Descărcarea imaginilor Landsat din baze de date accesibile on-line (baza de date Global Land Cover Facility)

Introducere

Imaginile satelitare Landsat semnifică poate cel mai important episod din istoria teledetecției și a observării Pământului. Între 26 iulie 1972 și 18 noiembrie 2011, misiunile celor șase sateliți (vezi), au produs o arhivă impresionantă, având în vedere faptul că înregistrarea aceleiași zone (scenă satelitară) s-a efectuat la intervale de 19 zile (la primii sateliți), respectiv 16 zile (la sateliții Landsat 5 și Landsat 7). Senzorii folosiți (optici, și de la Landsat 5, optici și în infraroșul termal)_ au produs imagini de rezoluții spațiale medii (ex. 30 m în multispectral, 15 m în pancromatic și 60 m în infraroșul termal, la senzorii de pe Landsat 7 ETM+). Principalul avantaj al acestor imagini în constituie rezoluția spectrală remarcabilă, care permite numeroase combinații și mai ales valoroase posibilități de analiză digitală cu ajutorul pachetelor software specializate.

Cu toate problemele tehnice apărute de-a lungul timpului (ex. defecțiunile sistemului de corectare a liniilor de scanare din mai 2003, în limba engleză SLC-off), imaginile Landsat MSS, TM și ETM+, sunt poate cele mai utilizate în studiul teledetecței și analizei imaginilor la cele mai diferite niveluri, de la cel de licență, la cel de doctorat.

Site-urile oficiale de internet ale misiunii Landsat, manageriată de către USGS (United States Geological Survey) și NASA-Goddard Space Flight Center (http://landsat.gsfc.nasa.gov), oferă toate informațiile de la istoric, caracteristici ale imaginilor, exemple de imagini și aplicații, dar mai ales date necesare calibrării imaginilor (conversiei valorilor digitale de tip byte în cantități fizice de tipul radianței, reflectanței sau al temperaturii radiante, după caz).

Manualul de utilizare al imaginilor Landsat 7 ETM+ (download în format .pdf, alături de o documentație completă ce include și normele juridice ale utilizării datelor), este un document de un real folos atât pentru studenți dar mai ales pentru cercetătorii din cele mai diverse domenii, de la fizicieni la geologi, geografi, ingineri silvici, agronomi etc.

Deși misiunea Landsat este în prezent încheiată, pentru anul 2013 este prevăzută inițierea proiectului LDCM (Landsat Data Continuity Mission, vezi site-ul proiectului), prin plasarea pe orbită a lui Landsat 8.

Accesul la aceste date este posibil în mod gratuit prin intermediul unor portaluri consacrate de date geospațiale. Acestea vor constitui obiectul a două tutoriale separate, primul dedicat paginii Global Land Cover Facility (GLCF), iar al doilea portalului Earth Explorer, administrat de USGS (http://earthexplorer.usgs.gov).

Descărcarea imaginilor Landsat TM și ETM+ din portalul Global Land Cover Facility

Pentru învățământ dar și pentru cercetare, datele LANDSAT (MSS, TM, ETM+), și nu numai, pot fi accesibile gratuit pe un site aparținând Universității din Maryland/SUA, cu portalul GLCF (Global Land Cover Facility, cu adresa http://glcf.umiacs.umd.edu/.

Pentru interpretarea geografică a scenelor/subscenelor satelitare LANDSAT TM și ETM+ este necesară în primul rând, identificarea în baza de date a regiunii care face obiectul cercetărilor. În acest scop există WRS-2 (Worldwide Reference System, generația a doua), un sistem de localizare, în care fiecare scenă este codificată în funcție de numărul orbitei satelitare, numită și path și simbolizată cu p, respectiv în funcție de numărul linei, al rândului de scene orientate pe direcția paralelelor (row). Fiecare scenă LANDSAT are un cod format din p…r… , pe baza căruia poate fi identificată în cadrul hărții Globului (Fig. 1).

Fig. 1 Harta micșorată și simplificată, corespunzătoare sistemului de numerotare a scenelor Landsat 4, 5 și 7. Fiecare scenă este o combinație între orbită (p, path) și șirul corespunzător (r, row). Pe harta a fost încadrat teritoriul României. Exemplu, scena în care se încadrează municipiul Brașov este simbolizată p183r028.

Fig. 2 Pagina de intrare a portalului Global Land Cover Facility dezvoltat la Universitatea din Maryland, în colaborare cu NASA, prin care se pot accesa baze de date geosațiale (imagini de teledetecție și date derivate, date de elevație SRTM etc.).

Din pagina de acces (figura 2), există posibilitatea de a pătrunde în baza de date geospațiale (ESDI, engl. Earth Science Data Interface), la care căutarea se poate efectua cu ajutorul hărții sau, dacă se cunoaște numerotarea scenei, folosind valorile ,,p” și ,,r” corespunzătoare (ex. pentru Muntenia se va căuta p183r029).

În figura 3, apare portalul accesat cu instrumentele de căutare amintite. De reținut că arhiva prezintă numai o selecție de scene Landsat, considerate sugestive și deci utile procesului didactic, dar care se pot integra și în diferite aplicații de cercetare. Acestea necesită doar o precizare adecvată a sursei de proveniență.

Baza de date poate oferi la cerere, prin crearea unui cont de utilizator, și alte imagini sau seturi de date, în cazul în care acestea sunt disponibile. Mai mult, cei interesați pot fi permanent informați privind noile seturi de date introduse sau orice alte modificări. Un ghid de căutare și download a datelor există la adresa http://glcf.umd.edu/library/guide/datadownload.shtml.

Există trei căi de accesare a informației, de la căutarea pe harta Globului, pe care se suprapune acoperirea spațială a seturilor de date disponibile, la căutarea bazată pe datele de identificare a scenelor în sistemul WRS-2. La acestea se adaugă și posibilitatea de căutare a unor produse diferite, imagini de teledetecție cu diferite rezoluții spațiale (ex. AVHRR, ASTER, MODIS, IKONOS, QuickBird), date derivate din acestea (strate raster multitemporale cu vegetația și acoperirea terenului), dar și date de elevație (ex. modele digitale ale terenului SRTM). Acestea nu constituie însă, obiectul tutorialului nostru.

Fig. 3. Căile de acces la imaginile de teledetecție date derivate, prin portalul Global Land Cover Faculity și interfața specializată ESDI (Earth Science Data Interface). Cea mai simplă cale este prima (Map Search sau căutarea pe hartă), ce nu necesită cunoașterea în prealabil a datelor exacte de identificare ale scenei satelitare Landsat.

După afișarea hărții Globului și mai ales a produselor (seturilor de date geospațiale) disponibile, se poate afla mai întâi ce poate oferi baza de date, în funcție de necesitățile noastre. Pe bara din stânga hărții apar în detaliu seturile de date disponibile. Ceea ce este important este că nu toate acestea acoperă întreaga suprafață terestră, atât spațial cât mai ales temporal. Informații utile legate de acestea se pot afla din paginile web ale diferitelor proiecte și misiuni de teledetecțe, dar și de pe site-ul GLCF.

În figura 4, apar numai patru categorii de date și produse oferite de pagina GLCF (imagini Landsat, imagini ASTER, produse MODIS, produse AVHRR). A fost activată doar o categorie de imagini (Landsat TM), care apar la nivel de acoperire spațială, prin apăsarea comenzii de actualizare a hărții (update map).

Din imaginea afișată a ecranului, rezultă că scenele Landsat TM acoperă cu precădere, în baza de date GLCF, teritorii ce corespund mai mult uscatului terestru, inclusiv unor arhipelaguri de insule. De aceea, terenul acoperit cu date spațiale de acest tip apare în nuanțe de roșu. Harta nu arată decât foarte sumar cât de consistentă este acoperirea multitemporală a acestor scene satelitare Landsat (areale cu nuanțe mai închise sau mai deschise). Aceste aspecte pot fi cunoscute prin detalierea condițiilor de căutare a imaginilor. Harta poate fi vizualizată în diferite formate prin setarea din dreapta sus a ecranului, ceea ce ajută și mai mult utilizatorul în cunoașterea acoperirii spațiale.

Fig. 4. Vizualizarea acoperirii spațiale a unui strat sau nivel de date reprezentat prin imagini satelitare Landsat TM. În bara din stânga apar tipurile de date geospațiale din arhivă. Prin actualizarea hărții (update map, săgeata albastră) se poate afla ce regiuni apar în imaginile căutate. Posibilitățile de căutare (săgeata roșie) apar deasupra ferestrei hărții (tip de informații geospațiale, date de identificare, coordonate geografice, regiune, vectori, diferite straturi de hartă). Bara de instrumente din partea superioară a hărții (săgeata portocalie) permite detalierea unei anumite regiuni, deplasarea pe hartă, selectarea-deselectarea imaginii sau setarea unui cadru spațial în limitele căruia se va realiza căutarea imaginilor.

Căutarea imaginilor se poate efectua diferit, în funcție de nivelul de expertiză al utilizatorului și de informațiile disponibile (Fig. 4). Deasupra barei de instrumente atașate hărții, apar mai multe comenzi: tipul de imagine sau produs și data, orbita-șirul din sistemul de nomenclatură WRS1 sau 2, coordonatele geografice ale colțurilor zonei căutate, denumirea regiunii căutate, zona dorită delimitată cu ajutorul unui vector (puncte, poligon).

