prognozowanie w ekosystemach morskich

CO SIĘ DZIEJE ZE ŚWIATŁEM ZANIM TRAFI DO SATELITY?
Zdalne metody badań bazują na promieniowaniu elektromagnetycznym, które jest podstawowym nośnikiem
informacji. W zdecydowanej większości przypadków źródłem tego promieniowania jest Słońce, które emituje
fale elektromagnetyczne w całym zakresie spektrum, czyli jest to promieniowanie: gamma (o długości fali
poniżej 1*10-11 m); rentgenowskie (1*10-11 m – 1*10-8 m), ultrafioletowe (1*10-8 m – 4*10-7 m), widzialne (4*107
m – 7*10-7 m), podczerwone (7*10-7 m – 1*10-3 m), mikrofalowe (1*10-3 m – 1*10-1 m) oraz radiowe
i telewizyjne (powyżej 1*10-1 m). Do górnej warstwy atmosfery dochodzi strumień promieniowania o wartości
około 1368 +/- 45 W/m2. Wahania dochodzącego promieniowania wynikają od pory roku (zmiana odległości
Ziemi od Słońca) oraz aktywności Słońca. Po dotarciu fali elektromagnetycznej do atmosfery czeka tam na nią
szereg przeszkód w postaci gazów, pyłów, czy większych cząstek, na których zachodzi cały szereg procesów
fizycznych; zależą one w głównej mierze od długości fali oraz wielkości przeszkody. Jeśli długość fali jest
znacznie większa od molekuły (np. gazu występującego w atmosferze) następuje wtedy rozpraszanie
promieniowania (rozpraszanie Rayleigha) i pochłanianie energii przez gazy (jest to podstawowe źródło energii
w atmosferze i decyduje o ruchach mas powietrza). Zjawisku rozpraszania promieniowania na cząstkach tlenu
oraz azotu zawartych w atmosferze zawdzięcza się błękit nieba w ciągu dnia lub róż i czerwień podczas zachodu
słońca, kiedy światło przechodzi przez grubszą warstwę atmosfery.
Gdy wielkości cząstek są porównywalne z długością fali, następuje rozpraszanie Mie. Ma to miejsce gdy
promienie napotkają na swej drodze, np. aerozole czy cząsteczki wody w chmurze. W efekcie np. chmury
przybierają białą barwę, a w zanieczyszczonej atmosferze, gdzie występuje zdecydowanie więcej większych
cząstek, błękit nieba zdecydowanie ustępuje odcieniom szarości.
W przypadku gdy fala elektromagnetyczna
napotka na swojej drodze cząsteczki
znacznie większe niż jej długość,
promieniowanie elektromagnetyczne ulega
odbiciu, ugięciu i załamaniu. Zjawisko to
można
zaobserwować
podczas
występowania
chmur
burzowych
(Cumulonimbus), znajdujące się na ich
krawędziach duże krople wody powodują
ugięcie światła dając srebrzystą obwiednię
chmury. Natomiast, załamanie fal na
kryształkach lodu chmur piętra wysokiego
(Cirrostratus) daje zjawisko halo, które
można obserwować jako kręgi poświaty
wokół słońca, czy księżyca.
Reasumując, bilans energii słonecznej
wskazuje, iż około 51% energii jest
absorbowany
przez powierzchnię ziemi,
Potencjalne kierunki przejścia promieni słonecznych ze Słońca do detektora.
Źródło VITO Belgia, zmodyfikowane
20% odbija się od chmur, 19% jest
absorbowane przez atmosferę i chmury, 6%
odbija się od atmosfery i 4 procent od powierzchni ziemi. Proporcje te różnią się w zależności od długości fali.
Powyższe dane jasno wskazują, że stosunkowo niewielka ilość promieniowania dochodzi do powierzchni ziemi,
ta część, która odbije się od niej będzie nośnikiem informacji o obiekcie. Dzieje się to za sprawą właściwości
fizycznych przedmiotów, polegających na absorpcji i odbijaniu promieniowania. Odbite fale kierują się
w różnych kierunkach (w tym „z powrotem” ku przestrzeni kosmicznej) natrafiając na swojej drodze na
atmosferę.
