Az űrfelvételek a műholdak által a Föld felszínéről készített speciális képek, melyek az adott műhold keringési pályája által lefedett területsávokat mutatják meg abból a célból, hogy információkat nyerjünk a természeti környezetről, az óceánokról, a légkörről és nem utolsó sorban a társadalmi folyamatokról. Magyarországon néhány más intézmény mellett a Lechner Tudásközpont Távérzékelési Főosztálya, azon belül is egy kifejezetten műholdas szakértőkből álló csoport foglalkozik űrfelvételek, elsősorban a Landsat és a Sentinel műholdak nagyfelbontású adatainak elemzésével. Ennek a csapatnak a tagja Rotterné Kulcsár Anikó távérzékelési vezető szakértő, aki napi munkája során űrfelvételeket elemez, elsősorban a hazai mezőgazdaság és közigazgatás támogatására.
A földmegfigyelés lényege, ahogyan az beszédes nevében benne van, a Föld vizsgálata a világűrből, különböző érzékelő eszközök, főképpen műholdak segítségével. Ezek az űrben keringő érzékelő-berendezések hatalmas mennyiségű adatot gyűjtenek bolygónkról – olyan helyekről is, amelyeket a Földről nem lehet felderíteni. A megfigyelési folyamat nem csak a speciális műholdak által készített különböző típusú űrfelvételek létrehozását, hanem a mért adatok feldolgozását, elemzését és alkalmazását is magában foglalja. Rotterné Kulcsár Anikó, a Lechner Tudásközpont Űrtávérzékelési Osztályának távérzékelési vezető szakértője 23 éve foglalkozik az űrfelvételek mezőgazdasági célú elemzésével. Adatokat gyűjt aszályról, belvízről, növényfajtákról, sőt, olykor falopási vagy egyéb bűnügyek felderítésében is segítséget nyújthat tudásával.
Hogy egyáltalán meglegyen a közös nyelv és értsük egymást ebben a beszélgetésben, kérlek, mondd el a lehető legegyszerűbben, mit kell tudni a műholdak által készített űrfelvételekről!
A műholdak a Föld, a vizek felszínéről, a légkör részecskéiről visszavert, illetve az ezek által kibocsájtott saját elektromágneses sugárzást rögzítik. Az optikai műholdak esetében az energiaforrás a Nap, illetve a felszín saját sugárzása, a radar műholdak saját maguk bocsátanak ki sugárzást. A műhold érzékelőire beérkezett energiát digitális jelekké alakítják, amelyekből képfeldolgozó eljárásokkal állítják elő a műholdképeket. Én nagyrészt optikai űrfelvételekkel foglalkozom, egy kolléganőm pedig elsősorban radar felvételekkel.
Mindebből már látszik, hogy az űrfelvételek elemzése nem hétköznapi szakma. Laikusként azt is nehéz elképzelni, milyen lehet egy űrfelvétel egyáltalán, részletes-e, olyan, mintha a Google Maps műholdtérképeit nézegetnénk? Vagy sokkal rosszabb felbontású? Mit lehet látni egy ilyen képen, mire lehet alkalmas?
A műholdak által készített űrfelvételeket három alapvető tulajdonság jellemzi: a spektrális, a terepi és az időbeli felbontásuk. A spektrális felbontás azt jelenti, hogy a műhold érzékelője milyen hullámhossz-tartományokban (sávokban) érzékeli a felvételezett területről visszavert elektromágneses sugárzást. A terepi felbontás az űrfelvétel geometriai részletgazdagságát jelöli, amelyet méter/pixelben fejeznek ki. A pixel az űrfelvétel legkisebb térbeli egysége. A terepi felbontás néhány centimétertől kilométeres nagyságrendig változhat. Az időbeli felbontás pedig azt az időtartamot mutatja, ami alatt a műhold a Föld ugyanazon pontja fölött ismételten áthalad. A különböző űrfelvételek területi fedése is fontos szempont, ez a néhány kilométerszer kilométeres területtől a több ezer négyzetkilométerig terjedhet. Ezek a tulajdonságok együttesen határozzák meg, hogy egy űrfelvételt mire lehet felhasználni.
Mivel az osztályunkon főleg a növényzet megfigyelésére, mezőgazdasági területek elemzésére használjuk az űrfelvételeket, számunkra kevésbé fontos a részletesség, 10-30 méteres felbontású űrfelvételekkel is jól tudunk dolgozni. Az viszont nagyon lényeges, hogy a műhold minél szélesebb hullámhossz-tartományban felvételezzen, azaz minél több, a célnak megfelelő spektrális sávot tartalmazzon az űrfelvétel. A legtöbb jó terepi felbontású – 1 méteres vagy annál részletesebb – űrfelvétel viszonylag kisebb spektrális felbontással rendelkezik, elsősorban a látható és az infravörös sávokat tartalmazza. A növényzet szempontjából azonban a vörös, infravörös sávokon kívül fontosak bizonyos nagyobb hullámhosszú sávok is, ezért mi olyan űrfelvételekkel dolgozunk, amelyeknek ennek megfelelő a spektrális felbontása.
