Stacja odbioru zdjęć satelitarnych Skyceiver Win - HRPT System szwajcarskiej firmy TECNAVIA S. A. zakupiona została w wyniku realizacji na Wydziale Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego grantu aparaturowego KBN (decyzja budżetowa nr 2335/IA/160/97 - nr wniosku IA - 0695/97) przez Katedrę Klimatologii oraz Katedrę Geomorfologii. W związku z rozpoczęciem odbioru danych satelitarnych, które miało miejsce w dniu 25 czerwca 1999 roku, w obrębie Katedry Klimatologii utworzona została z dniem 1 października 1999 nowa jednostka naukowo - badawcza pod nazwą Pracowni odbioru i interpretacji zdjęć satelitarnych. Osobami odpowiedzialnymi za stację są prof. dr hab. Tadeusz Niedźwiedź oraz kierownik pracowni mgr Artur Widawski

Kompletna stacja bazowa typu SKYCEIVER WIN - HRPT System do cyfrowego odbioru danych i ich przetwarzania na wysokiej rozdzielczości zdjęcia satelitarne z satelitów okołobiegunowych serii NOAA (North Oceanic and Atmospheric Administration - USA) charakteryzuje się całkowicie zautomatyzowanym procesem pozyskiwania danych w czasie rzeczywistym, standardową kalibracją obrazu zgodnie z specyfikacjami NOAA oraz zdefiniowanymi wymaganiami użytkownika co do czasu odbioru danych oraz obszarów obrazowania.

System składa się z:

- parabolicznej anteny odbiorczej o średnicy 1,2 m z podstawą, 100 m kabla kontroli pozycji oraz kabla przesyłu danych RF. Przekaz z satelity odbierany jest poprzez konwerter pierwszego pobrania oraz polaryzator danych wejściowych LNA (Law Noise Amplifier) charakteryzujący się niskim poziomem szumów w trakcie transmisji danych,

- odbiornika GPS, który w sposób ciągły namierza pozycję stacji odbiorczej oraz określa dokładny czas satelitarny,

- sieci RF do odbioru sygnału satelitarnego składającej się z jednostki kontrolera anteny, adaptera RF do odbioru sygnału wejściowego HRPT (High Resolution Picture Transmission), odbiornika NOAA - HRPT oraz demodulatora i synchronizatora bitowego z zegarem oraz wyjściem danych. Odbiornik sygnału satelitarnego jest zaprogramowany do odbioru 2 kanałów częstotliwości zarezerwowanych dla transmisji obrazów i danych wykorzystywanych przez służby meteorologiczne. Pierwszy kanał posiada częstotliwość 1698 MHz, drugi 1702, 5 MHz i obydwa zostały zatwierdzone przez Międzynarodową Unię Telekomunikacyjną jako miedzy innymi kanały służące do odbioru danych z satelitów meteorologicznych NOAA oraz METEOSAT.

- Stacji roboczej Skyceiver Win - HRPT System z oprogramowaniem do pozyskiwania, wstępnej obróbki i wizualizowania obrazów satelitarnych plus zbiór czterech kart do wprowadzenia oprogramowania Intelligent Frame Formatter for Meteorology. Standardowy osprzęt komputerowy PC Pentium II 300 MHz, 64 MB RAM, twardy dysk 4 GB, CD-ROM 32x, kolorowy monitor 15" wraz z systemem operacyjnym Windows NT. Załączono także oprogramowanie aplikacyjne IFFM do obróbki zdjęć oraz przeglądarkę Skyceiver do prezentacji zdjęć satelitarnych.

Niezbędnym elementem sprawnego i odpowiadającego wymaganiom użytkowników działania jest sprzężona z stacją roboczą druga stacja bazowa METEO 1. Służy ona do przechowywania, archiwizowania i nagrywania danych oraz zdjęć satelitarnych na nośniki CD. Posiada ona standardowy osprzęt komputerowy PC Pentium III, 500 MHz, 64 MB RAM, dwa twarde dyski 6 i 10 GB, CD-ROM 32x z DVD, nagrywarkę płyt CD firmy YAMAHA, kartę sieciową, kolorowy monitor 17" oraz system operacyjny Windows 98. Zdjęcia drukowane są za pomocą drukarki atramentowej Hewlett Packard DeskJet 1120 C.

