KART OG PLAN 1–2016 39

Utvikling av jordobservasjon fra forskning til operative leveranserPer Erik Skrøvseth

Per Erik Skrøvseth: Development of Earth Observation from research to operational services.

KART OG PLAN, Vol. 76, pp. 39–43, POB 5003, NO-1432 Ås, ISSN 0047-3278

The Copernicus programme will boost the development of operational services based on Earth Ob-servation satellites. It will guarantee 15-20 years of continued and frequent access to vital satellitedata and to six services fed by these observations. Since access to the data and services will be freeand open, providers of national and local governmental services and of commercial services will nowhave new secure sources of data and information to use in their daily operations. It took 20 yearsfrom the first serious discussions of a common European programme supporting other applicationsthan meteorology to the first satellite in the Copernicus programme being launched in 2014. Besidesthe time needed for the technical development and building of the instruments, satellites and servic-es, the lack of harmony and timeliness in EU and ESA decision-making processes delayed the pro-gress substantially. The satellite system developed in Copernicus consists of six Sentinel missions.Those Sentinels of particular interest to land and coastal applications are Sentinel-1, -2 and -3.These three will each, when in full operation, have two satellites flying simultaneously in order to in-crease the frequency of the observations. Early Norwegian focus on developing operational applica-tions has given Norway high international credibility. When Norway proposed to increase the spatialresolution of the optical Sentinel-2 from 20 meters to 5 meters in the visible and near-infrared bands,the technical and economical compromise was an increase in the spatial resolution to 10 meters. Thiswill significantly increase the number of applications and providers of operational services findingthe Sentinel-2 data useful. A smooth and efficient access for the users to enormous amount of dataacquired from the Sentinels is not trivial. With around 20 Terabyte of data daily, EU has understoodthey need to develop an integrated ground segment to handle the data. A Norwegian ground segmentunder development to serve national needs can be an important contribution to this integrated Eu-ropean ground segment. The creation and implementation of Copernicus shows that a small countrylike Norway by active participation can have a major influence on how large international pro-grammes are developed and executed.

Keywords: Copernicus, Sentinel satellite missions, free and open access, daily data-transfer rate, Eu-ropean and Norwegian ground segment.

Per Erik Skrøvseth, Former Norwegian delegate to the ESA Programme Board on Earth Observationand the EU GMES and Copernicus committees. Marsveien 15, NO-0493 Oslo. E-mail: peskrovseth@icloud.com

Med Copernicus startet en helt ny æra innenjordobservasjon fra satellitter. Copernicus erEuropas nye program for langsiktig leveran-se av hyppige globale observasjoner og ut-valgte tjenester basert på disse observasjo-nene. Hensikten med denne artikkelen er ågi bakteppet for utviklingen av Copernicusfra ide til dagens oppstart av operativ drift.

Det har tatt 20 år fra de første seriøse dis-kusjonene om et europeisk program for an-dre anvendelser enn de viktigste meteorolo-giske observasjonene ble påbegynt, til denførste satellitten i Copernicus-programmet

ble skutt opp i 2014. Det sier noe om hvorlang tid det tok fra behovene ble identifisertog anerkjent til en operativ leveranse avdata fra de første satellittene i programmetble virkelighet. Undertegnede har deltatt ide ulike prosessene med å finne kompro-missløsninger på alle de politiske og økono-miske utfordringene ved et europeisk samar-beid. Til slutt har det blitt et operativt pro-gram med langsiktig finansiering av en flåtemed satellitter som har nok overlapp til å gigarantert kontinuitet i observasjonene deneste 15–20 årene.

KP-2016-1.book Page 39 Wednesday, February 17, 2016 4:20 PM

Per Erik Skrøvseth

40 KART OG PLAN 1–2016

Meteorologene hadde allerede i 1986 opp-rettet EUMETSAT (European Organisationfor the Exploitation of Meteorological Satel-lites) med det formål å utvikle, vedlikeholdeog utnytte serier med europeiske jordobser-vasjonssatellitter for å gi kontinuitet og sik-kerhet i vesentlige observasjoner for opera-tiv værvarsling. Innen andre anvendelses-områder, inkludert ressursforvaltning ogmiljøovervåking, eksisterte det ingen klareinternasjonale samarbeidskonstellasjonersom kunne utvikle og finansiere et satellitt-program med den hensikt å sikre kontinuiteti observasjonene og gjøre dem fritt og enkelttilgjengelig.