Powyższa zależność mówiąca, iż część promieniowania zostaje odbita i to w różnym stopniu dla różnych
długości fali, zostało sformułowane w teledetekcji, jako tak zwany spektralny współczynnik odbicia. Mówi on
ile energii odbija się od danego obiektu względem padającego promieniowania w danej długości fali.
Prawidłowość ta jest bardzo cenna z badawczego punktu widzenia, ponieważ umożliwia identyfikację
większości obiektów, ponadto mówi bardzo wiele o stanie bio-fizyczno-chemicznym, w jakim znajduje się
badany obiekt. Dla ułatwienia spektralny współczynnik odbicia przedstawia się na wykresach w funkcji długości
fali, tzn. na osi „y” znajdują się wartości współczynnika, a na osi „x” – długość fali. Utworzony wykres nazywa
się krzywą odbicia spektralnego lub charakterystyką spektralną danego obiektu i jest dla niego unikatowy.
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Dlatego charakterystyki spektralne gromadzone w bazach danych, zwanych bibliotekami spektralnymi, są
wykorzystywane do półautomatycznej klasyfikacji danych satelitarnych.
Jak zostało to przedstawione powyżej, obecność atmosfery wywiera ogromny wpływ na badania
z wykorzystaniem danych satelitarnych. Wpływ ten ogólnie można podzielić na dwie grupy, pierwsza z nich to
absorpcja promieniowania przez molekuły (np. H2O, O3, CO2, NOx, CH4), pochłanianie to jest na tyle silne, ze
w pewnych zakresach, atmosfera nie przepuszcza żadnego promieniowania. Powszechnie znanym przykładem
jest ozon oraz promieniowanie UV, które jest pochłaniane przez cząsteczki ozonu, a jego brak wywołuje słynną
dziurę ozonową, bardzo negatywnie wpływając na organizmy żywe.
W przypadku teledetekcji mówi się o oknach atmosferycznych, czyli przedziałach spektrum magnetycznego,
które może przenikać przez atmosferę. Zatem do badań satelitarnych można wykorzystać znacznie węższe
przedziały spektrum, niż to zostało przedstawione na wstępnie, generalnie jest to zakres widzialny (0,4-0,7 μm
(1 μm = 10-6 m)); bliska (0,7-1,5 μm), średnia (1,5-2,5 μm) i termalna (8-15 μm) podczerwień oraz mikrofale.
Pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego przez atmosferę. Źródło ESPERE zmienione
Drugi istotny problem, wynikający z obecności atmosfery to znaczące zniekształcania sygnału dochodzącego od
odbitego obiektu do detektora satelity. Jak już zostało wcześniej wspomniane około połowy promieniowania
biegnącego do powierzchni ziemi zostaje rozproszone, pochłonięte lub odbite od poszczególnych warstw
i obiektów w atmosferze. Istotna część tego promieniowania trafia do detektora, wprowadzając znaczące
zniekształcenia w zarejestrowanym obrazie, które muszą zostać usunięte w trakcie wstępnego przetwarzania
obrazów satelitarnych zwanego korekcją atmosferyczną.
Reasumując, do detektora umieszczonego na satelicie dociera część promieniowania odbitego od obiektu i ta
ilość w każdej długości fali może być inna. W najnowszych generacjach satelitów skaner składa się z linijki
tysięcy detektorów, z których każdy mierzy ściśle określoną długość fali.
Vaccinium m yrtillus
Calam agrostis villosa
Luz ula alpino-pilosa
Juncus trifidus
Nardus stricta
Pinus m ugo
granitoid
wody powierzchniowe
1.0
współczynnik odbicia
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
400
900
1400
1900
2400
długość fali [nm]
Charakterystyki spektralne wybranych gatunków roślin tatrzańskich oraz skał granitowych i wody. Różnice w przebiegu poszczególnych
charakterystyk oznaczają, iż istnieje możliwość identyfikacji poszczególnych obiektów.
