Programul Satelitar Landsat

2. PROGRAMUL SATELITAR LANDSAT

2.1. Aspecte generale

Sateliții artificiali sunt obiecte create de om, care sunt lansate în spațiu și orbitează un corp ceresc. Orbita lor trebuie să fie relativ stabilă pe o perioadă mai mare de timp pentru ca sensul de "satelit" să se păstreze. Inginerii au proiectat multe tipuri de sateliți, fiecare realizat pentru a servi unui anumit scop sau misiune:

Sateliți de comunicații: NASA a lansat primi sateliți de telefonie și televiziune, AT&T’s Telastar 1, în 1962. Din 1957 au fost lansați peste 300 sateliti de comunicații. Cei din prezent oferă servicii de comunicare audio-video și de transmitere a datelor.

Sateliți de navigare: ajută la poziționarea navelor și chiar a automobilelor echipate cu receptori radio speciali. Un asemenea satelit emite continu semnale radio către Pămȃnt, care conțin informații despre poziția satelitului.

Sateliți meteorologici: aceștia pot furniza avertismente în legătură cu instabilitatea vremii și contribuie foarte mult la prognoza meteorologica. Administrația Națională a Oceanelor și Atmosferei (NOAA) operează cu trei sateliți care colectează date pentru prognoza vremii pe termen lung.

Sateliți militari: sunt similari celor comerciali, dar ei transmit date codificate pe care numai un receptor special le poate descifra. Sateliții de urmarire fotografiază la fel ca și ceilalți sateliți dar camerele acestora au o rezoluție mai mare.

Sateliți științifici: sateliții care orbitează în jurul Pămȃntului pot furniza date privind harta Terrei, mărimea și forma sa și pot studia dinamica oceanelor și a atmosferei.

Caracteristicile care descriu oricare sistem satelitar sunt numeroase și stau la baza alegerii unui sistem sau a altuia pentru o anumită aplicație. Caracteristicile fundamentale sunt: tipul de orbită, rezoluția spațială, radiometrică, spectrală și temporară și tipuri de imagine.

Tipul de orbită:

Geosincronă sau geostaționară:

sincronizată cu privire la rotația Pămȃntului

Heliosincronă sau polară:

Sincronizată cu privire la rotația Soarelui

Rezoluția spațială: dimensiunea minimă a unui obiect identificabil (m/pixel).

Rezoluția radiometrică: abilitatea de a diferenția nivelurile de gri din imagine

256 niveluri de gri 32 niveluri de gri 4 niveluri de gri 2 niveluri de gri

Rezoluția spectrală: cuprinde numărul de benzi, lățimea si poziția acestora

Banda 1 Banda 2 Banda 3 Banda 4 Banda 5 Banda 6 Banda 7

2.

0.45-0.52 µm 0.52-0.60 µm 0.63-0.69 µm 0.76-0.90µm 1.55-1.75 µm 10.4-12.05 µm 2.08-2.35 µm

Rezoluție temporală: timpul dintre doua preluări de imagini asupra aceleiași zone.

Tipul de imagine:

Imagine pancromatică (a)

Imagine multispectrală (b)

Imagine hyperspectrala (c)

2.2. Scurt istoric

Programul spațial Landsat lansat în anul 1972 este considerat cel mai lung program destinat teledetecției resurselor terestre, acesta a permis acumularea unor arhive impresionante de medie rezoluție spațială, dar de o mare rezoluție temporară (trei decenii). De-a lungul a 43 de ani, Landsat a acumulat un volum de date care depașește un petabyte, aceste date conținȃnd mai mult de 4 milioane de scene. Imaginile obținute datorită acestui program lansat la inițiativa celor de la NASA în colaborare cu US Departament of the Interior deține o colecție mareața de informații geografice privin aproape toată suprafața terestră. Prin acestă acțiune s-a planificat lansarea unei serii de șase sateliți denumiți, înainte de lansare, ERTS-A, -B, -C, -D, -E și -F iar după lansarea pe orbită urmau să poarte numele ERTS-1, -2, -3, -4, -5 și -6. Inainte de a lansa cel de-al doilea satelit din această serie ERTS-B pe 22 ianuarie 1975, NASA a hotărât să schimbe denumirea programului din ERTS în Landsat.

