-
1. ábra
|1|
-
2. ábra
|2|
-
3. ábra
|3|
-
4. ábra
|4|
-
5. ábra
|5|
-
6. ábra
|6|
-
7. ábra
|7|
-
8. ábra
|8|
-
9. ábra
|9|
-
10. ábra
|10|
-
11. ábra
|11|
-
12. ábra
|12|
-
13. ábra
|13|
-
14. ábra
|14|
-
15. ábra
|15|
-
16. ábra
|16|
-
17. ábra
|17|
-
18. ábra
|18|
-
19. ábra
|19|
-
20. ábra
|20|
-
21. ábra
|21|
-
22. ábra
|22|
-
23. ábra
|23|
-
24. ábra
|24|
-
25. ábra
|25|
-
Animáció:
|1|
-
Animáció: Elméleti Földalakok (swf)
|2|
-
Animáció: A GPS rendszer holdjai (swf)
|3|
-
Animáció: Műholdkövetési eljárás - SST (swf)
|4|
-
Animáció: Radar (swf)
|5|
-
Animáció: Különböző geometriai felbontású űrfelvételek (swf)
|6|
Detrekői Ákos
A gömbtől a geoidig: A Föld és az űrkutatás
I. Bevezetés: a Földdel kapcsolatos ismeretek
- |1|
Az emberiséget - s feltehetően szinte minden embert- már évezredek óta érdekli lakóhelyének, a Földnek az alakja.
Az általános jellegű érdeklődés mellett a mindennapi életben gyakran szembesülünk olyan kérdésekkel, mint:
Hol vagyunk most (mármint a Föld felszínén)?
Hol található a legközelebbi folyó?
A Föld alakjával és méretével, a Föld felszínén található tárgyak helyzetének meghatározásával foglakozó szakterület a geodézia (vagy korábbi nevén alkalmazott geometria).
A Földdel kapcsolatos ismereteket a szakemberek és a felhasználók évszázadokon keresztül a Föld felszínén mozogva, ott méréseket végezve szerezték meg.
A Föld felszínétől való elszakadás lehetőséget a repülőgép feltalálása jelentette. Aki már kinézett a repülőgép ablakán, az tudja, mennyivel többet lehet onnan látni, mint mondjuk egy gépkocsi ablakából.
Az űrtechnika kialakulása további - bátran forradalminak nevezhető - változást hozott a Földdel kapcsolatos ismereteink bővülésében. Előadásomban az űrtechnika segítségével a Föld alakjáról és felszínéről szerezhető legújabb ismeretekről, illetve ismeretszerzési lehetőségekről, és ezek felhasználási módjairól szeretnék rövid áttekintést nyújtani.
A Föld elméleti és fizikai alakjai
- |2|
A Föld fizikai alakján a litoszféra (azaz a szárazföld) és hidroszféra (azaz a vizek) által meghatározott Földalakot értjük. A fizikai Földalak csak pontonként, vonalakként vagy felületenként - s nem valamilyen zárt matematikai formában - adható meg. A fizikai Földalakkal kapcsolatos ismeretek közlésének hagyományos formája a térkép. Az informatika fejlődése következtében ezek az ismeretek napjainkban sajátos információs rendszereknek, az ún. térinformációs (vagy más szóval geoinformációs) rendszereknek az alkotóelemei.
Az elméleti Földalakok a Föld egészét vagy bizonyos részeit matematikai függvényekkel leíró modellek, amelyek megfelelően tükrözik a Föld geometriai, fizikai jellemzőit. Az elméleti Földalakokat szokás a Földdel összefüggésben felhasznált vonatkozási (koordináta-) rendszerek alapfelületeinek nevezni.
II. Az elméleti Földalakkal kapcsolatos elképzelések fejlődése
II. 1. A gömb
- |3|
A legkorábbi "elméleti" Földalak az ókori Görögországból származik. Homérosz Iliászában (Kr. e. kb. 800) a Föld egy lapos korong, amelyet óceánok vesznek körül.
Pár évszázaddal később Püthagorasz (Kr.e. kb. 580-500) - elsősorban esztétikai megfontolásból - már gömb alakúnak tekintette a Földet. Ez az elképzelés Arisztotelész korában (Kr. e. 384-322) általánosan elfogadottá vált, s megfigyelésekkel támasztották alá.
Ha a Földet gömb alakúnak tekintjük, méretének meghatározásához elegendő egyetlen mennyiségnek, a gömb sugarának az ismerete. A Fölgömb sugarát elsőként Eratoszthenész (Kr. e. kb. 276-195) határozta meg. Eratoszthenész a sugár hosszát egy körcikkből számította ki.
- |4|
A körcikk szögét annak felismerésével mérte meg, hogy a nyári napforduló idején délben Asszuánban - amely város a Ráktérítőn helyezkedik el - merőlegesen sütnek a Nap sugarai. Ugyanakkor Alexandriában a merőlegestől - egy sajátos műszerrel, a gnomonnal mérve - 7 fok 12 perccel térnek el. A körcikk ívének hosszát a karavánok menetideje alapján becsülte meg. Az Eratoszthenész által számított Föld-sugár értéke 5909 km-nek felelt meg. Ez az érték meglepően pontos, mintegy 7 %-kal tér el a jelenlegi ismereteink szerinti mintegy 6300 km-es sugárhossztól.
