Rob Stroeks, NOST Tokyo
Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.
Samenvatting
De Japanse satelliet ALOS is één van de weinige aardobservatiesatellieten die het hele aardoppervlak in kaart brengen. ALOS maakt deel uit van een serie van satellieten waarmee ruimtevaartagentschap JAXA al bijna twintig jaar beelden van de aarde maakt. Samen leveren ze een schat aan data die langetermijnveranderingen in kaart brengen. Organisaties over de hele wereld maken gebruik van de meetresultaten van ALOS voor milieu, watervoorziening, natuurrampen en cartografie. Inmiddels is het tijd voor opvolgers.
ALOS was op 24 januari 2011 jarig. De Advanced Land Observation Satellite is vijf jaar in een baan om de aarde en voldoet aan de levensverwachtingen die JAXA voor de satelliet had. ALOS is één van de succesverhalen van Japanse technologie en langetermijnplanning. In de ontwikkeling lijken doelstelling en technologie elkaar soms af te wisselen. In het begin van de jaren zeventig, toen wereldwijd meerdere methoden voor aardobservatie werden ontwikkeld, koos Japan voor eenvoud en robuustheid. JAXA ontwikkelde een eigen radarsensor op basis van de L-Band, radargolven met een lagere frequentie dan waar de meeste andere landen zich op richtten. Gaandeweg bleek de L-Band goed in staat om het aardoppervlak en zelfs iets van de laag daaronder goed in kaart te brengen. Weliswaar niet zo in detail als hoogfrequente radars, maar voldoende voor een aantal concrete toepassingen en maatschappelijke uitdagingen. Zo gebruikt de Japanse kustwacht beelden uit de ruimte om ijsschotsen in de zee ten noorden van Japan in kaart te brengen en zo navigatie en veiligheid van schepen te optimaliseren. Een internationale groep onderzoekers, waaronder de WUR, brengt al jaren ontbossing in kaart met ALOS-data.
De populariteit van ALOS-data is terug te brengen op betrouwbaarheid, wereldwijde dekking, snelle beschikbaarheid en klantgerichte dataverwerking. Hier komt de Japanse kracht naar voren in de ontwikkeling en integratie van alle noodzakelijke onderdelen van aardobservatie. Het gaat daarbij niet alleen om hardware zoals sensoren, satellieten en raketten. JAXA heeft ook een hoog ontwikkeld kalibratie- en validatiesysteem om apparatuur en meetresultaten continu bij te stellen en te optimaliseren.
Nu ALOS aan de levensverwachting van vijf jaar heeft voldaan gaat de aandacht langzaam uit naar de opvolgers. Die staan allang in de startblokken. De lancering van ALOS-2 en ALOS-3 zijn gepland voor 2012 en 2013. Ze krijgen de nieuwste sensoren, maar een misschien opvallender verschil is dat ze nog meer toegespitst zijn op de wensen van gebruikers wereldwijd. “We zijn al ver in het formuleren van doelstellingen en we maken eerste blauwdrukken van operationele planning. Maar we blijven open voor nieuwe partners en ideeën”, zegt Dr. Masanobu Shimada, de science manager van ALOS en al jaren een centrale figuur rond de L-Band technologie. “Samen met onze partners zoeken we steeds naar een goede balans tussen het uitvoeren van de ALOS Kyoto & Carbon plannen en de zoektocht naar nieuwe mogelijkheden.” Het hart van de onderzoeker toont zich als hij met de precieze handbewegingen in de lucht laat zien hoe ALOS de aarde rondvliegt.
Kyoto & Carbon Initiative
De ALOS Kyoto & Carbon plannen zijn onderverdeeld in vier thema’s: bossen, watergebieden, woestijnen & water en mozaïekproducten. De in 2000 opgestelde plannen moet bijdragen aan antwoorden voor wereldwijde milieuvraagstukken als de CO2-cyclus, biodiversiteit en drinkwatervoorziening. Vijfentwintig onderzoeksgroepen uit veertien landen nemen deel aan het project en gebruiken ALOS om de natuur op allerlei locaties ter wereld in kaart te brengen. De projecten bouwen veelal voort op eerdere projecten met JAXA satellieten, zoals het Global Rain Forest and Boreal Forest Mapping project dat in de jaren negentig met JERS-1 satelliet gegevens werkte. Al bijna twintig jaar brengen JAXA-satellieten de natuur in beeld, waarmee de langetermijnverschuivingen goed zichtbaar worden (figuur 1).
