Satelliittidatoista ja niiden tarkkuudesta

Seminaariesitelmä 24.3.1999

Timo Ikola 43824m

Sisältö

1 Resoluution määritelmä

1.1 Spatiaalinen

1.2 Spektraalinen

1.3 Radiometrinen

1.4 Temporaalinen

2 Tarjolla olevien satellidatojen resoluutiosta

3 Tulevaisuuden näkymät

3.1 YK:n politiikka

3.2 USA:n politiikka

3.3 Yleisesti

Vitteet

1 Resoluution määritelmä

Resoluutio (=erotuskyky) tarkoittaa pienintä mahdollista yksiköä. Konkreettisimmilaan se on rasterikuvan tapauksessa, jossa kuva koostuu tuhansista pienistä pikseleistä, joista kullakin on jokin arvo. Tämä ei kuitenkaan ole ainoa resoluutiotyyppi, kuten seuraavassa käy ilmi.

Resoluutiota on neljää typpiä:

· Spatiaalinen

· Spektraalinen

· Radiometrinen

· Temporaalinen

1.1 Spatiaalinen resoluutio

Spatiaalinen tai geometrinen resoluutio tarkoittaa pienintä mahdollista yksityiskohtaa, joka kuvalta on erotettavissa. Spatiaalisen resoluution yksikkö on metri. Yleensä puhuttaessa resoluutiosta tarkoitetaan juuri nimenomaan spatiaalista resoluutiota, vaikka kohteen resoluution vaikuttavat myös muut tässä esiteltävät resoluutiot. Puhekielessä resoluutiolla tarkoitetaan yleensä pikselikokoa, joka on datan tekninen ominaisuus. Pikemminkin tulisi tarkoittaa erotuskykyä, joka liityy kuvauksen fysikaalisiin ominaisuuksiin. Spatiaalisen resoluution paraneminen kasvattaa informaation määrää, mistä seuraa, että tarkkaresoluutioiset kuvat ovat usein kuva-alaltaan pieniä. /MuuSe: Kankkunen, Saarikoski/

Riittävä spatiaalinen resoluutio riippuu kulloisestakin tarpeesta. Mikäli kyseinen ilmiö on mahdollista tunnistaa ja analysoida kuvalta, on resoluutio riittävä. Seurattaessa kasvuston kehitystä koko maan alueella riittävät NOAA AVHRR kuvat (spatiaalinen resoluutio 1.1*1.1 km), jos taas halutaan tutkia jonkin pienen alueen maankäyttöä, tarvitaan Landsat TM, SPOT tms. tarkemman resoluution kuvia. /KKYK luennot: Törmä/

1m spatiaalinen resoluutio

2m spatiaalinen resoluutio

10m spatiaalinen resoluutio

30m spatiaalinen resoluutio

1100m spatiaalinen resoluutio

1.2 Spektraalinen resoluutio

Spektraalinen resoluutio tarkoittaa sitä sähkömagneettisen säteilyn aallonpituusjakumaa, jota kyseisessä kuvauksessa havainnoidaan. Spektraalisen resoluution määrää siis instrumentin herkistys säteilyn suhteen. Tarkkaresoluutioset (spatiaalinen) satelliitti-instrumentit ovat yleensä pankromaattisia, eli instrumentti on herkistetty koko näkyvän valon aallonpituudelle (400nm-700nm).

Tarkka spektraalinen resoluutio taas saavutetaan kapealla taajuuskaistalla, tällöin kohteesta saadaan yksilöllistävämpää tietoa, kuin käyttämällä laajaa kaistanleveyttä. Kapean kaistanleveyden käytöstä seuraa helposti huono signaali-kohina suhde, mikä aiheuttaa radiometrisen erotuskyvyn huononemista. /MuuSe: Kankkunen, Saarikoski ja KKYK luennot: Törmä/

Spektraalisen ja radiometrisen resoluution väliltä täytyy aina hakea kompromissi riippuen sovellutuskohteesta. Esim. Viljan kasvua seurataan kapeilla näkyvän- ja lähi-infrapuna-alueen kaistoilla. Vulkaanista toimintaa taas seurataan laajalla infrapuna-alueen taajuuskaistalla korkean radiometrisen resoluution saavuttamiseksi. /KKYK luennot: Törmä/

