Z historie dálkového průzkumu

Z historie dálkového průzkumu Země

Dálkový průzkum Země coby disciplínu zabývající se pořizováním obrazových dat („snímků“) zemského povrchu máme jaksi podvědomě spojenou především s družicemi obíhajícími od konce 50. let 20. století kolem Země. Ve skutečnosti však sahá historie tohoto oboru podstatně dále do minulosti, a proto by byla škoda nezmínit se alespoň na pár řádcích o těchto nejstarších prvopočátcích. Myšlenka na trvalé zachycení zemského povrchu z ptačí perspektivy člověka provázela prakticky od okamžiku, kdy se mu pomocí balónu podařilo alespoň na chvíli vzlétnout do oblak a současně vynalézt odpovídající záznamové zařízení – předchůdce dnešního fotoaparátu. Za zrod dálkového průzkumu by tak šel pokládat rok 1858, kdy se francouzskému vzduchoplavci Gaspardu Tournachonovi podařilo z balónu pořídit první snímky Paříže. O novou technologii začaly mít zájem armády různých států, neboť si od ní slibovaly možnost sledování postavení nepřátelských vojsk bez nutnosti riskantního vysílání průzkumných jednotek na území nepřítele. V praxi byl tento systém vyzkoušen záhy poté v průběhu americké občanské války (1860 – 1865). Jak se však záhy ukázalo, problémem byla především naprostá nemožnost řídit směr letu balónu. Proto se začalo experimentovat s jinými – z dnešního pohledu až komickými řešeními. Jedním z nich byli speciální holubi, k jejichž tělu byla připevněna malá kamera. Za otce tohoto nápadu je považován německé lékárník Julius Neubronner, který si svůj vynález chtěl dát patentovat v roce 1907.

Mnohem praktičtějším a v praxi použitelnějším nosičem se ukázala být letadla. Technika leteckého snímkování pro vojenské účely se začala rozvíjet v průběhu 1. světové války (1914 – 1918) a svého vrcholu dosáhla v období druhé světové války (1939 – 1945). Problémem průzkumných letadel byla ovšem skutečnost, že byla příliš pomalá a tím pádem zranitelná proti útokům nepřátelských stíhačů či protiletecké palby. Řešením se zdála být konstrukce speciálních výzvědných letadel, která by se pohybovala v tak velkých výškách, kam by nepřátelská protiletadlová palba ani stíhači jednoduše nedosáhli. Tak vzniklo například známé americké špionážní letadlo U-2, které bylo schopno letu ve výšce kolem 20 km a které bylo v letech 1956 – 1960 využíváno k pořizování snímků zachycujících území Sovětského svazu. Vojenští specialisté si však již v té době uvědomovali, že i tento způsob pořizování snímků je pouze dočasným řešením, což bylo záhy potvrzeno sestřelením letounu U-2 nad SSSR 1. května 1960. Proto začaly být hledány jiné prostředky.

Jako ideální volbou se pak ukázaly umělé družice, které by se pohybovaly na oběžné dráze Země, odkud by mohly snímkovat území nepřítele naprosto nerušeně. Tak byl v roce 1956 zahájen program pod krycím názvem „operace KeyHole“ („klíčová dírka“). Dodejme, že právě možnost družicového snímkování území protivníka byla vedle rozvoje raket coby nosičů jaderných hlavic hlavní motivací pro rozvoj kosmického programu v obou navzájem soupeřících supervelmocech (tedy USA i SSSR). Rychlý rozvoj raketové techniky zajistil, že první umělá družice (sovětský Sputnik-1) byla na oběžnou dráhu Země vypuštěna již o pouhý rok později (4. října 1957). Americký pokus o první vypuštění družice Vanguard (6. prosince 1957) sice skončil nezdarem, avšak další pokus 1. února 1958 již dopadl úspěchem a na oběžné dráze se začala pohybovat družice Explorer-1 zkonstruovaná skupinou kolem německého raketového odborníka Wernera von Brauna. 17. března 1958 se podařilo na oběžnou dráhu umístit i družici amerického námořnictva v rámci již zmíněného programu Vanguard (pod názvem Vanguard-1). Pro nás je však mnohem podstatnější až další družice, známá jako Vanguard-2, vypuštěná na oběžnou dráhu 17. února 1959. Tato družice ve tvaru koule o průměru 51 cm totiž na své palubě nesla dva miniaturní dalekohledy vybavené fotočlánky schopnými zaznamenávat intenzitu slunečního záření odraženého od povrchu Země. Pohyb satelitu po oběžné dráhy v kombinaci s jeho rotací způsobovaly, že fotobuňky postupně skenovaly zemský povrch v po sobě jdoucích liniích. Data byla ukládána na magnetický pásek a následně pomocí radiového vysílače vysílána do pozemního střediska. Po odvysílání byl pásek přetočen zpět na začátek a měření mohlo pokračovat. Tímto způsobem bylo možné z každého oběhu Země získat přibližně 50 minut záznamu. Získaná data byla sice velmi hrubá, ale šlo na nich poznat větší kusy pevniny, oceán a oblačnost.

