Υψηλής Ανάλυσης οπτικοί δορυφόροι τηλεπισκόπησης της Κίνας και οι χαρτογραφικές εφαρμογές τους
Από RemoteSensing Wiki
Υψηλής Ανάλυσης οπτικοί δορυφόροι τηλεπισκόπησης της Κίνας και οι χαρτογραφικές εφαρμογές τους
China’s high-resolution optical remote sensing satellites and their mapping applications
Li, Deren, Mi Wang and Jie Jiang. Geo-spatial Information Science 24 (2021): 85 - 94.
Πηγή: [1]
1. Εισαγωγή – Ιστορία και εξέλιξη της δορυφορικής τηλεπισκόπησης
1.1. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση σε παγκόσμιο επίπεδο
Η πρώην Σοβιετική Ένωση ήταν εκείνη που άνοιξε τον δρόμο για τη διαστημική παρατήρηση της γης, παρουσιάζοντας τον πρώτο τεχνητό δορυφόρο το 1957. Ακολούθησαν οι Ηνωμένες Πολιτείες το 1972 με την εκτόξευση του πρώτου τους δορυφόρου παρατήρησης εδάφους, τον Landsat-1. Έπειτα από 14 χρόνια, το 1986, η Γαλλία παρουσίασε τον δορυφόρο SPOT-1, ενώ από το 1994 με την οδηγία PDD-23 των ΗΠΑ επιτρέπεται η εξαγωγή τηλεπισκοπικών δεδομένων υψηλής ανάλυσης, με την οποία προωθείται και η ανάπτυξη των αντίστοιχων δορυφόρων. Το 1999 παρουσιάζεται στις ΗΠΑ ο πρώτος υψηλής ανάλυσης εμπορικός δορυφόρος με χωρική ανάλυση 1m με σημαντικά στρατιωτικά και οικονομικά οφέλη από τη χρήση του.
1.2. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση στην Κίνα
Όπως αρκετές χώρες, έτσι και η Κίνα από τις αρχές του 21ου αιώνα παρουσιαζεί σημαντική πρόοδο στην εξέλιξη της δορυφορικής τηλεπισκόπησης. Αναπτύσσει συνεχώς καινοτομίες στην πρόοδο των τηλεπισκοπικών απεικονίσεων υψηλής ανάλυσης και αξιοποιεί την ανάπτυξη των τηλεπισκοπικών δορυφορών υψηλής ανάλυσης, για τον εμπλουτισμό των σύγχρονων χαρτογραφικών μεθόδων και τεχνολογιών. Ένα Υψηλής Ανάλυσης Σύστημα Παρατήρησης της Γης (HREOS), αποτελεί σημαντικό επιστημονικό και τεχνολογικό έργο για την Κίνα. Το GaoFenproject όπως ονομάστηκε, παρουσιάστηκε το 2010 με σκοπό τη δημιουργία ενός ανεξάρτητου και αναβαθμισμένου HREOS. Το 2020 αποτελεί τον τελευταίο χρόνο του GaoFenproject, ενώ μέσα σε αυτή τη δεκαετία η Κίνα έχει αναπτύξει, παρουσιάσει και λειτουργήσει πολλαπλούς υψηλής ανάλυσης δορυφόρους. Έχει καταφέρει να μικρύνει το τεχνολογικό κενό με άλλες χώρες, φτάνοντας ακόμα και το επίπεδο ηγετικών δορυφόρων που παρουσιάστηκαν από αυτές. Έτσι, το HREOSτης Κίνας με τους δορυφόρους του GaoFenProject αλλά και άλλους εγχώριους δορυφόρους, σχεδιάστηκε για να βελτιωθεί το ποσοστό επάρκειας των ανεξάρτητων υψηλής ανάλυσης τηλεπισκοπικών δεδομένων, καθώς επίσης την επικαιρότητα απόκτησης δεδομένων.
2. Εξέλιξη τηλεπισκοπικών δορυφόρων υψηλής ανάλυσης στην Κίνα
Η Κίνα ξεκίνησε την ανάπτυξη υψηλής ανάλυσης τηλεπισκοπικών δορυφόρων από το 2007 με τον CBERS-02Bμε κάμερα υψηλής ανάλυσης 2.36m, ο οποίος αντικαταστάθηκε το 2011 από τον δορυφόρο ZY-1 02C με αντίστοιχες ικανότητες. Το 2012 εκτοξεύτηκε ο δορυφόρος ZY-3 με TLC (Three-LineArrayCamera) που πετυχαίνει τριών όψεων στερεοαπεικόνιση με ανάλυση 2.1m στο ναδίρ και 3.5m στις εμπρός και πίσω όψεις. Οι στερεοεικόνες απ’ τον ZY-3 χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τοπογραφικών χαρτών κλίμακας 1:50.000. Αντικαταστάθηκε το 2016 από τον πιο εξελιγμένο ZY-3 02 με βελτιωμένη χωρική ανάλυση εμπρός και πίσω όψεων στα 2.5m. Το 2013 ο GF-1 ήταν ο πρώτος δορυφόρος του GaoFenProject και έφερε υψηλή ανάλυση 2m και πλάτος λήψης 800km. Το 2014 εκτοξέυτηκε ο GF-2 με χωρική ανάλυση καλύτερη του 1m. Τα επόμενα χρόνια εκτοξεύτηκαν επιτυχώς ο γεωστατικός δορυφόρος GF-4 με υψηλή ανάλυση και μέγιστο ρυθμό δεδομένων τριών εικονολήψεων το λεπτό, ο υπερφασματικός GF-5 με ενσωματωμένη δυνατότητα παρατήρησης γης και ατμόσφαιρας, ο GF-6 για παρατήρηση καλλιεργειών ακριβείας και ο GF-7 για στερεογραφική χαρτογράφηση με ανάλυση κάτω του ενός μέτρου. Το 2018 δημιουργήθηκε ο πρώτος σχηματισμός δορυφόρων υψηλής ανάλυσης της Κίνας, από τους δορυφόρους GF-1 02/03/04, οι οποίοι επιτυγχάνουν ικανότητα απεικόνισης 15 ημερών παγκόσμιας κάλυψης και 2 ημερών επανακάλυψη ανά σημείο. Σε συνεργασία με τον GF-1 του 2013, αυτά τα νούμερα γίνονται 11 και 1 ημέρα αντίστοιχα.
3. Εξέλιξη εμπορικών τηλεπισκοπικών δορυφόρων υψηλής ανάλυσης στην Κίνα
Το 2015 εκτοξεύτηκε ένας σχηματισμός τριών δορυφόρων με χωρική ανάλυση 1m παγχρωματικής και 4m πολυφασματικής απεικόνισης, ο οποίος επιτυγχάνει 1 ημέρα επανακάλυψη περιοχής. Επιπλέον, εκτοξέυτηκαν τέσσερεις από τους δορυφόρους της σειράς Jilin-1, τον πρώτο πραγματικά ανεξάρτητο εμπορικό δορυφόρο τηλεπισκόπησης της Κίνας. Οι τέσσερεις δορυφόροι είναι ο GXA με 0.72m παγχρωματική και 2.88m πολυφασματική ικανότητα απεικόνισης, δύο δορυφόροι βιντεοσκόπησης SP01 και SP02 με χωρική ανάλυση 1.12m και ο έξυπνος επαληθευτικός δορυφόρος LQ με ανάλυση 5m. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται έξι δορυφόροι βίντεο, δύο πολυφασματικοί δορυφόροι 26 καναλιών, τρεις παγχρωματικοί και πολυφασματικοί οπτικοί δορυφόροι και ένας ευρέος πλάτους λωρίδας δορυφόρος. Ένας σχηματισμός 16 δορυφόρων είναι σε τροχιά και λειτουργεί σε ένα δίκτυο το οποίο περνάει κάθε σημείο στον κόσμο 5-7 φορές την ημέρα. Με έναν πύραυλο το 2016 εκτοξεύθηκαν οι δορυφόροι SuperView-1 01 και 02, ενώ οι 03 και 04 το 2018. Και οι τέσσερις δορυφόροι της σειράς με κοινές παραμέτρους σχεδίασης, λειτουργούν στο ίδιο τροχιακό δίκτυο με ανάλυση 0.5m και μπορούν να πραγματοποιούν λήψη από οποιονδήποτε στόχο κάθε μέρα. Από το 2017, εκτοξέυτηκε και ο σχηματισμός Zhuhai-1 για τον οποίο σχεδιάζεται η εκτόξευση 34 δορυφόρων.