Ryc. 1 Schemat stacji odbiorczej Skyceiver Win - Hrpt

Dzięki zastosowaniu systemu wysokiej rozdzielczości przesyłu danych i obrazów HRPT (High Resolution Picture Transmition) stacja odbiorcza Skyceiver Win - HRPT System pozwala na w pełni zautomatyzowane określanie przelotów satelitów okołobiegunowych NOAA w czasie rzeczywistym przez 24 h/dobę, ustalanie miejsca ich pojawienia się i ukrycia za linią horyzontu dla danej pozycji stacji, tworzenia nieograniczonej liczby produktów w postaci wstępnie obrobionych zdjęć satelitarnych, odbioru 5 standardowych kanałów spektralnych w pasie obrazowania o szerokości ok. 2700 km przy rozdzielczości w punkcie podsatelitarnym 1 km. Niezależnie od kanałów spektralnych system pozwala na kalkulację indeksu zróżnicowania wegetacji roślin (NDVI - Normalised Difference Vegetation Index), pomiary temperatury powierzchni Ziemi oraz wierzchołków i powierzchni chmur, pomiary temperatury powierzchni wodnych (SST - Sea Surface Temperature), nakładanie konturów granic państw, wyświetlanie współrzędnych geograficznych z dokładnością do 1 piksela (1x1 km) oraz nakładanie umownej palety barw na obrazy satelitarne.

Fot 1. Chłodny front atmosferyczny przemieszczający się z kierunku NW na SE przez terytorium Polski. Na czole frontu komórki burzowe Cb, za nimi strefa zachmurzenia Ci oraz Ac. 7 Czerwca 1999 roku. Kanał 1.

Stacja odbiera dane satelitarne z trzech okołobiegunowych satelitów meteorologicznych serii NOAA - 12, 14, 15 których administratorem jest National Oceanic and Atmospheric Administration (Stany Zjednoczone). Satelity okołobiegunowe umieszczone zostają na orbitach prawie kołowych, przechodzących nad biegunami Ziemi. Wysokości orbit meteorologicznych satelitów okołobiegunowych mogą być dowolne. Zazwyczaj wynoszą one od 700 km do 1500 km nad powierzchnią Ziemi i nachylone są one pod kątem (tzw. kąt inklinacji) w stosunku do płaszczyzny równika. Umożliwia to zbieranie danych z obszaru całej kuli ziemskiej, także z obszarów wokół biegunowych. Ruch satelitów tej grupy jest zsynchronizowany z tzw. pozornym ruchem Słońca, co oznacza, że w trakcie swego obiegu dookoła Ziemi satelita zachowuje zawsze takie samo położenie w stosunku do Słońca oraz przelatuje nad danym obszarem kuli ziemskiej w przybliżeniu w tym samym czasie lokalnym. Czas obiegu tych satelitów wynosi ok. 100 min. W trakcie okrążania Ziemi radiometry bez przerwy wykonują zdjęcia metodą skaningu prostopadle do kierunku ruchu satelity. Uzyskuje się w ten sposób fotografię pasa atmosfery wzdłuż drogi ruchu satelity. Szerokość pasa obrazowania wynosi ok. 2700 km. Dane przekazywane są w momencie kiedy satelita znajdzie się w zasięgu naziemnej stacji odbiorczej.

Pokładowa aparatura pomiarowa satelitów meteorologicznych rejestruje docierające do niej promieniowanie elektromagnetyczne atmosfery w kilku zakresach długości fal. Powszechnie zdjęcia satelitarne w satelitach meteorologicznych NOAA i METEOSAT pozyskiwane są w następujących kanałach spektralnych:

1. Kanał widzialny (VIS) - zdjęcia pozyskiwane są za pomocą pomiaru odbitego promieniowania słonecznego (albedo) w zakresie długości fali kanału widzialnego i bliskiej podczerwieni (0,4 - 1,1 ľm),

2. Kanał podczerwieni (IR) - zdjęcia pozyskiwane są za pomocą pomiaru promieniowania Ziemi oraz atmosfery (temperatura) w zakresie długości fali kanału termalnej podczerwieni (10,5 - 12,5 ľm),

3. Kanał pary wodnej (WV) - zdjęcia pozyskiwane są w zakresie długości fali kanału pary wodnej (5,7 - 7,1 ľm),

4. Kanału bliskiej podczerwieni, nazywanym także kanałem 3 - zdjęcia pozyskiwane są w zakresie specyficznej długości fali (3,7 ľm) zachodzących na siebie zakresów promieniowania słonecznego i Ziemi.

Poniżej zestawione zostały zakresy spektralne w jakich pozyskiwane są zdjęcia satelitarne w satelitach meteorologicznych: okołobiegunowym NOAA i geostacjonarnym METEOSAT.

