STACJA SATELITARNA NOAA WNOZ UNIWERSYTETU ŚLĄSKIEGO

Transkrypt

1 STACJA SATELITARNA NOAA WNOZ UNIWERSYTETU ŚLĄSKIEGO Romana Adamczyk Studenckie Koło Eksploracyjno-Naukowe NOCEK Wydział Nauk o Ziemi, Uniwersytet Śląski Opiekun naukowy: mgr A. Widawski Opiekun koła: prof. dr hab. L. Teper 1. STRESZCZENIE Artykuł prezentuje specyfikację techniczną bazowej stacji odbioru danych satelitarnych HRPT (High Resolution Picture Transmition), z okołobiegunowych satelitów meteorologicznych NOAA (North Oceanic and Atmospheric Administration). Stacja znajduje się na Wydziale Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego. Artykuł zawiera informacje o sposobie funkcjonowania stacji odbiór cyfrowych danych HRPT i ich struktura, wstępna selekcja i przetwarzanie, kalibracja spektralna oraz korekcja geometryczna otrzymywanych obrazów. Przedstawiono w nim także charakterystykę zdjęć satelitarnych w pięciu kanałach spektralnych: w dwóch kanałach VIS, kanale bliskiej podczerwieni NIR, dwóch kanałach IR; oraz sposób archiwizacji przesyłanych przez satelity danych. 2. WSTĘP Stacja odbioru zdjęć satelitarnych Skyceiver Win HRPT System firmy Tecnavia S.A. funkcjonuje na Wydziale Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego od pięciu lat. Została zakupiona w wyniku realizacji grantu aparaturowego KBN decyzja budżetowa nr 2335/IA/160/97, nr wniosku IA 0695/97. Pierwszą transmisję, z satelity okołobiegunowego NOAA, odebrano 25 czerwca 1999 roku. Trzy miesiące później powołano, w obrębie Katedry Klimatologii, nową jednostkę naukowo-badawczą pod nazwą Pracowni odbioru i interpretacji zdjęć satelitarnych (Widawski, 2000). Kierownikiem pracowni, której pracownicy odpowiadają za sprawne funkcjonowanie stacji, został mgr Artur Widawski. Odbierane dane satelitarne są wykorzystywane w pracach i projektach badawczych prowadzonych na WNoZ, a także w procesie dydaktycznym studentów tegoż wydziału. Pracownicy Katedry Klimatologii nie prowadzą jednak, na podstawie otrzymywanych obrazów, działalności operacyjnej, związanej z prognozowaniem pogody.

2 3. SPECYFIKACJA TECHNICZNA Stacja cyfrowego odbioru danych z satelitów okołobiegunowych NOAA (North Oceanic and Atmospheric Administration) typu Skyceiver Win HRPT System zlokalizowana jest na dachu budynku Wydziału Nauk o Ziemi - 50º17' N; 19º08' E i składa się z kilku zintegrowanych ze sobą elementów. Pierwszym jest, umieszczona na wysokości 358 m.n.p.m., paraboliczna antena odbiorcza o średnicy 1,2 m z podstawą i 100-metrowym kablem kontroli pozycji oraz kablem przesyłu danych RF. Transmisja z satelity odbierana jest przez konwerter pierwszego pobrania, a także polaryzator danych wejściowych LNA (Law Noise Amplifier) (Rys. 1.). Rys. 1. Schemat stacji odbiorczej Skyceiver Win HRPT Kolejnym elementem stacji odbiorczej jest sieć RF służąca do odbioru sygnału satelitarnego. W jej skład wchodzą: jednostka kontrolera anteny, adapter RF do odbioru sygnału wejściowego HRPT (High Resolution Picture Transmition), odbiornik NOAA HRPT, demodulator oraz synchronizator bitowy z zegarem i wyjściem danych. Sygnał satelitarny odbierany jest w dwóch kanałach częstotliwości: kanale 1698 MHz i kanale 1702,5 MHz. Obie częstotliwości są zarezerwowane dla transmisji obrazów i danych, z których korzystają służby meteorologiczne. Stacja posiada także własny odbiornik GPS, bezustannie namierzający jej pozycję oraz określający dokładny czas satelitarny (Widawski, 2000). Dane satelitarne, z każdej odebranej transmisji trafiają do stacji roboczej Skyceiver Win HRPT System, wyposażonej w odpowiednie oprogramowanie i tam są poddawane wstępnej obróbce, dokonywana jest ich wizualizacja. 4. FUNKCJONOWANIE STACJI Obecnie stacja odbiera dane z pięciu satelitów okołobiegunowych: NOAA 12, NOAA 14, NOAA 15, NOAA 16, NOAA 17, krążących na wysokościach od 700 km do 1500 km nad

