System odbioru i przetwarzania danych satelitarnych IMGW-PIB – możliwości wykorzystania w badaniach środowiska morskiego Bożena Łapeta, Piotr Struzik, Monika Hajto Dział Teledetekcji Satelitarnej
System odbioru i przetwarzania danych satelitarnych IMGW-PIB – możliwości
wykorzystania w badaniach środowiska morskiego
Bożena Łapeta, Piotr Struzik, Monika Hajto
Dział Teledetekcji Satelitarnej
Plan prezentacji:
Wprowadzenie: system obioru i przetwarzania danych
Rodzaj danych oraz produktów operacyjnie generowanych w DTS – osłona morska
Dane Programu Copernicus (Sentinel): dostęp i możliwości ich wykorzystania.
Fig. 28 - Composite image from all Polish radars.
8 radarów
~1000 automatycznych
stacji telemetrycznych
IMGW
METEOSAT (8,9,10) NOAA 15-19,
SuomiNPP Metop-A, B Terra, Aqua
60 stacji Synop 152 stacje Klimatyczne
978 posterunków opadowych
196 posterunków śniegowych
System detekcji wyładowań
atmosferycznych PERUN
Numeryczne prognozy pogody:
COSMO, ALADIN, INCA
Dane satelitarne jako element składowy systemu obserwacyjno – pomiarowego IMGW
Oddział Krakowski IMGW-PIB jest jednostką zaangażowaną w odbiór i przetwarzanie
danych satelitarnych od początku lat 60-tych ubiegłego wieku.
Systemy odbioru, przetwarzania, interpretacji oraz
dystrybucji produktów są rozwijane od przeszło 50
lat w komórce, której nazwa zmieniała się na
przestrzeni czasu, aktualnie jest to Dział Teledetekcji
Satelitarnej (DTS).
DTS jest jedyną w Polsce jednostką wyposażoną w
systemy pozwalające na gromadzenie i przetwarzania
danych z wszystkich systemów satelitów
meteorologicznych oraz wielu środowiskowych.
DTS posiada wyszkolonych operatorów satelitarnych
systemów odbioru i przetwarzania danych,
pracujących w trybie operacyjnym (7/365).
Stacja naziemna odbioru danych satelitarnych IMGW-PIB
Schemat systemu odbioru i przetwarzania danych satelitarnych DTS
Meteosat LRIT
3.15 m L band
Ant. Control
DSR-II Rec.
Acq. Server
Polar
Terra, Aqua, Suomi NPP, NOAA, Metop
2.4m L/X band
1.8m L band
NOAA, Metop EUMETCast
1.6m Ku band 1.3m Ku band EUMETCast Terrestrial
Ge
ant
Ant. Control
DSR-III Rec.
DSR-II Rec. DSR-II Rec.
Ayeca Rec. Ayeca Rec.
LAN
Polar Server 2
DVB1 Server
DVB2 Server
Terr. Server
XRIT-1 Server
XRIT-5 Server
XRIT-3 Server
XRIT-4 Server
RSS 15 min
Polar LRIT Vision1
Server Vision5 Server
Linux-Polar Server
Linux-XRIT Server
XRIT-2 Server
Sentinel-1,2
Sentinel-3
Satelity Meteorologiczne wykorzystywane operacyjnie w IMGW-PIB
Satelity Geostacjonarne:
METEOSAT-11 – na orbicie, uśpione funkcje do 2018, pozycja 3.4W METEOSAT-10 – podstawowy satelita operacyjny tryb pracy 15 min, pozycja 0 deg
METEOSAT-9 – satelita zapasowy pracujący w trybie RapidScan 5 min, pozycja 9.5 deg E
METEOSAT-8 – satelita na pozycji 41.5 deg E (Ocean Indyjski)
Pośredni dostęp do obrazów z satelitów:
GOES-E (USA)
GOES-W (USA)
MTSAT-2 (Japonia)
Himawari-8 (Japonia)
FY3 (Chiny)
Satelity na niskich orbitach (okołobiegunowe) – bezpośredni odbiór danych: Seria satelitów NOAA (15, 18 i 19),
Satelita Europejski METOP-A i B,
Najnowszy satelita amerykański Suomi NPP (NPOESS Preparatory Programme),
Satelity środowiskowe: TERRA i AQUA
Pośredni dostęp (EumetCast lub Internet):
Satelita oceanograficzny Jason-2, 3
GCOM-W1 (Japonia)
GPM (USA/Japonia)
Sentinel - 1,2 i 3
Satelita geostacjonarny METEOSAT
Satelity okołobiegunowe: NOAA, Metop, Terra, Aqua, S-NPP
7
Orbita geostacjonarna – 35 800 km, Satelita wykonuje ruch wirowy 100 obr/min. Satelity polarne – ok. 850 km, położenie satelity stabilizowane w 3 osiach. Okres obiegu po orbicie– c.a. 102 minuty
Satelita geostacjonarny Meteosat/SEVIRI –
Pokrycie przestrzenne
Satelita okołobiegunowy SNPP/VIIRS, 11.10.2016, 11:30 UTC
Satelity polarne
Satelita geostacjonarny Meteosat/SEVIRI – wysoka rozdzielczość
Satelita geostacjonarny
9
Satelita okołobiegunowy AQUA/MODIS Satelita okołobiegunowy NOAA/AVHRR
Zdolność rozdzielcza
Satelity geostacjonarne: Zalety: - Pokrycie przestrzenne – hemisfera, - możliwy krótki czas repetycji (15- 2.5
min), - proste i tanie systemy odbioru danych.
