Zemes izpēte no kosmosa – Latvijas tautsaimniecībai 0
Droši vien katrs, kas dzirdējis par Zemes mākslīgiem pavadoņiem (turpmāk ZMP), ko, pakļaujoties angļu valodas spiedienam, bieži vien mēdzam saukt arī par satelītiem, būs dzirdējis gan par GPS, gan iespējām tos lietot laika apstākļu prognozēšanā, gan arī par iespējām, ko tie sniedz sakaru un telekomunikāciju jomā. Tāpat praktiski gandrīz ikkatrs no mums ir izmantojis šīs iespējas.
Tomēr ar to ZMP iespējas nav izsmeltas, un viena no jomām, kurās tie tiek lietoti, ir pašas Zemes, tās atmosfēras un biosfēras pētījumi.
Ar to palīdzību iespējams pētīt, piemēram, ledus apstākļus jūrās un okeānos un pat noteikt ūdens temperatūru un sāļumu, mērīt vēja virzienu un spēku rajonos virs ūdens baseiniem, kur uzstādīt stacionāras meteoroloģiskās stacijas ir neiespējami. Tā kā pētījumos bieži tiek izmantoti elektromagnētisko viļņu garumi, kam mākoņi nav šķērslis, arī laika apstākļi daudzos gadījumos tiem nav nopietns traucēklis.
Mūsdienās Zemi tuvās vai tālākās orbītās apriņķo, ja neskaita pavisam mazos t. s. mikro- un nanosatelītus, nedaudz mazāk kā 600 dažāda veida aktīvā “darba ierindā” esošu satelītu, un krietna daļa no tiem ir domāta tieši Zemes novērošanai un izpētei. Lielākā to daļa tādā vai citādā veidā iegūst Zemes virsmas attēlus dažādos elektromagnētisko viļņu garumos – radio, infrasarkanajā redzamajā viļņu garumu diapazonā. Jēdziens “Zemes virsma” šeit gan ir jāsaprot visai nosacīti – dažādu viļņu garuma starojums bieži nāk no dažādiem augstumiem un tiek lietots tieši attiecīgā augstuma apgabala pētīšanai.
Tā var būt gan sauszeme, gan ūdens, gan dziļāki Zemes slāņi, gan arī dažādi atmosfēras slāņi, mākoņi, sniegs, lietus utt. Tikai daži piemēri: no ūdens temperatūras un sāļuma ir atkarīga tā spēja atstarot vai izstarot radioviļņus, līdzīgi dažāda garuma radioviļni dažādi izkliedējas dažāda lieluma sniegpārslās vai ūdens pilienos. Līdz ar to no ZMP iespējams noteikt ne tikai vietas, kuras klāj vai neklāj mākoņi, bet arī noteikt laika ap-stākļus konkrētās vietās. Sevišķi svarīgi tas ir virs jūrām vai okeāniem, kur uzstādīt meteostacijas nav iespējams. Tā kā radioviļņu absorbcijas un izstarošanas spēja ir atkarīga no augsnē esošā mitruma, no ZMP iespējams pat noteikt mitruma daudzumu augsnē. Bet vietās, kur Zemes virskārtu sedz sausas smiltis, kā tas ir tuk-snešos, radioviļņi var iespiesties zem tām un sniegt informāciju par attiecīgā rajona klinšaino pamatni. Gandrīz visus Zemes pētīšanas ZMP var iedalīt divās lielās grupās – sintētiskās apertūras radaros (SAR) un multi-spektrālajos (MS).
ZMP ar SAR darbojas pēc radara principa – attēls tiek veidots, “apgaismojot” pētāmo apgabalu ar pavadoņa izstaroto radio starojumu un pēc tam uztverot atstaroto signālu. Radiostarojuma viļņu garums nosaka to, kas ir redzams attēlā. Visplašāk tiek lietots garums no 3 līdz 25 cm, attiecīgi sniedzot informāciju par objektiem ar līdzīgiem izmēriem. Piemēram, koka gadījumā īsākie viļņi ļaus reģistrēt lapas, bet garākie – zarus un stumbrus. Šī īpašība tiek plaši izmantota, lai veiktu mežu inventarizāciju. Tāpat mikroviļņu starojuma īpašības papildus ļauj pamanīt plūdus zem koku lapotnēm, apakšzemes struktūras nelielā dziļumā zem zemes, kā arī noteikt ledus biezumu jūrā. Tā kā uz mākslīgā pavadoņa novietot liela diametra antenu ir sarežģīti, bet maza antena, lietojot viļņu garumu, kas raksturīgs radiodiapazonam, ļauj izšķirt tikai kilometriem lielas detaļas, tiek lietota speciāla metodika, t. s. sintētiskās apertūras radars (SAR), kas ļauj izšķiršanas spēju palielināt.
