Uzaktan algılama, arada mekanik bir temas olmaksızın bir cisimden yayılan veya yansıtılan elektromanyetik ışınımın nitelik ve nicelik yönünden değerlendirilmesi ile cismin özelliklerinin uzaktan ortaya konması ve ölçülmesidir.

Uzaktan algılamada temel eleman, yeryüzünün görüntüsünü kaydetme yeteneği olduğundan bu bilimin başlangıç noktası fotoğrafın icat edildiği tarih olarak kabul edilmektedir.

İlk uzaydan algılama faaliyetleri Alman V-2 roketlerine yerleştirilen otomatik foto-kamera sistemiyle başlamıştır.

Operasyonel bir sistem olarak yeryüzü hakkındaki bilgilerin periyodik olarak toplanması, 1970’lerde SKYLAB ve LANDSAT sistemleriyle başlamıştır.

Uzaktan algılama sistemindeki temel bileşenler;
? Hedef,
? Enerji kaynağı,
? İletim (yayılım) yolu ve
? Bir algılayıcıdır.

Uzaktan algılama sisteminde hedef, ilgilenilen bir yeryüzü cismi veya materyalidir.

Algılayıcı, hedeften gelen ışınımı (yansıtılan, iletilen ve/veya yayılan) ölçen ve kaydeden bir aygıttır.

Hedeften gelen enerji kaydedildikten sonra bir uydu yer istasyonuna iletilerek görüntü formatına dönüştürülmek üzere işlenir. Daha sonra hedef hakkında bilgi çıkarmaya yönelik görsel olarak yorumlanır ve/veya elektronik olarak (dijital görüntü işleme algoritması kullanılarak) işlenir.

Uzaktan algılamada iki farklı algılama sistemi vardır:
? Pasif Algılayıcı Sistemler
? Aktif Algılayıcı Sistemler

Pasif Algılayıcı Sistemler: Hedef cisimden yayılan ve/veya yansıtılan ışınım enerjisini ölçerler. Diğer bir deyişle bu tip algılama yapan algılayıcılar, Güneş’in gönderdiği ışınlar aracılığıyla (veya Güneş Dünya’yı aydınlattığı sürece) cisimden yansıtılan ışınları ölçerler.

Örnekler:
? Pasif Mikrodalga Radyometresi: Doğal yayılan mikrodalga enerjiyi saptarlar.
? Radyometre: Atmosfer veya okyanus üzerinden yansıtılmış (veya geri yansıtılan) Güneş ışınımını ölçerler.

Aktif Algılayıcı Sistemler: Kendi enerjisini/sinyalini ileterek hedef cisimden geri yansıtılan enerjiyi ölçerler. Diğer bir deyişle, bu tip algılayıcılar Güneş enerjisine ihtiyaç duymazlar. Mevsim veya günün zamanına bakılmaksızın kendi ışınlarını kendileri gönderir ve yansıtılan enerjiyi geri almak suretiyle görüntü elde ederler.

Örnekler:
? LIDAR (Işık Saptama ve Uzaklık Belirleme- LIght Detection And Ranging)
? RADAR (Radyo Dalgaları ile Saptama ve Uzaklık Belirleme – RAdio Detection And Ranging)

Elektromanyetik enerji, uzaktan algılama sisteminin bileşenleri arasındaki bağlantıyı oluşturur.

Enerji iş yapabilme kabiliyetidir.

Isının bir cisimden başka bir cisme transferi kondüksiyon, konveksiyon ve ışıma yoluyla oluşur.

Kondüksiyonla transfer, bir cismin komşu bölgeleri arasındaki sıcaklık farklarının etkisiyle gelişen ısı transferidir.

Konveksiyonla transfer ısının, hareket halindeki sıvılarda veya gazlarda taşınım yoluyla aktarılmasıdır.

