SKANER WIELOSPEKTRALNY MSS
Podstawowym systemem zbierania danych o powierzchni Ziemi zainstalowanym na satelitach Landsat był skaner wielo spektralny MSS. W odróżnieniu od kamer telewizyjnych skaner nie obrazował całej sceny jednocześnie, ale za pomocą oscylującego zwierciadła, analizował ją punkt po punkcie, linia po linii, tworzonych prostopadle do kierunku ruchu satelity.
Każdy taki punkt, zwany pikselem, był utworzony przez chwilowe pole widzenia skanera i miał w terenie wymiary 79 X 79 m. Tak więc przestrzenna zdolność rozdzielcza skanera sprawiała, że najmniejszy obiekt, który był rozróżniany przez skaner, miał powierzchnię nieco ponad 6200 m2. Szerokość pasa obrazowania, czyli długość poszczególnych linii, wynosiła 185 km.
Skanowanie powierzchni Ziemi za pomocą skanera MSS odbywało się bez przerwy od momentu pojawienia się satelity na dziennej półkuli globu, w pobliżu bieguna północnego, aż do jego wejścia w nieoświetloną (nocną) półkulę w pobliżu bieguna południowego. W wyniku tego skanowania powstawał więc jeden bezklatkowy obraz obejmujący pas Ziemi o szerokości wspomnianych 185 km i długości niemal połowy obwodu globu ziemskiego. Pas ten składał się z prawie 280 000 linii, każda o szerokości 79 m. Dla wygody cały ten pas został podzielony na części, zwane scenami. Każda scena obejmowała teren o wymiarach 185X 185 km i składała się z 2340 linii.
Promieniowanie elektromagnetyczne odbijane przez oscylujące lusterko jest kierowane do układu optycznego, gdzie z kolei jest dzielone na 6 pasm odpowiadających 6 liniom skanowania. Skaner MSS jest urządzeniem wielospektralnym i jego układ optyczny rozszczepia promieniowanie rejestrowane dla 6 linii skanowania dodatkowo na cztery zakresy spektralne, odpowiadające promieniowaniu zielonemu, czerwonemu i dwóm zakresom bliskiej podczerwieni. Tak więc mozaika detektorów, analizująca odbierane przez układ optyczny promieniowanie, składa się z 24 elementów: po sześć elementów dla każdego z czterech zakresów spektralnych (rys. 34).
Skaner MSS rejestrował więc promieniowanie odbijane od powierzchni Ziemi w czterech kanałach, które, oznaczono numerami od 4 do 7. W kanale czwartym skaner rejestrował promieniowanie o długości fali 500 - 600 nm (zielone), w piątym 600 -700 nm (czerwone), w szóstym 700 - 800 nm (podczer wone) i w siódmym 800 - 1100 nm (podczerwone).
Skaner MSS umieszczony na satelicie Landsat 3 był dodatkowo wyposażony w kanał oznaczony cyfrą 8, w którym było rejestrowane długofalowe promieniowanie podczerwone o długości fali 10,4 - 12,6 ~m. Rejestracja tego zakresu promieniowania pozwalała na wykonywanie przez satelitę zdjęć także podczas jego przelotu ponad nieoświetloną częścią kuli ziemskiej.
Detektorami promieniowania zastosowanymi w skanerze MSS były:
w kanałach 4, 5 i 6 - powielacze fotoelektryczne, w kanale 7 - fotodioda krzemowa, natomiast w kanale 8 - tellurek rtęciowo-kadmowy (TeHgCd\.1C)C
Energia słoneczna odbijana z fragmentów powierzchni Ziemi o wymiarach odpowiadających chwilowemu polu widzenia skanera (79 X 79 m), padając na detektory, wywoływała w nich reakcję wyrażającą się przepływem prądu elektrycznego, którego napięcie było uzależnione od intensywności odbitego promieniowania.
Energia promienista dochodząca do skanera z pasa terenu o szerokości równej szerokości chwilowego pola widzenia i długości 185 km była zarejestrowana przez detektor i zapamiętywana w postaci ciągłej linii krzywej zwanej sygnałem analogowym.Ta ciągła linia krzywa została z kolei zamieniana w postać dyskretną przez próbkowanie sygnału analogowego. Ponieważ chwilowe pole widzenia ma długość (wzdłuż linii skanowania) 79 m, zatem, chcąc zachować stosunek 1:1,4, wielkość kroku próbkowania winna wynosić 57 m. Ciągły sygnał analogowy był więc analizowany co 57 m i pomierzona w tych punktach wielkość odbicia promieniowania była zapisywana za pomocą odpowiedniej I liczby.
