Praha v optické doméně

Zamysleli jste se někdy nad tím, jak vlastně vznikají barvy a proč vidíme barevně? Proč je například tráva zelená, zatímco střecha sousedního domu červená? Možná vám to přijde na první pohled triviální a samozřejmé, ale pojďme celou věc prozkoumat více do hloubky. Za skutečnost, že vidíme svět kolem sebe, může primárně naše slunce, které osvětluje zemský povrch i tím i předměty na něm. Ačkoliv se nám při běžném pohledu zdá sluneční světlo bezbarvé, ve skutečnosti se skládá z celé škály barev – o čemž se můžeme snadno přesvědčit při pozorování duhy. Každá barva pak představuje záření o určité vlnové délce, přičemž modrá barva odpovídá nejkratším vlnovým délkám (kolem 450 nm), zatímco červená barva odpovídá delším vlnovým délkám (kolem 650 nm). Barva, kterou vnímáme u jednotlivých předmětů, je pak dána čistě tím, v jakém poměru se záření jednotlivých vlnových délek od daného povrchu odrážení. Pokud by se záření všech vlnových délek odráželo od daného povrchu se stejnou intenzitou, pak bychom takový povrch vnímali šedý. V praxi ale spíš dochází k tomu, že se záření některých vlnových délek od povrchu odráží víc než záření jiných vlnových délek. Vezměme například vegetaci. Ta obsahuje zelené barvivo – chlorofyl, které způsobuje, že zatímco „zelené záření“ (o vlnové délce kolem 550 nm) se od vegetace odráží, záření ostatních vlnových délek je většinou pohlceno. Proto je například tráva zelená. Tašky na střeše sousedova domu pak naopak odrážejí nejvíce záření okolo 650 nm, a proto jsou červené. Voda pro změnu skoro všechno záření pohlcuje – s výjimkou toho na úplně nejkratších vlnových délkách, které odráží – proto je modrá. Nicméně tím ani zdaleka nekončíme. Zatím se totiž bavíme pouze o záření takových vlnových délek, které dokážou registrovat naše oči. Slunce ale vyzařuje záření na mnohem širším intervalu vlnových délek. Tyto vlnové délky jsou sice pro naše oči neviditelné, ale dokáží je registrovat družicové senzory. Z takových dat pak můžeme skládat nejrůznější kombinace, které nás doslova vtáhnou do úplně jiné dimenze, která je pro nás naším zrakem nedosažitelná.

R = 665 nm (VIS-R), G = 550 nm (VIS-G), B = 490 nm (VIS-B): Procházku za tajemstvím barev začneme na tomto snímku Prahy. Jak jistě víte, každý barevný „obrázek“ je složen ze tří barevných složek RGB (odpovídající červené, zelené a modré barvě). Pokud ke složce R přiřadíme data pořízená na vlnové délce 665 nm, k zelené přiřadíme data pořízená na vlnové délce 550 nm a k modré složce přiřadíme data pořízená na vlnové délce 490 nm, získáme snímek, který zachycuje povrch tak, jak ho vidíme našima očima. Proto je tato kombinace nazývána jako true color. Jak si můžeme všimnout, vegetace je zde hraje různými odstíny zelené, zatímco zástavba je spíše šedá nebo červená (podle typu střešní krytiny).

R = 865 nm (NIR), G = 665 nm (VIS-R), B = 550 nm (VIS-G): Nyní ale pojďme prozkoumat končiny naším zrakem neviditelné. V tomto případě přiřadíme barevné složky obrazů následovně: R = 865 nm, G = 665 nm, B = 550 nm. Vidíme, že vegetace je najednou sytě červená. Je to způsobení tím, že vegetace v oblasti tzv. blízkého infračerveného záření (865 nm) odráží mnohem více záření než v oblasti viditelného záření (665 nm, 550 nm). Je tomu tak proto, že v tomto případě dochází uvnitř struktury listů k několikanásobnému odrazu dopadajícího záření (na rozdíl od záření viditelného). Červená barva tak proto v případě vegetace dominuje, zatímco ostatní typy povrchů mají spíše modrou barvu. To je dáno naopak tím, že odrazivost „nevegetačních“ povrchu s rostoucí vlnovou délkou zpravidla klesá (velmi přibližně). Tato barevná kombinace je obecně známá jako CIR (color infrared) což pochází ještě z dřevních dob, kdy se snímky pořizovaly na klasický infračervený film (který nesl toto označení).

R = 865 nm (NIR), G = 1610 nm (SWIR-1), B = 665 (VIS-R): Nyní proveďme další změnu a kromě blízkého infračerveného záření v červené složce přiřaďme k zelené složce data pořízená v oblasti krátkovlnného infračerveného záření (SWIR-1), tedy: R = 865 nm, G = 1610 nm, B = 665 nm. Zatímco v prvním případě byla vegetace prostě „zelená“ a na druhé „červená“, nyní hrají pole doslova všemi barvami. Je tomu tak proto, že se zde hodně uplatňuje vliv struktury porostů. Jinými slovy: různé typy porostů odrážejí jednotlivé vlnové délky různě intenzivně. Asi se shodneme na tom, že porost pšenice má jinou strukturu než řepka či kukuřice. A tak zatímco obilniny zde mají hnědou až oranžovou barvu, řepka je jasně červená a naopak třeba pícniny (vojtěška, jetel apod.) mají sytě žlutou barvu. Tato barevná kombinace je proto ideální pro poznávání různých druhů zemědělských plodin. Stejně tak na ní ale můžeme dobře rozlišit listnaté (okrově hnědé) a jehličnaté (mnohem tmavší) lesy.

R = 1610 nm (SWIR-1), G = 865 nm (NIR), B = 490 nm (VIS-B): V další kombinaci nahradíme červené pásmo 665 nm za modré pásmo (490 nm), čímž dostaneme kombinaci R = 1610 nm, G = 865 nm, B = 490 nm. Zde jak vidíte naopak velmi vyniká zástavba, která má výraznou fialovou barvu a současně si můžeme všimnout i poměrně dobrého rozlišení různých typů zástavby (Staré Město a Malá Strana vs. zbytek Prahy).

R = 1610 nm (SWIR-1), G = 665 nm (VIS-R), B = 490 nm (VIS-B): Podobně, i když ne tak výrazně je tomu v případě, že pásmo 865 nm nahradíme „klasickým“ červeným pásmem (665 nm), tj. R = 1610 nm, G = 665 nm, B = 450 nm. Tato kombinace se používán například pro zvýraznění topografických struktur, což ale zrovna na příkladu Prahy moc dobře demonstrovat nejde.

R = 2190 nm (SWIR-2), G = 1610 nm (SWIR-1), B = 865 nm (NIR): Poslední kombinací, kterou si ukážeme je R = 2150 nm, G = 1610, B = 865 nm. Je zajímavá tím, že se v ní na rozdíl od předchozích případů neuplatňují vůbec žádné vlnové délky viditelné okem. Tato barevné kombinace je například citlivá na vlhkost povrchu (který se projevuje v oblasti SWIR, tj. 1610 nm a 2150 nm poklesem odrazivosti).