DETREKŐI ÁKOS
A GÖMBTŐL A GEOIDIG: A FÖLD ÉS AZ ŰRKUTATÁS
Az
embereket évezredek óta érdekli lakóhelyük, a Föld. Már az ókorban is tettek
fel ilyen kérdéseket: Milyen alakja van a Földnek? Mi található a Föld
felszínének valamelyik pontjában? Az űrtechnika kialakulása előtt feltett
kérdésekre a szakemberek (geodéták, térképészek) a Föld felszínén végzett
mérések segítségével válaszoltak. Az űrtechnika kialakulása alapvetően
megnövelte a Föld alakjával kapcsolatos ismereteinket. Ezek az ismeretek nemcsak
tudományos szempontból érdekesek, hanem megjelennek mindennapi életünkben is -
gondoljunk például a meteorológiai célú űrfelvételekre vagy a korszerű
járműnavigációs rendszerekre. Az előadás a Föld alakjáról és felszínéről az
űrtechnika segítségével nyert legújabb ismereteket mutatja be.
I. BEVEZETÉS:
A FÖLDDEL KAPCSOLATOS ISMERETEK
Az
emberiséget - s feltehetően szinte minden embert- már évezredek óta érdekli
lakóhelyének, a Földnek az alakja.
Az
általános jellegű érdeklődés mellett a mindennapi életben gyakran szembesülünk
olyan kérdésekkel, mint:
· Hol vagyunk most (mármint a Föld felszínén)?
· Hol található a legközelebbi folyó?
A Föld alakjával és méretével, a Föld felszínén található tárgyak helyzetének meghatározásával foglakozó szakterület a geodézia (vagy korábbi nevén alkalmazott geometria).
A Földdel kapcsolatos ismereteket a szakemberek és a felhasználók évszázadokon keresztül a Föld felszínén mozogva, ott méréseket végezve szerezték meg.
A Föld felszínétől való elszakadás lehetőséget a repülőgép feltalálása jelentette. Aki már kinézett a repülőgép ablakán, az tudja, mennyivel többet lehet onnan látni, mint mondjuk egy gépkocsi ablakából.
Az űrtechnika kialakulása további - bátran forradalminak nevezhető - változást hozott a Földdel kapcsolatos ismereteink bővülésében. Előadásomban az űrtechnika segítségével a Föld alakjáról és felszínéről szerezhető legújabb ismeretekről, illetve ismeretszerzési lehetőségekről, és ezek felhasználási módjairól szeretnék rövid áttekintést nyújtani.
A Föld elméleti és fizikai alakjai
A Föld alakjáról szólva hagyományosan különbséget teszünk a Föld fizikai alakja és a fizikai alak közelítésére szolgáló elméleti alakok között.
A Föld fizikai alakján a litoszféra (azaz a szárazföld) és hidroszféra (azaz a vizek) által meghatározott Földalakot értjük. A fizikai Földalak csak pontonként, vonalakként vagy felületenként - s nem valamilyen zárt matematikai formában - adható meg. A fizikai Földalakkal kapcsolatos ismeretek közlésének hagyományos formája a térkép. Az informatika fejlődése következtében ezek az ismeretek napjainkban sajátos információs rendszereknek, az ún. térinformációs (vagy más szóval geoinformációs) rendszereknek az alkotóelemei.
Az elméleti Földalakok a Föld egészét vagy bizonyos részeit matematikai függvényekkel leíró modellek, amelyek megfelelően tükrözik a Föld geometriai, fizikai jellemzőit. Az elméleti Földalakokat szokás a Földdel összefüggésben felhasznált vonatkozási (koordináta-) rendszerek alapfelületeinek nevezni.
II. AZ
ELMÉLETI FÖLDALAKKAL KAPCSOLATOS ELKÉPZELÉSEK FEJLŐDÉSE
II. 1. A gömb
A
legkorábbi "elméleti" Földalak az ókori Görögországból származik.
Homérosz Iliászában (Kr. e. kb. 800) a Föld egy lapos korong, amelyet
óceánok vesznek körül.
Pár
évszázaddal később Püthagorasz (Kr.e. kb. 580-500) - elsősorban esztétikai
megfontolásból - már gömb alakúnak tekintette a Földet. Ez az elképzelés
Arisztotelész korában (Kr. e. 384-322) általánosan elfogadottá vált, s
megfigyelésekkel támasztották alá.
Ha a Földet gömb alakúnak tekintjük, méretének meghatározásához elegendő egyetlen mennyiségnek, a gömb sugarának az ismerete. A Fölgömb sugarát elsőként Eratoszthenész (Kr. e. kb. 276-195) határozta meg. Eratoszthenész a sugár hosszát egy körcikkből számította ki.
A körcikk szögét annak felismerésével mérte meg, hogy a nyári napforduló idején délben Asszuánban - amely város a Ráktérítőn helyezkedik el - merőlegesen sütnek a Nap sugarai. Ugyanakkor Alexandriában a merőlegestől - egy sajátos műszerrel, a gnomonnal mérve - 7 fok 12 perccel térnek el. A körcikk ívének hosszát a karavánok menetideje alapján becsülte meg. Az Eratoszthenész által számított Föld-sugár értéke 5909 km-nek felelt meg. Ez az érték meglepően pontos, mintegy 7 %-kal tér el a jelenlegi ismereteink szerinti mintegy 6300 km-es sugárhossztól.
A görögöket követően Kínában Nanküng Yüah és I-Hsing (725 körül), illetve az arab kalifátusban Al-Mamum (813-833) is megmérték a gömbnek tekintett Föld sugarát.
A középkorban a Föld alakjával kapcsolatos tudományos elképzelések háttérbe szorultak. A gömbnek mint elméleti Földalaknak a vizsgálata a 15-16. században folytatódott Európában.