Wady: - Stosunkowo niska rozdzielczość
przestrzenna (1-5km), - Brak przyrządów mikrofalowych, - Brak przyrządów do sondażu
atmosfery.
Satelity okołobiegunowe: Wady: - Pokrycie przestrzenne – pas o
szerokości ok. 2500 km (NOAA), - Długi czas repetycji (ok. 2 razy na
dobę), - Drogie i skomplikowane systemy
odbioru danych. Zalety: - Dobra rozdzielczość przestrzenna
(10m-1km), - przyrządy mikrofalowe pasywne i
aktywne, - Dostępny sondaż atmosfery (IR, MW,
radio occultation).
10
Ograniczenia wynikające z platformy satelitarnej
Ze względu na rozdzielczość przestrzenną oraz charakterystykę spektralną
czujników, satelity okołobiegunowe dostarczają użytecznych danych na
potrzeby zarówno osłony morskiej jak i badań środowiska morskiego.
Z punktu widzenia badania mórz i oceanów najistotniejsze są:
• czujniki pasywne obrazujące oraz mikrofalowe, przy czym te ostatnie pełnia
głównie funkcje pomocnicze,
• czujniki aktywne: radary, scatterometry oraz wysokościomierze.
Dane satelitarne w badaniach środowiska morskiego
Dla celów określania SST potrzebne są dane z kanałów IR w oknie
atmosferycznym – od 10.0 µm do 12.0 µm
Dla celów pozyskiwania informacji o kolorze oceanu potrzebne są pomiary w
paśmie widzialnym, z uwzględnieniem krótkofalowej jego części – kolory
niebieski i zielony (0.4-0.6 µ).
• Dane o stratyfikacji i składzie atmosfery dla celów korekcji atmosferycznej
pomiarów w części VIS - usunięcie wpływu atmosfery.
Wpływ atmosfery w paśmie 0.4-0.7µm jest istotnie duży
Czujniki pasywne - jakich danych potrzebujemy?
Advanced Very High Resolution Radiometer AVHRR (NOAA18 i 19, Metop-A i -
B) – 5-kanałowy radiometr mierzący promieniowanie w zakresie 0.6-12.0 µm z
rozdzielczością 1-5 km (do 8 transmisji na dobę).
MODIS (Terra, Aqua) - 36-kanałowy radiometr skanujący zobrazowanie ziemi w
świetle widzialnym i podczerwieni termalnej (0.4-14.3 µm) z rozdzielczością od
250/500/1000 m (do 4 transmisji na dobę).
VIIRS (S-NPP) - 22- kanałowy radiometr skanujący podobny do przyrządu
MODIS. Zobrazowanie ziemi w świetle widzialnym i podczerwieni termalnej
(0.4-12.1 µm) z rozdzielczością 370/750 m (2 transmisje na dobę).
The MultiSpectral Instrument, MSI, (Sentinel-2) - 13-kanałowy instrument
mierzący promieniowanie w świetle widzialnym (0.4-2.2 µm) z rozdzielczością
10/20/60m (1 transmisja na 6 -8 dni).
Czujniki pasywne – dane operacyjnie odbierane
15
Czujniki aktywne – dane i produkty operacyjnie dostępne
Scatterometry:
• ASCAT/Metop – dane level-0, 1 i 2, 3-4 razy na dobę.
Wysokościomierze radarowe – jedynie produkty, odbierane poprzez EumetCAST
• Alitimeter/Jason-2, -3: 4-6 razy na dobę,
• SARAL/Altika: 2 razy na dobę.
