background image

Potencjalne kierunki przejścia promieni słonecznych ze Słońca do detektora. 
Źródło VITO Belgia, zmodyfikowane

CO SIĘ DZIEJE ZE ŚWIATŁEM ZANIM TRAFI DO SATELITY?

Zdalne metody badań bazują na promieniowaniu elektromagnetycznym, które jest podstawowym nośnikiem 
informacji. W zdecydowanej większości przypadków źródłem tego promieniowania jest Słońce, które emituje 
fale elektromagnetyczne w całym zakresie spektrum, czyli jest to promieniowanie: gamma (o długości fali 
poniżej 1*10

-11

 m); rentgenowskie (1*10

-11

 m – 1*10

-8

 m), ultrafioletowe (1*10

-8

 m – 4*10

-7

 m), widzialne (4*10

-

7

  m   –   7*10

-7

  m),   podczerwone   (7*10

-7

  m   –   1*10

-3

  m),   mikrofalowe   (1*10

-3

  m   –   1*10

-1

  m)   oraz   radiowe 

i telewizyjne (powyżej 1*10

-1

 m). Do górnej warstwy atmosfery dochodzi strumień promieniowania o wartości 

około 1368 +/- 45 W/m2. Wahania dochodzącego promieniowania wynikają od pory roku (zmiana odległości 
Ziemi od Słońca) oraz aktywności Słońca. Po dotarciu fali elektromagnetycznej do atmosfery czeka tam na nią 
szereg przeszkód w postaci gazów, pyłów, czy większych cząstek, na których zachodzi cały szereg procesów 
fizycznych; zależą one w głównej mierze od długości fali oraz wielkości przeszkody. Jeśli długość fali jest 
znacznie   większa   od   molekuły   (np.   gazu   występującego   w   atmosferze)   następuje   wtedy   rozpraszanie 
promieniowania (rozpraszanie Rayleigha) i pochłanianie energii przez gazy (jest to podstawowe źródło energii 
w atmosferze i decyduje o ruchach mas powietrza). Zjawisku rozpraszania promieniowania na cząstkach tlenu 
oraz azotu zawartych w atmosferze zawdzięcza się błękit nieba w ciągu dnia lub róż i czerwień podczas zachodu 
słońca, kiedy światło przechodzi przez grubszą warstwę atmosfery.

Gdy  wielkości   cząstek   są   porównywalne   z   długością   fali,   następuje   rozpraszanie   Mie.   Ma   to   miejsce   gdy 
promienie napotkają na swej drodze, np. aerozole czy cząsteczki wody w chmurze. W efekcie np. chmury 
przybierają białą barwę, a w zanieczyszczonej atmosferze, gdzie występuje zdecydowanie więcej większych 
cząstek, błękit nieba zdecydowanie ustępuje odcieniom szarości.

W przypadku gdy fala elektromagnetyczna 
napotka   na   swojej   drodze   cząsteczki 
znacznie   większe   niż   jej   długość, 
promieniowanie   elektromagnetyczne   ulega 
odbiciu,   ugięciu   i   załamaniu.   Zjawisko   to 
można

 

zaobserwować

 

podczas 

występowania

 

chmur

 

burzowych 

(Cumulonimbus),   znajdujące   się   na   ich 
krawędziach   duże   krople   wody   powodują 
ugięcie światła dając srebrzystą obwiednię 
chmury.   Natomiast,   załamanie   fal   na 
kryształkach lodu chmur piętra wysokiego 
(Cirrostratus)   daje   zjawisko   halo,   które 
można   obserwować   jako   kręgi   poświaty 
wokół słońca, czy księżyca.

Reasumując,   bilans   energii   słonecznej 
wskazuje,   iż   około   51%   energii   jest 

absorbowany   przez   powierzchnię   ziemi, 
20%   odbija   się   od   chmur,   19%   jest 
absorbowane przez atmosferę i chmury, 6% 

odbija się od atmosfery i 4 procent od powierzchni ziemi. Proporcje te różnią się w zależności od długości fali. 
Powyższe dane jasno wskazują, że stosunkowo niewielka ilość promieniowania dochodzi do powierzchni ziemi, 
ta część, która odbije się od niej będzie nośnikiem informacji o obiekcie. Dzieje się to za sprawą właściwości 
fizycznych   przedmiotów,   polegających   na   absorpcji   i   odbijaniu   promieniowania.   Odbite   fale   kierują   się 
w różnych   kierunkach   (w   tym   „z   powrotem”   ku   przestrzeni   kosmicznej)   natrafiając   na   swojej   drodze   na 
atmosferę.

Powyższa   zależność   mówiąca,  iż   część  promieniowania  zostaje   odbita   i  to  w  różnym   stopniu  dla   różnych 
długości fali, zostało sformułowane w teledetekcji, jako tak zwany spektralny współczynnik odbicia. Mówi on 
ile   energii   odbija   się   od   danego   obiektu   względem   padającego   promieniowania   w   danej   długości   fali. 
Prawidłowość   ta   jest   bardzo   cenna   z   badawczego   punktu   widzenia,   ponieważ   umożliwia   identyfikację 
większości obiektów, ponadto mówi bardzo wiele o stanie bio-fizyczno-chemicznym, w jakim znajduje się 
badany obiekt. Dla ułatwienia spektralny współczynnik odbicia przedstawia się na wykresach w funkcji długości 
fali, tzn. na osi „y” znajdują się wartości współczynnika, a na osi „x” – długość fali. Utworzony wykres nazywa 
się krzywą odbicia spektralnego lub charakterystyką spektralną danego obiektu i jest dla niego unikatowy. 

© 

Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej 

www.kosmos.gov.pl

background image

Dlatego   charakterystyki   spektralne   gromadzone   w   bazach   danych,   zwanych   bibliotekami   spektralnymi,   są 
wykorzystywane do półautomatycznej klasyfikacji danych satelitarnych.

Jak   zostało   to   przedstawione   powyżej,   obecność   atmosfery   wywiera   ogromny   wpływ   na   badania 
z wykorzystaniem danych satelitarnych. Wpływ ten ogólnie można podzielić na dwie grupy, pierwsza z nich to 
absorpcja promieniowania przez molekuły (np. H

2

O, O

3

, CO

2

, NO

x

, CH

4

), pochłanianie to jest na tyle silne, ze 

w pewnych zakresach, atmosfera nie przepuszcza żadnego promieniowania. Powszechnie znanym przykładem 
jest ozon oraz promieniowanie UV, które jest pochłaniane przez cząsteczki ozonu, a jego brak wywołuje słynną 
dziurę ozonową, bardzo negatywnie wpływając na organizmy żywe. 

W przypadku teledetekcji mówi się o oknach atmosferycznych, czyli przedziałach spektrum magnetycznego, 
które  może  przenikać  przez  atmosferę. Zatem  do badań  satelitarnych można  wykorzystać  znacznie  węższe 
przedziały spektrum, niż to zostało przedstawione na wstępnie, generalnie jest to zakres widzialny (0,4-0,7 μm 
(1 μm = 10

-6

 m)); bliska (0,7-1,5 μm), średnia (1,5-2,5 μm) i termalna (8-15 μm) podczerwień oraz mikrofale.

Pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego przez atmosferę. Źródło ESPERE zmienione

Drugi istotny problem, wynikający z obecności atmosfery to znaczące zniekształcania sygnału dochodzącego od 
odbitego obiektu do detektora satelity. Jak już zostało wcześniej wspomniane około połowy promieniowania 
biegnącego   do   powierzchni   ziemi   zostaje   rozproszone,   pochłonięte   lub   odbite   od   poszczególnych   warstw 
i obiektów   w   atmosferze.   Istotna   część   tego   promieniowania   trafia   do   detektora,   wprowadzając   znaczące 
zniekształcenia w zarejestrowanym obrazie, które muszą zostać usunięte w trakcie wstępnego przetwarzania 
obrazów satelitarnych zwanego korekcją atmosferyczną.

Reasumując, do detektora umieszczonego na satelicie dociera część promieniowania odbitego od obiektu i ta 
ilość w każdej długości fali może być inna. W najnowszych generacjach satelitów skaner składa się z linijki 
tysięcy detektorów, z których każdy mierzy ściśle określoną długość fali.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

400

900

1400

1900

2400

długość fali [nm]

w

sp

ół

cz

yn

ni

od

bi

ci

a

Vaccinium  m yrtillus
Calam agrostis villosa
Luzula alpino-pilosa
Juncus trifidus
Nardus  stricta
Pinus m ugo
granitoid
wody powierzchniowe

Charakterystyki spektralne wybranych gatunków roślin tatrzańskich oraz skał granitowych i wody. Różnice w przebiegu poszczególnych 
charakterystyk oznaczają, iż istnieje możliwość identyfikacji poszczególnych obiektów.