A görögöket követően Kínában Nanküng Yüah és I-Hsing (725 körül), illetve az arab kalifátusban Al-Mamum (813-833) is megmérték a gömbnek tekintett Föld sugarát.
A középkorban a Föld alakjával kapcsolatos tudományos elképzelések háttérbe szorultak. A gömbnek mint elméleti Földalaknak a vizsgálata a 15-16. században folytatódott Európában. Ezeket a vizsgálatokat részben a földrajzi felfedezések, részben a tudomány általános fejlődése inspirálták.
II. 2. A forgási ellipszoid
- |5|
A 16. és a 17. század nagy csillagászainak felfedezései, továbbá Newton (1643-1727) általános tömegvonzás-törvénye arra a felismerésre vezettek, hogy az elméleti Földalak nem lehet gömb. Kimutatták ugyanis, hogy a forgásban lévő egyenletes eloszlású test egyensúlyi alakja szükségszerűen eltér a gömbtől. Ezt a felismerést támasztották alá az egyre pontosabb eljárásokkal végzett mérések feldolgozásakor jelentkező ellentmondások is. Az elméleti vizsgálatok alapján a forgó Föld egyensúlyi alakjának a forgási ellipszoidot tekintették. Forgási ellipszoidhoz úgy juthatunk, ha egy ellipszist kistengelye vagy nagytengelye körül körbeforgatunk.
Amíg a gömb méretének meghatározásához elegendő egyetlen mennyiség, a sugár, addig a forgási ellipszoid alakjának és méretének meghatározásához két mennyiség - például a fél nagytengely hossza és a fél kistengely hossza - szükséges. Tekintettel arra, hogy a forgási ellipszoid meghatározásához két mennyiséget kell ismernünk, ezek értékének meghatározásához legalább két egymástól különböző ív hosszát kell megmérni. A forgási ellipszoid alakjának és méretének meghatározására végzett méréseket fokméréseknek nevezik.
Az elméleti vizsgálatok alapján az elméleti Föld-modellnek egy kistengelye körül forgatott - tehát a sarkoknál belapított, narancsra emlékeztető alakú - forgási ellipszoidnak kellett lennie.
Animáció: |1}| Narancs vagy citrom alakú-e a Föld? (swf)
A Franciaországban 1683-1718 között végzett első fokmérés eredményei nem támasztották alá az elméletet. Mint később kiderült, mérési hibák következtében a sarkoknál "megnyújtott" citrom alakú forgási ellipszoidhoz jutottak. A megindult "narancs-citrom" vita végére egy második fokmérés tett pontot, melyet a Francia Tudományos Akadémia végeztetett el 1736 és 1737 között, s amely a narancshoz hasonlító ellipszoidot eredményezett.
Érdekességként megemlítem, hogy a következő, 1792-1808 közötti fokmérésnek az eredményeként jutottunk a méter első tudományos igényű definíciójához, amely szerint a méter az Északi-sarktól Párizson át az Egyenlítőig futó délkör-ív negyedének tízmilliomod része.
A forgási ellipszoidot mint elméleti Földalakot a gyakorlati életben mind a mai napig használjuk a térképek ún. síkrajzának az alapfelületeiként. Az egyes országok térképezéséhez a különböző időkben különböző alakú és méretű forgási ellipszoidokat használják. Az ellipszoidok helyzetét (szakmai kifejezéssel: elhelyezését) úgy választják meg, hogy az legjobban simuljon az adott országhoz. Tájékoztató értékként megemlítem, hogy jelenlegi ismereteink szerint a forgási ellipszoidok nagytengelyének hossza mintegy 6378 km, a kistengely ennél 21 km-rel rövidebb.
Néhány ma Magyarországon használt forgási ellipszoid elnevezését, fél nagytengelyét, ún. lapultságát és alkalmazási területét a következőkben foglalom össze:
Név |
Fél nagytengely (m) |
Lapultság |
Alkalmazási terület |
Bessel |
6 377 397,15 |
1/302,78 |
régi kataszteri térképek |
Kraszovszkij |
6 378 245 |
1/298,3 |
1999 előtti topográfiai térképek |
IUGG |
67 6 378 160 |
1/298,247 |
1970 utáni kataszteri térképek |
WGS |
84 6 378 137 |
1/298,257 |
GPS mérések |
A táblázatban szereplő lapultság a két tengely hosszkülönbségének a nagytengelyhez viszonyított aránya.
A most bemutatott forgási ellipszoidok jellemzőit már nem csak egyetlen fokmérés eredményeit felhasználva számították ki. A számításhoz a Föld egészén - vagy legalább egy kontinensen - végzett különböző méréseket használtak fel.
- |6|
II. 3. A geoid
A mérési eljárások pontosságának növekedése következtében a 19. század második felében egyre világosabbá vált, hogy a forgási ellipszoid mint elméleti Földalak nem minden célra megfelelő. Ez viszonylag könnyen belátható, hiszen a forgási ellipszoid mint egyensúlyi Földalak bevezetésekor nem számoltak a Föld belsejének tömegegyenetlenségeivel. Ebből következik, hogy tisztán geometriai alapon nem lehetséges megfelelő elméleti Földalak definiálása.
