1. Pocz¹tki obrazowania Ziemi z kosmosu

Transkrypt

1 GEODEZJA l TOM 12 l ZESZYT 2/1 l 2006 Andrzej Cio³kosz* OD TIROS-a DO QUICKBIRDA PÓ WIEKU ROZWOJU SATELITARNYCH TECHNOLOGII POZYSKIWANIA DANYCH O GLOBIE ZIEMSKIM 1. Pocz¹tki obrazowania Ziemi z kosmosu W marcu bie ¹cego roku minê³o 60 lat od chwili, gdy z poligonu doœwiadczalnego White Sands w stanie Nowy Meksyk (USA) zosta³a wystrzelona rakieta V-2. Osi¹gnê³a ona wysokoœæ 120 km. Na jej pok³adzie zainstalowano kamerê fotograficzn¹, za pomoc¹ której wykonano pierwsze ukoœne zdjêcia powierzchni Ziemi z wysokoœci przekraczaj¹cej 100 km, przyjêtej umownie za próg przestrzeni kosmicznej [1]. Zdjêcia te zapocz¹tkowa³y erê fotografii satelitarnej. Czternaœcie lat póÿniej, 18 sierpnia 1960 r., satelita Discoverer XIV dostarczy³ pierwszych pionowych zdjêæ fotograficznych z przestrzeni kosmicznej, wieñcz¹c tym samym fazê przygotowawcz¹ œciœle tajnego programu CORONA. Jego celem by³o umieszczenie na orbicie wokó³ziemskiej satelitów rozpoznawczych, zdolnych do fotografowania powierzchni Ziemi ze szczegó³owoœci¹ równ¹ szczegó³owoœci zdjêæ lotniczych. Na pierwszych satelitach rozpoznawczych, znanych równie pod nazw¹ KH (od angielskich s³ów key hole dziurka od klucza), by³y instalowane panoramiczne kamery wyposa one w film panchromatyczny. Eliptyczna orbita, po której kr¹ y³y satelity rozpoznawcze, powodowa³a, e nad fotografowanym obszarem satelita zni a³ siê na wysokoœæ poni ej 200 km, co pozwala³o na wykonywanie zdjêæ w skali od 1: do 1: Parametry obiektywów oraz du a zdolnoœæ rozdzielcza stosowanych filmów sprawi³y, e zdjêcia te mo na by³o powiêkszaæ nawet 40-krotnie, do skali 1:12 000, a w niektórych przypadkach 1:3000. Terenowa rozdzielczoœæ zdjêæ wynosi³a pocz¹tkowo oko³o 12 m, ale wkrótce, dziêki zastosowaniu odpowiednich filmów, osi¹gnê³a wartoœæ poni ej 2 m. Kolejne satelity serii * Instytut Geodezji i Kartografii, Warszawa 147

2 148 A. Cio³kosz CORONA wykonywa³y zdjêcia fotograficzne w pokryciu stereoskopowym, umo liwiaj¹cym otrzymywanie trójwymiarowego modelu terenu [10]. W czasie trwania programu CORONA ( ) satelity dostarczy³y ponad 800 tysiêcy zdjêæ fotograficznych, g³ównie z terenów Zwi¹zku Radzieckiego, krajów Europy Wschodniej i Chin. W dniu 22 lutego 1995 r. prezydent Stanów Zjednoczonych podpisa³ dekret o odtajnieniu programu CORONA i udostêpnieniu czêœci zdjêæ wykonanych przez amerykañskie satelity rozpoznawcze. Na mocy tej decyzji prawie milion zdjêæ fotograficznych wykonanych przez satelity CORONA zosta³o udostêpnionych do u ytku publicznego. Równolegle z programem wojskowym w latach 60. ubieg³ego stulecia rozpoczêto w Stanach Zjednoczonych realizacjê cywilnego programu wykonywania zdjêæ z przestrzeni kosmicznej, przeznaczonego na potrzeby s³u by meteorologicznej, wprowadzaj¹c na orbitê pierwszego satelitê z serii TIROS (Television and Infrared Observation Satellite). W trakcie ponaddwumiesiêcznej misji satelita ten dostarczy³ ponad zdjêæ, przesy³aj¹c je drogê telemetryczn¹ do naziemnych stacji odbiorczych. Zapocz¹tkowa³ on tym samym permanentne obrazowanie globu ziemskiego z wysokoœci orbitalnych. Satelity tej serii by³y umieszczane na orbitach przebiegaj¹cych na wysokoœci rzêdu km, o nachyleniu pocz¹tkowo o. Kolejne satelity tej serii kr¹ y³y ju po orbitach o nachyleniu 80 o, co umo liwi³o pokrycie zdjêciami niemal ca³ego globu ziemskiego. Satelity TIROS by³y wyposa one w kamery telewizyjne typu widikon. Wykonywane przez satelity TIROS zdjêcia mia³y stosunkowo ma³¹ zdolnoœæ rozdzielcz¹, ale wystarczaj¹c¹ do celów meteorologicznych [4]. Z koñcem lat 70. XX w. rozpoczyna misjê nowa seria meteorologicznych satelitów amerykañskich. Pierwszym satelit¹ tej serii jest TIROS-N/NOAA. Na jego pok³adzie zosta³ umieszczony