teledetectie is het verkrijgen van informatie op afstand. NASA observeert de aarde en andere planetaire lichamen via afstandssensoren op satellieten en vliegtuigen die gereflecteerde of uitgezonden energie detecteren en registreren. Externe sensoren, die een wereldwijd perspectief en een schat aan gegevens over aardesystemen bieden, maken op gegevens gebaseerde besluitvorming mogelijk op basis van de huidige en toekomstige toestand van onze planeet.

• Banen
• Waarnemen met het elektromagnetische spectrum
• Sensoren
• Resolutie
• Gegevensverwerking, interpretatie en analyse
• Datapadfinders

Banen

Er zijn drie primaire soorten banen waarin satellieten zich bevinden: polair; niet-polair, lage baan om de aarde en geostationair.

In polaire banen draaiende satellieten bevinden zich in een omloopvlak dat een hoek maakt van bijna 90 graden ten opzichte van het equatoriale vlak. Door deze helling kan de satelliet de hele aardbol waarnemen, inclusief de poolgebieden, en kan hij locaties waarnemen die moeilijk via de grond te bereiken zijn. Veel satellieten in een polaire baan worden als zonsynchroon beschouwd, wat betekent dat de satelliet elke cyclus op dezelfde zonnetijd over dezelfde locatie beweegt.

Polaire banen kunnen stijgen of dalen. In stijgende banen bewegen satellieten van zuid naar noord wanneer hun pad de evenaar kruist. In neergaande banen bewegen satellieten van noord naar zuid. Het gezamenlijke NASA / NOAA Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) is een voorbeeld van een in een polaire baan rond de aarde draaiende satelliet die dagelijks de aarde bestrijkt.

Niet-polaire, lage banen om de aarde bevinden zich op een hoogte van doorgaans minder dan 2000 km boven het aardoppervlak. (Ter referentie: het internationale ruimtestation ISS draait op een hoogte van ~ 400 km.) Deze banen bieden geen wereldwijde dekking, maar beslaan in plaats daarvan slechts een gedeeltelijk bereik van breedtegraden. De Global Precipitation Mission (GPM) is een voorbeeld van een niet-polaire satelliet in een lage baan om de aarde die van 65 graden noorderbreedte tot 65 graden zuiderbreedte reikt.

Geostationaire satellieten volgen de rotatie van de aarde en reizen met dezelfde snelheid. van de rotatie; hierdoor lijken de satellieten voor een waarnemer op aarde op één locatie te zijn gefixeerd. Deze satellieten leggen bij elke waarneming hetzelfde beeld van de aarde vast en bieden zo een bijna continue dekking van één gebied. Weersatellieten zoals de reeks Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) zijn voorbeelden van geostationaire satellieten.

Waarnemen met het elektromagnetische spectrum

Elektromagnetische energie, geproduceerd door de trilling van geladen deeltjes, reist in de vorm van golven door de atmosfeer en het vacuüm van de ruimte. Deze golven hebben verschillende golflengten (de afstand van golftop tot golftop) en frequenties; een kortere golflengte betekent een hogere frequentie. Sommige, zoals radio-, microgolf- en infraroodgolven, hebben een langere golflengte, terwijl andere, zoals ultraviolette straling, röntgenstraling en gammastraling, een veel kortere golflengte hebben. Zichtbaar licht bevindt zich in het midden van dat bereik van lange tot kortegolfstraling. Dit kleine deel van energie is alles wat het menselijk oog kan detecteren. Instrumentatie is nodig om alle andere vormen van elektromagnetische energie te detecteren. NASA-instrumenten gebruiken het volledige spectrum van het spectrum om processen die hier op aarde en andere planetaire lichamen plaatsvinden te onderzoeken en te begrijpen.

Sommige golven worden geabsorbeerd of gereflecteerd door elementen in de atmosfeer, zoals water damp en kooldioxide, terwijl sommige golflengten een ongehinderde beweging door de atmosfeer mogelijk maken; zichtbaar licht heeft golflengten die door de atmosfeer kunnen worden doorgelaten. Microgolfenergie heeft golflengten die door wolken kunnen gaan; veel van onze weer- en communicatiesatellieten profiteren hiervan.

