Αλγόριθμοι και αντίστοιχα προϊόντα από δορυφορικές εικόνες του MODIS για περιβαλλοντικές εφαρμογές και διαχείριση Ελεάνα Τουλουπάκη ΔΙΑΤΡΙΒΗ Που υποβλήθηκε στο Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών Περιβαλλοντική Πολιτική και Διαχείριση του Τμήματος Περιβάλλοντος ως μέρος των απαιτήσεων για την απόκτηση Διπλώματος Ειδίκευσης στην Περιβαλλοντική Πολιτική και Διαχείριση Μυτιλήνη Δεκέμβριος 2010 ii ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το γρήγορα μεταβαλλόμενο περιβάλλον, λόγω των φυσικών διεργασιών και ιδίως της έντονης ανθρώπινης δραστηριότητα που συντελείται σε αυτό, επιβάλλει τη συνεχή παρακολούθησή του. Στα πλαίσια του παγκόσμιου συστήματος παρακολούθησης της Γης, EOS, ο δέκτης MODIS καταγράφει τις γεωφυσικές παραμέτρους που ενδιαφέρουν την επιστημονική κοινότητα. Κινούμενος σε δύο δορυφόρους, τον Terra και τον Aqua, η παρακολούθηση της ατμόσφαιρας, της ξηράς και του ωκεανού είναι συστηματική, αποτελώντας ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο στην περιβαλλοντική Πολιτική και Διαχείριση. Σκοπός της εργασίας είναι η παρουσίαση των αλγόριθμων και των αντίστοιχων προϊόντων του MODIS, ώστε να αναδειχθεί η χρησιμότητα του ως εργαλείο διαχείρισης και λήψης αποφάσεων. ABSTRACT The rapidly changing environment, because of the physical processes and mostly because of the human activity that takes place in it, requires continual observation. In the line of the Earth observation system, EOS, MODIS instrument measures the geophysical parameters that scientists are concerned about. Flying on two satellites, Terra and Aqua, atmosphere, land and ocean observation is systematic, so MODIS constitutes a useful tool in Environmental Policy and Management. The thesis aim is the presentation of the MODIS algorithms and corresponding products, so that its usefulness as a management and decision-making tool is distinguished. iii ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ__________________________________________________σελ. 1 2. Ο ΔΕΚΤΗΣ MODIS___________________________________________σελ. 4 2.1. ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥ MODIS______________________________________σελ. 4 2.2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΔΕΚΤΗ MODIS_____________________σελ. 6 2.3. ΤΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΤΟΥ MODIS________________________________σελ. 9 2.3.1. Διάθεση των προϊόντων του MODIS_________________________σελ. 12 2.3.2. Αλγόριθμοι για τον MODIS________________________________σελ. 11 2.3.2.1. Προϊόντα Level 1 & Αλγόριθμοι_________________________σελ. 13 2.3.2.2. Προϊόντα Ατμόσφαιρας & Αλγόριθμοι____________________σελ. 14 2.3.2.3. Προϊόντα Ξηράς & Αλγόριθμοι__________________________σελ. 25 2.3.2.4. Ωκεανοί & Αλγόριθμοι_________________________________σελ. 43 3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ________________________________σελ. 55 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ_________________________________________________σελ. 57 iv 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στον 21ο αιώνα, οι περισσότεροι άνθρωποι έχουν συνειδητοποιήσει την ύπαρξη των περιβαλλοντικών προβλημάτων, καθώς αυτά επηρεάζουν την ποιότητα της ζωής τους σε καθημερινή βάση (το νερό που πίνουν, ο αέρας που αναπνέουν κλπ). Παράλληλα, η πλειονότητα του παγκόσμιου πληθυσμού ζει κάτω από το όριο της φτώχειας και είναι εκτεθειμένη σε θανατηφόρες αρρώστιες και φυσικές καταστροφές, προσπαθώντας σκληρά για τα δεδομένα για το δυτικό κόσμο αγαθά, όπως τροφή και καθαρό νερό. Προκειμένου να βελτιωθούν οι συνθήκες διαβίωσης, συχνά γίνεται κακή διαχείριση των φυσικών πόρων. Επιπλέον, η αύξηση του πληθυσμού και κατ’ επέκταση οι αυξανόμενες απαιτήσεις του, εντείνουν την ανάγκη για την αξιοποίηση των φυσικών πόρων. Η ένταση αυτή όμως, δημιουργεί πιέσεις στα οικοσυστήματα με αποτέλεσμα, εκτός της εκμετάλλευσης των φυσικών πόρων, την εξαφάνιση ή απειλή άλλων ειδών. Σε αυτό το κρίσιμο σημείο έγινε αντιληπτή η αιώνια πραγματικότητα, ότι δηλαδή ο άνθρωπος αποτελεί μέρος της βιόσφαιρας και είναι αλληλοεξαρτώμενος των υπόλοιπων ειδών. Η βιόσφαιρα όμως, εξελίσσεται στα πλαίσια του παγκόσμιου δυναμικού συστήματος, δηλαδή αλληλεπιδρά με την ατμόσφαιρα, τη λιθόσφαιρα και την υδρόσφαιρα. Στα μέσα της δεκαετίας του 1970 πλήθος επιστημόνων άρχισαν να συνειδητοποιούν την ολοένα και μεγαλύτερη ανάγκη να μελετηθεί η Γη ως ένα δυναμικό σύστημα φυσικών, χημικών και βιολογικών διαδικασιών, που επιτελούνται σε ένα ευρύ φάσμα χρονικών και χωρικών διαβαθμίσεων (Vincent V. Salomonson et al., 2006). Επίσης, πρέπει να ληφθεί υπόψιν, ότι στον αέναο κύκλο των αυτών των διαδικασιών εμπεριέχεται από το 1850 και έπειτα η ανθρώπινη συνιστώσα, καθώς τότε ξεκινάει η ανθρωπογενής περίοδος (Ανθρωπόκαινο) με τη βιομηχανική επανάσταση και τη σταδιακή αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και του μεθανίου (CH4) και των επιπτώσεων τους. Εικόνα 1. Το διάγραμμα του συστήματος της Γης. Τα βέλη αντιπροσωπεύουν τις ροές ενέργειας και μάζας που συνδέουν τις τέσσερις σφαίρες. Στην κορυφή η ηλιακή ενέργεια, η οποία κατευθύνει πολλές από τις περιβαλλοντικές διαδικασίες που εξελίσσονται. (Πηγή: http://www.uwsp.edu/geo/faculty/ritter/geog101/textb ook/earth_system/natural_systems.html) 1 Η συστηματική παγκόσμια μέτρηση πληθώρας γεωφυσικών παραμέτρων έγινε δυνατή με την αξιοσημείωτη πρόοδο της τεχνολογίας περίπου στα μέσα των 1970’s και τη χρήση δορυφόρων στους οποίους προσαρτήθηκαν δέκτες για την καταγραφή αυτών των παραμέτρων (Vincent V. Salomonson et al., 2006). Αυτή η επιστήμη είναι η Τηλεπισκόπηση, δηλαδή η επιστήμη της παρατήρησης από απόσταση και συχνά τα δορυφορικά δεδομένα συνδυάζονται με δεδομένα πεδίου αντίστοιχου χρόνου και τόπου (in situ sensing), για περισσότερη ακρίβεια. Εικόνα 2. Οι εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα έχουν αυξηθεί δραματικά από την απαρχή της βιομηχανικής επανάστασης το 1850. Οι εκπομπές έχουν ανέλθει από 200 εκατομμύρια τόνους σε 29 δισεκατομμύρια τόνους ετησίως. (Πηγή: http://www.pewclimate.org/facts-and-figures/international/historical) Η σειρά δορυφόρων Landsat, που ξεκίνησε το 1972, και άλλοι δέκτες συμπεριλαμβανομένων των High Resolution Infrared Radiation Sounder (HIRS-2) και Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) προσαρτήθηκαν στο δορυφόρο TIROS-N τον Οκτώβριο του 1978. Ακολούθησαν λίγες μέρες μετά οι δέκτες Total Ozone Monitoring Spectrometer (TOMS) και Coastal Zone Color Scanner (CZCS), που προσαρτήθηκαν στο δορυφόρο Nimbus-7, οι οποίοι αποδείχθηκαν ορόσημα στη συστηματική παρακολούθηση της Γης. Η αποστολή αυτών των δεκτών στηριζόταν στην από κοινού πραγματοποίηση των εξής στόχων: 1. Μέτρηση των γεωφυσικών παραμέτρων από την ξηρά, την ατμόσφαιρα και τον ωκεανό χρησιμοποιώντας φασματικά κανάλια, 2. Μέτρηση αυτών των παραμέτρων σε παγκόσμια κλίμακα και 3. Συνέχιση των μετρήσεων για αρκετά χρόνια. 2 Οι δέκτες αυτοί σχεδιάστηκαν έτσι ώστε, να καταγράφουν πληροφορίες για τις πιο κύριες παραμέτρους, όπως επιφανειακή θερμοκρασία θάλασσας (AVHRR), ατμοσφαιρικά προφίλ ατμόσφαιρας (HIRS) και συγκέντρωση χλωροφύλλης α (CZCS). Παράλληλα εκείνη την εποχή ενισχύθηκε η επεξεργαστική δύναμη των υπολογιστών με τη βοήθεια της τεχνολογίας, γεγονός που επέτρεψε την επέκταση των παραμετρικών μοντέλων από τοπική σε παγκόσμια κλίμακα. Αυτή ήταν η κατάλληλη στιγμή για τη μελέτη της Γης ως σύστημα, σχέδιο που ονομάστηκε Earth Observing System (EOS). (Vincent V. Salomonson et al., 2006) Από το 1983 η NASA (National Aeronautics and Space Administration) έχει αναλάβει το πρόγραμμα της μακροπρόθεσμης παρατήρησης, έρευνας και ανάλυσης της ξηράς, της ατμόσφαιρας και του ωκεανού, καθώς και των αλληλεπιδράσεών τους από το σύστημα EOS (C.O. Justice et al., 2002). Ο δέκτης Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) είναι ένας από αυτούς που αναπτύχθηκαν για να συμπληρώσουν το σύστημα EOS και αποτελεί πλέον ένα σημαντικό εργαλείο στα χέρια του κάθε χρήστη στα πλαίσια της μελέτης του περιβάλλοντος και της διαχείρισής του. Λαμβάνοντας υπόψιν τέτοια δραστηριότητα και τη σημαντικότητα για την οποία συμβαίνει, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η διδασκαλία της τηλεπισκόπησης έχει ενταχθεί στην τριτοβάθμια εκπαίδευση. Η εκμάθησή της στα πανεπιστήμια εξαπλώνεται σταδιακά από το 1992, ωστόσο σύμφωνα με έρευνα των Pam Lawhead, Dan Civco και James Campbell σε συγκεκριμένα πανεπιστήμια των ΗΠΑ, αποδείχθηκε ότι το ποσοστό των φοιτητών που ασχολούνται με την τηλεπισκόπηση και γενικά με τη γεωπληροφορική, είναι περίπου το 1% του συνόλου των φοιτητών (Pam Lawhead, et al., 2002). Αυτό το μικρό ποσοστό μπορεί να οφείλεται στην ανεπαρκή χρηματοδότηση και παροχή πόρων, που οδηγούν στην περιορισμένη ή ανύπαρκτη δυνατότητα εκπαίδευσης της τηλεπισκόπησης στην τριτοβάθμια εκπαίδευση και κατ’ επέκταση την έλλειψη ενδιαφέροντος από πλευράς των φοιτητών εφόσον δεν υπάρχει το κίνητρο. Λόγω της σπουδαιότητας της μελέτης και της παρακολούθησης του περιβάλλοντος, σε αυτή την εργασία προσεγγίζεται η δυνατότητα που παρέχει η επιστήμη της τηλεπισκόπησης και ειδικότερα η συμβολή του δέκτη MODIS στην προσπάθεια αυτή. Πιο συγκεκριμένα, σκοπός της εργασίας είναι να επιτραπεί στον αναγνώστη η κατανόηση και η εκτίμηση της δύναμης του MODIS, που έχει συμβάλει στη σταδιακή, αλλά αξιοσημείωτη βελτίωση των διαδικασιών που σχετίζονται με τις παρατηρήσεις των τάσεων της ξηράς, του ωκεανού και της ατμόσφαιρας, μέσα από την παρουσίαση των αλγορίθμων και των αντίστοιχων προϊόντων για περιβαλλοντικές εφαρμογές και διαχείριση. 3 2. Ο ΔΕΚΤΗΣ MODIS 2.1 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥ MODIS Την άνοιξη του 1984, η NASA διαμόρφωσε επιτροπές οργάνων, ώστε να αναπτυχθούν και να υλοποιηθούν οι επιστημονικές απαιτήσεις και έννοιες για τον κάθε δέκτη που θα συμπλήρωνε το σύστημα EOS. Ένας από τους δέκτες υπό εξέταση ήταν ο Moderate Resolution Imaging Spectrometer (MODIS), ο οποίος θα περιελάμβανε πολλές ιδιότητες από τους δέκτες CZCS, AVHRR και HIRS, καθώς επίσης, και σχετικά χαρακτηριστικά από τον Landsat Thematic Mapper (TM). Η επιτροπή για τον MODIS, αποτελείτο αρχικά από μία ομάδα δεκαεννέα επιστημόνων και τεχνικών τηλεπισκόπησης από κρατικά εργαστήρια και πανεπιστήμια, η οποία κατόπιν και εξέτασε τα τότε δεδομένα για την επιστήμη της τηλεπισκόπησης. Έτσι, αναπτύχθηκε ένα πλάνο όσον αφορά τον MODIS, που αφορούσε δύο δέκτες, MODIS-N (nadir) και MODIS-T (tilt). Ο MODIS-N ήταν ένα συμβατικό ραδιόμετρο φίλτρων απεικόνισης με 35 φασματικά κανάλια και ο MODIS-T ήταν ένα φασματόμετρο απεικόνισης 64 καναλιών, με την ικανότητα να παίρνει κλίση, ώστε να αποφεύγει τη λάμψη του ηλίου προερχόμενης από την επιφάνεια του ωκεανού (Magner and Salomonson, 1991). Η διαχείριση και η ανάπτυξη του συστήματος του MODIS ανατέθηκε στο επιστημονικό κέντρο Goddard Space Flight Center της NASA, όπου και αποφασίστηκε η κατασκευή του MODIS-T από τους ιδίους και η κατασκευή του MODIS-N από έναν επιλεγμένο ανάδοχο έργου. Λίγο αργότερα από τη λήψη αυτής της απόφασης, όμως, επαναπροσδιορίστηκε η ιδέα του προγράμματος EOS σε νέες βάσεις, σύμφωνα με τις οποίες η ανάπτυξη του MODIS-T δεν ήταν πλέον αναγκαία, οπότε αποφασίστηκε να τερματιστεί και να διατηρηθεί η ιδέα της ανάπτυξης του MODIS-N (Salomonson et al., 1989; Barnes and Salomonson, 1992; Barnes et al., 1998 αναφορά σε Vincent V. Salomonson et al. 2005). Επιπλέον, για να αντισταθμιστεί μερικώς η απώλεια του MODIS-T, ο οποίος πρωτίστως επικεντρωνόταν στην παρακολούθηση και παρατήρηση του ωκεάνιου χρώματος, και για να έχει καλύτερη ικανότητα παρακολούθησης της χρονικής μεταβλητότητας των νεφών και των όρων κάλυψης του εδάφους, αποφασίστηκε ότι ο MODIS θα ήταν σε μεσο-πρωινή τροχιά καθόδου και μεσο-απογευματινή τροχιά ανόδου, έτσι ώστε να αποφευχθεί η κατοπτρική ανάκλαση (sunglint)1 και να διευκολυνθεί η παγκόσμια κάλυψη χωρίς την κλίση του αισθητήρα (Salomonson et al., 2005). Ως βασικό όργανο του προγράμματος της NASA, EOS, ο MODIS εκτοξεύθηκε για να εφαρμοστεί στο δορυφόρο Terra στις 18 Δεκεμβρίου 1999, ώστε να επιτευχθεί παγκόσμια παρακολούθηση της ατμόσφαιρας, των εδαφικών οικοσυστημάτων και των ωκεανών. 