Teledetecția este obținerea de informații de la distanță. NASA observă Pământul și alte corpuri planetare prin intermediul unor senzori la distanță pe sateliți și aeronave care detectează și înregistrează energia reflectată sau emisă. Senzorii de la distanță, care oferă o perspectivă globală și o multitudine de date despre sistemele Pământului, permit luarea de decizii bazate pe date pe baza stării actuale și viitoare a planetei noastre.

• Orbite
• Observarea cu spectrul electromagnetic
• Senzori
• Rezoluție
• Prelucrarea, interpretarea și analiza datelor
• Căutători de date

Orbite

Există trei tipuri principale de orbite în care se află sateliții: polari; nepolar, orbită joasă a Pământului și geo-staționar.

Sateliții cu orbită polară se află într-un plan orbital înclinat la aproape 90 de grade față de planul ecuatorial. Această înclinație permite satelitului să sesizeze întregul glob, inclusiv regiunile polare, oferind observații ale locațiilor greu accesibile din sol. Mulți sateliți cu orbită polară sunt considerați sincronizați cu soarele, ceea ce înseamnă că satelitul trece peste aceeași locație la același timp solar în fiecare ciclu.

Orbitele polare pot fi ascendente sau descendente. Pe orbite ascendente, sateliții se deplasează de la sud la nord când drumul lor traversează ecuatorul. Pe orbite descendente, sateliții se deplasează de la nord la sud. Parteneriatul comun NASA / NOAA Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) este un exemplu de satelit orbitant polar care asigură acoperire zilnică a globului.

Orbitele non-polare, joase, ale Pământului se află la o altitudine de obicei mai mică de 2.000 km deasupra suprafeței Pământului. (Pentru referință, Stația Spațială Internațională orbitează la o altitudine de ~ 400 km.) Aceste orbite nu oferă o acoperire globală, ci acoperă doar o gamă parțială de latitudini. Misiunea globală de precipitații (GPM) este un exemplu de satelit nepolar, pe orbită joasă a Pământului, care acoperă de la 65 grade nord până la 65 grade sud.

Sateliții geostaționari urmăresc rotația Pământului și se deplasează cu aceeași viteză de rotație; din această cauză, sateliții apar unui observator de pe Pământ pentru a fi fixați într-o singură locație. Acești sateliți surprind aceeași vedere a Pământului cu fiecare observație și astfel asigură o acoperire aproape continuă a unei zone. Sateliții meteo precum seria Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) sunt exemple de sateliți geostaționari.

Observarea cu spectrul electromagnetic

Energia electromagnetică, produsă de vibrația particulelor încărcate, se deplasează sub formă de unde prin atmosferă și vidul spațiului. Aceste unde au lungimi de undă diferite (distanța de la creasta de undă la creasta de undă) și frecvențe; o lungime de undă mai mică înseamnă o frecvență mai mare. Unele, cum ar fi radioul, cuptorul cu microunde și undele infraroșii, au o lungime de undă mai mare, în timp ce altele, cum ar fi razele ultraviolete, razele X și gama, au o lungime de undă mult mai mică. Lumina vizibilă se află în mijlocul acelei radiații de undă lungă până la undă scurtă. Această mică porțiune de energie este tot ceea ce ochiul uman este capabil să detecteze. Instrumentarea este necesară pentru a detecta toate celelalte forme de energie electromagnetică. Instrumentarea NASA utilizează întreaga gamă a spectrului pentru a explora și a înțelege procesele care au loc aici pe Pământ și pe alte corpuri planetare.

Unele unde sunt absorbite sau reflectate de elementele din atmosferă, cum ar fi apa vapori și dioxid de carbon, în timp ce unele lungimi de undă permit mișcarea fără obstacole prin atmosferă; lumina vizibilă are lungimi de undă care pot fi transmise prin atmosferă. Energia microundelor are lungimi de undă care pot trece prin nori; mulți dintre sateliții noștri de vreme și comunicații profită de acest lucru.