1.3 Radiometrinen resoluutio

Radiometrinen resoluutio tarkoittaa kuvauksessa käytössä olevien sävyjen määrää. Siis sitä kuinka moneen eri arvoon taajuuskaista on jaettu. Sateliittikuvauksessa radiometrinen resoluutio on sekä havaintoinstrumentin, että tiedonsiirtojärjestelmän keskeinen ominaisuus. Radiometrisen resoluution yksikkö on bitti. Välttävä resoluutio saadaan aikaan 6 bitillä (64 sävyä kuvaelementtiä kohti), mutta tyydyttävä resoluutio edellyttää 8 bitin (256 sävyä) instrumenttia. Tarkkaresoluutioisissa kuvissa instrumentin sisäinen näytteenotto tehdään usein 11 bitillä, vaikka tiedonsiirto sateliitista maahan tehdään vain 8 bitillä. Tällöin instrumentin elektroniikkassa voidaan voidaan sisäisen kalibroinnin avulla skaalata kuvan radiometria siten, että kuvan sävyarvojakauma on paras mahdollinen. /MuuSe : Kankkunen, Saarikoski/

Oheisissa kuvissa nähdään radiometrisen resoluution vaikutus. Spatiaalinen resoluutio on kaikissa kuvissa sama (1*1 m).

1. Alkuperäinen 8 bittinen kuva (256 harmaasävyä)

2. 4 bittinen kuva (16 harmaasävyä)

3. 2 bittinen kuva (4 harmaasävyä)

4. 1 bittinen binäärikuva (2 sävyä)

1.4 Temporaalinen resoluutio

Temporaalinen resoluutio tarkoittaa kuinka usein täsmälleen sama maastonkohta kuvataan uudelleen. Temporaalista resoluutiota nimitetään usein toistoksi ja sen yksikkö on aikayksikkö useimmiten päivä. Temporaaliseen resoluutioon vaikuttaa satelliitin lentokorkeus, ratajärjestelmä, kuva-ala ja ohjelmoitavuus. Polaarirataisilla sateliiteilla teoreettinen toisto paranee siirryttäessä ekvaattorilta napoja kohti, koska satelliitin radat lähenevät navoilla toisiaan. Toistoa voidaan parantaa ohjelmoitavuudella, mikä tarkoittaa, että sateliitti saadaan käännettyä peilioptiikan avulla kuvamaan samaa aluetta vierekkäisiltä radoilta. (MuuSe : Kankkunen, Saarikoski) Esimerkkinä hyvästä temporaaliseseta resoluutiosta ovat NOAA sääsateliitit, jotka kuvaavat Suomea 4-5 kertaa päivässä. Ilmatieteenlaitos päivittää sääsivuilleen NOAA kuvia sitämukaa kun niitä tulee ja niiden avulla kansalaiset voivat katsella säätilanteen kehittymistä. NOAA kuvia käytetään metsäpalojen valvontaan ja tutkimuksissa on todettu ettei NOAA:n temporaalinen resoluutio ole riittävä metsäpalojen valvontaan. /Metsäpalotyöaseman toiminnan analysointi: erikoistyö Ikola/

2 Tarjolla olevien satellidatojen resoluutio

Listaan tässä kappaleessa tällä hetkellä helposti saatavat varteenotettavat sateliittidatat ja niiden resoluutiot. Lähteenä olen käyttänyt Novosatin esittelymateriaalia. Olen jättänyt kokonaan huomiotta instrumentit, joiden toiminta on jo lakannut. Mukana ovat siis vain instrumentit, jotka tuottavat ajantasalla olevaa dataa. Resoluutiokommetit on tehty puhtaasti mainosmateriaalin pohjalta, eikä mitään riippumatonta tutkimustulosta käyttäen.

OPTISET INSTRUMENTIT

TUTKAT

Edellä olevista taulukoista nähdään, ettei vielä ole tarjolla todella korkeaa spatiaalista resoluutiota tarjoavaa satelliittia. Tarkinta dataa tuottaa IRS sateliitin pan havaintolaite, mutta senkin tarkkuus on vasta 5.8 m. Tällä tarkkudella ei vielä pystytä kilpailemaan tarkkuudessa ilmakuviin pohjautuvaan kartantuotannon kanssa. Toki jo näillä nykyisllä resoluutiolla voidaan karttaa tuottaa, mutta sen tarkkuus ei yllä lähellekkään ilmakuvausta. Mutta jos tarpeeseen riittää hieman epätarkempi kartta, ovat nykyiset sateliitit jo hyviä vaihtoehtoja, mikäli hinta on kilpailukykyinen.

Tarkempaa spatiaalista resoluutiota tuottavia satelliitteja lauotaan ja testataan parhaillaan ja ehkäpä jo tämän vuoden aikana saamme käyttöömme QUICKBIRD ja IKONOS dataa, joissa erotuskyky on hieman alle 1 m. Näistä satelliiteista on ollut jo vuosia puhetta, mutta niiden käyttöönotto on lykkäytynyt koko ajan.