Radar z aperturą syntetyczną – dane level-1b
• SAR/Sentinel-1A i -1B: średnio 20 dni w miesiącu dla danej lokalizacji.
Sytuacja meteorologiczna dla Bałtyku
Osłona morska
Zlodzenie morza na podstawie danych Terra i Aqua
18
Produkty na potrzeby osłony morskiej oraz badań środowiska mórz i oceanów – czujniki pasywne
Temperatura powierzchni morza (K, C)
Koncentracja chlorofilu-a (mg/m3)
Materia zawieszona
Głębokość optyczna aerozoli dla 0.47, 0.55, 0.65, 0.86, 1.2, 1.6 and 2.1 µm
Współczynnik (wykładnik) Ångstroma
Aerosol fine size mode fraction
Particulate organic and inorganic carbon (mg/m3)
Chwilowe promieniowanie fotosyntetycznie czynne na powierzchni morza
(Instant. photosynthetic available radiation) (Eistein*m-2 *s-1 )
Promieniowanie fotosyntetycznie czynne (Eistein*m-2 *day-1)
Dyfuzyjny współczynnik osłabienia (diffuse attenuation coeff.) (1/m)
Norm. Fluorescence line height (W*m-2µm-2sr-2)
19
Produkty na potrzeby osłony morskiej oraz badań środowiska mórz i oceanów – czujniki aktywne
Prędkość i kierunek wiatru na morzu (m/s);
Wysokość falowania (significant wave height) (m);
Anomalia poziomu morza (mm);
Zlodzenie;
Detekcja obszarów powierzchni morza pokrytych ropą;
Detekcja statków na morzu;
Temperatura powierzchni morza z danych MODIS, 18.06.2017, 11:10 UTC
Przykładowe produkty
Temperatura powierzchni morza z danych MODIS, 18.06.2017, 20:36 UTC
Przykładowe produkty
Temperatura powierzchni morza z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC
Przykładowe produkty
Koncentracja chlorofilu z danych MODIS
Przykładowe produkty
Koncentracja chlorofilu a z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC
Przykładowe produkty
Głębokość optyczna aerozoli dla 889 nm z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC
Przykładowe produkty
Współczynnik Angstroma z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC
Przykładowe produkty
Particulate organic and inorganic carbon z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC
Przykładowe produkty
Chwilowe promieniowanie fotosyntetycznie czynne na powierzchni morza z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC
Przykładowe produkty
Promieniowanie fotosyntetycznie czynne z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC
Przykładowe produkty
Dyfuzyjny współczynnik osłabienia z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC
Przykładowe produkty
Norm. Fluorescence line height z danych MODIS, 25.04.2017, 1148 UTC
Przykładowe produkty
Pole wiatru na morzu z danych ASCAT oraz modelu ECMWF nad lądem: wszystkie przeloty w godzinach 7-11 UTC.
Przykładowe produkty
Anomalia wysokości powierzchni morza na podstawie danych z wysokościomierzy satelitarnych: Jason-2, Jason-3, Saral/Altika, Sentenel-1.
5.01.2017 - Axel Low – Storm on Baltic Sea
Wysokość falowania morza na podstawie danych z wysokościomierzy satelitarnych: Jason-2, Jason-3, Saral/Altika, Sentinel-1.
Pokrywa lodowa na Zalewie Szczecińskim w lutym 2017 – Sentinel-1 SAR
20.02.2017
14.02.2017
22.02.2017
Program Copernicus – środowisko morskie
Sentinel-3 - satelity Programu Copernicus zaprojektowany do monitorowania mórz
i oceanów.
Misja ta jest kontynuacją misji ERS, Envisat i SPOT.
Pierwszy z dwóch satelitów (Sentinel-3A) został umieszczony na orbicie w lutym
2016. Drugi z satelitów zostanie umieszczony na orbicie w 2018.
Misja Sentinel-3
Na pokładzie Sentatil-3 znajdują się następujące czujniki:
• OLCI: Ocean and Land Colour Instrument.
• SLSTR: Sea and Land Surface Temperature Instrument.
• SRAL: SAR Radar Altimeter.
• MWR: Microwave Radiometer – instrument pomocniczy dla SRAL (korekcja ze względu na wilgotność w atmosferze).
oraz czujniki dla precyzyjnego określania orbity:
• DORIS: system Doppler Orbit Radio do pozycjonowania.
• GNSS: odbiornik GPS podający dokładne parametry orbity oraz śledzący położenie innych satelitów.
• LRR: do dokładnego określania orbity z wykorzystaniem systemu Laser Retro-Reflector.