Przed przystąpieniem do prezentacji tego co dzieje się na detektorze należy powrócić do pojęcia spektralnego
współczynnika odbicia. Jeżeli dane ciało nie odbija energii w danej długości fali, to jego współczynnik odbicia
wynosi zero, jeżeli natomiast odbicie jest pełne (całość padającej energii), to współczynnik osiąga wartość jeden.
Można to wyrazić w procentach (0-100%). W przypadku obrazów satelitarnych skala możliwości zapisu
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
sygnału, na jednym z poziomów zawartych pomiędzy brakiem sygnału pobudzającego detektor, a całkowitym
pobudzeniem skanera (100%) jest zróżnicowana i nazywa się rozdzielczością radiometryczną. Obrazowo można
sobie to wyobrazić jako skalę (liczbę poziomów) szarości od czerni (brak sygnału), aż do bieli (całkowite
odbicie). Oko ludzkie rozróżnia około szesnaście takich poziomów. W skanerach satelitarnych stosuje się
kilkaset – kilkadziesiąt tysięcy takich poziomów, np. dla satelity Landsat ETM+ jest to 256 poziomów, dla
satelity QuickBird – 2048, a Hyperiona – 65536. Wynika to z faktu, iż wszystkie przetworzenia wykonuje się
w programach komputerowych, a większa liczba poziomów znacząco ułatwia przetwarzanie obrazów
i pozyskanie informacji o badanych obiektach.
Różnica w percepcji wizualnej terenu i wielospektralnej rejestracji teledetekcyjnej. Źródło: VITO Belgia, zmodyfikowane. Oko ludzkie widzi
tylko elementy położone na powierzchni terenu, natomiast skaner wykonując zobrazowanie w wielu kanałach umożliwia „rozłożenie” terenu
na składowe, których oko ludzkie nie zaobserwuje, ponieważ zobrazowanie jest wykonane także w innych długościach fali niż światło
widzialne, np. w podczerwieni.
Pozornie wydaje się, ze powinno się stosować maksymalnie dużo stopni szarości, ale wymaga to dostarczenia
większej ilości energii do detektora, co w przypadku stałej, ogromnej prędkości satelity jest trudne, ponieważ
wymaga zwiększenia pola widzenia detektora lub rozszerzenia zakresu spektralnego rejestrowanego sygnału.
W pierwszym przypadku można to uczynić zmniejszając rozdzielczość przestrzenną, co w praktyce przejawia
się zwiększeniem wielkości piksela, czyli najmniejszego, homogenicznego rejestrowanego elementu obrazu.
W przypadku wysokorozdzielczych sensorów (np. Ikonos, QuickBird) rozdzielczość ta waha się w granicach
0,6-4 m, dla satelitów środowiskowych wartości te oscylują w granicach kilkudziesięciu – kilkuset metrów,
(np. Landsat ETM+ 15-60 m, SPOT HRVR 10-20 m, a SPOT Vegetation 1000 m), dla satelitów
meteorologicznych wartości te oscylują wokół kilku kilometrów (Meteosat 2500-5000 m w punkcie nadirowym,
czyli znajdującym się pionowo pod satelitą). W drugim przypadku chodzi o zwiększenie ilości dopływającego
promieniowania poprzez zmniejszenie liczby kanałów spektralnych. W przypadku sensorów satelitarnych
szerokość detektorów panchromatycznych (rejestrujących cały zakres widzialny widma elektromagnetycznego,
co odpowiada w fotografii wykonaniu standardowego zdjęcia czarno-białego) obejmuje kilkaset nanometrów,
natomiast szerokość poszczególnych kanałów spektralnych wynosi kilkadziesiąt nanometrów (QuickBird: kanał
panchromatyczny rejestrowany jest w zakresie 450-900 nm, zakres B 450-520 nm, G 520-600 nm,
R 630-690 nm, Near-IR 760-900nm; Landsat ETM+: kanał panchromatyczny: 520-900 nm, kanały:
1: 450-520 nm, 2: 520-600 nm, 3: 630-690 nm, 4: 760-900 nm, 5: 1550-1750 nm, 6: 10420-12500 nm,
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
7: 2080-2350 nm). Specjalną grupę sensorów stanowią instrumenty hiperspektralne, w przypadku których
rozdzielczość spektralna wynosi kilka – kilkanaście nanometrów, a liczba stosowanych kanałów przekracza sto.