Ezeket a vizsgálatokat részben a földrajzi felfedezések, részben a tudomány általános fejlődése inspirálták.
II. 2. A forgási ellipszoid
A 16. és a 17. század nagy csillagászainak felfedezései, továbbá Newton (1643-1727) általános tömegvonzás-törvénye arra a felismerésre vezettek, hogy az elméleti Földalak nem lehet gömb. Kimutatták ugyanis, hogy a forgásban lévő egyenletes eloszlású test egyensúlyi alakja szükségszerűen eltér a gömbtől. Ezt a felismerést támasztották alá az egyre pontosabb eljárásokkal végzett mérések feldolgozásakor jelentkező ellentmondások is. Az elméleti vizsgálatok alapján a forgó Föld egyensúlyi alakjának a forgási ellipszoidot tekintették. Forgási ellipszoidhoz úgy juthatunk, ha egy ellipszist kistengelye vagy nagytengelye körül körbeforgatunk.
Amíg a gömb
méretének meghatározásához elegendő egyetlen mennyiség, a sugár, addig a
forgási ellipszoid alakjának és méretének meghatározásához két mennyiség -
például a fél nagytengely hossza és a fél kistengely hossza - szükséges.
Tekintettel arra, hogy a forgási ellipszoid meghatározásához két mennyiséget
kell ismernünk, ezek értékének meghatározásához legalább két egymástól
különböző ív hosszát kell megmérni. A forgási ellipszoid alakjának és méretének
meghatározására végzett méréseket fokméréseknek nevezik.
Az elméleti vizsgálatok alapján az elméleti Föld-modellnek egy kistengelye körül forgatott - tehát a sarkoknál belapított, narancsra emlékeztető alakú - forgási ellipszoidnak kellett lennie.
A Franciaországban 1683-1718 között végzett első fokmérés eredményei nem támasztották alá az elméletet. Mint később kiderült, mérési hibák következtében a sarkoknál "megnyújtott" citrom alakú forgási ellipszoidhoz jutottak. A megindult "narancs-citrom" vita végére egy második fokmérés tett pontot, melyet a Francia Tudományos Akadémia végeztetett el 1736 és 1737 között, s amely a narancshoz hasonlító ellipszoidot eredményezett.
Érdekességként megemlítem, hogy a következő, 1792-1808 közötti fokmérésnek az eredményeként jutottunk a méter első tudományos igényű definíciójához, amely szerint a méter az Északi-sarktól Párizson át az Egyenlítőig futó délkör-ív negyedének tízmilliomod része.
A forgási ellipszoidot mint elméleti Földalakot a gyakorlati életben mind a mai napig használjuk a térképek ún. síkrajzának az alapfelületeiként. Az egyes országok térképezéséhez a különböző időkben különböző alakú és méretű forgási ellipszoidokat használják. Az ellipszoidok helyzetét (szakmai kifejezéssel: elhelyezését) úgy választják meg, hogy az legjobban simuljon az adott országhoz. Tájékoztató értékként megemlítem, hogy jelenlegi ismereteink szerint a forgási ellipszoidok nagytengelyének hossza mintegy 6378 km, a kistengely ennél 21 km-rel rövidebb.
Néhány ma Magyarországon használt forgási ellipszoid elnevezését, fél nagytengelyét, ún. lapultságát és alkalmazási területét a következőkben foglalom össze:
|
Név |
Fél nagytengely (m) |
Lapultság |
Alkalmazási terület |
|
Bessel |
6 377 397,15 |
1/302,78 |
régi kataszteri térképek |
|
Kraszovszkij |
6 378 245 |
1/298,3 |
1999 előtti topográfiai térképek |
|
IUGG 67 |
6 378 160 |
1/298,247 |
1970 utáni kataszteri térképek |
|
WGS 84 |
6 378 137 |
1/298,257 |
GPS mérések |
A táblázatban szereplő lapultság a
két tengely hosszkülönbségének a nagytengelyhez viszonyított aránya.
A most bemutatott forgási
ellipszoidok jellemzőit már nem csak egyetlen fokmérés eredményeit felhasználva
számították ki. A számításhoz a Föld egészén - vagy legalább egy kontinensen -
végzett különböző méréseket használtak fel.
Érdekes kérdés az, hogy hogyan jutunk
el a két irányban is görbült forgási ellipszoidtól a síkba teríthető térképig.
Ennek a témának - az ún. vetítésnek - a tárgyalása azonban meghaladja az
előadás témakörét. Ízelítőként csupán a ma legelterjedtebb ún. világvetület,
a Gauss-Krüger-vetület elvét szemléltetem. Elképzelhető, hogy ha a forgási
ellipszoidot egy ellipszis alapú hengerrel vesszük körül, akkor a két test
egyetlen ellipszis mentén torzulásmentesen érintkezik. Az érintkezési
ellipszistől kis távolságban is kicsik lesznek a torzulások. A viszonylag
kisméretű - a narancsgerezd külsejének megfelelő alakú - felületek a síkba
kiteríthetők. Az eljárás a henger elforgatásával megismételhető, s így végső
soron az egész ellipszoid kiteríthető a síkba. Az eljárás lényegét könnyen
megérthetjük, ha egy narancs héját gerezdenként lehelyezzük egy asztal lapjára.
II. 3. A geoid
A mérési eljárások pontosságának
növekedése következtében a 19. század második felében egyre világosabbá vált,
hogy a forgási ellipszoid mint elméleti Földalak nem minden célra megfelelő. Ez
viszonylag könnyen belátható, hiszen a forgási ellipszoid mint egyensúlyi
Földalak bevezetésekor nem számoltak a Föld belsejének tömegegyenetlenségeivel.
Ebből következik, hogy tisztán geometriai alapon nem lehetséges megfelelő
elméleti Földalak definiálása.
Fizikai elven alapuló Földalakot
Listing definiált 1878-ban. Ennek az elméleti Földalaknak a neve geoid.
A geoid a nehézségi erővel kapcsolatos alakzat, a nehézségi erő ún.
potenciáljának egy kitüntetett szintfelülete. Ezt a szintfelületet úgy
képzelhetjük el, hogy az óceánokon a nyugalomban lévő közepes tengerszinthez, a
szárazföldeken pedig az említett közepes tengerszint folytatásához simul.
Természetesen az árapályhatás, az óceánok áramlatai, a viharok következtében ez
a nyugalomban lévő közepes tengerszint sosem létezik a valóságban. Az eddig
tárgyalt elméleti Földalakok fejlődését szemlélteti az animáció.
A geoid jellemzéséhez két utat
követhetünk. Az egyik út földi mérések alapján a geoid bizonyos pontjainak
meghatározása valamely vonatkozási felületnek felvett forgási ellipszoidhoz
képest. (Az ellipszoid egyes pontjainak és a geoid megfelelő pontjainak
távolságát geoidundulációnak nevezik). Ez az eljárás a Föld egyes
területein csak kisszámú pont meghatározására alkalmas.
A másik út esetén űrtechnikán alapuló
mérések segítségével a geoidot valamely forgási ellipszoidhoz képest - a
topográfiai térképek magasságábrázolásához hasonlóan - a geoidundulációk
szintvonalaival adjuk meg. Ez az eljárás a Föld egészére kiterjeszthető.
A geoid gyakorlati felhasználását
elsősorban az jelenti, hogy a geoid az alapfelülete a magasságok
meghatározásának. A köznyelvben is elterjedt tengerszintfeletti magasság
kifejezés a geoidhoz kapcsolódik. A magasság meghatározásához a tengerparttal
rendelkező országok ún. mareográffal - hosszú időn keresztüli
észleléssel - meghatározzák a középtengerszintnek, azaz a geoidnak egyetlen
pontját. Ez a pont szolgál alapul az adott országban a magasság
meghatározásához. A különböző országokban meghatározott középtengerszintek kis
mértékben eltérhetnek egymástól.
Magyarországon jelenleg két egymástól
különböző magassági rendszer létezik. Az egyik, az ún. adriai magasság a
Habsburg-monarchia egészének magassági rendszere. Ennek alapja a trieszti Molo
Sartorio mareográfja. A másik magasság az ún. balti magasság. A balti
magasság a Varsói Szerződés államainak közös magassági rendszer volt, amelynek
kiindulópontja a kronstadti mareográf volt. Miután az I. világháború vége óta
Magyarország nem rendelkezik tengerrel, magassági fő alappontként egy korábban
meghatározott, geológiailag stabilnak tekinthető pontot, a Nadapot
választották.
Ennek a pontnak a magassága a két
rendszerben a következő:
·
adriai
magasság: 173,8385 méter;
·
balti
magasság: 173,1638 méter.
III. AZ ELMÉLETI FÖLDALAK
MEGHATÁROZÁSA ŰRTECHNIKAI ESZKÖZÖKKEL
A korábbiakban a geoidot mint a
nehézségi erő potenciáljának speciális szintfelületét definiáltuk, amely az
óceánokon a közepes tengerszinthez simul. A mesterséges holdak különböző
típusainak elterjedése alapvetően megnövelte a geoiddal kapcsolatos
ismereteinket.
Az ismeretek bővülésének két
egymástól független módja alakult ki:
·
A
mesterséges holdak pályaelemeinek mérésével a nehézségi erőtér
rendellenességeinek a meghatározása és ezek alapján a geoid számítása;
·
A
mesterséges holdakon elhelyezett műszerek, az ún. radar-altiméterek
felhasználásával a geoid közvetlen mérése.
A mesterséges holdak Kepler ismert
törvénye alapján ellipszis alakú pályán keringenek a Föld körül. A Föld
nehézségi erőterének rendellenességei miatt a mesterséges holdak tényleges
pályája kismértékben eltér az ellipszistől. A holdak tényleges pályájának
pontjai földi megfigyelőállomásokról - vagy esetleg más mesterséges holdakról -
mérhetők. A tényleges pályaelemek alapján ki lehet számítani a nehézségi erőtér
rendellenességeit.
A mesterséges holdak pályája a Föld
felszínén létesített néhányszor tíz vagy még több megfigyelőállomás több éven
át gyűjtött 10-100 ezer mérési eredményéből határozható meg. Az egyes
mesterséges holdak és földi megfigyelő állomások távolságát a mesterséges
holdak megjelenésétől az 1970-es évekig fényképek segítségével, optikai
eljárással mérték. Azóta viszont a mikrohullámokon alapuló távolságmérési
eljárások váltak uralkodóvá.
A mesterséges holdak felhasználása a
Földalak meghatározására egyidős a mesterséges holdakkal. Már 1958-ban a
Szputnyik II. pályájának elemzése alapján is meghatározták a forgási ellipszoid
alakját. Azóta számos mesterséges holdat bocsátottak fel ilyen célú mérésekhez.
Példaként említem az amerikai Vanguard, a GEOS1-3, a Lageos mesterséges
holdakat.
A nehézségi erő rendellenességeinek
meghatározásához jól felhasználhatók a navigációs célra létrehozott rendszerek
mesterséges holdjai is. Ilyen rendszer a globális helymeghatározó rendszer
(GPS), melyről már hallhattak a Mindentudás Egyetemén.
A GPS mesterséges holdak pályáját a
Föld egészén nagyjából egyenletesen elosztott, mintegy 110 pontból - az ún.
