Landsat

Program Landsat je řadou družicových misí určených k pozorování Země, řízených NASA a USGS (USA). Data jsou pořizována již od roku 1972, kdy byla na oběžnou dráhu vynesena první z těchto družic. Věda, nazývaná dálkový průzkum Země, se programem Landsat rozvinula. Tato data umožňují lidem studovat mnoho aspektů naší planety a vyhodnocovat dynamické změny způsobené přírodními procesy a lidskou činností.

 

Landsat 1, 2, 3


Landsat 1 (1972 – 1978)
Landsat 2 (1975 -1982)
Landsat 3 (1978 – 1983)
Landsat 4 (1982 – 1985)
Landsat 5 (1984 – stále funkční)
Landsat 6 (1993 – havárie při startu)
Landsat 7 (1999 – stále funkční)

První tři družice Landsat , tzv. první generace, byly vybaveny dvěma senzory RBV (Return Beam Vidicon) a multispektrálním skenerem MSS. Druhá generace družic Landsat, odstartována vypuštěním Landsatu 4 v roce 1982, nesla znovu multispektrální skener MSS a sedmikanálový skener TM (Thematic Mapper).

Dráha Landsatu
Družice Landsat mají opakovanou, oběžnou, slunečně – synchrónní dráhu, blízkou polárnímu orbitu. Landsat 5 (dříve i Landsat 4) obíhá na dráze o výšce 705 km. Přelet nad rovníkem je pod úhlem sklonu 98.2 ° . Každý oběh kolem Země trvá 98.9 minuty se 149/16 orbity uskutečněnými každý den. To zabezpečuje plný pokryv mezi 81°N a 81°S. Po 16-ti dnech se družice vrací do výchozí pozice a opakuje svůj cyklus. Při společném provozu Landsatu 4 a 5 (1984 – 1985) se zkrátila perioda opakování na 8 dnů. Opakovací cyklus Landsatu 1 – 3 byl 18 dnů.

 

nahoru

Landsat 4, 5


Landsat 4 i 5 byl vybaven sedmikanálovým skenerem TM (Thematic Mapper), který se rychle stal nejpoužívanějším zdrojem družicových dat vzhledem ke svému spektrálnímu rozlišení a vysoké rozlišovací schopnosti. Skener MSS (Multispectral Scanner) zůstal z důvodu tvorby dlouhodobé sledovací řady stejným zařízením (od roku 1972 po dnešek).
V současné době jsou k dispozici data jak z multispektrálního skeneru MSS, tak Thematic Mapper . TM je v provozu od roku 1982, má 7 spektrálních pásem a rozlišení 30m; MSS, který se používá od roku 1972, má čtyři spektrální pásma a rozlišení 80 m.

MSS (Multispectral Scanner)
Mechanický skener MSS využívá oscilujícího zrcátka a čidel, seskupených po 6-ti ve čtyřech řádcích, odpovídajících 4 spektrálním kanálům. Pro kanály 1-3 byly použity fotonásobiče, pro 4. kanál křemíkové diody. Kyvem zrcátka se vytvoří 6 řádků. Aktivní doba měření při jednom cyklu zrcátka je 33ms, tj. 3 300 pixelů v řádce. S jediným čidlem by technicky nebylo možné pracovat, neboť ani mechanika ani eletronika nebyla schopna vyšší rychlosti. Záření k detektorům je vedeno světlovody z ohniskové roviny. Průměr vlákna tak dává okamžité zorné pole. Pro sběr dat je využito pouze dopředného chodu zrcátka, oscilujícího s frekvencí 13.61Hz. Odečtení všech 24 čidel trvá 10 µs. Kódování obrazu je do 6bitů, šíře záběru 185km při výšce letu 915km, teleskop má ohniskovou vzdálenost f=525mm. Analogový signál z čidel je veden do A/D převodníku s taktem digitalizace signálu 100 000 odečtení/s. Z toho vychází vzdálenost mezi odečtením 56m na povrchu Země a vzorkování signálu na 56×79m. Měřená hodnota je však odečtena z oblasti 79×79m, daná okamžitým zorným polem (86 µrad) a udává skutečnou geometrickou rozlišovací schopnost skeneru. Velikost jedné scény je cca 2340×3240 pixelů. Scéna není v originále čtvercová, ale lichoběžníková. Zkosení je způsobeno zemskou rotací během 25s, kdy je pořizována scéna. Modifikovaný skener MSS je použit z důvodu zachování kontinuity měření stejným zařízením na Landsatu 4 a 5. Jedinou změnou je úprava optického systému, dávající čtvercový pixel s RS=82×82m. Kanály byly u Landsatu 1. generace zpočátku číslovány od 4 z důvodu kanálů u systému RBV, kterým byla přiřazena čísla 1-3.

