Wiedza i Życie 06/2009
W numerze m.in.:

Archeologia
Uzupełnianie przeszłości; Agnieszka Krzemińska
Jak to działa
Antymateria na dyżurze; Elżbieta Wieteska
Astronomia
Kosmiczna łamigłówka; Krzysztof Bolejko
Geografia
Inwazja glonów; Andrzej Hołdys
Psychologia
Przywrócić równowagę; rozmowa z profesorem Philipem Zimbardo
Medycyna
Na żywca; Marta Żylicz
Fizyka
Diament z ołówka; Katarzyna Ostasiewicz

Już od ponad pół wieku znane są naukowcom materiały skokowo zmieniające swoje właściwości pod wpływem naświetlania. Według ostatnich doniesień jednym z nich jest również grafit. 
Leżący na stole operacyjnym pacjent słyszy dźwięk piły, która przecina mu mostek, oraz jak lekarze mówią, że jego serce jest w kiepskim stanie. Czy to może być śmierć? - myśli. Ale dlaczego tak strasznie boli?
Pół wieku temu zakwity toksycznych glonów były rzadkim zjawiskiem, dziś występują w większości mórz. Pod koniec listopada 1987 roku u ponad setki mieszkańców kanadyjskiej Wyspy Księcia Edwarda, leżącej w pobliżu ujścia Rzeki Świętego...
Archeolog jest jak dziecko, któremu trafiło się pudełko z układanką pozbawioną większości części. W dodatku są tam elementy z innych układanek, niepasujące do całości i utrudniające ułożenie obrazka.
Aktualne numery
11/2017
10/2017
Kalendarium
Listopad
20
W 1998 r. został wyniesiony na orbitę pierwszy moduł Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).
Warto przeczytać
Grafika komputerowa zazwyczaj kojarzy się z wyretuszowanymi zdjęciami modeli i modelek. W rzeczywistości daje nam o wiele większe możliwości.
Piksele, wektory i inne stwory to wprowadzenie do grafiki komputerowej dla dzieci i nie tylko.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Andrzej Hołdys | dodano: 2012-05-28
Świat w 3D

(Fot. Satelity TanDEM-X i TerraSAR-X mkną w odległości 150 m od siebie)

Niemieccy naukowcy opublikowali pierwszą wersję trójwymiarowej mapy świata.

To jeszcze nie to, co chcielibyśmy uzyskać, ale i tak jest lepiej, niż oczekiwaliśmy – mówi o uzyskanych już obrazach terenu Manfred Zink z niemieckiej agencji kosmicznej DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt). Orbitalne bliźniaki nazywają się TerraSAR-X i TanDEM-X. Pierwszy poleciał w kosmos w 2007 r., drugi trzy lata później. W grudniu 2010 r. rozpoczęły swój orbitalny taniec na wysokości 514 km. Choć mkną z prędkością 7 km/s, dzieli je tylko 150 m, dzięki czemu mogą zbierać informacje o wysokości punktów w terenie z rewelacyjną dokładnością pionową 2 m.

– Nie wszędzie udaje się to za pierwszym razem. Dlatego tandem będzie powtarzał pomiary. Dwa, trzy, a nawet cztery razy, jeśli będzie potrzeba – mówi Zink. Zamiarem naukowców i inżynierów z DLR jest opracowanie szczegółowej trójwymiarowej mapy wszystkich lądów. W tym celu muszą zebrać dane z powierzchni około 150 mln km2.

W styczniu 2012 r. Niemcy pochwalili się pierwszą wersją mapy, powstałą na podstawie jednokrotnego pomiaru. Dla niektórych regionów rozdzielczość jest satysfakcjonująca (kolor zielony na mapie na następnej stronie), w przypadku innych konieczny będzie jeszcze jeden przelot – dotyczy to głównie pustyń i terenów zalesionych (kolor żółty). Jednak największym wyzwaniem (kolor czerwony) są góry i duże stromizny, a także niektóre partie Sahary i Półwyspu Arabskiego. Obrazy trójwymiarowe z tych regionów są wciąż dalekie od doskonałości.

– Na pustyniach sygnał pomiarowy łatwo zanika, mówimy, że wsiąka w piasek. A w górach łatwo oszukać nawet najlepszą aparaturę – mówi Zink. Urządzenia pomiarowe obu satelitów nie są skierowane w dół, lecz odchylone od pionu pod kątem 30–40°. Widzą więc one tylko jedno zbocze. Dlatego potrzebujemy więcej czasu, by zebrać dane wysokościowe – wyjaśnia Zink. Im wyższe góry, tym jest trudniej. Bardzo kłopotliwe są też norweskie fiordy oraz brzegi Alaski – strome i porozcinane krętymi zatokami.

Najlepszy taki DEM

Niemieccy badacze oceniają, że satelitarny tandem powinien zakończyć pomiary do połowy 2013 r. To jednak będzie dopiero połowa pracy. Surowe dane trzeba poddać obróbce przez szybkie komputery, a potem przetworzyć za pomocą zaawansowanych programów wizualizacyjnych. Dopiero wtedy światło dzienne ujrzy gotowa mapa albo raczej – jak mówią eksperci – cyfrowy model wysokościowy terenu, w skrócie DEM (od ang. Digital Elevation Model).

Pozioma rozdzielczość mapy również będzie doskonała – wyniesie bowiem 12 m.

