Satellietmozaïek: hoe losse ruimtebeelden samensmelten tot één wereldkaart
Een satellietmozaïek is een grote, naadloos ogende kaart van (een deel van) de aarde die is samengesteld uit honderden of duizenden losse foto's, gemaakt door satellieten die in een baan om de aarde draaien. Vergelijk het met een lappendeken: elke satellietfoto is één lapje stof met een beperkt formaat, maar door ze zorgvuldig aan elkaar te naaien ontstaat er één groot, doorlopend geheel dat er als één stuk uitziet.
Denk ook aan Google Maps of Google Earth. Wanneer je inzoomt op een stad zie je schijnbaar één vloeiende luchtfoto. In werkelijkheid bestaat dat beeld uit talloze opnames, gemaakt op verschillende momenten, door verschillende satellieten en soms zelfs in verschillende seizoenen. Een satellietmozaïek is dus niet één foto, maar een geknipte en geplakte verzameling beelden die samen een compleet en bruikbaar geheel vormen.
Wat is het precies?
Satellieten die de aarde in kaart brengen, vliegen meestal in een zonsynchrone baan: een route rond de polen waarbij de satelliet telkens op ongeveer hetzelfde lokale tijdstip over een gebied vliegt. Onderweg fotografeert het toestel de aarde in lange, smalle stroken, ook wel swaths genoemd. Na verloop van dagen tot weken heeft de satelliet zo de hele aardbol in stroken vastgelegd.
Elke opname krijgt exacte geografische coördinaten, een proces dat georeferentie heet. Zo weet software precies waar op de aardbol elk pixel hoort te liggen, wat nodig is om beelden later foutloos op elkaar te laten aansluiten. Vervolgens worden de ruwe beelden gecorrigeerd: atmosferische correctie haalt het effect van waterdamp, stof en luchtverstrooiing eruit, en kleurcorrectie zorgt dat opnames van verschillende dagen en satellieten toch op elkaar lijken.
Een cruciale stap is wolkendetectie. Software analyseert elk beeld op wolken en schaduwen en markeert die pixels als onbruikbaar. Daarna volgt het eigenlijke stitchen of mosaicking: de losse, gecorrigeerde stroken worden aan elkaar gelegd, waarbij de randen subtiel in elkaar overlopen zodat er geen harde overgangen zichtbaar zijn.
Belangrijk om te beseffen: een satellietmozaïek is meestal geen momentopname. Omdat delen van de wereld vaak bewolkt zijn, kiest men vaak voor een best-pixel composiet: voor elke locatie wordt uit meerdere opnames over weken of maanden de scherpste, meest wolkvrije pixel gekozen. Het resultaat oogt als één foto, maar is in werkelijkheid een statistisch gemiddelde of selectie over een langere periode.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is een actuele, wolkvrije kaart van de hele wereld te krijgen. Een los satellietbeeld is vaak voor een groot deel bedekt door wolken; door beelden te combineren ontstaat alsnog een bruikbaar, compleet plaatje.
Zulke mozaïeken zijn onmisbaar voor milieumonitoring: onderzoekers vergelijken mozaïeken van verschillende jaren om ontbossing, het smelten van gletsjers of de groei van steden te volgen. Ook bij rampenrespons zijn ze belangrijk, bijvoorbeeld om overstromingsgebieden of de omvang van bosbranden snel in kaart te brengen.
Daarnaast worden mozaïeken gebruikt voor landbouwmonitoring, waarbij boeren en onderzoekers gewasgroei over grote gebieden volgen, en voor klimaatonderzoek, waarbij lange tijdreeksen van mozaïeken laten zien hoe landschappen decennialang veranderen. Tot slot is er een praktische, economische reden: losse hoge-resolutiebeelden zijn duur, terwijl kant-en-klare mozaïeken als gratis of betaalbare basiskaart dienen voor overheden, ngo's en bedrijven.
