Kaugseire

Kaugseire on eemal asuvate objektide kohta informatsiooni hankimine mittekontaktsete meetoditega. Infot saadakse peegeldunud või emiteeritud (kiiratud) elektromagnetkiirguse jälgimise, salvestamise, teisendamise, analüüsi ja info kasutamise abil. Kõige sagedamini nimetatakse kaugseireks lennukitelt või satelliitidelt tehtavaid elektromagnetkiirguse mõõtmisi, kusjuures mõõdetavad objektid asuvad Maal. Kaugseire on näiteks aerofotode tegemine ja sonariga mõõtmine. Astronoomilisi vaatlusi tavaliselt kaugseireks ei nimetata, kuigi ka nende puhul kasutatakse palju maapinna kaugseires kasutatavaid meetodeid.
Maa jälgimise olulisuse võib jagada kolmeks: maa kohta käiva informatsiooni avalikustamine ja levitamine, keskkonnaga seotud poliitika toetamine nii riiklikul kui ka rahvusvahelisel tasandil, teadusliku mõtlemise arendamine.
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 mõõtmises, CCD-seadmetes ja radiomeetrites. 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.
Pildistamissüsteem.
Kaugseires on põhiliseks protsessiks uuritava objekti omaduste ja pealelangeva kiirguse seaduspärasuste uurimine. Selle protsessi näitlikustamiseks kasutatakse pildistamissüsteemi, mis koosneb seitsmest komponendist:
Andmekogumistehnikad.
Radar seondub tavaliselt õhuliikluse juhtimise, eelhoiatamise ja meteoroloogiliste andmetega. Doppleri radarit kasutab politsei sõidukite kiiruse mõõtmiseks, ilmajaamad tuule suuna ja kiiruse mõõtmiseks ning sademete hulga ja asukoha määramiseks. Teised aktiivse seire tüübid kasutavad mõõtmisteks ionosfääris oleva plasma omadusi. Interferomeetrilist radarit kasutatakse kõrguse täpse digitaalse mõõtmise jaoks suurtel maa-aladel.
Laserikiirt kasutatakse keemiliste ainete kontsentratsiooni mõõtmiseks atmosfääris. Laserkaugusmõõdikuga (lidariga) mõõdetakse kaugust eemalasuva objektini. Lennukitel ja satelliitidel kasutatakse laserskannerit, mis on loomult kiiresti töötav kaugusmõõtja, millega skaneeritakse kindlat vaatesuundade piirkonda. Lennukitel kasutatavate laserskannerite üks põhilisi rakendusi on taimestiku kaugseire. Laser- ja radarkõrgusmõõturid satelliitidel on andnud suurel hulgal andmeid, näiteks gravitatsiooni põhjustatud kühmusid mõõtes kaardistatakse merepõhjas olevaid pinnakonarusi umbes 1,7-kilomeetrise lahutusvõimega.
Radiomeetrid ja fotomeetrid on kõige tavalisemad instrumendid, mida kasutatakse peegeldunud 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, saamaks 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. aastatest. Need 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 koostada teemakaardid, mis näitavad näiteks mineraalide kasutusvõimalust ning võimaldavad uurida ja jälgida raiet, taimestikku, saaki, 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, sisejulgeolekus, riigikaitses ja keskkonnauuringutes.
Stereofotograafiat ja aerofotosid kasutatakse topograafiliste kaartide tegemiseks. Näiteks otsustab Transpordiamet maastikku analüüsides 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 selle 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.
Suurema uurimissüsteemi koordineerimisel sõltub enamik 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. Seadmeid kohandatakse regulaarselt erinevate meetoditega, sealhulgas tähtede ja muude orientiiride järgi.
Radarseire.
Tehisavaradar on kaugseire instrument, millega saab mõõta uuritavate objektide struktuure ja elektrilisi omadusi. Selliseid mõõtmisi tehakse tavaliselt satelliidilt või lennukilt. Tehisavaradarid on leidnud kasutust nii sõjalises luures kui ka mitmetes tsiviilrakendustes.
Tsiviilrakenduste näideteks on jääolude kaardistamine, õlireostuste tuvastamine, pinnaseniiskuse kaardistamine ning maapinna kõrgusmudelite loomine. Viimast kasutatakse ka programmis Google Earth, kus ülemaailmne kõrgusmudel on loodud interferomeetrilise tehisavaradariga.