TM (Thematic Mapper)
TM je novější mechanický skener, umístěný na družicích Landsat 4 a 5. Měření probíhá v 7 kanálech, z nichž první čtyři jsou ve viditelném světle (užívá se křemíkových čidel) a další tři v infračerveném oboru. Pro infračervenou oblast jsou čidla z důvodu citlivosti umístěna na chlazené desce, kam se záření přenáší speciálním přídavným optickým systémem. Pro kanály 5 a 7 je užito čidel InSb a pro tepelný kanál 6 čidel HgCdTe.
Pro sběr informací je využito i zpětného chodu skenujícího zrcátka s frekvencí 6.99Hz, který ovšem zanáší chybu v geometrii obrazu (řádky se u krajů překrývají nebo nenavazují). Na odstranění této vady byla do optického systému přidána dvojice šikmo rotujících zrcátek s dvojnásobnou frekvencí, které tuto chybu mechanicky eliminují. Čidla TM jsou umístěna v ohniskové rovině, jsou uspořádána do dvou sloupců po osmi pro každý kanál, tepelný kanál do dvou sloupců po dvou čidlech. Odstup mezi sloupci je utvořen tak, že dodržuje návaznost řádků. V horizontálním směru jsou sudá čidla posunuta oproti lichým o vzdálenost 2.5 okamžitého zorného pole, 42 µrad, případně 168 µrad pro kanál číslo 6. Odečet všech 100 čidel (6×16+4) do bufferu trvá 9.611 µs, z něhož se postupně odečítají napřed liché a potom se zpožděním 0.5 periody sudé hodnoty. Při dopředném pohybu zrcátka je posun mezi sudými a lichými řádky 2 pixely (čidla jsou posunuta o 2.5 pixelu okamžitého zorného pole – 0.5 periody zpoždění, tj. 2 pixely), opačným směrem o 3 pixely (2.5 pixelu posun + 0.5 periody zpoždění). Výsledný obraz je nutno složit a zarovnat.
Odečtená analogová informace je A/D převodníkem pro každý kanál kódovaná na 8bitů. Pro přenos dat slouží přímé vysílání v S pásmu. Po havárii Landsatu 6, který nesl vylepšený skener ETM (Enhanced Thematic Mapper), následoval Landsat 7.

 

nahoru

Landsatu 7 ETM+


V pořadí již sedmá družice z řady Landsat byla úspěšně vypuštěna 15.4.1999 ve 20:32 hod letního středoevropského času jako zatím poslední z dlouhé řady družic nejstaršího programu v historii civilního družicového dálkového průzkumu. Nosná raketa Delta 2 vynesla družici Landsat 7 z kalifornské letecké základny Vandenberg a umístila ji na dráhu ve výšce 705 km.
Data v programu Landsat zajišťuje družice Landsat 5, která svým patnáctiletým působením mnohonásobně přesáhla plánovanou životnost. Většina jejich zásob je již vyčerpána, takže může přestat pracovat každým dnem.
Obě družice pracují současně a přes dané území budou přelétávat s odstupem 8 dní. Provoz družice zajišťovalo do 1.10.2000 Goddardovo středisko kosmických letů NASA, a pak se této funkce ujal Geologický průzkum (USGS). Družici Landsat 7 postavila firma Lockheed Martin Missiles and Space a skener ETM+ firma Raytheon Santa Barbara Remote Sensing.
Nový sateli má několik vylepšení oproti předešlým družicím této řady, avšak zachovává kontinuitu v datové řadě Thematic Mapperu™ zahájenou Landsatem 4 v roce 1984.