Przed przystąpieniem do prezentacji tego co dzieje się na detektorze należy powrócić do pojęcia spektralnego 
współczynnika odbicia. Jeżeli dane ciało nie odbija energii w danej długości fali, to jego współczynnik odbicia 
wynosi zero, jeżeli natomiast odbicie jest pełne (całość padającej energii), to współczynnik osiąga wartość jeden. 
Można   to   wyrazić   w   procentach   (0-100%).   W   przypadku   obrazów   satelitarnych   skala   możliwości   zapisu 

© 

Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej 

www.kosmos.gov.pl

background image

sygnału, na jednym z poziomów zawartych pomiędzy brakiem sygnału pobudzającego detektor, a całkowitym 
pobudzeniem skanera (100%) jest zróżnicowana i nazywa się rozdzielczością radiometryczną. Obrazowo można 
sobie to wyobrazić jako skalę (liczbę poziomów) szarości od czerni (brak sygnału), aż do bieli (całkowite 
odbicie).   Oko   ludzkie   rozróżnia   około   szesnaście   takich   poziomów.   W   skanerach   satelitarnych   stosuje   się 
kilkaset – kilkadziesiąt tysięcy takich poziomów, np. dla satelity Landsat ETM+ jest to 256 poziomów, dla 
satelity QuickBird – 2048, a Hyperiona – 65536. Wynika to z faktu, iż wszystkie przetworzenia wykonuje się 
w programach   komputerowych,   a   większa   liczba   poziomów   znacząco   ułatwia   przetwarzanie   obrazów 
i pozyskanie informacji o badanych obiektach. 

Różnica w percepcji wizualnej terenu i wielospektralnej rejestracji teledetekcyjnej. Źródło: VITO Belgia, zmodyfikowane. Oko ludzkie widzi 
tylko elementy położone na powierzchni terenu, natomiast skaner wykonując zobrazowanie w wielu kanałach umożliwia „rozłożenie” terenu 
na składowe, których oko ludzkie nie zaobserwuje, ponieważ zobrazowanie jest wykonane także w innych długościach fali niż światło 
widzialne, np. w podczerwieni.

Pozornie wydaje się, ze powinno się stosować maksymalnie dużo stopni szarości, ale wymaga to dostarczenia 
większej ilości energii do detektora, co w przypadku stałej, ogromnej prędkości satelity jest trudne, ponieważ 
wymaga zwiększenia pola widzenia detektora lub rozszerzenia zakresu spektralnego rejestrowanego sygnału. 
W pierwszym przypadku można to uczynić zmniejszając rozdzielczość przestrzenną, co w praktyce przejawia 
się zwiększeniem wielkości piksela, czyli najmniejszego, homogenicznego rejestrowanego elementu obrazu. 
W przypadku wysokorozdzielczych sensorów (np. Ikonos, QuickBird) rozdzielczość ta waha się w granicach 
0,6-4 m, dla satelitów środowiskowych wartości te oscylują w granicach kilkudziesięciu – kilkuset metrów, 
(np.   Landsat   ETM+   15-60   m,   SPOT   HRVR   10-20   m,   a   SPOT   Vegetation   1000   m),   dla   satelitów 
meteorologicznych wartości te oscylują wokół kilku kilometrów (Meteosat 2500-5000 m w punkcie nadirowym, 
czyli znajdującym się pionowo pod satelitą). W drugim przypadku chodzi o zwiększenie ilości dopływającego 
promieniowania   poprzez   zmniejszenie   liczby   kanałów   spektralnych.   W   przypadku   sensorów   satelitarnych 
szerokość detektorów panchromatycznych (rejestrujących cały zakres widzialny widma elektromagnetycznego, 
co odpowiada w fotografii wykonaniu standardowego zdjęcia czarno-białego) obejmuje kilkaset nanometrów, 
natomiast szerokość poszczególnych kanałów spektralnych wynosi kilkadziesiąt nanometrów (QuickBird: kanał 
panchromatyczny   rejestrowany   jest   w   zakresie   450-900   nm,   zakres   B   450-520   nm,   G   520-600   nm, 
R   630-690   nm,   Near-IR   760-900nm;   Landsat   ETM+:   kanał   panchromatyczny:   520-900   nm,   kanały: 
1:   450-520   nm,   2:   520-600   nm,   3:   630-690   nm,   4:   760-900   nm,   5:   1550-1750   nm,   6:   10420-12500   nm, 