Venäläiset myyvät jo noin 3 metrin resoluution dataa, mutta johtuen muista ongelmistaan nämä datat eivät ole lyöneet itseään läpi. Heidän ongelmana ovat olleet epävarma toimitus, huono digitaalinen laatu ym. tyypilliset "venäläisten ongelmat". Lisäksi he ovat tarjonneet vakoilusateliittiensa kuvia rajatulle ostajajoukolle, mutta niiden merkitys on pikemminkin marginaalista. /MuuSe: Kankkunen, Saarikoski/

Datojen spektraalisesta resoluutiosta on vaikea sanoa mitään konkreettista. Landsat, NOAA ja ERS tarjoavat optista dataa hyvin laajalta spektrin alueelta. Muut laitteet keskittyvät pääasiassa näkyvään valoon ja sen lähiympäristöön.

Radiometrisiltä resoluutioltaan kaikki optiset sateliitit ovat hyvin lähellä toisiaan. Ainoastaan em. uudet IKONOS ja QUICKBIRD tarjoavat 11 bittistä radiometriaa, muiden jäädessä 8 bittiseen.

Temporaaliselta resoluutiolta NOAA on muita selvästi parempi. Syynä tähän on NOAA satelliitin erityyppinen luonne. Se on sääsatelliitti, kun muut ovat kaukokartoitus sateliitteja. Sääennusteiden kannalta temporaalinen resoluutio on todella tärkeää, kun taas kartoituksessa tapahtuvien muutosten seuraamiseen riittä huomattavasti harvemmat kuvanottovälit. Tämä erikoisoiminaisuus tekee NOAA sateliittista mielenkiintoisen vaihtoehdon, vaikka sen spatiaalinen resoluutio on heikko. Myös IRS sateliitin toisettavuus on hyvä, mutta sen ongelma on datan hinta, koska sateliitti on tehty puhtaasti kaupallisiin tarkoituksiin.

3 Tulevaisuuden näkymät

3.1 YK:n politiikka

Merkittävän juridisen perusteen kaukokartoitukselle antaa YK:n 15 kaukokartoituksen perusperiaatetta, jotka hyväksyttiin yksimielisesti YK:n yleiskokouksessa 11. joulukuuta 1986. Kaukokartoitustoiminnaksi määritellään YK:n päätöksessä avaruudesta tapahtuvan havainnoinnin operointi, primääridatan keruu ja varastointi, sekä prosessointiin, kuvatulkintaan ja tulosten jakeluun liittyvät aktiviteetit. Nämä periaatteet koskevat allekirjoittajavaltioissa valtion ja valtion hyväksymien organisaatioden suorittamaa kaukokartoitustoimintaa.

YK:n perusperiaatteiden tarkoitus ei ole määrittää kaikkea, vaan luoda yleisesti hyväksytyt raamit toiminnalle. Periaatteiden tarkoitus on edesauttaa kaukokartoituksen avulla luonnonvarojen käyttöön; maankäyttöön; sekä ympäristönsuojeluun liittyvää toimintaa. Näinollen ne koskevat vain maapallon kaukokartoitusta, eikä esimerkiksi muiden planeettojen, ilmakehän tai kaukaisen avaruuden havinnointia.

Seuraavassa muutamia kohtia YK:n perusperiaatteista, joilla on erityisiä vaikutuksia tarkkresoluutiosten sateliittien kehittämiseen:

· Kaukokartoitusaaktiviteetteja suuniteltaessa ja suoritttaessa tulee ottaa huomioon kaikkien YK:n jäsenmaiden intressit ja edut, välittämättä yksittäisten jäsenmaiden poliittisita oloista, sosiaalisesta, tietellisestä tai taloudellisesta tilasta ottaen eritysesti huomioon kehitysmaiden tarpeet luonnon resurssien hallinnssa.

· Niiden valtioiden, jotka suunnittelvat kaukokartoitusjärjestelmiä, tulee suosia kansaivälistä yhyteistoimintaa aktiviteeteissaan. Näissä puitteissa toteutettaviin projekteihin tulisi kolmansien valtioiden päästä yhteisesti ja tasa-arvoisesti osallistumaan.

· Jotta kaukokartoitustoiminnan edut voitaisiin maksimoida, valtioiden tulisi sopimuksin tai muilla järjestelyillä luoda puitteet vastaanottoasemien sekä datan arkistoinnin toiminnalle, ottaen huomioon maapallon maapinta-alaan liittyvän alueellisen ja valtiollisen jakauman.

· Välittömästi sen jälkeen kun kaukokartoitusdata on vastaanotettu ja prosessoitu, tulee sillä valtiolla, jota havainnointi koskee, olla oikeus saada sekä havaintodataa, että datasta analysoitua informaatiota käyttöönsä ei-diskriminoivalla periaatteella, maksaen järjellisesti määräytyvät tuotantokulut.