Skener ETM+
Hlavním vybavením družice Landsat 7 je skener Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+), který je osmikanálový multispektrální mechanický skener, pořizující data ve směru nadiru.
Data ze skeneru ETM+ jsou kalibrována s absolutní přesností lepší než 5%. To je dosud nejlepší přesnost, takže ETM+ slouží jako srovnávací kalibrační zdroj pro ostatní družicová data. Samotná NASA využívá této přesnosti při současném provozu dalších družic EOS-AM1 a EO-1.
Provoz skeneru ETM+ je plánován dopředu a data se tedy nepořizují nepřetržitě. Hlediskem budování archivu jsou bezoblačné scény všech pevnin na Zemi. Během jednoho 16-ti denního cyklu je nasnímána jen asi jedna čtvrtina plochy kontinentu. Místa určují vegetační cyklus a také předpověď výskytu oblačnosti dodávané národní meteorologickou službou. Tím se zamezuje pořizování oblačných scén a zefektivňuje se předzpracování dat.

Pozemní stanice
Pozemní segment Landsatu 7 má hlavní pozemní stanici pro příjem dat z ETM+ v Eros Data Center a sekundární stanice ve Fairbanks na Aljašce a ve Svalbard v Norsku. Ty budou v záloze, pokud hlavní stanice nebude moci zajistit požadovaná data. Hlavní stanice má denní kapacitu příjmu 250 scén. Landsat 7 je navíc schopen přímého přenosu do dalších stanic mimo vlastní systém na základě uzavřených smluv.
Data ze skeneru ETM+ jsou zpracovávána v EROS Data Center, Sioux Falls, South Dakota, který byl vybaven velmi výkonným zařízením, aby byl schopen vyřizovat všechny objednávky během několika dní. Denně může zpracovat kolem stovky scén na úrovni Level 0R (viz níže). NASA data nabízí za výrazně nižší ceny než tomu je u současných dat z družic Landsat. Ta jsou přístupná pro výzkumné a vzdělávací instituce, a tak podněcují všeobecně větší využívání družicových dat.

Data jsou dodávána v několika úrovních předzpracování:
  • Level 0R – Surová data v základním formátu, ke kterým je přidán kalibrační soubor.
  • Level 1R – Radiometricky korigovaná data s kalibračními parametry (obsahuje údaje o aparatuře, funkci zrcátka, vnitřním kalibračním zářivém zdroji). Obrazová data nejsou geometricky korigována.
  • Level 1G – Radiometricky a geometricky korigovaná data s kalibračními parametry. Radiometricky upravené pixely jsou převzorkovány a transformovány do zvoleného mapového zobrazení.

I když se všeobecně čekalo, že družice Landsat7 bude fungovat déle, byla funkčnost této družice silně snížena závadou na mechanismu skenovacího zrcátka, ke které došlo 31.5.2003. Právě na začátku pátého roku fungování Landsatu7. V současné době je z plné scény 185×175km použitelný pouze pás uprostřed široký přibližně 22km.

 

nahoru

Landsat 8


Vláda USA podnikla první kroky k postavení nové družice v programu Landsat (náhrada Landsat5 a Landsat7). Družice Landsat8 (LDCM – Landsat Data Continuity Mission) by měla být vynesena na oběžnou dráhu v roce 2011.

 

nahoru

Družice Landsat

Družice Senzor Typ dat Počet pásem Prostorové rozlišení [m] Archiv od
Landsat 8 OLI Optická 9 15.0, 30.0 2013
Landsat 8 TIRS Optická 2 100.0 2013
Landsat 7 ETM+ Optická 8 15.0, 30.0, 60.0 1999
Landsat 5 MSS Optická 4 80.0 1985
Landsat 5 TM Optická 7 30.0, 120.0 1985
Landsat 4 MSS Optická 4 80.0 1982
Landsat 4 TM Optická 7 30.0, 120.0 1982
Landsat 3 MSS Optická 4 80.0 1978
Landsat 3 RBV Optická 1 30.0 1978
Landsat 2 MSS Optická 4 80.0 1975
Landsat 2 RBV Optická 3 80.0 1975
Landsat 1 MSS Optická 4 80.0 1972
Landsat 1 RBV Optická 3 80.0 1972
 
 

nahoru