Takaisin sisällysluetteloon
Takaisin seminaariesitelmiin
Takaisin Fotogrammetrian laitoksen kotisivulle
Itämeri on Suomelle ulkomaankaupan valtaväylä, sillä tavaroista 80-90 prosenttia kuljetetaan meritse. Vaihtelevat jääolot kuitenkin vaikeuttavat Itämeren merenkulkua talvisin. Jotta laivat pääsisivät satamiin, on sekä Suomella että Ruotsilla oltava jään-
murtajalaivastot, joilla on ajanmukainen tieto vallitsevasta jäätilanteesta. Vuodesta 1989 lähtien jäänmurtajilla on ollut käytössä kuvankäsittelyasema NOAA-sääsatelliittikuvien käyttöä varten. Jäätilanne kuitenkin muuttuu eniten yleensä silloin, kun on pilvistä, ja sääsatelliittikuvista ei ole apua. Tutkakuvien avulla voidaan jäitä tarkastella pilvistä huolimatta. Tämä seminaariesitelmä käsittelee VTT:n (Valtion teknillinen tutkimuskeskus) sekä Suomen ja Ruotsin merenkulkuviranomaisten yhteistyönään kehittelemää järjestelmää, jossa ERS-1-satelliitin SAR-tutkakuvia käytetään lähes tosiaikaisesti jäänmurtajilla merijäätilanteen seurannassa.
/Herland et al. 1995//Hakansson et al. 1995//Jääpalvelun esite/
Jäätilanne vaihtelee Itämerellä paljon talven sääoloista johtuen. Laajimmillaan jääpeite ulottuu 52 000 - 420 000 km2 suuruiselle alueelle. Tämä vastaa 12 - 100 prosenttia Itämeren, Kattegetin ja Skagerrakin pinta-alasta. Vuotuinen jääpeite on laajimmillaan tammi- ja maaliskuun välillä. Eri jäätyypit aiheuttavat erilaisia ongelmia merenkululle. Kiintojää on matalikkoihin, saaristoon tai rantoihin kiinnittynyttä paikallaan pysyvää jäätä, jonka paksuus voi olla jopa yli metrin. Ajojääksi kutsutaan jäätä, joka liikkuu vapaasti tuulten ja virtauksien mukana. Kun jäälautat liikkuvat ja törmäilevät toisiinsa, ne muodostavat useiden metrien syvyyteen ulottuvia ahtojääröykkiöitä, railoja ja sohjovöitä. Jäävahvistetut alukset selviytyvät yksin jopa 80 cm paksusta tasaisesta jäästä, mutta ahtauma-alueilla ja sohjovöissä tarvitaan jäänmurtajan apua.
/Jääpalvelun esite//Vainio, haastattelu/
Merentutkimuslaitoksen Jääpalvelun tehtäviä ovat jäähavainnointi, jääanalyysi ja ennusteet sekä jäätiedottaminen. Merijäätilanteesta julkaistaan päivittäin jäänmurtajillekin lähtevä jääkartta, joka perustuu NOAA-sääsatelliittikuviin, ERS-1:n SAR-kuviin, jäähavaintoasemien ja laivojen jää- ja säätietoihin. Satelliittikuvat tulkitaan visuaalisesti vankan kokemuksen avulla. Jääpalvelun tuotteita käyttävät mm. laivanvarustajat, luotsit, teollisuus, satamaviranomaiset ja rannikkovartiosto.
/Jääpalvelun esite/ /Vainio, haastattelu/
Jääpalvelussa ja jäänmurtajilla käytetään sekä sääsatelliittikuvia että tutkakuvia. Sääsatelliittikuvien hyvä puoli on, että niistä nähdään laajan alueen yleiskuva. SAR-tutkakuvien etuja ovat hyvä erotuskyky ja se, että kuvia saadaan pilvienkin läpi.
ERS-1 (European Remote Sensing Satellite) on Euroopan Avaruusjärjestön ensimmäinen satelliitti, joka laukaistiin maata kiertävälle 782-785 km korkealle radalleen vuonna 1991. Vuosina 1992 ja 1994 ERS-1 oli 3-päiväisellä kiertoradalla, mikä tarkoittaa, että satelliitti kuvaa täsmälleen saman paikan kolmen päivän välein.Vuonna 1993 rata oli 35-päiväinen. ERS-1:llä on useita instrumentteja; tässä sovelluksessa käytetään Active Microwave Instrument (AMI):n synteettisen apertuurin kuvia. AMI on instrumentti, joka lähettää sähkömagneettista säteilyä 5,3 GHz:n taajuudella ja mittaa takaisin sironneen tai heijastuneen säteilyn amplitudin ja vaiheen. Näistä arvoista saadaan laskennallisesti muodostettua digitaalinen kuva kohteesta. Kuvan maanpinnan erotuskyky on noin 30 m ja keilausalueen leveys 100 km.
