Podstawy satelitarnej obserwacji Ziemi - bazowe parametry część 1

Choć badania i eksperymenty nad obserwacją Ziemi z kosmosu trwały już wcześniej, to pierwsze satelity dedykowane teledetekcji pojawiły się na orbicie około ziemskiej na początku lat 60 XX wieku. Początkowo misje były krótkie, zdjęcia wykonywano techniką analogową, a zasobniki z filmem fotograficznym musiały zostać odzyskane po skomplikowanym procesie deorbitacji. Dziś misje satelitarne mogą trwać nawet kilkanaście lat, zdjęcia pozyskują różnorodne sensory optoelektroniczne lub radarowe, a użytkownik może mieć do nich dostęp niemal w czasie rzeczywistym. Dokonał się imponujący postęp technologiczny, a z jego owoców możemy korzystać niemal każdego dnia wykorzystując zdjęcia satelitarne na wielu polach. Warto nieco bliżej przyjrzeć się tej technologii, by lepiej ją zrozumieć i również czerpać z niej korzyści.

Podstawowe parametry satelitarnych systemów geo-obrazowania

Zdjęcia satelitarne można opisywać wieloma parametrami. Wśród nich wyróżnić można:

• rozdzielczość przestrzenna,
• rozdzielczość czasowa,
• rozdzielczość spektralna,
• szerokość pasa zobrazowania,
• rozdzielczość radiometryczna.

Na potrzeby tego wpisu przyjrzymy się głównie rozdzielczości przestrzennej i czasowej oraz temu jak determinują one możliwość zastosowania Satelitarnego Systemu Obrazowania Ziemi do różnych aplikacji. Kolejne parametry opiszę szerzej w kolejnym materiale.

Rozdzielczość przestrzenna

Najczęściej mierzy się ją w GSD (Ground Sample Distance) czyli odległość na powierzchni Ziemi pomiędzy środkami pól zobrazowanych przez dwa sąsiadujące pixele sensora[1]. Wyraża się ją w metrach na piksel (m/pxl). Przy czym zwiększenie rozdzielczości zdjęcia na przykład dwukrotnie z 1 m do 0,5 m/pxl, sprawia, że dany obraz niesie ze sobą czterokrotnie więcej informacji (w pikselu zdjęcia o rozdzielczości 1 m znalazłby się 4 piksele zdjęcia o rozdzielczości 0,5m). Dla potrzeb specyfikacji technicznych najczęściej podaje się ją dla terenu dokładnie pod satelitą, czyli w NADIR. Warto zaznaczyć, że w praktyce wartość ta zmienia się, w zależności od kąta nachylenia powierzchni Ziemi względem satelity w obrazowanym punkcie, od aktualnej względnej wysokości przelotu satelity i od kąta pod którym zrobiono zdjęcie powierzchni. Rozdzielczość przestrzenna – czasem też rozdzielczością terenową mówi jak dokładnie zdjęcie odwzorowuje obrazowaną scenę, informuje jak bardzo szczegółowe jest zdjęcie, a co za tym idzie jak wiele można się z niego dowiedzieć. Wyróżnić można 3 stopnie rozpoznania obrazowego[2]: detekcja, rozpoznanie i identyfikacja. Zdolność do rozpoznania poszczególnych elementów fotografowanej sceny różni się między sobą, na przykład, żeby wykryć (detekcja) pojazd wystarczy, żeby zdjęcie miało rozdzielczość przestrzenną 1,5m/pxl, żeby rozpoznać rodzaj pojazdu (żeby stwierdzić czy to np. samochód ciężarowy, czy czołg) należy posłużyć się zdjęciem o rozdzielczości 0,5 m/pxl, dalej, aby prawidłowo zidentyfikować (nazwać) typ pojazdu należy dysponować zdjęciem o szczegółowości 0,3 – 0,15m/pxl GSD. Dla dużych obiektów np. takich jak mosty poszczególne stopnie rozpoznania można uzyskiwać przy niższych rozdzielczościach – odpowiednio: detekcja – 6m/pxl, rozpoznanie – 4,5m/pxl, identyfikacja – 1,5m/pxl. [3]

Praktyczny przykład przedstawia poniższy rysunek:

Porównanie jakości zdjęć o rożnych rozdzielczościach terenowych i zdolności do ich interpretacji. Źródło: Maxar. Za EoPortal Directory, WorldView Legion Constellation [4]

