Enerji-Nesne Etkileşimi ve Nesnelerin Spektral İmzası

2. UZAKTAN ALGILAMADA TEMEL TANIM VE KAVRAMLAR

2.3 Enerji-Nesne Etkileşimi ve Nesnelerin Spektral İmzası

Elektromanyetik enerji yeryüzündeki bir nesneye veya yüzeye ulaştığında üç temel enerji-nesne etkileşimi söz konusudur. Bir cisme veya yüzeye kaynaktan (güneş) gelen enerji nesne tarafından yutulur (soğurulur), yansıtılır ve/veya geçirilir (Şekil 2.3). Yeryüzüne gelen enerji (I) dünya yüzeyine çarptığında yeryüzündeki nesneler tarafından soğrulabilir (A), geçirilebilir (T) ve yansıtılabilir (R). Gelen enerji yer

yüzeyinde söz konusu üç tip etkiden biri veya daha fazlası ile karşılaşmaktadır. Bunlardan her birinin etkileme oranı; enerjinin dalga uzunluğuna, yüzeydeki materyale ve şartlara bağlı olarak değişmektedir. Enerji ve nesne arasındaki bu ilişki uzaktan algılamanın temelini oluşturmaktadır.

Şekil 2.3 : Enerji ve nesne etkileşimi.

Enerji korunumu prensibi göz önüne alınırsa, söz konusu nesne-enerji etkileşimleri arasındaki ilişki (2.2)’de verilen enerji-denge denklemi ile ifade edilebilir.

 

I R A T

E  E  E  E  _(2.2)

(2.2)’de E_I

 

 yeryüzüne gelen toplam radyasyon(enerji) miktarını, E_R

 



nesneden yansıyan enerji miktarını, EA

 

 nesne tarafından soğrulan (yutulan)

enerji miktarını ve E_T

 

 nesne tarafından geçirilen enerji miktarını ifade etmektedir. Bu etkileşimle ilgili iki önemli husus vardır. Bunlardan ilki yutulan, yansıtılan veya geçirilen enerji miktarı yapısal özelliği ve ortam koşullarına göre yeryüzündeki her nesne türü için değişkenlik gösterir. Söz konusu farklılıklar nesnelerin görüntü üzerinde ayırt edilmesine imkan sağlamaktadır. Diğer bir ifadeyle, yeryüzü üzerindeki nesnelerin uzaktan algılama yöntemiyle ayırt edilebilmelerinin en önemli nedeni; nesnelerin enerji ile ilişkilerinin farklı olmasıdır. Uzaktan algılamada buna nesnelerin imzası veya özel davranışı denir. Enerji nesne

etkileşiminde diğer önemli bir husus yeryüzündeki bir nesneye ait yutulan, yansıyan ve/veya geçirilen enerji miktarının farklı dalga boyları için değişiklik göstermesidir. Bu nedenle iki yeryüzü nesnesi belirli bir spektral dalga boyu aralığında benzer özellikler sergilerken, bir başka dalga boyu aralığında birbirinden çok farklı özelliklere sahip olabilmektedir.

Uzaktan algılama sistemleri, seçilen dalga boyu aralıklarında yer yüzeyindeki nesnelerden yansıyan ve yayılan enerji miktarlarındaki değişimleri kayıt etmektedir. Veriler, fotoğrafik algılayıcılarla doğrudan doğruya fotoğrafik film olarak kaydedilebileceği gibi; tarayıcı sistemlerle yansıyan veya yayılan enerji manyetik bir banda sayısal olarak kaydedilebilir. Daha sonra elde edilen bu veriler yeryüzü üzerindeki objelerin yorumlanması ve analizi için kullanılmaktadır. Birçok uzaktan algılama algılayıcısı tarafından yansıyan enerjinin yoğun olduğu dalga boyu aralıklarında algılama yapıldığından, yeryüzü üzerindeki nesnelerin yansıma özelliklerinin bilinmesi son derece önemlidir. Nesnelerin yansıtma karakteristikleri, nesne üzerine gelen toplam enerji miktarı kullanılarak ölçülebilir. Buradan hareketle, belirli bir dalga boyundan yansıyan enerji miktarının; nesne tarafından soğrulan ve iletilen enerjinin toplamından bu dalga boyunda nesne üzerine gelen enerjiden çıkarılmasına eşit olduğu ifade edilebilir. Yansıma miktarı, nesne tarafından yansıtılan enerji miktarının o nesne üzerine gelen toplam enerji miktarına oranı şeklinde ifade edilir. Dalga boyu ile ilişkili olan bu yansıma spektral yansıma (_) olarak adlandırılır ve (2.3) yardımıyla hesaplanmaktadır.

 

100 R I E E

dalga boyu aralığında nesne tarafından yansıtılan enerji miktarı

dalga boyu aralığında nesne üzerine gelen toplam enerji miktarı

         (2.3)

Uzaktan algılanmış görüntüler üzerinden yeryüzü üzerindeki objelerin ayırt edilmesinde temel düşünce her objenin farklı spektral özelliğe sahip olmasıdır. Uzaktan algılanan verilerinin bilgisayar ortamında analiz edilebilmesi için objelerin spektral özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Bu nedenle çeşitli bitki örtülerinin, toprağın, suyun ve ilgilenilen diğer yer yüzeyi özelliklerinin spektral özelliklerinin bilinmesi, uzaktan algılanan verilerin uygun bir şekilde analizi ve yorumlanması açısından son derece önemlidir.