nowy, udoskonalony skaner AVHRR. Wykonywane przez ten skaner zdjêcia mia³y niewielk¹ rozdzielczoœæ przestrzenn¹ (zaledwie 1100 m w punkcie podsatelitarnym), ale bardzo du ¹ rozdzielczoœæ radiometryczn¹, wynosz¹c¹ 2 10 bitów, co sprawia³o, ze skaner by³ w stanie wykryæ 1024 poziomy energetyczne. Wart podkreœlenia jest fakt, e misja tych satelitów trwa do dziœ. Kolejny satelita tej serii, NOAA 18, kontynuuje misjê rozpoczêt¹ 28 lat temu. Nale y te zwróciæ tak e uwagê, e zdjêcia wykonywane przez satelity NOAA znalaz³y zastosowanie nie tylko w meteorologii. S¹ one powszechnie wykorzystywane w badaniach roœlinnoœci, okreœlaniu stanu i warunków ich rozwoju, a tak e kartowaniu u ytkowania ziemi w skalach przegl¹dowych. 2. Satelity œrodowiskowe Lata 70. ubieg³ego wieku przejd¹ do historii teledetekcji z powodu wiekopomnego wydarzenia, które mia³o miejsce 23 lipca 1972 r. W tym dniu zosta³ wystrzelony na orbitê wokó³ziemsk¹ przebiegaj¹c¹ na wysokoœci niemal 1000 km, pierwszy satelita œrodowiskowy Landsat, który, pracuj¹c w systemie operacyjnym, zapocz¹tkowa³ sta³e obrazowanie powierzchni Ziemi na potrzeby szeroko rozumianych badañ zasobów naturalnych. Na tym satelicie zosta³y umieszczone dwa systemy do wykonywania zdjêæ. Pierwszym z nich by³ zespó³ trzech kamer telewizyjnych RBV. Za ich pomoc¹ wykonywano zdjêcia w trzech zakresach widma z rozdzielczoœci¹ przestrzenn¹ oko³o 40 m. Zdjêcia by³y wykonane

3 Od TIROS-a do QuickBirda pó³ wieku rozwoju satelitarnych w rzucie œrodkowym i charakteryzowa³y siê du ¹ kartometrycznoœci¹. Te ich cechy spowodowa³y, e zdjêcia by³y w³aœciwie niedostêpne badaczom spoza Stanów Zjednoczonych. Drugim systemem s³u ¹cym do wykonywania zdjêæ by³ skaner wielospektralny MSS. By³ to skaner typu przemiataj¹cego, którego chwilowe pole widzenia mia³o rozmiary m. Skaner rejestrowa³ promieniowanie elektromagnetyczne w czterech zakresach widma: zielonym, czerwonym i dwóch zakresach bliskiej podczerwieni. Szerokoœæ pola obrazowania wynosi³o 185 km. Wykonywane za pomoc¹ tego skanera zdjêcia wywo³a³y ogromne zainteresowanie wœród wielu specjalistów niemal z ca³ego œwiata. Uruchomione liczne programy badawcze mia³y wykazaæ przydatnoœæ zdjêæ wykonywanych przez satelitê Landsat w badaniach ró - nych aspektów œrodowiska geograficznego. Jednak wkrótce okaza³o siê, e zarówno geometryczna, jak i spektralna rozdzielczoœæ zdjêæ nie s¹ odpowiednie do wykonywania wielu prac. Dlatego kolejny (czwarty) satelita serii Landsat zosta³ wyposa ony w nowy skaner TM. By³ to równie skaner typy przemiataj¹cego, który rejestrowa³ siedem zakresów widma, pocz¹wszy od niebiesko-zielonego a po dalek¹ podczerwieñ. Zwiêkszona zosta³a równie przestrzenna rozdzielczoœæ zdjêæ z niemal 80 do 30 m, natomiast rozdzielczoœæ zdjêæ w dalekiej podczerwieni wynosi³a 120 m [3]. W d¹ eniu do dalszego zaspokojenia potrzeb wielu u ytkowników NASA zdecydowa³a siê na dalsze ulepszenie skanera TM. Na szóstym satelicie serii Landsat zosta³ umieszczony skaner ETM, który ró ni³ siê od poprzedniego modelu dodatkowym kana³em spektralnym. Kana³ ten obejmowa³ stosunkowo szeroki zakres widma od 0,50 do 0,90 mm, a wiêc znaczn¹ czêœæ widma widzialnego i czêœæ bliskiej podczerwieni. Kana³ ten nazwano panchromatycznym. Z uwagi na fakt, e szeroki zakres promieniowania pozwala³ na dostarczenie do sensora wiêkszej iloœci energii promienistej, mo na by³o zmniejszyæ chwilowe pole widzenia do 15 m. Jednak za pomoc¹ tego skanera nie wykonano adnych zdjêæ, gdy satelita Landsat 6 nie wszed³ na orbitê. W 1999 zosta³ wystrzelony satelita Landsat 7. Na jego pok³adzie znajdowa³ siê nowy skaner ETM+. W stosunku do swego poprzednika zosta³ on zmieniony poprzez dalsze zwiêkszenie rozdzielczoœci przestrzennej zdjêæ w dalekiej podczerwieni. Wynios³a ona