UNIVERZITA JANA EVANGELISTY PURKYNĚ V ÚSTÍ NAD LABEM FAKULTA ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ Katedra informatiky a geoinformatiky LANDSAT Seminární práce z DPZ Vypracoval: Robert Boldiš 1. ročník navazujícího Mgr. studia Ústí nad Labem, 2007
OBSAH 1 Anotace... 3 1.1 Klíčová slova... 3 1.2 Charakteristika práce... 3 2 Úvod... 4 2.1 Vymezení klíčových pojmů... 4 3 Trocha informací o počátcích projektu Landsat... 6 4 Družice Landsat... 6 4.1 Landsat 1, 2, 3... 6 4.2 Landsat 4, 5... 7 4.3 Landsat 6, 7... 7 5 Využití systému Landsat... 8 6 Snímky Landsat7... 9 7 Závěr... 10 8 Použitá literatura... 11 2
1 ANOTACE 1.1 Klíčová slova Dálkový průzkum Země, satelit, Landsat, NASA, Return Beam Vidicon (RBV), Multispectral Scanner (MSS), Thematic mapper (TM), Enhanced Thematic Mapper (ETM+) 1.2 Charakteristika práce V seminární práci se zabývám vývojem družicových systémů Landsat, které slouží k dálkovému průzkumu Země. Jsou zde stručně popsány technické charakteristiky jednotlivých typů družic Landsat. Práce je proložena ilustračními obrázky družic a jimi pořízenými snímky. 3
2 ÚVOD Za téma své seminární práce jsem si zvolil satelity Landsat. Toto téma považuji za velmi zajímavé a seminární práci jsem pojal jako příležitost dozvědět se o této problematice více a zároveň se zamyslet nad využitím daného satelitu. Jak jsem nepřímo uvedl již při vymezování základních pojmů, systém Landsat hraje v kosmických systémech DPZ velmi významnou roli. Je totiž již více než 30 let jedním z nejdůležitějších zdrojů informací o Zemi. 2.1 Vymezení klíčových pojmů Dálkový průzkum (dále DP) můžeme definovat jako moderní obor, který se zabývá sběrem dat na dálku. Jeho podstatou je tedy fakt, že pozorovací a pozorovaný objekt mezi sebou mají určitou, často značně velkou, vzdálenost. Není tedy nutný fyzický kontakt těchto objektů. DP umožňuje zachytit rozsáhlá a vzdálené území. Systém dálkového průzkumu tvoří sběr, přenos a úprava dat a dále k němu patří rovněž analýza a interpretace získaných údajů. Tento obor se dynamicky rozvíjí. Je asi jasné, že jeho prvopočátky jsou spojeny zejména s vojenstvím. Kdo jiný než armáda potřebuje zmapovat velká území z dálky (nejlépe nepozorovaně)? Samozřejmě, že DP je rovněž spjat dalšími obory lidské činnosti, zejména s astronomií. Astronomové se totiž rovněž neobejdou bez sběru dat o vzdálených objektech. Postupem času se tedy DP konstituoval z různých oborů a vytvořil tak obor vlastní, samostatný. DP je možné realizovat buď prostřednictvím leteckých nebo kosmických nosičů. Je samozřejmé, že leteckým se dává přednost při průzkumu Země (oblast DP orientovaná na Zemi se nazývá dálkový průzkum země, dále DPZ), zatímco kosmické sondy jsou využívány zejména při zkoumání vesmíru. V současnosti, tedy v roce 2007, již byla dálkovému průzkumu podrobena téměř všechna větší tělesa sluneční soustavy. Vzhledem k tomu, že DP využívá při sběru dat satelity a Landsat, tedy téma mé seminární práce, je právě satelit, dále vymezím, co je vlastně satelitem míněno: Satelit je objekt pohybující se po oběžné dráze kolem určitého kosmického tělesa. Je samozřejmostí, že DP je založen na využití umělých satelitů, tedy těch, které jsou vytvořeny člověkem. Nyní se dostávám k nejdůležitějšímu pojmu - Landsat. Podrobně se mu věnuji v centrální části své práce, a proto zde uvedu jen velmi stručné vymezení. Landsat je kosmický systém DPZ amerického původu. Svou povahou je civilní. Patří mezi nejdůležitější zdroje informací o naší planetě. Jednotlivé systémy Landsat jsou označeny dle data uvedení do provozu pořadovým číslem (i když Landsat 1 byl takto pojmenován až zpětně, ale to nepovažuji v tomto okamžiku za klíčové). NASA je zkráceným označením pro Národní úřad pro letectví a kosmonautiku USA (National Aeronautics and Space Administration). Je to americká vládní agentura zabývající se zejména kosmickým programem. NASA vznikl v 50. letech a v mnohém navázal na organizaci pro letectví, která mu předcházela. Mezi klíčové oblasti zájmu NASA od počátků patřily samozřejmě zejména výzkumy možností letu člověka do kosmu. NASA za 49 let své existence vyslal do vesmíru velké množství různých průzkumných sond. 4