4. Εξέλιξη χαρτογράφησης από υψηλής ανάλυσης οπτικούς δορυφόρους και εφαρμογές
Η χαρτογράφηση από υψηλής ανάλυσης δορυφόρους αποτελεί ένα επιτυχημένο μέσο για την απόκτηση της απαραίτητης γεωγραφικής πληροφορίας, όπου αξιοποιώντας τις αρχές της φωτογραμμετρίας, ένας υψηλής ανάλυσης δορυφόρος ολοκληρώνει την καταγραφή των υψομέτρων αξιοποιώντας στερεοζεύγη εικόνων ίδιας ή διαφορετικής τροχιάς με διαφορετικές οπτικές γωνίες της ίδιας περιοχής.
4.1. Δορυφόρος ZY-3
Ο δορυφόρος ZY-3 είναι πρώτης γενιάς υψηλής ανάλυσης πολιτικός δορυφόρος στερεοχαρτογραφίας. Για τη λειτουργία στερεοεικόνων του TLC, ο αισθητήρας τους ναδίρ είναι κάθετος στο σημείο με χωρική ανάλυση 2.5m, ο εμπρός αισθητήρας έχει κλίση +22ο και ο οπίσθιος αισθητήρας έχει κλίση κατά -22ο με χωρική ανάλυση και για τους δύο στα 3.5m. Κατά μήκος της κατεύθυνσης της πτήσης παράγονται συνεχώς τρεις επικαλυπτόμενες εικόνες λωρίδας πλάτους 52km. Οι συντεταγμένες των αντικειμένων των εικόνων υπολογίζονται μέσα από τις αυστηρές χωρικές σχέσεις μεταξύ αντικειμένου και εικόνας, επιτρέποντας έτσι το σχεδιασμό ενός τοπογραφικού χάρτη. Με χρήση των εικόνων ναδίρ παράγονται ορθοφωτογραφίες υψηλής ανάλυσης και με τα στερεοζεύγη τέτοιων εικόνων υπολογίζεται το υψόμετρο. Ο ZY-3 εξοπλίζεται επίσης με έναν πολυφασματικό αισθητήρα ανάλυσης 6.8m που περιλαμβάνει μπλε, πράσινο, κόκκινο και εγγύς υπέρυθρο φασματικό κανάλι. Η ακρίβεια της ερμηνείας των αντικειμένων στο έδαφος βελτιώνεται με την ένωση των πολυφασματικών με τις παγχρωματικές υψηλής ανάλυσης εικόνες. Από το 2012 και την εκτόξευσή του, ο ZY-3 έχει χρησιμοποιηθεί σε πολλές χαρτογραφικές εφαρμογές, όπως την δυναμική αναβάθμιση της βασικής εθνικής γεωχωρικής βάσης δεδομένων κλίμακας 1:50.000, την πρώτη εθνική γεωγραφική καταγραφή και την παραγωγή μοντέλου εδάφους 1:25000 στις δυτικές περιοχές. Η ακρίβεια του δορυφόρου ZY-3 ελέγχθηκε με τη χρήση 1090 σημείων ελέγχου που μετρήθηκαν στο πεδίο με μεθόδους υψηλής ακρίβειας, ενώ όσον αφορά τα υψόμετρα η ακρίβεια υπολογισμού τους εμφανίζει περιθώριο βελτίωσης της τάξης των 3m με χρήση LAD (LaserAltimeterData). Το Πανεπιστημίο της Γουχάν και άλλα ερευνητικά κέντρα έχουν μελετήσει τεχνολογίες χαρτογράφησης μεγάλης κλίμακας υψηλής ακρίβειας και λογισμικά που δεν απαιτούν τη χρήση σημείων ελέγχου, παρουσιάζοντας εφαρμογές που χρησιμοποιούν χιλιάδες εικόνες TCL από τον δορυφόρο ZY-3. Αντίστοιχα, στο Πανεπιστήμιο του Πεκίνου διεξήχθη έρευνα παγκόσμιας συνεργασίας στη χαρτογράφηση ψηλών βουνών, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Ανόβερο, την Ευρωπαϊκή Ακαδημία Επιστημών και Τεχνών στο Σάλτζμπουργκ και το Ινστιτούτο Έρευνας Περιβαλλοντικών Συστημάτων. Βασιζόμενη στην τεχνολογία