tym razem 60 m, a wiêc by³a tylko dwukrotnie mniejsza od rozdzielczoœci zdjêæ wykonywanych w widmie widzialnym i bliskiej podczerwieni [7]. Niemal 14 lat po umieszczeniu na orbicie wokó³ziemskiej satelity Landsat zosta³ wystrzelony satelita francuski SPOT 1. Zainstalowany na nim skaner HRV wykonywa³ zdjêcia w trybie wielospektralnym o rozdzielczoœci przestrzennej 20 m, a w trybie panchromatycznym nawet 10 m. Skaner ten zosta³ wyposa ony w uchylne lustro, które powodowa³o, e satelita móg³ wykonywaæ zdjêcia z obszaru o szerokoœci km po³o onego w pasie o szerokoœci 950 km. Satelita by³ zatem w stanie wykonywaæ zdjêcia tego samego terenu z ró nych orbit, co zwiêksza³o czêstotliwoœæ pozyskiwania zdjêæ w stosunku do nominalnej zdolnoœci satelity do rewizyty tego samego obszaru. Wykonanie zdjêæ tego samego terenu z dwóch ro nych orbit przede wszystkim zapewnia³o pozyskanie modelu stereoskopowego. SPOT by³ zatem pierwszym satelit¹ wykonuj¹cym zdjêcia stereoskopowe. Trzeba jednak nadmieniæ, ze miêdzy wykonaniem obu zdjêæ tworz¹cych stereogram musia³o up³yn¹æ co najmniej kilkadziesi¹t minut, a nawet kilka lub te kilkanaœcie dni [3].

4 150 A. Cio³kosz Nowym rozwi¹zaniem, które zastosowano w skanerze HRV, by³a linijka detektorów CCD. Jest to pierwszy skaner nowego typu, czyli wymiataj¹cy, w którym nie ma ruchomego lustra czy wiruj¹cego pryzmatu przeszukuj¹cego teren. Ka da linia obrazu powstaje od razu w ca³oœci. Zastosowanie jako sensora detektorów CCD wp³ynê³o jednak na rozdzielczoœæ spektraln¹ wykonywanych zdjêæ, która zosta³a ograniczona do zaledwie trzech zakresów promieniowania: dwóch pasm widzialnych (zielonego i czerwonego) oraz jednego pasma w bliskiej podczerwieni. Brak rejestracji promieniowania w paœmie œredniej podczerwieni ograniczy³ zakres zastosowañ zdjêæ wykonywanych przez satelitê SPOT. To pasmo jest bowiem szczególnie przydatne w badaniach roœlinnoœci i mimo wiêkszej rozdzielczoœci przestrzennej zdjêæ, w porównaniu ze zdjêciami wykonywanymi przez Landsata, zdjêcia wielospektralne ze SPOT-a mia- ³y ograniczone zastosowanie. Trzeba dodaæ, e na ten fakt wp³ynê³a równie niewielka powierzchnia odwzorowana na pojedynczym zdjêciu (zaledwie 3600 km 2 w porównaniu z ponad km 2 w przypadku zdjêæ landsatowskich), jak te ich wysoka cena. W 1998 r. zosta³ wystrzelony kolejny satelita tej serii (SPOT 4) wyposa ony w dwa skanery: HRVIR oraz Vegetation. Pierwszy z nich jest udoskonalonym skanerem HRV, w którym dodano nowy kana³ umo liwiaj¹cy rejestracjê promieniowana o d³ugoœci fali 1,58 1,75 mm, a wiêc zakres widma niezbêdny w badaniach roœlinnoœci. Rozdzielczoœæ przestrzenna zdjêæ wielospektralnych wynosi³a, podobnie jak w przypadku poprzednich satelitów, 20 m. Natomiast skaner Vegetation ma szerokie pole widzenia (ponad 2200 km) i wykonuje zdjêcia w piêciu zakresach widma, w tym w paœmie niebieskim, z rozdzielczoœci¹ przestrzenn¹ 1 km [7]. W now¹ wersjê skanera zosta³ wyposa ony kolejny, pi¹ty satelita serii SPOT wprowadzony na orbitê 4 maja 2002 r. Skaner o nazwie HRS (High Resolution Stereoscopic) wykonuje zdjêcia panchromatyczne o zwiêkszonej rozdzielczoœci przestrzennej. Wynosi ona 5 m lub nawet 2,5 m. Zdjêcia stereoskopowe wykonywane s¹ z tej samej orbity, gdy uk³ad optyczny mo e byæ wychylony zarówno do przodu, w kierunku lotu satelity, jak te do ty³u o 20 o. Ró nica czasowa miêdzy wykonaniem zdjêæ tworz¹cych stereogram zosta³a zredukowana do zaledwie kilkudziesiêciu sekund [14]. Zwiêksza to prawdopodobieñstwo wykonania drugiego zdjêcia w tych samych warunkach atmosferycznych, a ponadto pozwala na otrzymanie trójwymiarowego modelu zjawisk szybkozmiennych, np. uk³adów chmur, pióropuszy dymów emitowanych z zak³adów przemys³owych czy dymów towarzysz¹cym erupcjom wulkanicznym. Na