PL
EN

 

 

Zespół Obserwacji Ziemi w CBK PAN
 
 

Jak satelita widzi śnieg?

 

Uwaga! Tylko dla odważnych! Poniższy tekst, choć pisany w duchu popularnonaukowy, zawiera mrożące krew w żyłach terminy naukowe, a nawet jeden wzór. Co gorsza, długość tekstu przekracza trzy zdania, a więc wymaga skupienia uwagi przez dobrych kilka minut.

Gdyby chcieć odpowiedzieć krótko na pytanie, jak satelita widzi śnieg, odpowiedź musiałaby brzmieć dość zaskakująco: satelita nie widzi śniegu. Satelity meteorologiczne "widzą" tylko promieniowanie elektromagnetyczne. Promieniowanie to, to pewien sygnał, czasem widzialny, czasem nie, emitowany przez wszystkie obiekty wokół nas. Promieniowanie emitują góry, chmury, oceany, ludzie, gwiazdy, powietrze, komputery... tym więcej, im obiekt jest cieplejszy. Różne obiekty w różny sposób mogą też to promieniowanie odbijać i pochłaniać. Współczesne obserwacje satelitarne Ziemi, to właśnie analiza promieniowania elektromagnetycznego.

Instrumenty satelitarne, wykorzystywane w badaniach śniegu, mierzą natężenie takiego promieniowania. Nie mierzą ani temperatury powietrza, ani opadów, ani prędkości wiatru, ani żadnych właściwości pokrywy śnieżnej. Rolą satelitów jest tylko rejestrowanie promieniowania w określonym zakresie widma (np. natężenie światła, mikrofal, podczerwieni) i przesyłanie wyniku pomiarów na Ziemię. Później do akcji wkraczają naukowcy, którzy dwoją się i troją, dedukując czy dany pomiar wskazuje na obecność śniegu, czy czegoś innego. Satelita widzi więc tylko promieniowanie, a dopiero w jego (promieniowania) charakterystyce naukowcy dostrzegają śnieg.

Aby to wszystko lepiej zrozumieć, prześledzimy krok po kroku procedurę satelitarnej obserwacji śniegu. Sięgniemy po dane instrumentu MODIS satelity Terra, pracującego na orbicie od końca 1999 roku. To jeden z trzech z tzw. okrętów flagowych amerykańskiego programu badań środowiska Błękitnej Planety. Zbudowanie i wystrzelenie pięciotonowego satelity kosztowało USA 1,3 mld dolarów, a obsługa misji przez następne kilkanaście lat to kolejne 0,5 mld dolarów. Terra okrąża Ziemię na wysokości około 700 km i na jeden obieg planety potrzebuje około 98 minut.

10 stycznia 2011 o godzinie 11:10 czasu polskiego Terra przelatywał na Europą. W polu widzenia sensora MODIS znajdowała się wtedy znaczna część Starego Kontynentu, w tym Polska (ryc. 1). MODIS pracował pełną parą i w ciągu pięciu minut dokonał około 100 milionów pomiarów promieniowania wysłanego przez lub odbitego od powierzchni Ziemi (lądu, oceanu, atmosfery). MODIS rejestruje promieniowanie w 36 zakresach spektralnych, czyli - mówiąc bardzo obrazowo - w 36 kolorach, z czego niemal wszystkie nie są rejestrowane przez ludzkie oczy. Skupmy się tylko na sześciu zakresach, obejmujących tzw. promieniowanie krótkofalowe. Jest to promieniowanie wysyłane przez Słońce, następnie odbijane przez Ziemię i koniec końców rejestrowane przez satelitę.

 

Ryc. 1. Satelitarny obraz Europy, uzyskany za pomocą instrumentu MODIS satelity Terra 10 stycznia 2011. Mniej więcej w taki sposób powierzchnię Ziemi widziałyby człowiek, gdyby znalazł się na orbicie, na wysokości 700 km. Kliknij na grafikę aby zobaczyć powiększenie.

Zamieńmy surowe dane na grafiki (ryc. 2). Każdy z obrazów to efekt graficznej prezentacji danych liczbowych z innego zakresu spektralnego. Małym wartościom promieniowania przypisany został kolor czarny, najwyższym - biały. Wartości pośrednie odznaczają się odcieniami szarości. W taki sposób otrzymujemy grafikę potocznie nazywaną "zdjęciem" satelitarnym. Dlaczego jest ono czarnobiałe? Czy satelita za 1.6 mld dolarów nie potrafi zrobić kolorowego? Wręcz przeciwnie. Zdjęcie kolorowe powstanie gdy połączymy ze sobą dowolne trzy obrazy czarnobiałe. A ponieważ tych czarnobiałych mamy aż 36, możesz spróbować policzyć ile kolorowych zdjęć jesteś w stanie otrzymać.

469 nm 555 nm 645 nm
859 nm 1240 nm 1640 nm

Ryc. 2. Polska oczyma sensora MODIS. Widoczne grafiki to informacja z sześciu osobnych zakresów spektralnych. Pierwsze trzy (górny rząd) to promieniowanie widzialne, rejestrowane również przez nasze oczy (gdy je połączyć w kompozycję kolorową, powstanie grafika podobna do tej na ryc 1). W dolnym rzędzie widoczna jest informacja z bliskiej podczerwieni - tej ludzkie oczy już nie rejestrują. Kliknij na grafikę aby zobaczyć powiększenie.

Wybierzmy teraz cztery punkty na obszarze Polski i zobaczmy ile promieniowania trafiało od nich do satelity. Nieprzetworzone dane satelitarne mówią o bezwzględnej ilości promieniowania i podawane są w watach na metr kwadratowy, na mikrometr, na steradian. Jeszcze raz? Watach na metr kwadratowy, na... Dla osoby niewtajemniczonej to dość abstrakcyjne wartości. Wygodniej będzie nam posłużyć się względną informacją o promieniowaniu, czyli ułamkiem promieniowania odbitego. Jak to działa? Jeżeli jakaś powierzchnia odbija całe padające na nią promieniowanie, ułamek ten wynosi 1 (lub 100%). Jeśli pochłania całe promieniowanie, a więc nic nie odbija, ułamek wynosi 0 (lub 0%). Poruszamy się więc w zakresie wartości od 0% (wszystko pochłonięte) do 100% (wszystko odbite).

W tabeli 1 zestawione zostały informacje o odbiciu promieniowania przez obiekty znajdujące się w czterech wybranych punktach. Każdy punkt to tak naprawdę jeden piksel obrazu, w terenie odpowiadający kwadratowi o rozmiarach 500x500 m. Zmierzone przez MODIS promieniowanie to wartość średnia dla całego kwadratu. Punkty zostały dobrane tak, aby każdy piksel w całości był wypełniony powierzchnią tylko jednego rodzaju (był jednorodny, albo - mądre słowo z greckiego - homogeniczny). Czy jesteś w stanie powiedzieć jakiego rodzaju były to powierzchnie? Czy któryś z punktów to śnieg? Czy w ogóle możliwa jest odpowiedź na te pytania, gdy widzi się tylko liczby w tabeli?


Tab. 1. Odbicie promieniowania elektromagnetycznego o różnej długości fali, przez różne rodzaje powierzchni. Długość fali, tak jak i inne odległości, podaje się w metrach i jednostkach pochodnych. Tu użyte zostały mikrometry - a jeden mikrometr to tysięczna część milimetra.

Długość fali
punkt A
punkt B
punkt C
punkt D
0,47 mikrometra
14,3
14,1
3,7
4,6
0,56 mikrometra
13,4
16,3
2,1
3,2
0,65 mikrometra
13,6
15,8
1,3
2,4
0,86 mikrometra
14,1
14,1
0,6
5,5
1,2 mikrometra
  3,7
14,7
0,4
4,1
1,6 mikrometra
  0,6
  9,6
0,1
1,4

Odpowiedź jest możliwa - z pomocą przychodzi fizyka. Widzisz, że wartości odbicia dla punktów A, B, C, D są różne. Różnią się, gdyż ze względu na budowę i właściwości fizyczne, każdy obiekt odbija promieniowanie w specyficzny dla siebie sposób - inaczej śnieg, inaczej woda, inaczej chmury, inaczej trawa, inaczej drzewo, itd. Dzięki temu świat jest kolorowy, a teledetekcja ma swoje ścisłe fizyczne podstawy (w tym się różni od fotointerpretacji, czyli "rozumienia" treści zdjęcia satelitarnego wyłącznie na podstawie jego oglądania).

Odmienność odbicia i pochłaniania promieniowania przez różne obiekty pozwala określić swego rodzaju "elektromagnetyczny odcisk palca". Gdy już nim dysponujemy, możemy - niczym detektyw - porównać odcisk wzorcowy ze znalezionym na miejscu przestępstwa i ocenić z kim mamy do czynienia (tj. jaki obiekt odbijał promieniowanie). Rzućmy okiem na elektromagnetyczny odcisk palca śniegu (ryc. 3). Możemy zauważyć, iż śnieg odbija bardzo dużo promieniowania w zakresie widzialnym (długość fali od 0,4-0,7 mikrometra). Co ciekawe, równie dużo promieniowania jest odbijane na każdej długości fali w tym zakresie. Co to oznacza? Śnieg jest biały!

