Rafsegulrófið og skipting þess í bylgjulengdabil. Fjarkönnunarmælingar eru einkum gerðar á öldulengdum á sýnilegu (visible light), innrauðu (infrared) og örbylgjusviði (radio waves). Sýnilegt ljós (400-700 nm) nær ekki yfir nema mjög lítinn hluta þess tíðnisviðs sem notað er í fjarkönnun.
1. Hvað er fjarkönnun?
Fjarkönnun er í víðasta skilningi könnun eða mæling úr fjarlægð, þ.e. öflun upplýsinga um ákveðna eiginleika eða ástand tiltekins hlutar eða efnis án þess að mælitæki sé komið í beina snertingu við það. Það rannsóknarsvið sem hlotið hefur nafnið fjarkönnun er oft skilgreint á eftirfarandi hátt:
Fjarkönnun er mæling á rafsegulgeislun frá lofthjúpi og yfirborði jarðar, annað hvort úr flugvél eða gervitungli, úrvinnsla mæligagnanna og myndræn framsetning þeirra.
2. Fjarkönnun byggist á mismunandi endurvarpseiginleikum yfirborðsgerða
Einfölduð mynd sem sýnir hlutfallslegt endurkast (Reflectance) vatns (Water), græns gróðurs (Vegetation) og ógróins lands (Soil) sem fall af bylgjulengd (Wavelength) á sýnilegu og nær- innrauðu sviði.
Einfölduð mynd sem sýnir hlutfallslegt endurkast (Reflectance) vatns (Water), græns gróðurs (Vegetation) og ógróins lands (Soil) sem fall af bylgjulengd (Wavelength) á sýnilegu og nær- innrauðu sviði.
Þær upplýsingar sem fást með fjarkönnun um lofthjúp og yfirborð jarðar byggjast á því að mismunandi efni endurkasta og dreifa geislun með ólíkum hætti. Gróið land endurvarpar geislun á annan hátt en ógróið land eða hálfgróið og ólíkur gróður endurvarpar geislun á mismunandi hátt. Einstakar jarðvegs- og bergtegundir geta haft mjög mismunandi endurkastseiginleika og ljósendurkast frá haffletinum er mismunandi eftir því hve mikið er af svifi eða uppleystum efnum í yfirborðslögum sjávar.
Einnig er dreifing og gleypni skýja og andrúmslofts háð efnasamsetningu og ýmsum eðliseiginleikum loftsins. Með því að mæla endurkast rafsegulgeislunar samtímis á ákveðnum afmörkuðum bylgjulengdarböndum má afla upplýsinga um lofthjúpinn eða gerð og ástand yfirborðs jarðar og flokka það í mismunandi land- eða yfirborðsgerðir.
3. Notkunarsvið fjarkönnunar
Þótt skipta megi fjarkönnun í mismunandi rannsóknarsvið er fjarkönnun í eðli sínu þverfaglegur vettvangur þar sem sérfræðingar á ólíkum sviðum vinna saman. Á síðustu árum hefur fjarkönnun skipað æ mikilvægari sess við hvers kyns umhverfisvöktun. Á Íslandi eru viðfangsefni á sviði umhverfisrannsókna og vöktunar óvenju mörg og fjölbreytileg (sjá kafla 9. Fjarkönnunarrannsóknir á Íslandi). Fjarkönnunarmælingar eru sérlega hentugar þegar fylgjast þarf með og mæla ýmsar breytingar sem verða á umhverfinu. Með samræmdri úrvinnslu nýrra og gamalla gervitunglamynda af sama svæðinu er hægt að sýna fram á þær breytingar (t.d. gróður- eða hitabreytingar) sem orðið hafa á þeim tíma sem leið milli þess sem myndirnar voru teknar. (Bakkafjara, Reyðarfjörður)
4. Mælitækni
Auk ýmis konar ljósmyndavéla sem notaðar hafa verið til loftmyndatöku í næstum heila öld hafa sérstök fjarkönnunartæki, s.k. fjölrása skannar, rutt sér til rúms á undanförnum áratugum. Þessi tæki mæla geislun samtímis á nokkrum aðgreindum tíðniböndum eða rásum, sem gerir það kleift að vinna margfalt meiri upplýsingar úr gögnunum en ella væri hægt.