Vraťme se však zpět k již zmíněnému projektu KeyHole. Ze všeho nejdříve bylo nutné zodpovědět na otázku jakým způsobem snímky z oběžné dráhy pořizovat, a především jak je pak dostat na zem. V době o které hovoříme totiž ještě neexistoval elektronický záznam obrazu a bezdrátový přenos dat byl teprve v plenkách. Řešením se zdálo být využití televizní kamery, jejíž signál by byl vysílán z družice do řídícího střediska na Zemi. Jak se však ukázalo, rozlišené takového systému bylo pro požadované účely příliš nízké. Proto byly první špionážní družice vybaveny klasickou fotokamerou pořizující snímky pomocí objektivu s dlouhým ohniskem na klasický film. Po naexponování družice vypustila speciální návratové pouzdro, které přečkalo průlet zemskou atmosférou a během svého sestupu na padáku bylo zachyceno speciálně upraveným letadlem. Naexponovaný film byl pak vyzvednut a dále zpracován. První z takových družic známých pod názvem Corona (či alternativním Discoverer) byla (po několika neúspěšných startech) vypuštěna na oběžnou dráhu 10. srpna 1960. Rozlišení pořízených snímků dosahovalo 7.5 m. Po úvodních sériích družic KH-1 až KH-4 přišla v roce 1963 ke slovu vylepšená varianta KH-4A schopná pořizovat snímky s rozlišením až 0.50 m. Na tomto místě jen dodejme, že první družice pořizující data s takto vysokým prostorovým rozlišením pro civilní účely byl až satelit QuickBird vypuštěný na oběžnou dráhu v roce 2001 (tedy o celých 34 let později!). Program špionážních družic Corona pokračoval až do roku 1972, kdy byl nahrazen projekty KH-7 Gambit, KH-8 Gambit 3 a KH-9 Hexagon. Pro úplnost pak ještě dodejme, že obdobný program vývoje špionážních družic probíhal od roku 1957 i v Sovětském svazu (pod označením Zenit). Zajímavostí přitom je, že tyto sovětské výzvědné družice svou konstrukcí odpovídali kosmické lodi Vostok, v jejíž kulovité kabině byla namísto kosmonauta umístěna snímkovací aparatura.  

Problémem prvních špionážních družic byla skutečnost, že na většině pořízených snímků byly zachyceny pouze mraky, které zakrývaly zemský povrch, čímž značná část omezená kapacity filmového materiálu neseného družicí přišla nazmar. Proto byl 1. dubna 1960 na oběžnou dráhu vypuštěn další typ družic pod označením TIROS (Television Infra Red Observation Satellite). Na rozdíl od špionážních družic Corona byla Země v tomto případě snímána sice v mnohem nižším prostorovém rozlišení (pomocí televizních kamer, jejichž signál byl vysílán zpět na Zemi), avšak zato téměř neustále. Smyslem přitom bylo zjistit, zda cílová oblast pro pořizování podrobných výzvědných snímků je v daném okamžiku pokryta oblačností či nikoliv, a zda tedy má vůbec smysl snímky pomocí družic Corona vůbec pořizovat (s ohledem na již zmíněnou omezenou zásobu filmového materiálu). Později došlo ke změně sklonu dráhy družic TIROS z původních 48° nejprve na 58° a ještě později na 98°. Tato tzv. polární dráha je v oblasti dálkového průzkumu využívána dodnes. Družice TIROS tak daly vzniknout celé sérii tzv. meteorologických satelitů na polární dráze, které fungují dodnes a které známe pod označením NOAA – POES (první z této série družic byla na oběžnou dráhu vypuštěna 13. října 1978). Dodejme ještě, že podobnou soustavu meteorologických družic na polární dráze začaly budovat také evropské státy pod záštitou Evropské kosmické agentury (ESA) a Evropské organizace pro výzkum meteorologickými satelity (EUMETSAT). První z těchto družic MetOp-A byl na oběžnou dráhu vypuštěn 19. října 2006 následovaný dvěma dalšími satelity: MetOp-B (start 17. září 2012) a MetOp-C (start 7. listopadu 2018). Družice řady MetOp jsou vybaveny stejným zobrazovacím radiometrem AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer) jako americké družice NOAA-POES, který zachycuje zemský povrch v celkem šesti spektrálních pásmech (3 v optické doméně, 1 v oblasti středního infračerveného záření a 2 v oblasti termálního infračerveného záření) při prostorovém rozlišení 1000 m.