International Terrestrial Reference System (ITRS) pontjaiból – mérik. Ezen
kívül mintegy 500, GPS segítségével rendszeresen meghatározott pont alkotja az
International Terrestial Reference Frame (ITRF) rendszert. Az egyes mesterséges
holdak észlelésén alapuló eljárást "Satellite-only" eljárásoknak nevezik.
Ezeknél az eljárásoknál egy földi pont és valamely mesterséges hold távolsága
szolgál a számítások alapjául.
Az utóbbi időben alakult ki az
előbbinél pontosabb "Sattelite-to-Satellite Tracking" (SST) eljárás.
Ennél az eljárásnál két mesterséges hold helyzetét GPS eljárással, távolságának
változását mikrohullámú távméréssel mérik.
Az adatokból nagy pontossággal kiszámíthatók
a nehézségi erőtér rendellenességei és azok időbeli változása. SST eljárás
megvalósítására hozták létre a 2000-ben felbocsátott német CHAMP (Challenging
Mini-Satellite Payload for Geophysical Research and Application) rendszert.
A mesterséges holdakon elhelyezett
radar magasságmérők (altiméterek) közvetlenül mérik a mesterséges hold és a
tengerfelszín távolságát. Ennek alapján meghatározható valamely vonatkozási
ellipszoidhoz képest a tengerfelszín topográfiája (azaz közvetlenül a geoid).
Az altiméter mérések pontossága - az
árapályhatás és a hullámzás figyelembevétele után - deciméter körüli érték. A
legfontosabb európai és amerikai altiméter-programok a következők:
·
ERS-1
(1991), ERS-2 (1995), ENVISAT (2002);
·
Geosat
(1985), TOPEX/Poseidon (1992), GFO (1998), Jason-1 (2001).
A különböző mesterséges holdakon
alapuló mérések kombinált feldolgozásával egyre pontosabb képet nyertünk a
geoidról. Már 1963-ban állítottak elő a Föld egészére vonatkozó geoidképet.
Ebben a geoidundulációk szintvonalainak távolsága tíz méter volt. Ennek
megfelelően csak meglehetősen elnagyoltan tükrözte a Föld elméleti alakját.
Napjainkban ennél lényegesen pontosabb geoidok is előállíthatók.
Ha valamely kisebb területen -
például egyetlen országban - akarjuk meghatározni a geoidot, akkor földi
geodéziai mérések (gravimetria, földrajzi helymeghatározás, szintezés)
eredményeinek felhasználása is szükséges. Ebben az esetben elérhető a cm, vagy
a cm alatti pontosság is. Az ilyen lokális geoidok nemcsak tudományos szempontból,
hanem a gyakorlati helymeghatározás (például a GPS alkalmazása) szempontjából
is nagyon fontosak.
A geoid és a Föld nehézségi
erőterének pontos ismerete nemcsak a tudósok számára érdekes. A nehézségi
erőtér változását mutató térképeket katonai célra is felhasználják: bizonyos
rakétafajták irányítása ezek segítségével történik. A polgári felhasználási
területek közül legfontosabb az ásványkutatás.
IV. A FIZIKAI
FÖLDALAK KLASSZIKUS MEGHATÁROZÁSA ÉS ÁBRÁZOLÁSA
A Föld fizikai alakját, azaz a
szárazföldek és a vizek felszínét hagyományosan földi mérések, majd a repülőgép
feltalálása óta légi fényképeken végzett mérések alapján határozták meg. A
meghatározás természetesen kiterjedt az emberek által létrehozott tárgyakra is.
Az analóg korszakban a nyert adatok
tárolására és megjelenítésére egyaránt a térkép szolgált.
A térkép a Föld felszínét arányosan
kicsinyítve, valamely vonatkozási felületre vetítve ábrázolja. A kicsinyítés
mértékét a térképek méretarányával szokták megadni. A méretarány jó
közelítésben valamely földfelszíni hosszból és a megfelelő térképi hosszból
számítható. Általában tört alakban adják meg, például az 1: 5000 azt jelenti,
hogy valamely földfelszíni távolság térképi megfelelője az eredeti távolság
1/5000 része, vagy fordítva, a térképen 1 cm-nek a valóságban 5000 cm (50 m)
felel meg. Minél kisebb a nevezőben szereplő szám, annál nagyobb felbontású a
térkép.
A térképeket hagyományosan - már az
ókori Rómában is - két célra használták fel:
·
a
tulajdon nyilvántartására és megadóztatására szolgáltak az un. kataszteri
térképek;
·
a
hadviselés segítésére készültek a magassági adatokat is tartalmazó un.
topográfiai térképek.
A most említett térképek
előállításakor a felszín egyes pontjait, vonalait, felületeit mérték. Mai
szóhasználattal élve vektor jellegű adatokat - pontokból, vonalakból,
síkidomokból összetevődő adatokat - állítottak elő. A vektoradatok a vizsgált
területnek csak kiválasztott elemeit tartalmazzák.
A fényképezés elterjedése lehetővé
tette a felszín képi ábrázolását. Erre a célra szolgálnak az ún. ortofotók,
amelyek egyesítik a térképek geometriai pontosságát a képi látvány
sokszínűségével.
A képi jellegű - a vizsgált terület
egészét összefüggően ábrázoló - adatokat gyakran raszteradatoknak
nevezik. A raszteradatokból előállíthatók vektoradatok is.
A hagyományos eszközök
felhasználásával a Föld egész felszínének térképezése szinte reménytelen
feladatnak tűnt. Ezt tükrözte, hogy az 1990-es évek elején a Föld jelentős
területeiről még közepes méretarányú térképpel sem rendelkeztünk, s a változás
igen lassú volt (16. ábra).
V. A FIZIKAI FÖLDALAK MEGHATÁROZÁSA
ŰRTECHNIKAI ESZKÖZÖKKEL
V. 1. Helymeghatározó (navigációs)
rendszerek felhasználása
A Föld fizikai felszínéről adatokat
nyerhetünk oly módon, hogy az eredetileg általában katonai célra készített
helymeghatározó - navigációs - rendszerek segítéségével meghatározzuk a fizikai
Földfelszín jellegzetes pontjainak koordinátáit.
Az űrtechnika felhasználásával a
különböző országok - mindenek előtt a katonai nagyhatalmak - különböző
helymeghatározó rendszereket hoztak létre. A ma legismertebb helymeghatározó
rendszer az amerikai NAVSTAR/GPS (Navigation System with Time and Range
/ Global Positioning System) elvét és megvalósítási módját Pap László
professzor úr egy korábbi előadáson bemutatta.
A GPS-t megelőzően az amerikai
hadsereg az NNSS (Navy Navigation Sattelite System) rendszert használta
helymeghatározási célra. A szovjet hadsereg megfelelő rendszere a GLONASS
(Globalnaja Navigacionnaja Szputnyiknaja Szisztema). Az Európai Unió országai
által tervezett GALILEO navigációs rendszer holdjainak tervezett fellövési
ideje 2008.
A helymeghatározó rendszerek a
vektoradatok előállításának széles körben elterjedt eszközei. Alkalmazásuk
lehetővé teszi a térképek és térinformációs rendszerek adatállományának gyors,
nagypontosságú előállítását.
A helymeghatározó rendszerek
mesterséges holdjai, illetve az azok megfigyelését szolgáló földi megfigyelő
hálózat pontjai alkalmasak a Földfelszín globális mozgásainak meghatározására
is. A már említett ITRF rendszer pontjainak különböző időpontokhoz tartozó
koordinátái (például ITRF 1993, ITRF 1997, ITRF 2000) alapján - esetleg más
eljárásokat is felhasználva - meghatározhatók a különböző kontinentális táblák
mozgásai. A 17. ábra a dél-amerikai tábla mozgásait mutatja a Német Geodéziai
Komisszió által végzett mérések alapján.
A GPS alkalmas lokális mozgások
kimutatására is. Az ilyen célú mérések eredményei segíthetik a
földrengés-előrejelzést. Jó példa az ilyencélú mérésekre a kaliforniai Szent
András-árok törésvonalainál létrehozott hálózat. Ezzel a hálózattal az árok két
partján elhelyezett pontok távolságának változását mérik, ebből következtetnek
a feszültség növekedésére, s a földrengés valószínűségére.
Érdekességként említem, hogy a
Műegyetem K. épületének 3. emeltén elhelyezett állandóan működő GPS vevővel
követni lehetett az épület évenkénti néhány milliméteres süllyedését.
A mozgásokhoz kapcsolódik a GPS
eredeti, navigációs célú felhasználása is. Ez ma már a magyarországi
teherautók, sőt személygépkocsik esetében is viszonylag gyorsan terjed.
Olvashatunk már a GPS mezőgazdasági célú felhasználásáról is. A GPS népszerűvé
válását mutatja, hogy ma már a "civil" felhasználók is hozzájuthatnak
a mobiltelefonnal egybeépített készülékekhez.
A témát egy néhány évvel ezelőtti
rablási történettel zárom. Pár éve Magyarországon elraboltak egy értékes
rakománnyal megrakott teherautót. A vezető szemét bekötötték, a teherautót
pedig elvitték egy biztosnak tűnő helyre, és ott kirakodták. Ezt követően a
kocsit visszavitték a rablás helyére, és ott hagyták. Három óra múlva a
rendőrség megjelent a rakodási helyen és elfogta a közreműködőket. A gyors
nyomozás úgy történhetett, hogy a teherautó GPS segítségével meghatározott
helyzetét folyamatosan sugározta a szállítmányozási cég párizsi központjába.
Ott csupán annak a helynek a koordinátáit kellett meghatározni, ahol hosszabb
ideig - a rakodás alatt - állt az autó, s ezt a helyet közölték a magyar
rendőrséggel.
V. 2. A távérzékelés
Az eddig tárgyalt helymeghatározó
rendszerek vektor jellegű adatokat (elsősorban koordinátákat) szolgáltattak. A
fizikai Földfelszín megismerése képek - azaz raszteradatok - alapján a távérzékelés
révén lehetséges. A távérzékelés olyan eljárás, amellyel valamely tárgy
jellegéről és tulajdonságairól információhoz jutunk anélkül, hogy közvetlen
kapcsolatba kerülnénk a tárggyal. A tárgy és a képalkotó rendszer közötti
kapcsolatot az elektromágneses sugárzás valamely fajtája biztosítja.
A
távérzékelés tárgyalásakor a következő három kérdésre keressük a választ:
·
Milyen
eljárással készülnek a képek?
·
Honnan
készülnek a képek?
·
Milyen célból
készítik, milyen célra használják a képeket?
A
távérzékeléshez használt képek többféle elven működő felvevőrendszerrel
készülhetnek. A felvevő rendszereket általában két csoportra osztják: passzív
és aktív rendszerekre.
A
passzív rendszerek a leképzett tárgyak - azaz a Földfelszín bizonyos része -
által kibocsátott, illetve visszavert természetes sugárzást regisztrálják. A
passzív rendszerek általában a látható fényt és az ahhoz közeli egyéb optikai
tartományba eső 0,4-15,0 μm hullámhosszúságú sugárzást érzékelik. A
passzív rendszerű felvevő rendszerre példa lehet egy hagyományos fényképezőgép.