/MuuSe: Saarikoski/

3.2 USA:n politiikka

USA:n politiikan suuntaviivat ovat uusien teknisesti kehittyneiden sateliitti-instrumenttien käyttöönsaattamisessa maailmanlaajuisesti tärkeitä. Syynä tähän on maan huomattava edityneisyys avaruustekniikassa. Tämä ei johdu pelkästään SDI (Strategic Defence Initiative) projekteissa kehitetyn teknologian siirtämisestä siviilikäyttöön, vaan myös kaupallisen avaruustoiminnan laajuudesta ja kilpailusta. Suurin osa maailmalla viimeisen viiden vuoden aikana tapahtuneesta instrumenttikehityksestä on tapahtunut USA:ssa.

Kaksi poliittista päätöstä on vaikuttanut merkittävästi tulevaisuuden kaukokartoitukseen:

· Senaatin päättämä laki "Land Remote Sensing Policy Act 1992", joka strukturoi uudestaan Landsat ohjelman, määritti USA:n valtion ja kaupallisten toimijoiden suhteita, sekä alustavasti liberalisoi tulevaisuuden kaupallisille operaattoireille pääsyn avaruuteen.

· Presidentillinen julistus, jonka Clinton allekirjoitti 10.3.1994. Tämä liberalisoi edelleen avaruuden kaupallista hyödyntämistä kaukokartoituksessa, sekä määritti pelisäännöt tulevaisuuden toiminnalle.

Nämä kaksi päätöstä antavat kaupalliselle yritykselle luvanvaraisen mahdollisuuden kehittää, laukaista ja operoida tarkkaresoluutioisia sekä monikanavaisia satelliittijärjestelmiä. Toki USA jätti itselleen oikeuden estää k.o. toiminta, määrätyiltä alueilta sellaisina ajanhetkinä, jolloin USA:n kansallisen turvallisuuden katsotaan vaarantuvan.

/MuuSe: Saarikoski/

3.3 Yleisesti

Kaukokartoituksen intressilähtökohta on perinteisesti ollut joko sotilaalinen tai valtiollinen. Sotillassektorin merkitys on ollut suuri teknisen kehityksen kannalta, vaikka kaupallisessa mielessä sektori onkin ollut täysin suljettu. Nyt kun kaupallinen kaukokartoitus on lähdössä ja osin jo lähtenytkin käyntiin, kyseessä on pitkälti sotilassektorille kehitetyn teknologian siirtämisestä siviilikäyttöön. On vaikea ennakoida, kuinka pitkälle kehityksen annetaan mennä, ennen kuin sotilassektori estää käytön kansallisen turvallisuuden nimissä.

Sotilaspohjainen kaukokartoitus jatkaa elämmäsä kuten ennenkin. Valtiolähtöinen kaukokartoitus jatkaa myös olemassaoloaan, mutta sen rooli siirtyy luultavasti enemmän tutkimustoimintaan ja operatiivinen työ siirtyy kaupalliselle puolelle. /MuuSe: Saarikoski/

Seuraavan viiden vuoden aikana tulee useita puhtaasti kaupallisia sateliittimissioita. Datapolitiikkaa ei enää sanele valtiointressi, vaan kaupalliset tekijät. Kuvadataa on saatavissa useista eri lähteistä. Suurempi ja laadukkaampi datatarjonta tuonee kaukokartoitukselle uusia kohteita ja työtilaisuuksia. Kilpailun myötä vain kyvykkäimmät tekijät jäävät henkiin.

/MuuSe: Saarikoski/

Hyvänä esimerkkinä uudesta liberaalimasta datapoltiikasta ovat uudet Quickbird ja Ikonos hankkeet, jotka tuovat huomattavasti aiempaa tarkemman datan kaikkien halukkaitten saataville. Uskon, että myös muuntyypisten satelliitiresoluutioden puolella on tulossa entistä parempia laitteita. Sitä mihin tuota tarkempaa dataa tullaan käyttämään on vielä vaikea ennustaa. Mutta koska entisellekkin datalle on ollut käyttöä, tuntuisi loogiselta että paremmalle datalle on entistä dataa enemmän käyttöä. Näinollen katson toiveikkaana tulevaisuuteen - kyllä minulle täytyy työtä riittää.

Viitteet:

Kaukokartoituksen yleikurssin luentokalvot: Markus Törmä (ei julkaistu)

Muutosten seuranta (MuuSe) - projektin loppuraportti: Soile Kankkunen, Antti Saarikoski MML sateliittikuvakeskus, Topografikunta, MATINE (ei julkaistu)

Metsäpalotyöaseman toiminnan analysointi: Timo Ikola -99 erikoistyö TKK fotogrammetrian ja kaukokartoituksen laboratorio, VTT Automaatio (ei julkaistu)

Saatavilla olevan sateliittidatan esitteet: Novosat - mainoslehtisiä