Innen jordobservasjon utviklet de store ro-morganisasjonene, i tillegg til de meteorolo-giske satellittene, satellitter for forsknings-formål og for demonstrasjon av ny teknologi.Det ble ikke planlagt med flere like satellit-ter som kunne levere data lenger enn leveti-den til hver enkelt satellitt. Selv om noen avdem bidro til å utvikle kommersielle satel-littserier som Spot og TerraSAR-X, var og erdet betalingsvillige markedet med noen unn-tak, marginalt i forhold til å finansiere ogdrifte kommersielle systemer. I de fleste til-feller er offentlig investering i satellittenoverdratt til kommersielle aktører for salg avdataene. Det har medført at offentlige milli-ardinvesteringer i ny teknologi har blitt liteutnyttet, siden det kommersielle salget bareomfatter en liten andel av den totale kapasi-teten til satellittene.

De amerikanske Landsat-satellittene harlevert data helt siden syttitallet., men det erbare fordi noen av satellittene har vart detmangedobbelte av spesifisert levetid. De harhelt opp til nylig vært forskningsbegrunnedesatellitter som krever en omfattende beslut-ningsprosess. Derfor har sjelden en ny Land-sat-satellitt vært klar til oppskytning innenforgjengeren hadde passert stipulert levetid.Først etter at GMES/Copernicus ble en reali-tet, har USA etablert en bedre beslutnings-prosess, noe som forbedrer kontinuiteten.Det store Landsat arkivet muliggjør produk-sjon av lange tidsserier.

Tidlig på nittitallet var Norge langt frem-me internasjonalt når det gjaldt å demon-strerte operative tjenester basert på data fraden nye ESA (European Space Agency) ra-

darsatellitten ERS-1. En radarsatellitt gjørobservasjoner uavhengig av skyer og mørke,ideell for norske forhold, men operativ brukvar ikke mulig uten bedre og hyppigere til-gang til observasjoner. Norge inngikk derforavtaler med Canada om tilgang på data fraderes semi-kommersielle Radarsat-satellit-ter. Med to satellitter gav det muligheter forpålitelig drift med tilnærmet daglige obser-vasjoner av norske hav og landområder.

På denne tiden start EU opp et FOU pro-gram, CEO (Centre of Earth Observation),for å utvikle og demonstrere nye anvendelserav data fra ulike jordobservasjonssatellitter.Gjennom sin deltagelse i FOU rammepro-grammene til EU kunne Norge bidra aktivttil dette arbeidet. Dermed hadde Norge noket forum ved siden av ESA hvor man kunneargumentere for kontinuitet og forutsigbar-het når det gjaldt tilgang på data. Ingen ope-rative brukere kan basere sin drift på datahvor tilgangen er usikker og i verste fall kanstoppe helt opp om det skjer en alvorlig feilved satellitten. Dette var en av utfordringe-ne med å bruke Landsat til operative tjenes-ter fordi det var usikkert om og når det blevedtatt en oppfølger.

Nittitallet var en tid da utviklingen av nyekommersielle rombaserte tjenester varsterkt fokusert hos de store romorganisasjo-nene i et håp om at dette ville bidra til å økederes anstrengte budsjetter. Uten datakonti-nuitet var det vanskelig å etablere operativetjenester. EU sitt JRC (Joint Research Cen-tre), som drev CEO-programmet, og ESAfikk de store nasjonale romorganisasjonenemed seg i lanseringen av et nytt programkalt GMES (Global Monitoring of Environ-ment and Security). Behovene knyttet tilressurs og miljøovervåking var allerede godtkjent, mens sikkerhetsaspektet kom med isiste liten mer som et utslag av politiskopportunisme. Balkankrigen hadde demon-strert manglende europeisk evne til raskt åfå fram oppdatert informasjon fra satellitter.

Ideen var et program etter samme modellsom bruktes i samarbeidet mellom ESA ogEUMETSAT når det gjaldt utviklingen av etoperativt system av meteorologisatellitter.

Der finansierer ESA to tredeler og EU-METSAT en tredel av utviklingskostnadeneog oppskytningen av den første satellitten i

KP-2016-1.book Page 40 Wednesday, February 17, 2016 4:20 PM

Utvikling av jordobservasjon fra forskning til operative leveranser

KART OG PLAN 1–2016 41

en serie på 3–4 like satellitter. Deretter finan-sierer EUMETSAT byggingen og oppskytnin-gen av de etterfølgende satellittene og driftenav hele konstellasjonen av satellitter.

Det største problemet i et slikt samarbeider å få samkjørt beslutningsprosessene i tosvært ulike organisasjoner. Om det var endel utfordringer i samarbeidet mellom ESAog EUMETSAT, ble et samarbeid mellomESA og EU langt mer utfordrende. Framdrif-ten i EU var langt tregere enn i ESA, somtidlig var klar med en første spesifikasjon avsatellittene basert på brukerbehov fra tidli-gere studier. Men siden EU skulle finansiereden operative delen var det de som skullesamle inn og sammenfatte brukerbehovene.Da ansvaret i EU ble overført fra JRC i Italiatil Brussel, ble dette en vanskelig prosess.Kompetansen på jordobservasjon satt i JRC,og byråkratene i Brussel, uten vesentlig er-faring på feltet, måtte starte helt på nytt.

Det ble avholdt en mengde EU-møter medrepresentanter fra landene som deltok i ram-meprogrammene. Mange av dem manglet er-faring med satellittdata og hadde liten for-ståelse av hva det nye GMES-programmetskulle være. De så snarere GMES som enmulighet til å få ekstra midler til sine nasjo-nale overvåkingsprogrammer. EU-prosessenbekreftet i all hovedsak de brukerbehovene

ESA allerede hadde tatt for gitt, men konse-kvensen var at mange viktige beslutninger iprogrammet ble utsatt. Bare få land deltok ibåde EU-prosessene og i ESAs PB-EO (Pro-gramme Board for Earth Observation) medde samme personene eller koordinerte sinesynspunkter i de ulike organene. De viktig-ste diskusjonene om hvilke instrumenter ogsatellitter som skulle bygges ble derfor gjen-nomført i PB-EO.

Et eksempel er spesifikasjonen av den op-tiske satellitten som primært skulle brukestil landanvendelser. Den skulle komplemen-tere de nyeste amerikanske Landsat-satellit-tene og ha nokså like spesifikasjoner når detgjaldt kanaler. Sporbredden (dekningen påbakken ved hver overflygning) ble økt til 290km mot 180 km for Landsat, og den romligeoppløsningen ble satt til 20 meter for de syn-lige og nær-infrarøde kanalene mot 30 meterfor Landsat. Norge nøt allerede stor aner-kjennelse gjennom det arbeidet vi haddegjort med å utvikle operative anvendelserbasert på radarsatellittene til ESA og Cana-da, og på slutten av nittitallet gjennomførtevi en rekke utviklingsprosjekter med Land-sat-data. Noen av dem viste at oppløsningenvar for dårlig. Når Norge i PB-EO påpektebehovet for bedre romlig oppløsning, helstned mot 5 meter, resulterte det i et kompro-

Sentinel-2

KP-2016-1.book Page 41 Wednesday, February 17, 2016 4:20 PM

Per Erik Skrøvseth

42 KART OG PLAN 1–2016

miss på 10 meter for de synlige og nær-infra-røde kanalene. En høyere romlig oppløsningmed samme sporbredde ville blitt for utfor-drende både teknisk og økonomisk.

GMES-programmet ble etterhvert omdøpttil Copernicus for å harmonere bedre mednavigasjonsprogrammet Galileo, som er Eu-ropas motsvar til GPS. Copernicus ble tilslutt vedtatt med en portefølje på fem, sene-re utvidet til seks, serier av instrumenter ogsatellitter, kalt Sentinel. Sentinel-4 og -5 eratmosfæreinstrumenter som skal plasserespå EUMETSATs nye generasjoner av geosta-sjonære og polarbane værsatellitter. Senti-nelene skal kunne levere observasjoner tilglobal miljøovervåking og ressursforvalt-ningsbehov innen land-, hav- og atmosfæ-retjenester. I Copernicus-programmet vil EUutvikle og operere seks tjenester for å til-fredsstille identifiserte EU behov. Det er tje-nester for land, hav, atmosfære, beredskaps-styring, samfunnssikkerhet og klima.