/Grandell 1995/ /Lillesand & Kiefer 1994/
Kuva 2: ERS-1:n 3-päiväisen radan peitto Pohjanlahdella
NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) -sarjan satelliitit ovat aurinkosynkronisella radalla olevia sääsatelliitteja, joiden ratakorkeus on 850 km. Passiivisen AVHHR (Advanced Very High Resolution Radiometer) -instrumentin kuvien maanpinnan erotuskyky on 1,1 km nadiirissa. Yksi kuva kattaa noin 1000 km levyisen alueen. NOAA-sarjan satelliitteja on monta, joten sama alue voidaan kuvata noin 12 tunnin välein.
/Lillesand & Kiefer 1994/
Jääpalvelussa käytetään SAR:n FD kuvia (Fast delivery), joita vastaanotetaan Kiirunassa (Ruotsissa) ja Fucinossa (Italiassa). Yksi vastaanottoasema voi prosessoida satelliitin radalta kolme peräkkäistä kuvaa. Jos molemmilla vastaanottoasemilla on yhteys satelliittiin, saadaan peräkkäisiä kuvia kuusi. FD-kuva kattaa noin 100 km * 100 km kokoisen alueen joka kuvautuu 5000 * 6300:lle 16 bittiselle pikselille. Jotta kuvia voitaisiin käyttää lähes tosiajassa, käytetään kuvien siirtoon BDDN-verkkoa, joka toimii EUTELSAT tietoliikennesatelliitin välityksellä. Systeemin pääasema on ESRINssä (Italiassa), ja vastaanottoasemia on 12 eri puolilla Eurooppaa. Suomen VTT:llä on yksi näistä vastaanottoasemista. Yhden kuvan lähettäminen kestää 6 minuuttia, ja kaikki vastaanottoasemat saavat sen halutessaan yhtäaikaisesti. Tiedonsiirto tapahtuu kerran päivässä noin puolen tunnin mittaisena sekä Kiirunasta että Fucinosta. Koska lähetys tapahtuu aina samaan vuorokaudenaikaan, voi kuvan vastaanoton ja edelleensiirtämisen välille jäädä jopa 24 tuntia.
Jäätilanteen havainnoinnin kannalta kuvien nopea saatavuus on tärkeämpää kuin erotuskyky. Korkearesoluutioisista FD-kuvista alipäästösuodattamalla tehtyjä matalampiresoluutioisia (100m) kuvia saadaan ERS-1 SAR-kuvia vastaanottavalta Tromsön Satelliittiasemalta (TSS) Norjasta. Yhden kuvan prosessointi kestää kahdeksan minuuttia, ja niitä voidaan vastaanottaa yhdeksän peräkkäin. Kuvien jakelu eteenpäin tapahtuu heti Internetin välityksellä. Ensimmäiset kuvat ehtivät VTT:lle 40 minuuttia satelliitin ylilennon jälkeen. Näitä kuvia käytetään jäänmurtajilla.
/Herland et al. 1995/
Satelliittikuvat oikaistaan ennen jäänmurtajille lähettämistä siten, että niitä voidaan tarkastella yhdessä merikartan kanssa. Kuvia täytyy myös tiivistää, sillä tiedonsiirtokapasiteetti jäänmurtajille ei ole suuri. Jääpalvelun käyttöön tulevia TIFF-muotoisia kuvia tiivistetään vain siten, että tietoa ei menetetä.
/Herland et al. 1995/
Itämeren merikartat ovat Mercatorin projektiossa, johon siis satelliittikuvatkin oikaistaan. Muunnos tapahtuu kuvatiedoston otsikkotiedoissa saatavien kuvan nurkkapisteiden maantieteellisten koordinaattien avulla. Oikaistun kuvan sijaintitarkkuus on noin 200 m, mikä on riittävä kyseiseen sovellukseen.
/Herland et al. 1995/
FD-kuvissa on 16 bittiä pikseliä kohti, mutta jäänmurtajille lähetettävät kuvat ovat 8-bittisiä. Radiometrinen muunnos tehdään skaalaamalla harmaasävyarvot nollan ja 255:n välille.
Varsinainen tiivistysmenetelmä muistuttaa JPEG (Joint Photographic Experts Group) menetelmää. Kuvat suodatetaan ensin lineaarisella suodattimella ja sitten tiivistetään. Tällöin kuvan kooksi tulee noin 100 kilotavua ja pikselikooksi noin 150m maan pinnalla. Maa-alueita kuvaavat osat, joita ei tarvitse siirtää, leikataan kuvilta ennen
tiivistystä vektorimuotoisen rantaviivatiedon avulla.