Za przykład może służyć satelita Hyperion, którego rozdzielczość przestrzenna wynosi 30 m (wielkość
rejestrowanej sceny wynosi wtedy 7,5x100 km), a spektralna 10 nm. Rejestracja odbywa się w 220 kanałach
w zakresie 440-2500 nm.
Jak widać z powyższego wywodu nie ma możliwości stworzenia idealnego satelity, tzn. takiego, którego
zobrazowanie będzie przydatne do wszystkich zastosowań. Planując misję satelitarną konstruuje się urządzenia
specjalnie przystosowane do wykonania ścisle założonych zadań.. Jako przykład mogą służyć satelity
meteorologiczne, których rozdzielczość przestrzenna jest bardzo mała, co pozwala na pozyskiwanie bardzo
silnego sygnału (gdyż pochodzi on z dużej powierzchni ziemi) i umieszczenie satelity stosunkowo daleko od
Ziemi. Optymalnym rozwiązaniem jest orbita geostacjonarna (35900 km od równika), wtedy prędkość satelity
równa się prędkości obrotowej Ziemi, sprawiając, że satelita znajduje się stale nad tym samym obszarem
i wykonuje bardzo często (co 30 min.) zobrazowania obejmujące te same duże powierzchnie Ziemi, co
w praktyce pozwala na monitorowanie stanu atmosfery i ciągłe aktualizacje prognoz pogody.
Wspomniane powyżej 30 min., pomiędzy poszczególnymi zobrazowaniami nazywane jest w teledetekcji
rozdzielczością czasową, czyli czasem niezbędnym do wykonania powtórnego zobrazowania tego samego
obszaru. Satelity meteorologiczne charakteryzują się bardzo wysoką rozdzielczością wynoszącą kilkadziesiąt
minut – kilka godzin (MSG – 15 min., Meteosat – 30 min., NOAA – 12 godz.), natomiast satelity środowiskowe
(wykonujące zobrazowania na potrzeby badań środowiska) cechują się rozdzielczością kilkunastu dni (Ikonos –
11 dni, Landsat – 16 dni, Hyperion – 16 dni).
Charakterystyki spektralne wybranych obiektów na tle kanałów satelity Landsat TM i MSS. Źródło VITO Belgia, zmodyfikowane
Przed przystąpieniem do konstrukcji instrumentu, który ma być zainstalowany na satelicie określa się cele, jakim
ma on służyć oraz obiekty, która ma badać. Następnie wybiera się charakterystyczne miejsca na krzywych
odbicia spektralnego i szerokość stosowanych filtrów. Dla przykładu w przypadku badań nad roślinnością do
takich miejsc należy pik w zielonym zakresie widma, odpowiadający odbiciu chlorofilu, następnie zakres
czerwony, gdzie obserwuje się minimum wynikające z absorpcji promieniowania przez chlorofil, kolejne
miejsce to maksimum odbicia przez struktury komórkowe w bliskiej podczerwieni. Tak więc zakresy te są
bardzo dokładnie dobierane, ograniczając liczbę i szerokość kanałów spektralnych do niezbędnego minimum.
Należy pamiętać, że zbędne mnożenie instrumentów i rejestrowanych przedziałów widma zbytnio obciążyłoby
zasilanie satelity podczas pozyskiwania i transmisji danych do stacji odbioru danych.
Opracowanie: B. Zagajewski
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl