Pályasajátosságok
A Landsat sorozat első három tagja pillangó alakú felépítésű volt. Ezek a 815 kg tömegű rendszerek kb. 3 m magasak és 1,5 m átmérőjűek, a napele-mek hossza 4 m volt. A felbocsátás után a műholdak cirkuláris pályán, névlegesen 900 km-es magasságban keringtek. A napszinkron pálya magassága 880 és 940 km között változott, az inklináció 81°, a műholdak 103 perc alatt kerülték meg a Földet, (napi 14 kör). A műholdak felszínre vonatkoztatott vetületi sebessége 6,46 km/s volt.
Két egymást követő pálya távolsága a keringési idő alatt megtett földfordulat miatt, az Egyenlítőnél 2760 km. A szenzorok csak 185 km-es sávot felvételeztek, ezért jelentős lefedési hiány alakult ki két egymást követő pálya között egy napon. A napi pályák minden nap fokozatosan nyugatra tolódtak és az új pásztázott terület, többé-kevésbé lefedte az előző napit. Az átfedés mértéke függ a műhold és a Föld keringésétől. Az átfedés maximális (85 %) a 81° északi és déli szélességeken és minimális (14 %) az Egyenlítőnél. A maximális átfedés azért a 81° szélességeken alakult ki, mert a műhold nem a pólusok fölött haladt át, hanem azoktól 9°-kal délebbre, ill. északabbra. Így a folyamatos nyugatra sodródás és az átfedések miatt a műhold csak 18 nap után került ismét ugyanazon a terület fölé. A műhold 18 naponta teljes egészében lefedte a Föld felszínét (kivéve 82° és a 90° szélességek között). Másként kifejezve, évente 20 alkalommal készült globális lefedés, biztosítva a monitoringhoz szükséges idősoros adatokat. A műhold pályáját gyakran korrigálni kellett az atmoszférikus hatások okozta pályamódosulás miatt. Ez biztosította, hogy az ismétlődő képek középpontjai 37 km-en belül voltak.
A Landsat 1–3 műholdak felszálló pályájukon helyi idő szerint pontosan délelőtt 9 óra 42 perc haladtak át az Egyenlítő felett, bár a pálya módosulásai miatt ez egy kissé változott működési idejük alatt. Ezt az időt azért választották, mert az egyenlítői zónában a kora délelőttök általában tisztábbak, kevesebb a felhő, mint délután. A rendszerek pályasebessége állandó volt, így a pálya más pontjai felett is ugyanabban a helyi időben haladt át a műhold (9 óra 42 perc után az északi félgömbön vagy ezelőtt a déli félgömbön).
Bár a napszinkron pálya biztosítja az azonos besugárzási feltételeket, ezek a feltételek helyileg és évszakonként változnak. Az, hogy a napsugarak a felvétel készítésekor mekkora beesési szöggel érkeznek a Föld felszínére, függ a földrajzi szélességtől és a felvételezés idejétől. Például a napsugarak beesési szöge december 21-én 90° a Baktérítőn és 0° az Északi Sarkkörön. Hasonlóképpen változik az azimut iránya évszakosan és a szélességgel. A napszinkron pálya nem küszöböli ki a napsugarak beesési szögének, az azimut és az intenzitás változásait. Ezek a tényezők mindig változnak és különböző atmoszférikus feltételek okozzák a képek közötti intenzitás-különbségeket.
A Landsat 1–3 fedélzeti szenzorai
Az első három Landsat műholdat azonos fedélzeti távérzékelési eszközökkel szerelték fel: (1) háromcsatornás RBV rendszer és (2) egy négycsatornás MSS rendszer.
A, Az RBV rendszer
Az RBV rendszer 3 db televíziós kamerából áll, melyek egyidejűleg készí-tettek felvételeket egy 185x185 km nagyságú területről. A kamerák névleges geometriai felbontása kb. 80 m volt. A spektrális felbontás: 0,475–0,575 µm (zöld), 0,58–0,68 µm (vörös) és 0,69–0,83 µm között (közeli-infravörös). Ezeket a sávokat 1., 2., és 3. sávnak nevezték. Az RBV nem tartalmaz filmet, bár a képek expozíciója egy a fényképező zárszerkezetéhez hasonló eszközzel történt és a képek a kamera fotoszenzitív felületén jöttek létre.
Miután az RBV kép a teljes felületen egyidejű képet biztosít, nagyobb kartográfiai lehetőségekkel rendelkezik, mint a Landsat MSS. A RBV minden képre elhelyezett egy mérőhálót, amely lehetővé tette a geometriai korrekciót, így majdnem minden képi torzítást kompenzálni lehet a képfeldolgozási folyamatban. Az RBV rendszer a Landsat-1 műholdon sajnos csak 1690 képet készített 1972. július 23. és augusztus 5. között, amikor a mágnesszalagos tároló kapcsolási problémái miatt a rendszert leállították. A mágnesszalagos tárolóra kerültek az RBV és az MSS adatok is. Az adatáram szétosztását oldotta volna meg a kapcsoló rendszer, amely végül meghibásodott. El kellett dönteni melyik rendszer adataira van nagyobb szükség, melyiket hagyják tovább működni. Az MSS javára végül is az döntött, hogy digitális adatokat biztosított a képfeldolgozáshoz. Ez elősegítette a távérzékelési rendszerek fejlődését a digitális, számítógépes technika irányába, a számítógépes hardverek és szoftverek ettől kezdve fejlődtek látványosan a távérzékelés területén.
A Landsat-2 RBV rendszere ezért inkább a technikai problémamegoldást, a technikai fejlesztés céljait szolgálta és csak néhány kép készült kartográfiai célból. A Landsat-3 RBV rendszerében 2 fő átalakítást végeztek:
a rendszer a multispektrális érzékelés helyett egy szélesebb sávban (0,55–0,75 μm) üzemelt,
a térbeli felbontó képesség ebből következően 80 m-ről 30 m-re változott.
A felbontóképesség javulását úgy érték el, hogy a lencserendszer fókusztávolságát megduplázták, az expozíciós idő csökkentésével redukálták az expozíciós idő alatti mozgások (képvándorlás) zavaró hatásait és eltávolították a korábbi rendszerek spektrális szűrőit. A fókusztávolság növelése miatt csökkent a lefedett terület nagysága, ezt egyszerűen úgy ellensúlyozták, hogy két szinkronkamerát helyeztek el egymás mellett. A kamerák egyenként 98x98 km-es területet fedtek le és a két szomszédos kép közötti 13 km-es átfedés miatt ez együttesen egy 183x98 km-es képpárnak felelt meg. A következő pásztában újabb hasonló képek készültek, az előző pásztából az új képek 17 km-es sávot fedtek le. Egy ilyen A,B,C és D képnégyes tölt ki minden egyes RBV képet a 4.2. ábrának megfelelően.
A Landsat 1–3 MSS rendszere és a képek kiértékelése
A Landsat 1–3 fedélzeti RBV rendszerei másodlagos adatforrásokká váltak az MSS rendszerekkel szemben. Ennek kettős oka: (1) az RBV működésében gyakran fellépő technikai hiba, (2) az MSS rendszer volt az első globális, multispektrális távérzékelő rendszer, amely digitális adatszolgáltatást nyújtott (4.3. ábra).
Az MSS adatok számítógépes feldolgozási lehetősége biztosította a széleskörű alkalmazást is. Az MSS szenzorokkal az ismételt lefedések miatt, több 10 milliárd km2-es terület (egyedi az időben, ismétlődő a térben) képi feldolgozása vált lehetővé.
