Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS, pol.: spektroradiometr obrazujący średniej rozdzielczości) – wielospektralny skaner optyczno-mechaniczny satelitów Terra i Aqua. Rejestruje promieniowanie elektromagnetyczne w 36 kanałach obejmujących zakres 0,46-14,39 μm. Dostarcza danych o rozdzielczości przestrzennej 0,25-1,00 km/piksel w nadirze. Ze względu na duże pole widzenia (110°) umożliwia uzyskanie danych dla całej planety dwa razy na dobę[1]. Dane zbierane przez MODIS znajdują zastosowanie w badaniach atmosfery oraz powierzchni lądów i oceanów (wraz z kriosferą). Sensor ma charakter eksperymentalnego i nie jest wykorzystywany np. w operacyjnej służbie meteorologiczne.

MODIS uchodzi za jeden z najważniejszych sensorów współczesnej teledetekcji satelitarnej. Opinie tą zawdzięcza wysokiej jakości danych: wysokiej rozdzielczości radiometrycznej i spektralnej, zaawansowanym systemom kalibracji radiometrycznej. Dodatkowo orbity satelitów Terra i Aqua są stabilizowane z dokładnością ±5-10 minut[1], co pozwala na uzyskanie homogenicznych serii obserwacyjnych, kluczowych do badań środowiska, a trudno osiągalnych za pomocą np. sensorów AVHRR[2][3][4].

Historia[edytuj | edytuj kod]

W połowie lat 70. minionego wieku wzrost zainteresowania badaniami Ziemi zbiegł się z intensywnym rozwojem satelitarnych technik obserwacji planety. Chęć wykorzystania satelitów do badania środowiska naturalnego doprowadziła do powstania w USA programu Earth Observing System (EOS). Zasadniczym celem EOS była budowa serii instrumentów, które zapewniłyby jednorodny, piętnastoletni ciąg obserwacji Ziemi. Jednym z sensorów rozważanych dla EOS był radiometr obrazujący średniej rozdzielczości. W pierwszej połowie lat 80. zespół dziewiętnastu naukowców i inżynierów opracował szczegółową koncepcję sensora, sugerując stworzenie dwóch instrumentów: MODIS-T i MODIS-N.

MODIS-T (T od ang. tilt - wychylenie) miał dokonywać pomiarów promieniowania w 64 zakresach spektralnych i posiadać opcję wychylenia osi optycznej od nadiru, co pozwoliłoby unikać refleksu słonecznego nad oceanami. MODIS-T był sensorem bardzo innowacyjnym, projektowanym z myślą o badaniach oceanograficznych. Za budowę instrumentu odpowiadać miało Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda (GSFC). Bardziej "klasyczny" MODIS-N miał rejestrować promieniowanie w 35 zakresach spektralnych, za pomocą teleskopu skierowanego wyłącznie w nadir (stąd N w nazwie). Budowę sensora powierzono sektorowi prywatnemu w ramach rządowego kontraktu (wybrano firmę Santa Barbara Remote Sensing, dzisiaj Raytheon).

W 1991 roku EOS przeszedł pierwszą poważną restrukturyzację, w efekcie której zarzucono budowę MODIS-T. Aby uratować część programu oceanograficznego zdecydowano o wykonaniu dwóch bliźniaczych skanerów MODIS-N, z zamysłem umieszczenia ich na oddzielnych satelitach o roboczych nazwach EOS-AM i EOS-PM. Satelitom wybrano orbity umożliwiające obserwację danego obszaru oceanu w innym czasie i przy innej geometrii, co w pewnej mierze rozwiązywało problem refleksu słonecznego. Od tego momentu sensory funkcjonują pod wspólną nazwą MODIS, a za kierowanie projektem odpowiedzialne jest ośrodek NASA w GSFC.