- |7|
Fizikai elven alapuló Földalakot Listing definiált 1878-ban. Ennek az elméleti Földalaknak a neve geoid. A geoid a nehézségi erővel kapcsolatos alakzat, a nehézségi erő ún. potenciáljának egy kitüntetett szintfelülete. Ezt a szintfelületet úgy képzelhetjük el, hogy az óceánokon a nyugalomban lévő közepes tengerszinthez, a szárazföldeken pedig az említett közepes tengerszint folytatásához simul. Természetesen az árapályhatás, az óceánok áramlatai, a viharok következtében ez a nyugalomban lévő közepes tengerszint sosem létezik a valóságban. Az eddig tárgyalt elméleti Földalakok fejlődését szemlélteti az animáció.
Animáció: |2}| Elméleti Földalakok (swf)
A geoid jellemzéséhez két utat követhetünk. Az egyik út földi mérések alapján a geoid bizonyos pontjainak meghatározása valamely vonatkozási felületnek felvett forgási ellipszoidhoz képest. (Az ellipszoid egyes pontjainak és a geoid megfelelő pontjainak távolságát geoidundulációnak nevezik). Ez az eljárás a Föld egyes területein csak kisszámú pont meghatározására alkalmas.
- |8|
A geoid gyakorlati felhasználását elsősorban az jelenti, hogy a geoid az alapfelülete a magasságok meghatározásának. A köznyelvben is elterjedt tengerszintfeletti magasság kifejezés a geoidhoz kapcsolódik. A magasság meghatározásához a tengerparttal rendelkező országok ún. mareográffal - hosszú időn keresztüli észleléssel - meghatározzák a középtengerszintnek, azaz a geoidnak egyetlen pontját. Ez a pont szolgál alapul az adott országban a magasság meghatározásához. A különböző országokban meghatározott középtengerszintek kis mértékben eltérhetnek egymástól.
Magyarországon jelenleg két egymástól különböző magassági rendszer létezik. Az egyik, az ún. adriai magasság a Habsburg-monarchia egészének magassági rendszere. Ennek alapja a trieszti Molo Sartorio mareográfja. A másik magasság az ún. balti magasság. A balti magasság a Varsói Szerződés államainak közös magassági rendszer volt, amelynek kiindulópontja a kronstadti mareográf volt. Miután az I. világháború vége óta Magyarország nem rendelkezik tengerrel, magassági fő alappontként egy korábban meghatározott, geológiailag stabilnak tekinthető pontot, a Nadapot választották.
Ennek a pontnak a magassága a két rendszerben a következő:
- adriai magasság: 173,8385 méter;
- balti magasság: 173,1638 méter.
III. Az elméleti Földalak meghatározása űrtechnikai eszközökkel
A korábbiakban a geoidot mint a nehézségi erő potenciáljának speciális szintfelületét definiáltuk, amely az óceánokon a közepes tengerszinthez simul. A mesterséges holdak különböző típusainak elterjedése alapvetően megnövelte a geoiddal kapcsolatos ismereteinket.
Az ismeretek bővülésének két egymástól független módja alakult ki:
- A mesterséges holdak pályaelemeinek mérésével a nehézségi erőtér rendellenességeinek a meghatározása és ezek alapján a geoid számítása;
- A mesterséges holdakon elhelyezett műszerek, az ún. radar-altiméterek felhasználásával a geoid közvetlen mérése.
A mesterséges holdak Kepler ismert törvénye alapján ellipszis alakú pályán keringenek a Föld körül. A Föld nehézségi erőterének rendellenességei miatt a mesterséges holdak tényleges pályája kismértékben eltér az ellipszistől. A holdak tényleges pályájának pontjai földi megfigyelőállomásokról - vagy esetleg más mesterséges holdakról - mérhetők. A tényleges pályaelemek alapján ki lehet számítani a nehézségi erőtér rendellenességeit.
A mesterséges holdak pályája a Föld felszínén létesített néhányszor tíz vagy még több megfigyelőállomás több éven át gyűjtött 10-100 ezer mérési eredményéből határozható meg. Az egyes mesterséges holdak és földi megfigyelő állomások távolságát a mesterséges holdak megjelenésétől az 1970-es évekig fényképek segítségével, optikai eljárással mérték. Azóta viszont a mikrohullámokon alapuló távolságmérési eljárások váltak uralkodóvá.
A mesterséges holdak felhasználása a Földalak meghatározására egyidős a mesterséges holdakkal. Már 1958-ban a Szputnyik II. pályájának elemzése alapján is meghatározták a forgási ellipszoid alakját. Azóta számos mesterséges holdat bocsátottak fel ilyen célú mérésekhez. Példaként említem az amerikai Vanguard, a GEOS1-3, a Lageos mesterséges holdakat.
A nehézségi erő rendellenességeinek meghatározásához jól felhasználhatók a navigációs célra létrehozott rendszerek mesterséges holdjai is. Ilyen rendszer a globális helymeghatározó rendszer (GPS), melyről már hallhattak a Mindentudás Egyetemén.
Animáció: |3}| A GPS rendszer holdjai (swf)
- |9|
A GPS mesterséges holdak pályáját a Föld egészén nagyjából egyenletesen elosztott, mintegy 110 pontból - az ún. International Terrestrial Reference System (ITRS) pontjaiból - mérik. Ezen kívül mintegy 500, GPS segítségével rendszeresen meghatározott pont alkotja az International Terrestial Reference Frame (ITRF) rendszert. Az egyes mesterséges holdak észlelésén alapuló eljárást "Satellite-only" eljárásoknak nevezik. Ezeknél az eljárásoknál egy földi pont és valamely mesterséges hold távolsága szolgál a számítások alapjául.