Önnur helstu tæki til fjarkönnunarmælinga eru hitaskannar og myndradarar. Með hitaskönnum er varmageislun jarðarinnar mæld og þannig má kortleggja hitastig yfirborðsins í margvíslegum verkefnum. Við radarmyndatöku er notuð tilbúin geislun sem send er frá gervitungli eða flugvél og endurkast hennar frá jarðaryfirborði er mælt. Radarmælingar er hægt að gera hvort sem er að nóttu eða degi og þær eru einnig óháðar skýjaþekju.
Á síðustu árum hafa verið þróaðar rannsóknaraðferðir með notkun radartækni (bylgjuvíxlmælingar) sem gera það kleift að mæla landhæð og jarðskorpuhreyfingar mjög nákvæmlega. Með þessari tækni er hægt að búa til landhæðarlíkön og fylgjast með hæðarbreytingum t.d. á eldvirkum svæðum í þeim tilgangi að segja fyrir um eldgos.
5. Fjarkönnun frá flugvél eða gervitungli
Fjarkönnun er stunduð frá flugvélum og gervitunglum. Flug- og gervitunglafjarkönnun útiloka ekki hvora aðra, heldur er um að ræða svið sem geta bætt hvort annað upp. Myndir frá gervitunglum gefa upplýsingar á ódýran og hagkvæman hátt um víðáttumikil svæði, en hefur fram á allra seinustu ár skort greinihæfni til þess að sýna smáatriði (flughæð 300-800 km). Oft geta þær orðið til þess að uppgötva og staðsetja áhugaverð fyrirbæri sem síðan er hægt að skoða nánar með flugfjarkönnun. Aftur á móti er ógerlegt að safna gögnum úr flugvél frá mjög stórum svæðum í einu, og því verður að beina flugmælingum eða myndatökum markvisst að fyrirfram ákveðnum stöðum.
Algengasta aðferð við flugfjarkönnun er loftmyndataka, þar sem teknar eru ljósmyndir af yfirborði jarðar úr tiltölulega lítilli hæð (flughæð oftast 3 -10 km). Önnur mikilvæg grein flugfjarkönnunar eru mælingar á hitageislun, en greinihæfni gervitunglaskanna á hitainnrauðu sviði nægir ekki til margs konar rannsókna, eins og t.d. eftirlits með jarðhitasvæðum og virkum eldfjöllum.
Tækniframfarir á síðustu árum hafa orðið til þess að stafræn gögn hafa rutt sér sífellt meira til rúms í flugfjarkönnun. Ótvíræður kostur flugfjarkönnunar er sá að hægt er að fljúga yfir rannsóknarsvæðin jafnskjótt og aðstæður leyfa. Gervitunglin eru hins vegar á föstum brautum og geta menn þess vegna þurft að bíða nokkuð eftir því að þau fari yfir ákveðinn stað við þau veðurskilyrði að nothæf gögn fáist t.d. vegna skýja.Við þessu vandamáli hefur reyndar verið brugðist á seinustu árum með stýranlegum myndatökubúnaði þannig að hægt er að taka myndir af svæðum sem ekki eru beint undir braut gervitunglsins.
Segja má að öll fjarkönnunartæki í gervitunglum eigi sér hliðstæðu í flugfjarkönnunartækjum, enda eru gervitunglatækin prófuð um borð í flugvélum áður en endanlegri gerð þeirra er komið á braut um jörðu.
6. Þróun fjarkönnunartungla
Fyrsta gervitunglinu sem sérstaklega var ætlað til ítarlegrar könnunar á yfirborði jarðar, Landsat 1, var skotið á braut umhverfis jörðu árið 1972. Um borð í Landsat 1 var fjölrása skanni (MSS = MultiSpectral Scanner) sem safnaði gögnum á fjórum aðgreindum tíðniböndum á sýnilegu og nærinnrauðu sviði með 79 m greinihæfni. Síðan hefur fjölmörgum ólíkum gerðum fjarkönnunartungla verið komið á braut um jörðu. Þróun fjarkönnunartækjanna hefur verið mjög ör og hefur fjöldi tíðnibanda (mælirása) og greinihæfni aukist jafnt og þétt auk þess sem mörg tæki eru nú sérhæfð til ákveðinna rannsókna.