satelicie SPOT 5 znajduje siê te skaner HRG (High Resolution Geometric), który mo e wykonywaæ zdjêcia, wychylaj¹c uk³ad optyczny na boki w stosunku do kierunku lotu tak, aby obrazowaæ pasy terenu po³o one po obu stronach œladu rzutu orbity na powierzchniê Ziemi, oddalone od tego œladu do 420 km. Skaner ten umo liwia równie wykonywanie zdjêæ stereoskopowych, lecz stereogram mo e byæ utworzony tylko w przypadku zobrazowania terenu z dwóch ró nych orbit. Od skanera HRS skaner HRG ró ni siê równie tym, e wykonywane za jego pomoc¹ zdjêcia s¹ zdjêciami wielospektralnymi, rejestrowanymi w piêciu zakresach spektrum. Rozdzielczoœæ przestrzenna w przypadku zdjêæ w paœmie zielonym, czerwonym i bliskiej podczerwieni wynosi 10 m, natomiast w przypadku podczerwieni œrodkowej 20 m [14].

5 Od TIROS-a do QuickBirda pó³ wieku rozwoju satelitarnych Wydaje siê, e trwaj¹ca nieprzerwanie od 34 lat misja satelitów serii Landsat dobiega koñca. Awaria ostatniego satelity tej serii spowodowa³a, e jego rolê przej¹³ wyeksploatowany ju Landsat 5. Nie ma natomiast informacji o planach wystrzelenia kolejnego satelity tej serii. Mo na przypuszczaæ, e nastêpc¹ Landsata zosta³ satelita nowej generacji TERRA. Ten wystrzelony 19 grudnia 1999 r. satelita, rozpoczynaj¹cy nowy program Stanów Zjednoczonych w zakresie badañ globu ziemskiego Earth Observing System (EOS), kr¹ y po orbicie o parametrach bardzo zbli onych do orbity satelitów Landsat. Na jego pok³adzie zosta³o umieszczonych piêæ urz¹dzeñ do pozyskiwania danych o globie ziemskim. Dwa z nich ASTER i MODIS s¹ radiometrami obrazowymi [11]. Radiometr ASTER wykonuje zdjêcia powierzchni Ziemi z rozdzielczoœci¹ przestrzenn¹ 15 m w zakresie widma widzialnego i bliskiej podczerwieni, zdjêcia w œredniej podczerwieni maj¹ rozdzielczoœæ 30 m, natomiast w dalekiej podczerwieni 90 m. Radiometr ten sk³ada siê z trzech podzespo³ów. Pierwszy z nich jest wyposa ony w dwa teleskopy, z których jeden wykonuje pionowe zdjêcia w trzech zakresach widma widzialnego i bliskiej podczerwieni, rejestruj¹c je za pomoc¹ linijki 5000 sensorów CCD. Drugi teleskop jest skierowany przeciwnie do kierunku lotu. Wykonuje on zdjêcia tego samego terenu co pierwszy, tylko z innego punktu w przestrzeni, co zapewnia otrzymanie modelu przestrzennego. Drugi podzespó³ rejestruje œredni¹ podczerwieñ w szeœciu zakresach widma, natomiast trzeci wykonuje zdjêcia w piêciu zakresach dalekiej podczerwieni. ASTER jest jedynym instrumentem na pok³adzie satelity TERRA, który nie wykonuje zdjêæ w sposób ci¹g³y. Pracuje tylko 8 minut w ci¹gu jednego obrotu po orbicie trwaj¹cego 98 minut. W ci¹gu 5 lat ca³y glob ziemski zostanie pokryty zdjêciami o rozdzielczoœci przestrzennej 15 m wykonanymi za pomoc¹ tego skanera. Zdjêcia zostan¹ wykorzystane do opracowania m.in. dok³adnego numerycznego modelu terenu [11]. Drugim radiometrem obrazowym na pok³adzie satelity TERRA jest MODIS. Wykonuje on zdjêcia a w 36 zakresach widma, z rozdzielczoœci¹ przestrzenn¹ 250 m, 500 m i 1000 m. Pole widzenia tego radiometru wynosi 2230 km. Umo liwia to codzienne pokrycie zdjêciami ca³ego globu ziemskiego, z wyj¹tkiem niewielkich obszarów po³o onych w strefie równikowej. Kolejnym urz¹dzeniem na pok³adzie wspomnianego satelity jest radiometr MISR. Obserwuje on Ziemiê za pomoc¹ dziewiêciu kamer w czterech zakresach widma elektromagnetycznego (niebieskim, zielonym, czerwonym i podczerwonym) pod ró nymi k¹tami (26,1 o ; 45,6 o ; 60,0 o ; 70,5 o ). Cztery pola obserwacji znajduj¹ siê przed satelit¹, cztery kolejne za satelit¹, a jedno pole jest w nadirze. Dane pozyskiwane za pomoc¹ radiometru MIRS s³u ¹ do badañ sk³adu chemicznego atmosfery, struktury chmur i dynamiki aerozoli, umo liwiaj¹c tym samych okreœlanie wp³ywu atmosfery na jakoœæ zdjêæ wykonywanych za pomoc¹ wy ej wspomnianych skanerów obrazowych. Pozosta³e urz¹dzenia zainstalowane na satelicie TERRA (CERES i MOPITT) s¹ przeznaczone do badañ bilansu energetycznego Ziemi i pomiarów zawartoœci ró nych gazów w atmosferze ziemskiej [11]. W ramach programu EOS zosta³y wystrzelone tak e satelity przeznaczone do innych zadañ, miêdzy innymi satelita AQUA. Na jego pok³adzie, wœród wielu innych urz¹dzeñ, znajduje siê równie radiometr obrazowy MODIS. Satelita AQUA kr¹ y po identycznej orbicie jak satelita TERRA, której wêze³ schodz¹cy przypada na godziny popo³udniowe, wiêc mo e on wykonywaæ zdjêcia tego terenu w kilka godzin po zdjêciach wykonanych przez

6 152 A. Cio³kosz satelitê TERRA. W ten sposób zosta³a zwiêkszona czêstotliwoœæ wykonywania zdjêæ, co pozwala na monitorowanie zjawisk szybkozmiennych [12]. Spoœród wielu satelitów œrodowiskowych warto wspomnieæ tak e o satelitach indyjskich serii IRS. Hindusi rozpoczêli swój program badania Ziemi z kosmosu z pocz¹tkiem 1988 r. Ich pierwsze satelity by³y wzorowane na satelitach Landsat i skanerach MSS. Kolejny satelita IRS-1C wystrzelony w 1995 r., zosta³ dodatkowo wyposa ony w skaner do wykonywania zdjêæ panchromatycznych. Rozdzielczoœæ zdjêæ wynosi³a 5,8 m. By³a wiêc w tym czasie wiêksza ni rozdzielczoœæ zdjêæ landsatowskich, a nawet wykonywanych przez SPOT-a. Najnowszy satelita hinduski IRS-P6 (ResourceSat-1) wprowadzony na orbitê 17 paÿdziernika 2003 r. jest wyposa ony w skaner wielospektralny LISS-4. Skaner ten umo liwia wykonywanie zdjêæ w trzech zakresach widma widzialnego i bliskiej podczerwieni z rozdzielczoœci¹ przestrzenn¹ 5,8 m. Satelita mo e wykonywaæ równie zdjêcia stereoskopowe. Satelity IRS by³y tak e wyposa one w skanery AWiFS (Advanced Wide Field Sensor), za pomoc¹ których s¹ wykonywane zdjêcia w trzech zakresach fal w widmie widzialnymi i bliskiej podczerwieni oraz w jednym zakresie œredniej podczerwieni z rozdzielczoœci¹ przestrzenn¹ 56 m [6]. Warto dodaæ, e w maju 2005 r. zosta³ wystrzelony satelita o nazwie CartoSat-1, który wykonuje zdjêcia panchromatyczne o rozdzielczoœci przestrzennej 2,5 m [8]. Tym samym Indie do³¹czy³y do krajów posiadaj¹cych w³asne satelity wysokorozdzielcze. 3. Satelity wysokorozdzielcze Pod koniec XX wieku zosta³ wystrzelony na orbitê przebiegaj¹c¹ na wysokoœci 681 km nad powierzchni¹ Ziemi pierwszy z cywilnych satelitów wykonuj¹cych zdjêcia o rozdzielczoœci przestrzennej 1 metra. By³ nim satelita IKONOS-2 komercyjnej firmy SpaceImaging. Tak wiêc w 40 lat po pierwszym wojskowym satelicie rozpoznawczym zapocz¹tkowuj¹cym œciœle tajny program CORONA zdjêcia wykonywane przez satelitê cywilnego osi¹gnê³y tê sam¹ rozdzielczoœæ przestrzenn¹. IKONOS-2 jest wyposa ony w kamerê cyfrow¹ z linijk¹ detektorów CCD, za pomoc¹ której wykonuje on zdjêcia w trybie panchromatycznym lub wielospektralnym, rejestruj¹c w tym trybie cztery pasma widma: niebieskie, zielone, czerwone i podczerwone. Rozdzielczoœæ zdjêæ panchromatycznych wynosi 1 m, natomiast wielospektralnych 4 m. IKONOS-2 jest te pierwszym satelit¹ wykonuj¹cym zdjêcia o rozdzielczoœci radiometrycznej 11 bitów, co odpowiada rejestracji 2048 poziomów energetycznych. Du a rozdzielczoœæ przestrzenna zdjêæ sprawi³a, e obszar objêty jednym zdjêciem jest stosunkowo ma³y. Szerokoœæ pasa obrazowania wynosi bowiem tylko 11 km [9]. W dwa lata póÿniej inna firma komercyjna EarthWatch wprowadzi³a na orbitê swojego satelitê QuickBird-2. Satelita ten zosta³ umieszczony na stosunkowo niskiej orbicie, przebiegaj¹cej na wysokoœci 450 km. Dobór orbity wp³yn¹³ na zwiêkszenie przestrzennej zdolnoœci rozdzielczej wykonywanych przez tego satelitê zdjêæ, która w przypadku zdjêæ panchromatycznych wynosi³a zaledwie 0,61 m, natomiast wielospektralnych 2,44 m.