Ryc. 3. Intensywność odbicia promieniowania słonecznego przez śnieg zmienia się z długością fali promieniowania elektromagnetycznego. Dla fal krótkich (zakres widzialny, 0,4-0,7 mikrometra) odbicie jest bardzo silne. Słabnie, gdy długość fali wzrasta: dla 1,6 mikrometra prawie całe promieniowanie jest przez śnieg pochłaniane. Linie kolorowe oznaczają śnieg o różnej wielkości ziaren. Linia czarna to odbicie dla chmury - podobnie jak śnieg, jest ona jasna w zakresie widzialnym, ale w odróżnieniu od śniegu, pozostaje jasna także w bliskiej podczerwieni. Porównaj wykres z obrazami z ryc. 2.

Gdy przesuniemy się w kierunku bliskiej podczerwieni, przekroczymy 0,8 mikrometra, ilość odbijanego promieniowania zacznie bardzo szybko spadać. Najszybciej malało będzie odbicie dla śniegu złożonego z dużych ziaren (linia żółta), najwolniej dla drobnoziarnistego (linia czerwona). Dla fal o długości 1,6 mikrometra i 2,0 mikrometra śnieg praktycznie nie odbija już promieniowania wcale. Gdyby nasze oczy były wrażliwe na ten zakres promieniowania, śnieg byłby czarny! Wróć teraz do ryc. 1. Widzisz w Polsce regiony, które w zakresie widzialnym były białe, a stały się czarne w zakresie 1,6 mikrometra? Tak - tam właśnie jest śnieg.

Nasz wzorcowy, elektromagnetyczny odcisk palca dla śniegu (ryc. 3) został opracowany w laboratorium, na podstawie wysokorozdzielczych pomiarów spektrometrycznych. To tak, jak gdyby skanować śnieg sensorem nie o 36., ale o setkach lub tysiącach zakresów spektralnych. Niestety, sensory satelitów meteorologicznych wykorzystywane do obrazowania Ziemi mają do dyspozycji jedynie kilka zakresów. MODIS, będący instrumentem eksperymentalnym, ma ich 36. Musimy poradzić sobie z informacją nieco uboższą, jak tą z ryc. 4. (dane z tabeli 1 zamienione na wykres).

Mając do dyspozycji jedynie sześć zakresów spektralnych uda nam się jednak uchwycić charakterystyczne punkty krzywej referencyjnej (tej z laboratorium). Śnieg najłatwiej pomylić z chmurami, które w zakresie widzialnym są równie jasne (równie białe). Jednakże chmury pozostają stosunkowo jasne także w podczerwieni, np. w zakresie 1,6 mikrometra wciąż odbijając bardzo dużo promieniowania. Tymczasem śnieg, jak już mieliśmy okazję się przekonać, w zakresie 1,6 mikrometra prawie w ogóle nie odbija promieniowania - pochłaniając je w całości.

Ryc. 4. Intensywność odbicia promieniowania dla czterech punktów z tabeli 1. Kolorem niebieskim zaznaczona jest krzywa dla punktu C. W każdym zakresie spektralnym obiekt z punktu C bardzo silnie absorbuje promieniowanie słoneczne, najsilniej w podczerwieni. Takimi właściwościami charakteryzuje się woda - punkt C zlokalizowany jest w Zatoce Puckiej. Nieco jaśniejszy, zwłaszcza w bliskiej podczerwieni, jest obiekt znajdujący się w punkcie D (linia zielona). To niepokryta śniegiem roślinność. MODIS obserwuje ją teraz w czasie "zimowego snu". Z nadejściem wiosny wzrośnie aktywność fotosyntetyczna roślin i krzywa odbicia nieco się zmieni - powędruje w górę wykresu. Najjaśniejszym obiektem, w każdym zakresie spektralnym, jest obiekt z punktu B - linia pomarańczowa. W szerokości geograficznej Polski tak jasne są tylko chmury i to właśnie na nich zlokalizowany został punkt B. Ostatnia krzywa (kolor czerwony, punkt A w tabeli 1) wskazuje na obiekt, który silnie odbija promieniowanie widzialne, ale również silnie absorbuje promieniowanie podczerwone. Wyraźnie kontrastuje to z roślinnością i wodą oraz chmurami. Linia czerwona odpowiada śniegowi.

Gdybyśmy chcieli teraz zaprojektować sensor wyłącznie do obserwacji śniegu, wystarczyłyby nam dwa zakresy spektralne: jeden obejmujący fale o długości 0,68-0,76 mikrometra, drugi obejmujący fale 1,6-1,8 mikrometra. Pierwszy zakres pozwoliłby odróżnić śnieg od roślinności i wody, drugi - śnieg od chmur. Trafność takiego wyboru doskonale ilustruje ryc. 5.