De primaire bron van de energie die door satellieten wordt waargenomen, is de zon. De hoeveelheid gereflecteerde zonne-energie hangt af van de ruwheid van het oppervlak en zijn albedo, dat wil zeggen hoe goed een oppervlak licht reflecteert in plaats van absorbeert.Sneeuw heeft bijvoorbeeld een zeer hoog albedo en reflecteert tot 90% van de energie die het van de zon ontvangt, terwijl de oceaan slechts ongeveer 6% reflecteert en de rest absorbeert. Wanneer energie wordt geabsorbeerd, wordt deze vaak opnieuw uitgezonden, meestal bij langere golflengten. De energie die door de oceaan wordt geabsorbeerd, wordt bijvoorbeeld opnieuw uitgezonden als infraroodstraling.

Alle dingen op aarde reflecteren, absorberen of zenden energie uit, waarvan de hoeveelheid varieert per golflengte. Alles op aarde heeft een unieke spectrale ‘vingerafdruk’, net zoals je vingerafdruk uniek is voor jou. Onderzoekers kunnen deze informatie gebruiken om verschillende aardkenmerken te identificeren, evenals verschillende soorten gesteente en mineralen. Het aantal spectrale banden dat door een bepaald instrument wordt gedetecteerd , de spectrale resolutie, bepaalt hoeveel differentiatie een onderzoeker tussen materialen kan identificeren.

Voor meer informatie over het elektromagnetische spectrum, met begeleidende video’s, bekijk NASA’s Ronde van het elektromagnetische spectrum.

Sensoren

Sensoren, of instrumenten, satellieten aan boord en vliegtuigen gebruiken de zon als verlichtingsbron of leveren hun eigen verlichtingsbron en meten de energie die wordt teruggekaatst. Sensoren die natuurlijke energie van de zon gebruiken, worden passieve sensoren genoemd; degenen die hun eigen energiebron leveren, worden actieve sensoren genoemd.

Passieve sensoren omvatten verschillende soorten radiometers (instrumenten die kwantitatief de intensiteit van elektromagnetische straling in geselecteerde banden meten) en spectrometers (apparaten die zijn ontworpen om de spectrale inhoud van gereflecteerde elektromagnetische straling te detecteren, meten en analyseren). De meeste passieve systemen die door teledetectietoepassingen worden gebruikt, werken in het zichtbare, infrarode, thermisch-infrarode en microgolfgedeelte van het elektromagnetische spectrum. Deze sensoren meten de oppervlaktetemperatuur van land en zee, vegetatie-eigenschappen, wolken- en aerosoleigenschappen en andere fysische eigenschappen.

Merk op dat de meeste passieve sensoren geen dichte bewolking kunnen doordringen en dus beperkingen hebben bij het observeren van gebieden zoals de tropen waar vaak dichte bewolking voorkomt.

Actieve sensoren omvatten verschillende soorten radiodetectie en bereik ( radar) sensoren, hoogtemeters en scatterometers. De meeste actieve sensoren werken in de microgolfband van het elektromagnetische spectrum, waardoor ze onder de meeste omstandigheden de atmosfeer kunnen binnendringen. Dit soort sensoren is handig voor het meten van de verticale profielen van aerosols, bosstructuur, neerslag en wind, topografie van het zeeoppervlak en ijs, onder andere.

De Earthdata-pagina Remote Sensors biedt een lijst van alle NASA’s Aardwetenschappelijke passieve en actieve sensoren. Wat is een synthetische apertuurradar? geeft specifieke informatie over dit type actieve radarsensor.

Resolutie

Resolutie speelt een rol in hoe gegevens van een sensor kunnen worden gebruikt. Afhankelijk van de baan van de satelliet en het sensorontwerp kan de resolutie variëren. Er zijn vier soorten resolutie waarmee u rekening moet houden voor elke dataset: radiometrisch, ruimtelijk, spectraal en tijdelijk.

Radiometrische resolutie is de hoeveelheid informatie in elke pixel, d.w.z. het aantal bits dat de opgenomen energie vertegenwoordigt. Elke bit registreert een exponent van macht 2. Een 8-bits resolutie is bijvoorbeeld 28, wat aangeeft dat de sensor 256 potentiële digitale waarden (0-255) heeft om informatie op te slaan. Dus hoe hoger de radiometrische resolutie, hoe meer waarden er beschikbaar zijn om informatie op te slaan, waardoor zelfs de kleinste verschillen in energie beter kunnen worden onderscheiden. Bij het beoordelen van de waterkwaliteit is bijvoorbeeld radiometrische resolutie nodig om onderscheid te maken tussen subtiele verschillen in oceaankleur.