A másik szempont az űrfelvételek kiválasztásában sokkal prózaibb. A munkánkhoz nagyobb területek átfogó elemzésére alkalmas űrfelvételekre van szükség, ezért ezek ára is fontos szempont. Egy-egy kereskedelmi forgalomban megvásárolható űrfelvételnek rendkívül magas ára is lehet, nekünk pedig nem áll rendelkezésükre végtelen forrás. Ezért esett a választás a Landsat és Sentinel űrfelvételekre, amelyek teljesen ingyenesen elérhetők, jó a spektrális felbontásuk és a terepi felbontásuk is megfelelő. Az egyes űrfelvételek nagy területet fednek le és egy fillérbe sem kerülnek. Ha a nyersanyag, tehát az űrfelvételek megvannak, akkor következik a mi munkánk, melynek elvégzéséhez a tudásunkon kívül adattárolók, hálózat és számítógépes kapacitás szükséges. A nyers űrfelvételeket a FIR-ből töltöm le, majd ezután kerül sor a további feldolgozásra.
Mi az a FIR?
A FIR a Földmegfigyelési Információs Rendszer rövid neve. Ez egy olyan, nemrégiben létrejött modern hazai platform, amely arra szolgál, hogy az űrfelvételeket az emberek számára elérhetővé tegye. Fejlesztését több hazai szervezet végezte, köztük a Miniszterelnökség szakmai háttérintézményeként a Lechner Tudásközpont, illetve a Külgazdasági és Külügyminisztérium Űrpolitikáért és Űrtevékenységért Felelős Főosztálya.
A FIR elsősorban a Copernicus földmegfigyelési program adatainak elérésére, így a Sentinel műholdcsalád által készített űrfelvételekre épül, melyeket a FIR felületén meg is lehet jeleníteni. A FIR publikus felülete az e-föld, ahová bárki regisztrálhat és megnézheti, tanulmányozhatja az űrfelvételeket. Nem csak iskolai beadandóhoz, tananyag-kiegészítésként tanároknak, diákoknak, vagy érdeklődő felnőtteknek kiváló ez a felület, de szakdolgozathoz vagy kutatáshoz is, mivel feldolgozott és nyers űrfelvételeket is találhat itt az ember, melyeket le is tud tölteni. A nyers űrfelvételeket én is a FIR-ből töltöm le, a feldolgozási mechanizmusunk azonban eltérhet a lakossági felhasználókétól.
A szakmai oldal számára is van űr-tartalom a FIR-ben?
Igen, sőt, nem csak képek és nyers adatok vannak, mert a FIR-nek vannak speciális szakrendszeri rétegei is, sajátos igényekkel. A vízügy, a honvédelem, a katasztrófavédelem és az erdészet feladataival foglalkozó szakintézmények az űrfelvételek igényük szerint elemzett adataihoz juthatnak hozzá a FIR-en keresztül. A vízügyi szakterület például már kész belvíztérképet kaphat, de készülnek többek között erdőváltozási, detektált tűzeseteket ábrázoló, növényborítottságot és beépített területeket megjelenítő térképfedvények is.
Mit csinálsz Te a napi munkádban a FIR-ből beszerzett nyersanyaggal?
A FIR-ből letöltött űrfelvételeket előre megírt programokkal, scriptekkel dolgozzuk fel. Az én feladatom az optikai űrfelvételek feldolgozása és adott feladatokhoz kapcsolódóan azok elemzése is. Olyan szerencsés vagyok, hogy az én munkám a teljes folyamatot végigkíséri, a letöltéstől a feldolgozás végéig. Az űrfelvételek kisebb négyszögletes egységekbe, úgynevezett csempékbe vágva tölthetők le. A tömörített űrfelvételeket letöltés és kicsomagolás után az eredeti WGS 84-es koordinátarendszerből át kell transzformálni a hazánkban leginkább használatos EOV-be. A következő lépés az űrfelvétel csempék összemozaikolása. Erre a könnyebb felhasználhatóság miatt van szükség. Sokszor előfordul, hogy a vizsgálandó terület több csempére esik, a munkát pedig meggyorsítja, hogy nem elemzés közben kell a szükséges csempéket összemozaikolni. Az így előfeldolgozott űrfelvételekből szükség szerint különböző spektrális indexeket is előállítunk. Ezt a folyamatot régebben manuálisan és többen végeztük, amit mára már felváltottak a scriptekkel végezhető műveletek, melyek nagyon megkönnyítik az előfeldolgozás menetét. Az optikai űrfelvételeknél benne van a pakliban, hogy a felhők kitakarják a terület egy részét vagy akár egészét. Ez a radar felvételeknél nem okoz gondot, mert a radar „átlát” a felhőkön is. Azonban ezeknek a felvételeknek is megvannak a maguk korlátai.
