|
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/.
|