Az utóbbi időben alakult ki az előbbinél pontosabb "Sattelite-to-Satellite Tracking" (SST) eljárás. Ennél az eljárásnál két mesterséges hold helyzetét GPS eljárással, távolságának változását mikrohullámú távméréssel mérik.
Az adatokból nagy pontossággal kiszámíthatók a nehézségi erőtér rendellenességei és azok időbeli változása. SST eljárás megvalósítására hozták létre a 2000-ben felbocsátott német CHAMP (Challenging Mini-Satellite Payload for Geophysical Research and Application) rendszert.
A mesterséges holdakon elhelyezett radar magasságmérők (altiméterek) közvetlenül mérik a mesterséges hold és a tengerfelszín távolságát. Ennek alapján meghatározható valamely vonatkozási ellipszoidhoz képest a tengerfelszín topográfiája (azaz közvetlenül a geoid).
Az altiméter mérések pontossága - az árapályhatás és a hullámzás figyelembevétele után - deciméter körüli érték. A legfontosabb európai és amerikai altiméter-programok a következők:
- ERS-1 (1991), ERS-2 (1995), ENVISAT (2002);
- Geosat (1985), TOPEX/Poseidon (1992), GFO (1998), Jason-1 (2001).
A különböző mesterséges holdakon alapuló mérések kombinált feldolgozásával egyre pontosabb képet nyertünk a geoidról. Már 1963-ban állítottak elő a Föld egészére vonatkozó geoidképet. Ebben a geoidundulációk szintvonalainak távolsága tíz méter volt. Ennek megfelelően csak meglehetősen elnagyoltan tükrözte a Föld elméleti alakját. Napjainkban ennél lényegesen pontosabb geoidok is előállíthatók.
Ha valamely kisebb területen - például egyetlen országban - akarjuk meghatározni a geoidot, akkor földi geodéziai mérések (gravimetria, földrajzi helymeghatározás, szintezés) eredményeinek felhasználása is szükséges. Ebben az esetben elérhető a cm, vagy a cm alatti pontosság is. Az ilyen lokális geoidok nemcsak tudományos szempontból, hanem a gyakorlati helymeghatározás (például a GPS alkalmazása) szempontjából is nagyon fontosak.
A geoid és a Föld nehézségi erőterének pontos ismerete nemcsak a tudósok számára érdekes. A nehézségi erőtér változását mutató térképeket katonai célra is felhasználják: bizonyos rakétafajták irányítása ezek segítségével történik. A polgári felhasználási területek közül legfontosabb az ásványkutatás.
IV. A fizikai Földalak klasszikus meghatározása és ábrázolása
A Föld fizikai alakját, azaz a szárazföldek és a vizek felszínét hagyományosan földi mérések, majd a repülőgép feltalálása óta légi fényképeken végzett mérések alapján határozták meg. A meghatározás természetesen kiterjedt az emberek által létrehozott tárgyakra is.
Az analóg korszakban a nyert adatok tárolására és megjelenítésére egyaránt a térkép szolgált.
A térkép a Föld felszínét arányosan kicsinyítve, valamely vonatkozási felületre vetítve ábrázolja. A kicsinyítés mértékét a térképek méretarányával szokták megadni. A méretarány jó közelítésben valamely földfelszíni hosszból és a megfelelő térképi hosszból számítható. Általában tört alakban adják meg, például az 1: 5000 azt jelenti, hogy valamely földfelszíni távolság térképi megfelelője az eredeti távolság 1/5000 része, vagy fordítva, a térképen 1 cm-nek a valóságban 5000 cm (50 m) felel meg. Minél kisebb a nevezőben szereplő szám, annál nagyobb felbontású a térkép.
A térképeket hagyományosan - már az ókori Rómában is - két célra használták fel:
- a tulajdon nyilvántartására és megadóztatására szolgáltak az un. kataszteri térképek;
- a hadviselés segítésére készültek a magassági adatokat is tartalmazó un. topográfiai térképek.
A most említett térképek előállításakor a felszín egyes pontjait, vonalait, felületeit mérték. Mai szóhasználattal élve vektor jellegű adatokat - pontokból, vonalakból, síkidomokból összetevődő adatokat - állítottak elő. A vektoradatok a vizsgált területnek csak kiválasztott elemeit tartalmazzák.
- |16|
A képi jellegű - a vizsgált terület egészét összefüggően ábrázoló - adatokat gyakran raszteradatoknak nevezik. A raszteradatokból előállíthatók vektoradatok is.
A hagyományos eszközök felhasználásával a Föld egész felszínének térképezése szinte reménytelen feladatnak tűnt. Ezt tükrözte, hogy az 1990-es évek elején a Föld jelentős területeiről még közepes méretarányú térképpel sem rendelkeztünk, s a változás igen lassú volt (16. ábra).
V. A fizikai Földalak meghatározása űrtechnikai eszközökkel
V. 1. Helymeghatározó (navigációs) rendszerek felhasználása
A Föld fizikai felszínéről adatokat nyerhetünk oly módon, hogy az eredetileg általában katonai célra készített helymeghatározó - navigációs - rendszerek segítéségével meghatározzuk a fizikai Földfelszín jellegzetes pontjainak koordinátáit.
