0 Uzaktan Algılamaya İlişkin Fiziksel Kuramlar

Tweet

Bilim adamı Kelvin, her cismin birbirinden farklı ve mutlak sıfır (-273 °C) olarak tanımlanan bir sıcaklığın üzerinde Infrared enerji yaydığı kuramını ortaya koymuştur. Yayılan solar enerjinin (6000 C0) tümünü emen bunu en iyi şekilde tekrar yayan cisimlere siyah cisim (Blackbody) denilmektedir. Dünya üzerinde böyle bir cisim mevcut olmayıp, bulunanlar ise Gri cisim (Greybody) olarak tanımlanmışlardır.

Fiziksel olarak ışınlar;

• Az yoğun ortamdan (ortam 1) çok yoğun bir ortama girerken, normale yaklaşır. Diğer bir deyişle geliş açısı (Q1) sapma açısından (Q2) büyüktür (Q1>Q2). Çok yoğun ortamdan (ortam 2) az yoğun ortama giderken ise normalden uzaklaşır (Q2<Q1).

Yansıma

Gelen ışın

 

Şekil 1 Gelen ışın, dağılma, yansıma, emme ve yayım

• Sathın yapısına bağlı olarak (çok düzgün) aynı açı ile yansırlar (Q1=Q2).

• Sathın üzerinde değişik yönde dağılırlar (scattering),

• Satıh tarafından emilir. Takiben oluşan enerji ise yayılır.

PLANCK KANUNU:

Planck, sıfır Kelvin derecesinin üzerinde sıcaklığa sahip cisimlerin yaydıkları enerjinin dalga boyunun, sıcaklığa bağlı olarak değiştiğini kanıtlamış ve buna ilişkin olarak aşağıdaki eşitliği ve dağılım grafiğini hazırlamıştır. Grafiğin incelenmesi sonucunda, 300 Kelvin derecesinde, yani oda sıcaklığındaki cisimlerin yayımının, 9.6 mikron dalga boyunda olduğu ortaya çıkmaktadır. Dünya üzerinde ortalama sıcaklık 300 Kelvin olduğuna göre, bu sıcaklığa sahip cisimlerin görüntülenmesi, 9.6 mikron dalga uzunluğunu içeren 8-14 mikron bandında sağlanmaktadır.

 

                                                                DALGA UZUNLUĞU,

Şekil 2 Planck Kanunu grafiği ve eşitliği

WIEN KANUNU:

Sıcaklığı artan cisimlerin yaymakta olduğu enerji miktarında meydana gelen değişiklikleri araştıran Wien, aşağıdaki grafik ve eşitlik vasıtasıyla, sıcaklığın artması halinde dalga boylarında yayım yoğunluğunun arttığını ve tepe noktasına karşıt gelen dalga boyunun ise azaldığını ispatlamıştır. Sıcaklığı artan cisimlerin yaymakta olduğu enerji miktarında meydana gelen değişiklikleri araştıran Wien, sıcaklığın artması halinde dalga boylarında yayım yoğunluğunun arttığını ve tepe noktasına karşıt gelen dalga boyunun ise azaldığını ispatlamıştır.

Şekil 3 Wien Kanunu grafiği ve eşitliği

Wien eşitliği veya grafiği kullanılarak muhtelif sıcaklıktaki cisimlerin yayımladığı enerjinin dalga uzunlukları tespit edilmektedir. Buna ilişkin örnekler aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.

CİSİM	CİSMİN SICAKLIĞI + KELVİN	DALGA BOYU (Mikron)
İNSAN	37+273=300	9.6
TANK EKZOSTU	85+273=358	5.8
KAZAN DAİRESİ	480+273=753	3.8
GÜNEŞ	6000	0.5

Keza bu eşitlik vasıtasıyla 3-5 veya 8-14 mikron bant 'da çalışan sensörlerin algılayacağı sıcaklıkları da belirlemek mümkündür.

SENSÖRÜN ÇALIŞTIĞI BANT	KELVİN DERECESİ	SANTİGRAD DERECESİ
3-5	965 - 579	(+692) – (+306)
8-14	362 - 207	(+89) – (-66)

STEFAN-BOLTZMAN KANUNU:

Cisimlerin radyometrik sıcaklıkları üzerinde araştırma yapan Boltzman; cismin sıcaklığının 2 katına çıkması halinde, enerji yayım kabiliyetlerinin 16 misli arttığını, bulundukları zemin ile hemen hemen aynı sıcaklığa sahip olan ağaçlar gibi doğal bitkilerin yayım kabiliyetlerinin farklı olduğunu ve bulundukları zemin ile farklı sıcaklıklara sahip fabrika, uçak, gemi, tank ve araç gibi insan yapısı olanların kontrastlık nedeniyle görüntülenebildiğini ispatlamıştır. Infrared görüntüler üzerinde çalışanlara, hayati öneme haiz bilgileri ortaya koyan Boltzman, bu amaç için aşağıdaki eşitliği meydana getirmiştir.

W= σ T⁴

W= Radyometrik Sıcaklık σ = Boltzman Sabiti (5.66961x10-8) T = Cismin Mutlak Sıcaklığı

Bu eşitlik, gri cisimlere uygulanmak üzere Kirchoff' kanununu içerecek tarzda düzenlendiğinde eşitlik,

  W= e T⁴

şekline dönüşmektedir. Buradaki "e" sembolü cismin yayım kabiliyetini göstermektedir.

TERS KARE KANUNU:

Bir kaynaktan alınan radyasyon, aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi kaynak ile alıcı arasındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır.

Örneğin kaynaktan 500 fit uzaklıkta 1 birim IR enerji algılanıyorsa, 1000 fit uzaklıktan olan algılama 1/4 birime, 2000 fit uzaklıktan olan algılama ise 1/16 birime düşmektedir. Bu özellik planlayıcı ve kıymetlendirmecilere, IR sensörlerle algılanacak görüntülerin alçak irtifadan yapılmasını dikte ettirmektedir.

Şekil 4 Ters Kare Kanunu

LAMBERT'İN KOSİNÜS KANUNU:

Lambert, muhtelif kaynaklardan algılanan radyasyon miktarının, sensörün optik ekseni ile normal arasındaki açının kosinüsüne eşit olduğunu ispatlamıştır. Şekil-18'de görüldüğü gibi, aynı güce sahip ve hedefe dik veya muhtelif açılarla bakan sensörlerle yapılan uygulamada, açı büyüdükçe algılamanın azaldığı görülmüştür.

Hedefe 0 derece ile bakan sensör (A), 10 watts x Cos 00 (1)= 10 watts algılarken, Hedefe 60 derece ile bakan sensör (B), 10 watts x Cos 600 (0.5)= 5.00 watts, Hedefe 75 derece ile bakan sensör (C) ise, 10 watts x Cos 750 (1)= 2.58 watts algılama yapmaktadır.

Bu husus, azami algılamanın yapılabilmesi, yani çok iyi bir görüntünün elde edilebilmesi için sensörün hedefe göre dikey konumda olmasını gerektirmektedir.

Şekil 5 Lambert'in Kosinüs Kanunu

Kaynak: İşlem GIS, Uzaktan Algılama Kitabı, 2002.