În 1965 , director al US Geological Survey ( USGS ) , William Pecora , a propus ideea unui program de detectare prin satelit de la distanță pentru a aduna date despre resursele naturale ale planetei noastre. W. Pecora a declarat că programul a fost " conceput în 1966 în mare parte ca un rezultat direct al utilității demonstrate a fotografiilor orbitale realizate de Mercury și Gemini pentru a studia resursele Pamantului."

Atunci când Landsat 1 a fost propus ,cei care au susținut că o aeronavă de mare altitudine ar însemna un pas foarte mare pentru omul de știință au întâlnit o opoziție intensă de la Biroul de Buget care a considerat că este o alegerea fiscală iresponsabilă. În același timp , Departamentul de Apărare se temea că un program civil, cum ar fi Landsat ar compromite secretul misiunilor de recunoaștere. În plus , au existat și preocupări geopolitice legate de fotografierea țărilor străine fără permisiune acestora.

În 1965 , NASA a început investigațiile metodice de teledetecție a Pământului folosind instrumente montate pe avioane. În 1966 ,USGS l-a convins pe Secretarul de Interne, Stewart Udall L. , să anunțe că Departamentul de Interne ( DOI ) are de gând să lanseze propriul program satelitar de observare al Pămȃntului. În cele din urmă , în 1970 NASA a primit permisiunea pentru a construi un satelit . Remarcabil , în termen de doar doi ani , a fost lansat Landsat 1 , prevestind o nouă eră a teledetecției.

Cea mai cunoscută utilizare a imaginilor trimise către Pamant de către satelitul Landsat este aplicația Google Earth dar preluarea imaginilor de către programul celor de la Google are la bază un contract limitat de colaborare între companie și NASA. Organizația spațială americană folosește resursele satelitului în mult mai multe feluri decȃt știm ori ne putem imagina noi, dintre domeniile pentru care Landsat trimite informații putȃnd enumera cartografiere, agricultură, geologie, forestier, supraveghere, educație și securitate.

2.3. Programul Landsat

Sateliții Landsat-1, -2 și -3: Acești sateliți au fost, din punct de vedere operațional similari, motiv pentru care sunt tratați în continuare împreună. Din punct de vedere constructiv aceștia aveau forma unui fluture, cu o înălțime de circa 3 m, un diametru de 1,5 m, greutatea de aproximativ 815 kg și erau dotați cu panouri solare de circa 4 m (fig 2.7).

Orbitele pe care au fost lansați au fost circulare, la o altitudine nominală de 900 km și cu înclinația de 98o față de Ecuator. Efectiv, altitudinea varia între 880 km și 940 km. Orbitele pentru cele trei tipuri de sateliți au fost sincrone cu Soarele, cu o perioadă de rotație de 103 minute. Distanța dintre orbite era de 2760 km la Ecuator, ținând astfel ritmul cu mișcarea spre vest a Soarelui odată cu rotația Pământului. In acest mod, sateliții traversau tot timpul Ecuatorul la o oră fixă și anume 9,42 a.m.

Mărimea scenei înregistrate era de 185×185 km. La interval de o singură zi orbita satelitară se deplasa ușor spre vest, astfel încât traseul se suprapunea pe o anumită porțiune cu cel al orbitei din ziua precedentă. In aceast mod imaginile au fost achiziționate cu suprapuneri la margini iar pentru acoperirea întregului Glob (excepție făcând latitudinile polare cuprinse între 82o și 90o) erau necesare 18 zile.

Senzorii folosiți la preluarea înregistrărilor au fost Return Beam Vidicon (RBV) care erau analogi camerelor de televiziune și Multispectral Scanner (MSS) care erau scannere digitale ce scanau terenul perpendicular pe direcția de înaintare a satelitului. Sistemele MSS au fost primele sisteme de monizorizare globală capabile de a achiziționa date multispectrale în format digital. prelucrate pe calculator.