Chwilowe pole widzenia skanera decyduje o wielkości i liczbie szczegółów możliwych do dostrzeżenia i zarejestrowania przez skaner.
Skaner satelity Landsat wybiera każdą linię z zachodu na wschód przy jednoczesnym postępowym ruchu satelity z północy na południe. Mimo, że proces skanowania jest bardzo szybki, gdyż jedną linię skaner analizuje w ciągu około 0,07 s, to jednak obrót Ziemi sprawia, że każda następna linia rozpoczyna się nieco bardziej na zachód niż poprzednia. W rezultacie zdjęcie każdej sceny nie jest kwadratem lecz równoległobokiem.
Każde zdjęcie wykonane za pomocą skanera wielospektralnego z satelity Landsat obejmuje powierzchnię 185X 185 km, czyli 34225 km2. Składa się ono nominalnie z 2340 linii, a w każdej z nich jest około 3240 pikseli.
Stąd też jedna scena zawiera łącznie 7581600 pikseli w każdym z czterech kanałów.
Zdjęcia wykonywane przez satelity Landsat 4 i 5 są już na pokładzie satelity kodowane w zakresie 0-255.
W stacjach odbioru danych satelitarnych zdjęcie zapisane w kodzie liczbowym jest także wizualizowane za pomocą urządzenia zwanego fotoploterem. W czasie wizualizacji następuje proces odwrotny do zachodzącego w skanerze. W fotoploterze bowiem odpowiednim kodom liczbowym była nadawana określona gęstość optyczna (ton) zdjęcia fotograficznego. Jednak z uwagi na właściwości filmu fotograficznego, wyrażające się możliwością oddania najwyżej kilkunastu tonów pośrednich między bielą a czernią, na zdjęciu fotograficznym, jako produkcie wyjściowym z fotoplotera, następowała duża generalizacja informacji. Skaner jest w stanie między czernią a bielą wyróżnić 254 tony pośrednie; film w fotoploterze tylko około 14. Stąd też, przyjmując z pewnym uproszczeniem, można powiedzieć, że każdej grupie 16 wartości jaskrawości zarejestrowanych przez skaner odpowiada na zdjęciu fotograficznym jeden ton. W reprodukcji poligraficznej zdjęć satelitarnych liczba wyróżnianych tonów maleje do zaledwie kilku.
CHARAKTERYSTYKA ZDJĘC WYKONANYCH ZA POMOCĄ SKANERA MSS
W porównaniu z zapisem na taśmie magnetycznej odbitka fotograficzna zdjęcia satelitarnego zawiera znacznie mniej informacji wizyjnych. Pomijając już wspomnianą redukcję poziomów jaskrawości na zdjęciu fotograficznym, trzeba dodać także, że nie zawsze wszystkie piksele zarejestrowane na taśmie są wizualizowane na zdjęciu. Często następuje ich agregacja i na zdjęciu zostaje przedstawiony nowy piksel, o uśrednionej wartości jaskrawości pikseli użytych do agregacji. Niekiedy też, przy naświetlaniu odbitki fotograficznej, pomija się celowo co któryś piksel i co którąś linię.
Przy wizualnej obserwacji zdjęć landsatowskich zwykle tych pikseli nie dostrzegamy, gdyż mają one niewielkie wymiary. I tak na standardowej odbitce fotograficznej wykonanej w skali 1:1000000 piksel ma wymiary zaledwie około 0,08XO,08 mm. Stąd też obraz fotograficzny w tej skali wydaje się ciągły. Ale przy powiększeniu zdjęć landsatowskich do większej skali piksele stają się już wyraźne i przy zbyt dużym powiększeniu zanika treść informacyjna zdjęcia. W wyniku wielu prób stwierdzono, że zdjęcia wykonywane przez skaner MSS można powiększyć aż do skali 1:250000. Zdjęcia w większych skalach są mało, lub wręcz nieczytelne.
Czarno-białe zdjGcia fotograficzne otrzymane w poszczególnych kanałach są zwane wyciągami spektralnymi.
Poszczególne wyciągi spektralne różnią się dość znacznie tonalnie. Na terenach zajętych przez roślinność wyciągi wykonane w widmie widzialnym są ogólnie ujmując ciemne, gdyż zielona roślinność odbija niewiele padającego na nią promieniowania widzialnego) Sytuacja zmienia się radykalnie, gdy w grę wchodzi podczerwień. Ten zakres promieniowania jest silnie odbijany przez roślinność, stąd zdjęcia rejestrujące promieniowanie podczerwone, a więc zdjęcia wykonane przez skaner MSS w kanałach 6 i 7, zawierają dużo tonów jasnych Duży kontrast między tonami roślinności i wody na zdjęciach w tych kanałach sprawia, że obraz wody jest stosunkowo łatwy do wyróżnienia spośród wszystkich innych odwzorowanych obiektów.
