Terra

Terra je první komplexně přístrojově vybavenou družicí patřící do Systému pozorování Země (Earth Observation System – EOS), který buduje NASA. EOS má vědeckou část a datový informační systém. Na ně navazují skupiny družic určené pro dlouhodobé pozorování globálních změn zemského povrchu, biosféry, litosféry, atmosféry a oceánů. Je to družice o velikosti malého autobusu. Nese pět moderních senzorů, které studují interakce mezi atmosférou, zemí, oceány, živočichy a rostlinami, a radiační energií v tepelné a nebo světelné podobě. Terra se pohybuje na slunečně-synchronní oběžné dráze 30 minut za družicí Landsat 7. Rovník přechází asi v 10.30 místního slunečního času , kdy je minimální zakrytí povrchu oblačností. Naměřené údaje z pásů jednotlivých přeletů mohou být sestaveny do celkového globálního obrazu.
Přístroje na družici Terra:
  • multispektrální skener ASTER, zobrazující spektroradiometr MODIS,
  • vícesměnový zobrazující spektroradiometr MISR
  • aparatura na měření záření mraků a zemského povrchu CERES
  • zařízení na měření znečištění v troposféře MOPITT.

Plánovaná životnost družice je šest let. Poté bude nahrazena další družicí, která bude zdokonalena o nové technologie.

ASTER
ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) je multispektrální skener, který dokáže pořídit obraz Země s vysokým rozlišením (pixely zabírají plochu 15 až 90 m2 podle spektrálního pásma) ve 14-ti různých vlnových délkách od viditelného světla po infračervené záření. Data z ASTERu jsou využívána pro tvorbu detailních map teplot zemského povrchu, jeho emisivity a odrazivosti . Na rozdíl od ostatních zařízení na družici, ASTER nepořizuje data nepřetržitě, ale v průměru jen 8 minut na jeden přelet. Navíc má skener proměnný úhel záběru, takže z podrobných stereoskopických dat ASTERu je možné vytvářet i detailní výškové modely terénu. Senzor slouží i jako „zvětšovací“ lupa pro data z ostatních přístrojů družice.

MODIS
MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectro-radiometer) se šířkou záběru 2230 km měří každé místo na Zemi opakovaně po 1-2 dnech ve 36-ti spektrálních pásmech. MODIS je zdokonaleným nástupcem radiometru NOAA s vysokým rozlišením (AVHRR). Díky vysoké frekvenci měření se výborně hodí pro zkoumání významu různého typu oblačnosti a aerosolů v klimatickém systému Země. Je také skvělým pomocníkem při studiích uhlíkového cyklu. Žádný družicový přístroj zatím neumí přímo měřit koncentraci CO2 v atmosféře – MODIS zjišťuje fotosyntetickou aktivitu suchozemských a mořských rostlin (fytoplanktonu). Na základě těchto dat mohou vědci odhadovat rozdíly obsahu CO2 v atmosféře a lépe hodnotit velikost klimatických změn. Ve spojení s měřením teploty vody v Tichém oceánu lze předvídat i příchod známého El Nina.

MISR
MISR (Multi-angle Imaging Spectro-Radiometer) je nový typ zařízení navržený pro konkrétní úkol – proměřit směrové charakteristiky odrazu slunečního záření od zemského povrchu. Je vybaven devíti kamerami nastavenými v různých pozorovacích úhlech. Jedna kamera je nařízena směrem k nadiru, a další poskytují pohledy pod úhly 26.1°, 45.6°, 60.0° a 70.5° dopředu i dozadu ve směru pohybu. Při letu družice je každá oblast na zemském povrchu postupně snímána všemi devíti kamerami ve čtyřech vlnových délkách (modrá, zelená, červená a blízké infra).

MOPITT
MOPITT (Measurements of Pollution in the Troposphere) je zařízení sloužící ke studiu spodních vrstev atmosféry, obzvláště interakcí země a oceánu. Zaměřuje se na distribuci, dopravu, zdroje a propady pro CO a metan v troposféře. Je to první družicový senzor, který používá plynovou korelační spektroskopii.

CERES
Zařízení CERES (Clouds and the Earth´s Radiant Energy System) sestává ze dvou identických přístrojů, které měří celkovou radiaci Země a vlastnosti oblačných systémů. Tyto údaje pomáhají upřesnit modely přenosu zářivé energie mezi zemským povrchem a horními vrstvami atmosféry.

