Kaugseire

Kaugseire on eemal asuvate objektide kohta informatsiooni hankimine mittekontaktsete meetoditega. Kõige sagedamini nimetatakse kaugseireks lennukitelt või satelliitidelt tehtavaid elektromagnetkiirguse mõõtmisi, kusjuures mõõdetavad objektid asuvad Maal. Kaugseire on näiteks aerofotode tegemine. Kaugseire on ka sonariga mõõtmine. Astronoomilisi vaatlusi tavaliselt kaugseireks ei nimetata, kuigi ka neis on kasutuses palju maapinna kaugseires kasutatavaid meetodeid.

Kaugseire jaguneb passiivseks ja aktiivseks kaugseireks. Passiivsed andurid püüavad looduslikku kiirgust, mis on kiirgunud või peegeldunud uuritavatelt objektidelt või nende lähiümbrusest. Peegeldunud päikesekiirgus ja maapinna (veepinna) soojuskiirgus on kõige tavalisemad passiivsete anduritega mõõdetavad kiirgusliigid. Passiivsed andurid on kasutusel näiteks fotograafias, infrapunakiirguse mõõtmiseks, CCD ja radiomeetrid. Aktiivse kaugseire korral sondeeritakse objekti mõõduriistast (skannerist) välja kiiratava energiaga. Andur tuvastab ja mõõdab kiirgust, mis on uuritavalt objektilt tagasi peegeldunud või hajunud. Radar ja LIDAR on näited aktiivsetest kaugseire meetoditest, kus mõõdetakse aega kiirgusimpulsi väljasaatmise ja objektil hajunud kiirguse tagasijõudmise vahel, võimaldades teavet objekti asukoha, liikumiskiiruse ja suuna kohta.

Andmekogumistehnikad

Radar seondub tavaliselt õhuliikluse juhtimisega, eelhoiatamisega ja meteoroloogiliste andmetega. Doppleri radarit kasutab politsei selleks, et mõõta sõidukite kiirust, ning ilmajaamad tuule suuna ja kiiruse mõõtmiseks. Teised aktiivse seire tüübid kasutavad ionosfääris olevat plasmat. Interferomeetrilist radarit kasutatakse kõrguse täpse digitaalse mõõtmise jaoks suurtel maa-aladel.

Laserikiirt kasutatakse keemiliste ainete kontsentratsiooni mõõtmiseks atmosfääris. Laserkaugusmõõtjaga (lidariga) mõõdetakse kaugust eemalasuva objektini. Lennukitel ja satelliitidel kasutatakse laserskannerit, mis on loomult kiirestitöötav kaugusmõõtja, millega skaneeritakse mingit vaatesuundade piirkonda. Lennuki-laserskannerite üks põhilisi rakendusi on taimestiku kaugseire. Laser- ja radarkõrgusmõõturid satelliitidel on andnud suurel hulgal andmeid. Gravitatsiooni põhjustatud kühmusid mõõtes kaardistatakse merepõhjas olevaid pinnakonarusi 1,7-kilomeetrise lahutusvõimega.

Radiomeetrid ja fotomeetrid on kõige tavalisemad instrumendid, mida kasutatakse peegeldunud kiirguse ja kiiratud kiirguse registreerimiseks laias sageduste vahemikus. Kõige tavalisemad on nähtava ja infrapunakiirguse andurid, neile järgnevad mikrolaineid, gammakiirgust ja harva ka ultraviolettkiirgust registreerivad seadmed. Neid võib kasutada kemikaalide emissioonispektri tuvastamiseks, saades teavet nende kontsentratsioonide kohta atmosfääris.

Multispektraalne analüüs tähendab, et uuritavaid alasid vaadeldakse samal ajal mitmes spektripiirkonnas. Kaugseiresatelliitide multispektraalsed skannerid registreerivad maapinnalt peegeldunud kiirgust mitmes kitsasribafiltritega eraldatud lainepikkuste vahemikus samaaegselt. Mitme korraga töötava spektraalkanaliga satelliidid on olnud kasutusel juba alates 1970-ndatest. Nad teevad pilte elektromagnetkiirguse eri lainepikkustel ja on kasutusel maa vaatlemiseks, sealhulgas Landsati ja IKONOSe programmis ja ESA Maa seire programmis Copernicus. Maa pinnakattetüüpide ja maakasutuse kaartide põhjal saab teha teemakaardid, mis näitavad näiteks mineraalide kasutamisvõimalust, võimaldavad uurida ja jälgida raiet, taimestikku ja saaki, sealhulgas põllumajandusalasid ja metsi.

Hüperspektraalne analüüs on multispektraalse analüüsi erijuht, kui spektraalkanalite arv on suur (mitukümmend kuni mõnisada) ja katab ühtlaselt kogu vaadeldava spektripiirkonna. Hüperspektraalset kujutamist kasutatakse mineraloogias, bioloogias, riigikaitses ja keskkonnauuringutes.

Stereofotograafiat ja aerofotosid kasutatakse topograafiliste kaartide tegemiseks. Kujutlusvõimet rakendades ja maastikku analüüsides otsustab maanteeamet võimalikud rajatavate teede asukohad.

Sonar võib olla nii aktiivne kui passiivne. Passiivne sonar on teiste objektide (vaala, laeva jms) tekitatud helide kuulamiseks. Aktiivne sonar saadab ise helisignaali välja ja registreerib kaja. Aktiivset sonarit kasutatakse veealuste objektide avastamiseks ja maastiku mõõdistamiseks.

Eri kohtadest saadud seismogrammid annavad teavet maavärinate toimumiskoha ja võimsuse kohta pärast toimumist, kui võrrelda nende suhtelist võimsust ja ajastust.

Koordineerides suuremat uurimissüsteemi, sõltub suurem osa seiresüsteeme järgmistest teguritest: platvormi asukoht, kellaaeg ja anduri vaatesuuna muutmise võimalus. Tänapäevased instrumendid kasutavad navigeerimissüsteemi abil positsioneerimist. Elektroonilised kompassid määravad pöörlemise ja suuna sageli kraadi või paari täpsusega. Kompassid mõõdavad asimuuti, aga ka kõrgust (kraade üle horisondi), kuna magnetväli kaardub Maa sisemusse eri kõrgustel eri nurkade alt. Täpsemad suunamised vajavad güroskoobi abi, neid kohandatakse regulaarselt eri meetoditega, sealhulgas navigeerimisel tähtede ja muude orientiiride järgi.

Andmetöötlus

 
Kaugseire töötab pööratud probleemi põhimõttel. Kui huvipakkuvat objekti või nähtust ei saa otse mõõta, on sageli võimalik mõõta mingeid muid sellega seotud objekte ja nähtusi ning huvipakkuva objekti kohta andmeid saada mõõdetud andmeid töödeldes. Tavaline analoog on looma äratundmine tema jalajälgede põhjal. Näiteks kuni pole võimalik otse mõõta ülemiste atmosfäärikihtide temperatuuri, saab seda teha, mõõtes spektraalset emissiooni tuntud aines (näiteks süsihappegaasis) selles piirkonnas. Emissiooni sageduse saab siis seostada temperatuuriga selles piirkonnas termodünaamiliste suhete kaudu.

Kaugseire lahutusvõime mõjutab andmete kogumist. Väiksema lahutusvõimega saame vähem detaile ja suurema katvuse, suurema lahutusvõimega rohkem detaile ja väiksema katvuse. Kogutud andmete oskusliku haldamise korral on võimalik mõne valdkonna hinnapoliitikat tõhustada. Kuid vältida tuleb niisuguseid olukordi, kus suure lahutusvõimega uuringute andmed kipuvad ülekande- ja mäluseadmeid ummistama. Kaugseire andmete kvaliteet sõltub ruumilisest, spektraalsest, radiomeetrilisest ja ajalisest lahutusvõimest.

Ruumiline lahutus on piksli suurus, mis on salvestatud rasterpilti. Tüüpiliselt võivad pikslid vastata ruudule, mille küljepikkus on 1–1000 meetrit.

Spektraalne lahutus on kiirgussensori tundlikkuse sageduste (lainepikkuste) vahemik. Filterradiomeetris määrab spektraalse lahutuse kiirgusdetektori tundlikkuse piirkond ja filtri läbilaskeriba lainepikkuste vahemik. Spektromeetri spektraalse lahutuse määravad dispergeeriva elemendi tüüp (prisma või difraktsioonivõre), sisendpilu laius ning kiirgusdetektorite arv ja mõõtmed. Uusim Landsat võimaldab pildistada 7 spektripiirkonnas, sealhulgas mitmes infrapunase kiirguse piirkonnas, spektraalse lahutus jääb vahemikku 0,07–2,1 μm.

Radiomeetriline lahutus näitab, kui mitut signaalitaset suudab andur eristada. Tavaliselt jääb see 8–14 biti vahele, millele vastavad 256 kuni 16 384 intensiivsuse taset igas spektriribas. Radiomeetriline lahutus oleneb ka instrumendi müratasemest.

Ajaline lahutus on satelliitide või lennukite kordusmõõtmiste vaheline ajavahemik. See on oluline ajaliste muutuste uuringutes ja sellistes uuringutes, mis nõuavad tavalist või mosaiikpilti, nagu raie monitooring. Korduspildistamist kasutati esimesena luures, et tuvastada muutusi infrastruktuuris, üksuste ümberpaigutamist positsioonidel või muudatusi varustuses. Lisaks satelliitide ülelennu intervallile mõjutab kaugseire ajalist lahutust pilvkate.

Anduripõhiste kaartide loomiseks ekstrapoleerib enamik kaugseiresüsteeme andmeid mingi etalonpunkti suhtes, võttes arvesse maapinnal teadaolevate punktide omavahelisi kaugusi. See oleneb kasutatava anduri liigist. Näiteks tavalises fotograafias on kaugused pildi tsentris täpsed, mõõdete moonutused suurenevad pildi ääre suunas. Filmi pinna kõverdumine on veel üks asjaolu, mis põhjustab vigu fotodelt kauguste mõõtmisel. See probleem lahendatakse georeferentsiga, mis hõlmab punktide sobitamist arvuti abil (tavaliselt 30 või rohkem punkti pildi kohta), mis ekstrapoleeritakse orientiiri suhtes, "koolutades" pilti nii, et saadakse täpne ruumiline andmestik. Alates 1990. aastatest on müüdavad satelliidipildid täielikult geograafiliselt seotud. Lisaks võivad pildid vajada radiomeetrilist ja atmosfääri-korrektsiooni.

Radiomeetriline korrektsioon annab pikslite väärtuste skaala, nt monokromaatiline skaala 0–255 teisendatakse kiirguse energeetilistesse väärtustesse.

Atmosfäärikorrektsioon tähendab seda, et atmosfääri panus registreeritud signaali elimineeritakse. Atmosfääri mõju kaugseiresignaali on kahetine. Atmosfääris sensori suunas hajunud kiirgus lisandub objektil hajunud kiirgusele. Osa objektil hajunud kiirgusest kas neeldub või hajub atmosfääris ning ei jõua sensorisse.

Tõlgendamine on oluline osa andmete mõistmisest. Piltide analüüs on visuaalne ning üha suuremas ulatuses arvutite abil automaatne.

Kaugseireandmete rakendamine

Maapinna ja atmosfääri seire

Kaugseire võimaldab ohtlikest ja ligipääsmatutest kohtadest ning suurtelt aladelt andmeid koguda. Muu hulgas saab teavet metsaraie kohta Amasoonias, jääliustike liikumisest ja ookeanide sügavusest. Sõjaliste konfliktide korral kasutatakse kaugseiret vaenlase territooriumi kohta andmete saamiseks. Kaugseire asendab kallid ja aeglased andmekogumissüsteemid maapinnal, tagades piirkonna puutumatuse.

Orbiidil olevad platvormid koguvad ja edastavad andmeid elektromagnetkiirguse spektri eri osadest. See annab teadlastele võimaluse uurida suuremaid süsteeme, nagu El Niño ja hoovused ookeanides, pilvesüsteemid ja keerised atmosfääris jms. Lisaks eelnimetatud valdkondadele kasutatakse kaugseiret ka mujal maateadustes, põllumajanduses maakasutusel.

Satelliitide, lennukite, kosmoselaevade, poide, laevade ja helikopterite abil kogutakse andmeid ja tehakse pilte, mille abil saab analüüsida ja lihtsalt võrrelda vegetatsiooni, erosiooni, saastatust, metsastumist, ilma ja maakasutust. Kõike seda saab kaardistada ja edaspidigi jälgida. Kaugseire on kasulik ka linnaplaneerimisel, arheoloogilistel kaevamistel, sõjalistel vaatlustel ja geomorfoloogilistel mõõdistustel.