Andmetöötlus.
Kaugseire töötab pööratud probleemi põhimõttel. Kui huvipakkuvat objekti või nähtust ennast ei saa mõõta, on sageli võimalik mõõta muid sellega seotud objekte ja nähtusi ning kogutud andmeid töödeldes saada infot huvipakkuva objekti kohta. Samal põhimõttel saab looma ära tunda tema jalajälgede põhjal. Kuni pole võimalik otse mõõta ülemiste atmosfäärikihtide temperatuuri, saab selles piirkonnas mõõta spektraalset emissiooni mõnes tuntud aines nagu näiteks süsihappegaasis. Emissiooni sageduse saab seejärel termodünaamiliste suhete kaudu seostada temperatuuriga selles piirkonnas.
Kaugseire lahutusvõime mõjutab andmete kogumist. Väiksem lahutusvõime annab vähem detaile ja suurema katvuse, suurem lahutusvõime aga rohkem detaile ja väiksema katvuse. 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 seitsmes spektripiirkonnas, sealhulgas mitmes infrapunase kiirguse piirkonnas, spektraalne 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 – 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. Need olenevad 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. Protsess 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 atmosfäärikorrektsiooni.
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 kaugseiresignaalile on kahetine. Esiteks lisandub objektil hajunud kiirgusele muu atmosfääris hajunud sensorisuunaline kiirgus. Teisalt neeldub või hajub osa objektilt peegeldunud kiirgusest atmosfääris ning ei jõua sensorisse.
Tõlgendamine on oluline osa andmete mõistmisest. Piltide analüüs on visuaalne ning üha suuremas ulatuses arvutite abil automatiseeritud.
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.
Kaugseireandmete rakendamine.
Maapinna ja atmosfääri seire.
Kaugseire võimaldab andmeid koguda ohtlikest ja ligipääsmatutest kohtadest ning suurtelt aladelt. Muu hulgas saab teavet metsaraie kohta Amasoonias, liustike liikumisest ja ookeanide sügavusest. Sõjaliste konfliktide korral kasutatakse kaugseiret vaenlase territooriumi kohta andmete saamiseks. Kaugseire asendab kalleid ja aeglasi maapealseid andmekogumissüsteeme, 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 maakasutuse uurimiseks.
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 kõrbestumisega annab kaugseire võimaluse jälgida riskipiirkondi pikas perspektiivis, et teha kindlaks kõrbestumise tegurid, hinnata nende tegurite mõju ja toetada otsustajaid asjakohase teabega keskkonnajuhtimises.
Veekogude kaugseire.
Veekogude seire sisaldab kaugseire meetodite edasiarendamist, mis hõlmab nii füüsikaliste aluste uurimist, satelliidimõõtmisi kui ka maapealseid väli- ja laborimõõtmisi. Kuigi kaugseires kasutatakse elektromagnetkiirguse kogu spektrit, on veekogude uuringutes kasutusel valdavalt spektri nähtav osa.
Rannikumere kaugseire on riikliku seireprogrammi osa ning selle eesmärk on välja töötada ja rakendada meetodid vee omaduste määramiseks, põhjataimestiku katvuse ja liigilise koosseisu hindamiseks ning sinivetikate õitsengute tuvastamiseks. Veepoliitika raamdirektiivi eesmärk on luua ühtne siseveekogude seisundi hindamise süsteem kogu Euroopa Liidus, et tagada veekogude kvaliteedi tõus.
Tartu Observatoorium kogub selle tulemuse saavutamiseks regulaarselt välitööde andmeid Eesti järvedelt ja rannikumerest ning koostöös välispartneritega ka teiste riikide vetest. Nende andmete põhjal luuakse algoritme, mis võimaldavad satelliitidelt, õhu- ja veesõidukitelt saadava info töötlemist vajalikule kujule. Seega aitab veekogude seire erinevate uurimismeetodite rakendamine kaasa veekogude seisundi hindamisele ning veekvaliteedi tõstmisele.
Geodeesia.