Misja Sentinel-3
Ocean and Land Colour Instrument (OLCI) (Sentinel-3) – 5 kamerowy spektrometr mierzący
promieniowanie słoneczne w 21 kanałach (0.4-1.02µm) z rozdzielczością 300m w punkcie
podsatelitarnym. OLCI spectral bands center width
1 aerosol, in-water properties 400 15
2 yellow substance, detritus 412.5 10
3 chlorophyll absorption max 442.5 10
4 chlorophyll and other pigments 490 10
5 suspended sediments, red tide 510 10
6 chlorophyll absorption min 560 10
7 suspended sediments 620 10
8 chlorophyll absorption, fluorescence 665 10
9 fluorescence 673.75 7.5
10 chlorophyll fluorescence peak 681.25 7.5
11 chlorophyll fluoresc. ref., atm. corr. 708.75 10
12 vegetation, clouds 753.75 7.5
13 O2 R-branch absorption 761.25 2.5
14 atmospheric parameters 764.375 3.75
15 cloud top pressure 767.5 2.5
16 O2 P-branch absorption 778.75 15
17 atmospheric correction 865 20
18 vegetation, water vapour reference 885 10
19 water vapour, land 900 10
20 atmospheric correction 940 20
21 atmospheric correction 1020 40
Czujniki satelitarne Sentinel3 dedykowane do monitoringu mórz i oceanów
Dobowy rozkład skanów czujnika Sentinel-3A OLCI
Sea and Land Surface Temperature Radiometer (SLSTR) (Sentinel-3) – 11-kanałowy
radiometr mierzący promieniowanie w pasmach widzialnym i podczerwonym (0.55-
10.85µm) z rozdzielczością 500m w punkcie podsatelitarnym.
Dedykowany do określania w skali globalnej i regionalnej temperatury powierzchni mórz i
lądów (z dokładnością lepszą niż 0.3K dla SST).
Capability SLSTR Specifications
Swath Nadir view > 1 400 km
Spectral channel centre
(mm)
VIS 0.55; 0.659; 0.865
SWIR 1.375; 1.610; 2.25
MWIR/TIR 3.74; 10.85; 12
Fire 1/2 3.74; 10.85
Czujniki satelitarne dedykowane do monitoringu mórz i oceanów
Generowane operacyjnie przez segmenty naziemne ESA i EUMETSAT.
EUMETSAT jest odpowiedzialny za operacyjne tworzenie i dystrybucję produktów nad
morzami i oceanami;
ESA jest odpowiedzialna za operacyjne tworzenie i dystrybucję produktów nad lądami.
TYPY Produktów
Produkty Sentinel-3
Zgodnie z informacją uzyskaną od EUMETSAT, operacyjna
dystrybucja danych SLSTR i produktów Sentinel 3 dla środowiska
morskiego ma wystartować jeszcze w czerwcu.
DTS jest technicznie przygotowane do odbioru tych produktów
jednak ich archiwizacja może napotkać trudności.
Produkty Sentinel-3
Zalety:
• możliwość pozyskiwania
informacji z całej powierzchni
mórz i oceanów co pozwala na
badanie zjawisk w szerszych
skalach.
• utrzymywanie tego typu
czujników na orbicie przez
dekady daje możliwość śledzenia
zmian zachodzących w
środowisku morskim.
Zalety i wady wykorzystania danych satelitarnych
Wady:
• Wpływ zachmurzenia – niemożność
„zaglądnięcia” pod chmury. Wyjątkiem
są tu instrumenty mikrofalowe, ale ich
wykorzystanie jest ograniczone.
• Trudności z pozyskiwaniem informacji
ze strefy przybrzeżnej – dane z pikseli
obejmujących zarówno wodę jak i ląd
są trudne do interpretacji.
Rozwiązaniem jest poprawa
przestrzennej zdolność rozdzielcza
rozdzielczej.
• Wciąż długi czas repetycji – brak
czujników na satelitach
geostacjonarnych.
Aktualnie IMGW-PIB wykorzystuje informację cyfrową z satelitów
meteorologicznych i środowiskowych do prowadzenia działań statutowych
dotyczących osłony meteorologicznej, hydrologicznej, morskiej,
agrometeorologicznej;
Wykorzystanie tych danych w badaniach środowiska morskiego jest w fazie
początkowej.
Rozwojowi tych działań sprzyja m.in. Uruchomienie operacyjnego odbioru danych z
satelitów Sentinel oraz wdrożenie nowych pakietów do przetwarzania danych z
satelitów okołobiegunowych daje wiele możliwości wykorzystania danych
satelitarnych w badaniach nad środowiskiem.
Podsumowanie
Dziękuję za uwagę