Işıma yolu ile transferde ışık enerjisi sıcak ortamdan soğuk ortama herhangi bir maddesel ortam olmaksızın aktarılıyorsa gerçekleşir. Örneğin Güneş’in Dünya’yı ısıtması enerjinin ışımayla (radyasyon ile) transferi sonucunda gerçekleşir.

Elektromanyetik dalgalar, elektromanyetik alanın uzayda yayılması sonucu oluşur.

Elektromanyetik bir dalga hem birbirlerine hem de yayılma doğrultusuna dik olan elektrik (E) ve manyetik (M) alanlardan oluşmaktadır.

Dalga boyu, birbirini takip eden dalga tepeleri arasındaki mesafedir.

Frekans (f) belirli bir noktadan birim zamanda geçen tam dalga boyu sayısıdır.

Genlik, dalganın ortalama konumundan olan maksimum açılımıdır.

Periyot (T) dalga formunun diğer bir ölçüm parametresi olarak, belirli bir noktadan tam bir dalga boyunun geçmesi için gereken zamandır. Periyot ile frekans arasında T= 1/f ilişkisi vardır.

Siyah cisim (veya yüzey) teorik olarak tanımlanan ideal bir ışınım yayıcısı ve yutucusudur. Belirli bir sıcaklık ve dalga boyunda hiçbir yüzey siyah cisimden daha fazla enerji yayamaz.

Görünür ışığı geçiren maddeler saydam, yarı geçirgen maddeler transluent, geçirmeyen maddeler ise opak olarak adlandırılır.

Elektromanyetik enerji spektrumu 10-10 μm dalga boylarından (kozmik ışınlar) 1010 μm dalga boylarına kadar (radyo dalgaları) olan sürekli bir enerji ortamıdır

Uzaktan algılamada, özellikle 0.3-15 μm arasındaki optik dalga boyları ile 1-1000 mm arasındaki mikrodalga bölgeleriyle ilgilenilmektedir.

Yansıtıcı bölge, görünür (0.38-0.72 μm) ve yansıtıcı kızıl ötesi (0.72- 3.0 μm) bölgelere ayrılır. Görünür bölge insan gözü tarafından algılanabilen bölgedir (0.4-0.7 μm). Yansıtıcı kızıl ötesi bölge, yakın kızıl ötesi (NIR; 0.72-1.1 μm) ve kısa dalga ötesi (SWIR; 1.1-3.0 μm) bölgelerden oluşmaktadır.

Bulutlar enerji dengesinde önemli rol oynarlar. Yüksekte bulunan ince bulut kümeleri ısıyı (uzun dalga boyları) yeryüzüne doğru yayarlar, buna karşılık alçakta bulunan kalın tabakalı bulutlar ise gelen Güneş ışınımını yansıtır ve yüzeyden gelen ısıyı yutar ve/veya yayarlar. Bu yüzden yazın çok bulutlu günlerde hava, bulutsuz günlere nazaran daha soğuk, bulutlu gecelerde ise hava gökyüzünün açık olduğu gecelere göre daha ılık hissedilir.

Dinazorların yok oluşu ile ilgili hipotezde büyük bir asteroitin yeryüzüne çarparak atmosferde çok büyük miktarda tozun yayılmasına sebep olduğu ve bu durumun da yeryüzüne gelen ışık ve ısı enerjisini engellediği varsayılmaktadır. Sonuçta iklimde oluşan bu değişimin dinazorların yok oluşundaki başlıca etmen olduğu öne sürülmektedir

Atmosferde üç tür saçılım gerçekleşir:
? Rayleigh saçılımı
? Mie saçılımı
? Seçmesiz saçılım

Rayleigh Saçılımı: Atmosferin üst tabakalarında oluşan bu saçılma türü parçacıkların (örn. Nitrojen ve oksijen molekülleri, ufak tanecikler, vb.), ışınımın dalga boyuna göre çok küçük olması durumunda gerçekleşir.

Enerjinin kısa dalga boylarındaki saçılımı, uzun dalga boylarına göre daha fazla olduğundan gökyüzünün mavi renkte görülmesinin sebebi budur. Diğer bir deyişle mavi renk görünür bölgenin en kısa dalga boyu olduğundan saçılma bu bölgede görünür bölgenin diğer kısımlarına göre daha fazladır.