Figuur 1 Veranderingen in Amazone oerwouden, tussen 1993 en 2010 (afbeelding JAXA)
Een veelheid aan toepassingen
ALOS vliegt in een vast patroon van 644 omwentelingen in 46 dagen om de aarde (figuur 2). Indien nodig is het mogelijk om iets van dit patroon af te wijken en sneller op een bepaalde locatie te zijn. Dit gebeurt in principe alleen bij een ramp, zoals de aardbevingen in Haïti (figuur 3) en Chili in 2010. ALOS heeft daar inzicht gegeven over schade en tijdelijke behuizing in de stad en over de geologische deformaties veroorzaakt door de aardbevingen. Andere toepassingen zijn beelden van een tsunami in Indonesië in 2010 (figuur 4), een overstroming in Myanmar door cycloon Nargis in mei 2008 (figuur 5) en overstromingen bij Krakau in Polen in mei 2010 (figuur 6).
Figuur 2 ALOS draait per dag veertien keer rond de aarde (afbeelding JAXA)
Figuur 3 Haiti op twee tijdstippen na de aardbeving in januari 2010 (Prism en AVNIR-2) (afbeelding JAXA)
Figuur 4 Tsunami in Indonesië in oktober 2010. Rechts de normale situatie. (PRISM en AVNIR-2) (afbeelding JAXA)
Figuur 5 Deltagebied in Myanmar. Twee ALOS beelden voor en na cycloon Nagris in mei 2008 zijn over elkaar gelegd. In blauw het gebied dat alleen te zien is na de overstromingen. (PALSAR) (afbeelding JAXA)
Figuur 6 Beelden voor (links) en na overstromingen bij Krakau in Polen, mei 2010. (AVNIR-2) (afbeelding JAXA)
ALOS is ontworpen door JAXA en gebouwd door NEC Corporation. De satelliet heeft twee optische sensoren, PRISM en AVNIR, en de radarsensor PALSAR aan boord (figuur 7). PALSAR is een hoge resolutie microgolf sensor voor L-band frequentie ontwikkeld door JAXA en het Ministry of Economy Trade and Industry (METI).
Figuur 7 ALOS (afbeelding JAXA)
Drie Sensoren
PALSAR (Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar) is een actieve microgolfsensor die dag en nacht en onder alle weersomstandigheden werkt (figuur 8). Deze krachtige sensor heeft een bereik dat vijf maal zo groot is als bestaande SAR-sensoren. PALSAR bestaat uit een transmitter die radargolven met een golflengte van 23 cm uitzendt vanuit een gerichte antenne. De golflengte bepaalt welke ruwheid van het aardoppervlak de stralen als diffuus reflecteren (figuur 9). Doordat de radargolven in een hoek op het aardoppervlak vallen, weerkaatsen relatief vlakke gebieden de straal weg van de satelliet (donkere beelden), terwijl bij ruwe oppervlakken de reflectie diffuus is en daarmee maar gedeeltelijk terugkeert naar de PALSAR-sensor (lichte beelden). De intensiteit en de eigenschappen van de golven geven een indicatie van de situatie op aarde. L-Band staat voor de bandbreedte van 23cm, die vooral ruwheid in de orde van meters goed weergeeft, bijvoorbeeld het verschil tussen voor en na ontbossing. Er zijn ook satellieten die met andere banden werken, zoals de C-Band die met een band van 5cm ruwheden van tientallen centimeters goed kan weergeven. Om bijvoorbeeld illegale boskap in Zuid-Amerika te monitoren is de L-Band echter voldoende.
De PALSAR-sensor heeft verschillende observatiemodes (figuur 10). De hoek van de straling bepaalt het bereik van het geobserveerde gebied. Hoe kleiner dit gebied is, hoe hoger de resolutie en de kwaliteit van de meetresultaten. De hoogste resolutie van PALSAR is een gebied van zeven bij acht meter, een van de hoogste SAR-resoluties die er bestaan aan boord van een satelliet. Ook is het mogelijk de radargolf te polariseren, dat wil zeggen alleen de verticale (V) of horizontale (H) component ervan te gebruiken. PALSAR kan het zenden en ontvangen los van elkaar polariseren, en de resulterende combinaties (HH, HV, VH, VV) leveren verschillende inzichten op over het geobserveerde gebied.