Võitluses kõrbestumise vastu annab kaugseire võimaluse jälgida riskipiirkondi pikas perspektiivis, et teha kindlaks kõrbestumise tegurid, toetada otsustajaid asjakohase teabega keskkonnajuhtimises ja hinnata nende tegurite mõju.

Geodeesia

Kaugseiret kasutatakse õhust allveelaevade avastamiseks ja gravitatsiooniliste andmete lisamiseks sõjaväe kaartidele. Need andmed paljastasid mitu hälvet Maa gravitatsiooniväljas. Neid hälbeid kasutatakse Maa massi jaotumise muutuste kindlakstegemiseks, mis annab teavet geoloogiliste uurimuste tarvis.

Ajalugu 
Kaugseire vanimaks vormiks saab pidada aerofotograafiat, mis sai alguse kaamera leiutamisega. Esimesed edukad fotod valmistas 1800. aastate alguses prantslane Nicéphore Niépce. 28. juulil 1858 jäädvustas esimese aerofoto prantslane Gaspard-Félix Tournachon (pseudonüümiga Nadar). Ta pildistas Pariisi taevalaotusse tõusva kuumaõhupalli Le Géant korvist. Foto ei ole säilinud. Vanima säilinud aerofoto tegi 1860. aastal Bostonis James Wallace Black. Nadari varaseim säilinud õhupilt tehti õhupallilt Pariisi kohal 1866. aastal. 20. sajandi alguses jäädvustati kaugseirega pilte tuulelohede ja tuvidele paigaldatud kaameratega. Euroopas kasutati postituvisid juba sõjalises suhtluses ja õhuluures. Lindude külge kinnitati väikesed kerged kaamerad ja fotod tehti automaatselt ajastusmehhanismi abil. 1906. aastal kasutas fotograaf George Lawrence tuulelohesid, et tõsta 49-naelane kaamera 1000 jala kõrgusele õhku, jäädvustades San Francisco maavärina laastamistööd. Terasest tuulelohe nöör kandis katiku kaugkäivitamiseks elektrivoolu. Esimesed lennukist tehtud aerofotod tegi Wilbur Wright 1909. aastal. 

Süstemaatiline aerofotograafia ja kaugseireprogrammide algatus tuli sõjandusfäärist seire ja luure eesmärgil ning jõudis haripunkti külma sõja ajal. Sõjalised luurelennud Esimeses ja veelgi enam Teises maailmasõjas edendasid märgatavalt aerofotograafia tehnoloogiat ning saadud kaugseirepiltide kasutamise oskust. 1960. aasta aprillis, 2,5 aastat pärast esimese Maa tehiskaaslase orbiidile saatmist alustas USA oma esimest keskkonnaseire satelliidiprogrammi TIROS (Television InfraRed Observation Satellite), läkitades orbiidile satelliidi TIROS -1. Tekkis Maa pilveväljade pildistamise võimalus ning antud satelliit oli ühtlasi esimene meteoroloogiasatelliit. Praeguse maismaa ja merepinna kaugseire ajastu alguseks võib pidada satelliidiseeria Landsat esimese skanneri Landsat Multispectral Scanner (MSS) orbiidile saatmist 1972. aastal. Kaugseirepilte tehti neljas spektripiirkonnas, mille valikul arvestati värvifotograafiast saadud kogemusi. Tolleaegse mõõdupuu järgi olid pildid küllaltki suure ruumilise lahutusvõimega (80 m) ning katsid suure ala (185*185 km maapinnal). Maapinnal asuvate samade paikade korduspildistamine toimus iga 18 päeva tagant. 

Kaugseire mõiste võeti kasutusele 1960. aastatel. Kaugseire ajaloo võib jagada kaheks perioodiks: kosmose-ajastule eelnev aeg (kuni aastani 1960) ning sellele järgnev periood. Neid kahte periood on võrrelnud Robert N. Colwell, kes tõi välja mitmeid erinevusi. Kosmoseajastule eelneval ajal domineerisid ühte tüüpi ning ühekordselt pildistatud aerofotod, mis olid põhiliselt lennukitelt pildistatud. Alates 1960ndatest toimus tehnika areng ning võeti aina enam kasutusele mitut tüüpi ning erinevatel aegadel korduspildistatud kaugseireandmeid. Kosmoseajastule eelneval ajal kaugseires oli põhiliseks analüüsi viisiks pildi visuaalne interpreteerimine ning fotointerpreteerimise võtteid kasutati sagedasti. Tänaseks on valdav pildi programne analüüs ning fotointerpreteerimise võtteid kasutatakse harvem. Üheks erinevuseks mõlema perioodi vahel on ka suhted militaar- ja tsiviilkaugseire omavahelistes suhetes, mis algselt olid suhteliselt head ning pärast 1960ndaid muutusid keerulisemaks.

