PROGNOZOWANIE W EKOSYSTEMACH MORSKICH

SATELITARNE OBSERWACJE ZIEMI W BADANIACH NAUKOWYCH
Żartobliwie można by powiedzieć, że najpierw pojawiła się teledetekcja, a potem człowiek, bo wszelkie zmysły,
które pomagają w postrzeganiu świata, zdobywaniu pokarmu bazują na tym, iż najpierw należy zobaczyć,
usłyszeć lub wywęszyć jakiś pokarm, a dopiero potem wejść w kontakt z nim i go zjeść. Wszelkie zdalne
zdobywanie informacji jest właśnie teledetekcją. Każdy z nas wykorzystuje teledetekcję w swoim życiu
codziennym, czy to oglądając świat, który nas otacza, czy robiąc zdjęcia lub filmy. Wszystko zmierza do tego by
pozyskać jakąś informację i ją utrwalić, by móc ją później porównać z obecnym stanem, np. wspominać jak
dzieci się rozwijały lub jak wyglądaliśmy w młodości.
Współczesna teledetekcja koncepcyjnie bazuje
na tych samych przesłankach, zmieniły się tylko
metody zdobywania informacji, ich zapis oraz
metody przetwarzania. Rozważania teoretyczne
nad
metodami
i
technikami
badań
teledetekcyjnych należy zacząć od krótkiej
prezentacji podstaw teoretycznych. Generalnie
wszystkie metody badawcze mogą zostać
podzielone na pasywne oraz aktywne.
Pierwsza grupa jest każdemu człowiekowi
znana, gdyż każdy patrząc się na świat własnymi
oczyma postrzega światło, które odbija się od
obiektów, na które patrzymy i dociera do
naszych oczu. Zatem Słońce emituje
promieniowanie, które trafia na Ziemię, odbija
się od obiektów występujących na jej
Charakterystyki spektralne wybranych elementów na tle kanałów
powierzchni i trafia do detektora naziemnego,
satelity Landsat TM i MSS. Źródło: VITO Belgia, zmodyfikowane.
lotniczego lub satelitarnego. Tym detektorem
może być nasze oko (lub ciało, gdy chodzi o zakres promieniowania termalnego, odczuwanego przez nas jako
ciepło lub zimno), aparat fotograficzny lub skomplikowany skaner lotniczy, czy satelitarny, który potrafi
podzielić dopływające do niego promieniowanie na różne zakresy w zależności od długości fali
elektromagnetycznej.
Metody aktywne bazują na tym, iż to badacz posiada źródło promieniowania i detektor. Przykłady użycia metod
aktywnych są obecne w życiu każdego człowieka, np. policjant stojący z radarem wysyła kilka serii
promieniowania mikrofalowego, kierując wiązkę na jadący samochód. Z różnic czasu powracających fal
urządzenie oblicza prędkość i funkcjonariusz na podstawie zdobytej wiedzy podejmuje decyzje określone
kodeksem ruchu drogowego.
Drugi istotny podział teledetekcji odbywa się
na
podstawie
długości
fali
elektromagnetycznej, która jest wykorzystywana do
badań teledetekcyjnych. Znaczna część
promieniowania
elektromagnetycznego
pochodzącego od Słońca jest pochłaniana przez
atmosferę,
dlatego
w
badaniach
teledetekcyjnych wykorzystuje się zakres
widzialny (0,4-0,7 μm), bliską (0,7-1,5 μm),
średnią (1,5-2,5 μm) daleką (termalna)
podczerwień
(do
8-15
μm)
oraz
promieniowanie mikrofalowe.
Drugim elementem, który legł u podstaw badań
teledetekcyjnych jest prawidłowość, iż każdy
obiekt odbija różną ilość promieniowania i
wartość ta zmienia się wraz z długością fali.
Prawidłowość ta jest określana przez
spektralny współczynnik odbicia (spektralny
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
Przykładowe zobrazowania satelitarne Landsat i mapy pokrycia terenu
utworzone na jego podstawie. Źródło: www.gisdevelopment.net
oznacza zależność od danej długości fali). Graficzną prezentacją spektralnego współczynnika odbicia dla
poszczególnych długości fali jest krzywa odbicia spektralnego (zwana też charakterystyką spektralną obiektu).