1 Sunglint: Είναι η κατοπτρική ανάκλαση του ηλιακού φωτός στην επιφάνεια του ωκεανού, ώστε η ανακλώμενη ακτίνα να εισέρχεται στο δέκτη με υπερβολική λαμπρότητα, για το λόγο αυτό είναι χρήσιμες οι ζενιθίες γωνίες και τα αζιμούθια του ήλιου και του δέκτη για να εντοπίζεται η περιοχή με κατοπτρική ανάκλαση 4 Εικόνα 3. Ο δέκτης MODIS προσαρτημένος στο δορυφόρο Terra (Πηγή: http://aqua.nasa.gov/about/instrument_modis.php) Έχοντας τα δεδομένα του MODIS (Level 1B) η επιστημονική ομάδα έκανε σημαντική πρόοδο όσον αφορά την απόδοση του δέκτη, ώστε να παραχθεί και να οριστεί η ποιότητα μιας υψηλότερης σειράς γεωφυσικών προϊόντων (Levels 2, 3, και 4) (C.O. Justice et al., 2002). Ως συνέπεια αυτής της προσπάθειας, στις 4 Μαΐου 2002, ένα παρόμοιο όργανο εκτοξεύθηκε για να εφαρμοστεί σε άλλο δορυφόρο του EOS, τον AQUA, με τον ίδιο σκοπό. Πλέον, ο MODIS κινείται πάνω σε δύο δορυφόρους σε τροχιές που συμπληρώνουν ο ένας τον άλλο, ώστε να παρέχονται παρατηρήσεις αργά το πρωί και νωρίς το απόγευμα που θα βοηθήσουν τους επιστήμονες να μελετούν την ημερήσια παραλλαγή των γρήγορα ποικίλων συστημάτων και να παρέχεται μια μακροπρόθεσμη βάση δεδομένων με τις ίδιες γεωφυσικές παραμέτρους για τη μελέτη της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής (Salomonson et al., 2001 αναφορά σε A. Savtchenko et. Al, 2004). 5 2.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΔΕΚΤΗ MODIS Ο δέκτης MODIS διαγράφοντας μια τροχιά και για τους δύο δορυφόρους, Terra και Aqua, σαρώνει συνολικά περιοχή πλάτους 2330 km, παρέχοντας σχεδόν ολοκληρωμένη παγκόσμια κάλυψη σε μία ημέρα, έχοντας έτσι καλή επαναληπτικότητα ‘βλέποντας’ κάθε σημείο του πλανήτη κάθε μία με δύο ημέρες. Η καταγραφή των δεδομένων επιτυγχάνεται σε 36 υψηλής ανάλυσης φασματικά κανάλια μεταξύ 0.415 και 14.235μm με χωρική ανάλυση 250m στα κανάλια 1 και 2, 500m στα κανάλια 3 έως 7 και 1000m στα κανάλια 8 έως 36 (βλέπε Πίνακα 1α). Σύμφωνα με τον Barnes, η ακτινοβολία που μετρείται από τον MODIS σε υψηλή φασματική ανάλυση παρέχει βελτιωμένες και πολύτιμες πληροφορίες για τη φυσική δομή της ατμόσφαιρας και της επιφάνειας της γης (Barnes et al., 1998). Πίνακας 1. Σχεδιαστικές παράμετροι του MODIS (Πηγή: Vincent V. Salomonson et al., 2005) Αν και υπάρχουν αρκετές τεχνολογικές πρόοδοι που ενσωματώνονται και απαντώνται στο σχεδιασμό του MODIS, δύο από αυτές είναι μοναδικές. Η πρώτη αφορά τον αριθμό των φασματικών καναλιών και η δεύτερη στη ραδιομετρική ανάλυση2 των 12 bit. Η ενσωμάτωση 36 φασματικών καναλιών σε ένα ενιαίο 2 Ραδιομετρική ανάλυση (radiometric resolution): Ο αριθμός των διαφορετικών εντάσεων την ακτινοβολίας που μπορεί να διαχωρίσει ο καταγραφέας του συστήματος τηλεπισκόπησης. Η ραδιομετρική διακριτική ικανότητα εκφράζεται σε bits και συνήθως το εύρος αυτών των τιμών κυμαίνεται απο 8 – 14 bits. Για παράδειγμα αν ένας δορυφόρος έχει 8bit ραδιομετρική διακριτική ικανότητα τότε τα δεδομένα που θα πάρουμε θα εκφράζονται σε 28 = 256 επίπεδα διαβάθμισης. 6 Primary Use Band Bandwidth1 Spectral Radiance2 Required SNR3 Land/Cloud/Aerosols Boundaries 1 620 - 670 21.8 128 2 841 - 876 24.7 201 Land/Cloud/Aerosols Properties 3 459 - 479 35.3 243 Ocean Color/ Phytoplankton/ Biogeochemistry 4 545 - 565 29.0 228 5 1230 - 1250 5.4 74 6 1628 - 1652 7.3 275 7 2105 - 2155 1.0 110 8 405 - 420 44.9 880 9 438 - 448 41.9 838 10 483 - 493 32.1 802 11 526 - 536 27.9 754 12 546 - 556 21.0 750 13 662 - 672 9.5 910 14 673 - 683 8.7 1087 15 743 - 753 10.2 586 16 862 - 877 6.2 516 Atmospheric Water Vapor 17 890 - 920 10.0 167 18 931 - 941 3.6 57 19 915 - 965 15.0 250 Primary Use Band Bandwidth1 Spectral Radiance2 Required NE[delta]T(K)4 Surface/Cloud Temperature 20 3.660 - 3.840 0.45(300K) 0.05 21 3.929 - 3.989 2.38(335K) 2.00 22 3.929 - 3.989 0.67(300K) 0.07 23 4.020 - 4.080 0.79(300K) 0.07 Atmospheric Temperature 24 4.433 - 4.498 0.17(250K) 0.25 25 4.482 - 4.549 0.59(275K) 0.25 Cirrus Clouds Water Vapor 26 1.360 - 1.390 6.00 150(SNR) 27 6.535 - 6.895 1.16(240K) 0.25 28 7.175 - 7.475 2.18(250K) 0.25 Cloud Properties 29 8.400 - 8.700 9.58(300K) 0.05 Ozone 30 9.580 - 9.880 3.69(250K) 0.25 Surface/Cloud Temperature 31 10.780 - 11.280 9.55(300K) 0.05 32 11.770 - 12.270 8.94(300K) 0.05 Cloud Top Altitude 33 13.185 - 13.485 4.52(260K) 0.25 34 13.485 - 13.785 3.76(250K) 0.25 35 13.785 - 14.085 3.11(240K) 0.25 36 14.085 - 14.385 2.08(220K) 0.35 1 Bands 1 to 19 are in nm; Bands 20 to 36 are in µm Spectral Radiance values are (W/m2 -µm-sr) 3 SNR = Signal-to-noise ratio 2 4 NE(delta)T = Noise-equivalent temperature difference Note: Performance goal is 30-40% better than required Πίνακας 1α. Οι φασματικές ζώνες του MODIS. http://modis.gsfc.nasa.gov/about/specifications.php 7 αισθητήρα συμπεριλαμβανομένων 490 ανιχνευτών στοιχείων, κάθε ένας από τους οποίους είναι ένα ευδιάκριτο ηλεκτρονικό κανάλι που απαιτεί διαφορετική βαθμονόμηση, αποτελεί ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των δεκτών AVHRR, CZCS και HIRS. (C.O. Justice et al., 2002) Αυτό το ξεχωριστό χαρακτηριστικό στο σχεδιασμό του MODIS, σύμφωνα με τον Salomonson αποτέλεσε την επιτομή και ουσία της χρησιμότητας ενός τέτοιου δέκτη, ώστε να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις τριών διαφορετικών συνιστωσών που ορίζουν το περιβάλλον: της ατμόσφαιρας, του ωκεανού και της γης με τα φασματικά κανάλια και τη χωρική ανάλυση3 επιλεγμένα, ώστε να ανταπεξέρχονται των απαιτούμενων αναγκών για την καθημερινή παγκόσμια κάλυψη (Salomonson et al., 1989). 3 Χωρική ανάλυση (spatial resolution): Το μέγεθος του εικονοστοιχείου (pixel). Συνηθισμένες τιμές είναι από 15x15m έως 1000x1000m. 8 2.3 ΤΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΤΟΥ MODIS Όπως προαναφέρθηκε, για το σχεδιασμό και την υλοποίηση του MODIS συστάθηκε μια ομάδα που αποτελείτο από επιστήμονες και τεχνικούς τηλεπισκόπησης, εκ των οποίων οι είκοσι κατάγονταν από τις ΗΠΑ και οι υπόλοιποι τέσσερις από χώρες εκτός ΗΠΑ, σύνολο 24. Κάθε ένα μέλος αυτής της επιστημονικής ομάδας επιλέχθηκε βάσει της ικανότητας του να αναπτύξει ένα ή περισσότερα προϊόντα που θα παράγονταν από τις μετρήσεις του MODIS, οι οποίες θα συνέβαλαν στην καλύτερη κατανόηση των παγκόσμιων διαδικασιών και τάσεων που αφορούν την ξηρά, τον ωκεανό και την ατμόσφαιρα. Αυτή η ευθύνη περιελάμβανε την ανάπτυξη αλγορίθμων, τον προγραμματισμό σε υπολογιστικό περιβάλλον, την εφαρμογή και τελικά τον έλεγχο και την αξιολόγηση για το κάθε προϊόν, έτσι ώστε να επιτραπεί η παράδοση του εκάστοτε προϊόντος στην επιστημονική κοινότητα και τον κάθε ενδιαφερόμενο χρήστη. Το 1997, έγινε μια περαιτέρω επιλογή, ώστε να ενταχθούν στην ομάδα επιπλέον τέσσερις επιστήμονες, οι οποίοι θα αναλάμβαναν την υποχρέωση του να παρέχουν ένα νέο προϊόν ή να είναι υπεύθυνοι για την αξιολόγηση υπάρχοντων προϊόντων. (Salomonson et al., 2005) Η ανασυγκροτημένη ομάδα των 28 μελών επιφορτίστηκε με την ευθύνη της ανάπτυξης και δοκιμής αλγορίθμων για τη μετατροπή της ραδιομετρικά βαθμονομημένης και γεωμετρικά διορθωμένης εικόνας που εξέρχεται ως αποτέλεσμα από τον MODIS σε γεωφυσικό προϊόν. Ο αρχηγός της επιστημονικής ομάδας του MODIS, Dr. Vincent Salomonson, βασιζόμενος στη γνώση και τη σύμπνοια της ομάδας, εξασφάλισε ότι ο σχεδιασμός του δέκτη κάλυψε τις απαιτήσεις που παρήχθησαν από τους αλγόριθμους που ανέπτυξε η ομάδα. Ήταν επίσης, ο αρμόδιος για εκείνο το κομμάτι των αλγόριθμων, στο οποίο γίνεται η μετατροπή των ακατέργαστων δεδομένων του MODIS σε ραδιομετρικά βαθμονομημένες και γεωμετρικά διορθωμένες εικόνες (γνωστό ως Level-1B ή L1B), τη λειτουργία τροχιάς των δύο δεκτών, την επαλήθευση και την ολοκλήρωση των αλγόριθμων που παρέχονται από την υπόλοιπη ομάδα, καθώς και τη διοικητική υποστήριξη των μελών της ομάδας. (Salomonson et al., 2005) Περίπου 40 προϊόντα παράγονται από τις παρατηρήσεις των αισθητήρων MODIS στους δορυφόρους Terra και Aqua, καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα μεταβλητών σχετικά με την ξηρά, τον ωκεανό και την ατμόσφαιρα, που είναι απαραίτητες, ώστε να μελετώνται οι διαδικασίες και οι τάσεις του δυναμικού συστήματος της Γης. (Salomonson et al., 2005) 9 Πίνακας 2. Τα μέλη που απαρτίζουν την επιστημονική ομάδα του MODIS (Πηγή: Vincent V. Salomonson et al., 2005) 10 MODIS MOD Algorithm Level Level 1B Processing Level0 to Level1A Data Calibration Geolocation L1A L1B L1 Aerosol Product MODIS Total Precipitable Water Cloud Product Atmospheric Profiles Climate Modeling Grid / Gridded Atmospheric Products L2 L2 L2 L2 L3 MOD09 Surface Reflectance, Spectral Reflectance, Thermal Anomalies L2, L2G, L3 MOD10 MOD11 Snow Cover Land Surface Temperature and Emissivity L2, L2G, L3 L2, L3 MOD12 MOD13 MOD14 Land Cover Vegetation Indices Fires L3 L2G, L3 L2, L2G, L3 MOD15 Fraction of Photosynthetically Active Radiation, Leaf Area Index Net Primary Productivity Sea Ice BRDF and Albedo Monthly Land Cover L2G, L3 MOD18 Normalized Water Leaving Radiance L2, L3 MOD19 MOD21 Pigment Concentration Chlorophyll-a Pigment Concentration L2, L3 L2, L3 MOD22 Photosynthetically Available Radiation L2, L3 MOD23 MOD24 MOD25 MOD26 Suspended Solids Concentration Organic Matter Concentration Cocolith Concentration Ocean Water Attenuation Coefficient L2, L3 L2, L3 L2, L3 L2, L3 MOD01 MOD02 MOD03 Atmosphere Processing MOD04 MOD05 MOD06 MOD07 MOD08 Land Processing MOD17 MOD29 MOD43 MOD44 L3 L2, L2G, L3 L2G, L3 L3 Ocean Processing Sea Surface Temperature MOD28 Phycoerytherin Concentration MOD31 Absorption Coefficients MOD36 Oceans Aerosols Properties MOD37 Clear Water Epsilon MOD39 Πίνακας 3. Τα προϊόντα του MODIS 11 L2 L2, L3 L2, L3 L2, L3 L2, L3 2.3.1 Διάθεση των προϊόντων του MODIS Όπως συμβαίνει με τα προϊόντα από τους υπόλοιπους δέκτες που βρίσκονται πάνω στους δορυφόρους Terra και Aqua, έτσι και με τα προϊόντα του MODIS. Μεταφέρονται σε επίγειους σταθμούς στο White Sands, του Νέο Μεξικό μέσω του Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS). Έπειτα τα δεδομένα αποστέλλονται στο EOS Data and Operations System (EDOS) στο Goddard Space Flight Center. Τα προϊόντα που υπάγονται στις κατηγορίες Level 1A, Level 1B, geolocation και cloud mask, καθώς και τα υψηλότερου επιπέδου (Higher-level) προϊόντα για την ξηρά και την ατμόσφαιρα παράγονται από το MODIS Adaptive Processing System (MODAPS), τα προϊόντα που αφορούν τον ωκεανό παράγονται από το Ocean Color Data Processing System (OCDPS) και τελικά όλα διανέμονται στην επιστημονική και όχι μόνο κοινότητα. Όσον αφορά τη διάθεση των προϊόντων, οι πηγές ποικίλουν, όπως ήδη περιγράφηκε από το στάδιο παραγωγής τους. Τα Level 1 και ατμοσφαιρικά προϊόντα διατίθενται μέσω του δικτύου LAADS (Level 1 and Atmosphere Archive and Distribution System) της NASA στην ιστοσελίδα http://ladsweb.nascom.nasa.gov/. Τα προϊόντα για την ξηρά είναι διαθέσιμα μέσω του Land Processes DAAC στο U. S. Geological Survey EROS Data Center (EDC) και στο διαδικτυακό τόπο http://edcdaac.usgs.gov/dataproducts.asp. Τα δεδομένα που αφορούν τα προϊόντα για την κρυόσφαιρα διατίθενται από το National Snow and Ice Data Center (NSIDC) στο Boulder του Colorado και διαδικτυακά στην ιστοσελίδα http://nsidc.org/daac/modis/index.html. Τέλος, τα προϊόντα που σχετίζονται με τον ωκεανό είναι διαθέσιμα από το Goddard Space Flight Center της NASA μέσω της διεύθυνσης http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/. [1] 2.3.2 Αλγόριθμοι για τον MODIS Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται στην τηλεπισκόπηση αποτελούν την ταυτόχρονη εφαρμογή θεωρητικής φυσικής, μαθηματικών διαδικασιών και πιθανών υπολογισμών, ώστε να επιτευχθούν οι απαραίτητοι υπολογισμοί για τη μετατροπή των τιμών ακτινοβολίας που λαμβάνονται από τον αισθητήρα σε γεωφυσικές ποσότητες. Η επιστημονική ομάδα της NASA για τον MODIS έχει αναπτύξει και βελτιώσει στην πάροδο του χρόνου τους αλγόριθμους που χρησιμοποιούνται σε όλα τα επίπεδα – Level 1, Level 2, Level 3. 12 2.3.2.1 Προϊόντα Level 1 & Αλγόριθμοι α. MOD01- Level0 to Level1A Data-L1A: Τα στοιχεία που καταγράφονται περιέχουν τις μετρήσεις για τα 36 κανάλια του δέκτη και χρησιμοποιούνται ως ‘είσοδοι’ στη γεωτοποθεσία, τη βαθμονόμηση και την επεξεργασία. Το προϊόν αυτό περιλαμβάνει όλα τα δεδομένα του MODIS σε ψηφιακής μορφής μετρήσεις για όλα τα κανάλια, όλες τις χωρικές αναλύσεις, όλες τις χρονικές ενδείξεις και για όλες τις θέσεις ανίχνευσης. Οι μετρήσεις που επιτυγχάνονται στο ορατό, βραχυκυματικό υπέρυθρο και στο κοντινό υπέρυθρο (κανάλια 1-19) γίνονται μόνο κατά τη διάρκεια της ημέρας, ενώ οι ακτινοβολίες που καταγράφονται στο θερμικό υπέρυθρο (κανάλια 20-25, 27-36) και στο βραχυκυματικό υπέρυθρο (κανάλι 26) συνεχίζονται αδιάκοπα. (Α. Savtchenko et al., 2004) β. MOD02-Calibration-L1B: Ο MODIS καταγράφει την ακτινοβολία στην κορυφή της ατμόσφαιρας ως μετρήσεις και ο κώδικας L1B τις μετατρέπει σε τιμές ακτινοβολίας και ανάκλασης. Ο αλγόριθμος για αυτό το προϊόν έχει αναπτυχθεί από τους Harry Montgomery, Shiyue Qiu και Bob Barnes, ονομάζεται Calibration, δηλαδή βαθμονόμηση και βασίζεται στη χρήση ενός πολυωνύμου 5ου βαθμού. Οι συντελεστές που χρησιμοποιούνται στο πολυώνυμο εισάγονται στον αλγόριθμο ως πίνακας. (Richard Barbieri, 1997) Εικόνα 4. Διάγραμμα ροής του αλγόριθμου για το προϊόν MOD02 - Calibration - L1B (Πηγή: Richard Barbieri, 1997) γ. MOD03-Geolocation-L1: Τα στοιχεία αυτού του προϊόντος περιέχουν γεωδαιτικές συντεταγμένες, ηλιακό και δορυφορικό ζενίθ και γωνίες αζιμούθιου για κάθε εικόνα χωρικής ανάλυσης 1km που καταγράφεται από το δέκτη. Αυτά τα στοιχεία παρέχονται ως επιπλέον δεδομένα για τη LEVEL 1B βαθμονομημένη ακτινοβολία και στα Level 2 προϊόντα, ώστε να διεκπεραιωθεί η περαιτέρω διαδικασία (Α. Savtchenko et al., 2004). Ο αλγόριθμος που έχει αναπτυχθεί για αυτό το προϊόν ονομάζεται Geolocation. 13 Εικόνα 5. Διάγραμμα ροής για τα τρία βασικά προϊόντα στα οποία στηρίζεται η περαιτέρω διαδικασία για την παραγωγή των επόμενων προϊόντων. (Πηγή: NASA) Εικόνα 6. Τα αποτελέσματα των προϊόντων για το πρώτο στάδιο επεξεργασίας των δορυφορικών εικόνων του MODIS (Level 1B Processing). Η επεξεργασία έγινε από την επιστημονική ομάδα του MODIS (Πηγή: NASA) 2.3.2.2 Προϊόντα Ατμόσφαιρας & Αλγόριθμοι Σύμφωνα με τον King τα ατμοσφαιρικά προϊόντα ομαδοποιούνται ως εξής: ιδιότητες αερολύματος (aerosol properties), ατμοσφαιρικοί υδρατμοί (atmospheric water vapor), ιδιότητες νεφών (cloud properties), ατμοσφαιρικά προφίλ (atmospheric profiles) και μάσκα νεφών (cloud mask) (King et al., 1992, 2003 αναφορά σε Α. Savtchenko et al., 2004). Η αρμόδια ομάδα για αυτή την κατηγορία προϊόντων εστιάζει στην παρατήρηση και ποσοτικοποίηση των μικροσκοπικών ιδιοτήτων των νεφών, 14 όπως τα σταγονίδια του νερού, τη φάση (πάγος ή νερό) και το οπτικό βάθος. Όσον αφορά τις ιδιότητες του αερολύματος εστιάζει στο μέγεθος των μορίων και το οπτικό βάθος, την πίεση στο άνω στρώμα των νεφών και τη θερμοκρασία, καθώς και τα συνολικά ποσά του όζοντος και των υδρατμών συναρτήσει της θερμοκρασίας και της εξάτμισης. (Vincent V. Salomonson et al., 2002) α. MOD04-Aerosol Product-L2: Αυτό το προϊόν οπτικοποιεί τον τύπο του αερολύματος, το οπτικό πάχος, τη σωματιδιακή σύσταση και κατανομή, τη συγκέντρωση, τις οπτικές του ιδιότητες και την ένταση της ακτινοβολίας. Ο MODIS δεν καταγράφει άμεσα τις φυσικές ιδιότητες του αεροζόλ, αλλά μέσω της ανακλώμενης ακτινοβολίας. Υπάρχουν 2 σαφώς διαχωρισμένοι αλγόριθμοι για αυτό το προϊόν, ένας για τον ωκεανό (C005-O) και ένας για την ξηρά (C005-L), που χρησιμοποιούν όμως παρόμοιες τεχνικές για την καταγραφή των ιδιοτήτων. Και οι δύο αλγόριθμοι εφαρμόζονται σε ξεχωριστούς καννάβους των 20x20 εικονοστοιχείων (pixels) και χωρικής ανάλυσης 500m παράγοντας εικόνα που αφορά περιοχή εύρους 10km. Εάν όλες οι ψηφίδες του 10x10 km καννάβου αφορούν ωκεανό, τότε εφαρμόζεται ο αλγόριθμος για τον ωκεανό, αλλιώς εάν αφορούν ξηρά εφαρμόζεται ο αλγόριθμος της ξηράς. Το προϊόν MOD35-Cloud Mask-L2 χρησιμοποιείται για να αποσαφηνίζεται ποιο pixel αντιστοιχεί στον ωκεανό ή την ξηρά. Όσον αφορά τον αλγόριθμο για τον ωκεανό, υποθέτει ότι δύο λογάριθμοι που αφορούν το λεπτό και το αδρό αερόλυμα μπορούν να συνδυαστούν με τις κατάλληλες σταθμίσεις, ώστε να δώσουν τις περιβαλλοντικές ιδιότητες του αερολύματος. Επίσης, σχεδιάστηκε, ώστε να δίνει πληροφορίες, όταν ο δορυφόρος σαρώνει σκοτεινά-σκούρα νερά, όπου δηλαδή δεν υπάρχει λάμψη (glint). Σε περιπτώσεις όπου οι συνθήκες δεν είναι οι ιδανικές εξαιτίας ενδεχόμενης λάμψης, τότε ο αλγόριθμος υπολογίζει τη γωνία λάμψης που δείχνει τη γωνία αντανάκλασης, έναντι της γωνίας κατοπτρικής ανάκλασης από τον τύπο όπου θs, θv, και φ ηλιακό ζενίθ, δορυφορικό ζενίθ και η σχετική γωνία μεταξύ των αζιμούθιων. Εάν Θglint>40ο αποφεύγεται η λάμψη, ωστόσο ο αλγόριθμος εκτελεί συνεχόμενους ελέγχους των φασματικών ανακλάσεων. Όσον αφορά τον αλγόριθμο C005-L για την ξηρά, αυτός έχει υποστεί βελτίωση και κατ’ επέκταση αναφερόμαστε στην V5.2 εκδοχή του, η οποία διαφοροποιείται της προηγούμενης C004-L στον αριθμό των καναλιών, στα οποία γίνεται η καταγραφή των πληροφοριών. Συγκεκριμένα, προστέθηκε το κανάλι 2.12 μm πέραν των δύο ορατών 0.47μm και 0.66μm και έτσι εμπεριέχονται στον αλγόριθμο επιπλέον πληροφορίες σχετικά με την αδρή μορφή του αερολύματος, καθώς και με την επιφάνεια ανάκλασης. Ο αλγόριθμος υποθέτει ότι ένα μοντέλο λεπτού αερολύματος και ένα μοντέλο αδρού αερολύματος (κάθε 15 ένα μπορεί να αποτελείται από πολλούς λογάριθμους) μπορούν να συνδυαστούν με τις κατάλληλες σταθμίσεις, ώστε να δώσουν τις περιβαλλοντικές ιδιότητες του αεροζόλ. Οι αλγόριθμοι αναπτύχθηκαν από τους Yoram Kaufman, Didier Tanre, Shana Mattoo, Lorraine Remer, Rob Levy, Allen Chu και Vanderlei Martins. (Lorraine A et al.) Εικόνα 7. Aerosol Product. Στις 7 Ιουλίου 2002 καπνός από τις φωτιές στον Καναδά μεταφέρθηκε πάνω από τις μεσο-ατλαντικές πολιτείες και τον ωκεανό. Αριστερά η εικόνα πραγματικού χρώματος και δεξιά το οπτικό πάχος του αερολύματος στα 550nm. (Πηγή: L.A. Remer, Y.J. Kaufman, D. Tanre, S. Mattoo, D.A. Chu, J.V. Martins, R.R. Li, C. Ichocu, R.C. Levy, R. G. Kleidman, T.F. Eck, E. Vermote και B.N. Holben, 2005, The MODIS Aerosol Products and Validation. Συνεργασία των: Laboratory for Atmospheres, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland, Laboratoire d’Optique Atmospherique, Université des Sciences et Technologies de Lille, Villenueve d’Ascq, France, Laboratory for Terrestrial Physics, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland) 16 Εικόνα 8. Διάγραμμα ροής του αλγόριθμου που υπολογίζει το αερόλυμα πάνω από τον ωκεανό (Πηγή: Lorraine A. Remer et al., Σελ. 11, http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod02.pdf) 17 β. MOD05-Total Preceptible Water-L2: Το προϊόν αυτό καταγράφει τους υδρατμούς στην ατμόσφαιρα και το υετίσιμο νερό. Η καταγραφή γίνεται στα κανάλια του MODIS κοντά στο εγγύς υπέρυθρο και οι πληροφορίες που προκύπτουν είναι χρήσιμες για τη μελέτη της κλιματικής αλλαγής. Εικόνα 9. Total Precipitable Water Product. Υδρατμοί πάνω από τις ανατολικές ΗΠΑ στις 24Ιουνίου 2002. a) Εικόνα πραγματικού χρώματος στα 0.645, 0.858 και 0.469μm. b) Το ολικό υετίσιμο νερό χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο για το εγγύς υπέρυθρο και c) Το ολικό υετίσιμο νερό χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο για το θερμικό υπέρυθρο. (Πηγή: Michael D. King,,W. Paul Menzel,Yoram J. Kaufman, Didier Tanré, Bo-Cai Gao, Steven Platnick, Steven A. Ackerman, Lorraine A. Remer, Robert Pincus, and Paul A. Hubanks, 2003, Cloud and Aerosol Properties, Precipitable Water and Profiles of Temperature and Water Vapor from MODIS, MODIS Science Team). 18 Ο αλγόριθμος έχει αναπτυχθεί από τους Gao & Goetz το 1990 και Kaufman & Gao το 1992 και είναι επαρκής για καθαρές περιοχές στην ξηρά, ωστόσο όταν ο δέκτης σαρώνει πάνω από φωτεινά σύννεφα, ο αλγόριθμος δεν αποδίδει σωστά. Επίσης, στηρίζεται στις παρατηρήσεις της εξασθένησης του εξατμιζόμενου νερού στο εγγύς υπέρυθρο, όπου η ηλιακή ακτινοβολία αντανακλάται από τις επιφάνειες και τα σύννεφα, συνεπώς το προϊόν παράγεται μόνο πάνω από περιοχές που έχουν αντανακλαστικές επιφάνειες στο εγγύς υπέρυθρο. Τα κανάλια που χρησιμοποιούνται είναι αυτά στα 0.905, 0.936, 0.94, 0.865 και 1.24μm του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Έχει αναπτυχθεί και ενσωματωθεί στον αλγόριθμο μία αυτοτελής μονάδα που διορθώνει την επίδραση του αερολύματος. (Bo-Cai Gao et al.) γ. MOD06-Cloud Product-L2: Αυτό το προϊόν συνδυάζει τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται στο υπέρυθρο και το ορατό για να καθοριστούν οι φυσικές και οι σχετιζόμενες με την ακτινοβολία ιδιότητες των νεφών συμπεριλαμβανομένων της μοριακής φάσης (πάγος έναντι νερού, σύννεφα έναντι πάγου), οπτικό πάχος των νεφών, θερμοκρασία στο άνω στρώμα τους και το ύψος και την επίδραση των εκπομπών. Επίσης, περιλαμβάνει την ανάκλαση cirrus στο ορατό σε χωρική ανάλυση 1km, η οποία είναι χρήσιμη για τη διόρθωση του προϊόντος MOD09. Χρησιμοποιούνται δύο αλγόριθμοι: i. Οι ιδιότητες των ‘ανώτερων’ νεφών (Cloud top properties), δηλαδή ύψος, θερμοκρασία και επίδραση εκπομπών, παράγονται χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο τεμαχισμού του CO2, ο οποίος διορθώνει την πιθανή ημιδιαφάνεια των σύννεφων. Τα υπέρυθρα κανάλια του ραδιόμετρου χρησιμοποιούνται για να ερευνήσουν τα σύννεφα σε ανάλυση 5x5km (Level 2) και για να παράγουν μία εικόνα για την παγκόσμια κλιματολογία (Level 3). ii. Από τις θερμοκρασίες φωτεινότητας στα 8.5 και 11μm του MODIS προκύπτει η cloud phase στο υπέρυθρο με ανάλυση 5x5km (Level 2) και υπολογίζεται κατά μέσο όρο σε 1.0 βαθμό ανάλυσης (Level 3). Οι αλγόριθμοι αναπτύχθηκαν από τους W. Paul Menzel, Richard A. Frey και Bryan A. Baum. (W. Paul Menzel et al., 2010) δ. MOD07-Atmospheric Profiles-L2: Παρέχει πληροφορίες για τη θερμοκρασία, την υγρασία και τις τιμές του γεωδυναμικού ύψους σε 20 ατμοσφαιρικά επίπεδα πίεσης, όπως επίσης, για το συνολικό όζον και τρεις δείκτες σταθερότητας. Το συνολικό φορτίο όζοντος είναι μια εκτίμηση που προκύπτει από την περιεκτικότητα του όζοντος στο σύνολο της στήλης τροπόσφαιραςστρατόσφαιρας (5km χωρική ανάλυση, μέρα και νύχτα) (Α. Savtchenko et al., 2004). Ο αλγόριθμος αναπτύχθηκε σταδιακά από τους Hayden (1988), Smith & Wolf (1988) και Li (2000). 19 Εικόνα 10. Cloud Product. Ιδιότητες νεφών πάνω από το Δυτικό Ειρηνικό Ωκεανό στις 10 Αυγούστου 2001. a) Εικόνα πραγματικού χρώματος. b) Η οπτική πυκνότητα των νεφών. (Πηγή: Michael D. King,,W. Paul Menzel,Yoram J. Kaufman, Didier Tanré, Bo-Cai Gao, Steven Platnick, Steven A. Ackerman, Lorraine A. Remer, Robert Pincus, and Paul A. Hubanks, 2003, Cloud and Aerosol Properties, Precipitable Water and Profiles of Temperature and Water Vapor from MODIS, MODIS Science Team) O συνδυασμός δεκαπέντε υπέρυθρων φασματικών καναλιών του ραδιόμετρου κατάλληλων για την υψηλής χωρικής ανάλυσης απεικόνιση (1km στο ναδίρ) αποτελεί σαφές πλεονέκτημα του MODIS στην ανάκτηση των προφίλ ατμόσφαιρας. Έτσι, ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί 11 κανάλια που καταγράφουν πληροφορία μεταξύ των 4.5 και 14.2μm μήκους κύματος. Ο αλγόριθμος ανάκτησης απαιτεί βαθμονομημένες 1km FOV (Field of View) ακτινοβολίες από τα κανάλια 25 (ζώνη απορρόφησης του CO2 στα 4.52 μm), 7-29 (6.72 έως 8.55 μm για τις πληροφορίες υγρασίας), 30 (9.73 μm για το όζον), 3132 (11.03 και 12.02μm split window) και 33, 34, 35 και 36 (13.34, 13.64, 13.94 και 14.24μm ζώνες απορρόφησης του CO2). Χρησιμοποιούνται επίσης, για τη βελτίωση του αλγόριθμου εκτιμήσεις της πίεσης της επιφάνειας, καθώς και το γεωγραφικό πλάτος, το ποσοστό του εδάφους και ο μήνας κατά τη διάρκεια του οποίου έγινε η καταγραφή. (Suzanne W. Seemann et al., 2006) ε. MOD35-Cloud Mask-L2: Το προϊόν αυτό παρέχει δεδομένα σχετικά με τη μάσκα νεφών παγκόσμιας κάλυψης, το επίπεδο καθαρότητας του ουρανού (πολύ καθαρός, πιθανώς καθαρός, συννεφιασμένος, απροσδιόριστο) και με τον προσδιορισμό ξηράς/νερού, χιονιού/πάγου και μέρας/νύχτας. 20 Εικόνα 11. Atmospheric Profiles Product. Ατμοσφαιρικές θερμοκρασίες από τον Terra MODIS στις 22 Μαΐου 2001 στα (a) 850 hPa, (b) 700 hPa, και (c) 500 hPa (Πηγή: Michael D. King,,W. Paul Menzel,Yoram J. Kaufman, Didier Tanré, Bo-Cai Gao, Steven Platnick, Steven A. Ackerman, Lorraine A. Remer, Robert Pincus, and Paul A. Hubanks, 2003, Cloud and Aerosol Properties, Precipitable Water and Profiles of Temperature and Water Vapor from MODIS, MODIS Science Team). Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί ακτινοβολίες από 14 φασματικά κανάλια (ζώνες 1 και 2, ζώνες 5 και 6, ζώνες 18-21, ζώνες 26 και 27, ζώνη 29, ζώνες 31 και 32, ζώνη 35), ώστε να υπολογίσει εάν μια δεδομένη άποψη της γήινης επιφάνειας εμποδίζεται από τα σύννεφα ή το παχύ αερόλυμα και εάν μια περιοχή ‘καθαρής’ λήψης επηρεάζεται από τις σκιές νεφών (Ackerman et al. 1998 αναφορά σε Jun Li et al.2003). Για την ανίχνευση σύννεφων ο αλγόριθμος βασίζεται στο ότι τα σύννεφα χαρακτηρίζονται από 21 μεγαλύτερη ακτινοβολία και υψηλότερες θερμοκρασίες φωτεινότητας από ότι η επιφάνεια της γης. Καθορίζει ένα το δεδομένο εικονοκύτταρο είναι καθαρό από σύννεφα συνδυάζοντας τα αποτελέσματα διάφορων δοκιμών των φασματικών ορίων. Ένας συνδυασμός μεταξύ των καταγεγραμμένων ακτινοβολιών και των καθορισμένων κατώτατων ορίων υπολογίζει το επίπεδο της καθαρότητας του ουρανού για κάθε στιγμιαίο οπτικό πεδίο εδάφους. Ο αλγόριθμος επίσης, χρησιμοποιεί δεδομένα υπόβαθρου, όπως δείκτης νερού-ξηράς. Τελικά, η μάσκα νεφών του MODIS παρέχει δεκαπέντε κατηγορίες. (Jun Li et al,.2003) Πίνακας 4. Οι 15 αρχικές κατηγορίες που προκύπτουν από τον αλγόριθμο cloud mask. (Πηγή: Jun Li et al,.2003) στ. MOD08-Climate Modeling Grid / Gridded Atmospheric Products-L3: Είναι το προϊόν στο οποίο όλα τα προϊόντα της ατμόσφαιρας ενώνονται (Joint Product), γι’ αυτό και ανήκει στην αναβαθμισμένη κατηγορία προϊόντων 3 (Level 3). Ουσιαστικά πρόκειται για 3 προϊόντα: i. Ενοποιημένο προϊόν καθημερινής παγκόσμιας κάλυψης (Daily Global Joint Product) κωδικοποιημένο ως MOD08_D3 (Terra) και MYD08_D3 (Aqua), ii. Ενοποιημένο προϊόν 8ήμερης παγκόσμιας κάλυψης (Eight-Day Global Joint Product) κωδικοποιημένο ως MOD08_E3 (Terra) και MYD08_E3 (Aqua) και iii. Ενοποιημένο προϊόν μηνιαίας παγκόσμιας κάλυψης (Monthly Global Joint Product) κωδικοποιημένο ως MOD08_M3 (Terra) και MYD08_M3 (Aqua). 22 Εικόνα 12. Cloud mask Product. Περιοχή: δυτική Αυστραλία (4 Ιουνίου 2001) a) Εικόνα πραγματικού χρώματος χρησιμοποιώντας κανάλια στα 0.645, 0.555 και 0.469 μm. (b) Εφαρμογή του αλγόριθμου cloud mask και επίπεδα ανίχνευσης σύννεφων (Πηγή: Michael D. King,,W. Paul Menzel,Yoram J. Kaufman, Didier Tanré, Bo-Cai Gao, Steven Platnick, Steven A. Ackerman, Lorraine A. Remer, Robert Pincus, and Paul A. Hubanks, 2003, Cloud and Aerosol Properties, Precipitable Water and Profiles of Temperature and Water Vapor from MODIS, MODIS Science Team) Εικόνα 13. Πώς παρουσιάζεται η πληροφορία για το αερόλυμα στο προϊόν του 2ου επιπέδου (αριστερά) και πώς για το αερόλυμα στο προϊόν του 3ου επιπέδου (δεξιά) (Πηγή: NASA) 23 Εικόνα 14. Διάγραμμα ροής της ακολουθούμενης διαδικασίας για τα προϊόντα της Ατμόσφαιρας του ραδιόμετρου MODIS (Πηγή: http://www.globalimaging.com/images/modis-atmos.jpg) Περιέχει ένα φάσμα των βασικών παραμέτρων που συλλέγονται από το πλήρες σύνολο των προϊόντων του 2ου επιπέδου (Level 2): Aerosol, Water Vapor, Cloud, Profile, και Cloud Mask 24 (MOD04_L2, MOD05_L2, MOD06_L2 και MOD07_L2). Το κοινό προϊόν ατμόσφαιρας σχεδιάστηκε για να είναι αρκετά μικρό, ώστε να ελαχιστοποιήσει τις υψηλές απαιτήσεις μεταφοράς και αποθήκευσης των δεδομένων, όμως αρκετά ‘δυνατό’, ώστε να είναι χρήσιμο σε έναν σημαντικό αριθμό χρηστών των στοιχείων του MODIS. Τα στοιχεία αποθηκεύονται σε χωρική ανάλυση στα 5km και 10km (στο ναδίρ). 2.3.2.3 Προϊόντα Ξηράς & Αλγόριθμοι Μέχρι τη στιγμή που η τεχνολογία βοήθησε στην εξέλιξη της επιστήμης της τηλεπισκόπησης και την εφεύρεση ραδιόμετρων πολλαπλών ιδιοτήτων και δυνατοτήτων, οι πληροφορίες σχετικά με τα ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά της ξηράς, προέρχονταν από σύνολα στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν σε μοντέλα για το παγκόσμιο κλίμα και τη βιογεωχημεία και που απαντώνται σε υπάρχοντες χάρτες και άτλαντες. Ενώ, αυτές οι πηγές στοιχείων αποτελούσαν την καλύτερη διαθέσιμη πηγή πληροφορίας σχετικά με τη διανομή της παγκόσμιας εδαφικής κάλυψης, ωστόσο χαρακτηρίζονταν από διάφορους περιορισμούς, οι οποίοι ήταν προφανείς κατά τη χρήση τους. Παραδείγματος χάριν, η παγκόσμια κάλυψη εδάφους είναι πραγματικά δυναμική, επομένως η χαρτογραφημένη πληροφορία σε παλαιότερους χάρτες είναι ξεπερασμένη, άρα και μη ισχύουσα σε πολλές περιπτώσεις. Σε πολλές περιοχές, ειδικά όπου οι άνθρωποι έχουν τροποποιήσει εντυπωσιακά το τοπίο, ο πραγματικός τύπος βλάστησης ή η εδαφική κάλυψη, μπορεί να παρεκκλίνουν σημαντικά της ήδη χαρτογραφημένης πληροφορίας. Επιπλέον, τα περισσότερα από αυτά τα σύνολα στοιχείων χρησιμοποιούν διαφορετικές χωρικές κλίμακες και κατηγοριοποιήσεις, οι οποίες είναι γενικά διαφορετικές από εκείνες που απαιτούνται στα σύγχρονα μοντέλα. (M.A. Friedl et al., 2002) Το ραδιόμετρο MODIS του δορυφόρου Terra περιλαμβάνει εφτά φασματικές ζώνες, που είναι σχεδιασμένες ρητά για τις εφαρμογές εδάφους και τα δεδομένα είναι διαθέσιμα για εφαρμογές εδαφικής κάλυψης. Συγκριτικά με τον AVHRR, ο MODIS είναι ενισχυμένος στη φασματική, χωρική και ραδιομετρική ανάλυση, και εν γένει καλύτερος στην ποιότητα των δεδομένων του. Επιπλέον, οι αλγόριθμοι έχουν σχεδιαστεί για λειτουργική χαρτογράφηση, με τέτοιο τρόπο, ώστε να μεσολαβεί μικρός χρόνος από την απόκτηση των δεδομένων στοιχείων μέχρι τη χαρτογράφηση. Η επικαιρότητα και η ποιότητα των χαρτών κάλυψης του εδάφους, που παράγονται από τον MODIS, είναι τα βασικά χαρακτηριστικά για τη χρησιμότητά τους σε πληθώρα επιστημονικών εφαρμογών, τόσο σε τοπική όσο και σε παγκόσμια κλίμακα. (M.A. Friedl et al., 2002). 25 Πίνακας 5. Τα κανάλια του MODIS για την εδαφική κάλυψη (Πηγή: NASA) α. MOD09-Surface Reflectance-L2, L2G, L3: Η αντανάκλαση επιφάνειας ορίζεται ως η αναλογία της ακτινοβολίας που μετράται σε συγκεκριμένη γεωμετρία (ζενίθ και αζιμούθιο) και της άμεσης πηγής φωτισμού (ζενίθ και αζιμούθιο) σε μια απείρως μικρή γωνία και καθορίζεται από τις δορυφορικές παρατηρήσεις μέσω της διαδικασία της ατμοσφαιρικής διόρθωσης. Αποτελεί την πιο βασική παράμετρο για τα προϊόντα της ξηράς, επομένως, παρέχει την αρχική εισαγωγή στον υπολογισμό υψηλότερου επιπέδου γεωφυσικών παραμέτρων όπως είναι οι δείκτες βλάστησης, το albedo, LAI/FPAR, οι καμένες περιοχές, η κάλυψη του εδάφους, καθώς και η διαφοροποίηση/αλλαγή στην κάλυψη του εδάφους. Χρησιμοποιείται επίσης, σε διάφορες εφαρμογές, για να ανιχνευθούν και να ελεγχθούν οι αλλαγές στην επιφάνεια της Γης (π.χ., ανθρωπογενείς επιδράσεις, RBG εικόνες). Για τον αλγόριθμο λαμβάνεται υπόψιν η ατμοσφαιρική «διαταραχή» του σήματος της αντανάκλασης επιφάνειας, η οποία εξαρτάται από τον τύπο και τα χαρακτηριστικά των ατμοσφαιρικών μορίων που αλληλεπιδρούν με την ακτινοβολία. Τα μόρια ενός αερίου (Ν2, Ο2, O3, H2O, CO2,…) διασπείρουν την ακτινοβολία σύμφωνα με τη θεωρία Rayleigh (μοριακή διασπορά). Τα μόρια ενός αερίου απορροφούν επίσης, την ακτινοβολία σε συγκεκριμένες φασματικές ζώνες με τα εύρη ζώνης να ποικίλλουν ανάλογα με το είδος, την ατμοσφαιρική πίεση και τα κάθετα προφίλ της θερμοκρασίας. Τα αερολύματα, που είναι ανασταλμένα μόρια που κυμαίνονται από περίπου από 10-3μm σε περίπου 20μm, διασκορπίζουν και απορροφούν την ακτινοβολία, σύμφωνα με τη θεωρία της οπτικής γεωμετρίας. Ο αλγόριθμος λοιπόν, βασίζεται στην ατμοσφαιρική διόρθωση κατά την οποία εξαλείφονται ή μειώνονται τα αποτελέσματα 26 αυτών των ατμοσφαιρικών διαταραχών. Κύριες είσοδοι στην ατμοσφαιρική διόρθωση αποτελούν (κατά σειρά επίδρασης): i. Οπτικό πάχος αερολύματος, μέγεθος, διαθλαστικοί δείκτες και κάθετη διανομή του αερολύματος, ii. Ατμοσφαιρική πίεση, iii. Ποσό όζοντος και iv. Περιεκτικότητα υδρατμών. Το συγκεκριμένο προϊόν αποτελεί τη βάση για την ακολουθία στην παραγωγή προϊόντων εδαφικής κάλυψης και επομένως είναι στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος πολλών προγραμμάτων. (Vermote E.F. et al.) Εικόνα 15. Surface Reflectance Product. Η πεδιάδα της Κίνας. 27 β. MOD10-Snow Cover-L2, L2G, L3: Ο σκοπός της ανάπτυξης των αλγόριθμων του MODIS για τη χαρτογράφηση του χιονιού και του πάγου είναι η παραγωγή των προϊόντων που αφορούν την κάλυψη του χιονιού και του πάγου, τόσο στην ξηρά, συμπεριλαμβανομένων και των λιμνών, όσο και στη θάλασσα. Οι αλγόριθμοι βασίζονται σε τεχνικές που αποδείχθηκαν αρχικά επιτυχείς σε τοπικές και ευρύτερες κλίμακες. Οι χάρτες αυτοί εμπλουτίζουν σε καθημερινή βάση το πολύτιμο αρχείο της παγοκάλυψης του Βόρειου Ημισφαιρίου, μια προσπάθεια που ξεκίνησε το 1966 από το NOAA σε εβδομαδιαία συχνότητα, με το πλεονέκτημα των 500m χωρικής ανάλυσης από τον MODIS, έναντι των 25km από το NOAA. Επιπλέον, οι αλγόριθμοι του MODIS είναι αυτοματοποιημένοι, ώστε να μειωθούν ή να εξαλειφθούν μεροληψίες λόγω της ανθρώπινης υποκειμενικότητας, που απαντώνται συχνά στις μακροπρόθεσμες μελέτες της κλιματολογίας. Οι αλγόριθμοι Snowmap και Icemap θα προσδιορίσουν το χιόνι, τον πάγο στις λίμνες και το θαλάσσιο πάγο από το συντελεστή ανάκλασης ή τις ιδιότητες εκπομπής τους. Οι βασικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται στους αλγόριθμους είναι δοκιμές κριτηρίων βασισμένα στο όριο (threshold) και η ομαλοποιημένη διαφορά μεταξύ των καναλιών. Ο αλγόριθμος Snowmap σχεδιάστηκε για να προσδιορίσει την παρουσία χιονιού σε κάθε pixel των 500m χωρικής ανάλυσης για κάθε τροχιά. Η ομαλοποιημένη διαφορά μεταξύ των καναλιών (Normalized Difference Snow Index) χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του χιονιού και του πάγου και για το διαχωρισμό του χιονιού/πάγου από τα σύννεφα cirrus. Υπολογίζει το σχετικό μέγεθος της χαρακτηριστικής διαφοράς αντανάκλασης του χιονιού στο ορατό και του χιονιού στο υπέρυθρο. Τα pixels που καλύπτονται από χιόνι σε ποσοστό 50% ή περισσότερο έχει βρεθεί ότι έχουν τιμή NDSI=0.4. Δεδομένου ότι το νερό μπορεί επίσης να έχει τιμή NDSI=0.4, μια πρόσθετη δοκιμή είναι απαραίτητη για να διαχωρίσει το χιόνι και το νερό. Διαχωρίζονται σύμφωνα με το συντελεστή αντανάκλασης του νερού, ο οποίος είναι μικρότερος του 11% στο κανάλι 4 του Landsat-TM. Ως εκ τούτου, εάν ο συντελεστής αντανάκλασης στο κανάλι 4 του Landsat-TM είναι μεγαλύτερος του 11% το pixel θεωρείται εξαρχής ότι απεικονίζει χιόνι. Ο αλγόριθμος Icemap, ο οποίος σχεδιάστηκε για να τρέχει αυτόματα, προσδιορίζει την παρουσία του θαλάσσιου πάγου για κάθε pixel μεγέθους 1km και υπολογίζει τη θερμοκρασία του θαλάσσιου πάγου (Ice Sea Temperature). Γίνεται masking στην ξηρά και τα σύννεφα χρησιμοποιώντας τη μάσκα ξηρά/νερό του προϊόντος MOD03 και του MODIS cloud mask. Παράγεται τελικά χάρτης απεικόνισης του θαλάσσιου πάγου από τα στοιχεία της αντανάκλασης κατά τη διάρκεια της ημέρας και παράγεται επίσης, η IST από τα θερμικά στοιχεία μέρας και νύχτας. Ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε από τους Key και Haefliger το 1992 για την επιφανειακή θερμοκρασία του πάγου (IST) βασίζεται στις καταγραφές των καναλιών 31 και 32 στο θερμικό υπέρυθρο. Σύμφωνα με τον Key η αποδεδειγμένη ακρίβεια του αλγόριθμου είναι ικανοποιητική για τις περισσότερες μελέτες κλιματικής αλλαγής (Key et al., 1997 28 αναφορά σε Dorothy K. Hall et al., 2001). Αρχικά, οι Key και Haefliger το 1992 χρησιμοποίησαν την ακόλουθη εξίσωση για τον καθορισμό της IST στην κεντρική Αρκτική υπό ιδανικές συνθήκες (απουσία σύννεφων), IST = a + bT11 + cT12 + d[(T11 - T12)secq] [1], όπου, T11 : θερμοκρασία φωτεινότητας σε °K στο κανάλι 4 του AVHRR (11 μm) T12 : θερμοκρασία φωτεινότητας σε °K στο κανάλι 5 του AVHRR (12 μm) q : γωνία ανίχνευσης από το ναδίρ a, b, c, d – εμπειρικά καθορισμένοι συντελεστές για τα ατμοσφαιρικά αποτελέσματα, ειδικότερα την υγρασία. Εικόνα 16. Snow Cover Product. Αριστερά η εικόνα πραγματικού χρώματος χρησιμοποιώντας τα κανάλια 1, 4, 3 του MODIS. Δεξιά ο χάρτης της χιονοκάλυψης. (Πηγή: Dorothy K. Hall, George A. Riggs, Vincent V. Salomonson, Nicolo E. DiGirolamo, Klaus J. Bayr, 2002, MODIS snow-cover products. Συνεργασία των: Hydrological Sciences Branch, NASA/Goddard Space Flight Center, Science Systems and Applications, Inc., Lanham, NASA/Goddard Space Flight Center και Department of Geography, Keene State College). 