Tās princips balstās uz to, ka ar radaru, atšķirībā no optiskā attēla, kur katram attēla punktam piekārtots leņķiskais attālums no kāda punkta, piemēram, attēla centra, un tad ir svarīgs teleskopa objektīva diametrs, tiek mērīts attālums. Tas savukārt ir atkarīgs no leņķa, kādā redzams attiecīgais objekts – jo konkrētais punkts tālāk no virziena tieši uz leju, jo attālums lielāks. Tā kā attālumu ar radaru iespējams izmērīt pat ļoti precīzi, šādi mērījumi no ZMP orbītas teorētiski ļauj iegūt izšķirtspēju, kas līdzinās pusei no lietotās antenas diametra, kas parasti ir daži metri.
Reāli gan izšķirtspēja dažādu apstākļu, piemēram, zemes reljefa nelīdzenumu dēļ var būt mazāka. Vēl interesantāki rezultāti iegūstami, ja tiek lietota t. s. radarinterferometrija. Šajā gadījumā tiek izmantoti vairāki attēli, kas iegūti atšķirīgos laikos vai no dažādiem skatpunktiem un pēc tam “saliekot” tos abus kopā. Šāda pieeja ļauj noteikt mazākās augstuma izmaiņas, piemēram, zemestrīces sekas, aktīva vulkāna “elpošanu” vai pilsētas augstuma izmaiņas, ko izraisa tuneļu būve vai pazemes ūdenskrātuvju tukšošanās – centimetrus vai pat milimetrus. Jaunākie pētījumi norāda uz iespēju noteikt, piemēram, individuālu koku augstumu, tādējādi nākotnē krietni atvieglojot mežu inventarizāciju.
Arī Latvijā, konkrēti Ventspils Starptautiskajā radioastronomijas centrā, Eiropas sociālā fonda projekta ar visai garu nosaukumu “Uz Zemes mākslīgo pavadoņu (ZMP) attiecināmu signālu uztveršanas, raidīšanas un apstrādes tehnoloģijas” (2009/0231/1DP/1.1.1.2.0/09/APIA/VIAA/151) ietvaros notiek intensīvi pētījumi, kā izmantot satelīttehnoloģijas arī Latvijas tautsaimniecībā. Galvenokārt tie saistīti ar Latvijas mežu pētījumiem – lai apzinātu un pēc tam vislabākajā veidā izmantotu to resursus.
Šajos pētījumos gan tiek izmantoti multispektrālie attēli infrasarkanajā un redzamās gaismas diapazonā.
Kā jau rāda pats nosaukums “multispektrālie”, šīs sistēmas ZMP novēro Zemi vairākos elektromagnētiskā starojuma viļņu garumos – parasti tie ir redzamais un infrasarkanais. Sensori reģistrē to, kā dažādi objekti uz zemes atstaro saules starojumu šajos spektros. Civilām vajadzībām šādas sistēmas spēj sniegt informāciju par objektiem, kas ir lielāki par pusmetru. Katrs objekta tips to dara citādi. Piemēram, koki absorbē sarkano un zilo krāsu, taču atstaro zaļo, tādēļ tie mums ir redzami zaļi. Turklāt tie ļoti spēcīgi atstaro tuvo infrasarkano starojumu – fakts, kas cilvēka acij nav pamanāms. Zinot šīs sakarības, iespējams satelītattēlos precīzi noteikt koku atrašanos, to sugu, veselības stāvokli, sniedzot noderīgu informāciju mežsaimniekiem par plašiem apgabaliem, kurus dažkārt nav iespējams pārbaudīt dabā. Apmācot datoru izšķirt dažādus objektus, tiek nodrošināta konstanta informācijas plūsma par pārmaiņām, kas skar vidi mums apkārt.
Mūsdienās eksistē vairākas metodes, kā, apstrādājot satelītdatus, iegūt informāciju par veģetāciju un izcelt apmežotās teritorijas. Viens no populārākajiem veidiem ir izmantot veģetācijas indeksus, kas ir vienkāršoti skaitliski indikatori, kas tiek lietoti attēlu interpretēšanai un dzīvās zaļās veģetācijas stāvokļa novērtēšanai. Būtībā tie skaitļi, kas iegūti, veicot dažādas matemātiskas darbības ar attiecīga punkta spilgtuma skaitliskajām vērtībām dažādos, tostarp arī infrasarkanajā, viļņu garuma diapazonos. Katram veģetācijas veidam atbilst savs šī indeksa vērtību diapazons. To izmantojot, tiek veidotas t. s. meža maskas kartes, kurās ar zaļo krāsu attēlotas apmežotās teritorijas, bet balto – visas pārējās. Salīdzinot dažādos laikos iegūtās maskas kartes, iespējams noteikt izmaiņas, kas notikušas šajā laikā.
Iegūto karšu precizitāti ierobežo Landsat satelītattēlu izšķirtspēja, bet, lai analizētu aizaugušos un izdegušos vai izcirstos reģionus vidējā un lielā mērogā, tas ir pietiekami, un tādējādi Latvijas tautsaimniecība šajos pētījumos ir ļoti ieinteresēta – tie dod iespēju, piemēram, saprast, cik vēl drīkstam cirst, cik un kurās vietās mežs ir jāatjauno, arī noteikt rajonus, kuros notikusi nelikumīga mežu izciršana.
Ivars Šmelds