Na zdjęciu satelitarnym o rozdzielczości 1m wykryć można dwa pojazdy, jednak bardzo trudno określić ich typ. Poprawiając nieco rozdzielczość do 0,7m/pxl można z prawdopodobieństwem uznać, że wykryte pojazdy są opancerzone, Pewność uzyskujemy przy zdjęciu o rozdzielczości 0,5m/pxl, możemy wówczas powiedzieć, że są to haubice samobieżne, a zdjęcia o rozdzielczości 30cm/pxl pozwalają zidentyfikować typ pojazdu – 2S1  (w Polsce znane jako Goździk). Dzięki temu dowiadujemy się, że zobrazowane pojazdy strzelają pociskami o kalibrze 122mm na maksymalny zasięg 15 km, lufy są podniesione i gotowe do strzału.

Rozdzielczość czasowa

Jest to okres, który mija pomiędzy kolejnymi szansami zobrazowania wybranego miejsca na Ziemi.  Innymi słowy – rozdzielczość czasowa mówi nam, jak często będzie występowała możliwość zrobienia przez satelitę (lub cały system satelitarny) zdjęcia obszaru zainteresowania (Area Of Interest). Rozdzielczość czasowa w głównej mierze zależy od liczby satelitów systemu na orbicie, rodzaju i parametrów orbit poszczególnych satelitów systemu, szerokości geograficznej interesującego obszaru, zdolności do manewrowania satelitów na orbicie. W mniejszym stopniu rozdzielczość czasowa zależy od szerokości pasa zobrazowania satelitów.

Poniżej opisuje szerzej w/w parametry:

1. Liczby satelitów systemu pracujących na orbicie. Oczywiście z im większej ilości satelitów jest złożona konstelacja systemu, tym częściej występuje szansa powtórzenia ujęcia sceny.
2. Rodzaj i parametry orbity poszczególnych satelitów. Satelity optoelektroniczne najczęściej umieszczane są na orbitach heliosynchronicznych (Sun-synchronous orbit – SSO). Są to orbity, których płaszczyzny przebiegają w okolicach kół podbiegunowych, o inklinacji w zakresie 97^ο – 99,5^ο których wszystkie parametry są tak dobrane, że nad daną szerokością geograficzną pojawiają się dokładnie o tej samej porze dnia. Alternatywnie satelity tego typu są umieszczane na orbitach o średniej inklinacji. Trajektoria ich lotu sprawia, że mogą obrazować jedynie obszary znajdujące się pomiędzy szerokościami geograficznymi ograniczonymi inklinacją orbity, za to czas rewizyty tych obszarów przez satelitę znacząco się poprawia, choć poszczególne odwiedziny występują o rożnych porach dnia.
3. Szerokość geograficzna obszaru zainteresowania. Im wyższa jest szerokość geograficzna (północna lub południowa) wybranego obszaru, tym satelity częściej będą miały szansę zrobić jemu zdjęcie.
4. Zdolności do manewrowania satelitów na orbicie. Satelity dzięki zaawansowanym systemom nawigacji i kontroli lotu potrafią zmieniać swoją orientację na orbicie. Odbywa się to przez odchylanie się satelity względem punktu osi satelita – NADIR o kilkadziesiąt stopni, dzięki czemu satelity mogą zrobić zdjęcie obszaru zainteresowania znajdującego się nawet kilkaset kilometrów od trasy ich przelotu z dokładnością pozycjonowania nawet do kilku metrów. Jednak należy zaznaczyć, że zdjęcia realizowane w znaczącym odchyleniu od Nadir charakteryzują się znaczącym pogorszeniem rozdzielczości przestrzennej. Na przykład satelita na orbicie heliosynchronicznej robiący zdjęcia w punkcie Nadir z rozdzielczością 0,5m/pxl będzie powracać nad wybrany punkt na równiku jedynie co około 15 dni, przy czym wiele miejsc na równiku w ogóle będzie poza zasięgiem obiektywu, robiąc zdjęcia z maksymalnym odchyleniem 45^ο od osi Nadir rozdzielczość czasowa poprawi się do około 2,5 dnia, w zasięgu będą wszystkie punkty na równiku, jednak zdjęcia przy najbardziej wymagającej próbie osiągną szczegółowość jedynie około 1,5m/pxl GSD[5]. Jeżeli wybrany zostanie obszar znajdujący się na terytorium Polski, przy wykorzystaniu maksymalnych zdolności do manewrowania, może być obrazowany przez jednego satelitę na orbicie heliosynchronicznej średnio co 1,5 dnia.