Owszem, satelity szpiegowskie oraz sondy wykonujące laserowe pomiary terenu są znacznie dokładniejsze, ale zbierają dane najwyżej w skali jednego regionu i zwykle nie pracują w trybie stereo. Tymczasem ambitnym zamiarem Niemców jest wykonanie trójwymiarowej mapy całego globu za pomocą jednego urządzenia, a dokładnie – pary urządzeń.

Zbieraniem informacji zajmują się radary, którym nie przeszkadzają ani ciemności, ani chmury. Są to radary z tzw. syntetyczną aperturą, w skrócie zwane SAR (od ang. Synthetic Aperture Radar). Pędzący po orbicie radar SAR „widzi” teren znacznie dokładniej niż zwykły, ponieważ wysyła wiązki mikrofal i rejestruje echo w sposób ciągły. Dzięki temu ten sam punkt w terenie namierza wielokrotnie. Z owych rozproszonych danych komputer może stworzyć dwuwymiarowy obraz terenu o rozdzielczości 1–2 m. Aby uzyskać obraz trójwymiarowy, potrzebne są dwa radary SAR ustawione w niewielkiej odległości od siebie. Pierwszy wysyła wiązkę fal, która jest zbierana równocześnie przez oba urządzenia. W rezultacie punkt w terenie jest „oglądany” z dwóch pozycji. Podobnie pracuje nasz narząd wzroku. Satelity TerraSAR-X i TanDEM-X to takie radarowe oczy na orbicie.

Pierwszy był Endeavour

Przygotowane na podstawie obserwacji radarowych mapy Niemcy chcą sprzedawać klientom na całym świecie. Głównie w tym celu zbudowali i wystrzelili swoje satelity. Lista możliwych zastosowań dla takich trójwymiarowych prezentacji terenu wydłuża się z każdym rokiem: mapy topograficzne, bazy informacji o użytkowaniu i pokryciu terenu, nawigacja lotnicza, symulatory lotu dla pilotów, GPS, systemy informacji geograficznych, zarządzanie kryzysowe w przypadku katastrof naturalnych, mapy zagrożeń powodziowych, poszukiwanie surowców mineralnych, planowanie nowych inwestycji budowlanych i infrastrukturalnych. Tandem może nawet zbierać informacje o ruchomych obiektach, np. mierzyć prędkość prądów morskich albo natężenie ruchu samochodów lub statków.

Naukowcom z całego świata dane będą udostępniane za niewielką opłatą pod warunkiem zaaprobowania ich wniosku przez DLR. Zatwierdzono już ponad 150 projektów. Złożyli je m.in. wulkanolodzy, archeolodzy, hydrolodzy, glacjolodzy, geomorfolodzy.

Bliźniaki TerraSAR-X i TanDEM-X miały swoich poprzedników na orbicie okołoziemskiej. Nie tak doskonałych, za to wykonane dzięki nim modele DEM są publicznie dostępne. Przełomowe znaczenie miała misja promu kosmicznego Endeavour w lutym 2000 r. nazwana Shuttle Radar Topography Mission. Na wahadłowcu zainstalowano dwa radary SAR oddalone od siebie o 60 m. Jeden z nich tkwił na długim maszcie wysuniętym z ładowni zaraz po osiągnięciu orbity.

W ciągu 10 dni Endeavour zmierzył wszystkie lądy pomiędzy 60º szerokości geograficznej północnej a 56º szerokości południowej. Dzięki temu powstała trójwymiarowa mapa wysokościowa obejmująca aż cztery piąte ziemskich lądów. Miała rozdzielczość poziomą 30 m i pionową od 10 do 16 m. Dane z niej są wykorzystywane między innymi w Google Earth, a także w wielu aplikacjach GPS. Wykonane tak błyskawicznie przez Endeavour pomiary miały jednak pewne braki. Nie objęły jednej piątej lądów, ponadto metoda zawodziła przy pomiarach stromych stoków. W rezultacie modele rzeźby terenu dla wielu pasm górskich miały słabą jakość i ograniczone zastosowanie.

Większości tych wad pozbawiona jest kolejna trójwymiarowa mapa globu sporządzona na podstawie danych zebranych przez szybującą na wysokości 700 km sondę Terra, którą NASA uważa za „flagowy okręt” swojej flotylli satelitów teledetekcyjnych. W tym przypadku pomiary wykonywały jednak nie radary, ale zainstalowany na sondzie japoński instrument o nazwie ASTER pracujący w zakresie fal widzialnych i podczerwieni.

ASTER to oczy Terry, widzące przestrzennie i uważnie rozglądające się na boki. Składa się z zestawów teleskopów. Dwa z nich tworzą parę wykonującą stereoskopowe fotografie terenu. Duetem można obracać w pewnych granicach oraz zmieniać kąt widzenia. Ponieważ teleskopy są urządzeniami optycznymi, nie potrafią przeniknąć przez chmury – dlatego dane zbierano wiele lat. Terra została wystrzelona w grudniu 1999 r., a pierwsza wersja mapy gotowa była dopiero w połowie 2009 r.

Kolejną – z mniejszą liczbą błędów, dokładniejszym rysunkiem terenu i przede wszystkim z doskonale pokazaną, dzięki nowym algorytmom obróbki danych, siecią hydrograficzną – opublikowano w internecie w październiku 2011 r. Została złożona z blisko 1,5 mln stereoskopowych fotografii. Obejmuje wszystkie lądy pomiędzy równoleżnikami 83º. W praktyce nie ma na niej tylko centrum Antarktydy. Całość umieszczono na trzech serwerach: dwóch amerykańskich należących do NASA i US Geological Survey oraz japońskim należącym do instytutu ERSDAC. Każdy może tam zajrzeć. Jeśli mu się uda.