A soksávos optikai űrfelvételek gazdag hullámhossz-tartománya lehetővé teszi a növénytakaró széleskörű elemzését. Vannak olyan sávok, amelyek érzékenyek a növényzet klorofill tartalmára, ezért nagyon jól alkalmazhatók a növényzet állapotváltozásainak vizsgálatára. Mindezeket jól tudom hasznosítani, mivel az én munkám a növényzet, a mezőgazdasági területek vizsgálatához kötődik.
Úgy érted, a spektrális vizsgálat meg tudja állapítani, ki van-e száradva egy búzaföld, vagy hogy jól fejlődik-e a kukorica?
Igen. Az űrfelvételek spektrális gazdagsága lehetőséget ad arra, hogy az emberi szem által nem érzékelhető hullámhossz-tartományokat is megjeleníthessük. Bár az általunk használt űrfelvételek több száz kilométer magasból készülnek, mégis jól felismerhetők rajtuk a szántóföldi növények fajtái és végig tudjuk követni a növények fejlődését is. Minden növényfajta sajátos módon fejlődik, mind a kinézetét, mind a fejlődése időszakát, időtartamát tekintve. Ezek ismeretében az űrfelvételek alapján növénytérkép készíthető és az is megállapítható, hogy mennyire jól fejlődik az adott növény, így akár azt is meg lehet becsülni, hogy milyen termésre lehet számítani. A gyakorlott szem a képernyő piros-zöld-kék színeihez rendelt hullámhossz-értékek segítségével megjelenített felvételek színkavalkádjából vizuálisan is meg tudja állapítani, hogy mennyire fejlett vagy esetleg fejlődésben elmaradt az adott növényzet. Objektív elemzést viszont a spektrális indexek segítségével lehet elvégezni. Az űrfelvételekből előállított spektrális indexek értékei jól jellemzik a különböző növénykultúrák pillanatnyi állapotát. Ha ezeket kiszámoljuk egy űrfelvétel idősorra, gyönyörű növényfejlődési görbéket kapunk, melyek a növények fejlődési folyamatait és esetleges károsodásait is kimutatják.
Az Európai Űrügynökség (ESA) Sentinel–2 A és B műholdpárja hazánk teljes területéről is készít felvételeket, maximum 10 méter/pixel terepi felbontással. A szenzorok 13 különböző hullámhossz-tartományban rögzítik a földfelszínről visszaverődő napsugárzást, aminek egy részét az emberi szem nem képes érzékelni, viszont hamisszínes felvételeken megjeleníthetők - például az infravörös sáv sok információt hordoz a növényborítás típusairól és a biomassza mennyiségéről.
Ebben az animációban egy teljes év változásait kísérhetjük végig a 2019. utolsó napján készült felvételtől 2020. november közepéig.
Szilveszter napján a Börzsönyben és a Pilis északi részén az erdők a tavaszi kizöldülést várják - lombkorona nélkül, ezért minimális infravörös kisugárzással. Sötéten kanyarog a Duna hideg felülete, a mezőgazdasági területeken viszont már élénk piros színnel jelenik meg az ősszel elvetett, és decemberre már kikelt növények erőteljes infravörös sugárzása. A január felvételeken masszív felhőzet látható, a hegyek délkeleti oldalán pedig hóborítás jelenik meg lilás árnyalattal. Februárban és márciusban az erdők még mindig nyugalmi állapotban vannak, a mezőgazdasági kultúrák narancssárga színűek. Áprilisban robbanásszerű fejlődésnek indulnak az őszi vetésű növények és a tavaszi gabonák, illetve az erdőkben megindul a lombfakadás - ahogy ezt a narancs és piros árnyalatok erőssége is mutatja. Májusra az erdők lombkoronája kiteljesedik, a mezőgazdasági területeken pedig a tavaszi növények elérik a legnagyobb zöldtömegüket. A kukorica és napraforgó vetését élénk zöld színű, frissen művelt mezőgazdasági táblák jelzik, például a felvétel északnyugati részén. Június közepére a gabonák elkezdenek beérni, fokozatosan elvesztik a klorofill tartalmukat, így élénk piros színük fokozatosan barnás-bordóssá sötétedik. Július közepére a terület nagyrészén megtörténik a gabonák betakarítása, így a mezőgazdasági táblák színe zöldre vált. Szeptemberre az erdők lombozata is színesedni és hullani kezd, ami az erdőterületek árnyalatainak változásán is észrevehető. Októberben már csak az évelő mezőgazdasági kultúrák - például a lucerna - virítanak a táblákon, miközben a kékes-zöldes helyeken már vetik a következő évi gabonákat. Novemberre az erdők teljesen elveszítik a lombozatukat, az őszi növények pedig annyira megerősödnek, hogy újból megjelennek az űrfelvételeken vöröses árnyalataik. És a körforgás folytatódik tovább.