 

ASTER


ASTER provádí měření ve 14-ti spektrálních pásmech v oboru viditelného až tepelného infračerveného záření, a to s vysokým prostorovým, spektrálním a radiometrickým rozlišením. Pro pořizování stereoskopických dat je navíc měření v jednom kanále uskutečňováno ještě šikmo dozadu. Prostorové rozlišení se liší podle vlnové délky: 15m ve viditelné a blízkoinfračervené oblasti (VNIR), 30m ve středním infračerveném pásmu (SWIR), a 90m v tepelném infračerveném pásmu (TIR). Každá scéna pokrývá území 60×60 km.
ASTER může získat data z celé zeměkoule při průměrném využití 8 % doby na jednom obletu. To znamená pořízení asi 650 scén za den, které jsou zpracovány na úrovni 1A. Z nich je asi 150 dále zpracováno do úrovně 1B. Všechny scény jsou soustředěny v archívu EROS Data Center pro následné uskladnění, distribuci a zpracování na produkty vyšší úrovně. Všechny produkty ze skeneru ASTER jsou uchovávány ve speciální modifikaci hierarchického datového formátu HDF-EOS.

ASTER vyvinula NASA společně s japonským Ministerstvem obchodu a průmyslu. Na jeho stavbě spolupracovaly výzkumné týmy z obou zemí.
Spektrální pásma ASTERu jsou rozdělena do tří skupin:
  • VNIR (viditelné a blízké IČ) má 3 pásma s rozlišením 15m a dodatečné pásmo se zpětným směrem pozorování pro pořizování stereodat
  • SWIR (střední IČ) má 6 pásem s rozlišením 30m
  • TIR (tepelné IČ) má 5 pásem s rozlišením 90m.
Každý systém má vlastní optiku a byl vyroben různými japonskými firmami. Družice Terra se pohybuje po kruhové polární dráze ve výšce 705km. Oběžná dráha je synchronní se Sluncem s termínovým rozlišením 16 dní. Družice prochází sestupným uzlem dráhy v 10.30 místního času. Parametry oběžné dráhy jsou – kromě času přechodu rovníku – shodné s parametry dráhy Landsatu 7.

Systém VNIR má dva samostatné skenery: jeden pro směr pozorování dozadu a druhý pro měření podél místní vertikály. Detektor v každém spektrálním pásmu je tvořen řádkou 5000 CCD prvků, z nichž se používá vždy jen určitých 4000. Je to proto, aby se data z obou skenerů prostorově přesně shodovala. Vyrovnává se tak posun způsobený časovým odstupem mezi daty téhož území. Skener pro zpětný pohled má v ohniskové rovině řádku s jen 4000 čidel. Každý teleskop je kalibrován 2 nezávislými kalibrovacími přístroji. Zdroj záření je halogenová lampa. Systém je kontrolován tak, aby absolutní radiometrická přesnost byla ± 4 % nebo lepší. VNIR pořizuje nejvíc dat ze všech 3 zobrazovacích systémů ASTERu. Čtyři kanály produkují objem dat 62 Mbps.

Systém SWIR má šest spektrálních pásem, ve všech jsou platino-křemíkové detektory. Pro snížení šumu jsou detektory spojeny s chladičem, který má funkční dobu 50 000 hodin. Spektrálním děličem jsou optické filtry. Systém má rovněž kalibrační zařízení podobného typu jako u VNIR, avšak jenom jedno pro všechny kanály. Absolutní radiometrická přesnost naměřených dat je + 4 % nebo lepší. Datový tok činí 23 Mbps.

Systém TIR je na rozdíl od dvou předešlých tvořen mechanickým skenerem. Každé spektrální pásmo má 10 detektorů ze směsi HgCdTe a s vlastním zesilovačem signálu. Chladící systém udržuje teplotu detektorů na hodnotě 80 K. Přesnost stanovení teploty se v jednotlivých kanálech pohybuje mezi 1-3K. Datový tok s tohoto systému je 4,2 Mbps.

Úroveň zpracování dat

ASTER poskytuje 2 typy dat úrovně 1: úroveň-1A (L1A) a úroveň-1B (L1B). L1A data jsou formálně definována jako nezpracovaná data s plným rozlišením. Obsahují obrazová data, radiometrické koeficienty, geometrické koeficienty a další pomocné údaje, aniž by se těmito koeficienty upravila obrazová data. Použitím těchto koeficientů vzniknou data úrovně L1B, které jsou tak radiometricky kalibrovaná a převzorkovaná po geometrické transformaci.