Az űrtechnika felhasználásával a különböző országok - mindenek előtt a katonai nagyhatalmak - különböző helymeghatározó rendszereket hoztak létre. A ma legismertebb helymeghatározó rendszer az amerikai NAVSTAR/GPS (Navigation System with Time and Range / Global Positioning System) elvét és megvalósítási módját Pap László professzor úr egy korábbi előadáson bemutatta.
A GPS-t megelőzően az amerikai hadsereg az NNSS (Navy Navigation Sattelite System) rendszert használta helymeghatározási célra. A szovjet hadsereg megfelelő rendszere a GLONASS (Globalnaja Navigacionnaja Szputnyiknaja Szisztema). Az Európai Unió országai által tervezett GALILEO navigációs rendszer holdjainak tervezett fellövési ideje 2008.
A helymeghatározó rendszerek a vektoradatok előállításának széles körben elterjedt eszközei. Alkalmazásuk lehetővé teszi a térképek és térinformációs rendszerek adatállományának gyors, nagypontosságú előállítását.
- |17|
A helymeghatározó rendszerek mesterséges holdjai, illetve az azok megfigyelését szolgáló földi megfigyelő hálózat pontjai alkalmasak a Földfelszín globális mozgásainak meghatározására is. A már említett ITRF rendszer pontjainak különböző időpontokhoz tartozó koordinátái (például ITRF 1993, ITRF 1997, ITRF 2000) alapján - esetleg más eljárásokat is felhasználva - meghatározhatók a különböző kontinentális táblák mozgásai. A 17. ábra a dél-amerikai tábla mozgásait mutatja a Német Geodéziai Komisszió által végzett mérések alapján.
A GPS alkalmas lokális mozgások kimutatására is. Az ilyen célú mérések eredményei segíthetik a földrengés-előrejelzést. Jó példa az ilyencélú mérésekre a kaliforniai Szent András-árok törésvonalainál létrehozott hálózat. Ezzel a hálózattal az árok két partján elhelyezett pontok távolságának változását mérik, ebből következtetnek a feszültség növekedésére, s a földrengés valószínűségére.
Érdekességként említem, hogy a Műegyetem K. épületének 3. emeltén elhelyezett állandóan működő GPS vevővel követni lehetett az épület évenkénti néhány milliméteres süllyedését.
A mozgásokhoz kapcsolódik a GPS eredeti, navigációs célú felhasználása is. Ez ma már a magyarországi teherautók, sőt személygépkocsik esetében is viszonylag gyorsan terjed. Olvashatunk már a GPS mezőgazdasági célú felhasználásáról is. A GPS népszerűvé válását mutatja, hogy ma már a "civil" felhasználók is hozzájuthatnak a mobiltelefonnal egybeépített készülékekhez.
A témát egy néhány évvel ezelőtti rablási történettel zárom. Pár éve Magyarországon elraboltak egy értékes rakománnyal megrakott teherautót. A vezető szemét bekötötték, a teherautót pedig elvitték egy biztosnak tűnő helyre, és ott kirakodták. Ezt követően a kocsit visszavitték a rablás helyére, és ott hagyták. Három óra múlva a rendőrség megjelent a rakodási helyen és elfogta a közreműködőket. A gyors nyomozás úgy történhetett, hogy a teherautó GPS segítségével meghatározott helyzetét folyamatosan sugározta a szállítmányozási cég párizsi központjába. Ott csupán annak a helynek a koordinátáit kellett meghatározni, ahol hosszabb ideig - a rakodás alatt - állt az autó, s ezt a helyet közölték a magyar rendőrséggel.
V. 2. A távérzékelés
Az eddig tárgyalt helymeghatározó rendszerek vektor jellegű adatokat (elsősorban koordinátákat) szolgáltattak. A fizikai Földfelszín megismerése képek - azaz raszteradatok - alapján a távérzékelés révén lehetséges. A távérzékelés olyan eljárás, amellyel valamely tárgy jellegéről és tulajdonságairól információhoz jutunk anélkül, hogy közvetlen kapcsolatba kerülnénk a tárggyal. A tárgy és a képalkotó rendszer közötti kapcsolatot az elektromágneses sugárzás valamely fajtája biztosítja.
A távérzékelés tárgyalásakor a következő három kérdésre keressük a választ:
- Milyen eljárással készülnek a képek?
- Honnan készülnek a képek?
- Milyen célból készítik, milyen célra használják a képeket?
- |18|
A passzív rendszerek a leképzett tárgyak - azaz a Földfelszín bizonyos része - által kibocsátott, illetve visszavert természetes sugárzást regisztrálják. A passzív rendszerek általában a látható fényt és az ahhoz közeli egyéb optikai tartományba eső 0,4-15,0 mikrométer hullámhosszúságú sugárzást érzékelik. A passzív rendszerű felvevő rendszerre példa lehet egy hagyományos fényképezőgép.
- |19|
Az aktív rendszerek maguk is rendelkeznek sugárforrással, s az általuk kibocsátott és a leképzett tárgyak által visszavert sugárzást érzékelik. Az aktív rendszerek általában a mm-m hullámhosszúságú mikrohullámú tartományhoz tartozó sugárzást érzékelik. Talán legismertebb képviselőjük a 0,0075-0,60 m tartományba tartozó elektromágneses sugárzást kibocsátó és felfogó radar.