NASA vysílal do vesmíru i mnou popisované Landsaty. Return Beam Vidicon (RBV) televizní systém nesený družicí Landsat. Obraz se zde snímá z polovodičové desky elektronicky na magnetické medium a přenáší se do přijímacích stanic na Zemi. RBV snímá v tabulce uvedená data: Rozsah od Rozsah do Prostorové rozlišení Označení pásma Kódování spektrál. pásma (µm) (µm) (m) RBV1 0.475 0.575 GREEN 80 RBV2 0.58 0.68 RED 80 RBV3 0.69 0.83 NIR 80 Multi-spectral Scanner (MSS) multispektrální skener snímá následující pasma: Rozsah od Rozsah do Prostorové rozlišení Označení pásma Kódování spektrál. pásma (µm) (µm) (m) 1 0.5 0.6 GREEN 80 2 0.6 0.7 RED 80 3 0.7 0.8 NIR 80 4 0.8 1.1 NIR 80 Thematic mapper (TM) senzor snímá níže uvedená spektrální pásma: Rozsah od Rozsah do Prostorové rozlišení Označení pásma Kódování spektrál. pásma (µm) (µm) (m) 1 0.45 0.52 BLUE 30 2 0.52 0.6 GREEN 30 3 0.63 0.69 RED 30 4 0.76 0.9 NIR 30 5 1.55 1.75 SWIR 30 7 2.08 2.35 SWIR 30 6 10.42 12.5 TIR 120 Enhanced Thematic Mapper (ETM+) vysokorozlišující osmikanálový pasivní radiometr - zdokonalená verze TM snímá tato spektrální pásma: Rozsah od Rozsah do Prostorové rozlišení Označení pásma Kódování spektrál. pásma (µm) (µm) (m) 8 0.52 0.9 PAN 15 1 0.45 0.52 BLUE 30 2 0.52 0.6 GREEN 30 3 0.63 0.69 RED 30 4 0.76 0.9 NIR 30 5 1.55 1.75 SWIR 30 7 2.08 2.35 SWIR 30 6 10.42 12.5 TIR 60 NIR (Near Infra Red) blízká infračervená oblast záření SWIR (Short Wave Infra Red) krátkovlnná infračervená oblast záření TIR (Thermal Infra Red) tepelná oblast záření PAN - panchromatický režim 5
3 TROCHA INFORMACÍ O POČÁTCÍCH PROJEKTU LANDSAT Moderní výzkumy možností pohybu těles po oběžné dráze započaly již po druhé světové válce. V průběhu 50. a 60. let probíhal vědecký výzkum v této oblasti. Postupem času se významně zvyšoval zájem o dané téma. V tomto období bylo vše zatím pouze v rovině testování. Na počátku 70. let proběhl start prvního satelitu, později nazvaného Landsat 1. Zvedla se obrovská vlna diskusí o možnostech využití získaných dat. Záštitu nad celým projektem měla samozřejmě zmiňovaná NASA. Je zajímavé, že nejprve však NASA projekt odmítla. Kolem Landsatu 1 vznikla řada sporných otázek. Problematické bylo například téma dostupnosti získaných informací pro veřejnost. NASA se nakonec ujala odpovědnosti za techniku a technologii a distribucí získaných dat byla pověřena jiný organizace. Další satelity řady Landsat startovaly v letech 1975, 1978, 1982, 1984, 1993 a 1999. 4 DRUŽICE LANDSAT 4.1 Landsat 1, 2, 3 Landsat 1 byl vypuštěn v roce 1972 pod názvem ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellites). Silně se podobal meteorologickým družicím Nimbus. Satelit měl výhradně civilní účel - sledovaní zemského povrchu. ERTS-2 opustil základnu v roce 1975. Byl organizací NASA přejmenován na Landsat 2. V téže době došlo ke zpětnému přejmenování ERTS-1 na Landsat 1. V roce 1978 následovalo vypuštění Landsatu-3. Pro mě osobně je zajímavé uvědomit si, že v roce mého narození byl zrovna vypouštěn třetí satelit tohoto typu. Landsat 1 ukončil činnost v roce 1978, Landsat 2 v 1982 a Landsat 3 1983. Landsat 1 Landsat 2 Landsat 3 První tři Landsaty se pohybovaly na subpolární dráze (tedy dráze při polárním kruhu) ve výšce 920 km nad zemským povrchem. Oběh trval 103 minut. Satelity snímaly zemský povrch ve 251 pásech o šířce 185 km, s opakovatelností měření každých 18 dní. Pásy se překrývaly asi o 14 % na rovníku a o 85 % při přeletu v blízkosti pólů. Satelity nesly dvě snímací aparatury - Return Beam Vidicon (RBV) a Multispectral scanner (MSS). RVB byl systém televizních speciálních kamer, který se zaměřoval na kartografické aplikace. MSS byl scanner s geometrickým rozlišením 80 m a byl využíván pro spektrální analýzy snímků zemského povrchu. Využití těchto dvou aparatur bylo možné nasnímat za 18 6