Nevýhodou družic na polární dráze je skutečnost, že nedokáží snímat danou část zemského povrchu neustále, ale vždy jen v okamžiku, kdy nad ním přelétají. Při započítání šířky snímaného pásu území a počtu aktivních družic je možné pro jeden konkrétní bod na zemském povrchu získat snímky přibližně 4 – 5x za den. Řešení tohoto nedostatku přineslo vypuštění družic na tzv. geostacionární dráhu nacházející se ve výšce přibližně 36 000 km nad povrchem. Družice pohybující se po této dráze oběhne Zemi za stejnou dobu, za jakou se sama Země otočí jednou kolem své osy. Důsledkem této skutečnosti je pak to, že družice zdánlivě nehybně „visí“ nad jedním určitým bodem na zemském rovníku odkud může zemský povrch snímat prakticky nepřetržitě. Na snímcích je pak zpravidla zachycena celá zemská polokoule. Při použití pouhých tří takových satelitů je pak možné zachytit celou Zemi. První družice pořizující obrazová data z geostacionární dráhy (SMS-1) byla vypuštěna 17. května 1974 následovaná zakrátko svým „dvojčetem“ SMS-2. Tyto víceméně pokusné družice položily základ operativnímu systému geostacionárních meteorologických družic známých jako GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite), který byl uveden do provozu po startu satelitu GOES-1 16. října 1975. Nejnovější z této série (GOES-16 a GOES-17) snímají Zemi v celkem 16 spektrálních pásmech: 2 pásma v oblasti viditelného záření (prostorové rozlišení 500 m respektive 1000 m), 4 pásma v oblasti blízkého a krátkovlnného infračerveného záření (prostorové rozlišení 2000 m), 10 pásem v oblasti středního a termálního infračerveného záření (prostorové rozlišení 2000 m). Ani evropské státy nezůstávaly v tomto ohledu příliš pozadu, a tak byla na geostacionární dráhu 23. listopadu 1977 vypuštěna družice Meteosat-1 snímající Zemi pomocí radiometru MVIRI (Meteosat Visible and Infrared Imager) ve třech spektrálních pásmech (viditelném, termálním, a dále pak v tzv. pásmu absorpce vodní páry). Dalším vývojovým stupněm pak bylo vypuštění družice Meteosat-8 představující tzv. Meteosat 2. generace (Meteosat Second Generation – MSG). Oproti starším družicím jsou tyto satelity vybaveny vylepšeným radiometrem SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager), který dokáže pořizovat data v 11 úzkých spektrálních pásmech o prostorovém rozlišení 3000 m a jednom širokém spektrálním pásmu o rozlišení 1000 m. V současné době jsou na geostacionární oběžné dráze aktivní celkem 4 družice Meteosat druhé generace, které by měly být v blízké budoucnosti nahrazovány satelit Meteosat třetí generace (MTG).

Dalším zajímavým mezníkem v dálkovém průzkumu Země byl program pilotovaných letů na americkou orbitální stanici Skylab uskutečněných v letech 1973 – 1974. Stanice nesla přístrojové zařízení označované jako EREP (Earth Resources Experiment Package) umožňující pořizování snímků zemského povrchu na různých vlnových délkách při prostorovém rozlišení kolem 80 metrů. Jednalo se tak o jedny z prvních multispektrálních dat pořízených z oběžné dráhy Země (12 spektrálních pásem v oblasti viditelného a blízkého infračerveného záření, 1 pásmo pro snímání v oblasti termálního infračerveného záření). Pořízená data našla rozsáhlé uplatnění v oblasti sledování přírodních zdrojů, zemědělství, lesnictví, geologii, oceánografii, kartografii a mnoha dalších.

Zcela zásadním zlomem ve vývoji satelitního snímkování Země však bylo vypuštění družice ERTS (Earth Resource Technology Satellite), později známé jako Landsat-1, k němuž došlo 23. července 1972. Družice se pohybovala na polární dráze o výšce 900 km nad povrchem, odkud snímkovala zemský povrch pomocí systému televizních kamer RBV (Return Beam Vidicon), a dále pak pomocí mechanického skeneru MSS (Multispectral Scanner) umožňujícího pořizování dat ve čtyřech spektrálních pásmech při prostorovém rozlišení 80 metrů. Následovaly mise dalších dvou obdobných satelitů, na něž v roce 1982 navázala družice Landsat-4, která se na rozdíl od starších družic pohybovala na nižší oběžné dráze (cca 700 km) a současně byla vybavena novým a vylepšeným snímacím zařízením (tzv. radiometrem) známým pod zkratkou TM (Thematic Mapper). Data byla pořizována v celkem 7 spektrálních pásmech: 6 pásem v oblasti viditelného, blízkého a krátkovlnného infračerveného záření o prostorovém rozlišení 30 m a 1 pásmo v oblasti termálního záření o rozlišení 120 m. Na Landsat-4 navázal v roce 1984 Landsat-5, který se následně stal dosud nejdéle fungující družicí pro pozorování Země, neboť data pořizoval až do roku 2012 (tedy 28 let). Další vývojový stupeň představoval Landsat-7 (vypuštěný na oběžnou dráhu 15. dubna 1999) vybavený vylepšenou verzí snímacího radiometru označovanou jako ETM+ (Enhanced Thematic Mapper). Pořizovaná data se skládají z celkem 8 spektrálních pásem: 1 širokého tzv. panchromatického pásma o prostorovém rozlišení 15 metrů, 6 pásem v oblasti viditelného, blízkého a krátkovlnného infračerveného záření o rozlišení 30 metrů a 1 termálního pásma o rozlišení 60 metrů. V roce 2002 však na družici došlo k závadě, díky čemuž je využitelnost později pořízených dat velmi omezená (byť družice sama dosud funguje). Zatím poslední v celé sérii je Landsat-8 vypuštěný na oběžnou dráhu 11. února 2013. Družice je vybavena radiometrem OLI (Operational Land Imager), který oproti předchozímu ETM+ obsahuje navíc další dvě spektrální pásma. Data jsou v tomto případě pořizována v prostorovém rozlišení 15 m (panchromatické pásmo) respektive 30 m. Kromě toho družice nese také radiometr TIRS (Thermal Infrared Sensor) umožňující pořizování dat v oblasti tepelného záření ve dvou spektrálních pásmech při prostorovém rozlišení 100 m. Díky vzájemné návaznosti jednotlivých misí představuje archiv dat pořízených družicemi Landsat naprosto unikátní souvislou časovou řadu snímků zachycujících proměny zemského povrchu za období dnes již téměř 50 let. Díky tomu se data Landsat výborně hodí nejen ke sledování aktuálního stavu krajiny, ale současně i jeho proměn v čase. Naprosto zásadním přelomem umožňujícím plné využití potenciálu ukrývajícího se v tomto rozsáhlém archivu bylo jeho veřejné zpřístupnění zdarma v roce 2008 (až do té doby byla data Landsat poskytována za poplatek ve výši kolem 600 USD za jednu scénu).  

Po vojenských špionážních družicích se na samém sklonku 20. století dostaly na scénu i civilní družice poskytující data s velmi vysokým prostorovým rozlišením. První z nich byl satelit Ikonos vypuštěný na oběžnou dráhu o výšce 681 km 24. září 1999 snímající povrch Země v panchromatickém pásmu o prostorovém rozlišení 1 metr a čtyřech multispektrálních pásmech (R, G, B a NIR) s rozlišením 4 metry. První civilní družicí pořizující data v sub-metrovém prostorovém rozlišení byl QuickBird vypuštěný na oběžnou dráhu 18. října 2001. Data byla pořizována v jednom panchromatickém pásmu o rozlišení 0.61 m a čtyřech multispektrálních pásmech o rozlišení 1.63 m. Multispektrální data velmi vysokého rozlišení se po následujících několik let skládala prakticky výhradně ze tří spektrálních kanálů odpovídajících červené (R), zelené (G) a modré (B) složce viditelného záření doplněných o jedno pásmo v oblasti blízkého infračerveného záření (NIR). Další krok kupředu znamenala v tomto ohledu družice WorldView-2 (start 8. září 2009), která kromě panchromatického pásma s prostorovým rozlišením 0.46 m a čtyř základních multispektrálních pásem o rozlišení 1.84 m snímala zemský povrch v dalších čtyřech multispektrálních kanálech (coastal, yellow, red edge a NIR-2) umožňujících lepší monitoring pobřežních oblastí a stavu vegetace. WorldView-3 vypuštěný na oběžnou dráhu 13. srpna 2014 šel ještě o dál a k osmi stávajících spektrálním pásmům přidal dalších osm pásem v oblasti krátkovlnného infračerveného záření (SWIR). Prostorové rozlišení pořízených snímků pak v činí 0.31 m panchromatickém režimu v 1.24 m v multispektrálním režimu. Evropskou obdobou družic QucikBird a WordView (provozovaných americkou společností DigitalGlobe) jsou pak družice řady Pléiades provozované francouzským národním centrem kosmického výzkumu (Centre National d’Études Spatiales – CNES).

