Wstęp do teledetekcji

Andrzej Ciołkosz

Pojęcie teledetekcja (ang. remote sensing) zostało wprowadzone na początku lat 60. ubiegłego wieku przez Evelyn L. Pruitt z Office of Naval Research. Początkowo oznaczało ono obserwację i pomiar obiektów odfotografowanych na zdjęciach lotniczych. Z czasem określeniem tym zaczęto obejmować pozyskiwanie danych o środowisku geograficznym za pomocą urządzeń rejestrujących różne zakresy promieniowania elektromagnetycznego w celu ich przetworzenia na użyteczne informacje.

Definicja teledetekcji
Słowo teledetekcja zostało utworzone w wyniku połączenia greckiego tele - daleko i łacińskiego detectio - wykrywać, ujawniać. Obecnie pojęciem teledetekcja określa się metody pozyskiwania danych o obiektach, zjawiskach i procesach zachodzących na powierzchni Ziemi za pomocą urządzeń niebędących w bezpośrednim (fizycznym) kontakcie z badanym obiektem, a także metody przetwarzania pozyskanych danych na użyteczne informacje, charakteryzujące te obiekty, zjawiska oraz procesy.

W zdalnym pozyskiwaniu danych wykorzystuje się wiele zjawisk, przede wszystkim promieniowanie elektromagnetyczne, ale także magnetyzm, grawitację, fale akustyczne oraz promieniotwórczość. Jednak pod pojęciem teledetekcji przyjęto powszechnie rozumieć tylko te metody, które wykorzystują promieniowanie elektromagnetyczne (światło, ciepło, promieniowanie mikrofalowe) jako nośnik informacji o obiektach i ich charakterystyce. Tak więc pomiary magnetyczne, grawitacyjne, elektryczne i pomiary radioaktywności - szeroko prowadzone z pokładów samolotów i satelitów - uważa się raczej za badania geofizyczne niż za teledetekcję.

Promieniowanie elektromagnetyczne jako nośnik informacji
Ograniczenie metod teledetekcyjnych tylko do rejestracji promieniowania elektromagnetycznego pociąga za sobą dalsze restrykcje. Otóż nie wszystkie długości fal emitowanych przez Słońce docierają do powierzchni Ziemi, część bowiem jest pochłaniana przez występującą w atmosferze parę wodną, dwutlenek węgla i ozon. Ten wpływ atmosfery sprawia, że w teledetekcji wykorzystuje się tylko tak zwane okna atmosferyczne, czyli te zakresy widma, z których promieniowanie bez większych przeszkód przechodzi przez atmosferę. Takie okna tworzą: promieniowanie widzialne (światło) obejmujące fale o długości 0,4-0,7 mm, krótkofalowe promieniowanie podczerwone (podczerwień fotograficzna - 0,7-1,3 mm), podczerwień środkowa (3,0-5,0 mm), podczerwień długofalowa (termalna - 8-12 mm), a także promieniowanie mikrofalowe (1-100 cm), dla którego atmosfera ziemska jest niemal przezroczysta. Zakres fal o długościach 0,3-12 mm jest nazywany widmem optycznym.
Promieniowane elektromagnetyczne docierające ze Słońca do powierzchni Ziemi jest od niej odbijane lub pochłaniane, a następnie emitowane w postaci długofalowego promieniowania podczerwonego. Zarówno promieniowanie odbite, jak i emitowane rejestrowane jest za pomocą specjalnych detektorów umieszczanych na samolotach lub satelitach.