A távérzékelt felvételek készülhetnek a Föld felszínéről, a levegőből és az űrből. A mai előadásban azokkal a távérzékelési eljárásokkal foglakozunk, amelyeknél a felvevőrendszert űreszközön (mesterséges holdon, űrsiklón) helyezik el. Az űreszközből készített képeket a továbbiakban űrfelvételeknek nevezzük.
Az űrfelvételeket a gyakorlati felhasználhatóság szempontjából a következő paraméterekkel jellemezhetjük:
- geometriai felbontás (azaz az egyes képelemeknek - pixeleknek - megfelelő terepi méret);
- spektrális felbontás (a felhasznált elektromágneses sugárzás hullámhossz-tartományainak száma - az egyes tartományokat csatornának nevezzük);
- időbeli felbontás (a képek készítésének gyakorisága).
Animáció: |6}| Különböző geometriai felbontású űrfelvételek (swf)
A különböző távérzékelési célra készített képek tárgyalásakor a képek készítésével kapcsolatban általában két adatot közölnek, ezek segítségével lehet azonosítani a képfajtát:
- a felvevő eszközt hordozó mesterséges hold típusát és esetleg sorszámát (pl. NOAA-14, LANDSAT 4,5);
- a felvevőeszköz fajtáját (pl. AVHRR, TM).
Tehát például a "LANDSAT-TM felvétel" kifejezés azt jelenti, hogy a kép valamelyik LANDSAT mesterséges holdon elhelyezett TM (Thematic Mapper) felvevő készülékkel készült.
A felvételeket készítésük elsődleges célja alapján négy csoportba sorolhatjuk:
- meteorológiai,
- erőforrás-kutatási,
- térképészeti,
- katonai
célú felvételek. Természetesen az elsődleges cél mellett a felvételek egyéb célra is felhasználhatók.
Elsődleges cél |
Hold pályamagassága [km] |
Geometriai terepi felbontás (km/m) |
Spektrális felbontás (csatornák száma) |
Meteorológiai (2D) |
36.000 (geostacionárius)800(kvázipoláris) |
5x5 km1x1 km |
3 - 5 |
Természeti erőforrás-kutatás (2D) |
300 - 900 |
20x20 m120x120 m |
4 - 8 |
Térképészet (3D) |
200 - 300 |
0,8x0,8 m10x10 m |
1 - 3 |
Katonai |
nincs adat |
nincs adat |
nincs adat |
A táblázat nem tartalmazza a katonai célú felvételek jellemzőit. A táblázatban szereplő 2D (kétdimenziós) és 3D (háromdimenziós) jelölések azt mutatják, hogy az adott típusú űrfelvételekből csak síkrajzi (2D), vagy térbeli (3D) kiértékelés is lehetséges.
A meteorológiai felvételek
- |20|
Az első meteorológiai célú mesterséges hold az 1960-as években felbocsátott amerikai Tiros volt. A felvételeket a Földdel együtt mozgó (geostacionárius), mintegy 36 000 km magasságú pályán elhelyezkedő mesterséges holdakról vagy a Föld körül mintegy 800 km magasságban keringő kvázipoláris mesterséges holdakról készítik.
A meteorológiai célú mesterséges holdak geometriai felbontása geostacionárius holdakról készített felvételek esetén mintegy 5x5 km, kvázipoláris holdakról készített felvételek esetén mintegy 1x1 km. A spektrális felbontást 3-5 csatornával jellemezhetjük. Az időbeli felbontás igen nagy, geostacionárius holdak esetén 0,5-1 óra, kvázipoláris holdak esetén mintegy 6 óra.
A meteorológiai célú felvételek - a Vissy Károly által egy korábbi előadásban bemutatott időjárás-előrejelzés mellett - nagy területre kiterjedő folyamatok (pl. erdőtüzek, árvizek) megfigyelésére szolgálnak.
A természeti erőforrás-kutatás
A természeti erőforrások felkutatást célzó felvételeket először az 1970-es évek elején készítettek. Az első ilyen hold az 1972-ben felbocsátott Earth Resources Technology Satellite (ERTS-1), a későbbi a Landsat 1 volt. Erőforrás-kutatásra igen sok mesterséges holdat és különböző típusú felvevőrendszereket fejlesztettek ki. A felhasznált mesterséges holdak 300-900 km magasságban keringenek a Föld körül. A felvevőrendszerek között optikai (passzív), mind radar (aktív) eszközöket egyaránt találunk. Napjainkban egyre több ország bocsát fel ilyen célt szolgáló mesterséges holdat.
Néhány optikai rendszert hordozó szatellit neve és felbocsátási éve
- Landsat 1-3 (amerikai) 1972-1984
- Spot P 1-4 (francia) 1986-1993
- KATE 2000 (szovjet), 1980
- JERS 1 OPS (japán) 1992
- IRS 1 A-D (indiai) 1988-1997
Néhány radarrendszert hordozó szatellit neve és felbocsátási éve
- Seasat (amerikai) 1978
- ERS 1,2 (ESA) 1991, 1995
- Almaz (orosz) 1991
- Radarsat (Kanada) 1995
A radarrendszerek előnye az optikai rendszerekkel szemben, hogy felhős égbolt esetén is alkalmasak felvételek készítésére.
A természeti erőforrás-kutató mesterséges holdakról készített felvételek geometriai felbontása 10x10 m és 120x120 m között mozog. Spektrális felbontásuk nagy, a különböző felvevő eszközök 4-8 különböző hullámhossz-tartományra érzékenyített csatornán készítenek felvételeket.
