Ziemia z dystansu

Rozmowa z dr hab. inż. Stanisławem Lewińskim z Centrum Badań Kosmicznych PAN o pracy nad zdjęciami satelitarnymi.

Dr hab. inż. Stanisław Lewiński był gościem spotkania z naukowcem z cyklu Prosto z nieba 11 maja 2017 roku.
 

Co można zobaczyć z orbity?

Prawie wszystko co znajduje się na powierzchni Ziemi oraz to, co się znajduje w atmosferze.

Jak dokładne mogą być takie obserwacje?

O dokładności obserwacji decyduje przede wszystkim rozdzielczość przestrzenna zdjęcia, czyli wielkość piksela. Ale nie tylko. Ważne są także rozdzielczość radiometryczna (dokładność odwzorowania jasności obrazu, która pozwala zauważyć bardzo subtelne różnice na zdjęciu – przyp. red.), spektralna (szerokość przedziału długości fal elektromagnetycznych rejestrowanych przez sensor – przyp. red.) oraz – na co ostatnio się zwraca uwagę – rozdzielczość czasowa (częstotliwość, z jaką wykonywane są zdjęcia – przyp. red.). Chodzi o to, że na podstawie sekwencji zdjęć tego samego obszaru możemy dokonywać dokładniejszej klasyfikacji terenu do danej kategorii (np. las iglasty, pole kukurydzy itp.),niż miałoby to miejsce na podstawie pojedynczych pomiarów.


Porównanie rozdzielczości przestrzennej (czyli wielkości piksela) obrazu otrzymanego z satelity. Im większa rozdzielczość, tym mniejsze obiekty jesteśmy w stanie zaobserwować na obrazie. Źródło rys. CBK PAN zoz.cbk.waw.pl/teledetekcja-czyli/

Po co nam zdjęcia satelitarne?

Dzięki zdjęciom satelitarnym możemy wykrywać zagrożenia takie jak powódź czy pożar. Możemy określić rodzaj terenu – lasy, pola, czy zabudowania. Możemy monitorować wyręby lasów, zmiany wielkości czy rodzajów upraw, bo każda uprawa ma swój charakterystyczny cykl rozwoju, na podstawie którego możemy ją rozpoznać.


Detekcja zmian pokrycia terenu na zdjęciach satelitarnych obszaru Wilanowa w świetle podczerwonym. Kolorem niebieskim oznaczone są zmiany wykryte pomiędzy rokiem 2002 i 2008. Kolor czerwony odpowiada często różnym formom roślinności. Źródło rys. CBK PAN zoz.cbk.waw.pl/planowanie-przestrzenne/

Nie potrafimy jeszcze zidentyfikować każdego obiektu, ale wiele z nich możemy już rozpoznać i – co najważniejsze – prześledzić jak się zmienia. Na przykład obserwując las liściasty zauważymy, że zimą drzewa nie mają liści, potem następuje okres burzliwej wegetacji, a jesienią liście zmieniają kolor. Gdybyśmy natomiast przez rok monitorowali łąkę lub las iglasty – nie zauważymy wielkich zmian. 

Czy zdobywanie i interpretacja obserwacji są skomplikowane?

Tak, stopień skomplikowania rośnie z roku na rok. Na to się składa nie tylko rozwój metod analizy, ale i większa dostępność danych.

I tych danych mamy obecnie mnóstwo.

Zgadza się. To są dziesiątki systemów satelitarnych, z których część danych jest bezpłatna, inne trzeba zamówić i zapłacić. Obróbka wymaga bardzo wydajnego sprzętu komputerowego. Zmieniają się też okoliczności. Kiedyś trzeba było zakupić zdjęcie, mieć komputer (a o to nie było tak łatwo) i kosztowne oprogramowanie. W tej chwili coraz więcej danych jest bezpłatnych, komputer jest w każdym domu, a efektywne i darmowe oprogramowanie też jest dostępne, chociaż to wciąż sprzęt głównie dla specjalistów.

