Ugrás a tartalomhoz

Műholdakról távérzékelt adatok feldolgozása és hasznosítása

Mika János, Utasi Zoltán, Biró Csaba, Pénzesné Kónya Erika (2011)

EKF TTK

1.A domborzat kvantitatív felmérése

1.A domborzat kvantitatív felmérése

A földfelszín feltérképezése ősidők óta foglalkoztatja az emberiséget, melynek célja a térben való tájékozódás megkönnyítése. Katonai és gazdasági okok miatt készültek az első ókori térképek, melyek még alig nyújtottak többet egy egyszerű, szinte tájképszerű ábrázolásnál. A felmérési technikák (műszerek, módszerek) és az ábrázolási módszerek (vetületi és térképészeti rendszerek) egyre gyorsuló ütemben fejlődtek, de egészen a XX. századig úgymond „földhöz ragadtak” voltak: ugyanis a hagyományos eljárások során a felmérés a földfelszínről történik, mely számos problémát rejt. A pontosságot alapvetően a mérési módszerek határozzák meg, melyek az évszázadok alatt egyre kifinomultabbakká váltak, de a területi lefedettséget és felbontást más, legalább ilyen súlyú problémák is meghatározzák. A térképezés pontossága, volumene a nagyobb társadalmi aktivitású területeken (pl. népsűrűség, gazdasági jelentőség tekintetében) jelentősebb, míg más tájak ma is szinte fehér foltnak számítanak (pl. kiterjedt sivatagok, magashegységek). A légifelvételek alkalmazása jelentős előrelépést jelentett, de a területi egyenlőtlenségeket csak mérsékelni tudta, megszüntetni nem, hiszen az emberiség számára kevésbé jelentős területek továbbra is feltáratlanok maradtak. Mindezen okok miatt fölmerült az igény egy egységes, az egész Földre kiterjedő geodéziai felmérés iránt, mely legegyszerűbben űreszközök alkalmazásával valósítható meg.

Mindez kezdetben csak globális léptékű méréseket jelentett, többek között a Föld pontos méretének és alakjának meghatározását segítette. A hagyományos geodéziai eljárásokat nagymértékben megkönnyítette és leegyszerűsítette a XX. század végének fontos alkotása: a műholdas helymeghatározás. Az elsőként az Amerikai Egyesült Államok által kiépített GPS rendszer által rendelkezésre áll egy bárhol, szinte bárki számára egyszerűen használható rendszer, a pontosság növekedésével pedig az egyszerűbb alkalmazásoktól eljutottunk a nagy precizitást igénylő térképészeti alkalmazásokig. Ugyanakkor a földfelszín feltérképezése még ezen módszerrel is terepi munkát igényel, mivel – egyszerűen szólva – a készülékkel oda kell menni a felmérendő területre. Ezt kiküszöbölendő született meg az ötlet a világűrből történő átfogó térképezésre, mely mintegy letapogatja a felszínt a radartechnika alkalmazásával: ennek eredménye az SRTM digitális adatbázis.

1.1A műholdas helymeghatározás

Története

A földrajzi koordináták gyors és pontos meghatározásának igénye alapvető követelmény a tájékozódási és térképészeti folyamatok során. A műszeres mérések az égbolt objektumainak, mindenekelőtt a csillagok, s ezekhez viszonyítva a földfelszíni pontok koordinátáinak meghatározására irányultak. Ehhez a több ezer éves módszerhez képes jelentős újítást jelentett, midőn immár mesterséges égitestekhez viszonyítva történik a pozíció meghatározása: a műholdak ilyetén irányú felhasználása a XX. század végének eredménye.

Természetesen ennek létrejöttét is katonai célok indokolták, ugyanis jelentős előnyt jelentett egy olyan rendszer birtoklása, mely a Föld egészén azonnal megadja a felhasználó pontos helyét. Kezdetben a korszak két nagyhatalma, a Szovjetunió és az Amerikai Egyesült Államok járt élen e fejlesztésekben, de a későbbiekben más, világpolitikai ambíciókat dédelgető államok, szövetségek is a nyomukba eredtek.

Máig egyedüliként az amerikai GPS (Global Positioning System) rendszer működik globális kiterjedéssel, mely 3 dimenziós helyzetmeghatározásra alkalmas. A rendszer első műholdja 1989-ben került pályára, s a teljes lefedettséget biztosító 24 darabos kiépítettséget 1994-re érték el. Szinte a kezdetektől a polgári felhasználók előtt is nyitott rendszer pontatlansága – a meghatározás szándékos torzítása miatt – eleinte több száz méter volt, de Bill Clinton kezdeményezésére 2004. május elsejétől e torzítás megszüntetésre került, így jelenleg a – készüléktől függő – pontosság akár milliméteres is lehet.

A Szovjetunió GLONASS névre keresztelt rendszerének első műholdja 1982-ben került pályára, majd 1995-ig mind elkészült, szigorúan csak katonai célokra. A birodalom 90-es évek elején történt összeomlása után a rendszer is jórészt tönkrement, maradék műholdjait amerikai rendszerbe integrálták. A jogutód Oroszország később ismét döntött a rendszer teljes működőképességének eléréséről, amire – a gazdasági helyzettől függően – ma is törekednek.

Az Európai Unió (és néhány társult állam) szintén belekezdett saját műholdas navigációs rendszer kiépítésébe, mely a Galileo nevet kapta. Ennek oka egyrészt az amerikai és orosz, napjainkban is alapvetően katonai célú és irányítású rendszerektől való függetlenség, másrész mintegy a gazdasági-politikai erő bizonyítása. A pénzügyi nehézségek miatt szinte folyamatosan csúszó projekt teljes kiépítésének céldátuma jelenleg a 2018-as év.

A felemelkedő Kína szintén beszállt e versenybe, s Beidou néven futó rendszere jelenleg 3 műholdból épül fel. A későbbiekben ezt váltja majd a Compass: A kezdetben Kínára és környezetére koncentráló rendszer a későbbiekben globálissá válik.

A szintén jelentős gazdasági potenciállal rendelkező Japán QZSS nevű rendszere viszont csak lokális jellegű, Kelet-Ázsiára és Ausztráliára terjed ki, hasonlóan – Kína mellett – Ázsia másik feltörekvő országához, Indiához ((IRNSS).

Működési elve

Ezen alfejezet a jelenleg teljesen működő, globális lefedettséget biztosító amerikai GPS rendszer felépítését mutatja be, de a többiek is azonos alapelven működnek. Alapvetően három működési-szerkezeti egységre tagolható, melyek a következők:

  1. földi bázisállomások

  2. műholdak

  3. vevőkészülékek

A földi szegmenst a bázisállomások alkotják, melyek egyik alapvető szerepe a műholdak pályájának meghatározása, azok nyomon követése (radartechnológia segítségével). A Föld körül keringő mesterséges holdak ugyan „ismerik” pontos pozíciójukat (a keringési idő és a pálya paraméterei alapján kiszámítható), de a mozgásukban bekövetkező szabálytalanságok miatt ez pontosításra szorul. A szatellitek úgymond vertikálisan billegnek, azaz a Föld középpontjához viszonyított távolságuk – melynek elméletileg azonosnak kellene lennie – változik. Ennek oka egyrészt a Föld geoid alakjában keresendő: a geofizikai szintfelületek (azonos gravitációjú felületek) szabálytalanok, mely több száz méteres eltéréseket is jelent az elméletileg (forgó testre meghatározott) forgási ellipszoidtól. Másrészt lokális gravitációs anomáliák (pl. az ún. mascon-ok) is befolyásolják a pályamagasságot. Mivel a helymeghatározásban nem a Föld középpontjához, hanem az elméleti tengerszinthez mérik a magasságot, ezért szükséges az értékek korrekciója. A bázisállomások másik fontos szerepe a műholdak órájának szinkronizálása, pontosítása (ennek jelentőségét lásd később).

A műholdkövető állomások helyszínének kijelölésénél a műszaki okok mellett a politikaiak is kb. azonos súllyal esnek latba. Ezért a trópusi övezetben található állomások az Egyesült Államok birtokain vagy érdekeltségi területén helyezkednek el (Hawaii, Asencion, Diego Garcia, Colorado Spring, Cape Canaveral).

A műholdak 20200 kilométeres magasságban, 60° inklináció értékkel megadható körpályán mozognak, egyenletes térbeli lefedettséggel (azaz a „szomszédosak” pályái azonos szöget zárnak be). A teljes lefedettséghez 24 darab szükséges, melyek közül átlagosan 12 darab látható a horizont felett (10.1. animáció). (Egyébként az orosz GLONASS rendszer műholdjai a GPS rendszerbe integráltan is működnek jelenleg, így javítva annak használhatóságát.) A műholdak két frekvencián (L1: 1575,42 MHz és L2: 1227,6 MHz), szórt spektrumú jelet sugároznak (angol megnevezése: pseudo-random noise, röviden: PNR). Ez minden műholdnál különböző, ez alapján történik meg annak azonosítása. A PNR kódoknak két fajtája van:

  1. C/A (Coarse/Acquistion code, vagyis durva/elérés), mely ezredmásodpercenként 1023 jelet tartalmaz, egy kódelem időtartama 1 µs.

  2. P(Y) kód (Precision code, vagyis pontosság), mely 10230 jelet tartalmaz, s egy kódelem időtartama csak 0,1 µs.

A C/A kódot az L1 frekvencián adják, a P kódot mindkettőn. Utóbbit csak titkos katonai vevővel lehet dekódolni. Az 1994-1998 között sugárzott zavaró jel (SA – selective availability) miatt a pontosság akár több száz méter is tévedhetett, melyet azóta megszüntettek.

A műholdakon nagy pontosságú atomórák vannak elhelyezve, mely az egyezményes koordinált világidőre (UTC) vannak beállítva.

A vevőkészülékek a Föld felszínén vagy kis magasságban (pl. repülőgépeken) használatosak. A napjainkban sokféle változatban kapható berendezések mérési pontossága széles határok között mozog (a beépített órától függően), a gépjárművekben használt, egyszerűbb navigációs berendezések méteres pontosságától a geodéziai alkalmazások milliméteres felbontásáig.

10.1. animáció: A GPS műholdak konstellációi

A helymeghatározás térgeometriai műveleteken alapszik, melyben a csomópontokat a műholdak és a vevőkészülékek jelentik és időmérésre alapozott távolságmérésre alapszik.

A műholdak tehát egyedi jelet sugároznak, mely – a rövidhullám sajátosságai miatt – csak egyenes vonalban terjednek, így érzékeléséhez a vevőkészüléknek „látnia kell” a horizont fölött elhelyezkedő szatellitet (ezért nem működik takarásban, pl. épület belsejében, mély szurdokban, sűrű lombkorona alatt, stb.). A jel kibocsájtásának pontos időpontja ismert (ismétlődően), a vevőkészülék pedig meghatározza a vétel időpontját. A rádióhullámok terjedési sebességének ismeretében e két érték különbségéből meghatározható a műhold és a vevőkészülék távolsága (t1). Ez önmagában még nem eredményez helyzetmeghatározást, hiszen ez a pont bárhol lehet egy t sugarú gömbön. Ezért szükséges – és elméletileg elegendő is – újabb két műhold, mivel – az előzőhöz hasonlóan meghatározott – t2 és t3 sugarú gömbök metszéspontjában található a készülék. A három gömb ugyan két pontban metszi egymást, de ezek közül egyik a műholdak pályája fölé, vagyis a világűrbe esik, s csak a másik a földfelszínre. Ehhez az eljáráshoz a műholdak és a vevőkészülékek óráinak pontosan szinkronban kellene járniuk. Ez azonban általában nincs így, ezért egy negyedik műhold is szükséges a pontosításához. Egyébként minél több szatellit látható, annál pontosabb az eljárás.

1.2Az SRTM digitális adatbázis

A felmérés

Az amerikai NASA (National Aeronautics and Space Administration) 1996-ban kezdte meg az SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) programot, melynek célja a földfelszín 80%-nak (a poláris területek kivételével) digitális domborzati térképezése volt egy űrrepülőgép fedélzetén elhelyezett radarrendszerrel. Hosszú előkészítés után 2011. február 11-én startolt az Endeavour űrrepülőgép, melynek missziója mindössze 11 napig tartott, melyet 18 hónapig tartó adatfeldolgozás követett.

Az 57° inklinációjú pályán keringő űrrepülőgépről a 60° északi szélesség és az 57° déli szélességű területek felmérése történt meg, mely így lefedte a déli félteke kontinenseit (az Antarktisz kivételével) és az északi félteke szárazföldjeinek jelentős részét (de így kimaradtak pl. Skandinávia, Oroszország, Kanada, stb. poláris területei – 10.1. ábra). A mérés 5,6 centiméteres hosszúságú radarjelekkel történő radar-interferometrián alapul, két sávon (C és X). Az interferenciát két, egymástól fix távolságban elhelyezkedő biztosította: egyik az űrrepülőgép testén, a másik tőle 60 méterre, egy karon került rögzítésre. Mivel az adatokat a fedélzeten tárolták, így azok továbbítására nem volt szükség. A méréseket földfelszíni kontrollal is javították (felszíni geodéziai mérések, GPS kisegítő alkalmazása, radarjel-visszaverő felületek elhelyezése).

10.1. ábra: Az SRTM területi lefedettsége

Adatok

A mérések eredményeképpen létrehozott digitális domborzatmodell két verzióban érhető el. A pontatlanabb 3x3 szögmásodperc felbontású változat (mely körülbelül 90x90 méteres földfelszíni felületnek felel meg) nagyobb foktrapézokba rendezett kivágatai (melyek 1201x1201 pixel méretűek) szabadon elérhetőek (10.1. ábra). A pontosabb, 1x1 szögmásodperc felbontású állományok viszont csak külön engedéllyel használhatók.

Az SRTM nagy előnye a – szinte – globális lefedettség, hátránya viszont a radartechnológia rejtette korlátokban keresendő. A hibák forrása sokrétű.

A műhold pályaingadozásai követik a Föld geoid alakját, az adatok viszont WGS84 ellipszoidra (alapfelületre) vonatkoznak: ezek pontosítása földfelszíni geodéziai módszerekkel történt.

A radarhullámok csak a nadírban lévő pontról adnak pontos magassági értéket. Ferde rálátás esetén gyakori, hogy a mély formák egyes részei radarárnyékba kerülnek, így a magasságértékek is torzulnak. Az ezen helyeket kitöltő interpolációs eljárások időnként jelentős hibával terheltek. Például a Google Earth internetes alkalmazás SRTM alapú térbeli domborzatmodelljén a 10.2. ábrán bemutatott Tordai-hasadék (Románia) keskeny, mély középső része mintegy kitöltésre került, a völgy közepe látszólag kiemelkedik. Ennek oka, hogy a radarhullám a ferde rálátás miatt a szurdok oldaláról verődött vissza, nem pedig az aljáról, így ezt értelmezte a legmélyebb pontként.

Vízfelszínek esetén szintén jelentős eltérések lehetnek a valós értékekhez képest, ezek interpolációval történő javítása az újabb változatokban már nagyrészt megoldott.

10.2 ábra: Interpolációs hiba a Tordai-hasadék digitális domborzatmodelljén (Google Earth)

Felhasználás

Az SRTM hibái mellet is egy széles körben alkalmazott adatbázis. Ingyenessége miatt széles körűen alkalmazott, s kiterjedt (főként a ritkán lakott vagy lakatlan) területekről szinte ez az egyedüli térképészeti felmérés. A kezdetben „csupán” egyszerű digitális térképként indult, ma már rendkívül népszerű Google Earth internetes alkalmazás is erre alapul. Geomorfológiai alkalmazási lehetőségei is széles körűek, jó lehetőséget nyújtanak a kvantitatív elemzések számára (pl. elegyengetett felszínek kimutatása, folyómorfometria, stb.).