Až do této chvíle jsme sledovali historický vývoj družic pořizujících obrazová data v optické a termální doméně. Pojďme se ale na závěr alespoň v rychlosti podívat do historie družic zachycujících zemský povrch v oblasti mikrovlnného záření pomocí radaru. 27. června 1978 byla na oběžnou dráhu vypuštěna družice SeaSat jejíž mise měla demonstrovat schopnost globálního satelitního monitoringu oceánografických jevů (např. informace o směru větru, mořském vlnění apod.) v radarové doméně. Družice sice fungovala jen do října téhož roku, avšak výsledky, kterých se podařilo dosáhnout, naprosto překonal očekávání, což vedlo k rychlému vývoji dalších „radarových družic“. Z celé řady takových družic jmenujeme alespoň evropské ERS-1 (start 17. června 1991) a ERS-2 (start 21. dubna 1995), na které navázala mise víceúčelového satelitu Envisat (start 1. března 2002) vybaveného zobrazujícím radarem ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) pořizující data v pásmu C s prostorovým rozlišením 30 – 400 m (podle zvoleného snímacího módu) a duální polarizací.  Další technický vývoj vedl k podstatnému zvýšení prostorového rozlišení pořizovaných dat. Jakýsi vrchol v tomto ohledu znamenalo vypuštění družice Terra-SAR-X (15. června 2007), která byla o něco později (21. června 2010) doplněna o druhou identickou družici označovanou jako Tan-DEM-X. Oba satelity pořizují radarový data (v pásmu X) s velmi vysokým prostorovým rozlišení, z nichž je možné (mimo mnoha dalších využití) zkonstruovat velmi podrobný digitální model povrchu s velikostí buňky 12 x 12 metrů a výškovou přesností 2 – 4 metry.

Zatím posledním přelomovým mezníkem v rozvoji dálkového průzkumu Země bylo spuštění evropského programu pro pozorování Země Copernicus, v rámci něho bylo do současnosti operativně zahájeno pět družicových misí (Sentinel-1, Sentinel-2, Sentinel-3, Sentinel-5P a Sentinel-6), které bezprostředně navazují dřívější družicové mise. Mise Sentinel-1 (od roku 2014) je zaměřena na pořizování radarových dat vysokého rozlišení a je ji možné vnímat jako pokračování aktivit realizovaných za pomoci již zmíněného satelitu Envisat (ASAR). Mise Sentinel-2 (od roku 2015) poskytuje multispektrální data vysokého rozlišení v oblasti optické domény (VIS, NIR a SWIR) a je jakýmsi doplňkem k americkému programu Landsat ve srovnání s nímž však přináší vyšší prostorové rozlišení a rovněž i vyšší frekvenci pořizování dat. Také v případě mise Sentinel-3 (od roku 2016) je možné vidět zcela zřejmé pokračování mise Envisat a jeho multispektrálního přístroje MERIS. Data pořizovaná v doméně tepelného záření se pak podobají datům pořizovaným již od roku 1999 americkým přístrojem MODIS (umístěným na dvojici družic Terra a Aqua). Mise Sentinel-5P (od roku 2017) je pak zaměřena primárně na sledování obsahu různých znečišťujících látek v zemské atmosféře, čímž bezprostředně navazuje na výsledky získané pomocí přístroje SCIAMACHY, který byl provozován v letech 2002 – 2012 v rámci mise již několikrát zmíněné družice Envisat. Zatím poslední misí v rámci programu Copernicus je Sentinel-6 zaměřený na velmi přesné mapování výšky hladiny moří, čímž navazuje na sérii družic JASON (operujících na oběžné dráze od roku 2001). Hlavní význam programu Copernicus však netkví jen v technologickém rozvoji či v množství vypuštěných družic a rozmanitosti jejich úkolů, avšak hlavním průlom je možné vidět především v plně otevřené datové politice, které zajišťuje, že veškeré data pořízená v rámci tohoto programu budou dostupná veřejně a zdarma. Pro svůj obrovský přínos, který v dosavadním historickém vývoji dálkového průzkumu nemá obdoby, je programu Copernicus v rámci tohoto webu věnována samostatná stránka.