© 

Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej 

www.kosmos.gov.pl

background image

7:   2080-2350   nm).   Specjalną   grupę   sensorów   stanowią   instrumenty   hiperspektralne,   w   przypadku   których 
rozdzielczość spektralna wynosi kilka – kilkanaście nanometrów, a liczba stosowanych kanałów przekracza sto. 
Za   przykład   może   służyć   satelita   Hyperion,   którego   rozdzielczość   przestrzenna   wynosi   30   m   (wielkość 
rejestrowanej sceny wynosi wtedy 7,5x100 km), a spektralna 10 nm. Rejestracja odbywa się w 220 kanałach 
w zakresie 440-2500 nm.

Jak   widać   z   powyższego   wywodu   nie   ma   możliwości   stworzenia   idealnego   satelity,   tzn.   takiego,   którego 
zobrazowanie będzie przydatne do wszystkich zastosowań. Planując misję satelitarną konstruuje się urządzenia 
specjalnie   przystosowane   do   wykonania   ścisle   założonych   zadań..   Jako   przykład   mogą   służyć   satelity 
meteorologiczne, których rozdzielczość przestrzenna jest  bardzo mała, co pozwala na pozyskiwanie bardzo 
silnego sygnału (gdyż pochodzi on z dużej powierzchni ziemi) i umieszczenie satelity stosunkowo daleko od 
Ziemi. Optymalnym rozwiązaniem jest orbita geostacjonarna (35900 km od równika), wtedy prędkość satelity 
równa   się   prędkości   obrotowej   Ziemi,   sprawiając,   że   satelita   znajduje   się   stale   nad   tym   samym   obszarem 
i wykonuje   bardzo   często   (co   30   min.)   zobrazowania   obejmujące   te   same   duże   powierzchnie   Ziemi,   co 
w praktyce pozwala na monitorowanie stanu atmosfery i ciągłe aktualizacje prognoz pogody. 

Wspomniane   powyżej   30   min.,   pomiędzy   poszczególnymi   zobrazowaniami   nazywane   jest   w   teledetekcji 
rozdzielczością   czasową,   czyli   czasem   niezbędnym   do   wykonania   powtórnego   zobrazowania   tego   samego 
obszaru. Satelity meteorologiczne charakteryzują się bardzo wysoką rozdzielczością wynoszącą kilkadziesiąt 
minut – kilka godzin (MSG – 15 min., Meteosat – 30 min., NOAA – 12 godz.), natomiast satelity środowiskowe 
(wykonujące zobrazowania na potrzeby badań środowiska) cechują się rozdzielczością kilkunastu dni (Ikonos – 
11 dni, Landsat – 16 dni, Hyperion – 16 dni).

Charakterystyki spektralne wybranych obiektów na tle kanałów satelity Landsat TM i MSS. Źródło VITO Belgia, zmodyfikowane

Przed przystąpieniem do konstrukcji instrumentu, który ma być zainstalowany na satelicie określa się cele, jakim 
ma on służyć oraz obiekty, która ma badać. Następnie wybiera się charakterystyczne miejsca na krzywych 
odbicia spektralnego i szerokość stosowanych filtrów. Dla przykładu w przypadku badań nad roślinnością do 
takich   miejsc   należy   pik   w   zielonym   zakresie   widma,   odpowiadający   odbiciu   chlorofilu,   następnie   zakres 
czerwony,   gdzie   obserwuje   się   minimum   wynikające   z   absorpcji   promieniowania   przez   chlorofil,   kolejne 
miejsce to maksimum odbicia przez struktury komórkowe w bliskiej podczerwieni. Tak więc zakresy te są 
bardzo dokładnie dobierane, ograniczając liczbę i szerokość kanałów spektralnych do niezbędnego minimum. 
Należy pamiętać, że zbędne mnożenie instrumentów i rejestrowanych przedziałów widma zbytnio obciążyłoby 
zasilanie satelity podczas pozyskiwania i transmisji danych do stacji odbioru danych.

Opracowanie: B. Zagajewski

© 

Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej 

www.kosmos.gov.pl