Sursa primară de energie observată de sateliți este soarele. Cantitatea de energie a soarelui reflectată depinde de rugozitatea suprafeței și de albedo, care este cât de bine reflectă o suprafață lumina în loc să o absoarbă.Zăpada, de exemplu, are un albedo foarte ridicat, reflectând până la 90% din energia pe care o primește de la soare, în timp ce oceanul reflectă doar aproximativ 6%, absorbind restul. Adesea, atunci când energia este absorbită, aceasta este re-emisă, de obicei la lungimi de undă mai mari. De exemplu, energia absorbită de ocean este re-emisă ca radiație infraroșie.

Toate lucrurile de pe Pământ reflectă, absorb sau transmit energie, a cărei cantitate variază în funcție de lungimea de undă. Totul de pe Pământ are o „amprentă digitală” spectrală unică, la fel cum amprenta dvs. este unică pentru dvs. Cercetătorii pot utiliza aceste informații pentru a identifica diferite caracteristici ale Pământului, precum și diferite tipuri de roci și minerale. Numărul de benzi spectrale detectate de un instrument dat , rezoluția sa spectrală, determină câtă diferențiere poate identifica un cercetător între materiale.

Pentru mai multe informații despre spectrul electromagnetic, cu videoclipuri însoțitoare, consultați Turul NASA al spectrului electromagnetic.

Senzori

Senzori sau instrumentele, sateliții de la bord și aeronavele folosesc soarele ca sursă de iluminare sau asigură propria sursă de iluminare, măsurând energia reflectată înapoi. Senzorii care folosesc energia naturală de la soare se numesc senzori pasivi; cei care furnizează propria sursă de energie sunt numiți senzori activi.

Senzorii pasivi includ diferite tipuri de radiometre (instrumente care măsoară cantitativ intensitatea radiației electromagnetice în anumite benzi) și spectrometre (dispozitive concepute pentru a detecta, măsura și analiza conținutul spectral al radiației electromagnetice reflectate). Majoritatea sistemelor pasive utilizate de aplicațiile de teledetecție funcționează în porțiunile vizibile, infraroșii, infraroșii termice și cu microunde ale spectrului electromagnetic. Acești senzori măsoară temperatura suprafeței terestre și a mării, proprietățile vegetației, proprietățile norilor și aerosolilor și alte proprietăți fizice.

Rețineți că majoritatea senzorilor pasivi nu pot penetra acoperirea densă a norilor și, prin urmare, au limitări de observare a zonelor, cum ar fi tropicele, unde acoperirea densă a norilor este frecventă.

Senzorii activi includ diferite tipuri de detectare și variație radio ( radar) senzori, altimetri și dispersometri. Majoritatea senzorilor activi funcționează în banda cu microunde a spectrului electromagnetic, ceea ce le conferă capacitatea de a pătrunde în atmosferă în majoritatea condițiilor. Aceste tipuri de senzori sunt utile pentru măsurarea profilurilor verticale ale aerosolilor, structurii pădurii, precipitațiilor și vânturilor, topografiei suprafeței mării și a gheții, printre altele.

Pagina Earthdata Senzori de la distanță oferă o listă a tuturor NASA Senzori activi și pasivi ai științei Pământului. Ce este radarul cu diafragmă sintetică? oferă informații specifice despre acest tip de senzor radar activ.

Rezoluție

Rezoluția joacă un rol în modul în care datele de la un senzor pot fi utilizate. În funcție de orbita satelitului și de designul senzorului, rezoluția poate varia. Există patru tipuri de rezoluție de luat în considerare pentru orice set de date – radiometric, spațial, spectral și temporal.

Rezoluția radiometrică este cantitatea de informații din fiecare pixel, adică numărul de biți care reprezintă energia înregistrată. Fiecare bit înregistrează un exponent de putere 2. De exemplu, o rezoluție de 8 biți este 28, ceea ce indică faptul că senzorul are 256 valori digitale potențiale (0-255) pentru a stoca informații. Astfel, cu cât rezoluția radiometrică este mai mare, cu atât sunt disponibile mai multe valori pentru stocarea informațiilor, oferind o discriminare mai bună chiar și între cele mai mici diferențe de energie. De exemplu, atunci când se evaluează calitatea apei, este necesară rezoluția radiometrică pentru a distinge diferențele subtile de culoare ale oceanului.

Rezoluția spațială este definită de dimensiunea fiecărui pixel din cadrul unei imagini digitale și de aria de pe suprafața Pământului reprezentată de acel pixel. De exemplu, majoritatea benzilor observate de Spectroradiometrul de imagistică cu rezoluție moderată (MODIS), au o rezoluție spațială de 1 km; fiecare pixel reprezintă o suprafață de 1 km x 1 km pe sol. MODIS include, de asemenea, benzi cu o rezoluție spațială de 250 m sau 500 m. Cu cât rezoluția este mai bună (cu atât numărul este mai mic), cu atât puteți vedea mai multe detalii. În imaginea de mai jos, puteți vedea diferența de pixelare între o imagine de 30 m / pixel, o imagine de 100 m / pixel și o imagine de 300 m / pixel.

Rezoluția spectrală este capacitatea unui senzor de a discerne lungimi de undă mai fine, adică având mai multe benzi și mai înguste. Mulți senzori sunt considerați a fi multispectrale, ceea ce înseamnă că au între 3-10 benzi. Senzorii care au sute până și mii de benzi sunt considerați hiperspectrali. Cu cât intervalul de lungimi de undă este mai restrâns pentru o anumită bandă, cu atât rezoluția spectrală este mai fină. De exemplu, spectrometrul de imagistică vizibilă / infraroșu în aer (AVIRIS) captează informații în 224 de canale spectrale. Cubul din dreapta reprezintă detaliile din cadrul datelor. La acest nivel de detaliu, se pot face distincții între tipurile de roci și minerale, tipurile de vegetație și alte caracteristici. În cub, regiunea mică de răspuns ridicat, în partea dreaptă sus a imaginii, se află în porțiunea roșie a spectrului vizibil (aproximativ 700 nanometri) și se datorează prezenței lungi de 1 centimetru (jumătate de inch) ) creveți de saramură roșie în iazul de evaporare.

Rezoluția temporală este timpul necesar unui satelit pentru a finaliza o orbită și a revizita aceeași zonă de observare. Această rezoluție depinde de orbită, de caracteristicile senzorului și de lățimea benzii. Deoarece sateliții geostaționari se potrivesc cu viteza la care se rotește Pământul, rezoluția temporală este mult mai fină, la aproximativ 30s – 1min. Sateliții orbitați polari au o rezoluție temporală care poate varia de la 1 zi la 16 zile. De exemplu, MODIS are o rezoluție temporală de 1-2 zile, permițându-ne să vizualizăm Pământul pe măsură ce se schimbă zi de zi. Landsat, pe de altă parte, are o lățime mai mică a benzii și o rezoluție temporală de 16 zile; nu afișează modificări zilnice, ci modificări bilunare.

De ce nu construiți un senzor de rezoluție spațială, spectrală și temporală ridicată? Este dificil să combinați toate caracteristicile dorite într-un singur senzor la distanță; pentru a obține observații cu rezoluție spațială ridicată (cum ar fi Landsat) este necesară o bandă mai îngustă, care la rândul său necesită mai mult timp între observațiile unei zone date, rezultând o rezoluție temporală mai mică. Cercetătorii trebuie să facă compromisuri. Acesta este motivul pentru care este foarte important să înțelegem ce tip de date sunt necesare pentru orice domeniu de studiu dat. Când se cercetează vremea, care este foarte dinamică în timp, este esențial să ai o rezoluție temporală fină. Când se cercetează modificările vegetației sezoniere, o rezoluție temporală fină poate fi sacrificată pentru o rezoluție spectrală și / sau spațială mai mare.

Prelucrarea, interpretarea și analiza datelor

Datele de teledetecție dobândite de la instrumente la bordul sateliților necesită prelucrare înainte ca datele să poată fi utilizate de majoritatea cercetătorilor și utilizatorilor de științe aplicate. Cele mai multe date brute, de satelit de observare a Pământului de la NASA (Nivelul 0, vezi nivelurile de procesare a datelor) sunt procesate la instalațiile de sisteme de procesare conduse de cercetătorii științifici (SIPS). Toate datele sunt procesate la cel puțin un nivel 1, dar majoritatea au produse asociate nivelului 2 (variabile geofizice derivate) și nivelului 3 (variabile mapate pe scări uniforme ale grilei spațiu-timp). Mulți au chiar produse de nivel 4. Datele NASA despre știința Pământului sunt arhivate la unul dintre centrele de arhivă activă distribuite (DAAC)

Majoritatea datelor sunt stocate în formatul de date ierarhice (HDF) sau în formatul Network Common Data Form (NetCDF).Numeroase instrumente de date sunt disponibile pentru subset, transformare, vizualizare și export în diferite alte formate de fișiere.

Odată procesate datele, acestea pot fi utilizate într-o varietate de aplicații, de la agricultură la resursele de apă, până la sănătate și calitatea aerului. Un singur senzor nu va aborda toate întrebările de cercetare dintr-o anumită aplicație. Utilizatorii trebuie adesea să utilizeze mai mulți senzori și produse de date pentru a-și răspunde la întrebarea lor, ținând cont de limitările datelor furnizate de diferite rezoluții spectrale, spațiale și temporale.

Crearea de imagini prin satelit

Mulți senzori dobândesc date la diferite lungimi de undă spectrale. De exemplu, banda Landsat 8 obține date la 0,433-0,453 micrometri, iar banda MODIS primește date la 0,620-0,670 micrometri. Landsat 8 are un total de 11 benzi, în timp ce MODIS are 36 de benzi, toate măsurând diferite regiuni ale spectrului electromagnetic. Benzile pot fi combinate pentru a produce imagini ale datelor pentru a dezvălui diferite caracteristici din peisaj. Adesea imagini de date sunt folosite pentru a distinge caracteristicile unei regiuni studiate sau pentru a determina o zonă de studiu.

Pentru o imagine cu culoare adevărată (roșu, albastru, verde (RGB)) din Landsat, benzi 4 , 3, 2 sunt combinate, respectiv; împreună cu NASA / NOAA Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) Visible Infrared Imaging Radiometer Imaging Radiometer Suite (VIIRS), o imagine în culori reale este Roșu = Band I1, Verde = Band M4, Blue = Band M3 Imaginile în culori adevărate arată Pământul așa cum l-ați vedea de sus. Cu toate acestea, alte combinații pot fi utilizate pentru aplicații științifice specifice – de la monitorizarea inundațiilor până la delimitarea urbanizării la cartografierea vegetației. De exemplu, cu datele VIIRS, crearea unei imagini în culori false (R = M11, G = I2, B = I1) este utilă pentru a distinge cicatricile de arsură de vegetația scăzută sau solul gol, precum și pentru a expune zonele inundate. Pentru a vedea mai multe combinații de benzi din Landsat, consultați articolul NASA Scientific Visualization Studio Landsat Band Remix sau articolul din Earth Observatory Many Hues of London. Pentru alte combinații comune de benzi, consultați Cum se interpretează imaginile comune în culori false cu Observatorul Pământului; articolul oferă combinații comune de benzi, dar oferă, de asemenea, informații despre interpretarea imaginilor.

Interpretarea imaginii

Odată ce datele sunt procesate în imagini cu diferite combinații de benzi, acestea pot ajuta în deciziile de gestionare a resurselor și evaluarea dezastrelor; imaginea trebuie doar interpretată. Există câteva strategii pentru a începe (adaptate din Cum se interpretează o imagine de satelit a Observatorului Pământului).

1. Cunoașteți scala – există diferite scale bazate pe rezoluția spațială a imaginii și a fiecărei scala oferă diferite caracteristici importante. De exemplu, atunci când urmăriți o inundație, o vizualizare detaliată și de înaltă rezoluție va arăta ce case și companii sunt înconjurate de apă. Vederea peisajului mai largă arată ce părți ale unui județ sau zonă metropolitană sunt inundate și poate de unde provine apa. O vedere și mai largă ar arăta întreaga regiune – sistemul fluvial inundat sau lanțurile muntoase și văile care controlează debitul. O vedere emisferică ar arăta mișcarea sistemelor meteo conectate la inundații.
2. Căutați modele, forme și texturi – multe caracteristici sunt ușor de identificat pe baza modelului sau formei lor. De exemplu, zonele agricole au o formă foarte geometrică, de obicei cercuri sau dreptunghiuri. Liniile drepte sunt de obicei structuri create de om, cum ar fi drumurile sau canalele.
3. Definiți culorile – atunci când utilizați culoarea pentru a distinge caracteristicile, este important să cunoașteți combinația de benzi utilizată la crearea imaginii. Imaginile cu culori adevărate sau naturale sunt practic ceea ce am vedea cu ochii noștri dacă privim în jos din spațiu. Apa absoarbe lumina astfel încât de obicei apare negru sau albastru; cu toate acestea, lumina soarelui care se reflectă de pe suprafață ar putea face să pară gri sau argintiu. Sedimentul poate afecta culoarea apei, făcându-l să pară mai maro, la fel ca algele, făcându-l să pară mai verde. Vegetația variază în culori în funcție de anotimp: primăvara și vara este de obicei un verde viu; toamna poate avea portocaliu, galben și cafeniu; iar iarna poate avea mai multe maronii. Terenul gol este de obicei o nuanță de maro; totuși, depinde de compoziția minerală a sedimentului. Zonele urbane sunt de obicei cenușii din betonul extins. Gheața și zăpada sunt albe, dar și norii. Este important atunci când utilizați culoarea pentru a identifica lucrurile pentru a utiliza caracteristicile din jur pentru a pune lucrurile în context.
4. Luați în considerare ceea ce știți – cunoașterea zonei pe care o observați ajută la identificarea acestor caracteristici.De exemplu, știind că zona a fost arsă recent de un incendiu poate ajuta la determinarea de ce vegetația poate arăta puțin diferită.

Analiza cantitativă

Pot fi diferite tipuri de acoperire a terenului discriminate mai ușor, prin utilizarea algoritmilor de clasificare a imaginilor. Clasificarea imaginilor folosește informațiile spectrale ale fiecărui pixel individual. Un program care utilizează algoritmi de clasificare a imaginilor poate grupa automat pixelii în ceea ce se numește o clasificare nesupravegheată. Utilizatorul poate indica, de asemenea, zone de tip cunoscut de acoperire a terenului pentru a „antrena” programul pentru a grupa acele tipuri de pixeli; aceasta se numește clasificare supravegheată. Hărțile sau imaginile pot fi, de asemenea, integrate într-un sistem de informații geografice (GIS) și apoi fiecare pixel poate să fie comparate cu alte date GIS, cum ar fi datele recensământului. Pentru mai multe informații despre integrarea datelor științei Pământului NASA într-un GIS, consultați pagina EarthData GIS.

Sateliții poartă adesea o varietate de senzori care măsoară parametrii biogeofizici. , cum ar fi temperatura suprafeței mării, dioxidul de azot sau alți poluanți atmosferici, vânturi, aerosoli și biomasă. Acești parametri pot fi evaluați prin tehnici de analiză statistică și spectrală.

Date Pathfinders

To ajută la începerea cercetărilor bazate pe aplicații folosind date detectate de la distanță, Data Pathfinders oferă un ghid de selectare a produselor de date axat pe discipline științifice specifice și domenii de aplicare, precum cele menționate mai sus. vedeți legături directe către cele mai frecvent utilizate seturi de date și produse de date din colecțiile de date ale științei Pământului ale NASA și linkuri către instrumente care oferă modalități variate de vizualizare sau subsetare a datelor, cu opțiunea de a salva datele în diferite formate de fișiere.