Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS, pol.: spektroradiometr obrazujący średniej rozdzielczości) – wielospektralny skaner optyczno-mechaniczny satelitów Terra i Aqua. Rejestruje promieniowanie elektromagnetyczne w 36 kanałach obejmujących zakres 0,46-14,39 μm. Dostarcza danych o rozdzielczości przestrzennej 0,25-1,00 km/piksel w nadirze. Ze względu na duże pole widzenia (110°) umożliwia uzyskanie danych dla całej planety dwa razy na dobęBarnes, W.K., Pagano, T.S., Salomonson, V.V., 1998. Prelaunch Characteristics of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) on EOS-AM1. IEEE Transaction on Geosciences and Remote Sensing, 36, 1088-1100.. Dane zbierane przez MODIS znajdują zastosowanie w badaniach atmosfery oraz powierzchni lądów i oceanów (wraz z kriosferą). Sensor ma charakter eksperymentalnego i nie jest wykorzystywany np. w operacyjnej służbie meteorologicznej.

MODIS uchodzi za jeden z najważniejszych sensorów współczesnej teledetekcji satelitarnej. Opinię tę zawdzięcza wysokiej jakości danych: wysokiej rozdzielczości radiometrycznej i spektralnej, zaawansowanym systemom kalibracji radiometrycznej. Dodatkowo orbity satelitów Terra i Aqua są stabilizowane z dokładnością ±5-10 minut, co pozwala na uzyskanie homogenicznych serii obserwacyjnych, kluczowych do badań środowiska, a trudno osiągalnych za pomocą np. sensorów AVHRRJin, M., Treadon, R.E., 2003. Correcting the orbit drift effect on AVHRR land surface skin temperature measurements. International Journal of Remote Sensing, 24, 4543-4558Gutman, G.G., 1999. On the monitoring of land surface temperatures with the NOAA/AVHRR: Removing the effect of satellite orbit drift. International Journal of Remote Sensing, 20, 3407-3413Ignatov, A., Laszlo, I., Harrod, E.D., Kidwell, K.B., Goodrum, G.P., 2004. Equator crossing times for NOAA, ERS and EOS sun-synchronous satellites. International Journal of Remote Sensing, 25, 5255-5266..

Historia W połowie lat 70. minionego wieku wzrost zainteresowania badaniami Ziemi zbiegł się z intensywnym rozwojem satelitarnych technik obserwacji planety. Chęć wykorzystania satelitów do badania środowiska naturalnego doprowadziła do powstania w USA programu Earth Observing System (EOS). Zasadniczym celem EOS była budowa serii instrumentów, które zapewniłyby jednorodny, piętnastoletni ciąg obserwacji Ziemi. Jednym z sensorów rozważanych dla EOS był radiometr obrazujący średniej rozdzielczości. W pierwszej połowie lat 80. zespół dziewiętnastu naukowców i inżynierów opracował szczegółową koncepcję sensora, sugerując stworzenie dwóch instrumentów: MODIS-T i MODIS-N.

MODIS-T (T od ang. tilt - wychylenie) miał dokonywać pomiarów promieniowania w 64 zakresach spektralnych i posiadać opcję wychylenia osi optycznej od nadiru, co pozwoliłoby unikać refleksu słonecznego nad oceanami. MODIS-T był sensorem bardzo innowacyjnym, projektowanym z myślą o badaniach oceanograficznych. Za budowę instrumentu odpowiadać miało Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda (GSFC). Bardziej "klasyczny" MODIS-N miał rejestrować promieniowanie w 35 zakresach spektralnych, za pomocą teleskopu skierowanego wyłącznie w nadir (stąd N w nazwie). Budowę sensora powierzono sektorowi prywatnemu w ramach rządowego kontraktu (wybrano firmę Santa Barbara Remote Sensing, dzisiaj Raytheon).

W 1991 roku EOS przeszedł pierwszą poważną restrukturyzację, w efekcie której zarzucono budowę MODIS-T. Aby uratować część programu oceanograficznego zdecydowano o wykonaniu dwóch bliźniaczych skanerów MODIS-N, z zamysłem umieszczenia ich na oddzielnych satelitach o roboczych nazwach EOS-AM i EOS-PM. Satelitom wybrano orbity umożliwiające obserwację danego obszaru oceanu w innym czasie i przy innej geometrii, co w pewnej mierze rozwiązywało problem refleksu słonecznego. Od tego momentu sensory funkcjonują pod wspólną nazwą MODIS, a za kierowanie projektem odpowiedzialne jest ośrodek NASA w GSFC.

Na początku lat 90. zakładano, że każdy z satelitów EOS-AM i EOS-PM będzie miał pięcioletnią żywotność, co implikowało konieczność budowy sześciu satelitów, a więc i sześciu sensorów MODIS. Satelity EOS-AM1 i EOS-PM1 miały nieść na pokładzie sensor MODIS odpowiadający istniejącej specyfikacji, dla AM2/AM3 i PM2/PM3 planowano budowę nowej, zaawansowanej wersji MODIS.