Ruimtelijke resolutie wordt bepaald door de grootte van elke pixel in een digitale afbeelding en het gebied op het aardoppervlak dat door die pixel wordt weergegeven. Het merendeel van de banden die door de Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) worden waargenomen, heeft bijvoorbeeld een ruimtelijke resolutie van 1 km; elke pixel vertegenwoordigt een gebied van 1 km x 1 km op de grond. MODIS omvat ook banden met een ruimtelijke resolutie van 250 m of 500 m. Hoe fijner de resolutie (hoe lager het getal), hoe meer details u kunt zien. In de onderstaande afbeelding kun je het verschil in pixelvorming zien tussen een afbeelding van 30 m / pixel, een afbeelding van 100 m / pixel en een afbeelding van 300 m / pixel.

Spectrale resolutie is het vermogen van een sensor om fijnere golflengtes te onderscheiden, dat wil zeggen, met meer en smallere banden. Veel sensoren worden als multispectraal beschouwd, wat betekent dat ze tussen de 3-10 banden hebben. Sensoren met honderden tot zelfs duizenden banden worden als hyperspectraal beschouwd. Hoe smaller het golflengtebereik voor een bepaalde band, hoe fijner de spectrale resolutie. De Airborne Visible / Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) legt bijvoorbeeld informatie vast in 224 spectrale kanalen. De kubus aan de rechterkant vertegenwoordigt het detail in de gegevens. Op dit detailniveau kan onderscheid worden gemaakt tussen gesteente- en mineraalsoorten, vegetatietypen en andere kenmerken. In de kubus bevindt het kleine gebied met hoge respons, in de rechterbovenhoek van de afbeelding, zich in het rode gedeelte van het zichtbare spectrum (ongeveer 700 nanometer), en is te wijten aan de aanwezigheid van 1 centimeter lange (halve inch ) rode pekelgarnaal in de verdampingsvijver.

De temporele resolutie is de tijd die een satelliet nodig heeft om een baan te voltooien en hetzelfde observatiegebied opnieuw te bezoeken. Deze resolutie is afhankelijk van de baan, de kenmerken van de sensor en de zwadbreedte. Omdat geostationaire satellieten overeenkomen met de snelheid waarmee de aarde roteert, is de temporele resolutie veel fijner, ongeveer 30 seconden – 1 minuut. Om de aarde draaiende satellieten hebben een temporele resolutie die kan variëren van 1 dag tot 16 dagen. MODIS heeft bijvoorbeeld een temporele resolutie van 1-2 dagen, waardoor we de aarde kunnen visualiseren terwijl deze van dag tot dag verandert. Landsat, aan de andere kant, heeft een smallere zwadbreedte en een tijdelijke resolutie van 16 dagen; toont geen dagelijkse veranderingen maar tweemaandelijkse veranderingen.

Waarom zou je geen sensor met hoge ruimtelijke, spectrale en temporele resolutie bouwen? Het is moeilijk om alle gewenste functies in één afstandssensor te combineren; om waarnemingen te verkrijgen met een hoge ruimtelijke resolutie (zoals Landsat) is een smallere strook vereist, wat op zijn beurt meer tijd vereist tussen waarnemingen van een bepaald gebied, wat resulteert in een lagere temporele resolutie. Onderzoekers moeten afwegingen maken. Daarom is het erg belangrijk om te begrijpen welk type gegevens nodig is voor een bepaald studiegebied. Bij het onderzoeken van weer, dat in de loop van de tijd erg dynamisch is, is een fijne temporele resolutie van cruciaal belang. Bij het onderzoeken van seizoensveranderingen in vegetatie, kan een fijne temporele resolutie worden opgeofferd voor een hogere spectrale en / of ruimtelijke resolutie.