Az
aktív rendszerek maguk is rendelkeznek sugárforrással, s az általuk kibocsátott
és a leképzett tárgyak által visszavert sugárzást érzékelik. Az aktív
rendszerek általában a mm-m hullámhosszúságú mikrohullámú tartományhoz tartozó
sugárzást érzékelik. Talán legismertebb képviselőjük a 0,0075-0,60 m
tartományba tartozó elektromágneses sugárzást kibocsátó és felfogó radar.
A
távérzékelt felvételek készülhetnek a Föld felszínéről, a levegőből és
az űrből. A mai előadásban azokkal a
távérzékelési eljárásokkal foglakozunk, amelyeknél a felvevőrendszert
űreszközön (mesterséges holdon, űrsiklón) helyezik el. Az űreszközből készített
képeket a továbbiakban űrfelvételeknek
nevezzük.
Az
űrfelvételeket a gyakorlati felhasználhatóság szempontjából a következő
paraméterekkel jellemezhetjük:
·
geometriai
felbontás (azaz az egyes képelemeknek - pixeleknek - megfelelő terepi méret);
·
spektrális
felbontás (a felhasznált elektromágneses sugárzás hullámhossz-tartományainak
száma - az egyes tartományokat csatornának nevezzük);
·
időbeli
felbontás (a képek készítésének gyakorisága).
A
különböző távérzékelési célra készített képek tárgyalásakor a képek
készítésével kapcsolatban általában két adatot közölnek, ezek segítségével
lehet azonosítani a képfajtát:
·
a felvevő
eszközt hordozó mesterséges hold típusát és esetleg sorszámát (pl. NOAA-14,
LANDSAT 4,5);
·
a felvevőeszköz
fajtáját (pl. AVHRR, TM).
Tehát
például a "LANDSAT-TM felvétel" kifejezés azt jelenti, hogy a kép
valamelyik LANDSAT mesterséges holdon elhelyezett TM (Thematic Mapper) felvevő
készülékkel készült.
A
felvételeket készítésük elsődleges célja alapján négy csoportba sorolhatjuk:
·
meteorológiai,
·
erőforrás-kutatási,
·
térképészeti,
·
katonai
célú
felvételek. Természetesen az elsődleges cél mellett a felvételek egyéb célra is
felhasználhatók.
|
Elsődleges cél |
Hold pályamagassága [km] |
Geometriai terepi felbontás (km/m) |
Spektrális felbontás (csatornák száma) |
|
Meteorológiai
(2D) |
36.000
(geostacionárius) 800 (kvázipoláris) |
5x5
km 1x1
km |
3
- 5 |
|
Természeti
erőforrás-kutatás (2D) |
300
- 900 |
20x20
m 120x120
m |
4
- 8 |
|
Térképészet
(3D) |
200
- 300 |
0,8x0,8
m 10x10
m |
1
- 3 |
|
Katonai |
nincs
adat |
nincs
adat |
nincs
adat |
A
táblázat nem tartalmazza a katonai célú felvételek jellemzőit. A táblázatban
szereplő 2D (kétdimenziós) és 3D (háromdimenziós) jelölések azt mutatják, hogy
az adott típusú űrfelvételekből csak síkrajzi (2D), vagy térbeli (3D)
kiértékelés is lehetséges.
A
meteorológiai felvételek
Az
első meteorológiai célú mesterséges hold az 1960-as években felbocsátott
amerikai Tiros volt. A felvételeket a Földdel együtt mozgó (geostacionárius),
mintegy 36 000 km magasságú pályán elhelyezkedő mesterséges holdakról vagy a
Föld körül mintegy 800 km magasságban keringő kvázipoláris mesterséges
holdakról készítik.
A
meteorológiai célú mesterséges holdak geometriai felbontása geostacionárius
holdakról készített felvételek esetén mintegy 5x5 km, kvázipoláris holdakról
készített felvételek esetén mintegy 1x1 km. A spektrális felbontást 3-5
csatornával jellemezhetjük. Az időbeli felbontás igen nagy, geostacionárius
holdak esetén 0,5-1 óra, kvázipoláris holdak esetén mintegy 6 óra.
A
meteorológiai célú felvételek - a Vissy Károly által egy korábbi
előadásban bemutatott időjárás-előrejelzés mellett - nagy területre kiterjedő
folyamatok (pl. erdőtüzek, árvizek) megfigyelésére szolgálnak.
A
természeti erőforrás-kutatás
A
természeti erőforrások felkutatást célzó felvételeket először az 1970-es évek
elején készítettek. Az első ilyen hold az 1972-ben felbocsátott Earth Resources
Technology Satellite (ERTS-1), a későbbi a Landsat 1 volt. Erőforrás-kutatásra
igen sok mesterséges holdat és különböző típusú felvevőrendszereket
fejlesztettek ki. A felhasznált mesterséges holdak 300-900 km magasságban
keringenek a Föld körül. A felvevőrendszerek között optikai (passzív), mind
radar (aktív) eszközöket egyaránt találunk. Napjainkban egyre több ország
bocsát fel ilyen célt szolgáló mesterséges holdat.
Néhány
optikai rendszert hordozó szatellit neve és felbocsátási éve
·
Landsat 1-3
(amerikai) 1972-1984
·
Spot P 1-4
(francia) 1986-1993
·
KATE 2000
(szovjet), 1980
·
JERS 1 OPS
(japán) 1992
·
IRS 1 A-D
(indiai) 1988-1997
Néhány
radarrendszert hordozó szatellit neve és felbocsátási éve
·
Seasat
(amerikai) 1978
·
ERS 1,2 (ESA)
1991, 1995
·
Almaz (orosz)
1991
·
Radarsat
(Kanada) 1995
A
radarrendszerek előnye az optikai rendszerekkel szemben, hogy felhős égbolt
esetén is alkalmasak felvételek készítésére.