Catalogarea imaginilor Landsat-1, -2 și -3 în legătură cu identificarea locației fiecărei înregistrări este făcută în cadrul sistemului mondial de referință Worldwide Reference System (WRS). Modul de catalogare al acestor sateliți diferă de restul sateliților Landsat, motiv pentru care sistemul mondial de referință în acest caz este cunoscut ca WRS-1. In acest sistem fiecare orbită, definită în cadrul unui cerc, este considerată o cale (path). De-a lungul orbitei sunt considerate ca rânduri (rows) centrele individuale ale scenelor. In acest fel fiecare scenă este definită prin specificarea orbitei, rândului și a datei. Numerotarea orbitelor în sistemul WRS-1 pentru sateliții Landsat-1, -2 și -3 corespunde numărului orbitei necesare să acopere Pământul în 18 zile. Orbitele sunt numerotate de la 1 la 251, de la est spre vest, pornind cu prima orbită de la 65,48º longitudine vestică. Rândurile sunt astfel numerotate încât rândul 60 coincide cu Ecuatorul, pe orbita descendentă. Arhiva Statelor Unite ale Americii cu imagini Landsat-1, -2 și -3 conține 500000 de scene înregistrate cu senzorii MSS și RBV iar baza de date MSS și RBV la nivel mondial conține circa 1,3 milione de scene.

Sateliții Landsat-4 și -5

Sateliții Landsat-4 și -5 au fost lansați pe orbite circulare, sincrone cu Soarele, acestea fiind orbite aproape polare. Inclinația lor a fost de 98,20 față de Ecuator iar altitudinea s-a redus de la 900 km la 705 km. Motivul reducerii altitudinii a fost, în principiu, îmbunătățirea rezoluției spațiale la teren. Fiecare orbită era parcursă în aproximativ 99 de minute, într-o zi parcurgându-se 14,5 orbite. Sateliții treceau pe deasupra Ecuatorului, de la nord la sud, în cadrul fiecărei orbite, la ora 9,45. Distanța dintre urma la teren dintre două orbite consecutive, datorită mișcării de rotație a Pământului, era de aproximativ 2752 km la Ecuator .

Fig.2.8. Principalele componente ale satelitului Landsat-4

Timpul de revizitare a fost de 16 zile și nu de 18 zile ca în cazul sateliților Landsat-1, -2 și -3. Orbitele sateliților Landsat-4 și -5 au fost stabilite nesincronizat la 8 zile, astfel că în momentul în care ambii sateliți erau operaționali, un ciclu repetitiv de 8 zile putea fi menținut cu o acoperire alternativă de fiecare satelit. Așadar, intervalul dintre două acoperiri adiacente ale aceluiași satelit era de 7 zile. Acest model de acoperire este complet diferit față de cel al primilor trei sateliți în care ciclul orbital era de 18 zile iar acoperirea dintre benzile vecine de o zi.

Catalogarea imaginilor Landsat-4 și -5 se realizează în același sistem de referință WRS dar diferit de primele trei generații de sateliți motiv pentru care sistemul este denumit WRS-2. In cazul acestora sunt luate în considerare 233 de orbite, numerotate de la 1 la 233, de la est spre vest și cu orbita 1 trecând pe la Ecuator, la longitudinea vestică de . Numărul de rânduri este păstrat ca și în cazul precedent, iar rândul 60 coincide cu Ecuatorul, la nodul orbitei descendente. Rândul 1 al fiecărei orbite începe la latitudinea nordică de . De exemplu, scena satelitară care cuprinde sud-estul Transilvaniei face parte din orbita 183, rândul 28 iar cea care înregistrează Dobrogea face parte din orbita 181, rândul 29.

Pe sateliții Landsat-4 și -5 s-au aflat atât senzorul MSS cât și TM. Sateliții aveau o greutate de aproximativ 2000 kg și au fost prevăzuți cu panouri solare cu dimensiunile 1,5×2,3 m montate pe o singură parte. In componența lor intra și o antenă de tipul “high gain” care a fost folosită la conexiunea datelor prin comunicații cu sateliți geosincroni incluzând și Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS). Scopul folosirii datelor MSS în cadrul acestor misiuni a fost asigurarea continuității datelor pentru stațiile de recepție incapabile la început de a primi și prelucra date TM.

Senzorul TM a fost unul avansat comparativ cu MSS, încorporând numeroase îmbunătățiri spectrale, radiometrice și geometrice. Imbunătățirile spectrale au avut în vedere achiziția de date în șapte benzi în loc de patru, cu noi benzi în vizibil (albastru), infraroșu mediu și porțiunea termală. De asemenea, intervalul lungimilor de undă și localizarea benzilor TM au fost astfel alese pentru a îmbunătăți diferențierea spectrală a detaliilor înregistrate.