Kaugseire Eestis 
Eestis on kaugseire seatud kosmosevaldkonna arendamisel üheks prioriteediks nii kosmosepoliitika töögrupi kui ka kosmoseasjade nõukogu heakskiidul.

Teaduspotentsiaal Eesti teadus- ja arenduskeskustes ning ettevõtetes katab kõik peamised keskkonnaga seotud valdkonnad ja Eesti jaoks kõige olulisemad rakendused veekogude, metsanduse, põllumajanduse, atmosfääri uuringutes ja seires. 

Kaugseire arendustöödega on tegelenud Tartu Observatooriumi taimkatte töörühm ja Tartu Ülikooli ökoloogia ja maateaduste instituut. Selle käigus on täiendatud taimkatte kaugseire metoodikat ja töötatud välja tarkvara, mis võimaldab hinnata vabalt valitud satelliidipildi elemendi takseertunnuseid statistiliseks metsainventeerimiseks (kNN-meetod). Andmetena kasutatakse seejuures nii kontaktmõõtmisi kui ka mitmesuguste satelliitsensorite pilte. Samuti arendatakse edasi aastail 1996–2002 läbiviidud keskmisemõõtkavaliste satelliitpiltide põhjal teostatud maastike kaugseire metoodikat. 

Rannikumere kaugseire on riikliku seireprogrammi osa alates 2005. aastast ja seda teostab Tartu Ülikooli Eesti mereinstituut. Programmi põhieesmärgid on välja töötada ja rakendada meetodid Läänemere ning suurte järvede vee omaduste määramiseks, põhjataimestiku katvuse ja liigilise koosseisu hindamiseks ning sinivetikate õitsengute tuvastamiseks. 

Kaugseirega tegelevad Eestis:

 Tartu Ülikooli Tartu observatooriumi taimkatte-, atmosfääri-, radar- ja veekogude kaugseire
 Tartu Ülikooli ökoloogia ja maateaduste instituudi geoinformaatika ja kartograafia õppetool
 Tartu Ülikooli füüsika instituudi atmosfäärifüüsika labor
 Tartu Ülikooli Eesti mereinstituudi kaugseire ja mereoptika osakond
 Tallinna Tehnikaülikooli meresüsteemide instituut
 Eesti Maaülikooli põllumajandus- ja keskkonnainstituut
 Eesti Maaülikooli metsandus- ja maaehitusinstituudi geomaatika õppetool
 Kappazeta
 KAUR, Riigi Ilmateenistus
 Maa-amet

Vaata ka
 Eesti tudengisatelliit
 Satelliidifoto
 Maa tehiskaaslaste loend

Viited

Kirjandus 
 U. Veismann. Keskkonna kaugsondeerimine. Eesti Merehariduskeskus. Tartu Ülikooli Keskkonnafüüsika Instituut, Tallinn 1994.
 T. Nilson. Metsade kaugseire alused. Eesti Metsaamet, Eesti Põllumajandusülikool, Metsakorralduse Instituut, Tartu 1994.
 Kaugseire Eestis. Artiklikogumik. Tartu Observatoorium, Keskkonnaministeeriumi Info- ja Tehnokeskus, Tallinn 2008
 Kaugseire Eestis 2014. Artiklikogumik. Tartu Observatoorium, Keskkonnaagentuur, Tallinn 2014
 Lang, M., Kaha, M. Arumäe, T. (2018). Kaugseire praktilised metsanduslikud rakendused – puistute liigilise koosseisu kaardistamine ja harvendusraiete tuvastamine. Kaugseire Eestis 2018, toimetajad Urmas Peterson ja Tiia Lillemaa. ISSN 2382-7661. Tartu Ülikooli Tartu observatoorium.

Geoinformaatika
Kosmonautika