7 Od TIROS-a do QuickBirda pó³ wieku rozwoju satelitarnych Wspomniane satelity wysokorozdzielcze mog¹ wykonywaæ zarówno zdjêcia pionowe, czyli obrazowaæ pas terenu po³o ony wzd³u linii rzutu orbity na powierzchniê Ziemi, jak równie zdjêcia nachylone. W tym przypadku wykorzystano mo liwoœæ wychylenia uk³adu optycznego oraz ca³ego satelity, zarówno w kierunku lotu, jak i w kierunku przeciwnym, a tak e wychylenie satelity na prawo i lewo w stosunku do kierunku jego ruchu. Ta pierwsza mo liwoœæ pozwala na wykonanie zdjêæ tego samego terenu z ró nych miejsc na tej samej orbicie, czyli zdjêæ w pokryciu stereoskopowym, druga zaœ na obrazowanie pasów terenu po³o onych w ró nych odleg³oœciach od œladu rzutu orbity na powierzchniê Ziemi. Mo liwoœæ obrazowania tego samego terenu z ró nych orbit ma na celu zwiêkszenie czêstotliwoœci wykonywania zdjêæ, czyli rozdzielczoœci czasowej. W d¹ eniu do najwierniejszego oddania charakteru odbicia promieniowania przez ró ne obiekty na powierzchni Ziemi skonstruowano skanery hiperspektralne. Za ich pomoc¹ s¹ wykonywane zdjêcia o bardzo du ej rozdzielczoœci spektralnej, wynosz¹cej co najmniej kilkaset kana³ów. Pracuj¹cy na orbicie od 21 listopada 2000 r. amerykañski satelita EO-1 zosta³ wyposa ony w skaner Hyperion, rejestruj¹cy promieniowanie w zakresie 0,4 2,5 μm. Ten zakres widma skaner dzieli na 220 pasm. Pas obrazowania ma zaledwie 7,7 km szerokoœci. Jest to pierwszy skaner hiperspektralny umieszczony na orbicie. Na tym samym satelicie znajduje siê tak e skaner LAC, który rejestruje widmo elektromagnetyczne a w 256 zakresach. Planowany wkrótce do wystrzelenia satelita OrbView-4 bêdzie wyposa ony w skaner rejestruj¹cy promieniowanie elektromagnetyczne w 200 zakresach. Warto podkreœliæ, e zdjêcia wykonane za pomoc¹ skanerów hiperspektralnych bêd¹ charakteryzowa³y siê tak e bardzo du ¹ rozdzielczoœci¹ przestrzenn¹. Wiêkszoœæ zdjêæ bêdzie mia³a rozdzielczoœæ oko³o 30 m lub nieco mniejsz¹, ale np. zdjêcia wykonane za pomoc¹ skanera zainstalowanego na satelicie OrbView-4 bêd¹ mia³y rozdzielczoœæ przestrzenn¹ 8 m. Wed³ug danych Amerykañskiego Towarzystwa Fotogrametrii i Teledetekcji (ASPRS) obecnie na orbitach znajduje siê 28 satelitów œrodowiskowych wykonuj¹cych zdjêcia o rozdzielczoœci przestrzennej wiêkszej ni 36 m. Wkrótce do tej grupy satelitów do³¹cz¹ kolejne 34 satelity. Ich wystrzelenie jest bowiem planowane do 2010 roku. Wtedy to po orbitach bêd¹ poruszaæ siê 62 satelity, z których a 18 bêdzie satelitami wykonuj¹cymi zdjêcia wysokorozdzielcze (0,5 1,8 m); pozosta³e 44 satelity bêd¹ wykonywaæ zdjêcia o rozdzielczoœci 2,0 36 m [13]. 4. Satelity mikrofalowe Oprócz satelitów wyposa onych w skanery rejestruj¹ce widmo optyczne po orbitach wokó³ziemskich kr¹ ¹ te satelity rejestruj¹ce promieniowanie mikrofalowe. Charakterystyczn¹ cech¹ tego zakresu promieniowania jest przenikanie bez wiêkszych przeszkód przez chmury, co uniezale nia wykonywanie zdjêæ satelitarnych od warunków pogodowych. Inny jest te charakter interakcji mikrofal z obiektami terenowymi, co z kolei sprawia, e dostarczaj¹ one innych informacji o powierzchni Ziemi ni zdjêcia wykonywane w widmie optycznym.