Specyficzny kontrast między obiektami terenowymi, jaki występuje na zdjęciach w podczerwieni sprawia, że w wielu przypadkach są one bardziej czytelne niż zdjęcia wykonane w obu kanałach widzialnych.Wpływa na to lepsza penetracja promieniowania podczerwonego niż światła przez atmosferę ziemską. Wynika stąd wniosek, że przy wizualnej interpretacji czarno-białych zdjęć trzeba korzystać z przynajmniej trzech wyciągów, to znaczy zielonego, czerwonego i jednego wykonanego w podczerwieni. Zwykle wykorzystuje się w takich przypadkach zdjęcie wykonane w kanale 7, a pomija kanał 6, gdyż różnica w zawartości informacji między tymi zdjęciami jest stosunkowo niewielka, natomiast lepszym kontrastem cechuje się zdjęcie wykonane w dalszej podczerwieni, czyli w kanale 7.
Poszczególne wyciągi spektralne okazały się przydatne do wykrywania i interpretacji różnych obiektów i zjawisk. I tak zdjęcia wykonane w kanale 4 wykorzystuje się głównie do badań wód, ich przezroczystości i zanieczyszczenia, do analizy form podwodnych w obszarach przybrzeżnych i do pomiarów batymetrycznych. Promieniowanie zielone rejestrowane w tym kanale charakteryzuje się bowiem dość dobrą penetracją czystej wody do głębokości nawet kilkunastu metrów.
Zdjęcia wykonane w kanale 5 wykorzystuje się głównie do analizy zjawisk antropogenicznych: a więc Qsadnictwa, dróg, obszarów przemysłowych, kopalń odkrywkowych itp. Stosunkowo dobrze odwzorowuje się na tych zdjęciach także zanieczyszczenie wód.
Na zdjęciach wykonanych w kanale 6 odzwierciedlają się dobrze obszary rolniczego użytkowania ziemi, struktura głównych upraw, obszary łąk i lasów iglastych.
Zdjęcia otrzymane w kanale 7 wykorzystuje się głównie do wykrywania wód, obszarów podmokłych i wilgotnych. Są one również szczególnie przydatne w geologii.
W interpretacji zdjęć landsatowskich bardzo często nie korzysta się l' z poszczególnych wyciągów spektralnych, lecz z ich kombinacji, czyli tak zwanych kompozycji barwnych. I tak najczęściej wyciąg zielony, czyli zdjęcie wykonane w kanale 4, jest rzutowane za pomocą światła niebieskiego, wyciąg czerwony, czyli zdjęcie wykonane w kanale 5, za pomocą światła zielonego, a jeden z dwu wyciągów wykonanych w podczerwieni (kanał 6 lub 7)za pomocą światła czeIwonego. Na ekranie projektora powstaje wówczaJ ~djęcie barwne, lecz o barwach nierzeczywistych
Wspomniany dobór wyciągów spektralnych i barwnych filtrów jest stosowany najczęściej. Daje on tak zwaną standardową kompozycję barwną, najpowszechniej wykorzystywaną w pracach interpretacyjnych.
Charakteryzuje się ona nadaniem następujących barw poszczególnym obiektom:
roślinność zdrowa - czerwona, woda czysta - ciemnoniebieska lub czarna, woda mętna - jasnoniebieska, gleba odkryta - niebieska, piasek - biała lub jasnożółta, osadnictwo - niebieska, chmury i śnieg - biała, cienie - czarna.
Możliwe są także inne kompozycje barwne, które powstają w wyniku rzutowania danego wyciągu spektralnego przez inny filtr niż ten, który jest stosowany w kompozycji standardowej. Większość zdjęć barwnych, wykonanych w barwach innych niż standardowe, podkreśla jakiś wybrany element lub zjawisko odwzorowane na zdjęciu.
SATELITY LANDSAT DRUGIEJ GENERACJI (LANDSAT TM)
TM zwany urządzeniem do kartowania tematycznego
Cechy: nowe urządzenie do zbierania danych o powierzchni Ziemi charakteryzujące się zwiększoną przestrzenną zdolnością rozdzielczą, lepszą rozdzielczością spektralną, podwyższoną dokładnością radiometryczną, zapewniającego pozyskiwanie zdjęć o większej kartometryczności
Głównym zadaniem skanera TM jest monitorowanie i kartowanie roślinności oraz zbieranie informacji do celów geologicznych.