/Herland et al. 1995/
Niille käyttäjille, joilla ei ole käytettävissään työasemaa digitaalisten kuvien tarkasteluun, lähetetään tilatut kuvat telefaksin välityksellä. Oikaistun kuvan harmaasävyarvot säädetään optimaalisiksi ja kuva rasteroidaan ennen muuntamista G3-muotoon telefaksia varten.
/Herland et al. 1995/
Kuva 3: Esimerkki telefax-kuvasta
Aluksi kuvia siirrettiin VTT:sta jäänmurtajille modeemilla NMT (Nordic Mobile Telephone) -verkon välityksellä. Myöhemmin jäänmurtajien työasemat on liitetty Suomen ja Ruotsin jäänmurtajat sekä merenkulkutoimistot yhdistävään IRIS (Information and Reporting System Icebreaking Service) -verkkoon, jossa tiedonsiirto tapahtuu matkapuhelimien ja modeemien avulla. Vuodeen 1993 jälkeen kuvia on siirretty Internetin välityksellä Jääpalveluun ja Merenkulkulaitokselle, josta ne automaattisesti siirtyvät IRIS-verkkoon.
/Herland et al. 1995/
Kuvatyöasemana toimii jäänmurtajilla Macintosh-PC, johon on kehitelty erityinen ICEPLOTT-ohjelmisto. Tällä ohjelmistolla voi esimerkiksi verrata satelliittikuvia eri ikkunoissa tai katsella eri satelliittikuvia ja kartta-aineistoa päällekäin. Kursorin osoittaman paikan koordinaatit ovat näkyvissä ja ohjelmistossa on erilaisia toimintoja reitin suunnitteluun sekä suuntien ja etäisyyksien mittaamiseen. ICEPLOTTin avulla voidaan käyttää IRIS-verkon tarjoamia tietoja. Ohjelmistolla saadaan näkyville mitä laivoja on lähdössä tietystä satamasta ja mitkä laivat ovat saapumassa sinne. Myös merellä liikkuvista laivoista saadaan aikaisemmista tiedoista arvioitu sijainti, suunta ja nopeus. Jäänmurtajan kapteeni saa näin nopeasti yleiskuvan tilanteesta ja voi opastaa muita aluksia ja jakaa avustustöitä järkevästi muiden murtajien kanssa.
/Herland et al. 1995/
Talvi 1992 oli poikkeuksellisen leuto, eikä Suomen jäänmurtajia tarvittu kuin Perämeren koillisnurkassa. ERS-1:n silloinen kolmepäiväinen rata ei peittänyt tätä aluetta, ja niinpä varsinaisia käytännön kokemuksia ei saatu. Vuonna 1993 oli myös leuto talvi, mutta talvi 1994 osoittautui kiireiseksi jäänmurtajille. Niiden henkilökuntaa ei erityisesti koulutettu tutkakuvien käyttöön vaan jäätyyppien tunnistaminen perustuu kuvien tekstuurin ja harmaasävyarvojen visuaaliseen tulkintaan sekä käytännön kokemukseen jäiden käyttäytymisestä eri säätiloissa.
/Herland et al. 1995//Vainio/
Ruotsin jäänmurtajien kapteenien kokemuksiin ja haastatteluihin perustuen todettiin, että SAR-kuvat toimivat hyvin jäätilanteen havainnoinnin tietolähteenä. Kapteenit saivat malliksi käsinluokitellun tutkakuvan, josta näkyy miten eri jäätyypit erottuvat toisistaan. Karkea ajojää ja aallokkoinen sula vesi, samoin kuin tyyni vesi ja tasainen jää, muistuttavat tutkakuvilla toisiaan. Käytännössä sekaantumisen vaara ei ole merkittävä, sillä edellisen päivän jääkartasta ja säätilasta voi päätellä kumpi vaihtoehdoista on kyseessä. Sulat väylät erottuivat kuvilta hyvin.
NOAA- ja SAR-kuvien yhteiskäyttö osoittautui toimivan hyvin siten, että sääkuvalta nähdään yleiskuva laajalta alueelta ja tutkakuvalta voidaan päätellä yksityiskohdat. Kyselyissä tuli ilmi, että satelliittikuvat todella vaikuttivat jäänmurtajien reitinvalintaan ja niiden perusteella ohjattiin myös kauppalaivoja sellaiselle reitille, missä jäänmurtajan apua ei tarvittu.
/Hakansson et al. 1995/
ERS-1-satelliitin SAR-tutkakuvien käytöstä sääsatelliittikuvien rinnalla lähes tosiaikaisessa jäätilan seurannassa Itämerellä on saatu hyviä kokemuksia. Vallitsevan säätilan, tutkakuvan sekä aikaisempien jääkarttojen perusteella jäänmurtajalla voidaan päätellä millaiset jääolosuhteet eri merialueilla ovat. Kun kauppalaivat ja jäänmurtajat osaavat välttää vaikeakulkuiset alueet, säästetään aikaa ja rahaa.