Mikið notaðar gervitunglamyndir hér á landi á undanförnum árum eru frá SPOT-5 tunglinu sem komið var á braut um jörðu árið 2002. SPOT-5 myndir hafa fjögur bönd með 10m greinihæfni (í grænu og rauðu sýnilegu ljósi og á nær- og mið-innrauðu sviði) og einu pan-bandi með 2,5m greinihæfni, sem notað er til að skerpa litframsetningu myndanna. Hver SPOT-5 mynd nær yfir 60km x 60km eða 3600km2 stór svæði. Nú er til safn SPOT-5 mynda sem þekja allt landið og allar innlendar stofnanir sem fást við söfnun og framsetningu landupplýsinga geta nýtt sér.
Á allra seinustu árum hafa gervitunglamyndir með 0,5m greinihæfni verið settar á markað og áætlanir eru um gervitungl sem tekur myndir með 0,25m myndpunktsstærð, en það er sambærileg greinihæfni við flestar loftmyndir.
7. Úrvinnsla fjarkönnunargagna
Myndefnið, sem safnað er með fjarkönnun, er nú orðið nær eingöngu á stafrænu formi og unnið er úr því í tölvum. Við hefðbundna loftmyndatöku eru að vísu notaðar ljósmyndafilmur, en venjulega eru þær skannaðar eftir framköllun og þannig komið á stafrænt form.
Nútíma fjarkönnun er óhugsandi án tölvuvinnslu gagnanna. Tölvurnar gera kleift að vinna samtímis og sameiginlega úr gífurlegu magni mismunandi gagna sem samsett eru úr mörgum tíðniböndum og draga með því fram upplýsingar sem ekki er unnt að koma auga á í upprunalegu gögnunum. Með auknu umfangi og fjölbreytni fjarkönnunargagna hafa orðið gífurlegar framfarir í þróun nýrra úrvinnsluaðferða, sem ráða við mikið gagnamagn og geta vinsað úr þeim þær upplýsingar sem sóst er eftir. Margir framleiðendur hafa sett fullkomna hugbúnaðarpakka til myndvinnslu á markað og úrvinnsla fjarkönnunargagna er nú vettvangur mikilvægra rannsókna í hugbúnaðargerð. Ókeypis hugbúnað fyrir einfalda vinnslu á fjarkönnunarmyndefni má finna hér.
8. Mikilvægi fjarkönnunar á Íslandi – stór lögsaga, strjálbýlt land og sérstætt náttúrufar
Ísland er stórt og strjálbýlt land umlukið víðáttumiklu hafsvæði og Íslendingar byggja afkomu sína að mestu á því sem landið og hafið gefa af sér. Það er því skylda okkar að kanna og vakta þær auðlindir sem við búum yfir. Auk þess er Ísland jarðfræðilega mjög ungt land sem enn er að byggjast upp og stöðugt þarf að vera á verði gagnvart ýmiss konar náttúruvá eins og t.d. eldgosum, jarðskjálftum og flóðum.
Mikilvægi náttúruauðlinda, sérstætt náttúrufar og víðfeðm lögsaga landsins (um 758.000 km²), kallar á öfluga fjarkönnun hér á landi. Með fjarkönnun er hægt að rannsaka og vinna á hagkvæman hátt úr upplýsingum frá víðáttumiklum svæðum, fylgjast með breytingum og bæta þekkingu okkar á náttúrfari lands, lofts og hafs. Fjarkönnun verður stöðugt ríkari þáttur í almennum náttúrufræðirannsóknum, vöktun á náttúruvá, eftirliti með framkvæmdum, áætlunum um landnotkun og í fræðslustarfi. Þarfir fyrir fjarkönnun eru margþættar og breytilegar og aukast eftir því sem tækninni fleygir fram.