Gegevensverwerking, interpretatie en analyse

Remote sensing-gegevens verkregen uit instrumenten aan boord van satellieten vereisen verwerking voordat de gegevens door de meeste onderzoekers en gebruikers van toegepaste wetenschap kunnen worden gebruikt. De meeste onbewerkte gegevens van NASA-aardobservatiesatellieten (niveau 0, zie gegevensverwerkingsniveaus) worden verwerkt in faciliteiten van Science Investigator-led Processing Systems (SIPS). Alle gegevens worden verwerkt tot ten minste niveau 1, maar de meeste hebben bijbehorende producten van niveau 2 (afgeleide geofysische variabelen) en niveau 3 (variabelen die in kaart zijn gebracht op uniforme ruimte-tijd-rasterschalen). Velen hebben zelfs Level 4-producten. Aardwetenschappelijke gegevens van NASA worden gearchiveerd in een van de Distributed Active Archive Centers (DAAC’s).

De meeste gegevens worden opgeslagen in het Hierarchical Data Format (HDF) of het Network Common Data Form (NetCDF) -formaat.Er zijn tal van datatools beschikbaar voor subset, transformeren, visualiseren en exporteren naar verschillende andere bestandsindelingen.

Zodra de gegevens zijn verwerkt, kunnen ze worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, van landbouw tot watervoorraden tot gezondheid en luchtkwaliteit. Een enkele sensor zal niet alle onderzoeksvragen binnen een bepaalde applicatie beantwoorden. Gebruikers moeten vaak meerdere sensoren en dataproducten gebruiken om hun vraag te beantwoorden, rekening houdend met de beperkingen van gegevens die worden geleverd door verschillende spectrale, ruimtelijke en temporele resoluties.

Satellietbeelden maken

Veel sensoren verzamelen gegevens op verschillende spectrale golflengten. Band één van Landsat 8 verkrijgt bijvoorbeeld gegevens van 0,433-0,453 micrometer en band één van MODIS gegevens van 0,620-0,670 micrometer. Landsat 8 heeft in totaal 11 banden, terwijl MODIS 36 banden heeft, die allemaal verschillende gebieden van het elektromagnetische spectrum meten. Banden kunnen worden gecombineerd om beelden van de gegevens te produceren om verschillende kenmerken in het landschap te onthullen. Vaak worden afbeeldingen van gegevens gebruikt om kenmerken van een bestudeerd gebied te onderscheiden of om een studiegebied te bepalen.

Voor een afbeelding met ware kleuren (rood, blauw, groen (RGB)) van Landsat, banden 4 , 3, 2 worden respectievelijk gecombineerd; met de NASA / NOAA joint Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS), is een afbeelding in ware kleuren Rood = Band I1, Groen = Band M4, Blauw = Band M3. Afbeeldingen in ware kleuren laten de aarde zien zoals je die van bovenaf zou zien. Andere combinaties kunnen echter worden gebruikt voor specifieke wetenschappelijke toepassingen – van overstromingsmonitoring en afbakening van verstedelijking tot het in kaart brengen van vegetatie. Met VIIRS-gegevens is het bijvoorbeeld nuttig om een afbeelding met valse kleuren (R = M11, G = I2, B = I1) te maken om brandwondenlittekens te onderscheiden van lage vegetatie of kale grond, en om overstroomde gebieden bloot te leggen. Om meer bandcombinaties van Landsat te zien, bekijk dan de NASA Scientific Visualization Studio Landsat Band Remix of het Earth Observatory Many Hues of London-artikel. Voor andere veel voorkomende bandcombinaties, bekijk Earth Observatory’s How to Interpret Common False-Color Images; het artikel biedt veelvoorkomende bandcombinaties maar geeft ook inzicht in de interpretatie van de beelden.

Beeldinterpretatie

Zodra gegevens zijn verwerkt tot beelden met verschillende bandcombinaties, kunnen ze helpen bij beslissingen over middelenbeheer en rampenbeoordeling; de beelden moeten alleen worden geïnterpreteerd. Er zijn een paar strategieën om aan de slag te gaan (overgenomen van de Earth Observatory’s How to Interpret a Satellite Image).