dní téměř celý povrch Země. Stalo se tedy skutečností to, co se ještě v 50. letech zdálo býti spíše sci-fi. 4.2 Landsat 4, 5 Landsat 4 a 5 navazují na předcházející, avšak v některých faktorech se liší. Ke změně došlo u snímacích aparatur, které využívají. Scanner MSS je na nich sice stejný, avšak televizní kamery RBV byly nahrazeny modernějším systémem označovaným Thematic Mapper. Ten pracuje v 7 spektrálních pásmech. První 3 pásma jsou zvolena v oblasti viditelného světla. Umožňují vytvořit obraz povrchu země ve skutečných barvách. Druhé 3 pásma naproti tomu pracují v oblasti infračerveného záření. Ta tedy umožňují co nejkontrastnější zobrazení snímaného povrchu. Landsat 4 a 5 se také pohybují po jiných drahách, než jaké využívaly první 3 Landsaty. Výška jejich letu byla změněna z původních 920 km na 705 km. Tyto dva přístroje snímají Zemi ve 233 pásech, jejichž šíře zůstala nezměněna. Mírně se upravilo i procento překrytí jednotlivých pásem. U těchto satelitů je 7% na rovníku a 84% v blízkosti pólů. K další změně došlo upravením opakovatelnosti měření na 16 dní. 4.3 Landsat 6, 7 Landsat 4 Landsat 5 Landsat 6 měl krátce po vypuštění závadu. Proto došlo k tomu, že bylo prodlouženo aktivní využívání předcházejícího satelitu. Původně se Landsat 6 lišil od předcházejících tím, že již nebyl vybaven aparaturou MMS a Thematic Mapper byl inovován a přejmenován na Enhanced Thematic Mapper (ETM). Nicméně vzhledem k závadě nebylo možné funkčnost této aparatury prověřit v praxi. Následovalo vypuštění Landstatu 7, který nesl vylepšený ETM +. K původním 7 spektrálním pásmům navíc přibylo panchromatické pásmo s rozlišením 15 m, které zlepšilo kvalitu obrazu pro kartografické aplikace. 7
Landsat 6 Landsat 7 Mapa oběhů družice Landsat 7 nad zemským povrchem 5 VYUŽITÍ SYSTÉMU LANDSAT Údaje získané družicí Landsat informují o situaci v území a krajině. Je možné z nich Snímky z družice LANDSAT 7 poskytují přehled o aktuální situaci v území a o využití krajiny (stavby silnic, rozsah povrchových dolů, způsob obhospodařování půdy, lesní těžba...). Na snímcích lze rozlišit různé typy vegetačních druhů a jejich zdravotní stav, mapovat typy půd, vlhkost povrchu a další fenomény. Díky vysokému počtu spektrálních pásem lze zobrazené území vizualizovat v různých kombinacích spektrálních pásem, přičemž každá z těchto kombinací přináší jiný pohled a zvýrazňuje určité vlastnosti povrchu. Snímky Landsat 7 8
6 SNÍMKY LANDSAT7 Dva nekontrolovatelné požáry v horách San Bernardino nedaleko města Yucca Valley v červenci 2006. Tento snímek byl pořízen v noci pomocí SWIR spektrálního filtru. Snímek téhož požáru pořízený ve dne v NIR spektrálním pásmu.
Snímek Bagdádu z 2.4.2003, který pořídil Landsat 7 v zobrazení "True Color" (blue, green, red). 7 ZÁVĚR NASA odmítl udělit kontrakt na vývoj a provozování nové družice v rámci programu Landsat. Do tendru se přihlásila jako jediná firma Resource 21 ze státu Colorado. Její návrh obsahoval závazek dodávat NASA data obdobná datům Landsatu po dobu 5 let za celkovou cenu půl miliardy dolarů. Důvodem vypsání veřejné soutěže byl záměr přesunout starosti se stavbou a provozem družice na soukromý sektor a potřebná data si zajistit komerční smlouvou. Poslední družice Landsat 7 byla vypuštěna v dubnu 1999 s plánovanou dobou životnosti 5 let. I když se všeobecně čekalo, že družice bude fungovat déle, byla její funkčnost silně snížena závadou na mechanismu skenovacího zrcátka, ke které došlo 31. 5. 2003. Právě na začátku pátého roku fungování Landsatu 7. Důsledkem je ztráta asi 25% plochy každé scény v podobě střídavě vynechávaných řádků, které prakticky celou scénu znehodnocují. Jedinou další obdobnou družicí je Landsat 5, který je na dráze již od roku 1984, ale stále funkční. Přestože Landsat 5 může přestat 10
fungovat každým dnem, je situace lepší než byla po ztrátě Landsatu 6 v roce 1993. V tuto chvíli je možné vedle dat Landsatu 5 a 7 používat i srovnatelná data z družic EO-1 a Terra. 8 POUŽITÁ LITERATURA http://landsat.gsfc.nasa.gov/ 6.3.2007 http://landsat.usgs.gov/index.php 6.3.2007 http://www.lib.cas.cz/knav/space.40/ 7.3.2007 http://www.arcdata.cz/data/druzicova/landsat 7.3.2007 http://www.cdesign.cz/text/ar.asp?ari=387 7.3.2007 11