8 154 A. Cio³kosz Pierwszym satelit¹ mikrofalowym by³ amerykañski SeaSat, wystrzelony w czerwcu 1978 r. Mimo zaledwie kilkumiesiêcznego okresu aktywnoœci satelita dostarczy³ ogromnej iloœci informacji m.in. o urzeÿbieniu powierzchni mórz i oceanów, wiatrach przypowierzchniowych, a tak e o batymetrii p³ytkich zbiorników wodnych. Trzynaœcie lat póÿniej, w 1991 r., zosta³ wystrzelony pierwszy europejski satelita mikrofalowy ERS-1. Na jego pok³adzie zainstalowano, wœród wielu innych urz¹dzeñ, radiolokator obrazowy SAR pracuj¹cy w zakresie fal o czêstotliwoœci 5,3 GHz. Radiolokator ten obrazuje pas terenu o szerokoœci 100 km, po³o ony po prawej stronie toru lotu satelity w odleg³oœci 300 km od œladu rzutu orbity na powierzchniê Ziemi. Zdjêcia maj¹ rozdzielczoœæ przestrzenn¹ 30 m. Zosta³y one wykorzystane do monitorowania stref przybrze - nych, mórz otwartych, lodów i procesów zachodz¹cych na obszarach l¹dowych. Zadania satelity ERS-1 kontynuowa³ drugi satelita tej serii. Po zakoñczeniu misji obu satelitów serii ERS Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) wystrzeli³a 1 marca 2002 r. satelitê ENVISAT. Jest to jeden z najbardziej wszechstronnych satelitów teledetekcyjnych w dotychczasowej historii badania Ziemi z kosmosu. Jego zadaniem jest kontynuacja misji satelitów serii ERS, a tak e wniesienie znacznego wk³adu do monitorowania procesów chemicznych zachodz¹cych w atmosferze w celu lepszego ich zrozumienia i modelowania. Na pok³adzie ENVISAT-a zainstalowano m.in. udoskonalony radiolokator obrazowy z anten¹ syntetyczn¹ ASAR [5]. Wykonuje on zdjêcia przede wszystkim obszarów podbiegunowych, dostarczaj¹c niezast¹pionych informacji dotycz¹cych powierzchni lodów morskich, l¹dolodów i lodowców górskich. W listopadzie 1995 r. swojego satelitê mikrofalowego RADARSAT wystrzeli³a Kanada. Zosta³ on, podobnie jak satelity ESA, wyposa ony w radiolokator obrazowy SAR, pracuj¹cy w zakresie promieniowania o czêstotliwoœci 5,3 GHz (5,6 cm). Mo e on wykonywaæ zdjêcia o ró nej rozdzielczoœci przestrzennej (od 8 do 100 m), pod ró nymi k¹tami padania wi¹zki radarowej na powierzchniê terenu (10 60 o ), w pasie od 45 do 500 km [2]. W najbli szej przysz³oœci planowane jest umieszczenie na orbitach kilku satelitów rejestruj¹cych w zakresie d³u szych fal, co pozwoli na g³êbsz¹ penetracjê powierzchni terenu, a tak e o przestrzennej zdolnoœci rozdzielczej zwiêkszonej do 1 m. 5. Podsumowanie Od chwili wystrzelenia pierwszego satelity œrodowiskowego nast¹pi³ znaczny rozwój technologii pozyskiwania informacji z wysokoœci orbitalnych. Wyra a siê on przede wszystkim zwiêkszeniem przestrzennej rozdzielczoœci wykonywanych zdjêæ. W ci¹gu nieca³ego pó³wiecza rozdzielczoœæ przestrzenna zdjêæ satelitarnych wykonywanych przez satelity obserwacyjne Ziemi w trybie wielospektralnym wzros³a z 80 m do nieco ponad 2 m. W trybie panchromatycznym natomiast osi¹gnê³a ona wielkoœæ oko³o 60 cm. Znacznemu zwiêkszeniu uleg³a tak e rozdzielczoœæ spektralna, czyli liczba pasm widma, w których wykonywane s¹ zdjêcia. W chwili obecnej po orbitach wokó³ziemskich kr¹ ¹ satelity wyposa one w skanery rejestruj¹ce promieniowanie elektromagnetyczne w 14, a nawet 36 pa-