A Landsat 1–3 fedélzeti MSS berendezése a földfelszín 185 km-es szeletét vizsgálta négy hullámhossz-tartományban. Kettő a látható fény tartományában (a) 0,5–0,6 μm között (zöld), (b) 0,6–0,7 μm között (vörös), valamint két infravörös sávban (c) 0,7–0,8 μm és (d) a 0,8–1,1 μm között (mindkettő közeli-infravörös). Ezeket a sávokat 4–7 számokkal jelölték. A Landsat-3 MSS rendszere kiegészült egy termális sávval (8. sáv), amely a 10,4–12,6 µm-es termális-infravörös sávban a földfelszín kisugárzását érzékelte. A pályára állítás után fellépő működési zavarok miatt, ez a sáv gyakorlatilag nem üzemelt. A másik négy sáv viszont mind a három műholdon végig üzemképes maradt. Ezt a 4-sávos berendezést teljes egészében megőrizték az újabb Landsat műholdakon. Az előbb említett sávokat 1, 2, 3 és 4 sávnak nevezték át és továbbiakat illesztettek hozzájuk.
A szenzor pillanatnyi képmezője négyzet alakú, a felbontás kb. 79 m. A teljes képmező 11,56° alatt látszik. A rendszer alapja egy oszcilláló tükörrendszer, mely minden 33 msec alatt egy oszcillálást végzett. Hat pásztát érzékel egyidejűleg minden tükör és ez a négy sáv alapján 4x6 detektor alkalmazását tette szükségessé.
A detektorokból érkező analóg jeleket digitálissá alakítja egy fedélzeti AD (analóg-digitális) konverter. A digitális számskála 0-tól 63-ig terjedt (6 bit) és ezeket a következő átalakító átskálázta 0-tól 127-ig a 4–6. sávban, míg a 7. sávban maradt a 6 bites felbontás. Az AD konverter 100 ezer detektoradatot alakított át 1 mp alatt.
Az MSS déli irányú mozgása során nyugatról keletre pásztázza a területet. Minden Landsat MSS kép egy 185x185 km-es területet fed le, mintegy 10 %-os átfedésben a következő képpel. A kép névlegesen 2340 sort, soronként 3240 pixelt tartalmaz. A 4 spektrális tartományban történő megfigyeléssel minden kép 30 millió vizsgálat eredménye. Ha figyelembe vesszük, hogy egy kép 25 mp alatt készül el, látható, hogy milyen gyorsan növekszik az adathalmaz.
Egy fényképszerűen megjelenített MSS kép paralelogramma alakú, mert a 25 mp-es képalkotás közben a Föld elfordul. A teljes képi megjelenítés leíró adatformátuma tartalmazza: a dátumot, a képközéppont szélességi és hosszúsági koordinátáit, a műhold alatti pont (nadírpont) helyzetét, a két pont közötti távolságot. Megtalálható még a szenzor neve és a sáv, a felvétel módja, a Nap magassága és iránya, a különböző pálya és feldolgozási paraméterek, a műhold neve és a kép azonosító száma.
Az egyedi sávok fekete-fehér felvételei mellett, ún. színes kompozíciók (colour composite) is készíthetők bármely három MSS sáv felhasználásával.
A Landsat MSS képeket számos területen alkalmazzák, így a mezőgazdaságban, térképészetben, a területi tervezésben, a környezetvédelmi monitoringban, az erdőgazdaságban, a földrajzban, a geológiában, a geofizikában, a földi erőforrások elemzésében, a területhasznosítás tervezésben, az óceanográfiában, a vízkészletek kutatásában, stb.
A Landsat MSS képek geometriai felbontása kb. 79 m. Bizonyos vonalszerű, keskeny, néhány méter szélesek formák (pl. két vagy többsávos utak, betonhíd a víz felett), amelyek eltérő reflektanciájúak környezetükhöz képest, gyakran láthatók a Landsat képeken. Másrészről, sokszor az olyan, 79 m-nél nagyobb tárgyak sem ismerhetők fel, amelyek reflektancia-tulajdonsága alig különbözik a környezetük reflektanciájától.