Bitki örtüsünün spektral yansıtımı dalga boyuna göre değişim göstermektedir. Yapraktaki pigmentler, yaprağın fizyolojik yapısı ve yapraktaki su miktarı bitki örtüsü için yansımada, yutulmada ve geçirimde önemli etkiye sahiptir (Swain ve Davis, 1978; Nag ve Kudrat, 1998). Şekil 2.4’de bitki örtüsünün genel spektral özelliklerini açıklamak amacıyla Çınar (Platanus orientalis L.) ağacına ait spektral yansıma eğrisi gösterilmiştir.

Şekil 2.4 : Çınar (Platanus orientalis L.) ağacına ait spektral yansıma eğrisi. Görünür bölge olarak bilinen 400-700nm dalga boyu aralığında yaprakta bulunan pigmentler (özellikle klorofil maddesi) spektral yansıma özelliklerinin belirlenmesi açısından önemli bir etkendir. Şekilden de görüleceği üzere görünür bölgede mavi ve kırmızı bantlarda kuvvetli klorofil soğurması görülürken, yeşil bantta klorofil soğurması daha azdır. Elektromanyetik spektrumun yakın kızılötesi (NIR) dalga boyu aralığında yeşil yaprak gelen enerjinin çok az bir kısmını soğurup büyük bir kısmını yansıttığından, spektral yansıtım önemli derecede artmaktadır. Yeşil dalga boylarındaki bu düşük soğurma sağlıklı yaprakları yeşil olarak görmemize neden olmaktadır. Bitkilerin yapısında karoten, ksantofil ve antosyanin pigmentleri bulunmaktadır. Yeşil bir bitki yaşlandıkça yapısındaki klorofil miktarı azalır ve bitki

yapısındaki karoten ve ksantofil pigmentleri baskın hale gelir. Bu durum ağaç yapraklarının son baharda sarı renk almasının temel nedenidir. Bazı ağaç türlerinin sonbaharda açık kırmızı görünmesinin nedeni ise aynı şekilde klorofil miktarının azalması ile birlikte ağaç yapısındaki antosyanin pigmentlerinin baskın hale gelmesidir (Maktav ve Sunar, 1991). Orta kızılötesi (SWIR) bölgede yaprakta bulunan su miktarı spektral yansıma özelliklerini belirleyen önemli bir faktördür. Su soğurma bantları olarak da bilinen belirli dalga boylarında gelen enerjinin büyük bir kısmı bu bölgede soğrulmaktadır.

Toprağın spektral özellikleri incelendiğinde bitki örtüsüne göre daha az karmaşık yapı söz konusudur (Şekil 2.5). Bu nedenle toprağın yansımasını etkileyen faktörlerin belirli spektral bant aralığında etkili olduğu söylenebilir. Topraktaki nem miktarı, toprağın yapısındaki organik madde içeriği, toprağın doku özellikleri, yüzey eğriliği ve topraktaki demir oksit varlığı toprağın spektral özelliğini belirleyen temel faktörlerdendir (Lillesand ve diğ, 2007). Söz konusu faktörler karmaşık, değişken ve birbirleriyle ilişkili bir yapıya sahiptir. Örneğin topraktaki nem miktarı arttıkça yansıma miktarı azalmaktadır. Toprak nemliliği ise genel olarak toprak dokusu ile ilişkilidir. Örneğin kumlu toprak suyu genellikle iyi drene eder. Bu nedenle bünyesinde düşük nem ihtiva ederek gelen enerjinin büyük bir kısmını yansıtır. Yüzey pürüzlülüğü ve topraktaki organik madde içeriği toprak yansıtımını azaltan faktörlerdir. Topraktaki demir oksit varlığı da özellikle görünür bölgede toprak yansımasını önemli derecede azaltan bir faktördür.

Suyun spektral yansıma özellikleri göz önüne alındığında özellikle yakın kızılötesi ve orta kızılötesi dalga boyu aralığında diğer türlerden kolaylıkla ayırt edilebileceği görülmektedir (Şekil 2.5). Söz konusu dalga boylarında su kitleleri gelen enerjinin neredeyse tamamını soğurur ve çok az bir kısmını yansıtır. Suyun bu spektral özelliği uzaktan algılama ile suyun diğer nesnelerden kolaylıkla ayırt edilmesini sağlamaktadır. Su içerisinde bulunan organik veya organik olmayan çeşitli büyüklükteki maddeler suyun spektral özelliğinde önemli değişikliklere neden olabilen unsurlardandır. Örneğin bulanık nehir suyu ile berrak göl suyunun spektral özellikleri kızılötesi bölgede önemli farklılıklar gösterebilmektedir.

Belgede Yüksek Çözünürlüklü Uydu Görüntüleri Kullanarak Benzer Spektral Özelliklere Sahip Doğal Nesnelerin Ayırt Edilmesine Yönelik Bir Metodoloji Geliştirme (sayfa 52-57)