Fig. 5. Vizualizarea în spațiul regional a scenelor satelitare Landsat TM disponibile. Terenul acoperit de imagini este colorat în nuanțe de roșu (mai ales uscat).

Detalierea căutării imaginilor Landsat este posibilă prin folosirea unor câmpuri speciale situate în partea de jos a hărții. Opțiunile sunt numeroase, însă importante sunt două aspecte:

• data imaginilor de interes (ex. se alege în funcție de specificul analizei), în sens absolut (perioada, ziua, luna, anul) sau relativ (ani, luni, în urmă față de o anumită dată ce poate corespunde unui eveniment, ex. o inundație);


• categoria de produs de teledetecție ce semnifică de fapt gradul de procesare al imaginii căutate (ex. imagini ortorectificate ori coînregistrate cu hărți topografice sau L1G-L1T, imagini mozaicate de tip GLS sau GeoCover, imagini calibrate în reflectanță, Surface reflectance etc.).

Proprietățile acestor produse sunt ușor de căutat în pagina GLCF, la adresa http://glcf.umd.edu/data/landsat. Setările cerințelor (require) sau excluderii (exclude) permit o filtrare a imaginilor și produselor derivate prin setarea update map.

Fig. 6. Detalierea căutării la nivel de imagini și produse derivate, în limitele regiunii precizate pe hartă. Câmpurile permit pe de o parte o filtrare după dată a imaginilor Landsat, însă există și posibilitatea de a selecta sau elimina imagini și produse diferite. Acestea sunt valabile pentru toate imaginile din baza de date și necesită o informare în prealabil asupra proprietăților lor. Ex. selectarea Level 1G semnifică alegerea unei scene sau a unor scene Landsat corectate geometric și radiometric, orientată la teren, cu o anumită proiecție.

Alegerea scenei Landsat L1G dorite de pe hartă este ușor de realizat prin selectarea zonei căutate (săgeata de selecție din bara de comenzi atașată hărții de bază). În cazul nostru am optat asupra scenei satelitare în care se află Brașovul și o parte a Carpaților Curburii, deoarece ne interesează (de exemplu) o analiză regională asupra pădurilor din Munții Postăvaru și Piatra Mare (Fig. 7). Selectarea imaginilor se poate face pentru mai mulți senzori Landsat (TM, ETM+) și pentru o perioadă bine precizată.

Trecerea la previzualizare și descărcarea datelor folosind un protocol de ftp, este posibilă prin acționarea comenzii din partea de jos a hărții (preview and download). Aceasta oferă mai întâi o imagine micșorată a scenei (o combinație falscolor), precum și datele de bază ale acesteia.

Fig. 7. Selectarea scenei Landsat dorite (săgeata portocalie) și trecerea la previzualizare și descărcarea în regim ftp (săgeata roșie). Harta arată deja acoperirea spațială a imaginii dorite (conform WRS), iar seturile de date Landsat pot fi diversificate prin bifarea tipurilor de senzori din bara de date (stânga). În cazul nostru au fost selectate imagini Landsat TM dar și ETM+.

Fig. 8. Scena Landsat TM este previzualizată (imaginea micșorată falscolor), împreună cu datele de bază ale acesteia (senzorul, datele de identificare, data preluării, denumirea produsului și gradul de procesare, țara, ID-ul din baza de date, volumul de informație comprimat și real). În tabel sunt prezente două scene satelitare dintre care una sau ambele pot face obiectul descărcării în scop de analiză și procesare.

Imaginea selectată se află stocată pe un server specializat, la o adresă .ftp (Fast Protocol Transfer) cu o cale (path) precizată la începutul listei de fișiere gata de descărcare (Fig.9). Acestea sunt în număr diferit, în funcție de imaginea Landsat. Prima condiție este dată de numărul benzilor spectrale (șapte la Landsat TM, opt la Landsat ETM+, cu banda termală la două nivele de intercepție a radiației), la care se adaugă un fișier de metadate (datele imaginii, utile mai ales calibrării acesteia în radianță sau reflectanță), fișiere de previzualizare, fișiere de utilizare (credite) etc. Informația la nivel de bandă spectrală este arhivată (imagini în format tiff arhivate, cu extensia tiff.gz) și necesită descărcarea individuală, dezarhivare și apoi vizualizare în pachete software care operează cu imagini de teledetecție și care recunosc proiecții cartografice (comerciale sau open source).

Fig. 9. Lista fișierelor accesibile prin ftp pentru scena Landsat ETM+ nivel L1G ortorectificată, data 05-06-2000. Descărcarea se realizează individual și necesită în primul rând preluarea arhivelor ce corespund benzilor spectrale.