Początki wykonywania zdjęć z lotu ptaka
Przyjmując pierwotną definicję teledetekcji, ograniczającą ją do obserwacji obiektów odfotografowanych na zdjęciach wykonywanych z lotu ptaka, można uznać, że jej początki sięgają połowy XIX w. Wtedy to Francuz Felix Tournachon, znany później pod pseudonimem "Nadar", wykonał z balonu na uwięzi pierwsze zdjęcie fragmentu Paryża. W 1859 r. pułkownik Aime Lausset z Korpusu Inżynierskiego Armii Francuskiej zrobił z balonu zdjęcia fotograficzne do wykorzystania przy sporządzaniu map topograficznych. W rok później dwaj Amerykanie (S.A. King i J.W. Black) wykonali, zachowane do dziś, pierwsze zdjęcie Bostonu.
Koniec XIX w. zapisał się w historii teledetekcji przyznaniem patentu Ludwikowi Rahrmanowi za "udoskonalony aparat do wykonywania zdjęć z lotu ptaka". Aparat ten był wystrzeliwany za pomocą rakiety i powracał na Ziemię na spadochronie. Na początku XX w., wbrew wcześniejszym teoriom, maszyna cięższa od powietrza oderwała się od Ziemi. 16 grudnia 1903 r. skonstruowany przez braci Wright samolot odbył pierwszy udany lot. Sześć lat później Wilbur Wright wykonał w pobliżu Rzymu pierwsze zdjęcie z pokładu samolotu. Włosi dali początek szerokiemu zastosowaniu zdjęć lotniczych do celów kartograficznych, wykonując na ich podstawie pierwszą mapę miejscowości Benghazi w Libii.

Czas na teledetekcję satelitarną

Z kolei za początek teledetekcji satelitarnej można przyjąć marzec 1946 r., kiedy to z poligonu doświadczalnego White Sands w stanie Nowy Meksyk w USA została wystrzelona rakieta V-2. Osiągnęła ona wysokość 120 km. Na jej pokładzie zainstalowano kamerę fotograficzną, za pomocą której wykonano pierwsze zdjęcia powierzchni Ziemi z wysokości przekraczającej 100 km, przyjętej umownie za próg przestrzeni kosmicznej. Na kolejne zdjęcia z kosmosu trzeba było czekać aż do 1960 r. Wtedy bowiem rozpoczęto dwa programy pozyskiwania zdjęć satelitarnych: wojskowy - znany po latach pod nazwą CORONA i cywilny - TIROS.
Rok 1960 zakończył okres pozyskiwania informacji z terytoriów położonych za "żelazną kurtyną" za pomocą kamer fotograficznych umieszczanych na samolotach i balonach poruszających się na wysokościach stratosferycznych. Przełom wiązał się z zestrzeleniem nad Świerdłowskiem samolotu rozpoznawczego U-2. Niedługo później satelita Discoverer XIV dostarczył pierwszych zdjęć fotograficznych z przestrzeni kosmicznej, wieńcząc tym samym fazę przygotowawczą ściśle tajnego programu CORONA, którego celem było umieszczenie na orbicie okołoziemskiej satelitów rozpoznawczych, zdolnych do fotografowania powierzchni naszej planety ze szczegółowością osiąganą przez zdjęcia lotnicze. W czasie trwania programu CORONA (1960-72) satelity dostarczyły ponad 800 tysięcy zdjęć, głównie z terenów Związku Radzieckiego, krajów Europy Wschodniej i Chin. Z kolei satelita TIROS zapoczątkował erę satelitów przeznaczonych do prowadzenia stałych i powtarzalnych obserwacji meteorologicznych z wysokości orbitalnych.

Od ETRS do SPOT-a
Przełomem w dziedzinie rozwoju teledetekcji było wystrzelenie w 1972 r. pierwszego cywilnego satelity przeznaczonego do badań zasobów naturalnych Ziemi. Był nim amerykański ERTS (Earth Resources Technology Satellite), który zapoczątkował trwającą do dziś misję satelitów Landsat. Na każdym z trzech pierwszych satelitów tej serii (krążących na wysokości około 920 km) umieszczono wielospektralny skaner MSS, za pomocą którego wykonywano zdjęcia o rozdzielczości przestrzennej 80 m w czterech zakresach widma. Kolejne satelity Landsat były wyposażane w coraz doskonalsze urządzenia do wykonywania zdjęć, a ostatni z nich miał na pokładzie skaner ETM+ wykonujący zdjęcia w siedmiu zakresach widma o rozdzielczości przestrzennej 30 m oraz w widmie panchromatycznym o rozdzielczości 15 m. Zdjęcia wykonane przez satelity Landsat znalazły szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i gospodarki na całym świecie.