Tab 1. Kanały spektralne oraz rozdzielczości w punkcie podsatelitarnym w satelitach meteorologicznych NOAA i METEOSAT.

Kanały widzialne VIS (Kanał 1) - 0,6 ľm - (Kanał 2) - 0,9 ľm.
Obraz który widzimy w tym kanale najbardziej jest zbliżony do rzeczywistości ponieważ długość fali odpowiada sposobowi widzenia oka ludzkiego. Obraz który widzimy jest efektem stosunku promieniowania odbitego do promieniowania padającego na dany obiekt (albedo). Duża gama odcieni szarości zawartych pomiędzy bielą i czernią pozwala na bardzo dokładną interpretację obrazu satelitarnego. Doskonale uwypuklona jest np. topografia chmur, co pozwala na ich rozpoznawanie. Kanał ten jest przydatny przy interpretacji mgieł czy śniegu, dymów z pożarów lub erupcji wulkanów.

Promieniowanie widzialne. ( 0,4 mm - 0,7 mm) Na zdjęciach w tym zakresie czynnikiem, który różnicuje stopień jasności obrazu i jego strukturę jest różnica albedo ukazanych obiektów. Zdjęcia w tym paśmie cechuje duża zdolność rozdzielcza, co umożliwia otrzymywanie bardziej dokładnych danych niż w podczerwieni. W radiometrach wykorzystuje się nie tylko cały zakres promieniowania widzialnego, ale również poszczególne wąskie jego części, na przykład wybrane barwy, którym odpowiadają wąskie zakresy widma.

Kanał tzw. mieszany bliskiej podczerwieni (Kanał 3) - 3,7 ľm.
Rozróżnia części chmur zbudowanych z kropelek wody (intensywnie odbijają światło) i kryształków lodu (pochłaniają promieniowanie) z określeniem poziomu zamarzania w chmurach

Fot 2. Rozbudowany niż atmosferyczny nad Europą. 6 Listopad 1999. Kanał 4

Kanały podczerwone IR (Kanał 4) - 10,8 ľm. - (Kanał 5) - 12 ľm.
Każdy odcień szarości zdjęcia odpowiada temperaturze wypromieniowywanej przez ciało. Można z nich odczytywać temperaturę wierzchołków chmur oraz powierzchni ziemi lub morza przy bezchmurnej pogodzie.

Promieniowanie podczerwone. (0,76 mm - 1000 mm) Tu czynnikiem powodującym zmianę jasności obrazu jest temperatura obserwowanego obiektu. Im wyższa, a więc większe promieniowanie powierzchni czynnej danego obiektu, tym ciemniejsze barwy obrazu na zdjęciach. Rejestracja wielkości tego promieniowania możliwa jest zarówno w dzień, jak i w nocy, przy czym pomiary nocne mają wiele zalet. Wynika to z faktu, że nocą wypromieniowanie w zakresie podczerwonym odbywa się bez zakłóceń, które są nie do uniknięcia w dzień. Zdjęcia w omawianym zakresie są wykonywane nie tylko w nocy, kiedy nie można korzystać ze zdjęć w zakresie widzialnym, ale także w ciągu dnia, równolegle ze zdjęciami w zakresie widzialnym. Kompleksowa analiza obu pozwala określić rodzaj zachmurzenia, grubość warstwy chmurowej oraz wysokość górnej granicy chmur. Obrazy powierzchni Ziemi uzyskane w podczerwieni, transmitowane w odstępach trzygodzinnych uznaje się za najbardziej użyteczne do analizy aktualnego stanu pogody i opracowania jej prognozy.

SST - Sea Surface Temperature
Temperatura powierzchni morza mierzona jest za pomocą radiometru AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) na satelitach NOAA w ciągu dnia i nocy w zakresach 3, 7 oraz 11 i 12 ľm. przy rozdzielczości 1 km. Pozwala to na w miarę dokładne zobrazowanie termiki przypowierzchniowych warstw wody w zatokach lub na otwartym morzu. W lecie doskonale widoczne jest na obrazach satelitarnych w polskiej części wybrzeża Bałtyku zjawisko upwellingu czyli wznoszenia się zimnych wód z głębi morza ku jego powierzchni w celu zrekompensowania ubytku wód przypowierzchniowych, które zostały przemieszczone w głąb morza za sprawą silnych wiatrów wiejących od strony lądu.