Połowa lat 90. przyniosła w USA zmianę filozofii realizacji naukowych misji satelitarnych. NASA jako agencja badawcza miała jedynie opracowywać nowoczesne instrumenty, udowadniające słuszność proponowanych założeń inżynieryjnych (tzw. proof of concept). Jeśli rozwiązania testowane przez NASA sprawdziłyby się, miały zostać wdrożone w instrumentach budowanych z myślą o służbie operacyjnej, nad która nadzór sprawowałyby inne agencje rządowe (np. NOAA lub USGS). W duchu tej polityki dwa budowane sensory MODIS uznano za testowe prototypy NASA. Ewentualne późniejsze sensory miały być już operacyjnymi, więc prace nad nimi stały się częścią planu modernizacji amerykańskiej flotylli satelitów meteorologicznych.

Ostatecznie powstały dwa egzemplarze MODIS. Pierwszy (Protoflight Model, PFM) był gotowy w czerwcu 1997 roku i trafił na orbitę na pokładzie satelity EOS-AM (Terra) w grudniu 1999 roku, rozpoczynając regularne obserwacje 24 lutego 2000. Drugi egzemplarz (Flight Model 1, FM1) zainstalowano na pokładzie satelity EOS-AM1 (Aqua) i umieszczono na orbicie w maju 2002. MODIS/Aqua rozpoczął obserwacje 24 czerwca 2002. W przyszłości ciągłość obserwacji mają zapewnić skanery VIIRS, wykorzystujące wiele rozwiązań z projektu MODIS.

Budowa instrumentu thumb|200px|Główne elementy konstrukcji MODIS Instrumenty MODIS zostały zaprojektowane z następującymi podsystemami i funkcjamiNASA.gov | MODIS Components:

Obrazowanie atmosfery, lądu i oceanów

Pasma spektralne o rozdzielczościach 1 000 m, 500 m i 250 m

Dostosowane pasma spektralne w zakresie od 0,4 do 14,4 µm z niską czułością na sygnały poza pasmem

Stale obracający się, dwustronny zespół luster skanujących zapewniający długą żywotność

Zaawansowana matryca detektorów ogniskowych zapewniająca wysoką czułość

Zespoły drzwi:

Do obserwacji Ziemi

Do obserwacji Słońca

Do obserwacji przestrzeni kosmicznej

Kalibracja w podczerwieni przy każdym skanowaniu dla niskiego szumu 1/f i wysokiej dokładności

Układ optyczny o niskim poziomie odbić i rozproszenia Pokładowy dyfuzor słoneczny i monitor stabilności dyfuzora słonecznego (SDSM)

Pokładowe pełnoaperturowe 'czarne ciało' (BB) do badania temperatury

Pokładowy zespół kalibracji spektro-radiometrycznej (SRCA)

Parametry techniczne | MODIS Specifications Orbita 705 km, 10:30 czasu lokalnego (węzeł zstępujący – Terra) lub 13:30 (węzeł wstępujący – Aqua), heliosynchroniczna, bliska biegunowej, kołowa Szybkość skanowania 20,3 obr./min, w poprzek toru lotu Pas skanowania 2330 km (poprzecznie) × 10 km (wzdłuż toru lotu w punkcie pionowo nad satelitą) Teleskop 17,78 cm średnicy, układ pozaosiowy, afokalny (kolimowany), z pośrednią przysłoną pola Wymiary 1,0 × 1,6 × 1,0 m Masa 228,7 kg Moc 162,5 W (średnia na jednej orbicie) Szybkość transmisji danych 10,6 Mbit/s (maksymalna w ciągu dnia); 6,1 Mbit/s (średnia orbitalna) Kwantyzacja 12 bitów Rozdzielczość przestrzenna 250 m (pasm 1–2) 500 m (pasm 3–7) 1000 m (pasm 8–36) Rozdzielczość czasowa 1–2 dni NASA.gov Zakładana żywotność 6 lat

Charakterystyka spektralna

thumb|200px|bezchmurny obraz Polski z sensora MODIS/Terra; 20 kwietnia 2011

Specyficzne dla MODIS jest obrazowanie w dużej liczbie zakresów spektralnych, obejmujących zarówno promieniowanie krótkofalowe (20 zakresów), jak i podczerwone (16 zakresów). Dla porównania, radiometr AVHRR, instrument najbardziej podobny do MODIS, pozwala na jednoczesną rejestrację promieniowania wyłącznie w 5 zakresach.

Wysoka rozdzielczość spektralna MODIS pozwala na jednoczesną realizację badań z zakresu pokrycia terenu (np. kanały 1 i 2 stosowane są do liczenia wskaźnika NDVI), klimatologii (np. zakresy 2 i 6 pozwalają na prostą detekcję śniegu, kanał 6 na detekcję chmur Cirrus, kanały 31 i 32 na wyznaczanie temperatury powierzchni lądu i oceanu) i oceanografii (np. kanały 8-11 na parametryzacje chlorofilu). Dotychczas każdy z tych obszarów wymagał często odmiennego satelity, z których żaden nie przewyższał MODIS jakością danych.

Unikatowa cechą MODIS jest wysoka rozdzielczość spektralna w zakresie odpowiadającym absorpcji promieniowania przez dwutlenek węgla (11-15 um). Zlokalizowane w tym obszarze widma kanały 31-36 umożliwiają obliczenie pionowych profilów temperatury powietrza, do czego zazwyczaj wykorzystuje się hiperspektralne radiometry sondujące (sounders). MODIS jest tym samym przykładem sensora, który ze względu na charakterystykę spektralną, oferuje zarówno możliwości typowego skanera obrazującego (imager), jak i niektóre możliwości radiometru sondującego (sounder).

KanałCentralna długość fali (μm)Zakres fal (μm) Radiancja spektralna (Wm-2μm-1sr-1)Rozdzielczość (m) SNR NEΔT (K)1 0.6590.620–0.67021.8250128–20.8650.841–0.87624.7250201–30.4700.459–0.47935.3500243–40.5550.545–0.56529.0500228–51.2401.230–1.2505.450074–61.6401.628–1.6527.3500275–72.1302.105–2.1551.0500110–80.4150.405–0.42044.91000880–90.4430.438–0.44841.91000838–100.4900.483–0.49332.11000802–110.5310.526–0.53627.91000754–120.5650.546–0.55621.01000750–130.6530.662–0.6729.51000910–140.6810.673–0.6838.710001087–150.7500.743–0.75310.21000586–160.8650.862–0.8776.21000516–170.9050.890–0.92010.01000167–180.9360.931–0.9413.6100057–190.9400.915–0.96515.01000250–203.7503.660–3.8400.45 (300 K)1000–0.05213.9593.929–3.9892.38 (335 K)1000–2.00223.9593.929–3.9890.67 (300 K)1000–0.07234.0504.020–4.0800.79 (300 K)1000–0.07244.4654.433–4.4980.17 (250 K)1000–0.25254.5154.482–4.5490.59 (275 K) 1000–0.25261.3751.360–1.3906.01000150–276.7156.535–6.8951.16 (240 K)1000–0.25287.3257.175–7.4752.18 (250 K)1000–0.25298.5508.400–8.7009.58 (300 K)1000–0.05309.7309.580–9.8803.69 (250 K)1000–0.253111.03010.780–11.2809.55 (300 K)1000–0.053212.02011.770–12.2708.94 (300 K)1000–0.053313.33513.185–13.4854.52 (260 K)1000–0.253413.63513.485–13.7853.76 (250 K)1000–0.253513.93513.785–14.0853.11 (240 K)1000–0.253614.23514.085–14.3852.08 (220 K)1000–0.35

Dane Stopień przetworzenia W ramach projektu MODIS oferowane są dane nieprzetworzone oraz dane tematyczne, tzw. produkty - efekt interpretacji danych pierwotnych. Ze względu na stopień przetworzenia danych pierwotnych wyróżnione są cztery zasadnicze stopnie przetworzenia (ang. levels):

Level 0 (L0) - pakiety strumienia danych odebranych z satelity, odpowiadające danym obserwacyjnym. Ciągły strumień danych zostaje podzielony na fragmenty (sceny) odpowiadające pięciu minutom obrazowania przez MODIS. Level 1 (L1) - dane obserwacyjne wraz z wyznaczonymi parametrami korekcji geometrycznej i radiometrycznej. Dla poziomu L1A informacje wymagane do korekcji są zapisane osobno, podczas gdy w przypadku L1B obydwie korekty zostały już wykonane i są nieodwracalnie wpisane w dane. Level 2 (L2) - dane tematyczne tworzone dla każdej pięciominutowej sceny MODIS, zapisywane w oryginalnym układzie odniesienia wynikającym ze sposobu obrazowania sensora. Są to najbardziej podstawowe dane tematyczne, na podstawie których wyznacza się wartości średnie. Level 3 (L3) - dane tematyczne L2 zagregowane czasowo do wartości: dobowych, 8-dniowych, 16-dniowych, 32-dniowych i rocznych; w większości przypadków redukowana jest rozdzielczość przestrzenna informacji do piksela o rozmiarze np. 1x1 stopień. Dane zapisywane są najczęściej w odwzorowaniu geograficznym lub sinusoidalnym.

Tematyka