9. Fjarkönnunarrannsóknir á Íslandi
Umsjón og eftirlit með umhverfinu og rannsóknum á lofthjúp, sjó og landi verður ekki sinnt fyrir allt landið og hafið umhverfis nema með markvissri fjarkönnun. Mikilvægast er að sinna þeim þáttum sem hafa sérstöðu hér á landi, t.d. hafrannsóknum, jarðhita-, jarðskjálfta- og eldfjallarannsóknum, jöklarannsóknum, landmótun, og rannsóknum á jarðvegsrofi og ástandi gróðurs auk vöktunar á veðri og hafís.
Á Íslandi er fjarkönnun notuð með fjölbreytilegum hætti. Hér verður ekki gerður tæmandi listi yfir öll þau svið þar sem fjarkönnun nýtist eða gæti nýst en látið nægja að nefna nokkur dæmi:
Haffræði- og sjávarlífsrannsóknir. Ástand sjávar (hitastig, straumar), hafís, blaðgrænu- og átumagn.
Veðurathuganir. Ástand lofthjúpsins (ský, úrkoma, vindar, hitastig). Veðurspár, útbreiðsla hafíss og snjóhula.
Jöklafræði. Mælingar og eftirlit með jöklabreytingum. Mælingar á rennslishraða skriðjökla.
Gróðurfars- og jarðvegsathuganir. Gróðurfar, ástand gróðurs, rannsóknir á jarðvegsrofi. Landnýtingar- og landgræðsluáætlanir.
Jarðvísindi. Kortlagning jarðfræðilegra aðstæðna og kortlagning auðlinda. Landhæðarmælingar og gerð landlíkana, eftirlit með landhæðarbreytingum.
Orkurannsóknir. Eftirlit með virkni jarðhitasvæða, vatnsbúskapur og rannsóknir á virkjanasvæðum.
Eftirlit og öryggisþjónusta.Vöktun vegna aðsteðjandi náttúruvár. Öryggi manna á sjó og í landi. Eftirlit með mannvirkjum og byggð. Vöktun á eldgosum, flóðum, framhlaupi jökla og skriðuföllum. Eftirlit með mengun.
Skipulags- og áætlanagerð. Kortlagning, áætlanir og eftirlit með landnotkun, verndun lands og sjávar.
Þróun búsetu. Greining á umhverfisáhrifum, greining fornminja.
Kortagerð. Grunngögn fyrir stafræna kortagerð og mikilvæg upplýsingaveita fyrir landfræðileg upplýsingakerfi.
Dýrastofnar. Vöktun á stofnstærð villtra dýra (hvalir, fuglar, hreindýr).
10. Ný kortatækni og upplýsingaumhverfi (landupplýsingakerfi)
Nútímatækni hefur gjörbreytt aðferðum við kortagerð og vinnslu á hvers kyns landupplýsingum. Landupplýsingum er nú nær eingöngu miðlað á stafrænu formi, sem eykur mjög notagildi þeirra, m.a. með nýjum möguleikum á að tvinna saman mismunandi upplýsingar.
Margvíslegar upplýsingar um land, byggð og umhverfisskilyrði má leggja saman til þess að fá bættan skilning á einstökum umhverfisþáttum, nýtingu landsins, þróun þess, o.s.frv. Um leið opnast nýjar leiðir til að miðla upplýsingum og gera þær aðgengilegar.
Á komandi árum mun þörfin á fjarkönnunargögnum aukast og tækni til úrvinnslu þeirra mun þróast ört. Það er því brýnt að fylgjast með þróun fjarkönnunar og hagnýta þá tækni sem fjarkönnun býður upp á en jafnframt er nauðsynlegt að tryggja góð tengsl við þá sem vinna með annars konar landupplýsingar.
LÍSA eru frjáls félagasamtök um samræmd landfræðileg upplýsingakerfi. Þátttakendur eru stofnanir, sveitarfélög og einkafyrirtæki. Á vegum samtakanna er unnið að því að efla samstarf og auka notkun landupplýsinga. Samtökin taka þátt í samstarfi sambærilegra erlendra samtaka.