Czternaście lat później na orbicie okołoziemskiej został umieszczony francuski satelita serii SPOT. Wykonywane przez niego zdjęcia charakteryzowały się większą rozdzielczością przestrzenną (20 m w wersji wielospektralnej i 10 m w wersji panchromatycznej). SPOT był pierwszym satelitą w historii, który wykonywał zdjęcia także w pokryciu stereoskopowym umożliwiające przestrzenną obserwację powierzchni globu ziemskiego. Kolejne wersje satelitów tej serii były wyposażane w udoskonalone skanery, za pomocą których wykonywano zdjęcia o coraz większej rozdzielczości. Obecnie zdjęcia z satelity SPOT-5 charakteryzują się rozdzielczością przestrzenną 5 m.

Fot. 1. Fotomapa satelitarna Polski opracowana
w Instytucie Geodezji i Kartografii na podstawie zdjęć z satelity Landsat

Urządzenia instalowane na satelitach

Od momentu wprowadzenia na orbitę okołoziemską pierwszego satelity (w październiku 1957 r.) do chwili obecnej wystrzelono ich blisko 10 000, z czego tylko niewielka część ma zastosowanie w teledetekcji. Na pokładach satelitów umieszczano różnego rodzaju detektory promieniowania elektromagnetycznego. Wśród nich znajduje się wiele urządzeń dostarczających danych nieobrazowych. Na szczególną uwagę zasługują jednak detektory obrazowe, które rejestrują przestrzenne zróżnicowanie odbicia lub emisji promieniowania jednocześnie (lub niemal jednocześnie) z całego obszaru widzianego przez obiektyw urządzenia. Spośród tych detektorów w pierwszym okresie rozwoju teledetekcji najpowszechniej stosowano kamery fotograficzne, za pomocą których wykonywano zdjęcia w widzialnym lub podczerwonym zakresie widma. Należy zaznaczyć, że obecnie zdjęć fotograficznych z satelitów nie wykonuje się z uwagi na skomplikowany i drogi proces sprowadzania z orbity zasobnika z filmem. Zdjęcia te były natomiast szeroko stosowane w rozpoznaniu prowadzonym przez wojsko w pierwszym okresie rozwoju technologii pozyskiwania informacji z przestrzeni kosmicznej.

Innym rodzajem detektorów obrazowych są wielospektralne skanery elektrooptyczne. Za pomocą odpowiednich układów przeszukujących analizują one powierzchnię Ziemi metodą: punkt po punkcie, linia po linii, mierząc jednocześnie w kilku pasmach widma wielkość odbijanego lub emitowanego promieniowania elektromagnetycznego. Wynikiem tego sposobu rejestracji promieniowania są zdjęcia wielospektralne. Zdjęcia te składają się z poszczególnych punktów, tzw. pikseli, ułożonych wzdłuż linii wybierania skanera.

Skanery elektrooptyczne mogą rejestrować cały zakres widma optycznego, od nadfioletu aż po podczerwień termalną. W przeciwieństwie do kamer fotograficznych skanery elektrooptyczne mogą przesyłać do naziemnych stacji odbiorczych informacje obrazowe w czasie rzeczywistym drogą telemetryczną. Ten sposób przesyłania jest powszechnie stosowany w przypadku zdjęć wykonywanych przez satelity.

Innym rodzajem urządzeń instalowanych na satelitach są radiolokatory obrazowe. W przeciwieństwie do kamer fotograficznych i skanerów elektrooptycznych radiolokatory obrazowe należą do aktywnych systemów pozyskiwania informacji, gdyż mają własny system "oświetlania" terenu. Antena radiolokatora wysyła wiązkę promieniowania, która po odbiciu od terenu jest przechwytywana przez tę samą antenę, ale pracującą w tym czasie jako detektor sygnałów mikrofalowych. Na podstawie rejestracji czasu powrotu sygnału odbitego od różnych punktów terenowych i jego intensywności tworzy się obraz mikrofalowy terenu (zwany potocznie obrazem radarowym). W teledetekcji satelitarnej wykorzystywane są tylko niektóre zakresy mikrofal. Są one oznaczone jako pasmo X (fale o długości około 3 cm), pasmo C (około 5 cm) i pasmo L (około 23 cm). Promieniowanie mikrofalowe przechodzi bez większych przeszkód przez chmury i w zależności od długości fali może przenikać korony drzew, glebę i - w sprzyjających warunkach (mała wilgotność powierzchniowej warstwy gruntu) - docierać nawet do głębszych warstw podłoża, gdzie dopiero następuje jego odbicie. Istnieją także radiolokatory pasywne, które wykrywają naturalne promieniowanie mikrofalowe o długości od 1 mm do 30 cm emitowane z powierzchni Ziemi.
Oprócz satelitów z urządzeniami obrazowymi po orbitach porusza się wiele innych, na pokładach których umieszczono różnego rodzaju radiometry dokonujące punktowych lub profilowych pomiarów promieniowania odbijanego lub emitowanego z powierzchni Ziemi i atmosfery. Dostarczają one danych do określania składu chemicznego atmosfery, pionowego rozkładu temperatury w atmosferze, wysokości fal morskich, profilów rzeźby terenu i wielu innych.

Orbity satelitów

Zdjęcia lotnicze wykonuje się z wysokości od kilkuset metrów do około 20-30 km, natomiast zdjęcia satelitarne - od około 250 km do 900 km. Większość satelitów teledetekcyjnych krąży po orbitach znajdujących się na wysokościach 700-900 km. Są to orbity kołowe, prawie biegunowe, nachylone do płaszczyzny równika pod kątem około 100o. Krążące po nich satelity w swym ruchu z północy na południe podążają za pozornym ruchem Słońca po nieboskłonie. Stąd orbity te nazywa się heliosynchronicznymi. Satelity geofizyczne krążą na wysokościach rzędu 5000-20 000 km. Szczególnym przypadkiem jest orbita znajdująca się w płaszczyźnie równika na wysokości około 36 000 km nad powierzchnią Ziemi. Prędkość kątowa ruchu satelity po tej orbicie równa się kątowej prędkości ruchu wirowego Ziemi, co sprawia, że dla obserwatora na powierzchni planety satelita wydaje się nieruchomy. Dlatego orbitę tę nazywa się geostacjonarną. Poruszają się po niej satelity komunikacyjne i meteorologiczne.
Zależnie od wysokości pozyskiwania informacji obrazowej metodami teledetekcyjnymi otrzymane zdjęcia lub obrazy przedstawiają powierzchnię Ziemi z różną szczegółowością. O ile w przypadku zdjęć fotograficznych ta szczegółowość zależy od skali, o tyle w przypadku obrazów pozyskiwanych za pomocą skanerów szczegółowość danych zależy od wielkości chwilowego pola widzenia skanera. Terenowa wielkość tego pola charakteryzuje zdolność rozdzielczą zdjęć, informując o najmniejszym obiekcie możliwym do odwzorowania. Instalowane obecnie na pokładach satelitów meteorologicznych skanery wykonują zdjęcia o terenowej zdolności rozdzielczej rzędu 1000 m, skanery satelitów środowiskowych charakteryzują się rozdzielczością przestrzenną rzędu 1-30 m, natomiast satelity wysokorozdzielcze - poniżej 1 m.