NDVI - Normalized Difference Vegetation Index
Kanał ten dostarcza obserwatorowi informacji na temat procesów fotosyntezy powiązanych z stopniem wegetacji roślin. Pomiar ten dokonywany jest w kombinacji kanału widzialnego (0,55 - 0,68 ľm) oraz bliskiej podczerwieni (0,725 - 1,1 ľm). Ze względu na rozdzielczość satelitów NOAA indeks NDVI może mieć tylko wartość orientacyjną, ponieważ wyliczany jest on nie tylko z powierzchni gdzie ma miejsce wegetacja roślin, ale także z dróg, dachów domostw itp.

Zasięg danej stacji odbiorczej zależy od jej położenia geograficznego i wysokości umieszczenia anteny odbiorczej. W przypadku stacji odbiorczej WnoZ Sosnowiec, która zlokalizowana jest na 500 17 N oraz 190 08 E, a także dzięki dużej wysokości umiejscowienia anteny (358 m. n. p. m. - dach budynku WNoZ) rejestrujemy obszar prawie całej Europy. Na północy zasięg obejmuje Svalbard (przy określonych przelotach) do max 80 N, na wschodzie sięgamy po Ural, Morze Kaspijskie do max 60 E, na południu obszar Północnej Afryki po max zwrotnik Raka oraz na zachodzie obejmujemy Islandię, Wyspy Kanaryjskie po max 20 W.

W zależności od parametrów orbity stacja codziennie rejestruje od 15 do 17 przelotów satelitów meteorologicznych NOAA, każdy przelot zawiera od 70 do 120 MB danych surowych (Raw Data) co powoduje, iż biorąc pod uwagę ilość przelotów, codziennie otrzymujemy około 1, 5 GB danych. Aktualnie stacja odbiera trzy satelity meteorologiczne NOAA 12, 14 oraz 15, umieszczenie kolejnego satelity NOAA-16 planowane jest na połowę 2000 roku. Administrator satelitów - National Oceanic and Atmospheric Administration codzienne podaje na stronie internetowej http://www.celestrak.com/NORAD/elements/index.html aktualne dane o orbitach przelotów każdego z satelitów. Są one zawarte w postaci pliku tekstowego zawierającą depeszę TLE (Two Line Elements Set Current Data). Po wprowadzeniu takich danych do systemu, co jest niezbędne dwa razy na tydzień, zostaje codziennie kreowany nowy SCHEDULE dla każdego z trzech satelitów. Zawiera on informacje o czasie rozpoczęcia i zakończenia odbioru danych (przelotu satelity) w czasie uniwersalnym GMT, dacie przelotu, kanale odbioru, formacie danych, rodzaju satelity itd. Na dwie minuty przed ukazaniem się satelity nad linią horyzontu kontroler anteny rozpoczyna ustawianie anteny w odpowiednim kierunku (azymut) oraz na odpowiednią wysokość (elewacja) po czym rozpoczyna się automatyczny odbiór surowych danych (raw data) w formacie Tecnavia. Przekaz danych odbywa się w formacie HRPT i jest to przekaz cyfrowy. Po ukryciu się satelity za linią horyzontu, dane zostają zapisane na dysku komputera stacji odbiorczej w postaci pliku 9931702.424 co określa rok (1999), kolejny dzień danego roku (317) oraz godzinę rozpoczęcia odbioru danych (2:42 czasu GMT). Nagromadzone w ciągu doby dane są w sposób automatyczny przegrywane w godzinach nocnych z komputera stacji odbiorczej na komputer roboczy Meteo1. Archiwizacja danych polega na osobnej kompresji każdego z przelotów w formacie ZIP i wgraniu ich na nośnik magnetyczny w postaci płytki CD-ROM. Powstające w ten sposób archiwum obejmuje zbiór danych od początku lipca 1999 i jest prowadzone na bieżąco.

Bezpośrednio po zakończeniu odbioru pracę rozpoczyna program przetwarzający zebrane dane surowe i tworzący produkty w postaci zdjęć satelitarnych w formacie TIFF z określonych wcześniej przez użytkownika obszarów w określonych kanałach spektralnych. Odbywa się to za pomocą sporządzonego przez użytkownika schematu, który został uznany jako aktywny dla danych przelotów. Niezależnie od głównego schematu można stworzyć praktycznie nieograniczoną liczbę schematów dla określonych miejsc znajdujących się w zasięgu odbioru stacji, za pomocą których można wygenerować żądane zdjęcia satelitarne z określonego przelotu satelity w przeszłości. Wszystkie produkty są przeglądane pod kątem przydatności do analizy i fotointerpretacji, a następnie archiwizowane bez kompresji na nośnik magnetyczny w postaci płytki CD-ROM.