9 Od TIROS-a do QuickBirda pó³ wieku rozwoju satelitarnych smach. Niektóre satelity s¹ wyposa one w skanery hiperspektralne wykonuj¹ce zdjêcia nawet w kilkuset kana³ach. Zdjêcia wykonane za pomoc¹ skanerów hiperspektralnych charakteryzuj¹ siê tak e du ¹ rozdzielczoœci¹ przestrzenn¹. Wiêkszoœæ zdjêæ ma rozdzielczoœæ oko³o 30 m lub nieco mniejsz¹, ale ju wkrótce bêd¹ one mia³y rozdzielczoœæ przestrzenn¹ poni ej 10 m. Znacznemu zwiêkszeniu uleg³a rozdzielczoœæ radiometryczna zdjêæ. Pierwsze zdjêcia charakteryzowa³y siê rozdzielczoœci¹ radiometryczn¹ rzêdu 5 bitów. Umo liwia³a ona rejestracjê 64 poziomów energetycznych. Obecnie w przypadku wiêkszoœci zdjêæ wykonywanych przez satelity œrodowiskowe rozdzielczoœæ radiometryczna wynosi 8 bitów. Wiele zdjêæ wykonywanych przez now¹ generacjê satelitów jest zapisywane za pomoc¹ 10, a nawet 11 bitów. Ju wkrótce rozdzielczoœæ radiometryczna osi¹gnie 16, a nawet 24 bity. Fakt ten wp³ynie na zwiêkszenie rozpiêtoœci tonalnej zdjêæ, co bêdzie rzutowaæ na polepszenie czytelnoœci obiektów odwzorowanych na zdjêciach. Warto dodaæ, e pierwszy satelita œrodowiskowy wykonywa³ zdjêcia tego samego obszaru co 18 dni. Obecnie satelity wysokorozdzielcze wykonuj¹ zdjêcia obszarów po³o onych w œrednich szerokoœciach geograficznych z rozdzielczoœci¹ czasow¹ rzêdu 2 3 dni. Nale y wreszcie wspomnieæ, e zosta³a pokonana bariera w znacznym stopniu ograniczaj¹ca wykonywanie zdjêæ satelitarnych w widmie optycznym, czyli zachmurzenie. Postêp w tej dziedzinie zosta³ dokonany dziêki wykorzystaniu do obrazowania powierzchni Ziemi promieniowania mikrofalowego. Zdjêcia mikrofalowe charakteryzuj¹ siê rozdzielczoœci¹ przestrzenn¹ niemal równ¹ rozdzielczoœci zdjêæ wykonywanych w widmie optycznym, a specyficzne cechy ich pozyskiwania sprawi¹, e dostarczaj¹ one wielu informacji niemo liwych do uzyskania za pomoc¹ zdjêæ w wykonywanych w zakresie widma widzialnego czy podczerwieni. Dostarczaj¹ one zatem niezwykle istotnych informacji o zmianach œrodowiska o charakterze globalnym. Rozwój technologii pozyskiwania danych z wysokoœci orbitalnych sprawi³, e dziœ teledetekcja satelitarna, obok tradycyjnych ju zastosowañ w meteorologii, badaniach roœlinnoœci, kartowaniu u ytkowania ziemi, znajduje coraz szersze zastosowanie w badaniach stratosfery, hydrosfery i kriosfery, dostarczaj¹c danych niezbêdnych do wnioskowania o globalnych zmianach œrodowiska geograficznego i ich przyrodniczych oraz spo³ecznych reperkusjach. Literatura [1] Aronoff S.: Remote Sensing for GIS Managers. Redlands, California, ESRI Press 2005 [2] Canadian Space Agency, 2006: Radarsat 1. Components and specifications. [3] Cio³kosz A., Kêsik A.: Teledetekcja satelitarna. Warszawa, PWN 1989 [4] Colvocoresses A.P.: Platforms for Remote Sensing. [w:] Manual of Remote Sensing, Falls Church, Virginia, American Society for Photogrammetry 1975 [5] ESA, 2006: Envisat.

10 156 A. Cio³kosz [6] IRS Indian Remote Sensing Satellite, 2000: earth/irs [7] Jonsson H.: Satellite and sensor status. Remote Sensing, No. 31, 2000, Swedish Space Corporation [8] Krishnaswamy M., Kalyanaraman S.: Indian Remote Sensing Satellite Cartosat , [9] Kurczyñski Z., Wolniewicz W.: Wysokorozdzielcze systemy obrazowania satelitarnego. Co oznacza piksel poni ej metra. Geodeta, Magazyn Geoinformacyjny, nr 8, 2002, [10] McDonald R.A. (red.): CORONA. Between the Sun & the Earth. The first NRO Reconnaissance Eye in Space. The American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, Bethesda, MD, 1977 [11] NASA-GSFC, 2000: TERRA (EOSAM) Project Mission. index.htlm [12] NASA-GSFC, 2006: The Earth Observing System. [13] Stoney W.E., 2004: ASPRS Guide to Land Imaging Satellites. Mitretek Systems, [14] SPOT Image, 2005: SPOT satellite technical data.