Figuur 8 PALSAR (afbeelding JAXA)
Figuur 9 Gradatie van reflectie (links) naar diffuus (rechts)
Figuur 10 Operatiemodes van PALSAR (afbeelding JAXA)
PRISM (Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping) is een radiometer gevoelig voor microgolven (figuur 11). PRISM bestaat uit drie camera’s die naar achter, beneden en vooruit opnamen maken. Door de drie beelden te combineren is het mogelijk een driedimensionale weergave van de aarde te maken. De instelling van de camera’s bepaalt het bereik van de beelden.
Figuur 11 PRISM sensor (afbeelding JAXA)
AVNIR-2 (Advanced Visible and Near Infrared Radiometer type 2) is een radiometer voor het bereik tussen zichtbaar en nabij-infrarood licht (figuur 12).
Figuur 12 AVNIR-2 (afbeelding JAXA)
Grondstation
Het controlecentrum van ALOS staat in het Tsukuba Space Center (TKSC) van JAXA. Op basis van verzoeken van zusterorganisaties en gebruikersgroepen heeft JAXA een operationeel plan geformuleerd voor ALOS. De communicatie tussen grondstation en satelliet gaat direct of via een hulpsatelliet, afhankelijk van de positie van ALOS (figuur 13). Het grondstation doet een primaire verwerking van de ontvangen data en stuurt deze door naar Earth Remote Sensing Data Analysis Center (ERSDAC). Hier worden ze verder verwerkt en beschikbaar gesteld aan gebruikers. Hoever JAXA gaat in het verwerken van data is afhankelijk van de gebruiker, diens wensen en capaciteiten om data zelf te verwerken.
Figuur 13 Grondstations voor ALOS (afbeelding JAXA)
Internationaal netwerk
ALOS draait op een internationaal netwerk dat bestaat uit onderzoeksgroepen die apparatuur kalibreren en meetresultaten valideren, gebruikersgroepen die data voor eigen doelen inzetten, en nationale en internationale organisaties als WWF die ALOS ondersteunen. JAXA zit in het midden van deze netwerken. Als operator heeft het een rol om wensen van gebruikers te matchen met de technologische mogelijkheden van sensorproducenten. Het research center van JAXA is zelf ook gebruiker van de data van ALOS. En JAXA doet veel aan promotie om de satelliet ook buiten de kring van technologen bekendheid te geven en de maatschappelijke toepassingen meer te benadrukken.
Het Calibration/Validation Science Team (CVST) van JAXA bestaat uit meerdere teams en sites verdeeld over Noord- en Zuid-Amerika, Europa, Australië, Noord- en Zuidpool en Japan (figuur 14). Deze organisaties zorgen samen voor zowel kalibratie van de apparatuur, als validatie en verspreiding van meetresultaten. In Europa is de ALOS Data European Node (ADEN), waar ESA en ESTEC vertegenwoordigd zijn. De verspreiding van data gaat via een netwerk van vijf locaties wereldwijd (figuur 15). In de zone Europa-Afrika vervult het European Space Agency (ESA) deze functie vanuit een locatie in de buurt van Rome. De vijf locaties zijn zelf verantwoordelijk voor verwerking van data toegespitst naar gebruikers in de zone.
Figuur 14 ALOS kalibratiepunten (afbeelding JAXA)
Figuur 15 Distributie van data (afbeelding JAXA)
Conclusie
Aardobservatie is een internationale zaak die samenwerking vergt. Nederland kan hiermee zijn voordeel doen door samen te werken met Japan en gebruik te maken van de daar aanwezige kennis en ervaring op gebied van aardobservatie. Er zijn niet alleen mogelijkheden om als gebruiker deel te nemen aan JAXA-activiteiten, maar er is ook steeds meer ruimte om samen doelstellingen en plannen te formuleren voor de opvolgers van ALOS.
Bronnen
- JAXA: www.jaxa.jp/index_e.html
– ERSDAC (Earth Remote Sensing Data Analysis Center): www.ersdac.or.jp/eng
– EORC (Earth Observation Research Center): www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en