29 Ωστόσο, το 1997 οι Key et al. Χρησιμοποίησαν την εξίσωση, IST = a + bT11 + c(T11 - T12) + d[(T11 - T12)(secq-1)] [2], όπου, όλες οι μεταβλητές καθορίζονται όπως στην [1], εκτός των εμπειρικά καθορισμένων συντελεστών (a, b, c, d) που καθορίζονται σύμφωνα με τα κάτωθι θερμοκρασιακά εύρη, T11 < 240K 240K < T11 < 260K T11 > 260K. Από τη συγκεκριμένη επιστημονική ομάδα αναφέρεται ότι ο αλγόριθμος αυτός είναι ανώτερος αυτού στην εξίσωση [1] και είναι κατάλληλος για τη χρήση με τα θερμικά στοιχεία του MODIS. (Dorothy K. Hall et al., 2001) γ. MOD11-Land Surface Temperature and Emissivity-L2, L3: Η επιφανειακή θερμοκρασία εδάφους (LST) είναι μια από τις βασικές παραμέτρους στη φυσική των διαδικασιών της διεπιφάνειας εδάφουςατμόσφαιρας, τόσο σε τοπική όσο και σε παγκόσμια κλίμακα, που συνδυάζουν τα αποτελέσματα όλων των αλληλεπιδράσεων και των ενεργειακών ροών μεταξύ της ατμόσφαιρας και του εδάφους. Μία από τις σημαντικότερες πιθανές εφαρμογές της LST, που ανακτάται από τα δορυφορικά δεδομένα, είναι η αξιολόγηση και βελτίωση του μοντέλου της παγκόσμιας μετεωρολογικής πρόβλεψης έπειτα από κατάλληλη παραμετροποίηση. Επιπροσθέτως, η LST μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της ξηρασίας και τον υπολογισμό της εδαφολογικής υγρασίας της επιφάνειας. Εκτός της αναγκαιότητας ανάκτησης της LST, η ακτινοβολία της επιφάνειας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάκριση και κατηγοριοποίηση της βλάστησης. (Zhengming Wan et al., 2002) Οι ανεπτυγμένοι αλγόριθμοι είναι: i. generalized split-window LST algorithm, ο οποίος υπό ιδανικές ατμοσφαιρικές συνθήκες (απουσία σύννεφων) σε γενική μορφή προσδιορίζεται από την εξίσωση , όπου, T4 : θερμοκρασία φωτεινότητας σε °K στο κανάλι 4 του AVHRR (11 μm) T5 : θερμοκρασία φωτεινότητας σε °K στο κανάλι 5 του AVHRR (12 μm) ii. Day/night LST algorithm, ο οποίος χρησιμοποιεί look-up tables (LUT)4. Κατά αυτόν τον τρόπο απαιτείται μόνο μια πλήρης σειρά προσομοιώσεων της ακτινοβολίας για να ‘χτιστούν’ μια φορά αυτοί οι πίνακες. (Zhengming Wan, 1999) 4 LUT look-up tables: Όταν ένα φαινόμενο δεν περιγράφεται ικανοποιητικά με μια μαθηματική σχέση, τότε προσπαθούμε να σχηματίσουμε ένα πίνακα που δίνει τις τιμές της συνάρτησης σε συγκεκριμένο βηματισμό της ανεξάρτητης μεταβλητής με εμπειρικό τρόπο. Η υποκειμενική εκτίμηση των χρωμάτων γίνεται από ένα τέτοιο πίνακα σε συγκεκριμένους συνδυασμούς των τιμών RGB. 30 Εικόνα 17. Land Surface Temperature Product. Η επιφανειακή θερμοκρασία της ξηράς κατά τη διάρκεια της ημέρας κάτω από ιδανικές συνθήκες (απουσία σύννεφων) στις 4 Απριλίου 2000 στην περιοχή της Καλιφόρνια. Έρευνα του USGS (Πηγή: https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/products/modis_ products_table/land_surface_temperature_emis sivity/daily_l3_global_1km/mod11a1) δ. MOD12-Land Cover-L3: Η κάλυψη του εδάφους και η ενδεχόμενη αλλαγή της εδαφικής κάλυψης, τόσο λόγω της ανθρώπινης δραστηριότητας, όσο και ως αποτέλεσμα φυσικών αλλαγών, παίζουν κύριο ρόλο στη ροή του παγκόσμιου κλίματος και τη βιογεωχημεία του γήινου συστήματος. Αν και οι ωκεανοί είναι ο σημαντικότερος κινητήριος μοχλός για το κλίμα, η επιφάνεια του εδάφους έχει τον ιδιαίτερο έλεγχο στους βιογεωχημικούς κύκλους του πλανήτη, οι οποίοι εν συνεχεία επηρεάζουν σημαντικά το κλιματικό σύστημα μέσω των αερίων του θερμοκηπίου. Περαιτέρω, διαφοροποιήσεις στην τοπογραφία, το albedo, την κάλυψη βλάστησης και τα φυσικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας του εδάφους, δημιουργούν αλλαγές στον καιρό και το κλίμα. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για αυτό το προϊόν βασίζεται στο συνδυασμό της αντανακλώμενης/εκπεμπόμενης ακτινοβολίας και των βοηθητικών δεδομένων, ώστε να παραχθεί μία βάση δεδομένων για τη διάκριση των εδαφικών καλύψεων. Η βάση δεδομένων περιλαμβάνει τις φασματικές, κατευθυντικές, χωρικές, χρονικές και δευτερεύουσες πληροφορίες και είναι δομημένη σε ένα δέντρο απόφασης (decision tree) και σε ένα αλγόριθμο κατηγοριοποίησης. Ο αλγόριθμος κατηγοριοποίησης λειτουργεί σε μια ακολουθία δώδεκα βάσεων δεδομένων των 32 ημερών του προϊόντος MOD12 μαζί με μία τοπογραφική βάση δεδομένων του EOS, χωρικής ανάλυσης 1km, για να παραχθούν οι χαρακτηρισμοί της εποχιακής εδαφικής κάλυψης. Το δέντρο απόφασης (decision tree classifier-DTC) χρησιμοποιείται ως αλγόριθμος κατηγοριοποίησης, ώστε να μειώνεται ο όγκος των δεδομένων και η δομή του δέντρου αποτελείται από μια ρίζα-κόμβος, μέσους κόμβους και τελικούς κόμβους (φύλλα). Σύμφωνα με τον Breiman, ο αλγόριθμος υιοθετεί τους δεντρο-δομημένους κανόνες που κατ’ επανάληψη χωρίζουν το σύνολο των δεδομένων που εισάγεται σε όλο και περισσότερα ομοιογενή υποσύνολα (Breiman et al., 1984 αναφορά σε Alan Strahler et al., 1999). 31 Εικόνα 18. Land Cover Product. Η εδαφική κάλυψη της Ασίας. Εργασία της NASA. (Πηγή: http://www.nasaimages.org/luna/servlet/detail/NSVS~3~3~6592~106592:MODIS-Land-Cover-of-Asia) ε. MOD13-Vegetation Indicies-L2G, L3: Οι δείκτες βλάστησης έχουν χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε πληθώρα εφαρμογών από επιστήμονες, εκπαιδευτικά ιδρύματα και ιδιωτικές εταιρίες, για να δημιουργηθούν οι κατηγοριοποιήσεις της εδαφικής κάλυψης, να ανιχνευθούν τυχόν αλλαγές στο έδαφος και να αποτυπωθούν οι βιοφυσικές ιδιότητες της βλάστησης, όπως βιομάζα, φαινολογία κλπ (Townshend et al., 1991; Roy, 1997 αναφορά σε Wim J. D. van Leeuwen et al., 1999). Χρησιμοποιούνται επίσης, για τον υπολογισμό της παραγωγικότητας, η οποία σχετίζεται με τους βιογεωχημικούς κύκλους των πηγών και των καταβόθρων της βλάστησης και του CO2 (Fung et al., 1987; Tans et al., 1990 αναφορά σε Wim J. D. van Leeuwen et al., 1999). Υπάρχουν δύο αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται για τους δείκτες βλάστησης (vegetation index - VI) παγκοσμίως για την ξηρά. Ο ένας είναι ο δείκτης βλάστησης ομαλοποιημένης διαφοράς (normalized difference vegetation index NDVI) και ο άλλος ο ενισχυμένος δείκτης βλάστησης (Enhanced VI), ο οποίος είναι ειδικευμένος για τις διαφορές πυκνήςαραιής βλάστησης. Οι δύο αλγόριθμοι συμπληρώνουν τις μελέτες για την παγκόσμια βλάστηση και υπόκεινται βελτίωσης, εφόσον εξάγονται συμπεράσματα και κατανοούνται οι βιοφυσικές παράμετροι. (Alfredo Huete et al., 1999) 32 Εικόνα 19. Διάγραμμα ροής που δείχνει τη σχέση των προϊόντων ξηράς και ατμόσφαιρας του MODIS για την παραγωγή των δεικτών βλάστησης. (Πηγή: Wim J. D. van Leeuwen et al., 1999). στ. MOD14-Fires-L2, L2G, L3: Το προϊόν αυτό είναι αποτέλεσμα πολυεπιστημονικής προσπάθειας με σκοπό να καλυφθούν οι ανάγκες για τη μελέτη των αλλαγών σε παγκόσμια κλίμακα, εξαιτίας των πυρκαγιών, και οι απαιτήσεις της επιστημονικής κοινότητας που ασχολείται με τις πυρκαγιές. Αναπτύχθηκε λόγω της αυξανόμενης ζήτησης για σαφή χωρική πληροφορία σχετική με φωτιές, ώστε να παραμετροποιηθούν και να αξιολογηθούν διάφορα τοπικά και παγκόσμια μοντέλα. Η πυρκαγιά είναι μια σημαντική συνιστώσα στα μοντέλα ατμοσφαιρικής μεταφοράς, δυναμικής των οικοσυστημάτων και αλλαγής χρήσεων γης. Προκριμένου να ανιχνευθεί η πυρκαγιά ένα σύνολο κριτηρίων ανίχνευσης, διαφορετικά για τη μέρα και τη νύχτα, λαμβάνονται υπόψιν. Είναι βασισμένα στη θερμοκρασία που καταγράφεται σε κάθε pixel και στη διαφορά θερμοκρασίας που εντοπίζεται στο pixel που καταγράφεται η φωτιά και στο pixel του υπόβαθρου. Τα κανάλια που χρησιμοποιεί ο δέκτης για την ανίχνευση της φωτιάς είναι στα 1.65μm και 2.13μm με 500m χωρική ανάλυση και στα 3.96μm και 11μm με 1000m χωρική ανάλυση. (Christopher Justice et al., 2006) 33 Εικόνα 20. Vegetation Indices Product. Ο δείκτης ομαλοποιημένης διαφοράς βλάστησης στην περιοχή του Αμαζονίου. Αριστερά κάτω βρίσκεται η λίμνη Titicaca στα σύνορα μεταξύ Περού και Βολιβίας. Η εργασία αυτή αποτελεί χρονοσειρά του δείκτη βλάστησης από τον Απρίλιο του 2000 έως το Μάιο του 2001. Η συγκεκριμένη εικόνα αφορά το Φεβρουάριο 2000.Συνεργασία των NASA και Τμήματος Γεωγραφίας του Πανεπιστημίου του Maryland. (Πηγή: http://www.glcf.umd.edu/services/landcoverchange/modis.shtml) ζ. MOD15-LAI (leaf area Index) and FPAR (fraction photosynthetically active radiation)-L2G,L3: Ο δείκτης περιοχής φύλλων (leaf area index-LAI) είναι μια βιοφυσική μεταβλητή που επηρεάζει τη φωτοσύνθεση και τη διαπνοή, τον άνθρακα και το νερό σε τοπική κλίμακα. Ο ανεπτυγμένος αλγόριθμος για αυτό το προϊόν συγκρίνει τις κατευθυντικές ανακλάσεις από τον MODIS με τις καταχωρήσεις βασισμένες σε μοντέλα για έξι τύπους βιομάζας που αποθηκεύονται σε look-up tables κ έπειτα παράγεται μια διανομή πιθανών λύσεων. Σύμφωνα με τον Knyazikhin, εάν η μέθοδος του πίνακα αποτυγχάνει να εντοπίσει και να προτείνει λύση, χρησιμοποιείται μια συνοδευτική μέθοδος βασισμένη στη σχέση μεταξύ του δείκτη ομαλοποιημένης διαφοράς βλάστησης (NDVI) και του δείκτη LAI για την κατηγοριοποίηση της βιομάζας (Knyazikhin et al., 1998 αναφορά σε D. L. Verbyla, 2005). Η μαθηματική σχέση που συνδέει αυτούς τους δύο δείκτες υπό τη συνθήκη ότι το έδαφος είναι σκιασμένο (canopy ground) είναι FPAR=k×NDVI, όπου 34 Εικόνα 21. Fires Product. Οι φωτιές του 2007 στην Ελλάδα. Η κλίμακα αφορά την ημερομηνία της πυρκαγιάς από 24 Ιουλίου έως 8 Σεπτεμβρίου. Εργασία των D. Roy, L. Boschetti, C.O. Justice με συνεργασία της NASA και του πανεπιστημίου Maryland. 35 k: παράγοντας αναλογικότητας και ισούται με . (Y. Knyazikhin et al., 1999) Εικόνα 22. Leaf Area Index Product. Ο δείκτης LAI για την αμερικάνικη ήπειρο στις 3 Ιουνίου 2008. Σύμφωνα με τη χρωματική κλίμακα, όσο πιο σκούρο πράσινο απεικονίζεται σε μια περιοχή, τόσο πιο πυκνή βλάστηση έχει. (Πηγή: http://modis.gsfc.nasa.gov/gallery/individual.php?db_date=2008-06-03) η. MOD17-Net Primary Productivity-L3: Η αλλαγή στη βιολογική παραγωγικότητα είναι ίσως η πιο βασική παράμετρος στις έρευνες για τη μελέτη της παγκόσμιας αλλαγής και εξίσου σημαντική για το 36 ανθρώπινο είδος. Αποτελεί τη βάση του τροφικού πλέγματος και καθορίζει τη βιωσιμότητα όλων των οργανισμών, καθώς και τα ενδιαιτήματά τους. Η κατανόηση της μεταβλητότητας στις διαδικασίες του κύκλου του άνθρακα απαιτεί μία εντυπωσιακά πιο λεπτομερή ανάλυση των διαδικασιών που εξελίσσονται στις εδαφικές επιφάνειες, κάτι που επιτυγχάνεται από τον MODIS με 1km χωρική ανάλυση και 150 εκατομμύρια κελιά. Ο αλγόριθμος βασίζεται στην εφαρμογή της αποτελεσματικής μετατροπής της ακτινοβολίας σε καθημερινές προβλέψεις για την ολική πρωτογενή παραγωγή (gross primary production-GPP), δεδομένα που παρέχονται από το προϊόν MOD15 και από τις ανεξάρτητες εκτιμήσεις της PAR (phototosnythetically active radiation) και κατά συνέπεια της εκτίμησης των όρων της αναπνοής, οι οποίοι αφαιρούνται από την GPP, για να καταλήξουμε στη ετήσια NPP. (Steven W. Running et al., 1999) Εικόνα 23. Το διάγραμμα ροής επεξηγεί τη ροή των δεδομένων στον αλγόριθμο του προϊόντος MOD17. Τα ζητούμενα αποτελέσματα είναι οι τρεις τελικές έξοδοι. Στη μεταβλητή NPP δεν έχουν αφαιρεθεί όλοι οι όροι για την αναπνοή παραγόμενη από τους αυτότροφους οργανισμούς. Οι υπόλοιποι όροι απαιτούνται για την παραγωγή της ετήσιας NPP. (Πηγή: Steven W. Running et al., 1999) 37 Εικόνα 24. Net Primary Productivity Product. Ο χάρτης απεικονίζει την ετήσια μέση τιμή της παραγωγικότητας από χερσαίους και θαλάσσιους οργανισμούς το 2002.. Τα ποσοστά αφορούν τον άνθρακα που δεσμεύεται από τα φυτά. Μια εργασία της NASA. (Πηγή: http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/view.php?old=2003042214379) θ. MOD29-Sea Ice-L3: Η δορυφορική τηλεπισκόπηση αποτελεί σημαντικό εργαλείο για τη χαρτογράφηση της έκτασης του θαλάσσιου πάγου, της συγκέντρωσής του και της θερμοκρασίας του. Γι’ αυτό το σκοπό χρησιμοποιούνται δύο κατηγορίες δεκτών, βραχυκυματικά και πολυφασματικά ραδιόμετρα. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται παράγει τους ζητούμενους χάρτες σύμφωνα με την αντανακλαστικότητα και την εκτιμώμενη επιφανειακή θερμοκρασία του πάγου (βλέπε IST MOD10), η οποία αποτελεί μέρος και αυτού του προϊόντος ουσιαστικά, με χωρική ανάλυση 1km. Ο κυρίαρχος σκοπός των επιστημόνων ήταν η παραγωγή θεματικών χαρτών για την έκταση του θαλάσσιου πάγου, ωστόσο προκύπτει και η κατηγοριοποίηση του. (George A. Riggs et al.) 38 Εικόνα 25. Το διάγραμμα ροής για τον αλγόριθμο Sea Ice του MODIS (Πηγή: George A. Riggs et al., http://modissnow-ice.gsfc.nasa.gov/pap_seaice.html#fig4) 39 Εικόνα 26. Sea Ice Product. Κάλυψη θαλάσσιου πάγου με το γαλάζιο χρώμα στην περιοχή του Barrow στην Αλάσκα στις 5 Ιουλίου 2010. Στο σημείο NARL παρατηρείται μεταφορά πάγου έπειτα από σπάσιμο. Μελέτη της Ομάδας Θαλάσσιου Πάγου του Γεωφυσικού Ινστιτούτου της Αλάσκα. (Πηγή: http://seaice.alaska.edu/gi/observatories/barrow_breakup) ι. MOD43-BRDF and Albedo-L2G, L3: Το προϊόν του MODIS για το συντελεστή Συνάρτησης Διανομής Αμφίδρομης Αντανάκλασης (Bidirectional Reflectance Distribution Function BRDF) και Albedo ξεκίνησε να παράγεται το 2000, μετά την ενσωμάτωση του δέκτη στο δορυφόρο Terra [4]. Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί ένα κώδικα, τον πυρήνα (Kernel)5, ένα γραμμικό μοντέλο της BRDF το οποίο στηρίζεται στο σταθμισμένο σύνολο μιας ισοτροπικής παραμέτρου και δύο συναρτήσεων (kernels) της απεικονισμένης γεωμετρίας, για να καθοριστεί ο συντελεστής αντανάκλασης, R (Roujean, Leroy, & Deschamps, 1992 αναφορά σε C.B. Schaaf et al, 2002). R(θ,υ,φ,λ)=fiso(λ)+fvol(λ)Kvol(θ,υ,φ,λ)+fgeo(λ)Kgeo θ,υ,φ,λ) [1] όπου, 5 Πυρήνας (Kernel): Σε ένα πολυεπεξεργαστικό (multitasking) λειτουργικό σύστημα, υπάρχει ένα σημαντικό τμήμα κώδικα που λέγεται πυρήνας (kernel) και αναλαμβάνει τη διανομή της μνήμης μεταξύ των εφαρμογών (memory management) & τη διανομή του χρόνου μεταξύ των διεργασιών (scheduling). Προαιρετικά μπορεί να περιλαμβάνει οδηγούς συσκευών (device drivers) για δίσκους, κάρτες δικτύου, σειριακές θύρες κλπ, τα διάφορα πρωτόκολλα επικοινωνίας, υποστήριξη filesystems και λοιπό κώδικα για την διαχείρισή τους. (Πηγή: http://venus.cs.teicrete.gr/magaz/12/05_kernel-1.html) 40 θ, υ και φ οι γωνίες στο solar zenith, view zenith και relative zenith, KK(θ,υ,φ,λ) είναι τα kernels και ff(λ) τα φασματικά εξαρτώμενα βάρη για τους πυρήνες. Παράγονται τέσσερα βασικά προϊόντα. Για τα δύο πρώτα χρησιμοποιούνται τα κανάλια του MODIS 1-7 και οι παράμετροι του μοντέλου για τον υπολογισμό του BRDF, έτσι ώστε ο χρήστης να μπορεί να αναδημιουργήσει ολόκληρη την επιφάνεια BRDF και να υπολογίσει την κατευθυντική αντανάκλαση από οποιαδήποτε επιθυμητή γωνία. Το τρίτο προϊόν παρέχει μια ακολουθία των albedos υπολογισμένη από τις παραμέτρους του μοντέλου για τον υπολογισμό του BRDF (πρώτο προϊόν) για εκείνους τους χρήστες που δεν επιθυμούν να εκτελέσουν τους υπολογισμούς. Το τέταρτο προϊόν χρησιμοποιεί το μοντέλο BRDF βασισμένο στην εξίσωση [1], για να παραχθούν οι ρυθμιζόμενες ακτινοβολίες BRDF στο ναδίρ (Nadir BRDF AdjustedReflectances-NBAR) στα κανάλια 1-7. (C.B. Schaaf et al, 2002) Εικόνα 27. BRDF/Albedo Product. Ψευδο-χρωματική απεικόνιση αυτού του προϊόντος για την περιοχή της Αδριατικής θάλασσας (Ιταλία, Κροατία, Βοσνία, Σερβία και Αλβανία). Εργασία του USGS. (Πηγή: https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/products/modis_products_table/brdf_albedo_quality/16_day_l3_global_1km/mcd43b2) 41 Εικόνα 28. Διάγραμμα ροής της ακολουθούμενης διαδικασίας για τα προϊόντα της Ξηράς του ραδιόμετρου MODIS (Πηγή: http://www.globalimaging.com/images/modis-land.jpg) 42 2.3.2.4 Ωκεανοί & Αλγόριθμοι Ο ωκεανός καλύπτει σχεδόν το 70% της επιφάνειας της Γης, αποτελεί ένα μοναδικό σύστημα και περιλαμβάνει το περισσότερο νερό του πλανήτη, καθώς επίσης, φιλοξενεί σημαντικά οικοσυστήματα. Από βιολογικής άποψης, στον ωκεανό αναπτύσσεται το 25% της συνολικής βλάστησης του πλανήτη με την περισσότερη από αυτή να εντοπίζεται σε λίγες παράκτιες περιοχές. Σύμφωνα με τον Wunsch, οι ωκεανοί είναι οι παγκόσμιοι ρυθμιστές του κλίματος (Wunsch et al., 1981 αναφορά σε Seelye Martin, 2004). Τα θαλάσσια ρεύματα μεταφέρουν περίπου το μισό ποσό θερμότητας από τον ισημερινό στους πόλους (το υπόλοιπο μεταφέρεται από την ατμόσφαιρα). Επειδή πολλά αριθμητικά μοντέλα πρόγνωσης προβλέπουν ότι η παγκόσμια κλιματική αλλαγή επηρεάζει ιδιαίτερα τους πόλους, η τηλεπισκόπηση παρέχει τη δυνατότητα της παρακολούθησης αυτών των μεγάλων, παρθένων και άγριων οικοσυστημάτων, ώστε να παρακολουθούνται οι παγετώνες, τόσο σε βραχυπρόθεσμες, όσο και μακροπρόθεσμες μελέτες. Λαμβάνοντας υπόψιν και το γεγονός ότι περίπου το 50% του ανθρώπινου πληθυσμού κατοικεί σε παράκτιες περιοχές (περιοχές που απέχουν 50km από την ακτογραμμή) και αυτές οι πόλεις συνεχώς αναπτύσσονται, γίνεται αντιληπτή η επιτακτική ανάγκη για τη διαχείριση της παράκτιας ζώνης και του θαλάσσιου περιβάλλοντος, καθώς οι πληθυσμοί αυτοί είναι ευάλωτοι σε φυσικές καταστροφές, όπως άνοδος της στάθμης της θάλασσας, τσουνάμι, τυφώνες και κυκλώνες. (Seelye Martin, 2004) Μερικοί από τους αλγόριθμους που έχουν αναπτυχθεί για τα προϊόντα του ωκεανού, χρησιμοποιούνται σε παραπάνω από ένα προϊόν. α. MOD18-Normalized Water Leaving Radiance (nLW)-L2, L3: Η συνολική ακτινοβολία που καταγράφεται από τους δέκτες προέρχεται σε ποσοστό 10% από τον ωκεανό και 90% από την ατμόσφαιρα, καταγραφές στις οποίες υπάρχουν επιδράσεις από την ατμόσφαιρα και τον ωκεανό που πρέπει να διορθωθούν και να εξαλειφθούν. Η ανάκτηση του σχετικού σήματος από τον ωκεανό για την ακτινοβολία αποτελεί την ατμοσφαιρική διόρθωση και η ενδεδειγμένη παράμετρος είναι η Normalized Water Leaving Radiance (ομαλοποιημένη ακτινοβολία που επιστρέφει από την επιφάνεια του ωκεανού στο δέκτη), η οποία μεταφέρει πληροφορίες για τα ωκεάνια συστατικά και καταγράφεται στα κανάλια 8, 9, 10, 11, 12, 13 στα 412, 443, 488, 531, 551 και 667nm αντίστοιχα. Έχουν αναπτυχθεί αλγόριθμοι για την ατμοσφαιρική διόρθωση για το δέκτη CZCS, ωστόσο ο MODIS είναι σημαντικά καλύτερος του στη ραδιομετρική ανάλυση και η ατμοσφαιρική διόρθωση επιτυγχάνεται με μεγαλύτερη ακρίβεια. Ο αλγόριθμος βασίζεται στα μοντέλα για το αεροζόλ σχεδιασμένα από τους Shettle και Fenn ως εξής: υποθέτουμε την ακτινοβολία που επιστρέφει από το νερό ίση με μηδέν ή αμελητέα, στα κανάλια του MODIS στο εγγύς υπέρυθρο (NIR near-infrared), δηλαδή στα κανάλια 15 στα 748nm και 16 στα 869nm, έτσι το υπόλοιπο που προκύπτει είναι το αερόλυμα, το οποίο υπολογίζεται κατά προσέγγιση στα μήκη 43 κύματος του ορατού με χρήση LUT’s. Για τις περιπτώσεις που τα νερά για τα οποία το φυτοπλαγκτόν και τα άμεσα προϊόντα αποσύνθεσής του ρυθμίζουν τις οπτικές ιδιότητες του νερού (Case 1 waters) χρησιμοποιούνται τα κανάλια στο NIR για την κατάλληλη επιλογή του μοντέλου για το αεροζόλ. Όπου αυτή η υπόθεση είναι άκυρη, η Water Leaving Radiance στα κανάλια 15 και 16 υπολογίζεται και αφαιρείται πριν την επιλογή του μοντέλου για το αερόλυμα. (Wayne E. Esaias et al., 1998) ρt=ρr + ρα + ρrα + tρw + tρwc+ Tρg ρw : η ζητούμενη ακτινοβολία σε μήκος κύματος λ ρg : sunglint ρwc : η συμβολή των whitecaps (οι φυσαλίδες και λωρίδες που δημιουργούνται στην κορυφή του κύματος, καθώς αυτό σπάει) ρr : η συμβολή στην αντανάκλαση από τη διασπορά Rayleigh ελλείψει των αερολυμάτων ρα + ρrα : η συμβολή του αερολύματος και της διασποράς του αερολύματος κατά Rayleigh, υπολογισμένη στα κανάλια NIR και υπολογισμένη κατά προσέγγιση στο ορατό με τη χρήση μοντέλων για το αερόλυμα ρt : η ολική αντανάκλαση καταγεγραμμένη από το δέκτη t : η διάχυση μεταδιδόμενη μέσω ατμόσφαιρας T : άμεση μετάδοση Εικόνα 29. Διάγραμμα ροής του αλγόριθμου για τον υπολογισμό της Water Leaving Radiance (Πηγή: Liam Gumley, 2006) 44 Εικόνα 30. Normalized Water Leaving Radiance Product. Παγκόσμιος χάρτης για την nLW στα 443nm από τις 6 έως τις 13 Μαρτίου 2001. Μελέτη του Goddard Space Flight Center. (Πηγή: http://www.eeb.ucla.edu/test/faculty/nezlin/OceanColor.htm) Ο αλγόριθμος της ατμοσφαιρικής διόρθωσης χρησιμοποιείται, επίσης για το προϊόν MOD37-Ocean Aerosol Properties-L2, L3. Βλέπε επίσης, MOD04-Aerosol Product-L2 για το MOD37. β. MOD19-Pigment Concentration-L2, L3: Η βιομάζα του φυτοπλαγκτού συνήθως εκφράζεται με τη συγκέντρωση της χλωροφύλλης α, λόγω της ευκολίας των μετρήσεων και λόγω του ότι οι φωτοαυτότροφοι οργανισμοί περιέχουν χλωροφύλλη α, κατ’ επέκταση χρησιμοποιείται κατά κόρον από τους ωκεανογράφους. Για το προϊόν αυτό χρησιμοποιείται ένας εμπειρικός αλγόριθμος, ο οποίος βασίζεται στις σχέσεις μεταξύ τηλεσκοπικών μετρήσεων της αντανάκλασης ή της nLW και ταυτόχρονων μετρήσεων της συγκέντρωσης από ληφθέντα δείγματα στο πεδίο. Οι αρχικές μετρήσεις από το δέκτη CZCS φάνηκαν άριστες στην προοπτική για τη χρήση τους στη μέτρηση της συγκέντρωσης του φυτοπλαγκτού, ωστόσο όταν συνδυάστηκαν με τις μετρήσεις του πεδίου παρατηρήθηκε σημαντική απόκλιση. Έτσι, ο αρχικός αλγόριθμος επαναπροσδιορίστηκε, ώστε να μειωθούν οι πηγές συστηματικών σφαλμάτων στον υπολογισμό των χρωστικών και να παρέχεται στον αλγόριθμο ένας υπολογισμός που ενσωματώνει την εξάρτηση του βάθους του οπτικού σήματος και τις παραλλαγές στην κάθετη διανομή του φυτοπλαγκτού. Η βασική μορφή που ικανοποιεί τον αλγόριθμο για αυτό το προϊόν, όπως και για τα άλλα που στηρίζονται σε εμπειρικούς αλγόριθμους είναι: log PRODUCT = A(log X)3 + B(log X)2 + C(log X) +D/E [1], όπου, A, B, C, D και E οι συντελεστές ή σταθερές παλινδρόμησης ελαχίστων τετραγώνων. 45 Αυτή η μορφή χρησιμοποιείται επίσης, για τα προϊόντα MOD23-Suspended Solids Concentration-L2,L3 και MOD26-Ocean Water Attenuation Coefficient-L2,L3. Για τον υπολογισμό της χλωροφύλλης α σε νερά Case 1χρησιμοποείται επίσης, ο αλγόριθμος του δέκτη SeaWiFS, [2] προσαρμοσμένος στα χαρακτηριστικά του MODIS χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα τα κανάλια 11 και 12, τόσο στη σχέση [2] όσο και στη σχέση [1]. (Wayne E. Esaias et al., 1998) Εικόνα 31. Suspended Solids Concentration Product. Η εικόνα αφορά τη θαλάσσια περιοχή της Καλιφόρνια στις 6 Δεκεμβρίου 2000. Μελέτη του Goddard Space Flight Center. (Πηγή: http://www.eeb.ucla.edu/test/faculty/nezlin/RemoteSensingOfTheSea.htm) 46 γ. MOD21-Chlorophyll a Pigment Concentration-L2, L3: Ο αλγόριθμος για αυτό το προϊόν στηρίζεται στο ημιαναλυτικό βιο-οπτικό μοντέλο (semianalytical, bio-optical model) της καταγεγραμμένης από το δέκτη αντανάκλασης, πχ της normalized water-leaving radiance. Χρησιμοποιείται επίσης, για τα προϊόντα MOD36-Total Absorption Coefficient-L2, L3 και MOD24Organic Matter Concentration-L2, L3 και έχει αναπτυχθεί, ώστε να καθοριστούν οι εξής 4 μεταβλητές: χλωροφύλλη α, απορρόφηση από το διαλελυμένο οργανικό υλικό στα 400nm, συντελεστής απορρόφησης του φυτοπλαγκτού (675nm) και απορροφημένη ακτινοβολία από το φυτοπλαγκτόν ARP (absorbed radiation by phytoplankton) που αναφέρεται και παρακάτω. Μία μοναδική πτυχή αυτού του αλγόριθμου που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της χλωροφύλλης α είναι ότι δε βασίζεται σε μια απλή εξίσωση παλινδρόμησης στηριγμένη στην παγκόσμια βάση δεδομένων, αλλά στο ημιαναλυτικό βιο-οπτικό μοντέλο, όπως προαναφέρθηκε. Ωστόσο, οι βιοοπτικές παράμετροι αλλάζουν σύμφωνα με την επικρατούσα διανομή των ειδών σε εποχιακή και γεωγραφική βάση, λόγω των αλλαγών στη συγκέντρωση των θρεπτικών, της διαθεσιμότητας του ηλιακού φωτός και της θερμοκρασίας. Πληροφορίες για αυτές τις παραμέτρους αντλούνται κατά συνέπεια από τα δεδομένα του MODIS για την επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας. (Wayne E. Esaias et al., 1998) Ημιαναλυτικός αλγόριθμος για τη χλωροφύλλη α, σύμφωνα με τον Carder, K.L et al. Chl_a = 10*(0.283 - 2.753*R + 1.457*R2 + 0.659*R3 - 1.403*R4), όπου R = log10((Rrs443 > Rrs488) / Rrs551) Rrs = nLw / F0; (Remote sensing reflectance) F0 = κοσμική ακτινοβολία (extraterrestrial solar irradiance) nLw = water leaving radiance στα 443, 488 και 551nm. (Carder, K.L et al., 2004) δ. MOD22-Instantaneous Photosynthetically Available Radiation-L2, L3: Ο αλγόριθμος που έχει αναπτυχθεί παράγει τρία προϊόντα. Το πρώτο αφορά την κατερχόμενη ακτινοβολία πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας (downwelling irradiance) σε κάθε κανάλι του MODIS για το ορατό στα 412, 443, 488, 531, 551 και 667 nm6. 6 Αυτό το μέρος του αλγόριθμου είναι βασισμένο στο μοντέλο maritime irradiance των Gregg and Carder [1990]. 