Identificarea fișierelor în vederea procesării lor și a vizualizării imaginilor este explicată în tabelul de mai jos. Datele corespund unei alte scene Landsat ETM+ nivel L1G, cu aceași acoperire ca a celei din figurile 7, 8 și 9 (altă dată de preluare).

Path (calea, adresa de internet a locației imaginii) : ftp://ftp.glcf.umiacs.umd.edu/glcf/Landsat/WRS2/p183/r028/L71183028_02820020510.ETM-USGS/

Fișierul	Mărimea arhivată	Mărimea reală	Momentul stocării

FISIERE DE CĂUTARE ȘI VIZUALIZARE PRELIMINARĂ

L71183028_02820020510.browse.jpg	84337 bytes	-	Mon Sep 29 15:58:25 EDT 2003
L71183028_02820020510.preview.jpg	5442 bytes	-	Mon Sep 29 16:02:37 EDT 2003

BENZI SPECTRALE

L71183028_02820020510_B10.tif.gz	24151508 bytes	62533030 bytes	Mon Sep 29 16:03:27 EDT 2003
L71183028_02820020510_B20.tif.gz	25535431 bytes	62533030 bytes	Mon Sep 29 15:59:09 EDT 2003
L71183028_02820020510_B30.tif.gz	28473312 bytes	62533094 bytes	Mon Sep 29 15:59:49 EDT 2003
L71183028_02820020510_B40.tif.gz	32752650 bytes	62533094 bytes	Mon Sep 29 16:00:56 EDT 2003
L71183028_02820020510_B50.tif.gz	34158255 bytes	62533030 bytes	Mon Sep 29 16:01:49 EDT 2003
L71183028_02820020510_B61.tif.gz	5502861 bytes	15692430 bytes	Mon Sep 29 16:02:10 EDT 2003

FISIER DE METADATE (DATELE IMAGINII)

L71183028_02820020510_MTL.txt

6967 bytes

-

Mon Sep 29 15:57:41 EDT 2003

BENZI SPECTRALE

L72183028_02820020510_B62.tif.gz	6915704 bytes	15692366 bytes	Mon Sep 29 16:02:25 EDT 2003
L72183028_02820020510_B70.tif.gz	31921277 bytes	62533030 bytes	Mon Sep 29 16:04:33 EDT 2003
L72183028_02820020510_B80.tif.gz	110392804 bytes	249225522 bytes	Mon Sep 29 15:56:55 EDT 2003

INSTRUCȚIUNI DE FOLOSIRE, CREDITE

README.GTF

7352 bytes

-

Mon Sep 29 15:57:59 EDT 2003

Modul de codificare al imaginii este compus după structura de mai jos, precizată de către Institute for Advanced Computer Studies, University of Maryland, SUA.

L71183028_02820020510.ETM-USGS

L7/ misiunea LANDSAT 7/ 1/nivelul de prelucrare (level)/ 183/ numărul orbitei sau path/ 028_/ numărul șirului sau row/ 028/ numărul rândului sau row / 20020510 /data înregistrării-anul,luna,ziua./ ETM/ tipul de senzor- USGS/managerul proiectului.
Fiecare bandă spectrală este o imagine digitală, în sistem 8 biți (byte) stocată sub forma unui fișier arhivat, după următorul sistem.

L71183028_02820020510_B20.tif.gz

L7/ misiunea LANDSAT 7/ 1 /nivelul de prelucrare (level)/ 183 / numărul orbitei sau path/ 028_ / numărul rândului sau row/ 028 / numărul rândului sau row / 20020510 /data înregistrării-anul,luna,ziua/ B20 / numărul benzii (aici banda 2, verde 0,52-0,60µm)/ tif. /extensia fișierului imagine/ gz /situația fișierului (arhivat)

Fig. 10. Scena Landsat ETM+ p183r028, din 10 mai 2002, extrasă din baza de date GLCF, previzualizată în format mult diminuat ca imagine falscolor în combinația benzilor 4 (infraroșu apropiat), 3 (roșu) și verde (2), la nivelul căreia a fost delimitată regiunea ce va face obiectul analizei ulterioare.

Concluzii

Analiza geografică a unei imagini LANDSAT presupune într-o primă etapă alegerea spațiului ce va face obiectul interpretării. Scena satelitară cuprinde un volum informațional deosebit de mare de ordinul milioanelor de pixeli, și necesită software special pentru analiză (ex. ENVI, ERDAS etc.). Din această cauză, este necesară, după alegerea scenei (Fig. 10) sau scenelor aferente suprafeței studiate, și extragerea de subscene din suprafața scenei. Dacă regiunea analizată este cuprinsă în două sau mai multe scene, se poate construi un mozaic de imagini. Citarea sursei imaginilor din baza de date GLCF este obligatorie. Regulile sunt precizate la adresa http://glcf.umd.edu/data/landsat.