Na początku lat 90. zakładano, że każdy z satelitów EOS-AM i EOS-PM będzie miał pięcioletnią żywotność, co implikowało konieczność budowy sześciu satelitów, a więc i sześciu sensorów MODIS. Satelity EOS-AM1 i EOS-PM1 miały nieść na pokładzie sensor MODIS odpowiadający istniejącej specyfikacji, dla AM2/AM3 i PM2/PM3 planowano budowę nowej, zaawansowanej wersji MODIS.

Połowa lat 90. przyniosła w USA zmianę filozofii realizacji naukowych misji satelitarnych. NASA jako agencja badawcza miała jedynie opracowywać nowoczesne instrumenty, udowadniające słuszność proponowanych założeń inżynieryjnych (tzw. proof of concept). Jeśli rozwiązania testowane przez NASA sprawdziłyby się, miały zostać wdrożone w instrumentach budowanych z myślą o służbie operacyjnej, nad która nadzór sprawowałyby inne agencje rządowe (np. NOAA lub USGS). W duchu tej polityki dwa budowane sensory MODIS uznano za testowe prototypy NASA. Ewentualne późniejsze sensory miały być już operacyjnymi, więc prace nad nimi stały się częścią planu modernizacji amerykańskiej flotylli satelitów meteorologicznych.

Ostatecznie powstały dwa egzemplarze MODIS. Pierwszy (Protoflight Model, PFM) był gotowy w czerwcu 1997 roku i trafił na orbitę na pokładzie satelity EOS-AM (Terra) w grudniu 1999 roku, rozpoczynając regularne obserwacje 24 lutego 2000. Drugi egzemplarz (Flight Model 1, FM1) zainstalowano na pokładzie satelity EOS-AM1 (Aqua) i umieszczono na orbicie w maju 2002. MODIS/Aqua rozpoczął obserwacje 24 czerwca 2002. W przyszłości ciągłość obserwacji mają zapewnić skanery VIIRS, wykorzystujące wiele rozwiązań z projektu MODIS.

Budowa instrumentu[edytuj | edytuj kod]

Główne elementy konstrukcji MODIS
Wiki letter w.svg Ta sekcja jest niekompletna. Jeśli możesz, rozbuduj ją.

Charakterystyka spektralna[edytuj | edytuj kod]

Obraz środkowej Europy z sensora MODIS/Terra (10 stycznia 2011). W skali szarości pokazane są obrazy uzyskane w poszczególnych zakresach spektralnych, co pozwala dostrzec np. spektralne różnice w odbiciu promieniowania przez śnieg (duże odbicie w 0.4 μm, silne pochłanianie w 2.1 μm).
bezchmurny obraz Polski z sensora MODIS/Terra; 20 kwietnia 2011
Wielospektralna obserwacja pożaru w Wólce Kosowskiej (10 maja 2011) wykonana sensorem MODIS/Aqua

Specyficzne dla MODIS jest obrazowanie w dużej liczbie zakresów spektralnych, obejmujących zarówno promieniowanie krótkofalowe (20 zakresów), jak i podczerwone (16 zakresów). Dla porównania, radiometr AVHRR, instrument najbardziej podobny do MODIS, pozwala na jednoczesną rejestrację promieniowania wyłącznie w 5 zakresach.

Wysoka rozdzielczość spektralna MODIS pozwala na jednoczesną realizację badań z zakresu pokrycia terenu (np. kanały 1 i 2 stosowane są do liczenia wskaźnika NDVI), klimatologii (np. zakresy 2 i 6 pozwalają na prostą detekcję śniegu, kanał 6 na detekcję chmur Cirrus, kanały 31 i 32 na wyznaczanie temperatury powierzchni lądu i oceanu) i oceanografii (np. kanały 8-11 na parametryzacje chlorofilu). Dotychczas każdy z tych obszarów wymagał często odmiennego satelity, z których żaden nie przewyższał MODIS jakością danych.