A
természeti erőforrás-kutató mesterséges holdakról készített felvételek
geometriai felbontása 10x10 m és 120x120 m között mozog. Spektrális felbontásuk
nagy, a különböző felvevő eszközök 4-8 különböző hullámhossz-tartományra
érzékenyített csatornán készítenek felvételeket.
Az
egyes hullámhossz-tartományok különböző jelenségek megfigyelésére alkalmasak.
Például a talaj víztartalmának kimutatására a 0,76-0,90 μm közeli
infratartomány szolgál.
A
következőkben a LANDSAT (4,5) holdak TM felvevőrendszerének csatornabeosztását
mutatjuk be (az egyes hullámhosszak mellett feltüntetjük célszerű felhasználási
területüket is):
|
Csatorna |
Hullámhossz [mm] |
Példa az alkalmazásra |
|
1 |
0,45-0,52
(kék) |
talaj
és növényzet vizsgálata |
|
2 |
0,52-0,60
(zöld) |
folyóvizek
vizsgálata |
|
3 |
0,63-0,69
(vörös) |
jég-
és hómezők térképezése |
|
4 |
0,76-0,90
(közeli infra) |
a
talaj nedvességtartalmának meghatározása |
|
5 |
1,55-1,75
(középinfra) |
a
növényzet és a talaj nedvességének kimutatása |
|
6 |
2,08-2,35
(középinfra) |
kőzet-
és ásványfajták megkülönböztetése |
|
7 |
10,40-12,50
(hőinfra) |
növényi
betegségek felismerése |
A
természeti erőforrás-kutató mesterséges holdak időbeli felbontása a 2
hetenkénti felvételkészítéstől az esetenkénti expedíciókig terjed.
A
természeti erőforrás-kutatás, környezetvédelem céljára készített felvételek alkalmazási
lehetősége igen széleskörű. Ilyen felvételeken észlelték például a csernobili
katasztrófát. Békés célra például a mezőgazdaság, a környezetvédelem, a
közlekedés, az ásványvagyon-kutatás területén hasznosíthatók. A mesterséges
holdak fontos eszközei a termésbecslésnek, az EU csatlakozás utáni
magyarországi mezőgazdasági támogatás igényléséhez szükséges térképek egy
részét is ilyen felvételek alapján állították össze.
Korábban
a GPS hasznosításával kapcsolatban bemutattam egy rablási esetet. Most egy
lopási történet következik. Az USA-ban a mezőgazdasági területek öntözésére szolgáló
víz magántulajdonban van. Arizonában a már említett közeli infra tartományra
"élesített" űrfelvételek alapján kimutatták az öntözött területeket.
Ezeket összevetették a vízjoggal rendelkező tulajdonosok fölterületét ábrázoló
térképpel. Azokon az öntözött területeken, ahol a tulajdonos nem rendelkezett
vízjoggal, feltehetően lopták a vizet. Megjegyzem, hogy a kirótt büntetés bőven
elegendő volt az űrfelvételekkel kapcsolatos költségek fedezésére.
A
térképészeti célú felvételek
A
térképészeti célra készített felvételek kisebb területek viszonylag
nagypontosságú térképezését szolgálják. Ezeket a felvételeket - a 3D
kiértékelés érdekében - átfedéssel készítik. A szomszédos képek mintegy 60%-ban
ugyanazt a területet ábrázolják. A hordozó eszközök pályamagassága 200-300 km.
A
térképészeti célú felvételeket készítő mesterséges holdak sorát 1986-ban a
francia SPOT nyitotta meg 10 méteres felbontásával, 1991-ben az orosz KVR 1000
már 2 méter felbontású képet biztosított. Az ezredfordulón amerikai magánvállalatok
a korábbinál is nagyobb felbontású képeket állítottak elő. A Space Imaging
1999-ben felbocsátott IKONOS holdjáról készített képek legjobb felbontása 0,82
méter, a Digital Globe Quick Bird képének legjobb felbontása 0,61 méter.
A
nagy geometriai felbontás ellenértékeként az erre a célra szolgáló felvevő
rendszerek spektrális felbontása kicsi (1-3 csatorna). Az időbeli felbontás az
1 hónap és az esetenkénti felvételkészítés között mozog.
A
térképészeti célú felvételeket készítő rendszerek közül folyamatosan szolgáltat
például a francia SPOT HRV (High Resolution Visible), az indiai IRS-1C/1D.
Esetenkénti expedíciókban vesz részt például az orosz KOZMOSZ KFA 1000, illetve
az amerikai magántársaságok 1999-től működő rendszerei (például az Ikonos).
A
térképészeti célú felvételek hasznosítása - igen nagy terepi felbontásuk
következtében - széleskörű. Meglepő módon az űrfelvételek teszik lehetővé a
megapoliszok (pl. Shanghai, Mexikóváros) lakosságának becslését. A térképészeti
és közlekedési célú hasznosítás mellett megemlítem jelentőségüket a
katasztrófák okozta károk felderítésekor. Példaként a tragikus 2001. szeptember
11-ét említem, amikor szinte azonnal láthattuk a Pentagon és a World Trade
Center megsérült épületét.
A
katonai célú felvételek
A
katonai célú rendszerek adatait a kereskedelmi forgalomban hozzáférhető
szakirodalom általában nem közli. Ma azonban már ismert, hogy az amerikai
Corona program keretében már 1960 körül 3 méter felbontású űrfényképeket
készítettek.