Din punct de vedere radiometric, senzorul TM a realizat conversia analog-digital la bordul satelitului pentru datele înregistrate pe 8 biți. Comparativ cu senzorul MSS, acesta a înseamnat o creștere de 4 ori a intervalului scării de gri adică trecerea de la 6 biți (64 DN) la 8 biți (256 DN). O astfel de precizie radiometrică, fină, permite observarea micilor schimbări în radiometria detaliilor terestre dintr-o anumită bandă și asigură o mare sensibilitate la schimbări în relațiile dintre benzi.

Rezoluția spațială la teren a datelor TM este de 30 m pentru toate benzile excluzând banda termală în care înregistrările s-au realizat la rezoluția spațială de 120 m. In același timp, în cadrul designului senzorului TM s-au realizat anumite schimbări pentru a îmbunătăți precizia poziționării datelor. Majoritatea datelor TM corectate geometric sunt furnizate folosind 28,5×28,5 m GSD înregistrate în proiecția Space Oblique Mercator (SOM). Datele preluate cu acest senzor pot fi georeferențiate, de asemenea, în Universal Transverse Mercator (UTM) sau în proiecții stereografice polare.

Benzile sateliților Landsat-4 și -5 TM pot fi folosite în diferite aplicații (tabelul 2.2). In acest sens, benzile senzorului TM sunt mult mai indicate în diferențierea vegetației comparativ cu cele ale senzorului MSS. Superioritatea benzilor TM 2 și 3 este dovedită prin faptul că acestea sunt mai înguste decât omolagele lor în MSS iar banda TM în infraroșu termal (banda 4) este și ea mai îngustă decât combinația benzilor MSS care lucrează în această regiune a spectrului electromagnetic. De asemenea, benzile TM 5 și 7 din infraroșu mediu sunt capabile de a înregistra sensibilitatea plantelor la stresul hidric iar diferențierea stresului plantelor poate fi realizată în banda TM 1 (albastru).

Tabelul 2.2-Benzile spectrale ale satelitilor Landsat 4 si 5

Landsat -7

Proprietatea guvernului-Landsat 7 a fost lansat cu succes la 15 aprilie 1999 , de la vest de test Gama de Vandenberg Air Force Base , California , pe un vehicul de lansare de consum Delta – II . Instrumentul de observare a Pamantului de pe Landsat 7 , Enhanced Thematic Mapper Plus ( ETM + ) , reproduce capacitățile instrumentelor de mare succes Thematic Mapper de pe Landsats 4 și 5 .

ETM + include de asemenea caracteristici suplimentare ca un instrument mai versatil si eficient pentru studiile globale de schimbare , monitorizarea și evaluarea acoperirii terenului, și cartografierea unor zone mult mai mari mare decât permitea sateliții săi anteriori.

Landsat 7 este cel mai precis calibrat satelit de observare al Pământului, adică măsurătorile sale sunt extrem de precise în comparație cu aceleași măsurători efectuate pe teren . Senzorul Landsat 7 a fost numit " instrumentul cel mai stabil , cel mai bun instrument de caracterizare și observare al Pământului pus vreodată pe orbită . "

Senzorul ETM+ permite achiziționarea de date cu o rezoluție spațială de 15 m în pancromatic și are șase benzi cu o rezoluție spațială de 30 m în vizibil, infraroșu apropiat și infraroșu mediu. Banda termală permite realizarea de înregistrări cu o rezoluție spațială de 60 m față de 120 m cât era prevăzut pentru senzorul ETM al satelitului Landsat-6. Senzorul ETM+ prezintă setări „high gain” și „low gain” pentru benzile individuale care pot fi controlate de la teren prin schimbarea tensiunii de referință pentru convertorul analog/digital (fig……). Scopul acestei schimbări este de a maximiza rezoluția radiometrică pe 8 biți a senzorului fără saturarea detectorilor. Acest lucru necesită potrivirea setărilor pentru diferite scene, cu o anume strălucire, preluată în anumite condiții de iluminare. Pentru toate benzile, intervalul dinamic „low gain” este de aproximativ de 1,5 ori mai mare decât intervalul „high gain”. Inregistrarea unei imagini în modul „low gain” se face atunci când strălucirea peisajului este mare iar în modul „high gain” când strălucirea peisajului este slabă. Senzorul are, de asemenea, un sistem de calibrare în modul dual folosind lumina solară (dual-mode solar) și o lampă internă de calibrare care permit realizarea unei calibrări radiometrice absolute la bordul satelitului cu o precizie de 5%.

Considerat o calibrare – triumf , misiunea Landsat 7 a mers impecabil până în mai 2003, când o eroare a componentei hardware a lăsat spații goale în formă de pană de date, pe fiecare parte a imaginilor lui Landsat 7.

Landsat -8

Landsat 8 lansat pe 11 februarie 2013, de la baza Vandenberg Air Force, California, cu o sarcină utilă extinsă de la United Launch Alliance, LLC.

A fost realizat printr-o colaborare dintre NASA și USGS. NASA asigură sistemele inginerești ale misiunii, dezvoltarea acestora și a achiziționat vehiculul de pe care a fost lansat iar USGS se ocupă cu dezvoltarea sistemelor de la sol și va desfășura operațiunile misiunii. In primele 108 zile ale misiunii pe orbită, satelitul LDCM a fost verificat de către NASA și pe 30 mai 2013 operațiunile au fost transferate de la NASA către USGS când satelitul a fost redenumit oficial Landsat-8. Satelitul a fost proiectat pentru o misiune de 5,25 ani dar are la bord energie suficientă pentru a realiza misiuni pe un termen de peste 10 ani.

Satelitul Landsat-8 are de rezolvat trei misiuni și obiective științifice importante:

achiziționarea de imagini multispectrale de medie rezoluție spațială pentru realizarea unei arhive care să permită o acoperire a suprafeței Pământului pentru o perioadă de cel puțin 5 ani;

asigurarea compatibilității datelor preluate de acest satelit cu datele achiziționate de celelalte misiuni Landsat legate de geometria de preluare, calibrarea acestora, caracteristicile acoperirii și cele spectrale, calitatea produselor finale și disponibilitatea datelor pentru studii legate de detectarea schimbărilor acoperirii și utilizării terenului în timp;

distribuirea produselor Landsat-8 către publicul larg fără discriminare și costuri.

Satelitul Landsat-8 permite preluarea de imagini cu rezoluție spațială de la 15 m în pancromatic, 30 m în multispectral și 100 m în termal. Inregistrările se fac asupra suprafeței terestre și a regiunilor polare. Senzorii de pe Landsat-8 operează în spectrul vizibil, infraroșu apropiat, infraroșu scurt și infraroșu termal. Satelitul permite preluarea unui număr de aproximativ 400 de scene pe zi, ceea ce înseamnă o creștere substanțială față de Landsat-7 ETM+ care preia 250 de scene pe zi. Rezoluția radiometrică a datelor este de 12 biți. La bordul satelitului Landsat-8 se găsesc două instrumente care permit preluarea de imagini satelitare.

Tebelul 2.3: Lungimile de undă si rezoluțiile spațiale ale celor 9 benzi spectrale si ale benzilor preluate de senzorul TIRS.

Operational Land Imager (OLI) este un instrument îmbunătățit față de celelalte generații Landsat și folosește o tehnologie pe care a demonstrat-o senzorul Advanced Land Imager (ALI) aflat la bordul satelitului experimental EO-1. Instrumentul OLI folosește un senzor de tip pushbroom în locul senzorilor whiskbroom care au fost utilizați de sateliții Landsat precedenți. Senzorul pushbroom are toți detectorii aliniați de-a lungul planului focal permițând vederea transversală a întregii benzi care are o lățime de 115 mile (185 km).

Fiecare bandă spectrală are peste 7000 de detectori ceea ce a condus la creșterea sensibilității, existenței unui număr mai mic de piese aflate în mișcare și la o îmbunătățire a informației legate de suprafața terenului înregistrat. Instrumentul OLI permite achiziționarea de date în nouă benzi spectrale (1–9). Sapte dintre cele nouă benzi sunt în concordanță cu benzile senzorilor care s-au aflat pe Landsat TM și se află pe ETM+, asigurând compatibilitate cu datele Landsat anterioare și având, de asemenea, capacități îmbunătățite de înregistrare. Celelate două benzi spectrale noi, o bandă albastru (de coastă/aerosoli) și o bandă cirrus în infraroșu scurt, colectează date care ajută la măsurarea calității apei și îmbunătățește detectarea norilor subțiri și mari.