3 powierzchnią Ziemi. Orbity satelitów są nachylone do płaszczyzny równika pod kątem inklinacji α = 98,7 oraz zsynchronizowane z ruchem obrotowym Ziemi (Rys. 2.). Rys. 2. Elementy orbity satelity okołobiegunowego Źródło: Jasiński i in., 1999 r. Dzięki temu odbiór danych odbywa się w przybliżeniu, w tym samym czasie lokalnym, a kolejny pas obrazowania jest przesunięty w stosunku do poprzedniego o około 2500 km. Odpowiada to obiegowi Ziemi przez satelitę, który trwa ok. 100 min. Brzegi kolejnych pasów obrazowania nakładają się częściowo na siebie, dlatego obraz wybranego obszaru Ziemi uzyskuje się od 1 do 3 razy na dobę w świetle widzialnym i od 2 do 4 razy na dobę w kanale podczerwieni (Jasiński i in., 1999). Odbiór danych odbywa się w momencie, gdy satelita znajdzie się w zasięgu naziemnej stacji odbiorczej. Administratorem satelitów NOAA jest National Oceanic and Atmospheric Administration. Codziennie podaje ona na stronie internetowej index.html aktualne informacje o przelotach kolejnych satelitów. Dane te, w postaci depeszy TLE (Two Line Elements Set Current Data), są wprowadzane do systemu stacji. Dwie minuty przed pojawieniem się satelity nad linią horyzontu kontroler anteny ustawia jej azymut i elewację. Rozpoczyna się automatyczny odbiór transmisji, a po jej zakończeniu dane zostają zapisane na dysku komputera stacji odbiorczej w godzinach nocnych są one przegrywane na komputer roboczy Meteo 1 (Widawski, 2000). W ten sposób odbierane dane satelitarne kompletuje się w archiwum. Każda transmisja podlega osobnej kompresji w formacie ZIP, a następnie jest zapisywana na nośniku magnetycznym płycie CD-ROM.

4 5. WSTĘPNE PRZETWARZANIE DANYCH Z TRANSMISJI GENEROWANIE OBRAZÓW SATELITARNYCH Stacja odbioru danych satelitarnych Wydziału Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego rejestruje codziennie kilkanaście transmisji z satelitów NOAA, z których każda zawiera od 70 do 120 Mb danych surowych (Raw Data). Każdą kolejną transmisję tworzy cyfrowy obraz w formacie rastrowym, na którym każda linia odpowiada wycinkowi linii skaningowej AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) i zawiera maksymalnie do 2048 pikseli - każdy piksel przedstawiony jest na 16 bitach. Kolejne linie rozpoczyna kod czasowy, zapisany na 4 bajtach, niezbędny do lokalizacji geograficznej, kontroli kompletności transmisji oraz określania kąta zenitalnego Słońca. Przesyłane przez satelity dane zawierają informacje o obszarze całej Europy dzięki dużej wysokości umieszczenia anteny (358 m.n.p.m.), zasięg stacji odbiorczej sięga na północy po Svalbard, na południu po zwrotnik Raka, na wschodzie po Ural i Morze Kaspijskie, a na zachodzie po Wyspy Kanaryjskie (Widawski, 2000). Satelity NOAA są urządzeniami wykorzystującymi pasywne systemy teledetekcji, tzn. przy wykonywaniu pomiaru radiometrem AVHRR rejestrują promieniowanie słoneczne rozproszone przez system atmosfera Ziemia bądź też, emitowane przez chmury lub powierzchnię Ziemi - promieniowanie podczerwone. Dlatego każda transmisja, odbierana przez stację, zawiera dane w pięciu standardowych kanałach spektralnych, w pasie obrazowania 2700 km o rozdzielczości w punkcie podsatelitarnym wynoszącej 1 km. Przesyłane przez satelitę dane surowe wysokiej rozdzielczości (HRPT) wymagają pewnego przetworzenia, w celu ich wizualizacji. Oprogramowanie stacji roboczej Skyceiver Win HRPT System pozwala na selekcję interesującego nas obszaru (np. obszar Polski), kalibrację spektralną danych w pięciu standardowych kanałach (2 kanały VIS: długość fali w zakresie 0,4-1,1 µm; kanał mieszany: długość fali 3,7 µm; 2 kanały IR: długość fali 10,5-12,5 µm) oraz na ich korekcję geometryczną. Możliwe jest także wyświetlanie współrzędnych geograficznych z dokładnością do 1 piksela, nakładanie konturów granic państw i umownej palety barw. Efektem jest obraz satelitarny wybranego obszaru Ziemi i atmosfery, w określonych kanałach spektralnych, który nadaje się do fotointerpretacji. Otrzymane zdjęcia satelitarne mogą nie dostarczyć jednak wystarczających informacji na temat badanych obiektów i zjawisk, dlatego oprogramowanie stacji pozwala na dodatkowe przetwarzanie uzyskanych już obrazów. Polega ono między innymi na korekcji wpływu atmosfery na temperaturę powierzchni lądowych i wodnych wykorzystuje się metodę Split Window. Możliwa jest także kalkulacja indeksu zróżnicowania wegetacji roślin (NDVI Normalised Difference Vegetation Index) oraz kombinacje poszczególnych kanałów spektralnych i tworzenie kompozycji barwnych RGB.