που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο της Γουχάν, η Κίνα έχει ολοκληρώσει την χαρτογράφηση των ψηλών βουνών της περιοχής NangaParbat στο δυτικότερο τμήμα των Ιμαλαΐων, κάνοντας χρήση εικόνων του δορυφόρου ZY-3. Δορυφόρος GF-7 Ο δορυφόρος GF-7 είναι δεύτερης γενιάς υψηλής ανάλυσης πολιτικός δορυφόρος στερεοχαρτογραφίας, με κύριο στόχο χαρτογράφηση κλίμακας 1:10.000 στην Κίνα. Εξοπλίζεται με DLC ανάλυσης κάτω του ενός μέτρου, καθώς ο εμπρόσθιος αισθητήρας έχει κλίση +26ο για τη λήψη παγχρωματικών εικόνων ανάλυσης 0,8m και ο οπίσθιος αισθητήρας με κλίση -5ο πραγματοποιεί λήψεις παγχρωματικών εικόνων με ανάλυση 0,65m και πολυφασματικών εικόνων με ανάλυση 2,6m. Επιπλέον, λόγω μειωμένου αριθμού σημείων ελέγχου σε πολλές περιοχές και την ανάγκη κλίμακας 1:10.000, ο GF-7 εξοπλίζεται με διπλής δέσμης laser υψομέτρου που μπορεί να υπολογίζει το υψόμετρο με ακρίβεια καλύτερη του 1m. Με αυτόν τον τρόπο φαίνεται ότι οι επιδόσεις του GF-7 μπορεί να ικανοποιήσουν την χαρτογράφησης κλίμακας 1:10.000.
4.2. Χρήση ελιγμών δορυφόρων για υπό γωνία λήψεις
Αντίθετα από δορυφόρους όπως οι ZY-3 και GF-7, οι υψηλής ανάλυσης δορυφόροι με μία κάμερα εξοπλίζονται με SLC ή SAC και χρησιμοποιούν κυρίως διαφορετικούς ελιγμούς προκειμένου να επιτύχουν παρατήρηση πολλαπλής προβολής του ίδιου αντικειμένου ή περιοχής με προσαρμογή της θέσης τους. Τέτοιοι δορυφόροι απαιτούν υψηλής ακρίβειας έλεγχο της θέσης τους και υπολογισμού της τροχιάς τους. Επιπλέον, παρότι έχουν ικανότητα ανάλυσης λιγότερο του 1m, παρουσιάζουν αδυναμίες στον έλεγχο της γεωμετρίας των εικόνων σε σχέση με τις στατικές μεθόδους χαρτογράφησης TLC και DLC, απαιτώντας σημαντικό έλεγχο εδάφους για χαρτογραφήσεις μεγάλης κλίμακας. Επιπλέον, το πλάτος των εικόνων SLC και SAC περιορίζεται λόγω της ανάλυσης κάτω του ενός μέτρου, όπως το πλάτος του SuperView-1 με χωρική ανάλυση 0.5m που είναι 12km.
5. Συμπεράσματα
Η ανάπτυξη των δορυφόρων υψηλής ανάλυσης της Κίνας παρουσιάζει σημαντική πρόοδο με την απόδοση των απλών μονών δορύφορων να αυξάνεται, τα δίκτυα πολλαπλών δορύφορων να αναδεικνύονται ως τάση και η εμπορευματοποίηση δορυφόρων να αναπτύσσεται σταθερά και το σύστημα δορυφορικής τηλεπισκόπησης να γίνεται όλο και πιο άφθονο και πλήρες. Παρ’ όλα αυτά, ο στόχος της παγκόσμιας κάλυψης και χαρτογραφικής ενημέρωσης παραμένει δύσκολος, καθώς ένα σύστημα χαρτογράφησης χωρίς την ανάγκη επίγειου ελέγχου χρειάζεται περαιτέρω ανάπτυξη και νέες τεχνολογίες όπως δορυφόρους radar και laser υψομέτρων. Απαιτείται δηλαδή μια περαιτέρω βελτίωση του συστήματος δορυφορικής τηλεπισκοπικής παρατήρησης υψηλής ανάλυσης, προκειμένου να εξυπηρετεί με βέλτιστο τρόπο τις εφαρμογές χαρτογράφησης.