Az egyes hullámhossz-tartományok különböző jelenségek megfigyelésére alkalmasak. Például a talaj víztartalmának kimutatására a 0,76-0,90 µm közeli infratartomány szolgál.
A következőkben a LANDSAT (4,5) holdak TM felvevőrendszerének csatornabeosztását mutatjuk be (az egyes hullámhosszak mellett feltüntetjük célszerű felhasználási területüket is):
Csatorna |
Hullámhossz [mm] |
Példa az alkalmazásra |
1 |
1 0,45-0,52 (kék) |
talaj és növényzet vizsgálata |
2 |
2 0,52-0,60 (zöld) |
folyóvizek vizsgálata |
3 |
0,63-0,69 (vörös) |
jég- és hómezők térképezése |
4 |
0,76-0,90 (közeli infra) |
a talaj nedvességtartalmának meghatározása |
5 |
1,55-1,75 (középinfra) |
a növényzet és a talaj nedvességének kimutatása |
6 |
2,08-2,35 (középinfra) |
kőzet- és ásványfajták megkülönböztetése |
7 |
710,40-12,50 (hőinfra) |
növényi betegségek felismerése |
A természeti erőforrás-kutató mesterséges holdak időbeli felbontása a 2 hetenkénti felvételkészítéstől az esetenkénti expedíciókig terjed.
A természeti erőforrás-kutatás, környezetvédelem céljára készített felvételek alkalmazási lehetősége igen széleskörű. Ilyen felvételeken észlelték például a csernobili katasztrófát. Békés célra például a mezőgazdaság, a környezetvédelem, a közlekedés, az ásványvagyon-kutatás területén hasznosíthatók. A mesterséges holdak fontos eszközei a termésbecslésnek, az EU csatlakozás utáni magyarországi mezőgazdasági támogatás igényléséhez szükséges térképek egy részét is ilyen felvételek alapján állították össze.
Korábban a GPS hasznosításával kapcsolatban bemutattam egy rablási esetet. Most egy lopási történet következik. Az USA-ban a mezőgazdasági területek öntözésére szolgáló víz magántulajdonban van. Arizonában a már említett közeli infra tartományra "élesített" űrfelvételek alapján kimutatták az öntözött területeket. Ezeket összevetették a vízjoggal rendelkező tulajdonosok fölterületét ábrázoló térképpel. Azokon az öntözött területeken, ahol a tulajdonos nem rendelkezett vízjoggal, feltehetően lopták a vizet. Megjegyzem, hogy a kirótt büntetés bőven elegendő volt az űrfelvételekkel kapcsolatos költségek fedezésére.
A térképészeti célú felvételek
A térképészeti célra készített felvételek kisebb területek viszonylag nagypontosságú térképezését szolgálják. Ezeket a felvételeket - a 3D kiértékelés érdekében - átfedéssel készítik. A szomszédos képek mintegy 60%-ban ugyanazt a területet ábrázolják. A hordozó eszközök pályamagassága 200-300 km.
A térképészeti célú felvételeket készítő mesterséges holdak sorát 1986-ban a francia SPOT nyitotta meg 10 méteres felbontásával, 1991-ben az orosz KVR 1000 már 2 méter felbontású képet biztosított. Az ezredfordulón amerikai magánvállalatok a korábbinál is nagyobb felbontású képeket állítottak elő. A Space Imaging 1999-ben felbocsátott IKONOS holdjáról készített képek legjobb felbontása 0,82 méter, a Digital Globe Quick Bird képének legjobb felbontása 0,61 méter.
A nagy geometriai felbontás ellenértékeként az erre a célra szolgáló felvevő rendszerek spektrális felbontása kicsi (1-3 csatorna). Az időbeli felbontás az 1 hónap és az esetenkénti felvételkészítés között mozog.
A térképészeti célú felvételeket készítő rendszerek közül folyamatosan szolgáltat például a francia SPOT HRV (High Resolution Visible), az indiai IRS-1C/1D. Esetenkénti expedíciókban vesz részt például az orosz KOZMOSZ KFA 1000, illetve az amerikai magántársaságok 1999-től működő rendszerei (például az Ikonos).
A térképészeti célú felvételek hasznosítása - igen nagy terepi felbontásuk következtében - széleskörű. Meglepő módon az űrfelvételek teszik lehetővé a megapoliszok (pl. Shanghai, Mexikóváros) lakosságának becslését. A térképészeti és közlekedési célú hasznosítás mellett megemlítem jelentőségüket a katasztrófák okozta károk felderítésekor. Példaként a tragikus 2001. szeptember 11-ét említem, amikor szinte azonnal láthattuk a Pentagon és a World Trade Center megsérült épületét.
A katonai célú felvételek
A katonai célú rendszerek adatait a kereskedelmi forgalomban hozzáférhető szakirodalom általában nem közli. Ma azonban már ismert, hogy az amerikai Corona program keretében már 1960 körül 3 méter felbontású űrfényképeket készítettek.
A képek feldolgozása
A távérzékelési eszközökkel létrehozott képek feldolgozásának első lépése az előállító szervezetek által végzett radiometriai és geometriai feldolgozás. A radiometriai feldolgozással a képalkotást terhelő különböző hatásokat korrigálják. A geometriai feldolgozással a képet valamely vonatkozási és vetületi rendszerbe transzformálják. A képeket a későbbi felhasználók digitális formában, illetve analóg képként rendelhetik meg.