5 6. INTERPRETACJA ZDJĘĆ SATELITARNYCH W PIĘCIU KANAŁACH SPEKTRALNYCH Satelity okołobiegunowe NOAA należą do satelitów meteorologicznych i stanowią integralną część Globalnego Systemu Obserwacyjnego. Z założenia dostarczają więc przede wszystkim informacji o bilansie radiacyjnym układu Ziemia atmosfera, o pokrywie chmurowej i strukturze zachmurzenia. Pozwalają na obserwację różnego rodzaju obiektów synoptycznych, między innymi cyklonów i frontów atmosferycznych. Wszystkie te dane przesyłane są w pięciu podstawowych kanałach spektralnych: dwóch kanałach VIS, kanale bliskiej podczerwieni NIR, dwóch kanałach podczerwieni termalnej IR. 6.1 Kanały promieniowania widzialnego Obraz widoczny na zdjęciu satelitarnym wykonanym w kanale widzialnym najbardziej zbliżony jest do rzeczywistości, gdyż długość fali odpowiada sposobowi widzenia, jaki reprezentuje ludzkie oko. Zdjęcia satelitarne w kanałach VIS wykonywane są wyłącznie w ciągu dnia i powstają w wyniku pomiaru przez radiometry krótkofalowego promieniowania Słońca pochłanianego lub odbijanego przez system Ziemia atmosfera. Wartości pikseli na obrazie satelitarnym reprezentują zróżnicowanie wielkości albedo powierzchni Ziemi oraz chmur. Jaśniejsze piksele odpowiadają powierzchniom, które charakteryzuje większa odbiciowość (mogą to być np.: chmury, śnieg, ląd). Ciemne i czarne obszary reprezentują powierzchnie o niskim albedo (np.: jeziora, tereny leśne, doliny rzeczne) (Rys. 3.). Rys. 3. Obraz obszaru Polski w 2 kanale widzialny. NOAA 16, rok.

6 Zastosowanie skali barw poprzez wszystkie odcienie szarości, pozwala na bardzo dokładną interpretację obrazu satelitarnego. Ponadto, zdjęcia w tym paśmie promieniowania cechuje duża zdolność rozdzielcza możliwa jest analiza struktury poszczególnych obiektów, szczególnie powierzchni chmurowych. 6.2 Kanały podczerwieni termalnej IR Zdjęcia satelitarne w kanałach podczerwieni powstają w wyniku pomiaru promieniowania długofalowego, emitowanego przez powierzchnię Ziemi oraz chmury. Zasadniczo struktury chmurowe na zdjęciach w kanałach podczerwieni są jaśniejsze w stosunku do powierzchni Ziemi, co wynika z ich niższej temperatury. Zdjęcia w kanale podczerwieni wykonywane są nocą, a także podczas dnia, równolegle ze zdjęciami w zakresie widzialnym. Kompleksowa analiza obu pozwala określić rodzaj zachmurzenia, grubość warstwy chmurowej oraz wysokość górnej granicy chmur. Zdjęcia w kanale podczerwieni dostarczają jakościowo gorszej informacji o teksturach zachmurzenia, gdyż bazują tylko na pomiarze promieniowania emitowanego a nie rozproszonego, jak w przypadku zdjęć w zakresie promieniowania widzialnego. 6.3 Kanał bliskiej podczerwieni NIR Obrazy, w kanale bliskiej podczerwieni, nazywanym również kanałem mieszanym, pozyskiwane są w zakresie fali 3,55-3,93µm, dla satelitów starszych niż NOAA 15, oraz w zakresach 1,158-1,164µm i 3,55-3,93µm, dla satelitów młodszych od NOAA 14. Są to zakresy obejmujące promieniowanie Słońca, jak i Ziemi, dlatego możliwa jest detekcja chmur zbudowanych z kropelek wody, które intensywnie odbijają światło i kryształków lodu, pochłaniających promieniowanie (Widawski, 2000). 7. PODSUMOWANIE W artykule starano się możliwie jak najrzetelniej zaprezentować, funkcjonującą na Wydziale Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego, stację odbioru danych satelitarnych z satelitów okołobiegunowych NOAA. Objętość niniejszego opracowania nie pozwoliła niestety na całkowite wyczerpanie tematu. Autorka ma nadzieję, że informacje zawarte w pracy choć w części nakreśliły obraz możliwości, jakie niesie za sobą teledetekcja satelitarna w badaniach środowiska. Metody badawcze wykorzystywane w jej ramach (fotointerpretacja) nadal jednak wymagają wielu udoskonaleń. Ciągle jeszcze ich podstawą jest doświadczenie i subiektywna ocena osoby interpretującej zdjęcia satelitarne. Aby fotointerpretację uczynić metodą bardziej

7 obiektywną należy w dalszym ciągu gromadzić transmisje odbierane z satelitów i tworzyć klasyfikacje wybranych sytuacji nie tylko tych meteorologicznych. Temu też ma służyć kompletowane na WNoZ archiwum. LITERATURA [1] Jasiński, J.M., Kroszczyński, K., Rymarz, Cz., Winnicki, I. (1999). Satelitarne obrazy procesów kształtujących pogodę. PWN, Warszawa. [2] Widawski, A. (2000). Stacja odbioru zdjęć satelitarnych z satelitów meteorologicznych NOAA. Gazeta Uniwersytecka nr 6 (73). Miesięcznik Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.