Charakterystyki spektralne pozwalają na identyfikację zdecydowanej większości obiektów, gromadzone są one
w specjalnych bazach danych (biblioteki spektralne). Ponadto każdy obiekt charakteryzuje się pewnymi
przedziałami widma elektromagnetycznego, w których „coś się dzieje”. Na przykład dla roślinności przebieg
krzywej odbicia w zakresie widzialnym determinowany jest składem ilościowym i jakościowym, im więcej jest
chlorofilu, tym większe jest odbicie w zielonym zakresie widma elektromagnetycznego, a mniejsze w
czerwonym. Jeśli roślina posiada czerwone barwniki (karotenoidy) prawidłowość ta jest odwrócona. Zatem
różnice pomiędzy barwnikami roślinnymi wpływają znacząco na przebieg krzywej. W bliskiej podczerwieni
krzywa ta kształtowana jest przez struktury komórkowe, im więcej jest miękiszu gąbczastego
(charakterystycznego dla traw, drzew liściastych), tym większe jest odbicie (około 70-80%), jeśli dominuje
miękisz palisadowy (drzewa iglaste) odbicie osiąga wartość (40-50%). W średniej podczerwieni na odbicie
istotny wpływ ma zawartość wody w tkankach, im jej więcej, tym mniejsze odbicie. W ten sposób, znając
charakterystyki spektralne poszczególnych obiektów (można je zmierzyć spektrometrami), można
zidentyfikować dany obiekt na obrazie satelitarnym poprzez określenie ilości odbitej od niego energii w danej
długości fali. Ponieważ energia zanim dotrze do detektora umieszczonego na satelicie, jest modyfikowana przez
atmosferę, konieczne jest stosowanie algorytmów korekcji atmosferycznej, które umożliwiają ograniczenie tego
wpływu.
Przykładowe zobrazowanie wysokorozdzielcze przestrzennie.
Źródło: KGiT WGiSR UW
Teledetekcja satelitarna rejestruje informacje o obiektach
występujących na Ziemi umożliwiając badanie np. gleb,
roślinności, wód powierzchniowych, minerałów, skał.
Bardzo rozwinięte są także metody badań atmosfery, jej
składu oraz rozmieszczenia różnych elementów (chmury,
aerozole, gazy). Wszystko to dzieje się poprzez zapis
spektralnych współczynników odbicia w kanałach
spektralnych przez detektory satelitarne. Poszczególne
satelity charakteryzują się tym, że zapisują wybrane,
ściśle określone zakresy widma (np. do badań roślinności
wykorzystuje się np. kanał zielony, czerwony i kanały
podczerwone). Drugi element decydujący o wyborze
tego, a nie innego detektora to rozdzielczość
przestrzenna, czyli wielkość piksela (najmniejsze,
homogeniczne
rejestrowane
powierzchnie).
Wysokorozdzielcze
satelity
charakteryzują
się
niewielkimi pikselami (QuickBird 0,76 m, Ikonos Pan
1 m), pozwalając rejestrować stosunkowo niewielkie
powierzchnie, ale z dużą szczegółowością. Zupełnym
przeciwieństwem są satelity metorologiczne, które mogą
obrazować znaczące części półkuli, ale ich rozdzielczość
przestrzenna jest niewielka (jeden piksel obejmuje kilka
kilometrów).
Taki szeroki wachlarz możliwości technicznych sprawia, że teledetekcja satelitarna jest wykorzystywana
w bardzo wielu dziedzinach. Obrazy satelitarne są wykorzystywane powszechnie w badaniach naukowych
zarówno przez ośrodki specjalizujące się w metodach teledetekcyjnych, rozwijając skomplikowane algorytmy
pozyskiwania, kalibracji, przetwarzania, archiwizacji danych, jak i przez jednostki badawcze, które
wykorzystują sceny satelitarne do odniesienia własnych badań, np. z zakresu ekologii (roślin, czy zwierząt) do
określenia odległości, wielkości pomiędzy poszczególnymi płatami. Do częstych przypadków należy także
wykorzystanie danych satelitarnych jako podkład do terenowego kartowania wybranych zjawisk, procesów
naturalnych, czy też antropogenicznych, które z założenia, nie mogą być prezentowane na zdjęciach
satelitarnych, np. badania ruchu miejskiego, czy legalności inwestycji budowlanych (wykonuje się zobrazowania
w pewnych ściśle określonych interwałach czasowych, a następnie porównuje się zmiany w zagospodarowaniu
terenu i odnosi się to do bazy wydanych pozwoleń budowlanych). Tak więc obrazy satelitarne stanowią
użyteczną podstawę w analizach form pokrycia terenu i użytkowania ziemi, w planowaniu przestrzennym
i architekturze, w hydrologii, limnologii, oceanologii, klimatologii i meteorologii, mineralogii, petrografii,
gleboznawstwie oraz wielu innych.
Opracowanie: B. Zagajewski
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej