|
Zdzisław Kurczyński
Rozwój technik obrazowania satelitarnego
Historia obrazowania powierzchni Ziemi z bliskiej przestrzeni kosmicznej jest stosunkowo krótka, praktycznie rozpoczęła się wraz z umieszczeniem pierwszych bezzałogowych satelitów, a wkrótce załogowych statków kosmicznych na orbitach wokółziemskich. W programach wszystkich załogowych lotów kosmicznych było przewidziane fotografowanie powierzchni Ziemi. Można tu wymienić amerykańskie programy lotów kosmicznych Mercury (1961-63), Gemini (1965-66), Apollo, oraz radzieckie statki kosmiczne Sojuz.
Podczas tych misji fotografowano wybrane rejony, wykorzystując małoobrazkowe (film szerokości 35 mm) i średnioformatowe (film szerokości 70 mm) amatorskie aparaty fotograficzne. Stosowano filmy barwne negatywowe i pozytywowe w barwach rzeczywistych, filmy panchromatyczne, oraz barwne w podczerwieni. Jakość tych zdjęć była zróżnicowana, przekonano się - co było do przewidzenia - że nie można uzyskać prawidłowego oddania barw na zdjęciach z powodu silnego wpływu atmosfery, a szczególnie zawartej w niej pary wodnej. Ale już te zdjęcia dały całkowicie nowy obraz naszej planety, niemożliwy do uzyskania nawet na drobnoskalowych zdjęciach lotniczych. Te pierwsze zdjęcia spotkały się z zainteresowaniem specjalistów różnych dziedzin, szczególnie geologów i meteorologów. Utwierdzono się w celowości fotografowania satelitarnego, oraz potrzebie rozwijania specjalnych metod fotograficznych.
W ramach programu Apollo, zorientowanego na załogowe lądowanie na Księżycu, rozpoczęto eksperymenty z fotografią wielospektralną, oraz skonstruowano bardzo zaawansowane, specjalistyczne kamery panoramiczne, przeznaczone m.in. do fotografowania powierzchni Księżyca dla wytypowania miejsc lądowania.
Fotografowanie było ważnym elementem programów realizowanych na orbitalnych stacjach badawczych Skylab (USA) czy Salut (ZSRR). Zaczęto używać adaptowanych kamer fotogrametrycznych, oraz rozwijano techniki fotografii wielospektralnej.
W ramach fotografii satelitarnej ważny rozdział stanowią programy fotograficzne realizowane w ramach misji promu kosmicznego Space Shuttle. Mowa tu o programach kartograficznych z użyciem kamery pomiarowej MC (ang.: MC - Metric Camera) i wielkoformatowej kamery LFC (ang.: Large Format Camera).
Równie ważnym działem fotografii satelitarnej są programy rozpoznania satelitarnego dla celów militarnych. Oba supermocarstwa USA i ZSRR stworzyły bardzo rozbudowane i zaawansowane systemy rozpoznania oparte na zdjęciach fotograficznych. W przypadku USA był to program "Corona" zatwierdzony w 1958 roku, a odpowiadający mu program w ZSRR miał kryptonim "Zenit". Program Corona był oparty na specjalnie dla niego skonstruowanej kamerze panoramicznej KH (ang.: Key Hole - "dziurka od klucza"). Była to kamera panoramiczna na film o szerokości 70 mm, z ruchomym obiektywem o ogniskowej f=605 mm i polu widzenia 6 w kierunku lotu i 70 w kierunku poprzecznym. Powstało wiele modeli tej kamery. Zdjęcia wykonane tą kamerą charakteryzują się bardzo wysoką terenową zdolnością rozdzielczą, od kilkunastu metrów dla początkowych modeli (12 m dla KH-1), do 2 m dla modeli późniejszych. Kamera wykonywała zdjęcia pionowe, niektóre modele wykonywały konwergentne zdjęcia stereoskopowe, poprzez nadanie kamerze ruchu wahadłowego "do przodu" i "wstecz". Ładowniki z naświetlonym filmem były odstrzeliwane z satelity, powracały na Ziemię i były przechwytywane w powietrzu przez samoloty lub wyławiane z morza. W latach 1960-72 w ramach programu wykonano 362 misje satelitarne. Satelity programu Corona poruszały się po orbitach o wysokości 185-280 km oraz 400-700 km. Opracowano nowe metody i specjalne instrumenty do interpretacji i opracowania zdjęć panoramicznych. (W 1995 roku prezydent B. Clinton polecił odtajnić ponad 860 tys. zdjęć wykonanych w ramach satelitarnych misji zwiadowczych w latach 1960-72).
Realizację programu Zenit (ZSRR) rozpoczęto w 1961 roku. Wykorzystywano kamery o różnych formatach, aż do formatu 30x30 cm i różnych ogniskowych, aż do f = 3000 mm i terenowej zdolności rozdzielczej 1 m. Kamery były instalowane na pokładach satelitów serii Kosmos. Ocenia się, że jedna trzecia tych satelitów to satelity zwiadu wojskowego. Wojskowe misje fotograficzne były stosunkowo krótkie: trwały od 8 do 12 dni. Naświetlony film był przechwytywany w powietrzu. Przykładem bardzo zaawansowanego satelitarnego systemy kartograficznego o "militarnym rodowodzie", jest nadal działający, komercyjny system Kometa.
Programy zwiadu kosmicznego odegrały doniosłą rolę; były dla obu stron jedynym obiektywnym źródłem informacji niemożliwych do zdobycia innymi metodami. Jako takie programy te stały się ważnym instrumentem wzajemnej kontroli zbrojeń i utrzymania stanu równowagi militarnej w okresie zimnej wojny.
