System obserwacji zdalnych

System obserwacji zdalnychSystem obserwacji zdalnych

Adam Krężel

Instytut Oceanografii

Zakład Oceanografii Fizycznej

Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4

121 kwietnia 2023

Promieniowanie widzialnePromieniowanie widzialne

• Kolor – przez analogię do widzenia kolorowego• Różnice

– widzenie kolorowe: trzy barwy – radiometr (koloru): dowolna liczba kanałów (barw) spektralnych

• Modyfikacja widma przez składniki wody morskiej– Fitoplankton: barwniki (pigmenty) biorące udział w procesie

produkcji pierwotnej– Substancje zawieszone– Rozpuszczona materia organiczna (CDOM)– Dno w obszarach płytkowodnych

• Bliska podczerwień – zróżnicowanie sygnału na lądzie – praktycznie brak sygnału z wody → łatwo można określić granicę pomiędzy morzem i lądem

• Wykorzystanie tylko w dzień

21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4

2

21 kwietnia 2023 3

Podczerwień termalna i radiometry mikrofalowePodczerwień termalna i radiometry mikrofalowe

• Pomiar naturalnego promieniowania – bezpośredni pomiar temperatury

• Temperatura to jeden z podstawowych parametrów stanu – jej pomiar z poziomu satelitarnego wymaga dokładnego zdefiniowania co tak naprawdę jest mierzone– Podczerwień termalna – warstwa naskórkowa– Zakres mikrofalowy – 50% informacja o

temperaturze warstwy naskórkowej – dalsze 50% zależy od kształtu powierzchni i od stałej dielektrycznej (np. pomiar zasolenia)


4

Promieniowanie mikrofalowePromieniowanie mikrofaloweczujniki aktywneczujniki aktywne

• Informacja o kształcie (szorstkości) powierzchni morza– Skaterometry (prędkość i kierunek wiatru

przywodnego)– Radary obrazujące (SAR) – duża rozdzielczość

przestrzenna (do kilku metrów), pomiar widma falowania, fal wewnętrznych, rozlewów olejowych, wirów i frontów oceanicznych

• Informacja o poziomie i nachyleniu powierzchni morza– altymetry


5

Inne formy obserwacji zdalnych oceanuInne formy obserwacji zdalnych oceanu

• Obserwacje z poziomu samolotu• Radary naziemne

– Niskoczęstotliwościowe 3-30 MHz– Wysokoczęstotliwościowe (HF)

• Echosondy• Sondy wielowiązkowe• Sonary


6

Składniki systemu obserwacji zdalnychSkładniki systemu obserwacji zdalnych

Składnik Problemy Opcje

Platforma Typ, moc, udźwig Wielo lub jednozadaniowa

Urządzenie wynoszące Dedykowane lub „przy okazji”

Typ orbity Okołopolarna lub geostacjonarna; heliosynchroniczna lub nie

Czujnik Typ czujnika Aktywny lub pasywny

Okno spektralne VIS, IR lub mikrofale

Rodzaj próbkowania Punktowe lub obrazowanie

Transmisja danych Typ kodowania danych Cyfrowe lub analogowe

Trasowanie (routing) danych Transmisja bezpośrednia, zapis i transmisja, transmisja pośrednia

Dostępność danych Bezpośredni lub kodowany

Baza naziemna Stacje odbioru danych -

Przetwarzanie wstępne Kontrola jakości, kalibracja, dowiązanie geograficzne

Dalsze przetwarzanie Wielkości fizyczne mierzone bezpośrednio i pochodne

Walidacja -

Archiwizacja -

Dystrybucja danych Polityka udostępniania

Wykorzystanie danych Interpretacja i analiza Weryfikacja względem danych in situ,

Wykorzystanie w nauce Poszerzenie wiedzy o środowisku

Wykorzystanie komercyjne Sprzedaż danych

Wykorzystanie operacyjne Monitoring oceanu, do tworzenia prognoz


7

SatelitySatelity

• Wymagania materiałowe– Brak grawitacji– Odporność na przeciążenie w czasie startu– Odporność na promieniowanie kosmiczne i mikrometeoryty– Aktywność słoneczna (2011, 2022, 2033 …)– Zmienne pole magnetyczne Ziemi

• Zasilanie (baterie słoneczne)– Kontrola termiczna: system chłodzenia i ogrzewania– Kontrola położenia: rotacja – kontrola przy pomocy

manipulacji rozkładem masy wewnątrz satelity lub przez wykorzystanie ziemskiego pola magnetycznego

– System łączności


8

SatelitySatelity

Wielozadaniowość– Duże i drogie (np.: Envisat – 8211 kg;

2610 5 m)– Czas przygotowania do misji ~ 10 lat– Jedność czasu i miejsca pomiaru różnych

parametrów– W przypadku awarii duże straty

materialne i zakłócenie planowanego trybu obserwacji; przykłady: SeaSat, ADEOS

Jednozadaniowość– Małe i tanie (np.: Jason-1, masa: ~100 kg)– Czas przygotowania do misji ~ 2 lata


9

SatelitySatelity


10

Baza naziemnaBaza naziemnaPoziomy przetworzenia danychPoziomy przetworzenia danych

Poziom Opis produktu Przykłady

0 Surowe dane bezpośrednio z satelity w standardowej, binarnej postaci

1 Dane we współrzędnych czujnika. Kalibracja czujników na pokładzie satelity

Temperatura radiacyjna. Radiacja oddolna zarejestrowana na pokładzie satelity

1.5 (1A, 1B)

W wyjątkowych przypadkach dane poprawione o korekcję atmosferyczną

2 Skorygowane ze względu na wpływ atmosfery i skalibrowane parametry stanu morza; dowiązane geograficznie ale udostępniane we współrzędnych obrazu

Radiacja opuszczająca powierzchnię morza, SST, koncentracja chlorofilu

3 Obrazy kompozytowe zmiennych środowiska w postaci map; Uśrednione w czasie i przestrzeni i z kilku nalotów produkty poziomu 2; określone z jednego czujnika mogą zawierać braki danych

Mapy SST z danego okresuMapy chlorofiluMapy odchyleń poziomu morzaKierunek i prędkość wiatruWysokość fali znacznej

4 Obrazy (mapy) w czasie i przestrzeni ; braki danych z poziomu 3 wypełnione na drodze analizy lub danych in situ . Mogą zawierać dane, z różnych czujników

Analiza zmienności globalnej temperatury powierzchni morza


11

Schemat przetwarzania danychSchemat przetwarzania danych


12

Kalibracja na pokładzie

Dane surowe

Kalibracja czujnikaModel kalibracji

Level 1

Level 0

[Level 1A]

Kalibracja przed umieszczeniem na orbicie

Punkty kontrolne na Ziemi

GPS

Model orbity - efemerydy

Dowiązanie geograficzne

Sygnał skalibrowany

Dane spektralne

Detekcja chmur

Lokalizacja każdego piksela

Inne źródła danych o atmosferze Korekcja atmosferyczna

Kalibracja zastępcza

Sensor attitude data

Schemat przetwarzania danychSchemat przetwarzania danych

21 kwietnia 2023 13

Sygnał elektromagnetyczny

opuszczający powierzchnię morza

Kalibracja geofizyczna

Level 2

Dodatkowe dane z innych czujników

Dane skalibrowane in situ

Model geofizyczny

Kompozycja czaso-przestrzenna

Dowiązane dane oceanograficzne

Dane globalne w regularnej siatce

Zastosowania naukowe

i operacyjneAnalizowane globalne dane

w regularnej siatce

Analizy

Walidacja danych

Dane z kilku rejestracji

jednego czujnika

Level 3

Level 4

Dane level 3 z różnych czujników

Dane in situ

Modele

Bazy danych i ich udostępnianieBazy danych i ich udostępnianie

• Postęp w nośnikach i komunikacji• Polityka udostępniania

– Wolny dostęp – NASA– Częściowe ograniczenia – ESA, NASDA– Pełna komercja (wyjątki: nauka, przesunięcie

czasowe)• Zróżnicowanie cen

– W zależności od odbiorcy• Rewolucja internetowa

21 kwietnia 2023

Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4

14

Skala zjawisk oceanicznychSkala zjawisk oceanicznych

Zjawisko

Zmienność

Czas życiaSkala

przestrzennaczasowa przestrzenna

Procesy dynamiczne

Wiry oceaniczne 1 rok 500 km 100 lat 5000 km

Prądy równikowe 10 dni 50 km 10 lat 3000 km

Prądy zachodnich brzegów oceanu 2 dni 10 km 10 lat 2000 km

Oceaniczne wiry mezoskalowe 5 dni 10 km 1 rok 1000 km

Fronty oceaniczne 5 dni 2 km 1 rok 1000 km

Fronty krawędzi szelfu 2 dni 2 km 1 rok 500 km

Cyrkulacja mórz szelfowych 1 dzień 2 km 6 mies. 1000 km

Prądy pływowe mórz szelfowych 1 dzień 1 km 6 mies. 500 km

Rozlewy rzeczne 3 godz. 500 m 1 mies. 100 km

Cyrkulacja estuariowa 2 godz. 50 m 1 mies. 50 km

Dynamika mikrowarstwy powierzchniowej 10 s 1 mm 1 godz. 10 km


15


Zjawisko

Zmienność

Czas życiaSkala


Procesy biologiczne

Zakwity fitoplanktonu w otwartym oceanie 2 dni 1 km 3 mies. 1000 km

Zakwity fitoplanktonu w wodach przybrzeżnych

6 godz. 200 m 1 mies. 200 km

Procesy generowane siłami zewnętrznymi

Procesy sezonowe 1 mies. 50 km 5 lat 10000 km

Zjawiska monsunowe 1 tydzień 10 km 5 lat 8000 km

Termoklina dobowa - ocean 1 godz. 5 km 5 dni 1000 km

Termoklina dobowa - szelf 1 godz. 2 km 5 dni 1000 km

Pływy oceaniczne 6 godz. 200 km 1 rok 10000 km

Pływy mórz szelfowych 2 godz. 5 km 1 rok 1000 km


16


Zjawisko

Zmienność

Czas życiaSkala


Fale bieżące (propagating waves)

Równikowe fale Kelvina 1 dzień 25 km 1 rok 5000 km

Fale Rossby’ego 10 dni 25 km 10 lat 5000 km

Pływy wewnętrzne 3 godz. 10 km 3 mies. 1000 km

Fale wewnętrzne 5 min 100 m 15 dni 1000 km

Rozkołys (swell waves) 10 s 100 m 10 lat 10000 km

Fale brzegowe 5 s 50 m 1 rok 200 km

Procesy antropogeniczne

Zrzuty ścieków 1 godz. 20 m 1 mies. 100 km

Rozlewy olejowe 2 godz. 50 m 1 mies. 500 km

Procesy plażowe 5 dni 5 m 10 lat 1000 km


17



18

• Skala przestrzenna zjawisk – od 1 mm do 1000 km

• Skala czasowa – od 1 s do lat• Przykłady:

– Wiry oceaniczne: próbkowanie co najmniej 1 raz w miesiącu na stacjach co 500 km

– Prąd Zatokowy: co najmniej 1 raz dziennie na stacjach co 10 km


19

Format danychFormat danych

Typ pliku Rozszerzenie Bitów/piksel kompresja Inne informacje

Prosty, binarny dat, bin, out niezdefiniowane brak

Bitmapa bmp 8, 16, 24 brak Najprostszy format dla Microsoft Windows

Graphic interchange format

gif 8 ~50% Bez straty informacji (loss-less)

Tagged image file format

tiff lub tif 8, 16, 24 do 10% Bez straty informacji

Portable network graphics

png 8, 16, 24 do 35% Bez straty informacjiPostulowany zamiast gif i tif

Joint picture expert group

jpg lub jpeg Zmienne; mniej niż w oryginale

do 97% Duża utrata informacji; tworzy obraz dostosowany do właściwości ludzkiego oka

Hierarchical data format

hdf Elastyczne sposoby zapisu mogące zawierać w jednym pliku wiele obrazów oraz pełny opis informacji o rodzaju , charakterze, sposobie zapisu informacji i samą informacjęNetwork common

data formatcdf


20

System obserwacji zdalnych

Documents

Transcript of System obserwacji zdalnych