MERIS

Missioon

Üleüldiseks MERIS-e missiooniks võib lugeda suurt panust teadusprojektidesse, mille eesmärk on mõista ookeani ja selle produktiivsuse rolli kliimasüsteemis, võttes vaatluse alla vee värvuse ja võimaldades neid andmeid kasutades prognoosida mudelite abil mitmesuguseid muutusi. Samuti võimaldab missioon meil paremini aru saada pilvede, veeauru, aerosoolide ja muude atmosfäärinäitajatega seotust, pakkudes lisaks ka informatsiooni maapinna parameetrite, sealhulgas eriti vegetatsiooniprotsesside kohta.

Atmosfäär

Atmosfäärialastele uuringutele, eriti just kiirguslikku tasakaalu puudutavate küsimuste lahendamisele aitab kaasa informatsioon pilve ülemise pinna kõrguse ja nende optilise paksuse, veeauru hulga, kui ka aerosooli omaduste kohta. Ja olgugi, et tegu on oluliste geofüüsikaliste parameetritega, on veekaugseire alaste uuringute tarbeks vajalik atmosfääri mõju eemaldamine. Korrektsioonid hõlmavad nii Rayleigh' komponendi kui ka aerosoolide neeldumise ja hajumisega seotut.

Taimkate

Praegu tegeletakse ka ruumiliste ja ajaliste biosfäärimudelite arendamisega, et mõista selliste keeruliste süsteemide mehhanisme ja paremini ennustada nende käitumist muutuvate keskkonnatingimuste taustal. Need mudelid põhinevad füüsikalistel ja biofüüsikalistel suhetel, mida valideeritakse regulaarselt, kasutades satelliitidelt saadavat andmestikku. Korduvad ja täpsed füüsikalised mõõtmised on vajalikud nii kvantitatiivsel kui ka kvalitatiivsel tasandil, et arendada meie teadmisi hooajalise vegetatsiooni dünaamika ja mitmetele keskkonnastressiteguritele reageerimise osas.

Skaneerimismeetodid

Eristatakse kahte skaneerimismeetodit: liikumissuunaga risti ja liikumissuunas. Esimesel juhul salvestatakse kujutis rida-realt. Read on platvormi liikumissuunaga risti. Iga rea skaneerimisel muudetakse pööratava peegli abil kiirgusvastuvõtjale nähtavat ala ühest servast teiseni. Kui platvorm liigub Maa suhtes, siis moodustavad järjest skaneeritud read kahemõõtmelise kujutise Maa pinnast. Kiirgusvastuvõtjasse jõudev signaal lahutatakse prismade, filtrite või erineva tundlikkusega vastuvõtjate abil komponentideks – eraldi kanaliteks. Sel viisil saadaksegi UV-, nähtava, lähisinfrapunase või soojuskiirguse kujutised vastavalt lainepikkustele. Kiirgusvastuvõtjas tekkiv elektrilaeng teisendatakse digitaalnumbriteks, mida on võimalik seejärel kergesti arvuti abil töödelda. Kuna sensor ei suuda pildi servaalasid piisavalt hästi skaneerida, tekivad geomeetrilised moonutused. Samuti on ka aeg, mille jooksul sensori hetkevaateväljas olevalt alalt pärinevat signaali registreeritakse, väga lühike. See avaldab aga mõju skanneri erinevatele lahutusvõimetele.
MERIS-e näol on aga tegu niinimetatud harjasskanneriga (push-broom sensor), mille puhul toimub järjestike ridade ja seeläbi kahemõõtmelise kujutise salvestamine liikumissuunas. Erinevalt risti skaneerivast seadmest, kasutatakse selle puhul optikasüsteemi fookustasandile paigutatud pikka tajurite jada, mida "tõugatakse" piki liikumissuunda. Kujutise saamine on analoogne põrandal harja liigutamisega. Iga üksik tajur mõõdab ainult ühe maapinnal oleva pildiosakese signaali ning tajuri ja tema hetkevaatevälja suuruse põhjal määratakse süsteemi ruumiline lahutusvõime. Iga salvestatava kanali jaoks peab olema eraldi tajurite massiiv ning iga pildirea signaal kogutakse kokku, teisendatakse digitaalnumbriteks ja salvestatakse. Pikisuunas skaneerimisel on ristsuuna ees mitmeid eeliseid. Lohistamismeetodil edasiliikumine võimaldab iga punkti maapinnal jälgida kauem, mille käigus suudetakse koguda rohkem energiat ja tagada parem radiomeetriline lahutusvõime. Suurem hulk energiat aga võimaldab teha vaatlusi kitsamas lainepikkuste vahemikus ja saada seeläbi parem spektraalne lahutus. Süsteemil puuduvad ka liikuvad osad, mistõttu on see odavam ja väiksem, nõudes vähem energiat ja on pikema tööeaga. Suureks miinuseks konkreetsete sensorite puhul on aga individuaalsete tajurite varieeruv tundlikkus.

Vaateväli

Instrumendil on nadiiri suhtes 68,5° vaatenurk ja see teeb pildilaiuseks 1150 km. See lai vaateväli on jagatud viie optiliselt identse mooduli vahel, mis on alusele paigutatud lehvikukujuliselt. Kalibreerimismoodulis leiab aset esmase salvestatud andmestiku korrektsioon.

Ruumiline lahutus

MERIS-elt on võimalik saada kahesuguse lahutusega pildimaterjali. Täieliku ruumilise lahutusega (300 m nadiiris) info edastatakse rannikualade ja maa kohalt. Vähendatud lahutusega andmestik saadakse 4x4 CCD piksli (kogutakse lennu suunas ja sellega ristuvas suunas) omavahelise kombinatsioonina ja salvestatakse jooksvalt pardal.
MERIS spektromeeter kasutab kahemõõtmelist CCD-d. Kujutis saadakse maatriksi valgustundlike elementide abil. Maatriksi moodustamiseks kasutataksegi CCD- (charge-coupled device) vastuvõtjaid. See kujutab endast pooljuhtseadet, mis koosneb tuhandetest ühesugustest elementidest järjestikühenduses. Igas elemendis tekivad valguse toimel laengud. Kahemõõtmelise maatriksi korral salvestatakse kogu kujutis üldiselt korraga. CCD read koguvad ruumilised andmed risti lennusuunaga, samal ajal kui satelliidi liikumine tagab skaneerimise lennusuunas. Vastuvõtjasse saabunud signaalid läbivad mitmeid töötlusetappe, et saavutada soovitud pildi kvaliteet. Need hõlmavad soovimatute kanalite registreeritud informatsiooni eemaldamist ja samas ka spektraalset integratsiooni, et kätte saada vajalik kanali laius. Enne andmete digiteerimist toimub platvormil analoogsete elektronide poolt läbiviidav signaali eelvõimendus, mis lubab teha esmaseid korrelatsioone varem salvestatud andmete põhjal ja täpsustada kõrvalekaldeid. Säärane kalibreerimine leiab aset siis, kui satelliit on jõudnud orbiidi lõunapoolusele.

Radiomeetriline lahutus

Sensori tundlikkust erinevate elektromagnetkiirguste suhtes kujutise jäädvustamisel nimetatakse radiomeetriliseks lahutuseks. Oluline on tagada tundlikkus energiatasemete väikeste erinevuste suhtes. Mida suurem on konkreetne lahutusvõime, seda rohkem suudab sensor erinevaid energiatasemeid peegeldunud või kiiratud signaalis eristada. Pildi heledustasemete arv sõltub sellest, kui pikka bittide jada piltide salvestamiseks kasutatakse. MERIS-e radiomeetriline lahutus on 16 bitti.

Spektraalne lahutus

15 spektraalkanalit on varieeritavad positsioonis ja laiuses eelpoolmainitud spektraalvahemikus (390–1040 nm). MERIS on disanitud viisil, mis lubab saada informatsiooni üle kogu maakera, juhul kui valgustustingimused on vastavad.
Spektraalse kanali laius on tegelikkuses varieeritav vahemikus 1,25–30 nm, sõltudes vaadeldava objekti parameetritest ja energiakogusest, mis on konkreetse kanali jaoks vajalik, et sooritada adekvaatne vaatlus. Avaookeani puhul on keskmine väärtus 10 nm ringis, kehtides nähtava lainepikkusega spektraalvahemikus paiknevate kanalite jaoks. Seevastu hapniku neeldumisele vastav kanal 760 nm juures vajab laiuseks 3,75 nm.

Ajaline lahutus

Sensori ajaline lahutus on kaks kuni kolm ööpäeva, mis tähendab, et andmeid saadakse ühe konkreetse piirkonna kohta iga kahe-kolme päeva tagant.

MERIS-e ja Sentineli seeria satelliidid

ESA tegeleb praegu viie uue missiooni arendamisega, mis kõik kannavad ühist nime Sentinel. Eesmärk ei ole asendada või dubleerida neid satelliite, mida parasjagu rahvusvaheliste projektide käigus kavandatakse. Iga Sentineli missioon põhineb kahe satelliidi konstellatsioonil, et tagada täiendatud katvuse nõuete täitmisega suurem andmestik GMES-ile. Sentinel-3 põhiliseks ülesandeks on saada häid tulemusi merepinna topograafia kohta, saada infot mere- ja maapinna temperatuuri ning värvuse kohta, et parendada ilmaennustussüsteeme (eriti ookeanide kohal), kliima- ja keskkonnaseiret. Muuhulgas sisaldab satelliit sellist instrumenti nagu OLCI (An Ocean and Land Colour Instrument), mis pärineb ENVISAT satelliidi pardal olevast MERIS spektromeetrist. Uuel instrumendil on aga 15 spektraalkanali asemel 21 kanalit, et minimeerida päikesehelgi mõju, ning 300-meetrine ruumiline lahutus kõikide pindade suhtes. OLCI märgib uut maa- ja ookeaniseire generatsiooni.

MERIS ja Eesti

Kuna MERIS tulemid annavad üsna head informatsiooni rannikumerede ja ka suuremate siseveekogude kohta, siis on sensori tulemid leidnud kasutust just meie kahe suurima järve Peipsi ja Võrtsjärve kvaliteedi uurimisel. Tegemist on Case II vete hulka kuuluvate veekogudega, mille puhul atmosfääri ja vee optilised omadused on keerukamad ning on tõestatud, et MERIS tuleb sel juhul võrdlemisi edukalt toime vee peegeldumisspektri mõõtmisega. MERIS-e 1200 m lahutusega pildilt on lisaks neile kahele suurele järvele ja Narva veehoidlale näha ka 14 väiksemat siseveekogu, kuid MERIS-e standardtöötlused annavad tulemusi vaid Peipsi ja Võrtsjärve korral,sest teiste vete puhul on naabruspikslite mõju liiga suur. Samuti räägivad nende kasuks ka rannajoone homogeensus ja kontaktmõõtmiste käigus kogutud piisav andmebaas, mille puhul on võimalik satelliidipiltide kalibreerimine. Kuna nii Peipsi järves kui väiksemates veekogudes esineb sesoonseid muutusi optiliselt aktiivsete ainete osas, toob see kaasa vajaduse lokaalsete algoritmide järele. MERIS-e klorofülli tulemid on küll võrdlemisi hästi rakendatavad suuremate siseveekogude puhul, kuid vajavad parandamist.