Voorbeelden uit de praktijk
Sentinel-2 cloudless (s2cloudless), gemaakt door het Oostenrijkse bedrijf EOX IT Services, bestaat sinds 2016. Het is een jaarlijkse, wereldwijde, wolkvrije mozaïek gebaseerd op data van ESA's Sentinel-2-satellieten en wordt in tal van kaartapplicaties gebruikt.
Google Earth gebruikt een continu bijgewerkte wereldwijde mozaïeklaag als basis, samengesteld met behulp van Google Earth Engine, een cloudplatform waarmee enorme hoeveelheden satellietdata verwerkt kunnen worden.
Planet Labs PBC, gevestigd in San Francisco, maakt sinds ongeveer 2017 maandelijkse wereldwijde mozaïeken (Basemaps) op basis van de Dove-constellatie: een zwerm van circa tweehonderd kleine satellieten die samen bijna dagelijks de hele aarde fotograferen.
Het Landsat-programma van NASA en de Amerikaanse geologische dienst USGS loopt al sinds 1972 en is daarmee het langstlopende civiele satellietprogramma. Landsat-mozaïeken vormen onder meer de basis van Global Forest Watch, een initiatief van het World Resources Institute dat wereldwijde ontbossing via jaarlijkse mozaïeken bijhoudt.
Maxar Technologies levert met Vivid Basemap een hoge-resolutie commerciële mozaïek die meerdere keren per jaar wordt bijgewerkt en veel gebruikt wordt door overheden en hulporganisaties, bijvoorbeeld bij rampenrespons.
Hoe ver is de techniek?
De basistechniek is niet nieuw: al decennia geleden werden luchtfoto's op vergelijkbare wijze aan elkaar gemonteerd tot fotokaarten. Wat wel sterk veranderd is, is de resolutie: waar Landsat-beelden een resolutie van ongeveer dertig meter per pixel hebben, leveren commerciële satellieten van bedrijven als Maxar tegenwoordig beelden met een resolutie van enkele tientallen centimeters.
Ook de update-frequentie is fors toegenomen, van jaarlijkse mozaïeken naar maandelijkse en in sommige gevallen bijna dagelijkse composities. Wolkendek blijft echter een fundamenteel obstakel, vooral in permanent bewolkte tropische gebieden, waardoor sommige regio's alleen via composieten over langere periodes wolkvrij in beeld te krijgen zijn.
Kunstmatige intelligentie speelt een steeds grotere rol, bijvoorbeeld bij het automatisch herkennen van wolken en het nauwkeurig uitlijnen van beelden. Toch blijven er beperkingen: naden tussen tegels kunnen zichtbaar blijven door kleine kleur- of seizoensverschillen, de datavolumes zijn enorm (al snel petabytes aan ruwe beelden), en de benodigde rekenkracht is aanzienlijk. Daarnaast gelden er geopolitieke beperkingen: hoge-resolutiebeelden van bepaalde gevoelige gebieden zijn niet altijd vrij beschikbaar of worden bewust wazig gemaakt.
Wie werken eraan?
In Europa is de European Space Agency (ESA) de belangrijkste speler, met het Copernicus-programma en de bijbehorende Sentinel-satellieten die gratis beschikbare data leveren. In de Verenigde Staten beheren NASA en de USGS samen het Landsat-programma.
Google ontwikkelt met Earth Engine het rekenplatform waarop veel wetenschappers en organisaties wereldwijd mozaïeken bouwen en analyseren. Commerciële partijen zoals het Amerikaanse Planet Labs PBC en Maxar Technologies exploiteren eigen satellietconstellaties voor actuele, hoge-resolutie mozaïeken. Het Oostenrijkse EOX IT Services is gespecialiseerd in het bouwen van open mozaïeken zoals s2cloudless.
Ook Airbus Defence and Space (Frankrijk/Duitsland) levert met zijn Pléiades-satellieten beeldmateriaal voor mozaïeken. Daarnaast gebruiken nationale karteringsdiensten in tal van landen deze technieken om hun topografische kaarten actueel te houden.