Gün doğumu ve gün batımında Güneş ışınları atmosferden geçerken, gün ortasına göre daha fazla yol aldığından görünür bölgede uzun dalga boylarındaki saçılım daha fazla olmakta ve bu durum gökyüzünün kırmızı renkte görülmesine neden olmaktadır.

Mie Saçılımı: Bu saçılma türü ışığın dalga boyu ile aynı büyüklükteki parçacıkların ( örn. toz, duman ve su buharı, vb.) etkileşmesinden meydana gelmektedir. Havanın kapalı olduğu zamanlarda ya da atmosferdeki parçacıkların biraz büyük olması durumunda Mie saçılımı gözlenmektedir.

Seçmesiz Saçılma: Atmosferin daha alt tabakalarında oluşan bu saçılma türü parçacıkların (örn. büyük toz parçacıkları, su damlacıkları, vb.) ışınımın dalga boyundan çok daha büyük olması durumunda gerçekleşir. Seçmesiz saçılma olarak adlandırılmasının nedeni bütün dalga boylarında gelen ışığın eşit olarak saçılmasıdır. Bu saçılımın gerçekleşmesi durumunda sis ve bulutlar beyaz (mavi+yeşil+kırmızı renklerin eşit saçılımı) renkte gözükecektir.

Yutulma, saçılmanın tersine atmosfer içindeki moleküllerin farklı dalga boylarındaki enerjiyi yutma olayıdır.

Yutulmaya neden olan temel bileşenler ozon, karbondioksit ve su buharıdır.

Ozon, karbondioksit ve su buharının etkili olduğu bölgeler aşağıda verilmiştir:
? Ozon: Daha çok canlılar için zararlı olan ultraviyole ışınlarının yutulmasına neden olur.
? Karbondioksit: Spektrumun kızıl ötesi bölgelerinde etkilidir. Sera gibi bir etkisi olduğundan “Greenhouse” gazı olarak da bilinir.
? Su buharı: Spektrumun ısıl kızıl ötesi ve yakın mikrodalga ışınımlarını yutar.

Işınımın atmosferden oldukça az bir zayıflama ile geçtiği bölgelere atmosferik pencere denir.

Atmosferde bulunan ozon tabakasının yeryüzünü UV ışınlarından koruması yaşamsal faaliyetlerin sürdürülebilmesi için son derece önemlidir ancak astronomlar için bu durum evrenden bilgi toplamak için engel teşkil etmektedir. Bu nedenle yıldız ve galaksilerden, hatta Güneş gibi çok yakın gök cisimlerden UV ışınlarını ölçmek için ozon tabakası dışındaki uydulara Hubble uzay teleskobu gibi UV teleskopları yerleştirilmektedir.

Cisimden yansıtılan ışınım miktarının gelen toplam ışınıma oranı “albedo (yansıtılabilirlik)” olarak tanımlanmaktadır.

Albedo, cismin yüzey dokusuna, özelliklerine ve alanına bağlı olarak değişir.

Genel olarak yeryüzü cisimler arasında en yüksek albedo oranına sahip olan cisimler kar ve kum, en düşük albedo değerlerine sahip olanlar ise yeni sürülmüş nemli topraklar ve ormanlık alanlardır.

Genel olarak yüzeylerden spektral yansıtım 2 farklı şekilde oluşur:
? Eğer yüzey düz ise, gelen tüm (hemen hemen tümü) yansıtımın tek bir doğrultuda olduğu “aynaya benzer” yansıtım olarak adlandırılan tam (speküler) yansıma meydana gelir. Örneğin amatör kamera ile çekilen resimlerde durgun su yüzeyinde görülen yansımalar tam yansımaya bir örnektir.
? Eğer yüzey pürüzlü ise, gelen enerjinin uniform olarak hemen hemen tüm doğrultularda geri yansıtıldığı dağınık (difüz) yansıma meydana gelir.