Podsumowując – sprowadzenie rozdzielczości czasowej do jednego parametru jest znaczącym uproszczeniem, warto upewnić się jakie założenia zostały przyjęte w trakcie jego ustalania. Zwykle czas rewizyty podaje się dla punktu znajdującego się na równiku i przy wykorzystaniu maksymalnych zdolności satelity do robienia zobrazowań pod kątem od osi Nadir – Zenith, co  odbywa się koszem rzeczywistej osiąganej rozdzielczości przestrzennej.

Zdolność zastosowania satelitarnego systemu obserwacji Ziemi do różnych aplikacji w zależności od uzyskiwanych parametrów rozdzielczości przestrzennej i czasowej

Satelitarne systemy obserwacji Ziemi mają aplikacje w wielu dziedzinach między innymi takich jak badania klimatu, prognozowanie pogody, geologia, leśnictwo, badanie użytkowanie/pokrycie terenu, topografia, monitorowanie usług komunalnych, infrastruktury transportowej, rolnictwo precyzyjne, identyfikowanie rodzaju upraw, zarządzanie zasobami wodnymi i reagowanie w sytuacjach kryzysowych. Poniższy wykres przedstawia parametry zobrazowań satelitarnych wykorzystywanych do różnych aplikacji.

Źródło: P. S. Thenkabail, Remote Sensing Handbook – Three Volume Set, Tom. I, s. 68.

Dla prognozy pogody ważna jest bardzo wysoka aktualność danych, a wymagania co do rozdzielczości przestrzennej są niewygórowane. Dlatego często zdjęć do prognoz pogody dostarczają satelity na orbitach geostacjonarnych, które pozostają na stałym miejscu względem punktu na Ziemi, choć z racji na odległość od Ziemi (ponad 35 tyś km) mogą generować zdjęcia jedynie  w niskich rozdzielczościach.

Satelity o średnich rozdzielczościach przestrzennych – zwyczajowo powyżej 10m/pxl używane są do badań rodzajów upraw i plonów, geologii, częściowo do zarządzania zasobami wodnymi leśnictwa i geologii. Przykładem takich satelitów są satelity Sentinel 2 europejskiego programu Copernicus. Dla tych celów wystarczają pojedyncze satelity, gdyż czas rewizyty dla tych aplikacji jest stosunkowo rzadki. Wystarczy, że satelity zrobią zdjęcie raz lub kilka razy w roku.

Satelity wysokich rozdzielczości (HR), za które przyjmuje się zwyczajowo te obrazujące ze szczegółowością GSD w zakresie 1 – 10 m/pxl również znajdują zastosowanie w badaniu rodzaju upraw, rolnictwie precyzyjnym, użytkowania i pokrycia terenu, usług komunalnych, infrastruktury transportowej. Dla tych aplikacji w pewnym stopniu warto tworzyć niewielkie konstelacje satelitarne złożone na przykład z pary satelitów, żeby skrócić czas rewizyty do kilku razy w miesiącu.

Satelity bardzo wysokich rozdzielczości (VHR), które posiadają zdolność obrazowania poniżej jednego metra na piksel zdjęcia, doskonale nadają się do zbierania danych o usługach komunalnych, infrastrukturze, ale także do szczegółowych badań prowadzonych w leśnictwie czy rolnictwie precyzyjnym. Wielką zaletą satelitów o bardzo wysokiej rozdzielczości jest możliwość ich zastosowania w reagowaniu na sytuacje kryzysowe, a także dla celów sektora obronnego. Satelity te stosunkowo często posiadają wąskie pasy obrazowania – około kilku kilometrów, dlatego, żeby poprawić ich zdolności do aktualizacji zdjęć tworzy się systemy złożone z kilku, nawet kilkunastu satelitów na orbicie.

Przypisy:

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Ground_sample_distance (dostęp 29.06.2021)

[2] Dąbrowski Rafał, Orych Agata, Walczykowski Piotr. (2010). OCENA MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA WYSOKOROZDZIELCZYCH ZOBRAZOWAŃ SATELITARNYCH W ROZPOZNANIU OBRAZOWYM (EVALUATION OF HIGH RESOLUTION SATELLITE IMAGERY IN IMAGE RECONNAISSANCE). 21. 75-86

[3] tamże

[4]  Maxar. Za EoPortal Directory, WorldView Legion Constellation, https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/v-w-x-y-z/worldview-legion (dostęp z dnia 3 lutego 2021 r.)

[5] Kalkulacje własne na podstawie satelity KOMPSAT – 3A