Czy przechodzimy już rewolucję w dostępie do zdjęć satelitarnych?

Jesteśmy w toku. Nie obudzimy się jutro w innej rzeczywistości, ale to postępuje bardzo szybko. Każdy może ściągnąć bezpłatne dane satelitarne i zainstalować wydajne oprogramowanie do ich obróbki. Równocześnie powstają wyspecjalizowane serwisy, które dostarczą przeanalizowane dane i odpowiedzą na konkretne pytania.


Fragment mapy „Polska z kosmosu” autorstwa Stanisława Lewińskiego i Andrzeja Ciołkosza. Źródło rys. Próbki map Atlasu Rzeczypospolitej Polskiej, wyd. Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN www.igipz.pan.pl/zsigik-projekty-arp.html

Zanim był tak łatwy dostęp do materiałów satelitarnych, Pan kiedyś stworzył satelitarną mapę Polski.

Tak, w latach 1994–1995 łączyłem zdjęcia o rozdzielczości 80 metrów zrobione z satelity Landsat, tworząc satelitarną mapę „Polska z kosmosu”. Wtedy to był wyczyn – w tzw. Europie Wschodniej nie było drugiej takiej mapy. Dysponowałem wówczas jedną z lepszych maszyn w kraju, a dzisiaj każdy laptop ma wyższe parametry. Praca trwała równo pół roku po 8–10 godzin pracy dziennie. Finalnie zdjęcie miało rozmiar prawie 300 MB, wtedy to było bardzo dużo, dzisiaj to prawie nic. Mapa została opublikowana w Atlasie Rzeczypospolitej Polskiej. To było świetne przeżycie. Często się zastanawiam, ile by teraz zajęło stworzenie takiej mapy.

I na ile Pan szacuje?

Przy użyciu tych samych zdjęć to przypuszczam, że kilka tygodni. Nawet przy automatyzacji trzeba byłoby dużo “poprawiać” ręcznie . To tylko dwadzieścia osiem zdjęć, ale wtedy niezbędnych było kilkaset prób różnych ułożeń, ponieważ zdjęcia pochodziły z różnych lat i różnych okresów wegetacji. Dzisiaj wiele z tych przeszkód już nie istnieje.

Nad czym Pan teraz pracuje?

W tej chwili najbardziej fascynujący jest projekt realizowany w Centrum Badań Kosmicznych nazwany skrótowo S2GLC (Sentinel-2 Global Land Cover). Wg mojej wiedzy jest pierwszym projektem teledetekcyjnym dla Europejskiej Agencji Kosmicznej, w którym liderem jest polska instytucja. W ramach tego projektu mamy opracować metodę, którą będzie można wykorzystać do automatycznej klasyfikacji form terenu w skali globalnej. Podstawowe formy to tereny zurbanizowane, różne lasy, łąki czy tereny wodne – ale jest ich dużo więcej. Trudnością nie jest automatyzacja tego procesu, bo mamy już algorytm działający dla całych serii zdjęć. Wyzwaniem jest znalezienie punktów treningowych, czyli takich, co do których jesteśmy pewni w stu procentach, że znajdują się w danym miejscu. Np. wiemy, że na tym obszarze rośnie konkretny rodzaj roślinności i możemy to traktować jako punkt odniesienia. Krok po kroku staramy się usprawnić ten proces i rzeczywiście jest to duże wyzwanie.

Dr hab. inż. Stanisław Lewiński, prof. CBK PAN kieruje Zespołem Obserwacji Ziemi w Centrum Badań Kosmicznych PAN. Zajmuje się przetwarzaniem danych satelitarnych obrazujących powierzchnię Ziemi. Na ich podstawie opracował obrazowe i tematyczne mapy satelitarne. Zespół Obserwacji Ziemi zaangażowany jest w europejskie projekty o charakterze naukowym i aplikacyjnym, w tym projekty finansowane przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA).