MERIS

MERIS (inglise keeles The MEdium Resolution Imaging Spectrometer) on üks põhilisemaid Euroopa Kosmoseagentuurile (ESA) kuuluvaid instrumente ENVISAT-satelliidi pardal. Satelliit startis kosmosesse 1. märtsil 2002 ja liigub mööda päikesesünkroonset orbiiti 800 km kõrgusel. Tegemist on eelkõige veekogude seireks konstrueeritud sensoriga, mis annab muuhulgas häid tulemusi ka taimkatte ja atmosfääriparameetrite kohta. MERIS-el on kõrge spektraalne ja radiomeetriline lahutus ja kaheruumiline lahutus. Spektraalkanalite paiknemine, laius ja valik muudavad sensori seiratavate keskkondade suhtes paindlikumaks. 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. Sensori kogutav andmestik võimaldab saada teavet ookeani ülemistes kihtides detekteeritavate veekvaliteedi näitajate kohta, milleks on: fotosünteetilist potentsiaali ilmestav fütoplanktoni (pigment klorofüll Chl) kogus; värvunud lahustunud orgaaniline aine (CDOM); resuspendeerunud või jõgedega sissekantud setted, mis moodustavad vees mineraalse hõljumi (TSM). Tegemist on optiliselt aktiivsete ainetega (OAA-d), millel on nähtavas elektromagnetlainete spektripiirkonnas vastavad neeldumis- ja hajumispiirkonnad, mis võimaldab neid seeläbi veekogust tuvastada. Ookeanivees on neid veekvaliteeti peegeldavaid ühendeid võrdlemisi lihtne kaugseire abil tuvastada, seda ka seetõttu, et suuremalt jaolt leidubki seal fütoplanktonit, mida on kerge tuvastada klorofülli pigmendi sisalduse järgi. Samas rannikumered ja suuremad siseveekogud on optiliselt paljud keerukamad, kuna lisaks klorofüllile mängivad seal suurt rolli ka orgaaniline aine ja muu hõljum. Nende tuvastamine ja sealhulgas kontsentratsiooni täpne määramine võib olla raskendatud ning tihti võib esineda ühe aine ülehindamist teise suhtes. Lisaks on võimalik jälgida ka näiteks saastunud ala laienemise kulgu ja topograafiliste vaatluste abil hinnata kaldaerosiooni ulatust. 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 uuringute tarbeks vajalik atmosfääri mõju eemaldamine. Korrektsioonid hõlmavad nii Rayleigh' komponendi kui ka aerosoolide neeldumise ja hajumisega seotut. 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. 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 eri tundlikkusega vastuvõtjate abil komponentideks – eraldi kanaliteks. Sel viisil saadaksegi UV-, nähtava, lähiinfrapunase 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. 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. 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 eelvõimendatakse signaali platvormil analoogsete elektronide poolt, mis lubab teha esmaseid korrelatsioone varem salvestatud andmete põhjal ja täpsustada kõrvalekaldeid. Säärane kalibreerimine leiab aset siis, kui satelliit on jõudnud orbiidi lõunapoolusele. 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 eri energiatasemeid peegeldunud või kiiratud signaalis eristada. Pildi heledusastmete arv sõltub sellest, kui pikka bittide jada piltide salvestamiseks kasutatakse. MERIS-e radiomeetriline lahutus on 16 bitti. 15 spektraalkanalit on varieeritavad positsioonis ja laiuses eelpoolmainitud spektraalvahemikus (390–1040 nm). MERIS on tehniliselt lahendatud viisil, mis lubab saada informatsiooni üle kogu maakera, juhul kui valgustustingimused on vastavad. Spektraalse kanali laius on praktikas 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. Sensori ajaline lahutus on kaks kuni kolm ööpäeva, mis tähendab, et andmeid saadakse ühe konkreetse piirkonna kohta iga kahe-kolme päeva tagant. Vastavalt MERIS-e andmestikule on võimalik eristada kolme tulemit: Level 0, Level 1, Level 2 ja Level 3. L0 tulemid hõlmavad pidevalt genereeritavat ja arhiveeritavat algset materjali järgmiste tasandite tarbeks nii täis- kui ka taandatud resolutsioonis. L1 tulemid sisaldavad infot atmosfääri ülapiiri kirkuse kohta, mis on saadakse 15 spektraalkanalis. L2 tulemid annavad informatsiooni geofüüsikaliste suuruste kohta, mis varieeruvad vastavalt seiratavatele aladele (maa, ookean või pilved). Lisaks sisaldavad L1 ja L2 tasandid ka geomeetrilist informatsiooni, mis peaks tagama kujutise asukoha täpsed koordinaadid, Päikese vaategeomeetriaga seotud andmestiku, pinnareljeefi kõrguse, meteoroloogilisi andmeid, skaleerimisfaktoreid. Eristatakse veel ka L3 (Level3) tulemit, mis kujutab endast kombinatsiooni rohkem kui ühest MERIS-e tulemist ja üldjuhul ka lisaandmestikust, et anda mitmesuguste geofüüsikaliste suuruste kohta informatsiooni pikema ajaperioodi vältel. 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. 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. Envisat Kaugseire MODIS Tehiskaaslane Satelliidifoto ESA koduleht, https://web.archive.org/web/20100519172209/http://envisat.esa.int/earth/www/object/index.cfm?fobjectid=1665&contentid=3744. Vaadatud: 29.10.11 Canada Center of Remote Sensing, Fundamentals of Remote Sensing. Tõlkinud Mait Lang (Tartu, 2006) ESA, MERIS Product Handbook. (2007), http://earth.esa.int/pub/ESA_DOC/ENVISAT/MERIS/meris.ProductHandbook.2_1.pdf. Vaadatud: 29.10.11 Rees, G., W. (1990), Physical Principles of Remote Sensing. (University Press, Cambridge) ESA, Sentinels overview, http://www.esa.int/esaEO/SEMTOMASS2G_index_0_m.html. Vaadatud: 01.11.11 Kaugseire Eestis. Artiklikogumik. (2008). K. Alikas, A. Reinart, Kaugseire kasutamise võimalused siseveekogude seireks. ESA koduleht