Zbierane dane wraz z ich obrazami są wykorzystywane w działalności operacyjnej służb pogody jak i także przy rozwiązywaniu konkretnych problemów klimatologicznych. Dane te szczególnie nieocenione są przy analizach dynamiki zmian atmosfery w postaci analizy niestabilnych układów dynamicznych, w tym głównie frontów atmosferycznych, cyklonów oraz antycyklonów wraz z towarzyszącym im zachmurzeniem. Zachmurzenie jest bowiem najczulszym indykatorem procesów fizycznych zachodzących w atmosferze. Cyfrowe dane satelitarne wysokiej rozdzielczości są ważnym elementem systemu numerycznych prognoz pogody, służą opracowaniu prognoz mezoskalowych jak i w prognozowaniu krótkotrwałych i groźnych zjawisk lokalnych. W miarę nową dziedziną wykorzystania danych satelitarnych i radarowych jest nowcasting, czyli meteorologiczne prognozy ultrakrótkoterminowe. Jednakowoż należy podkreślić fakt, iż Pracownia odbioru i interpretacji zdjęć satelitarnych nie zajmuje się z założenia działalnością operacyjną i nie prognozuje pogody. Natomiast na bieżąco śledzi przebieg stanów pogody.

Drugi zakres wykorzystania cyfrowych danych satelitarnych to badania klimatologiczne. W ramach Światowego Programu Klimatycznego wykorzystuje się i nadal zamierza się wykorzystywać dane satelitarne o zachmurzeniu (opisy struktur zachmurzenia i ich fotointerpretacja), temperaturze i wilgotności dla oceny globalnych zmian klimatu. Dzięki satelitom NOAA, a w przyszłości dzięki europejskiemu satelicie polarnemu (ETOP) wyliczane są pionowe profile temperatury, wilgotności czy wiatru. Prowadzi się także badania rozkładu pokrywy śnieżnej i zlodzenia powierzchni morskich czy występowania zjawisk ekstremalnych (burze, gradobicia itp. ). Dzięki danym satelitarnym możliwe jest wyznaczenie pola całkowitej zawartości ozonu w atmosferze, śledzenie rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń powietrza w postaci dymów fabrycznych czy detekcja termiki wielkich skupisk miejskich (tzw. miejskie wyspy ciepła).

Fot 3. Burze orograficzne nad masywem alpejskim. Silna konwekcja termiczna powietrza powoduje tworzenie się wypiętrzonych chmur Cb. Doskonale widoczna struktura górnych części chmur. 13 lipca 1999. Kanał1

Niezależnie od bieżącej działalności zastanawiamy się nad perspektywami dalszego rozwoju Pracowni odbioru i interpretacji zdjęć satelitarnych na Wydziale Nauk o Ziemi. Zainteresowani jesteśmy nawiązaniem kontaktów z jednostkami naukowo - badawczymi zajmującymi się teledetekcją satelitarną tj. Instytutem Geodezji i Kartografii w Warszawie, Klubem Teledetekcji Środowiska PTG czy Uniwersytetem Dundde w Anglii itp. W związku z podpisaniem dnia 15 grudnia 1999 roku przez Rzeczypospolitą Polską umowy o przystąpieniu do EUMETSAT (Europejskiej Organizacji Eksploatacji Satelitów Meteorologicznych) na zasadach kraju współpracującego, zarysowały się możliwości pozyskiwania także zdjęć z satelity METEOSAT, które mogłyby być przesyłane na bieżąco (co 30 min.) poprzez łącza internetowe bezpośrednio z IMGW w Krakowie. Katedra Klimatologii zgłosiła także chęć wzięcia udziału w projekcie COST 719 dotyczącego wykorzystania GIS w meteorologii i klimatologii, najlepszych sposobów przechowywania, udostępniania i wizualizacji danych i obrazów satelitarnych. Pracownia poprzez praktyczne wykorzystanie danych satelitarnych w pracach i projektach naukowych WNoZ (w tym szersze zainteresowanie studentów podjęciem tej problematyki w pracach magisterskich) prowadzi działalność dydaktyczną wśród studentów, uczniów szkół średnich oraz popularyzuje wiedzę o teledetekcji satelitarnej i jej praktycznym wykorzystaniu.

Stacja znajduje się w pomieszczeniu 2001A, pod samym dachem budynku WNoZ w Sosnowcu przy ul. Będzińskiej 60. Bezpośredni kontakt z osobą odpowiedzialną za stację: mgr Artur Widawski tel. 291-83-81 wew. 478, internet: awidawsk@ultra.cto.us.edu.pl