W pierwszej fazie obrazowania satelitarnego systemy fotograficzne miały zdecydowaną przewagę nad systemami niefotograficznymi. Zaletą systemów fotograficznych w tamtym okresie była możliwość pozyskania zdjęć o wysokiej rozdzielczości i doskonałej geometrii, co dla niektórych zastosowań miało zasadnicze znaczenie, np. dla zwiadu wojskowego. Dużym jednak ograniczeniem systemów fotograficznych była konieczność "sprowadzania" filmu na Ziemię.
Obok metod fotograficznych bardzo dynamicznie rozwijały się i nadal się rozwijają niefotograficzne metody obrazowania Ziemi z kosmosu. W początkowym okresie były to kamery telewizyjne, a później skanery optyczno-mechaniczne, skanery elektrooptyczne, radiometry i systemy radarowe wykorzystujące mikrofalowy zakres spektrum. Systemy niefotograficzne, określane również jako systemy obrazowania elektronicznego, mają szereg zalet nad systemami fotograficznymi:
- Dostarczają obraz drogą radiową w tzw. czasie rzeczywistym, tj. w momencie obrazowania. Ma to zasadnicze znaczenie dla śledzenia z kosmosu procesów szybkozmiennych (np. pokrywy chmur dla meteorologii).
- Mogą dostarczać obrazy w zakresach spektralnych niedostępnych dla fotografii (podczerwień średnia, podczerwień termalna, mikrofale).
- Satelity umieszczone na orbitach bliskobiegunowych dostarczają obrazy praktycznie z powierzchni całego globu.
- Żywotność satelitów liczona jest w latach, a niefotograficzne systemy umieszczone na ich pokładzie permanentnie dostarczają obrazy Ziemi, pokrywające obrazami co kilka-kilkanaście dni cały glob. Pozwala to monitorować dynamikę procesów zachodzących na powierzchni Ziemi.
- Pierwotna forma zapisu obrazów jest formą cyfrową, idealnie nadającą się do dalszego przetwarzania komputerowego.
- Koszty pozyskania obrazów niefotograficznych z bezzałogowych satelitów są niewspółmiernie mniejsze niż koszty zdjęć satelitarnych.
Ograniczeniem obrazowania elektronicznego, szczególnie w początkowej fazie, była stosunkowo niska rozdzielczość pozyskiwanych obrazów i ich bardzo znaczne zniekształcenia geometryczne. Rozwój satelitarnego obrazowania niefotograficznego przejawia się we wzroście geometrycznej zdolności rozdzielczej i rozdzielczości radiometrycznej. Szybki rozwój mikroelektroniki i cyfrowych metod opracowania obrazów powoduje wypieranie metod fotograficznych, co ciekawsze, zdobycze techniczne w tym zakresie przechodzą z pułapu satelitarnego na pułap lotniczy.
Przełom w obrazowaniu Ziemi stanowiło zapoczątkowanie w 1972 r. programu Landsat. Był to pierwszy z serii satelita specjalnie zaprojektowany do globalnego, powtarzalnego i wielospektralnego obrazowania Ziemi. Wysoka jakość obrazów, oraz łatwy do nich dostęp spowodowały gwałtowny rozwój teledetekcji satelitarnej i zainteresowanie specjalistów różnych dziedzin. Satelity te określane są jako "teledetekcyjne", "technologiczne", "gospodarcze" czy "ogólnogeograficzne", podkreślając tym ich uniwersalne przeznaczenie. Lata 70. i 80. to szybki rozwój obrazowania satelitarnego w zakresie optycznym. Kolejne generacje satelitów Landsat charakteryzują się coraz większymi geometrycznymi zdolnościami rozdzielczymi oraz coraz szerszym zakresem spektralnego pozyskiwanych obrazów. W latach 80. pojawił francuski system SPOT, umożliwiający dodatkowo stereoskopię, dużą rolę odgrywa również indyjski program IRS. Lata 90. to dalszy rozwój systemów teledetekcyjnych obrazujących w zakresie optycznym, oraz zaistnienie kilku systemów satelitarnych obrazujących w zakresie mikrofalowym: europejskiego systemu ERS, japońskiego systemu JERS oraz kanadyjskiego systemu Radarsat. Systemy te zostały wyposażone w radary z syntetyzowaną anteną - SAR. Unikalną właściwością systemów radarowych jest ich niezależność obrazowania od warunków oświetleniowych i pogodowych. Obrazy wymienionych systemów radarowych spotkały się z dużym zainteresowaniem i weszły do powszechnego użycia.
Globalna odwilż w stosunkach międzynarodowych zaowocowała powstaniem komercyjnych, wysokorozdzielczych systemów obrazowania powierzchni Ziemi, dostarczających obrazy z terenowym pikselem poniżej 1 m. Nie jest przesadą stwierdzenie, że systemy te otwarły "nową erę" obrazowania satelitarnego i skłaniają do rewizji ukształtowanych przez 40 lat poglądów w tym zakresie. Dotychczas wyraźnie rozróżniało się obrazowanie lotnicze i satelitarne. To rozróżnienie dotyczyło nie tylko różnych pułapów pozyskiwania zdjęć i obrazów, ale całkowicie różnych zdolności rozdzielczych pozyskiwanych z obu tych pułapów. Zaistnienie satelitarnych obrazów "metrowych" oznacza zrównanie przepaści różnej zdolności rozdzielczej obu tych źródeł; satelitarne obrazy metrowe są pod tym względem równowartościowe drobnoskalowym zdjęciom lotniczym.
| 