Všechna pořízená data jsou zpracována jako L1A. Záznamová kapacita družice omezuje množství pořízených scén na 650 za jeden den. Z nich je maximálně 310 scén (v závislosti na oblačnosti) každý den zpracováno jako L1B. Hlavní kroky při zpracování dat na úrovni-1 jsou tyto:
  • Jednodenní plán pořizování dat je sestavován v Japonsku (s americkými i japonskými podklady) a poslán do operačního centra EOS v Goddardově kosmickém středisku (GSFC).
  • Plán je přehrán do počítače na družici Terra a podle něho se pořizují data.
  • Terra předává data na úrovni 0 přes telekomunikační družicový systém do přijímací stanice ve White Sands, Nové Mexiko, USA.
  • Data jsou zaznamenána na pásky a dopravena do datového operačního systému EDOS v GSFC.
  • Po minimálním zpracování jsou data na páskách poslána do centra ASTER v Japonsku.
  • Centrum zpracuje data z úrovně 0 do úrovně 1A a 1B.
  • Data úrovně L1A a L1B jsou na páskách předána zpět do USA k archivaci, distribuci a vytváření dalších produktů.

U dat úrovně-1A (L1A) se u všech třech systémů generují přehledové obrázky. Jsou provedeny s podobnou radiometrickou korekcí jako u úrovně 1A a s použitím stejných geometrických koeficientů jako pro produkt 1B. Přehledové obrázky pro všechna obrazová data jsou 24-bitové soubory o velikosti 224×208 pixelů a ve formátu JPEG.

Data úrovně-1B (L1B) jsou radiometricky a geometricky korigovaná a zapsaná v jednom HDF souboru. Mají orientaci dráhy (path oriented). Navíc jsou data ze systémů SWIR a TIR prostorově navázána na data z VNIR a opravena paralaxová chyba mezi jednotlivými spektrálními pásmy. Přehledové obrázky pro data této úrovně se používají stejné jako pro data na úrovni 1A.

Strategie pořizování dat

ASTER není určen pro soustavné pořizování dat. Proto se na každý den sestavuje plán území, která budou měřena a i pořadí priorit. Postupuje se podle připravené strategie a s přihlédnutím k optimálnímu využití finančních zdrojů na provoz družice. Program se sestavuje podle požadavků na pořízení dat, které se dělí do tří kategorií: místní pozorování, regionální monitorování a globální mapování. Místní pozorování se provedou na základě požadavků od oficiálních uživatelů družice TERRA – skeneru ASTER. Patří mezi ně data pro studium užití půdy, energetické rovnováhy zemského povrchu nebo pro lokální geologické situace. Zvláštním způsobem se vyřizují žádosti o sledování katastrof jako jsou sopečné výbuchy, záplavy nebo požáry.
Regionální data jsou vybírána pro sledování větších územních celků nebo monitorování s využitím multitemporálního datového souboru. Globální datové soubory jsou určeny pro vědecký výzkum určitého oboru. Data ASTERu v tom případě doplňují data s horším rozlišením z ostatních družic patřících do EOS, pořizovaná ale častěji. Tyto datové soubory zahrnují celý zemský povrch ve všech spektrálních pásmech i stereodata.
O pořízení regionálních a globálních datových souborů rozhoduje vědecký tým projektu ASTER. Z celkové kapacity na pořizování dat připadá asi 25% na místní pozorování, 50% na regionální monitoring a 25% na globální mapování.

Aplikace

ASTER je skener s jedinečným přístrojovým vybavením pro pozorování zemského povrchu a atmosféry. Na základě pořízených dat s vysokým prostorovým i spektrálním rozlišením lze provádět měření spektrální odrazivosti a relativní emisivity, intenzity vyzařování, teploty, zářivé teploty a sestavovat digitální výškové modely. Aplikační obory zahrnují geologii a pedologii, dynamiku vegetace a ekosystémů, monitorování katastrof, klimatologie, hydrologie a změn krajinného krytu.
V hydrologii jde například o měření čistoty vody, její teploty a proudění vody v nádržích. Při sledování městské zástavby se data mohou využít ke sledování teplotního rozložení na území města, mapování vnitřní struktury města a jejich změn. Podobné sledování rozložení teploty u vegetačního krytu lze využít ke studiu vegetačního vývoje a včasného určování anomálních jevů. V geologii lze dat ASTERu využít pro sestavování a upřesnění geologických map za zlomek ceny oproti konvenčním způsobům. Lze tak zlevnit hledání nových ložisek nerostů a nafty, podzemní vody nebo napomoci při určování aktivity tektonických zlomů.

 

nahoru

Družice Terra

Družice Senzor Typ dat Počet pásem Prostorové rozlišení [m] Archiv od
TERRA ASTER Optická 14 15.0, 30.0, 90.0 2000
TERRA MODIS Optická 36 250.0, 500.0, 1000.0 2000
 
 

nahoru