Zdjęcia wykonane przez skaner TM są lepszej jakości niż wykonywane przez skaner MSS i można je porównywać ze zdjęciami lotniczymi wykonanymi z dużej wysokości.
Skaner TM różni się zasadniczo od skanera MSS. Przede wszystkim zbiera on dane w czasie ruchu luserka wybierającego zarówno z zachodu na wschód, jak i ze wschodu na zachód. Ten fakt wpływa na zmniejszenie częstotliwości wybierania poszczególnych linii i wykorzystanie czasu, w którym skaner nie zbiera danych, do kalibracji urządzenia. W ten sposób, przy jednoczesnym zwiększeniu czułości spektralnej poszczególnych detektorów, została poprawiona rozdzielczość radiometryczna skanera.
Mozaika detektorów promieniowania składa się tym razem ze 100 elementów, w odróżnieniu od 24 zastosowanych w skanerze MSS. Za każdym ruchem zwierciadła skaner analizuje 16 linii, co przy jego chwilowym polu widzenia wynoszącym 30 m sprawia, że jednocześnie jest analizowany pas terenu o szerokości 480 m i długości, jak poprzednio, 185 km. Promieniowanie odbite od analizowanych 16 pasów terenu jest rozszczepiane w skanerze na 7 pasm. Cztery z nich, obejmujące promieniowanie widzialne i bliską podczerwień, są analizowane przez 64 detektory (16 liniiX4 zakresy spektrum), którymi są fotopowielacze, 32 fotodiody z antymonku indu analizują 2 zakresy średniej podczerwieni, a tylko 4 detektory (kryształy telurku rtęciowo-kadmowego) analizują długofalowe promieniowanie podczerwone. Rozdzielczość skanera w tym zakresie jest więc znacznie mniejsza, bowiem teren o szerokości 480 m jest analizowany tylko przez 4 detektory
i wynosi 120 m.
Rozszerzenie zakresu uczulenia spektralnego skanera TM w obu kierunkach sprawiło, że jest rejestrowane promieniowanie niebieskie i termalne. Wyciąg niebieski można więc wykorzystać do utworzenia barwnej kompozycji o rzeczywistych kolorach.
Najistotniejszą różnicą między skanerem MSS a TM jest zwiększenie przestrzennej zdolności rozdzielczej. W skanerze MSS wynosiła ona 79X 79 m, zaś piksel obrazu miał wymiary terenowe 79 X 57 m, co wynikało z wielkości kroku próbkowania. W skanerze TM chwilowe pole widzenia wynosi 30 X 30 m i co 30 m odległości terenowej jest próbkowany sygnał analogowy. Tworzony więc na zdjęciach piksel wyraża jednocześnie przestrzenną zdolność rozdzielczą skanera. Tak więc każde z 6 zdjęć wykonanych za pomocą skanera TM (z wyjątkiem zdjęcia wykonanego w kanale 6) składa się z 6167 pikseli w jednej linii, a ponieważ w kierunku północ-południe zdęcie obejmuje tylko 170 km (w skanerze MSS - 185 km), to na tę odległość przypada 5667 linii. W sumie więc zdjęcie w każdym kanale składa się z 34 948 389 pikseli.
Strumień promieniowania w podczerwonym paśmie widma 10,512,5 JLm (kanał 6) jest znacznie słabszy niż w pozostałych sześciu pasmach.Aby więc jego moc była wystarczająca do wywołania odpowiedniej reakcji w detektorze skanera w tym samym czasie skanowania co i w innych pasmach, pole, z którego ten strumień jest zbierany, musi być odpowiednio większe. Stąd też ma ono w terenie wymiary 120X120 m. Zatem taka jest przestrzenna zdolność rozdzielcza skanera TM w kanale 6. Jednakże aby nie tworzyć większego piksela w tym kanale i zachować konsekwencję z wielkością i układem pikseli na zdjęciach otrzymanych w pozostałych 6 kanałach, wyraża się to pole za pomocą piksela o wielkości 30 X 30 m, czyli obszar objęty jednym chwilowym polem widzenia skanera jest reprezentowany 16 pikselami o takiej samej wartości tonalnej.
Tak więc każda scena zobrazowana za pomocą skanera TM jest zapisywana za pomocą 244 638 723 jednostkowych informacji (pikseli). Jest to ponad 8 razy więcej niż w przypadku zdjęć wykonywanych za pomocą skanera MSS
3