1. Ken de schaal – er zijn verschillende schalen op basis van de ruimtelijke resolutie van het beeld en elk schaal biedt verschillende belangrijke kenmerken. Als u bijvoorbeeld een overstroming volgt, ziet u in een gedetailleerde weergave met hoge resolutie welke huizen en bedrijven door water worden omringd. Het bredere landschapsbeeld laat zien welke delen van een provincie of grootstedelijk gebied onder water staan en misschien waar het water vandaan komt. Een nog breder beeld zou de hele regio laten zien – het overstroomde riviersysteem of de bergketens en valleien die de stroming beheersen. Een hemisferische weergave zou de beweging van weersystemen laten zien die verband houden met de overstromingen.
2. Zoek naar patronen, vormen en texturen – veel kenmerken zijn gemakkelijk te identificeren op basis van hun patroon of vorm. Landbouwgebieden zijn bijvoorbeeld erg geometrisch van vorm, meestal cirkels of rechthoeken. Rechte lijnen zijn typisch door de mens gemaakte constructies, zoals wegen of kanalen.
3. Kleuren definiëren – wanneer u kleur gebruikt om kenmerken te onderscheiden, is het belangrijk om te weten welke bandcombinatie is gebruikt bij het maken van de afbeelding. Afbeeldingen met ware of natuurlijke kleuren zijn in feite wat we met onze eigen ogen zouden zien als we vanuit de ruimte naar beneden kijken. Water absorbeert licht, zodat het er meestal zwart of blauw uitziet; zonlicht dat op het oppervlak weerkaatst, kan het echter grijs of zilver laten lijken. Sediment kan de waterkleur aantasten, waardoor het er bruiner uitziet, evenals algen, waardoor het groener lijkt. Vegetatie varieert in kleur afhankelijk van het seizoen: in de lente en zomer is het typisch levendig groen; herfst kan oranje, geel en bruin zijn; en de winter kan meer bruintinten hebben. Kale grond is meestal een beetje bruin; het hangt echter af van de minerale samenstelling van het sediment. Stedelijke gebieden zijn typisch grijs van het uitgestrekte beton. IJs en sneeuw zijn wit, maar wolken ook. Bij het gebruik van kleur om dingen te identificeren, is het belangrijk om omringende kenmerken te gebruiken om dingen in context te plaatsen.
4. Overweeg wat je weet: kennis hebben van het gebied dat je observeert, helpt bij het identificeren van deze kenmerken.Als u bijvoorbeeld weet dat het gebied onlangs is verbrand door een natuurbrand, kan dit helpen bepalen waarom vegetatie er een beetje anders uit kan zien.

Kwantitatieve analyse

Er kunnen verschillende soorten bodembedekking zijn worden gemakkelijker gediscrimineerd door gebruik te maken van algoritmen voor beeldclassificatie. Beeldclassificatie maakt gebruik van de spectrale informatie van elke individuele pixel. Een programma dat algoritmen voor beeldclassificatie gebruikt, kan de pixels automatisch groeperen in een zogenaamde niet-gecontroleerde classificatie. De gebruiker kan ook gebieden met een bekend type landbedekking aangeven om het programma te ‘trainen’ om die zoals pixels te groeperen; dit wordt een gecontroleerde classificatie genoemd. Kaarten of afbeeldingen kunnen ook worden geïntegreerd in een geografisch informatiesysteem (GIS) en vervolgens kan elke pixel worden vergeleken met andere GIS-gegevens, zoals censusgegevens. Voor meer informatie over het integreren van aardwetenschappelijke gegevens van NASA in een GIS, ga je naar de Earthdata GIS-pagina.

Satellieten hebben ook vaak een verscheidenheid aan sensoren die biogeofysische parameters meten , zoals de temperatuur van het zeeoppervlak, stikstofdioxide of andere luchtverontreinigende stoffen, winden, aerosolen en biomassa. Deze parameters kunnen worden geëvalueerd door middel van statistische en spectrale analysetechnieken.

Data Pathfinders

Aan helpen om aan de slag te gaan met op toepassingen gebaseerd onderzoek met behulp van op afstand gedetecteerde gegevens, Data Pathfinders bieden een gids voor het selecteren van dataproducten gericht op specifieke wetenschappelijke disciplines en toepassingsgebieden, zoals de hierboven genoemde. Pathfinders pro vide directe links naar de meest gebruikte datasets en dataproducten uit NASA’s aardwetenschappelijke datacollecties en links naar tools die verschillende manieren bieden om de data te visualiseren of subsets, met de mogelijkheid om de data in verschillende bestandsformaten op te slaan.