Ryc. 5. Barwne kombinacje informacji spektralnych. Po lewej stronie obraz imitujący kolory, jakie zarejestrowałyby nasze oczy, gdybyśmy znaleźli się na okołoziemskiej orbicie. Po prawej sztuczne barwy powstałe przez dobór kanałów spektralnych akcentujących obecność śniegu.

Promieniowanie zarejestrowane przez sensor we wspomnianych dwóch zakresach możemy porównać nie tylko graficznie, ale przede wszystkim liczbowo. Nie zapominajmy, że cały czas operujemy liczbami (natężeniem promieniowania, odbiciem), a grafiki to tylko bardzo wygodny i poglądowy sposób wizualizacji tych liczb. Jak ilościowo porównać dwa zakresy? Na przykład dodać je do siebie, odjąć je od siebie a na końcu podzielić wynik odejmowania przez wynik dodawania. Powstanie wtedy coś, co naukowcy określają mianem wskaźnika NDSI (Normalized Difference Snow Index), wskazującego regiony występowania pokrywy śnieżnej (uwaga, wzór!):

NDSI = (zakres widzialny - zakres podczerwony) / (zakres widzialny + zakres podczerwony),

gdzie zakres widzialny to promieniowanie w przedziale 0,68-0,76 mikrometra, a zakres podczerwieni to fale o długości około 1,6-1,8 mikrometra. W praktyce dokładne granice przedziałów mogą być nieco różne, ważne jest by we wzorze uwzględnić jakiś zakres widzialny, oraz jakiś zakres podczerwieni, przy czym zakres podczerwieni powinien przypadać na pasmo silnej absorpcji promieniowania przez śnieg, a więc - zgodnie z ryc. 3 - gdzieś w okolicach 1,5 mikrometra lub 2,0 mikrometra).

Ryc. 6. Obraz w kolorach naturalnych i sztucznych oraz końcowy efekt analizy danych MODIS - mapa występowania pokrywy śnieżnej. Kolor żółty wskazuje obecność śniegu, szary obecność chmur (pod którymi być może też jest śnieg, ale nie jesteśmy w stanie tego stwierdzić). Na niebiesko zaznaczone jest morze, barwą pomarańczową nie pokryte śniegiem/lodem jeziora.

NSDI jest sercem większości algorytmów wykrywających obecność śniegu. Korzysta z niego między innymi algorytm opracowany dla sensora MODIS. Końcowym efektem pracy algorytmu jest mapa tematyczna (ryc. 6) - każdy piksel zostaje przypisany do jednej z góry określonych klas: "śnieg", "ląd", "chmury" lub "woda". W przypadku ryc. 6, obszary pokryte śniegiem zaznaczone są barwą żółtą. I to by było na tyle. Dokonaliśmy krok po kroku analizy danych satelitarnych, wspomagając się fizyką. Od względnie surowych i dość abstrakcyjnych (waty na metr kwadratowy, na mikrometr...) danych satelitarnych, doszliśmy do zrozumiałej dla każdego mapy z czterema kolorami.

Mapy tematyczne, uzyskiwane kilka razy na dzień z sensorów MODIS, AVHRR, VIIRS, SEVIRI i wielu innych, stanowią podstawę do tworzenia dziennych map zasięgu pokrywy śnieżnej na całej Ziemi. Zawarta w nich informacja jest bezcennym materiałem do badania zmienności i zmian klimatu. W oparciu o takie dane naukowcy Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk monitorują m.in. zasięg pokrywy śnieżnej w Polsce. Część wyników tych badań jest prezentowana na tej stronie internetowej : http://zoz.cbk.waw.pl/snieg/.

 

 
© 2010-2015  | Zespół Obserwacji Ziemi w CBK PAN
 
Analiza danych i koncepcja strony www: Andrzej Kotarba
Utrzymanie strony: Andrzej Kotarba i Adam Włodarkiewicz
Kontakt: zoz@cbk.waw.pl

Centrum Badań Kosmicznych PAN
 

Strona była częściowo rozwijana w ramach następujących projektów::
  GEO Network for Capacity Building - GEONetCab (http://www.geonetcab.eu/), 2009-2012
  Earth Observation for Economic Empowerment - EOPOWER (http://www.eopower.eu/),
2013-2015

  
Uwaga: Dokładamy wszelkich starań, aby strona była tak poprawna, jak to tylko możliwe. Niemniej nie dajemy żadnej gwarancji, że strona jest wolna od błędów. Korzystając ze strony i/lub danych na niej zamieszczonych uznajesz, że robisz to na WŁASNE ryzyko i WŁASNĄ odpowiedzialność. Dane źródłowe, wykorzystane do tworzenia map i wykresów na tej stronie (czyli The Interactive Multisensor Snow and Ice Mapping System) pochodzą z serwerów NOAA (http://www.natice.noaa.gov/ims/), gdzie są dostępne dla wszystkich bez ograniczeń.