Unikatowa cechą MODIS jest wysoka rozdzielczość spektralna w zakresie odpowiadającym absorpcji promieniowania przez dwutlenek węgla (11-15 um). Zlokalizowane w tym obszarze widma kanały 31-36 umożliwiają obliczenie pionowych profilów temperatury powietrza, do czego zazwyczaj wykorzystuje się hiperspektralne radiometry sondujące (sounders). MODIS jest tym samym przykładem sensora, który ze względu na charakterystykę spektralną, oferuje zarówno możliwości typowego skanera obrazującego (imager), jak i niektóre możliwości radiometru sondującego (sounder).

Kanał Centralna długość
fali (μm)
Zakres fal
(μm)
Radiancja spektralna
(Wm-2μm-1sr-1)
Rozdzielczość
(m)
SNR NEΔT
(K)
1 0.659 0.620–0.670 21.8 250 128
2 0.865 0.841–0.876 24.7 250 201
3 0.470 0.459–0.479 35.3 500 243
4 0.555 0.545–0.565 29.0 500 228
5 1.240 1.230–1.250 5.4 500 74
6 1.640 1.628–1.652 7.3 500 275
7 2.130 2.105–2.155 1.0 500 110
8 0.415 0.405–0.420 44.9 1000 880
9 0.443 0.438–0.448 41.9 1000 838
10 0.490 0.483–0.493 32.1 1000 802
11 0.531 0.526–0.536 27.9 1000 754
12 0.565 0.546–0.556 21.0 1000 750
13 0.653 0.662–0.672 9.5 1000 910
14 0.681 0.673–0.683 8.7 1000 1087
15 0.750 0.743–0.753 10.2 1000 586
16 0.865 0.862–0.877 6.2 1000 516
17 0.905 0.890–0.920 10.0 1000 167
18 0.936 0.931–0.941 3.6 1000 57
19 0.940 0.915–0.965 15.0 1000 250
20 3.750 3.660–3.840 0.45 (300 K) 1000 0.05
21 3.959 3.929–3.989 2.38 (335 K) 1000 2.00
22 3.959 3.929–3.989 0.67 (300 K) 1000 0.07
23 4.050 4.020–4.080 0.79 (300 K) 1000 0.07
24 4.465 4.433–4.498 0.17 (250 K) 1000 0.25
25 4.515 4.482–4.549 0.59 (275 K) 1000 0.25
26 1.375 1.360–1.390 6.0 1000 150
27 6.715 6.535–6.895 1.16 (240 K) 1000 0.25
28 7.325 7.175–7.475 2.18 (250 K) 1000 0.25
29 8.550 8.400–8.700 9.58 (300 K) 1000 0.05
30 9.730 9.580–9.880 3.69 (250 K) 1000 0.25
31 11.030 10.780–11.280 9.55 (300 K) 1000 0.05
32 12.020 11.770–12.270 8.94 (300 K) 1000 0.05
33 13.335 13.185–13.485 4.52 (260 K) 1000 0.25
34 13.635 13.485–13.785 3.76 (250 K) 1000 0.25
35 13.935 13.785–14.085 3.11 (240 K) 1000 0.25
36 14.235 14.085–14.385 2.08 (220 K) 1000 0.35

Dane[edytuj | edytuj kod]

Stopień przetworzenia[edytuj | edytuj kod]

W ramach projektu MODIS oferowane są dane nieprzetworzone oraz dane tematyczne, tzw. produkty - efekt interpretacji danych pierwotnych. Ze względu na stopień przetworzenia danych pierwotnych wyróżnione są cztery zasadnicze stopnie przetworzenia (ang. levels):

  • Level 0 (L0) - pakiety strumienia danych odebranych z satelity, odpowiadające danym obserwacyjnym. Ciągły strumień danych zostaje podzielony na fragmenty (sceny) odpowiadające pięciu minutom obrazowania przez MODIS.
  • Level 1 (L1) - dane obserwacyjne wraz z wyznaczonymi parametrami korekcji geometrycznej i radiometrycznej. Dla poziomu L1A informacje wymagane do korekcji są zapisane osobno, podczas gdy w przypadku L1B obydwie korekty zostały już wykonane i są nieodwracalnie wpisane w dane.
  • Level 2 (L2) - dane tematyczne tworzone dla każdej pięciominutowej sceny MODIS, zapisywane w oryginalnym układzie odniesienia wynikającym ze sposobu obrazowania sensora. Są to najbardziej podstawowe dane tematyczne, na podstawie których wyznacza się wartości średnie.
  • Level 3 (L3) - dane tematyczne L2 zagregowane czasowo do wartości: dobowych, 8-dniowych, 16-dniowych, 32-dniowych i rocznych; w większości przypadków redukowana jest rozdzielczość przestrzenna informacji do piksela o rozmiarze np. 1x1 stopień. Dane zapisywane są najczęściej w odwzorowaniu geograficznym lub sinusoidalnym.

Tematyka[edytuj | edytuj kod]

Projekt MODIS oferuje ponad czterdzieści produktów tematycznych, tworzonych w sposób operacyjny (regularnie i niemal w czasie rzeczywistym). Produkty są ponumerowane, a liczbę poprzedza identyfikator "MOD" lub "MYD", wskazujący odpowiednio satelitę Terra i Aqua jako źródło danych. Istnieją również produkty łączone, z których przypadku identyfikatorem jest "MCD" (C od combined, pol. łączone). Poniższa tabele zestawia główne grupy produktów, przy czym prawie każda z nich dzieli się na podgrupy produktów bardziej szczegółowych lub odpowiadających rożnym poziomom przetworzenia.

Kod produktu Oryginalna nazwa produktu Tematyka danych
MOD01 Level-1A Radiance Counts Wartość promieniowania - niekalibrowana
MOD02 Level-1B Calibrated, Geolocated Radiances Wartość promieniowania - skalibrowana geometrycznie i radiometrycznie
MOD03 Geolocation Data Set Współrzędne geograficzne pikseli, geometria obserwacji
MOD04 Aerosol Product Właściwości aerozolu atmosferycznego
MOD05 Total Precipitable Water Wodność chmur, para wodna
MOD06 Cloud Product Zachmurzenie i mikrofizyka chmur
MOD07 Atmospheric Profiles Profile atmosferyczne m.in. temperatury, wilgotności, dwutlenku węgla
MOD08 Gridded Atmosphere Products (Level-3) Zgeneralizowane dane atmosferyczne
MOD09 Atmospherically Corrected Surface Reflectance Odbiciowość powierzchni lądu
MOD10 Snow Cover Pokrywa śnieżna
MOD11 Land Surface Temperature and Emissivity Temperatura i emisywność powierzchni lądu
MOD12 Land Cover/Land Cover Change Pokrycie terenu i jego zmiany
MOD13 Vegetation Indices Wskaźniki roślinności
MOD14 Thermal Anomalies, Fires and Biomass Burning Anomalie termiczne, pożary
MOD15 Leaf Area Index and FPAR Wskaźnik powierzchni liści
MOD16 Surface Resistance and Evapotranspiration Transpiracja z roślin
MOD17 Vegetation Production , Net Primary Productivity Produkcja roślinna
MOD18 Normalized Water Leaving Radiance Promieniowanie odbite przez powierzchnię oceanu
MOD19 Pigment Concentration Gęstość barwników
MOD20 Chlorophyll Fluorescence Właściwości fluorescencyjne chlorofilu
MOD21 Chlorophyll a Pigment Concentration Właściwości chlorofilu
MOD22 Photosynthetically Active Radiation (PAR) Promieniowanie fotosyntetycznie czynne
MOD23 Suspended Solids Concentration in Ocean Water Materia zawieszona w wodzie morskiej
MOD24 Organic Matter Concentration Gęstość materii organicznej
MOD25 Coccolith Concentration Gęstość kokolitów
MOD26 Ocean Water Attenuation Coefficient Współczynnik absorpcji wody morskiej
MOD27 Ocean Primary Productivity Produktywność oceanu
MOD28 Sea Surface Temperature Temperatura powierzchniowa wody morskiej
MOD29 Sea Ice Cover Pokrywa lodowa
MOD31 Phycoerythrin Concentration Gęstość fikoerytryny
MOD35 Cloud Mask Maska chmur
MOD36 Total Absorption Coefficient Właściwości absorpcyjne chlorofilu
MOD37 Ocean Aerosol Properties Właściwości aerozolu morskiego
MOD39 Clear Water Epsilon Właściwości aerozolu morskiego
MOD43 Albedo 16-Day Level-3 Albedo
MOD44 Vegetation Cover Conversion and Continuous Fields Pokrycie terenu