A
képek feldolgozása
A
távérzékelési eszközökkel létrehozott képek feldolgozásának első lépése az
előállító szervezetek által végzett radiometriai és geometriai feldolgozás. A
radiometriai feldolgozással a képalkotást terhelő különböző hatásokat
korrigálják. A geometriai feldolgozással a képet valamely vonatkozási és
vetületi rendszerbe transzformálják. A képeket a későbbi felhasználók digitális
formában, illetve analóg képként rendelhetik meg.
A
képek feldolgozása egyrészt a geometriai adatok, másrészt a szakadatok (például
geológiai tulajdonságok, hidrológiai jellemzők) kinyeréséből tevődik össze. A
geometriai adatok kinyerésének eljárásai vektor- vagy raszterállományokat
eredményezhetnek. A képekből a szakadatokat digitális képek esetén valamilyen digitális
képfeldolgozási eljárással, analóg képek
esetén a képek ún. interpretációval
nyerik.
A
szakadatok hatékony kinyerésének előfeltétele a megfelelő geometriai és
spektrális tulajdonságokkal rendelkező kép, illetve képek kiválasztása. A
képválasztás alapvetően az objektumok jellegétől függ.
Az
analóg formában megjelenített képek interpretációját a vizsgált szakterülettel
kapcsolatos ismeretekkel rendelkező szakember végzi. (Például az egyes
kőzetfajták felismerése a geológus feladata). Az interpretáció célja a kép
tartalmának minél teljesebb meghatározása.
A
távérzékelés különös jelentőséggel bír az időben változó jelenségek
megfigyelése esetén. Ilyenkor a különböző időpontokban készített űrfelvételek
összehasonlításából következtetnek a változásokra. Példa lehet a Tisza
árvizeinek nyomon követése.
VI. AZ ADATOK RENDSZEREZÉSE, MEGJELENÍTÉSE ÉS A FEJLŐDÉS ÚTJAI
A térinformációs rendszerek
A Földfelszín hagyományos ábrázolási
eszköze, a térkép egyidejűleg tárolta és megjelenítette az információkat. Az
informatika fejlődése lehetővé tette a helyhez kapcsolódó információk
gyűjtésére, kezelésére, elemzésére és megjelenítésére szolgáló információs
rendszerek kialakítását. Az ilyen rendszereket térinformációs vagy
geoinformációs rendszereknek nevezzük.
A térinformációs rendszerekben elválnak
egymástól az adatok tárolásának és megjelenítésének funkciói. Mind a
helymeghatározó rendszerekkel, mind a távérzékeléssel nyert adatok feldolgozása
ma már ilyen eszközökkel történik.
A térinformációs rendszerek az adatok
elemzésének (pl. mozgásvizsgálatok) és az adatok megjelenítésének számos
lehetőségét biztosítják. A megjelenítés nemcsak statikus formában, hanem
multimédiás eszközökkel is lehetséges.
Mit hoz a jövő?
Az Szputnyik I. fellövése óta
kevesebb mint fél évszázad telt el. Azóta a Föld alakjával és méretével
összefüggő ismereteink megsokszorozódtak. Negyven évvel ezelőtt az első, a Föld
egészét magába foglaló geoid izovonalainak távolsága még 10 méter volt. Ma a
deciméter körüli felbontásnál tartunk. A helymeghatározó eszközök lehetővé teszik,
hogy a kontinensek mozgását cm körüli pontossággal mérjük. Az űrtechnika
csodálatos eszközt adott a különböző földtudományok művelőinek - geodétáknak,
geofizikusoknak, geológusoknak - a kezébe.
Nem irreális elképzelés, hogy a
következő évtizedekben a Föld egészének alakját centiméteres pontossággal
határozzuk meg. A Föld olyan égitest, amely változtatja az alakját, és az
űrtechnika segítségével az eddigieknél sokkal alaposabban ismerhetjük meg a
mozgását.
A távérzékelés kezdetén, a múlt
század hatvanas éveiben az első meteorológiai célú mesterséges holdak
felbontása még km nagyságrendű érték volt. Az 1970-es évek elején a természeti
erőforrások kutatására készült Landsat 1 MSS felvételeket a 79x56 m
képelemméret jellemezte. A 2001-ben fellőtt térképészeti célú Quick Bird
átlagos képelemmérete 0,72x0,72 m.
Ez azt jelenti, hogy három évtized
alatt 8500-szorosára növekedett az ugyanakkora területről rendelkezésünkre álló
információ mennyisége. Egyre több ország kapcsolódik be a távérzékelési
tevékenységbe. Új típusú, új elveken alapuló felvevő eszközöket hoztak létre. A
térinformációs rendszerek elterjedése és a rendszerek többségének
hozzákapcsolása az internethez a korábbiakban elképzelhetetlen feldolgozási
lehetőséget biztosít a felhasználóknak. Ezzel egyidejűleg rendkívüli mértékben
megnőtt a felhasználók köre.
A gyors ütemű technikai fejlődés nagy
valószínűséggel folytatódik. Ez részben - bizonyos határokig - növeli az
egyetlen holdról nyerhető információ mennyiségét. Az eszközök számának növekedése
további információmennyiség-növekedést jelenthet. Olyan új űreszközök
létrehozása is várható, amelyek ma még megoldhatatlan feladatok megoldására
lesznek alkalmasak. (Nem tűnik utópisztikusnak például az az amerikai
elképzelés, hogy egy évtized múlva egyetlen mesterséges holdról figyelik majd
New York közlekedését). Az informatika fejlődése pedig új lehetőségeket
biztosít az eredmények feldolgozásában. Ha mindezeken túl figyelembe vesszük az
internet bővülő lehetőségeit is, akkor joggal mondhatjuk, hogy az emberiség
egyre nagyobb hányada gazdagodik a Földdel kapcsolatos egyre alaposabb
ismeretekkel.
|
||
|
|
|
||
|
|