Spektral yansıtma eğrisi, dalga boyuna bağlı olarak cisimden (yüzeyden) yansıyan ışınım yüzdesini göstermektedir.

Cisimlere ait spektral yansıtma eğrileri, uzaktan algılamada çalışılacak spektral bölgenin ve kullanılacak algılayıcının seçiminde önemli rol oynamaktadır.

Bir bitki örtüsünün kanopisinin spektral yansıtımı dalga boyuna bağlı olarak değişim göstermektedir.

Pigmentasyon, fizyolojik yapı ve su içeriği bitki örtüsü kanopisi için yansıtmada, yutulmada ve geçirimde önemli etkiye sahiptir.

Görünür bölgede, bitkilerin içerdiği pigmentler (klorofil-a ve –b, beta karoten, ksantofil, vb.) fotosentez için gelen enerjiyi yutarlar. Bu pigmentler içinde en önemlisi klorofildir. Yutulma yeşil bölgede daha az olduğundan sağlıklı yapraklar gözümüze yeşil renkte görünür.

Türler arasında yaprak yansıtımındaki önemli farklar hem pigment içeriğine hem de fizyolojik yapıyı etkileyen yaprak kalınlığına bağlıdır.

Kısa dalga kızıl ötesi bölgede yansıtım, su miktarına ve buna bağlantılı olarak da yaprak kalınlığına bağlıdır. Su miktarı arttıkça yansıtım azalmakta ve yutulma artmaktadır.

Genel olarak kanopi geometrisi, yaprakların geçirimi, yaprak tabakalarının sayısı, bitki üzerindeki yaprakların dizilimi ve arka plandaki yapının karakteri (toprak, yaprak, vb.) yansıtımı etkileyen faktörlerdir.

Isıl kızıl ötesi bölgede bitki örtüsü kanopisinin sıcaklığı, geniş yüzey alanına ve yüksek terleme oranına bağlı olarak değişir.

Genel olarak ısıl bölgede yapılan tarımsal uygulamalarda;
? Toprak sıcaklığı,
? Algılayıcı açısı,
? Bitki örtüsü tipi,
? Bitki örtüsünün su içeriği
gibi huşuların dikkate alınması gerekir.

Zeminlere ait yansıtma eğrilerinin genel özelliği, yansıtmanın artan dalga boyuna bağlı olarak artış göstermesidir.

Genel olarak zeminlerin yansıtma özellikleri;
? Zeminin su içeriğine,
? Zemini oluşturan minerallerin cins ve miktarına,
? Doku ve yüzey pürüzlülüğüne,
? Organik madde içeriğine bağlıdır.

Toprak dokusu tipi, içindeki kil, silt ve kum taneciklerinin farklı oranlarına göre belirlenir.

Genel anlamda bir zeminde su içeriği arttıkça yansıtım özelliği azalmakta olup, bu azalma toprak doygunluğa ulaşıncaya kadar sürmektedir. BU bağlamda kuru bir zemin, ıslak bir zemine göre daha fazla yansıtıma sahiptir.

Görünür ve ısıl kızıl ötesi bölgede koyu renk tonu su içeriğinin fazlalığına işarettir.

Bir su kütlesinin yansıtımındaki konumsal değişkenliği etkileyen faktörler;
? Su derinliği,
? Su içerisindeki, materyaller
? Suyun yüzey pürüzlülüğü (dalgalılık)dür.

Sığ su kütlelerinde yansıtım, su taban yapısının yansıtım özellikleri tarafından etkilenmektedir.

Su içerisinde askıda olan materyallerin başında organik olmayan sedimentler, tanin ve klorofil gelir.

Askıda materyallerin düzenli dağılmış olması, yatay veya düşey dizilimli olması veya heterojen veya homojen dağılmış olması yansıtmada değişimlere neden olmaktadır.

Görünür bölgede, organik olmayan (örn. suyun yükseldiği çamur ve balçık) cisimler saçılmayı ve yansıtmayı arttırıcı özelliğe sahiptir.

Isıl kızıl ötesi bölgede su, toprağa benzeyen bir ısıl ivmeye sahiptir. Ancak sabit bir yüzey sıcaklığına sahip olmasını sağlayan iç konveksiyonu olduğu için, çok daha küçük günlük ısıl değişime sahiptir.

“Uzaktan alg›lama, arada mekanik bir temas olmaksızın bir cisimden yayılan veya yansıtılan elektromanyetik ışınımın nitelik ve nicelik yönünden değerlendirilmesi ile cismin özelliklerinin uzaktan ortaya konması ve ölçülmesidir.”

Algılayıcıya çok uzak olan yeryüzü cisimlerinin görüntüsünü gösteren bu uydu görüntüsünü doğru yorumlayabilmek için; • Ne tür bir ışınım formunun kullanıldığı? • Bu ışınımın nasıl toplandığı ve/veya kaydedildiği? • Görüntünün ölçeği? • Kaydedilen özelliklerin büyüklüklerine ve yansıtım değerlerine göre görüntüdeki detay içeriği? vb. gibi soruların cevaplanması diğer bir ifade ile uzaktan algılama sistemini oluşturan temel kavramların bilinmesi gerekmektedir.

Sistemdeki temel bileşenler; (i) hedef, (ii) enerji kaynağı, (iii) iletim(yayılım) yolu ve (iv) bir algılayıcıdır.

Uzaktan algılamada iki farklı algılama sistemi vardır:

1. Pasif Algılayıcı Sistemler: Hedef cisimden yayılan ve/veya yansıtılan ışınım enerjisini ölçerler. Diğer bir deyişle bu tip algılama yapan algılayıcılar, Güneş’in gönderdiği ışınlar aracılığıyla (veya Güneş Dünya’yı aydınlattığı sürece) cisimden yansıtılan ışınları ölçerler
2. Aktif Algılayıcı Sistemler: Kendi enerjisini/sinyalini ileterek hedef cisimden geri yansıtılan enerjiyi ölçerler. Diğer bir deyişle, bu tip algılayıcılar Güneş enerjisine ihtiyaç duymazlar. Mevsim veya günün zamanına bakılmaksızın kendi ışınlarını kendileri gönderir ve yansıtılan enerjiyi geri almak suretiyle görüntü elde ederler.

Radyometre: Atmosfer veya okyanus üzerinden yansıtılmış (veya geri yansıtılan) Güneş ışınımını ölçerler.

Elektromanyetik enerjinin cisimlerle olan etkileşimi parçacık formunda kuantum teorisi ile açıklanır.

Dalga boyu, birbirini takip eden dalga tepeleri arasındaki mesafedir.

Dalga boyu birimi: Birim uzunluk Angstrom (Å) : 1 Å = 1x10-10 m; Nanometre (nm): 1 nm=1x10-9 m; Mikrometre (µm): 1 µm = 1x10-6 m;

Wien Yer Değiştirme kanununa göre; bir cisim tarafından yayılan ışınımın şiddeti bütün dalga boylarında aynı değildir, spektrumun belirli bir noktasında maksimumdur ve bu noktanın yeri cismin sıcaklığına bağlıdır.

Uzaktan algılamada, özellikle 0.3-15 µm arasındaki optik dalga boyları ile 11000 mm arasındaki mikrodalga bölgeleriyle ilgilenilmektedir.

Dalga boyu: 0.03 0.4 mikrometre. 0.03 0.3 mikrometre arasındaki dalga boyları yeryüzü atmosferindeki Ozon tarafından yutulur.

Atmosferde üç tür saçılım gerçekleşir:

• Rayleigh saçılımı • Mie saçılımı • Seçmesiz saçılım

Rayleigh Saçılımı: Atmosferin üst tabakalarında oluşan bu saçılma türü parçacıkların (örn. nitrojen ve oksijen molekülleri, ufak tanecikler, vb.), ışınımın dalga boyuna göre çok küçük olması durumunda gerçekleşir. Enerjinin kısa dalga boylarındaki saçılımı, uzun dalga boylarına göre daha fazla olduğundan gökyüzünün mavi renkte görülmesinin sebebi de budur. Diğer bir deyişle mavi renk görünür bölgenin en kısa dalga boyu olduğundan saçılma bu bölgede görünür bölgenin diğer kısımlarına göre daha fazladır.

Mie Saçılımı: Bu saçılma türü ışığın dalga boyu ile aynı büyüklükteki parçacıkların (örn. toz, duman ve su buharı, vb.) etkileşmesinden meydana gelmektedir. Havanın kapalı olduğu zamanlarda ya da atmosferdeki parçacıkların biraz daha büyük olması durumunda Mie saçılımı gözlenmektedir.

Seçmesiz Saçılma: Atmosferin daha alt tabakalarında oluşan bu saçılma türü parçacıkların (örn. büyük toz parçacıkları, su damlacıkları, vb.) ışınımın dalga boyundan çok daha büyük olması durumunda gerçekleşir. Seçmesiz saçılma olarak adlandırılmasının nedeni bütün dalga boylarında gelen ışığın eşit olarak saçılmasıdır. Bu saçılımın gerçekleşmesi durumunda sis ve bulutlar beyaz (mavi + yeşil + kırmızı renklerin eşit saçılımı) renkte gözükecektir.

Yutulma ise, saçılmanın tersine atmosfer içindeki moleküllerin farklı dalga boylarındaki enerjiyi yutma olayıdır. Yutulmaya neden olan temel bileşenler ozon, karbondioksit ve su buharıdır.

Bu bileşenler spektrumun birçok bölgesinde aktif olmalarına karşın asıl etkili oldukları bölgeler aşağıda verilmiştir: • Ozon: Daha çok canlılar için zararlı olan ultraviyole ışınlarının yutulmasına neden olur. • Karbondioksit: Spektrumun kızıl ötesi bölgesinde etkilidir. Sera gibi bir etkisi olduğundan “Greenhouse” gazı olarak da bilinir. • Su buharı: Spektrumun ısıl kızıl ötesi ve yakın mikrodalga ışınımlarını yutar.

Işınımın atmosferden oldukça az bir zayıflama ile geçtiği bölgelere atmosferik pencere denir.

Uzaktan algılamada cisimlerden yansıtılan enerji miktarı önemlidir. Cisimden yansıtılan ışınım miktarının gelen toplam ışınıma oranı “albedo (yansıtabilirlik)” olarak tanımlanmaktadır. Bir cisim gelen ışınımın büyük bir kısmını yansıtıyorsa yüksek albedo değerine sahip olacak ve açık renk tonunda gözükecektir.

Genel olarak yüzeylerden spektral yansıtım 2 farklı şekilde oluşur: 1. Eğer yüzey düz ise, gelen tüm (hemen hemen tümü) yansıtımın tek bir doğrultuda olduğu “aynaya benzer” yansıtım olarak adlandırılan tam (speküler) yansıma meydana gelir. Örneğin amatör kamera ile çekilen resimlerde durgun su yüzeyinde görülen yansımalar tam yansımaya bir örnektir. 2. Eğer yüzey pürüzlü ise, gelen enerjinin uniform olarak hemen hemen tüm doğrultularda geri yansıtıldığı dağınık (difüz) yansıma meydana gelir.

Pigmentasyon, fizyolojik yapı ve su içeriği bitki örtüsü kanopisi için yansıtmada, yutulmada ve geçirimde önemli etkiye sahiptir.

Genel olarak kanopi geometrisi, yaprakların geçirimi, yaprak tabakalarının sayısı, bitki üzerindeki yaprakların dizilimi ve arka plandaki yapının karakteri (toprak, yaprak, vb.) yansıtımı etkileyen faktörlerdir.