szennyezések vizsgálata (pl. olajszennyezés stb.).

2. kép: a precíziós mezőgazdasági alkalmazáshoz alkalmazott hiperspektrális felvételből számított nedves biomassza térkép egy Gyöngyöspata melletti búzatáblán (forrás: Burai Péter)

Légi lézerszkennelés (Lidar)

Az optikai távérzékelő eszközök a többnyire a napból érkező elektromágneses hullám visszavert részét (reflektancia) mérik, addig az aktív távérzékelő rendszerek saját energiaforrással is rendelkeznek. A LIDAR egy aktív távérzékelési technológia, amely nagy mennyiségű távmérési adatot képes gyűjteni nagyon rövid időn belül. A távolságot pontos időméréssel határozzák meg; a kibocsátott és a visszavert jelek közötti időkülönbség a fény sebességének ismeretében. A lézerszkennelési technológia egyre növekvő részt foglal el a légi távérzékelésben, amelynek egyik oka a költséghatékonyság. A LIDAR mérőrendszer leegyszerűsítve egy adóból, egy vevőből és egy kontrollerből áll. A nagy pontosságú navigációs rendszernek köszönhetően a szenzor helyét és helyzetét pontosan ismerjük, a mért távolság alapján pedig a visszaverődési pont koordinátái meghatározhatók (3. ábra).

A modern szenzorok egy kibocsátott impulzusnak több visszavert jelét is képesek érzékelni, így akár a fa struktúrájának a felvételezésére is alkalmas lehet. A felmérés során egy több millió pontból álló (x, y, z koordinátával meghatározott) ún. pontfelhő keletkezik.
A műholdas helymeghatározás és a fejlett inerciális navigációs rendszerek teszik lehetővé, hogy függőleges helyzetű sugár esetén a pont meghatározásának abszolút pontossága 10–15 cm körüli legyen. A rendszer nagy mennyiségű adat felvételére képes, átlagos repülési sebesség mellett is akár 4–10 pont/m2 pont rögzítése is lehetséges. Műszaki alkalmazási lehetőségének jó példája a távvezeték-térképezés, ahol a nagy sűrűségű impulzusok lehetővé teszik a kisméretű objektumok pontos térképezését. A légi LIDAR előnye, hogy gyorsan, nagy pontosságú adatgyűjtésre képes a föld felszínéről, nagy területről, és képes olyan területeken is mérni, ahol a földi geodéziai méréseket csak nagy erőforrásigénnyel lehetne megvalósítani. A LIDAR-technológia egyik hatékony felhasználási területe az erdőterületek térképezése, mivel az impulzusok egy része a lombkoronán áthaladva a talajról verődik vissza (4. ábra).

4. kép: fás szárú állományról készített osztályozott LIDAR pontfelhő. Zölddel az alacsony és a magas vegetáció, míg narancssárgával a talajpontok (forrás: Burai Péter)

A lézerszkenneléssel rögzített adatok a felszínre, a felszíni objektumokra (természetes, mesterséges) és a felszínborításra vonatkoznak. Természetesen a felszíni objektumok, mint pl. fák, épületek, távvezetékek, a különböző szűrési módszerekkel egymástól elkülöníthetők. A nagy területen alkalmazott lézerszkenneres mérések költséghatékonyak.

Az alábbi erdészeti és mezőgazdasági alkalmazásokra lehet használni a LIDAR-adatokat:

• fatömeg és biomassza számítás (elsősorban erdőterületeknél),
• faj szintű állománymérés,
• nagy pontosságú parcella kataszter,
• lejtőkategóriák és erózió számítása,
• besugárzás számítása,
• utak, mesterséges objektumok felmérése.

Idősoros méréssekkel a növényzet növekedése, változása is követhetővé válik. A LIDARrendszer egy középformátumú kamerával van összeépítve, amely a pontfelhő feldolgozása mellett nagy terepi felbontású adatok előállítására is alkalmas. A középformátumú digitális kamerával akár 10 cm-es terepi felbontást is elérhetünk. A LIDAR és a hiperspektrális technológia kombinációjával tovább növelhető a megfigyelt tulajdonságok köre és a becslés pontossága (5. ábra).

5. kép: légi LIDAR és hiperspektrális felvétel integrációjával készített felvétel a tokaji borvidékről (forrás: Tokaj Kereskedőház Zrt.)

A mezőgazdasági gyakorlatban a légi távérzékelési módszerek nagyobb területek gyors és pontos felmérésére alkalmasak. A hiperspektrális és digitális légi felvételekből számított nagy terepi felbontású (átlagosan 0,2–1,5 m) digitális hozam-, tápanyaghiány-, növényi stressz térképek hozzájárulnak a tápanyag- és növényvédő szer kijuttatáshoz, így csökkenthetőek a költségek és növelhető a termésbiztonság. A hagyományos precíziós technikával csak a termésbetakarítás után nyerhetőek térbeli adatok az állományról, azonban a távérzékeléssel már a betakarítás előtt elkészíthetőek. A domborzat pontos felmérését végző LIDAR-rendszer alkalmazásával a gazdálkodási területről olyan adatok állíthatóak elő, amelyek hosszú távon is alkalmazhatóak például a talajtérkép készítésénél, sugárzási potenciál számításnál, parcellahatárok és az ültetvények nyilvántartásánál.

A légi felvételekből készített adatbázisok fajlagos költségei jelentősen csökkenthetőek a repülési célterület növelésével. A technológia alkalmazása elsősorban a nyugat-európai országokban terjedt el a nagyobb gazdaságok, szövetkezetek, hegyközségek, illetve a növénytermesztési integrátor szervezeteknél.

Burai Péter – Ambrus Andrea

Károly Róbert Főiskola

Távérzékelési és Vidékfejlesztési Kutatóintézet

A cikk szerzője: Burai Péter