Wersje danych[edytuj | edytuj kod]

Każdy produkt danej grupy tematycznej jest efektem przetworzenia danych oryginalnych stosownym algorytmem - sformalizowanym zestawem procedur. Dokładne opisy procedur są udostępniane publicznie w postaci dokumentów teoretycznych podstaw algorytmu (Algorithm Theoretical Basis Document, ATBD).

Algorytmy są nieustannie udoskonalane, powstają ich kolejne wersje. W konsekwencji istnieją również różne wersje samych danych MODIS. Wersje te w nomenklaturze projektu kreślą się mianem kolekcji (Collection). Obecnie najaktualniejszą wersją danych jest kolekcja 005 (Collection 005), przy czym trwają prace nad wersją kolejną (Collection 006). Gdy wprowadzana jest nowa kolekcja, nowy zestaw algorytmów stosowany jest do aktualnych (bieżących) danych, jak również wszystkich danych archiwalnych - są one ponownie przetwarzane.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

Podstawowym formatem plików dla danych naukowych jest HDF-EOS. Pliki produktów można nieodpłatnie uzyskać poprzez internet, z jednego z centrów archiwizacji i dystrybucji danych. Istnieją cztery centra odpowiadające głównym obszarom tematycznym:

  • Ocean Biology Processing Group (OBPG) odpowiada za dane dotyczące powierzchni oceanów. Archiwum i strona główna grupy zajmującej sie tematyka oceaniczna dostępna jest pod adresem: http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/.

Wszystkie powyższe zasoby są podstawowymi archiwami dla MODIS. Odwołują się do nich meta-katalogi danych NASA, jak np. Warehouse Inventory Search Tool (https://wist.echo.nasa.gov/), za pomocą którego można jednocześnie wyszukiwać i zamawiać dane z różnych obszarów tematycznych.

Geometria obserwacji[edytuj | edytuj kod]

Efekt bow-tie[edytuj | edytuj kod]

Modis swath bow.jpg

Przypisy

  1. 1,0 1,1 Barnes, W.K., Pagano, T.S., Salomonson, V.V., 1998. Prelaunch Characteristics of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) on EOS-AM1. IEEE Transaction on Geosciences and Remote Sensing, 36, 1088-1100.
  2. Jin, M., Treadon, R.E., 2003. Correcting the orbit drift effect on AVHRR land surface skin temperature measurements. International Journal of Remote Sensing, 24, 4543-4558
  3. Gutman, G.G., 1999. On the monitoring of land surface temperatures with the NOAA/AVHRR: Removing the effect of satellite orbit drift. International Journal of Remote Sensing, 20, 3407-3413
  4. Ignatov, A., Laszlo, I., Harrod, E.D., Kidwell, K.B., Goodrum, G.P., 2004. Equator crossing times for NOAA, ERS and EOS sun-synchronous satellites. International Journal of Remote Sensing, 25, 5255-5266.