Kaugseiret kasutatakse õhust allveelaevade avastamiseks ja gravitatsiooniliste andmete lisamiseks sõjaväe kaartidele. Need andmed on paljastanud 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 taevasse 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 tuulelohedele 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, jäädvustamaks San Francisco maavärina laastamistööd. Terasest tuulelohe nöör kandis katiku kaugkäivitamiseks elektrivoolu. Esimesed lennukist tehtud aerofotod jäädvustas 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 tulemusena oli see satelliit ühtlasi esimene meteoroloogiasatelliit. Praeguse maismaa ja merepinna kaugseire ajastu alguseks võib pidada satelliidisarja 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: kosmoseajastule eelnev (kuni aastani 1960) ja sellele järgnev periood. Neid kahte perioodi on võrrelnud Robert N. Colwell, kes tõi välja mitmeid erinevusi. Kosmoseajastule eelneval ajal domineerisid ühte tüüpi ning ühekordselt pildistatud aerofotod, mis olid põhiliselt lennukitelt jäädvustatud. Alates 1960. aastatest toimus tehnika areng ning aina enam võeti kasutusele mitut tüüpi ning erinevatel aegadel korduspildistatud kaugseireandmeid. Kosmoseajastule eelneval ajal oli kaugseires põhiliseks analüüsi viisiks pildi visuaalne interpreteerimine ning ka fotointerpreteerimise võtteid kasutati sagedasti. Tänaseks on valdav pildi analüüs programmidega, fotointerpreteerimise võtteid kasutatakse harvem. Üheks erinevuseks perioodide vahel on ka militaar- ja tsiviilkaugseire omavaheline suhe, mis algselt oli suhteliselt hea, kuid pärast 1960ndaid muutus 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 arendamisega 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 läbi viidud keskmisemõõtkavaliste satelliidifotode 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:
Kaugseirepäevad.
Eesti kaugseirepäevi korraldab Tartu Ülikooli Tartu observatoorium koostöös Eesti Maaülikooli, Keskkonnaagentuuri ja TÜ füüsika instituudiga. Seni on toimunud viis Eesti kaugseirepäeva aastatel 2008, 2014, 2016, 2018 ja 2020. Kaugseirepäevade ettekanded käsitlevad valdkonna olulisi küsimusi ja neid saab kasutada õppematerjalina.
2018. aastal toetas kaugseirepäeva korraldamist Interregi Läänemere maade programmi BalticSatAppsi projekt ja 2020. aastal Eesti Teadusagentuuri algatatud valdkondliku teadus-arendustegevuse toetamise programmi RITA projekt RITA Kaugseire.
Copernicuse programm.
11. detsembril 2012 teatas Euroopa Komisjoni asepresident Antonio Tajani GMES (keskkonna ja turvalisuse seire) programmi ümbernimetamisest programmiks Copernicus, ootustega olulisele majanduslikule kasvule.
Copernicus koosneb mitmest süsteemist, mis koguvad keskkonna andmeid Maa jälgimise satelliitidelt ning "in situ" sensoritelt – mõõtmisel õhust, merelt ja maalt. Kogutud andmed töödeldakse ning tehakse lõpptarbijale kättesaadavaks läbi temaatiliste keskkonna ja turvalisuse teenuste.
Teenused on temaatilised ja neid on kokku kuus: maa, merendus, atmosfäär, kliimamuutused, kriisikorraldus ning turvalisus. Kombineeritult toetavad teenused mitmete eesmärkide saavutamist, sealhulgas keskkonnakaitse, linnaalade planeerimine ja haldamine, regionaalne ning kohalik planeerimine, põllumajandus, metsandus, kalakasvatus, tervishoid, transport, kliimamuutused, jätkusuutlik areng, turvalisus ja turism.
Copernicuse andmete põhikasutajaks on avalik sektor, kellel on vaja informatsiooni keskkonnaalase seadusandluse ja poliitika täiustamiseks või reageerimisotsuste vastuvõtmiseks kriisiolukorra korral, näiteks looduskatastroofi või humanitaarkriisi puhul. Copernicuse teenustel baseeruvad lisaväärtusega teenuseid on võimalik arendada spetsiifilise avalikku või kommertslikku vajaduse katmiseks. See võimaldab uute ärivõimaluste teket ning omab majandusanalüüside järeldusena väga suurt potentsiaali uute töökohtade loomisel, innovatsiooni ja kasvu soodustamisel.