System obserwacji zdalnych
description
Transcript of 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)
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
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
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
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
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
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
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
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
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
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
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
9
SatelitySatelity
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
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
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
11
Schemat przetwarzania danychSchemat przetwarzania danych
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
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
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
15
Skala zjawisk oceanicznychSkala zjawisk oceanicznych
Zjawisko
Zmienność
Czas życiaSkala
przestrzennaczasowa przestrzenna
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
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
16
Skala zjawisk oceanicznychSkala zjawisk oceanicznych
Zjawisko
Zmienność
Czas życiaSkala
przestrzennaczasowa przestrzenna
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
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
17
Skala zjawisk oceanicznychSkala zjawisk oceanicznych
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
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
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
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
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych …, wykład 4
20