47 Εικόνα 32. Chlorophyll-a Pigment Concentration Product. Συγκέντρωση της χλωροφύλλης στη θαλάσσια περιοχή των νησιών Falkland. (Πηγή: http://visibleearth.nasa.gov/view_rec.php?id=17018) Το δεύτερο προϊόν είναι η φωτοσυνθετικά στιγμιαία διαθέσιμη ακτινοβολία (instantaneous photosynthetically available radiation) IPAR, δηλαδή η συνολική κατερχόμενη ροή των φωτονίων ακριβώς κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας, στα 400 έως 700nm. Ονομάζεται στιγμιαία, επειδή αποτελεί μόνο ένα μέρος της PAR, τη στιγμή που ο δέκτης βλέπει ένα δεδομένο εικονοστοιχείο που δεν αντιπροσωπεύει την ακτινοβολία που υπολογίζεται κατά μέσο όρο κατά τη διάρκεια ολόκληρης της ημέρας. Επομένως, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα στα μοντέλα για τον υπολογισμό της πρωτογενούς παραγωγής. Το τρίτο και πιο σημαντικό προϊόν είναι η απορροφημένη ακτινοβολία από το φυτοπλαγκτόν ARP, δηλαδή η ποσότητα που απορροφάται από το φυτοπλαγκτόν στα 3 πρώτα μέτρα της στήλης του νερού, καθώς εκεί εντοπίζεται περισσότερο από το 90% των φωτοφόρων φυτοπλαγκτονικών οργανισμών που 48 καταγράφονται από το δέκτη. Η καταγραφή γίνεται στα 685nm. Η κύρια χρήση της ARP είναι στον αλγόριθμο για τη χλωροφύλλη του προϊόντος MOD21, όπως προαναφέρθηκε. Το πρώτο βήμα στον αλγόριθμο είναι ο καθορισμός της κατερχόμενης ακτινοβολίας πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Σύμφωνα με αυτό τον καθορισμό υπολογίζεται η ακτινοβολία σε κάθε κανάλι του MODIS για το ορατό. Εν συνεχεία, υπολογίζονται οι τιμές της ακτινοβολίας κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας και αθροίζονται με τα κατάλληλα βάρη για να εξαχθεί η IPAR. Τέλος, τα μεγέθη της ακτινοβολίας πολλαπλασιάζονται με το συντελεστή απορρόφησης του φυτοπλαγκτού και αθροίζονται με τα κατάλληλα βάρη, ώστε να εξαχθεί η ARP. (Kendall L. Carder et al., 2003). Εικόνα 33. Photosynthetically Available Radiation Product. Μελέτη του Goddard Space Flight Center και του Suffolk Biological Records Centre. (Πηγή: http://www.eeb.ucla.edu/test/faculty/nezlin/PrimaryProduction.htm). ε. MOD25-Cocolith Concentration-L2, L3: Τα κοκκολιθοφόρα είναι φυτοπλαγκτονικοί οργανισμοί αποτελούμενοι από ασβέστιο CaCO3 και σύμφωνα με τον Westbroek αποτελούν τη μεγαλύτερη πηγή ανθρακικού ασβεστίου στη γη (Westbroek et al., 1985 αναφορά σε Howard R. Gordon and William M. Balch, 1999). Από όλα τα είδη των κοκκολιθοφόρων το είδος Emiliana huxleyi είναι αυτό που αφθονεί περισσότερο και μπορεί να βρεθεί από τροπικές μέχρι υπό-αρκτικές περιοχές, και ακόμα βορειότερα σε περιοχές που η θερμοκρασία του νερού είναι υπό του μηδενός (Heimdal, 1983 αναφορά σε Howard R. Gordon and William M. Balch, 1999). Για τον αλγόριθμο λαμβάνεται υπόψιν η συγκέντρωση διάφορων ειδών κοκκολιθοφόρων, ανάμεσά τους και η Emiliana huxleyi, και στηρίζεται στο ημιαναλυτικό μοντέλο 49 για χρώμα του ωκεανού των Gordon et al (1988) (Howard R. Gordon and William M. Balch, 1999). Ο αλγόριθμος του MODIS αναπτύχθηκε από δεδομένα του δέκτη SeaWiFS που αφορούσαν μια ακμή (bloom) κοκκολιθοφόρων στη θάλασσα Bering και από μία αξιόλογη συλλογή δεδομένων πεδίου που έγιναν στον Ατλαντικό και Ινδικό ωκεανό (Wayne E. Esaias et al., 1998). Για τον αλγόριθμο χρησιμοποιούνται οι σχέσεις, , όπου bb(λ) : συντελεστής ανάδρομης διασποράς κοκκολιθοφόρων (backscattering co-efficient) στα 436 και 546nm, CCC : η συγκέντρωση των κοκκολιθοφόρων, Α(436) = 1.5x10-13 m2 coccoliths-1, Α(546) = 1.1x10-13 m2 coccoliths-1, και βασισμένοι σε αυτές τις μετρήσεις υπολογίζεται η φασματική διακύμανση της bb(λ) από τη σχέση (Howard R. Gordon and William M. Balch, 1999). Εικόνα 34. Cocolith Concentration Product. Η συγκέντρωση του κοκκολιθοφόρου οργανισμού Emiliana Huxleyi. Παρατηρούνται υψηλές συγκεντρώσεις στη Βόρειο θάλασσα και το Νότιο Ωκεανό στην Ανταρκτική. Έρευνα του Dave Drapeau. Του Εργαστηρίου Ωκεανογραφίας Bigelow (Πηγή: http://sogasex.wordpress.com/2008/03/05/) 50 στ. MOD28-Sea Surface Temperature-L2: Η επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας (sea surface temperature SST) είναι μία από τις πιο σημαντικές μεταβλητές που προκύπτουν από τις μετρήσεις του MODIS. Η ανάκτηση δορυφορικών δεδομένων για την SST ξεκίνησε αρχικά από το δέκτη AVHRR, ωστόσο οι μετρήσεις από τον MODIS δεν είναι χειρότερες όσον αφορά την ακρίβεια, η οποία στηρίζεται: a. Στην καλή κατανόηση της συμπεριφοράς του ραδιόμετρου b. Στη σωστή βαθμονόμηση για την απόδοση καλά βαθμονομημένων ακτινοβολιών c. Στην ακριβή ατμοσφαιρική διόρθωση d. Στις αξιόπιστες τεχνικές για τον προσδιορισμό των εικονοστοιχείων που ‘μολύνονται’ από τις υπέρυθρες εκπομπές των νεφών e. Στην αξιόπιστη μέθοδο που προσδιορίζει τις υπόλοιπες ανακρίβειες. Ο MODIS χρησιμοποιεί 5 φασματικά κανάλια για τις καταγραφές της SST. Τα κανάλια 31 και 32 στο θερμικό υπέρυθρο, που ανταποκρίνονται κατά προσέγγιση στα κανάλια 4 και 5 του AVHRR, το κανάλι 20 στο μέσο υπέρυθρο, παρόμοιο με το κανάλι 3 του AVHRR και τα κανάλια 22 και 23, δύο επιπλέον πολύ μικρού εύρους κανάλια του MODIS στο μέσο υπέρυθρο. Ο αλγόριθμος για τη μέτρηση της SST στο μακροκυματικό θερμικό υπέρυθρο (10-12μm) που χρησιμοποιείται μόνο για μετρήσεις κατά τη διάρκεια της νύχτας, είναι SST4= c1+c2*T3.9+c3*(T3.9-T4.0)+c4*(sec (z)-1), όπου T3.9 = θερμοκρασία φωτεινότητας στα 3.959 um, σε βαθμούς οC στο κανάλι 31 T4.0 = θερμοκρασία φωτεινότητας στα 4.050 um, σε βαθμούς οC στο κανάλι 32 sec (z) = συνημίτονο της ζενίθιας γωνίας του δέκτη c1, c2, c3 και c4 οι εξαρτημένοι συντελεστές που προκύπτουν από την αντιστοιχία των θερμοκρασιών φωτεινότητας από τον MODIS και τις μετρήσεις πεδίου από πλωτήρες για την SST. Ο αλγόριθμος για τη μέτρηση της SST στο βραχυκυματικό θερμικό υπέρυθρο που χρησιμοποιείται για μετρήσεις κατά τη διάρκεια της ημέρας είναι SST= c1+c2*T3.9+c3*(T3.9-T4.0)+c4*(sec (z)-1)*(T3.9-T4.0). (Peter J. Minnett et al., 2004) Στο μέσο θερμικό υπέρυθρο (3.7-4.2μm), δηλαδή για τα κανάλια 20, 22 και 23 η γενική μορφή του αλγόριθμου είναι SSTi,k= a + b * Ti+ c * Tk + f(d), όπου i, k αντιστοιχούν στα νούμερα 20, 22 και 23 και f(d) είναι ο όρος που αντιστοιχεί στη συνάρτηση f(d)= m *cos(2 (x + n)/365) + p και χρησιμοποιείται για την εξάλειψη των λαθών, με a, b, c, m, n και p να είναι οι συντελεστές υπολογισμένοι ξεχωριστά για κάθε μία από τις τρείς ζώνες γεωγραφικού πλάτους βάσει της απόστασης της από τον ισημερινό. (Otis B. Brown et al., 1999) 51 Εικόνα 35. Sea Surface Temperature Product. Η επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας σε χάρτη παγκόσμιας κάλυψης. Νοέμβριος 2000. Μελέτη του Goddard Space Flight Center και του Suffolk Biological Records Centre. (Πηγή: http://www.eeb.ucla.edu/test/faculty/nezlin/PrimaryProduction.htm) ζ. MOD31-Phycoerytherin Concentration-L2, L3: Υπάρχουν τρεις μεγάλες ομάδες χρωστικών ουσιών που απαντώνται σε φυτοπλαγκτονικούς οργανισμούς και θαλάσσια βακτήρια: οι χλωροφύλλες, τα καροτενοειδή και οι φυκοβιλίνες, που υπάρχουν μόνο στα κυανοβακτήρια και τα ροδόφυτα. Κατά συνέπεια συναντάται η φυκοκυανίνη και η φυκοερυθρίνη (PE), η οποία τελευταία είναι μία κατηγορία μακρομοριακής χρωστικής πρωτεΐνης αποτελούμενη από χρωμοφόρα που απορροφούν το ηλιακό φως σε μήκη κύματος μεταξύ των 480-580nm του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Τα χρωμοφόρα διακρίνονται στις φυκοερυθροβιλίνες (PEB), που δεσμεύουν το ηλιακό φως στα 565nm και τις φυκουροβιλίνες (PUB), που δεσμεύουν το ηλιακό φως στα 495nm. Η συγκέντρωση των PEB προκύπτει ως προϊόν από την αντιστροφή του αριθμητικού μοντέλου της nLW. Η φυκοερυθρίνη είναι ένα σημαντικό προϊόν, που συμβάλλει στη μελέτη της παγκόσμιας κατανομής των οργανισμών που τη διαθέτουν, όπως τα κυανοβακτήρια. Άλλωστε, ο θαλάσσιος οργανισμός Trichodesmium αποτελεί τον κυρίαρχο παραγωγό αζώτου στον ωκεανό και κατά καιρούς η παραγωγή άνθρακα από κυανοβακτήρια είναι περισσότερη από εκείνη του φυτοπλαγκτού μεγαλύτερης συγκέντρωσης. (Wayne E. Esaias et al., 1998) η. MOD39-Clear Water Epsilon-L2, L3: Δεδομένου ότι η ατμοσφαιρική ακτινοβολία μπορεί να είναι δεκαπλάσια αυτής που προέρχεται από το νερό, η ακτινοβολία του αερολύματος πρέπει να συναχθεί επακριβώς στους αλγόριθμους, ώστε η χλωροφύλλη να υπολογιστεί εξίσου με ακρίβεια. Τα θαλάσσια αερολύματα είναι κατά κύριο λόγο μη απορροφητικά και κυριαρχούν πάνω από τον ωκεανό. Για αυτό το 52 λόγο σχεδιάστηκε ο αλγόριθμος clear-water epsilon, για να εντοπίσει το αερόλυμα που απορροφάται στα μικρά μήκη κύματος του ορατού (μπλε), βασισμένος στην εκ των προτέρων γνώση για τη nLw στα 532, 551 και 667nm, που είναι σταθερή για νερά με τιμές χλωροφύλλης α μικρότερες από 0.4 mg/m3 (διαυγή νερά). Η υπόδειξη των σημείων με τιμές epsilon μικρότερες από 0.95 παρέχει μία ένδειξη της απορρόφησης στο τέλος του μπλε στο Η/Μ φάσμα, που είναι ενδεικτική για τα αερολύματα πλούσια σε σίδηρο. Σε αυτά τα εικονοστοιχεία πρέπει να γίνει διόρθωση με τη χρήση ενός μεταβλητού αλγόριθμου κατά την επανεπεξεργασία. (Wayne E. Esaias et al., 1998) 53 Εικόνα 36. Διάγραμμα ροής της ακολουθούμενης διαδικασίας για τα προϊόντα του Ωκεανού του ραδιόμετρου MODIS (Πηγή: http://www.globalimaging.com/images/modis-ocean.jpg) 54 3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ Το σύστημα παρακολούθησης της Γης EOS, χρησιμοποιεί το δέκτη MODIS για την καταγραφή των γεωφυσικών παραμέτρων. Η χρήση του είναι διπλή, καθώς είναι προσαρτημένος σε δύο δορυφόρους, τον AQUA και τον TERRA, παρέχοντας έτσι το πλεονέκτημα της σχεδόν καθημερινής παγκόσμιας κάλυψης. Σε συνδυασμό μάλιστα με τη χρήση των 36 καναλιών καταγραφής και της 12-bit ραδιομετρικής ανάλυσης, η ακρίβεια για τις εικόνες επιτυγχάνεται σε πολύ ικανοποιητικό βαθμό και καθιστά τον MODIS υψηλής ανάλυσης ραδιόμετρο. Έχουν αναπτυχθεί περίπου 40 προϊόντα από την επιστημονική ομάδα του MODIS, η χρησιμότητα των οποίων ιδιαίτερα μεγάλη στις περιβαλλοντικές επιστήμες. Από το 2000, τα δεδομένα των προϊόντων υποβάλλονται σε επεξεργασία και μία σχετική με αυτά χρονοσειρά έχει δημιουργηθεί και διαρκώς επεκτείνεται. Στο κέντρο DAAC της NASA έχουν γίνει ουσιαστικές προσπάθειες, ώστε να βελτιωθεί η πρόσβαση των χρηστών στα προϊόντα του MODIS και η απόκτησή τους να είναι μια διαδικασία όσο το δυνατόν πιο φιλική προς το χρήστη. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν αρχικά για τον Terra MODIS εφαρμόστηκαν και στον Aqua MODIS. Οι επιστήμονες στηρίχθηκαν στην σκληρά αποκτηθείσα εμπειρία των πρώτων χρόνων του MODIS στο δορυφόρο Terra και μέχρι σήμερα οι αλγόριθμοι έχουν αξιολογηθεί και βελτιωθεί πολλές φορές. Σε μερικές περιπτώσεις προϊόντων, όπως της επιφανειακής θερμοκρασίας θάλασσας, έχουν αναπτυχθεί παραπάνω από ένας αλγόριθμοι. Τα προϊόντα του MODIS αν και διακρίνονται σε τρεις κύριες κατηγορίες (ξηρά, ατμόσφαιρα, ωκεανός) είναι αλληλένδετα μεταξύ τους, καθώς για την παραγωγή προϊόντων υψηλότερου επιπέδου χρησιμοποιούνται προϊόντα χαμηλότερου επιπέδου, πχ το προϊόν cloud mask (Level 2) για την παραγωγή των δεικτών βλάστησης (Level 3). Η υπεύθυνη ομάδα για την παραγωγή των προϊόντων της ατμόσφαιρας του MODIS έχει αναπτύξει αλγόριθμους για τη συλλογή δεδομένων σχετικά με τις ιδιότητες και τη διανομή των νεφών και του αερολύματος. Τα προϊόντα αυτά είναι καθοριστικής σημασίας, διότι χρησιμοποιούνται ως είσοδοι στην παραγωγή των υπόλοιπων προϊόντων του δέκτη. Έτσι, είναι δυνατή η παρακολούθηση της εδαφικής κάλυψης και των χρήσεων γης με την ποσοτικοποίηση του τύπου και της έκτασης του εδάφους και των παγετώνων, της επιφανειακής θερμοκρασίας, πιθανών πυρκαγιών κλπ. Οι καταγραφές επιτυγχάνονται σε 7 φασματικά κανάλια του MODIS καθιστώντας τα δεδομένα για την ξηρά εξαιρετικά όσον αφορά τη χωρική και φασματική ανάλυση. Ανάλογης ποιότητας είναι τα δεδομένα των προϊόντων του ωκεανού, όπως SST και χλωροφύλλη α, διότι τα κανάλια στα οποία πραγματοποιούνται οι καταγραφές είναι πιο στενού εύρους (σε σχέση με τον SeaWiFS) ενισχύοντας έτσι την ατμοσφαιρική διόρθωση (Wayne E. Esaias et al., 1998). Μία άλλη διάσταση της χρησιμότητας του MODIS, είναι η πολυεπιστημονικότητα που χαρακτηρίζει τα προϊόντα του, η οποία ενθαρρύνει τη χρήση των καταγεγραμμένων παραμέτρων από το δέκτη, σε άλλες επιστήμες, όπως τις δορυφορικές μετρήσεις της πρωτογενούς παραγωγικότητας στην παραμετροποίηση και 55 αξιολόγηση των οικολογικών μοντέλων. Η δυνατότητα που παρέχει η τηλεπισκόπηση στη μελέτη του περιβάλλοντος αποτελεί σημαντικό κίνητρο για την εκτεταμένη χρήση της από ερευνητικά ινστιτούτα, κυβερνητικούς φορείς και ακαδημαϊκά ιδρύματα. Ωστόσο, παρατηρείται σε ορισμένες περιπτώσεις (ακαδημαϊκή κοινότητα) περιορισμός της χρήσης της, κυρίως ελλείψει επαρκούς χρηματοδότησης. Λαμβάνοντας, όμως υπόψιν τη σημερινή πραγματικότητα του συνεχώς μεταβαλλόμενου πλανήτη μας, είτε από φυσικές διεργασίες είτε λόγω της αυξημένης ανθρώπινης δραστηριότητας, γίνεται επιτακτική η ανάγκη της παγκόσμιας συστηματικής μελέτης της γης. Η γνώση για την ικανοποίηση αυτής της ανάγκης μπορεί να προέλθει σε κυρίαρχο βαθμό από την εκπαίδευση και αν η ανεπαρκής χρηματοδότηση εμποδίζει το φοιτητή να εντρυφήσει σε καινοτόμες τεχνολογίες χρήσιμες για την επιστήμη του, όπως είναι η τηλεπισκόπηση για το φοιτητή περιβαλλοντικών επιστημών, οι περιορισμοί οφείλουν να ξεπερνιούνται. Ένα από τα σημαντικότερα οικολογικά ζητήματα σχετικά με τον πλανήτη μας είναι η αλλαγή του κλίματος. Είναι εν γένει αποδεκτό ότι το κλίμα της γης τροποποιείται καθιστώντας όλους τους οργανισμούς ευάλωτους σε σημείο να κινδυνεύουν με εξαφάνιση κάποιοι από αυτούς. Το ανθρώπινο είδος φυσικά και βιώνει και αυτό σε σημαντικό βαθμό τις επιπτώσεις αυτών των αλλαγών (άνοδος της στάθμης της θάλασσας, πλημμύρες, τσουνάμι, τυφώνες) σε σημείο που κινδυνεύει η ζωή του θέτοντας νέες προϋποθέσεις για την επιβίωση του και ορίζοντας ένα νέο είδος προσφύγων, τους κλιματικούς πρόσφυγες. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση του νησιού Bergal στον Ινδικό ωκεανό, το οποίο σύμφωνα με πρόσφατη μελέτη (Μάρτιος 2010) του Hazra από το πανεπιστήμιο Jadavpur της Καλκούτα βασισμένη σε δορυφορικές εικόνες, εξαφανίστηκε κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας [5]. Ο ίδιος προβλέπει παρόμοια τύχη και για άλλα νησιά στην ευρύτερη περιοχή μέσα στην επόμενη δεκαετία. Προκύπτει, λοιπόν ζήτημα βιωσιμότητας, καθώς οι κλιματικές αλλαγές οδηγούν σε μία κοινωνία με νέες ανάγκες: εκατομμύρια πρόσφυγες που αναγκάζονται να εγκαταλείψουν τον τόπο προέλευσής τους πρέπει να εγκατασταθούν σε άλλες περιοχές, να γίνουν αποδεκτοί εκεί και η κοινωνία να τους παρέχει βοήθεια και προστασία. Εν κατακλείδι, η τηλεπισκόπηση δύναται να μελετήσει όλες τις διεργασίες που επιτελούνται στο δυναμικό σύστημα του πλανήτη και είναι χρήσιμες για τις θετικές επιστήμες. Τα αποτελέσματα της χρησιμοποιούνται σε μοντέλα πρόγνωσης (π.χ. καιρού), σχέδια αποκατάστασης (π.χ. χάρτες για το σχεδιασμό φύτευσης), παραγωγή χαρτών για το ιστορικό των πυρκαγιών και συσχετισμός τους για οπτικοποίηση των τάσεων με την πάροδο του χρόνου κλπ, δίνοντας κοινωνική διάσταση στην επιστήμη αυτή. Αποτελεί, λοιπόν, εργαλείο για τη λήψη αποφάσεων και τη διαχείριση του περιβάλλοντος, το οποίο πρέπει να αξιολογεί την πρόοδο των πολιτικών για το περιβάλλον, να καταγράφει την απόκλιση από τις αναμενόμενες τάσεις και να προσδιορίζει τα αναμενόμενα προβλήματα σε πρώιμο στάδιο (J.F. Handley, 1980). Η διατύπωση των περιβαλλοντικών πολιτικών υποβοηθάται από την τηλεπισκόπηση, διότι αυτή προσδιορίζει τις συνθήκες πίεσης στο φυσικό περιβάλλον. 56 4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ • Vincent V. Salomonson, William Barnes and Edward J. Masuoka, 2005, Introduction to MODIS and an Overview of Associated Activities • Pam Lawhead, Dan Civco και James Campbell, 2002, Remote Sensing Education & Training, Preparing Students for Careers in Remote Sensing Applications • Magner TJ, Salomonson VV, 1991, Moderate Resolution Imaging Spectrometer-Tilt (MODIS-T) • Α. Savtchenko , D. Ouzounov, S. Ahmad, J. Acker, G. Leptoukh, J. Koziana, D. Nickless, 2004, Terra and Aqua MODIS products available from NASA GES DAAC, Advances in Space Reasearch (a COSPAR publication), σελ. 710, σελ 711 • C.O. Justice, J.R.G. Townshend, E.F. Vermote, E. Masuoka, R.E. Wolfe, N. Saleous, D.P. Roy, J.T. Morisette, 2002, An overview of MODIS Land data processing and product status, Remote Sensing of the Environment, σελ. 3 • Barnes, W.L., Pagano, T.S., Salomonson, V., 1998, Prelaunch characteristics of the moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) on EOS-AMI • Salomonson, V. V., Barnes, W. L., Maymon, P. W., Montgomery, H. E., & Ostrow, H., 1989, MODIS: advanced facility instrument for studies of the earth as a system • Richard Barbieri, 1997, Draft of the MODIS Level 1B Algorithm Theoretical Basis Document Version 2.0 [ATBMOD-01], Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod01.pdf, Τελευταία επίσκεψη 29/11/2010 • Vincent V. Salomonson, William Barnes, Jack Xiong, Steve Kempler and Ed Masuoka, 2002, An Overview of the Earth Observing System MODIS Instrument and Associated Data Systems Performance, NASA/Goddard Space Flight Center Greenbelt, Maryland • Lorraine A. Remer, Didier Tanré and Yoram J. Kaufman, Algorithm for Remote Sensing of Tropospheric Aerosol from MODIS: Collection5, Product ID: MOD04/MYD04, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod02.pdf, Τελευταία Επίσκεψη 29/11/2010 • Bo-Cai Gao and Yoram J. Kaufman, The MODIS Near-IR Water Vapor Algorithm Product ID: MOD05 - Total Precipitable Water, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis- atmos.gsfc.nasa.gov/_docs/atbd_mod03.pdf, Τελευταία Επίσκεψη 29/11/2010 • W. Paul Menzel, Richard A. Frey και Bryan A. Baum, Cloud Top Properties and Cloud Phase Algorithm Theoritical Document, Version 8, 2010, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod04.pdf, Τελευταία Επίσκεψη 29/11/2010 57 • Suzanne W. Seemann, Eva E. Borbas, Jun Li, W. Paul Menzel, Liam E. Gumley, MODIS Atmospheric Profile Retrieval Algorithm Theoretical Basic Document, Version 6, 2006, Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies, University of WisconsinMadison, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod07.pdf, Τελευταία Επίσκεψη 29/11/2010 • M.A. Friedl, D.K. McIver, J.C.F. Hodges, X.Y. Zhang, D. Muchoney, A.H. Strahler, C.E. Woodcock, S. Gopal, A. Schneider, A. Cooper, A. Baccini, F. Gao, C. Schaaf, 2002, Global land cover mapping from MODIS: algorithms and early results, Remote Sensing of Environment • Jun Li, W. Paul Menzel, Zhoongdong Yang, Richard A. Frey, Steven A. Ackerman, 2003, HighSpatial-Resolution Surface and Cloud-Type Classification from MODIS Multispectral Band Measurements, Journal Of Applied Meteorology, American Meteorological Society • MODIS Level 3 Atmosphere Products (MOD 08), Cloud and Aerosol Properties and Radiative Energy Fluxes • Aqua / MODIS, Data Products Handbook - Volume 2, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/pdf/MOD_08.pdf, Τελευταία Επίσκεψη 29/11/2010 • Vermote E.F., Nazmi Z. Saleous, Jeffrey L. Privette, Surface Reflectance Earth System Data Record/Climate Data Record White Paper • Dorothy K. Hall, George A. Riggs, Vincent V. Salomonson, 2001, Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD) for the MODIS Snow and Sea Ice-Mapping Algorithms • Zhengming Wan, Yulin Zhang, Qincheng Zhang, Zhao-liang Li, 2002, Validation of the landsurface temperature products retrieved from Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer data • Zhengming Wan, 1999, MODIS Land-Surface Temperature Algorithm Theoretical Basis Document (LST ATBD), Version 3.3, Institute for Computational Earth System Science University of California, Santa Barbara, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod11.pdf, Τελευταία Επίσκεψη 29/11/2010 • Alan Strahler, Doug Muchoney, Jordan Borak, Mark Friedl, Sucharita Gopal, Eric Lambin, and Aaron Moody, 1999, MODIS Land Cover Product Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD) Version 5.0, MODIS Land Cover and Land-Cover Change, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod12.pdf, Τελευταία Επίσκεψη 29/11/2010 • Wim J. D. van Leeuwen, Alfredo R. Huete and Trevor W. Laing, 1999, MODIS Vegetation Index Compositing Approach: A Prototype with AVHRR Data 58 • Alfredo Huete, Chris Justice, Wim van Leeuwen, 1999, MODIS Vegetation Index (MOD 13) Algorithm Theroretical Basis Document, Version 3, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod13.pdf, Τελευταία Επίσκεψη 30/11/2010 • Christopher Justice, Louis Giglio, Luigi Boschetti, David Roy, Ivan Csiszar, Jeffrey Morisette, and Yoram Kaufman, Algorithm Technical Background Document MODIS Fire Products, Version 2.3, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod14.pdf, Τελευταία Επίσκεψη 30/11/2010 • D. L. Verbyla, 2005, Assessment of the MODIS Leaf Area Index Product (MOD15) in Alaska, International Journal of Remote Sensing • Y. Knyazikhin, J.V. Martonchik, R.B. Myneni, D.J. Diner and S. W. Running, 1998, Synergistic algorithm for estimating vegetation canopy leaf area index and fraction of absorbed photosynthetically active radiation from MODIS and MISR data, JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH • Steven W. Running, Ramakrishna Nemani, Joseph M. Glassy, Peter E. Thornton, 1999, MODIS Daily Photosynthesis (PSN) and Annual Net Primary Production (NPP) Product Algorithm Theoretical Basis Document Version 3.0, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod16.pdf, Τελευταία Επίσκεψη 30/11/2010 • George A. Riggs, Dorothy K. Hall and Steven A. Ackerman, Sea Ice Extent and Classification Mapping with the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Airborne Simulator, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis-snow-ice.gsfc.nasa.gov/pap_seaice.html#fig4, Τελευταία Επίσκεψη 30/11/2010 • Crystal B. Schaaf, Feng Gao, Alan H. Strahler, Wolfgang Lucht, Xiaowen Li, Trevor Tsang, Nicholas C. Strugnell, Xiaoyang Zhang, Yufang Jin, Jan-Peter Muller, Philip Lewis, Michael Barnsley, Paul Hobson, Mathias Disney, Gareth Roberts, Michael Dunderdale, Christopher Doll, Robert P. d’Entremont, Baoxin Hu, Shunlin Liang, Jeffrey L. Privette, David Roy, 2002, First operational BRDF, albedo nadir reflectance products from MODIS, Remote Sensing of Environment 83 • Seelye Martin, 2004, An Introduction to Ocean Remote Sensing, Cambridge University Press, ISBN 0 521 80280 6 • Wayne E. Esaias, Mark R. Abbott, Ian Barton, Otis B. Brown, Janet W. Campbell, Kendall L. Carder, Dennis K. Clark, Robert H. Evans, Frank E. Hoge, Howard R. Gordon, William M. Balch, Richard Letelier and Peter J. Minnett, 1998, An Overview of MODIS Capabilities for Ocean Science Observations 59 • Carder K.L., Chen F.R., Cannizzaro J.P., Campbell J.W., Mitchell B.G., 2004, Performance of the MODIS Semi-analytical Ocean Color Algorithm for Chlorophyll-a • Kendall L. Carder, F. Robert Chen, and Steve K. Hawes, 2003, MODIS Ocean Science Team Algorithm Theoretical Basis Document Instantaneous Photosynthetically Available Radiation and Absorbed Radiation by Phytoplankton, Version 7, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod20.pdf, Τελευταία επίσκεψη 02/12/2010 • Howard R. Gordon and William M. Balch, 1999, MODIS Detached Coccolith Concentration Algorithm Theoretical Basis Document, Version 4, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod23.pdf, Τελευταία επίσκεψη 02/12/2010 • Peter J. Minnett, O. B. Brown, R. H. Evans, E. L. Key, E. J. Kearns, K. Kilpatrick, A. Kumar, K. A. Maillet and G. Szczodrak, 2004, Sea-surface temperature measurements from the ModerateResolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) on Aqua and Terra • Otis B. Brown, Peter J. Minnett With contributions from R. Evans, E. Kearns, K. Kilpatrick, A. Kumar, R. Sikorski & A. Závody, 1999, MODIS Infrared Sea Surface Temperature Algorithm Algorithm Theoretical Basis Document Version 2.0, Διαθέσιμο στην ιστοσελίδα http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod25.pdf, Τελευταία επίσκεψη 02/12/2010 • J.F. Handley, 1980, The application of remote sensing to environmental management, International Journal of Remote Sensing ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] http://modis.gsfc.nasa.gov/data/ [2] http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/index.php [3] http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/products.html [4] http://www-modis.bu.edu/brdf/product.html [5] http://news.bbc.co.uk/2/hi/south_asia/8584665.stm 60
© Copyright 2024 Paperzz