A növények fajtái, fejlődése mellett még mi az, ami kivehető egy ilyen űrfelvételen?
Az űrfelvételek sávjaiból nagyon sokféle index előállítható. A megfelelő sávok értékeiből matematikai képletekkel számított spektrális indexek hangsúlyosan kiemelik azokat a jelenségeket, amikre kíváncsiak vagyunk. A belvíztérképezésnél például olyan sávokból állítjuk elő a spektrális indexet egy képlet alapján, melyek a víz jelenlétére érzékenyek, így emelve ki a belvízzel érintett területeket. De ez csak egy index a számtalanból, ami rendelkezésünkre áll a munkához, mert rengeteg variáció létezik. Az űrfelvételek elemzéséből belvíztérképek, aszály- és gyeptérképek, felszínborítási térképfedvények készülnek, melyek hasznos információkat tartalmaznak a mezőgazdasággal, környezet- és természetvédelemmel foglakozók és a döntéshozók számára egyaránt.
Hozzád érkeznek a speciális kérések is, úgy hallottam, segítettél már a rendőrségnek, biztosítóknak és a gazdáknak is.
Az űrfelvételek mezőgazdasági célú hasznosítása mellett az osztályunkhoz rendszertelen időközökben beérkező egyéni kérelmekkel is én foglalkozom. Ezeket általában egy gazdálkodó, vagy a mezőgazdasági terület tulajdonosa kéri, de előfordul, hogy egy-egy hatóság, adóhivatal, biztosítótársaság vagy a rendőrség kér segítséget speciális esetekben. Volt arra példa, hogy falopás leleplezésében kérték a segítségünket, akkor azt kellett megnézni, tényleg kivágták-e a fákat, mikor és mennyit vágtak ki. Sajnos van olyan is, amiben nem tudunk segíteni, ilyen volt például egy gyilkossági nyomozás, amikor a rendőrök arra keresték a választ, hogy volt-e egy bizonyos időpontban és helyen egy csónak a Dunán, ám a csónak nagyon kicsi tárgy, azt a mi űrfelvételeinken nem lehetett látni. Van olyan eset is, amikor egy hatóság kérdezi, hogy a gazda művelte-e, lekaszálta-e, vagy felszántotta-e az adott területet, milyen növény volt évekkel korábban a területen, az lett-e elvetve, amiről a gazda nyilatkozott. Több esetben földet bérbeadók, vagy éppen a termelők fordultak hozzánk, mert nem termett be a várt mennyiségű termény és a termelő káreseményre hivatkozott. Ilyenkor az esetleges aszály-, belvíz- vagy jégkár bizonyítása, illetve cáfolata volt a feladat.
Mindig is űrfelvételeket akartál elemezni? Milyen végzettséggel kell rendelkeznie annak, aki ilyen pálya felé kacsintgat?
Az ELTE geológus szakán végeztem, akkoriban még nem volt erre specializált képzés, egészen a legutóbbi évekig. Egyetemistaként választható tárgyként tanultam fotóinterpretációt, ahol légifotókat elemeztünk, így indult nálam ez az érdeklődés. Aztán egy véletlen folytán a Műegyetemen egy tablón űrfelvételeket pillantottam meg és bementem érdeklődni arra a tanszékre, ahol láttam őket. Az ottani tanárnő a szárnyai alá vett – annak ellenére, hogy nem ott tanultam – és kaptam tőle űrfelvételeket, amelyeket elemezhettem geológiai szempontból. A szakdolgozatomat már erre építettem, majd első munkahelyként a Magyar Állami Földtani Intézethez kerültem a Távérzékelési Osztályra. Onnan évek múlva, 1999-ben léptem át a Földmérési és Távérzékelési Intézethez (FÖMI), amely 2019-ben egyesült a Lechner Tudásközponttal. A FÖMI-ben távérzékeléssel kapcsolatos munkakört kaptam, elég hamar bedobtak a mélyvízbe, mert rövid idő múlva űrfelvételeket kellett elemeznem, ami eleinte nagyon nehéz volt, de belejöttem és már 23 éve ezt csinálom. Ma már az ELTE geofizikus mesterszakán belül létezik űrkutató-távérzékelő specializáció, fiatal kollégáim között ketten már itt végeztek. Ehhez a munkához hasznos a természettudományos szemlélet, és némi jártasság a fizikában, matematikában. Akik erre specializálták magukat, zömében geofizikusok, de vannak agrár- vagy környezetmérnöki végzettségű munkatársaink is.
