OFF-11_II.2.2 Belangrijkste soorten instrumenten

II - WELKE INSTRUMENTEN ZIJN GEBRUIKT VOOR OBSERVATIE?

2- instrumentEN

2.2- Belangrijkste sorten instrumenten

Passieve instrumenten

Passieve, beeldvormende sensoren maken gebruik van het natuurlijk aanwezige licht om objecten in beeld te brengen. Ze hebben dus geen eigen lichtbron (zie Kenmerken van de instrumenten - Passieve en actieve sensoren). Passieve sensoren verrichten waarnemingen in verschillende delen van het spectrum, maar zijn voornamelijk optisch. Indien we spreken over het optische deel van het elektromagnetische spectrum, dan bedoelen we de straling tussen 0,3 en 14 micrometer. Dit omvat dus het ultraviolette, het zichtbare en het infrarode licht. We noemen dat deel van het spectrum “optisch” omdat lenzen en spiegels deze energie kunnen breken of reflecteren. 

Veelgebruikte optische instrumenten zijn de zogenaamde “multispectrale scanners”. We vinden ze aan boord van satellietplatformen zoals Landsat, MODIS, Sentinel-2&3, SPOT, Pléiades, Worldview,… maar ze worden ook vaak gebruikt voor digitale luchtopnamen. Ze beschikken over een relatief beperkt aantal, tamelijk brede spectrale kanalen: meestal minstens een blauw (B), groen (G), rood (R) en nabij-infrarood (NIR) spectraal kanaal. Daarmee kan je ware kleurenfoto’s maken (R-G-B) of valse kleurencomposieten (NIR-R-G bvb.). Het MSI (Multi-Spectral Imager) instrument aan boord van Sentinel-2, OLCI (Ocean and Land Colour Instrument) van Sentinel-3 en het OLI-2 (Operational Land Imager) van Landsat-9 bevatten daarnaast ook nog een aantal bijkomende kanalen in andere delen van het nabij-infrarood of het korte golf-infrarood (SWIR). Landsat satellieten en Sentinel-3 bevatten ook nog instrumenten (resp. TIRS en SLSTR) die kunnen waarnemen in het thermisch-infrarood (TIR).

Er bestaan ook hyperspectrale instrumenten die, in tegenstelling tot de multispectrale sensoren, waarnemingen kunnen verrichten in een zeer groot aantal relatief smalle spectrale banden. Voorbeelden zijn AVIRIS (Airborne Visible / Infrared Imaging Spectrometer) met 224 aaneensluitende spectrale kanalen in een golflengtebereik tussen 400 en 2500 nanometer of APEX (Airborne Prism Experiment, ontwikkeld door een Belgisch-Zwitsers consortium) met ongeveer 300 kanalen en hetzelfde golflengtebereik. Hoewel deze specifieke instrumenten uitsluitend aan boord van vliegtuigen worden gebruikt, worden er ook hyperspectrale sensoren in satellieten geplaatst. Een voorbeeld hiervan is de Duitse hyperspectrale EnMap satelliet (Environmental Mapping and Analysis Program) waarvan de kenmerken wat betreft golflengten en aantal kanalen vergelijkbaar is, maar de beelden minder ruimtelijk detail zullen hebben dan de luchtopnamen.

Er zijn tenslotte ook passieve sensoren die straling in het microgolfbereik kunnen detecteren die de aarde zelf uitzendt. Het energieniveau hiervan is echter zodanig laag dat deze straling over een groter gebied verzameld moet worden en de data dus weinig ruimtelijk detail bieden. Dergelijke instrumenten worden gebruikt voor de langetermijnobservatie van zee-ijs, het bepalen van wijzigingen in het bodemvochtgehalte of de saliniteit van het zeeoppervlak. Voorbeelden zijn AMSR (Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System) of het MIRAS instrument (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis) dat gebruikt wordt in de SMOS missie (Soil Moisture and Ocean Salinity) van ESA.

RGV-luchtfoto (links) en thermisch infrarood-foto (rechts) van Baton Rouge, Los Angeles. Gele en rode gebieden zijn warm en komen over het algemeen overeen met wegen en gebouwen; de blauwe en groene gebieden zijn koud en komen overeen met water en vegetatie. In deze afbeelding hebben de helderrode gebieden een temperatuur van ongeveer 65°C;  de donkergroene en blauwe gebieden liggen rond de 25°C.  De blauwe strook links is de rivier de Mississippi. Courtesy of NASA-Marshall Space Flight Center-Global Hydrology and Climate.

Een sensor bestaande uit detectoren die gevoelig zijn voor thermisch-infraroodstraling registreren de hoogste waarden in de warmste gebieden. Met een pixelbereik van 0 (zwart) tot 255 (wit) worden de warme gebieden helder weergegeven. Men kan uiteraard ook een andere kleurenschaal kiezen. In het voorbeeld worden warmere oppervlakten in het rood weergegeven en koudere in het blauw.

Activen sensoren: Radar & LiDAR

Een actieve sensor stuurt een elektromagnetisch signaal uit om het terrein te “verlichten”. De objecten op het oppervlak interageren daarmee en al naargelang hun fysische eigenschappen reflecteren ze een deel ervan terug naar de sensor die de waarneming vastlegt. Actieve sensoren zijn dus niet afhankelijk van zonlicht en weersomstandigheden en ze kunnen 24 uur per dag werken (zie Stralingsbronnen). Actieve sensoren die het meest gebruikt worden in teledetectie zijn SAR (Synthetic Aperture Radar) of LiDAR (Light Detection and Ranging).

RADAR

RADAR staat voor RAdio Detection And Ranging. De technologie werd ontwikkeld rond de Tweede Wereldoorlog en wordt gebruikt om de afstand, hoek of de snelheid van vliegtuigen, vaartuigen e.d. te bepalen op basis van radio- of microgolven. De beeldvormende radars die gebruikt worden in teledetectie (SAR) werken in het microgolfgedeelte van het elektromagnetische spectrum (golflengte van 1 mm tot 1 meter), voorbij de zichtbare en thermische infraroodgebieden.

Het gebied waarvan we een beeld willen maken wordt dus niet door licht maar door microgolfstralen verlicht. Microgolven interageren op een andere manier met de objecten op het aardoppervlak dan zichtbaar of infrarood licht. De sterkte van het terugkerende signaal t.o.v. het uitgezonden signaal (backscatter genoemd) is vooral afhankelijk van de ruwheid, de vorm en de diëlektrische eigenschappen (elektromagnetische permittiviteit) van het waargenomen object én van de eigenschappen van het SAR systeem zelf.  Microgolfbeelden bevatten veel nuttige informatie over de bodembedekking en het vochtgehalte, maar zijn moeilijker te interpreteren dan optische beelden.

De golflengte die gebruikt wordt in het radarsysteem bepaalt hoe diep het signaal kan doordringen in het bladerdek. Kortere golven interageren vooral met de individuele bladeren terwijl langere golven tot op de grond kunnen doordringen. Bron: NASA SAR Handbook

De SAR sensoren aan boord van vliegtuigen of satellieten zijn radars met een synthetische antenne-openingshoek: de radarantenne beweegt mee met het platform over het doelgebied terwijl dat door de microgolven belicht wordt. Zo ontstaat een kunstmatig grote antenne waarmee beelden met een veel groter ruimtelijk detailniveau kunnen bekomen worden dan wat mogelijk zou zijn met een even grote, maar stilstaande fysieke antenne.

Twee SAR beelden die genomen zijn vanuit een weinig verschillende invalshoek kunnen ook een zogenaamd interferometrisch paar vormen. De faseverschillen tussen de twee teruggekeerde signalen kunnen dan gebruikt worden om digitale hoogtekaarten te maken, om terreinveranderingen waar te nemen of om de resolutie in de kijkrichting van de antenne nog verder te vergroten.

Principe van SAR interferometrie (InSAR): door het bepalen van het faseverschil tussen twee radarbeelden kunnen veranderingen in afstand tussen de grond en de satelliet bepaald worden. Bron: Castellazzi et al. (2020). Ground displacements in the Lower Namoi region. 10.13140/RG.2.2.20466.53442

LiDAR

Een ander voorbeeld van een actieve sensor is LiDAR. De naam is een acroniem voor “Light (of Laser Imaging) Detection And Ranging” en wordt gebruikt als overkoepelende term voor het detecteren en bepalen van de afstand tot een object met behulp van laserlicht. Het is een actieve techniek binnen de teledetectie die licht gebruikt in het infrarood, zichtbaar of UV golflengtebereik, in de vorm van een gepulseerde laser om afstanden te meten. Het meten van de tijd die de lichtbundel nodig heeft om het doel te bereiken en terug te keren naar de transceiver aan boord van een vliegtuig maakt het mogelijk om de afstand tussen de twee te bepalen.

Lidar maakt het mogelijk zeer nauwkeurige driedimensionale (x,y,z) gegevenspunten (zgn. “puntenwolken”) te verzamelen om gedetailleerde informatie te verschaffen over de vorm van de aarde en haar oppervlaktekenmerken.