- |24|
A képek feldolgozása egyrészt a geometriai adatok, másrészt a szakadatok (például geológiai tulajdonságok, hidrológiai jellemzők) kinyeréséből tevődik össze. A geometriai adatok kinyerésének eljárásai vektor- vagy raszterállományokat eredményezhetnek. A képekből a szakadatokat digitális képek esetén valamilyen digitális képfeldolgozási eljárással, analóg képek esetén a képek ún. interpretációval nyerik.
A szakadatok hatékony kinyerésének előfeltétele a megfelelő geometriai és spektrális tulajdonságokkal rendelkező kép, illetve képek kiválasztása. A képválasztás alapvetően az objektumok jellegétől függ.
Az analóg formában megjelenített képek interpretációját a vizsgált szakterülettel kapcsolatos ismeretekkel rendelkező szakember végzi. (Például az egyes kőzetfajták felismerése a geológus feladata). Az interpretáció célja a kép tartalmának minél teljesebb meghatározása.
A távérzékelés különös jelentőséggel bír az időben változó jelenségek megfigyelése esetén. Ilyenkor a különböző időpontokban készített űrfelvételek összehasonlításából következtetnek a változásokra. Példa lehet a Tisza árvizeinek nyomon követése.
VI. Az adatok rendszerezése, megjelenítése és a fejlődés útjai
A térinformációs rendszerek
A Földfelszín hagyományos ábrázolási eszköze, a térkép egyidejűleg tárolta és megjelenítette az információkat. Az informatika fejlődése lehetővé tette a helyhez kapcsolódó információk gyűjtésére, kezelésére, elemzésére és megjelenítésére szolgáló információs rendszerek kialakítását. Az ilyen rendszereket térinformációs vagy geoinformációs rendszereknek nevezzük.
A térinformációs rendszerekben elválnak egymástól az adatok tárolásának és megjelenítésének funkciói. Mind a helymeghatározó rendszerekkel, mind a távérzékeléssel nyert adatok feldolgozása ma már ilyen eszközökkel történik.
A térinformációs rendszerek az adatok elemzésének (pl. mozgásvizsgálatok) és az adatok megjelenítésének számos lehetőségét biztosítják. A megjelenítés nemcsak statikus formában, hanem multimédiás eszközökkel is lehetséges.
Mit hoz a jövő?
Az Szputnyik I. fellövése óta kevesebb mint fél évszázad telt el. Azóta a Föld alakjával és méretével összefüggő ismereteink megsokszorozódtak. Negyven évvel ezelőtt az első, a Föld egészét magába foglaló geoid izovonalainak távolsága még 10 méter volt. Ma a deciméter körüli felbontásnál tartunk. A helymeghatározó eszközök lehetővé teszik, hogy a kontinensek mozgását cm körüli pontossággal mérjük. Az űrtechnika csodálatos eszközt adott a különböző földtudományok művelőinek - geodétáknak, geofizikusoknak, geológusoknak - a kezébe.
Nem irreális elképzelés, hogy a következő évtizedekben a Föld egészének alakját centiméteres pontossággal határozzuk meg. A Föld olyan égitest, amely változtatja az alakját, és az űrtechnika segítségével az eddigieknél sokkal alaposabban ismerhetjük meg a mozgását.
A távérzékelés kezdetén, a múlt század hatvanas éveiben az első meteorológiai célú mesterséges holdak felbontása még km nagyságrendű érték volt. Az 1970-es évek elején a természeti erőforrások kutatására készült Landsat 1 MSS felvételeket a 79x56 m képelemméret jellemezte. A 2001-ben fellőtt térképészeti célú Quick Bird átlagos képelemmérete 0,72x0,72 m.
- |25|
Ez azt jelenti, hogy három évtized alatt 8500-szorosára növekedett az ugyanakkora területről rendelkezésünkre álló információ mennyisége. Egyre több ország kapcsolódik be a távérzékelési tevékenységbe. Új típusú, új elveken alapuló felvevő eszközöket hoztak létre. A térinformációs rendszerek elterjedése és a rendszerek többségének hozzákapcsolása az internethez a korábbiakban elképzelhetetlen feldolgozási lehetőséget biztosít a felhasználóknak. Ezzel egyidejűleg rendkívüli mértékben megnőtt a felhasználók köre.
A gyors ütemű technikai fejlődés nagy valószínűséggel folytatódik. Ez részben - bizonyos határokig - növeli az egyetlen holdról nyerhető információ mennyiségét. Az eszközök számának növekedése további információmennyiség-növekedést jelenthet. Olyan új űreszközök létrehozása is várható, amelyek ma még megoldhatatlan feladatok megoldására lesznek alkalmasak. (Nem tűnik utópisztikusnak például az az amerikai elképzelés, hogy egy évtized múlva egyetlen mesterséges holdról figyelik majd New York közlekedését). Az informatika fejlődése pedig új lehetőségeket biztosít az eredmények feldolgozásában. Ha mindezeken túl figyelembe vesszük az internet bővülő lehetőségeit is, akkor joggal mondhatjuk, hogy az emberiség egyre nagyobb hányada gazdagodik a Földdel kapcsolatos egyre alaposabb ismeretekkel.