Τηλεπισκόπηση

Ορισμός

Η τηλεπισκόπηση (Remote sensing, teledetaction, telerilevamento) ορίζεται ως η τεχνική απόκτησης πληροφοριών για αντικείμενα που βρίσκονται στη γήινη επιφάνεια, μέσα από την ανάλυση δεδομένων που συλλέγονται από ειδικά όργανα τα οποία όμως δεν έχουν φυσική επαφή με τα αντικείμενα. Έτσι, η τηλεπισκόπηση μπορεί να αποδοθεί και ως η αναγνώριση ενός αντικειμένου από απόσταση. Η τηλεπισκόπηση διαφέρει από την επιτόπια παρατήρηση ή μέτρηση στο ότι στη δεύτερη το ειδικό όργανο παρατήρησης είναι μέσα ή εφάπτεται του αντικειμένου που μετράμε ή ερευνάμε, όπως π.χ. το θερμόμετρο. Οι Lillesand και Kiefer (2000) ορίζουν την τηλεπισκόπηση ως την επιστήμη και τέχνη του να επιτυγχάνουμε πληροφόρηση για αντικείμενο, περιοχή ή φαινόμενο, από την ανάλυση δεδομένων που αποκτήθηκαν από ένα μέσο το οποίο δεν είναι σε επαφή με το αντικείμενο, την περιοχή ή το φαινόμενο που εξετάζεται.

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (Electromagnetic radiation -EMR) είναι η βασική ποσότητα ενέργειας όπου έχει την ικανότητα να παράγει έργο, και η οποία μετράται σε joules. Η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια εκφράζεται όπως είναι γνωστό, σαν μηχανική, χημική, ηλεκτρική και θερμική. Η μετάδοση της ενέργειας γίνεται με επαφή, μεταφορά και ακτινοβολία. Απ' αυτούς τους τρεις παράγοντες μόνο η ακτινοβολία είναι δυνατό να μεταδώσει ενέργεια από ένα σώμα σ' ένα άλλο χωρίς την παρέμβαση ενδιάμεσου φορέα και διασχίζοντας εκατομμύρια χιλιόμετρα στο κενό διάστημα. Τη μέθοδο της μεταφοράς ενέργειας με ακτινοβολία, εκμεταλλεύεται και η τηλεπισκόπηση, η οποία γίνεται από ένα σώμα προς τον δέκτη (κατάλληλο αισθητήριο όργανο) που λαμβάνει το σήμα.

Νόμοι ακτινοβολίας

Στην περίπτωση της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας δυο μοντέλα είναι αυτά που περιγράφουν και διασαφηνίζουν τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά της:

Μοντέλο κύματος: Kάθε μόριο με θερμότητα πάνω από το απόλυτο μηδέν ταλαντώνεται (πάλλεται). Αυτή η ταλάντωση προκαλεί μια αναταραχή, κυματική στο ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο που περιβάλλει το μόριο, το οποίο έτσι δρά ως πηγή ακτινοβολίας. Αυτά τα δυο πεδία είναι κάθετα μεταξύ τους. Το κύμα ταλάντωσης ταξιδεύει από την πηγή με σταθερή ταχύτητα, την ταχύτητα του φωτός που ισούται με 3x10⁹ m/sec και συμβολίζεται με c, όταν το μέσο διάδοσης είναι το κενό.

Το γινόμενο του μήκους κύματος (λ) μιας φωτεινής ακτινοβολίας επί την αντίστοιχη συχνότητα της (ν) είναι σταθερό και ισούται με την ταχύτητα του φωτός που είναι ε (c): λν=c

Θεωρία των κβάντα: Αυτή δίνει έμφαση στις όψεις της συμπεριφοράς της ακτινοβολίας και υποστηρίζει ότι αποτελείται από πολλά μικρά σωματίδια τα quanta φωτός τα οποία αργότερα ονομάστηκαν από τον Einstein, φωτόνια. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι εκτός από την κυματική, το φώς έχει και ιδιότητες σώματος. Η ενέργεια που φέρει ένα φωτόνιο ορίζεται ως: E/ν=h όπου h: η σταθερά του Planck= 6,625x10^-27 erg/sec ή 6,626x10^-34 J/s, ν: συχνότητα του κύματος.

Οι νόμοι που διέπουν τις πηγές ακτινοβολίας με την αντίστοιχη ΕMR που εκπέμπουν είναι οι ακόλουθοι:

Νόμος Planck: Ο νόμος αυτός μας επιτρέπει τον υπολογισμό του ποσού της EMR που ακτινοβολείται από ένα σώμα για συγκεκριμένη θερμοκρασία και μήκος κύματος.

E(T) = C₁*λ^-5*d*λ*e^C₂/λ*Τ

Νόμος Stephan-Boltzman: Aποτελεί το ολοκλήρωμα για όλα τα μήκη κύματος του νομου του Planck. Είναι σημαντικό να κατανοηθεί ότι από το νόμο των Stephan-Βoltzman συνάγεται ότι όσο υψηλότερη θερμοκρασία έχει ένα σώμα τόσο περισσότερη ακτινοβολία εκπέμπει. Το γεγονός αυτό λαμβάνεται σοβαρά υπόψη κατά το σχεδιασμό των αισθητήρων που μετρούν την EMR. Ψυχρότερα σώματα, όπως π.χ. η Γή, εκπέμπουν λιγότερη ενέργεια και κατά συνέπεια απαιτείται ή μεγαλύτερος χρόνος έκθεσης ή χρήση μεγαλύτερης στοιχειώδους επιφάνειας (εικονοστοιχείο, pixel) προκειμένου να συλλεχθούν αρκετά φωτόνια για μια αξιόπιστη μέτρηση η οποία δεν θα επηρεάζεται από το θόρυβο.

Νόμος μετατόπισης του Wein: Ο νόμος αυτός ορίζει ότι το μήκος κύματος κατά το οποίο παρατηρείται η μέγιστη εκπομπή φωτός από μια φωτεινή πηγή είναι αντιστρόφως ανάλογο της θερμοκρασίας της πηγής:

λ_m=2897/T.

Νόμος Beer-Lambert: Σύμφωνα με το νόμο αυτό (φέρεται επίσης και ως νόμος Beer-Lambert-Bouguer ή ακόμη και ως ο νόμος Βeer) η φωτεινή ενέργεια ακτινοβολίας με συγκεκριμένο μήκος κύματος που χάνεται (dI_λ) κατά τη διέλευση της από ένα υγρό είναι ανάλογη με την εισερχόμενη (Ι_λ), την πυκνότητα του υγρού (ρ) και το μήκος της διαδρομής (ds) μέσα στο υγρό:

dI_λ=Ι_λ*k_λ*ρds.

Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία - Φασματικά κανάλια

Ολόκληρο το εύρος της ηλεκτρικής ακτινοβολίας αποτελεί το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. (EMS-Electromagnetic Spectrum). Το φάσμα διαχωρίζεται σε φασματικά κανάλια, (spectral bands), τα οποία με την σειρά τους συγκροτούνται από μικρές ομάδες συνεχών φασματικών γραμμών. Τα φασματικά αυτά κανάλια είναι το υπεριώδες (Ultraviolet, UV), το ορατό (Visible), το υπέρυθρο (Infrared, IR) και το μικροκυματικό (Microwave), από τα οποία το ορατό καθορίζεται σαφέστερα με βάση την ανθρώπινη όραση. Το κανάλι UV βρίσκεται μεταξύ ακτίνων Χ και ορατού στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, με μήκος κύματος από 0,01 έως 0,40 μm και διακρίνεται σε μακρινό (far UV 0,01-0,20 μm), ενδιάμεσο (middle UV, 0,20-0,30 μm και κοντινό (near UV, 0,30-0,40 μm). Το ορατό κανάλι, με μήκος κύματος από 0,40 έως 0,70 μm, έχει όρια που καθορίζονται από την ανθρώπινη όραση. Το κανάλι ΙR κυμαίνεται από το ερυθρό του ορατού καναλιού, μέχρι τα μικροκύματα με μήκος κύματος από 0,70 μm έως 1000μm. Διακρίνεται σε κοντινό (near IR, 0,70-1,50 μm), ενδιάμεσο (middle IR, 1,50-5,60 μm) και μακρινό (far IR, 5,60-1000μm). Το υπέρυθρο χωρίζεται επίσης σε ανακλώμενο (reflected IR από 0,70-3,00μm) και θερμικό (thermal IR, από περίπου 3,00 έως 1000μm ή 0,1cm). Το κανάλι των μικροκυμάτων τοποθετείται μεταξύ του υπέρυθρου και των ραδιοκυμάτων, με μήκος κύματος από 0,1 cm έως 1m. Η ακτινοβολία των μικροκυμάτων έχει την ικανότητα να διαπερνάει τα σύννεφα και διάφορα επιφανειακά αντικείμενα ανάλογα με το μήκος κύματος που χρησιμοποιείται. Σ' αυτό το κομμάτι της ακτινοβολίας, δηλαδή στο μικροκυμματικό κομμάτι του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος λειτουργούν τόσο παθητικοί όσο και ενεργητικοί αισθητήρες. Οι παθητικοί αισθητήρες (δέκτες) καταγράφουν την ενέργεια που προέρχεται από ένα αντικείμενο (στόχος), ενώ οι ενεργητικοί εκπέμπουν σήμα το οποίο αποστέλλεται στον στόχο και επιστρέφοντας καταγράφεται από κατάλληλους δέκτες.

Ηλιακή ακτινοβολία και γήινο περιβάλλον

Ο ήλιος αποτελεί την πηγή της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας η οποία με μορφή ΕΜR τροφοδοτεί τη Γή με φώς και θερμότητα χρήσιμα για τη ζωή στον πλανήτη μας. Η σημαντικότερη και η πιο καθοριστική ιδιότητα του Ηλίου, ως πηγή ακτινοβολίας είναι η θερμοκρασία που επικρατεί στην επιφάνειά του, η οποία σύμφωνα με ορισμένους ερευνητές είναι 5.727^oC. Η ΕMR που εκπέμπεται από τον Ήλιο φθάνει στην επιφάνεια της Γής από την οποία στη συνέχεια και επαναεκπέμπεται οπότε και ανιχνεύεται από τους αισθητήρες. Έτσι, η ακτινοβολία περνάει δυο φορές μέσα από την ατμόσφαιρα. Το 50% της ηλιακής ακτινοβολίας διέρχεται την ατμόσφαιρα και απορροφάται με διαφορετικό βαθμό από τα αντικείμενα της γήινης επιφάνειας. Το μεγαλύτερο μέρος της απορροφούμενης ακτινοβολίας μετατρέπεται σε χαμηλής θερμοκρασίας θερμική ενέργεια (θερμότητα), η οποία στη συνέχεια αποδίδεται πίσω στην ατμόσφαιρα ως ακτινοβολία σε θερμικά υπέρυθρα μήκη κύματος μεταξύ 4.00 και 25.00 μm, με ένα μέγιστο στα 9.70μm. Tο μέγιστο της ηλιακής ακτινοβολίας απαντά σε μήκος κύματος γύρω στα 0,48 μm.

Σχετικές σελίδες

Ορισμός τηλεπισκόπησης

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Νόμοι ακτινοβολίας

Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία - Φασματικά κανάλια

Ηλιακή ακτινοβολία και γήινο περιβάλλον