Az olyan rendszereknél, mint a Landsat MSS, kevés a lehetőség sztereoképek kialakítására. A lehetőséget az átlapolás, a szomszédos pályákon készített felvételek átfedése jelenti. Ez az oldalátlapolás 85 %-os sarkvidéken és 14 %-os az Egyenlítőnél, így elég korlátozott a sztereografikusan is kiértékelhető terület. A nagy magasság és a szűk érzékelt sáv miatt a sík felszíneken viszont ezek a képek szinte módosítás nélkül, térképekként használhatók kb. 1:250000-es méretarányban. A Világ Bank pl. Landsat MSS képeket használt gazdaságpolitikai tanulmányaihoz, különös tekintettel ott, ahol ilyen témájú térképek még nem készültek. A DMA (Defence Mapping Agency) (később NIMA, majd NGA) Landsat MSS adatokkal frissítette fel repülési térképeit, valamint az alacsony mélységű tengerek hidrogeográfiai térképeit. A multinacionális olajtársaságok szintén hasznosították a digitális képeket a kőolajkutatásban.
A legtöbb sáv és sávkombináció speciális alkalmazásokra használható fel. A 4. és az 5. (zöld és vörös) sáv a leginkább alkalmas az emberi tevékenység hatásainak, a mesterséges felszínek (városi területek, utak, kavics és kőbányák) kimutatására. A vörös sávba eső sugárzás atmoszférikus áthatoló képessége jobb, ezért a kép általában élesebb, kontrasztosabb, mint a többi sávban készült képek. Mély, tiszta vizek vizsgálatakor a 4. sáv választása hasznosabb. A vörös sáv kiválóan alkalmas a tiszta vízbe áramló, agyagos-iszapos hordalék terjedésének kimutatására. A 6. és 7. (közeli-infravörös) sávokban készült felvételeken lehet a legjobban elhatárolni a vízfelületeket a szárazföldektől. Az infravörös energia csak kis mélységig hatol a víztestbe, ahol a víz felmelegedését okozza. A vízfelszínek infravörös reflektanciája alacsony, így a vízfelületek sötét tónusúak az 5., és a 7. sávokban.
A wetlandek (nedves, vízborította területek) vagy a nedves, szervesanyagot tartalmazó talajok kevés vegetációborítással szintén sötétek ezekben a sávokban, éppúgy, mint az aszfaltborítású utak. Mind az 5., mind a 7. sáv megbízhatóan tükrözi a geológiai formákat, ezért belőlük különböző indexek képezhetők, pl. az agyagásvány-tartalom, vagy a vastartalmú kőzetek kimutatására.
A Landsat 1–3 WRS katalógus rendszere
A Landsat 1–3 képeit a WRS (Worldwide Reference System) nevű katalógusba rendezték elhelyezkedésük (pálya, sor) szerint. Minden képet azonosít a keringési pálya (path) sorszáma, illetve ezeken a pályákon minden egyedi képet egy sor (row) száma határoz meg. Ezért a képek egyértelműen definiálhatók a pálya, a sor és a felvételezési idő megadásával. A WRS-ben 251 pályát különítenek el, hiszen éppen ennyit tesz meg a műhold, míg 18 nap után újra ugyanazon a terület fölé nem ér. A pályákat 001-től 251-ig sorszámozták keletről nyugatra. A sorokat úgy számozták, hogy az Egyenlítő menti sor a 60. a leszálló észak-déli irányú pályán. Az amerikai archívum 567627 képet tárol (Landsat 1–3 MSS és RBV képek), míg 1986-ban a teljes MSS és RBV adatbázis 1,3 millió képet foglalt magában. Ezek az adatok a hosszú távú globális monitoring egyszeri, megismételhetetlen, nagy értékű forrásai.