Sentinel-1, -2 og -3 er de Sentinel-satellit-tene som er mest relevante for geomatikk ogkartlegging. Programmet innebærer at det

bygges og etterhvert skytes opp og settes idrift fire satellitter av hver av disse tre Sen-tinelene. Det skal når programmet er fulltoperativt til en hver tid være to satellitter avdisse Sentinelene i drift.

Sentinel-1 er satellitter med et aktivt SAR(Syntetic Aparture Radar) instrument, sompå land blant annet kan brukes til overvå-king av skred og rasfare og setningsskader.Sentinel-1A ble skutt opp i 2014.

Sentinel-2 er satellitter med et optisk in-strument som leverer 13 kanaler med høyromlig oppløsning og en sporbredde på 290km. Med to satellitter i drift betyr det nestendaglig dekning av Norge i sør og daglig inord. Det vil gjøre det langt enklere å fåmange skyfrie opptak i vekstsesongen. Sen-tinel-2A ble skutt opp i juni 2015.

Sentinel-3 er satellitter med flere instru-menter for hyppige opptak over både hav ogland. Instrumentene har derfor stor spor-bredde og relativt lav oppløsning. Sentinel-3A er planlagt skutt opp i februar 2016.

Mer informasjon om spesifikasjonene tilSentinel-satellittene finnes på websidene til

Sentinel-1

KP-2016-1.book Page 42 Wednesday, February 17, 2016 4:20 PM

Utvikling av jordobservasjon fra forskning til operative leveranser

KART OG PLAN 1–2016 43

ESA: http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Copernicus/

Tanken var at tilgangen til Sentinel-dataskulle være fri, åpen og gratis, men det varsterke krefter i noen nasjoner med semi-kommersielle satellitter som ønsket å hindredette. De hevdet at gratis tilgang på Senti-nel-data ville ødelegge deres markeder. I PB-EO var det, med unntak av Italia, imidlertidenighet om at data fra satellittene måttevære gratis tilgjengelig. Dette fikk etter noetid også gjennomslag i EU. Det gir ikke me-ning å investere milliarder av EURO med of-fentlige midler i satellitter med enorm kapa-sitet til å samle inn data, for deretter å be-grense bruken av dataene til en brøkdel avkapasiteten. Dette fordi noen ville beskyttesine muligheter til å selge et lite antall bilderfra de satellittene de har fått de kommersiel-le rettighetene til.

Nytteverdien av Copernicus-data for Nor-ge vil være stor når det gjelder nordområde-ne, maritim overvåking, grenseovervåking,miljø- og ressursforvaltning, klima, regjerin-gens tropiske regnskogsatsing og forskning.Fordi EU i stor grad fokuserte på at bakke-segmentet for Sentinelene skulle betjeneCopernicus-tjenestene, var Norge en pådri-ver for å få inn i avtaletekstene at også betje-ning av nasjonale behov i deltagerlandeneskulle være en del av programmet.

Det ble derfor åpnet en mulighet for delta-gerne i Copernicus å etablere egne nasjonalebakkesegment for å dekke nasjonale bruke-res behov for data og prosessering. Et nasjo-nalt bakkesegment i Norge vil gi norske bru-kere enkel og god tilgang på Copernicus da-ta. Dette er også viktig for at Norge skal blibedre rustet til å ta del i den forventede vek-sten i tjenestesektoren innen jordobserva-sjon, da vi har spesielt gode forutsetningerfor utvikling av nedstrømstjenester.

Historisk har romorganisasjonene ikkeprioritert datahåndtering like sterkt som ut-vikling og operasjon av satellittene. Det erdessverre også tilfellet for dataene fra Senti-nelene som er lest ned til nå. Data har ikkeblitt gjort så lett tilgjengelig som forventet,spesielt ikke for operative brukere. Det gjen-står derfor en oppgave med å få etablert etnasjonalt senter for satellittdata (bakkeseg-ment) der norske brukere får enkel og godtilgang til Copernicus-data.

EU har begynt å forstå utfordringene medde store datamengdene som Copernicuskommer til å levere. I løpet av 2017 vil Sen-tinelene (1A og B, 2A og B, 3A og B) kunne le-vere opp mot 20 Terabyte med globale datadaglig. Copernicus.eu vil gi tilgang til storemengder data fra tjenestene. De store data-mengdene gjør at EU har opprettet en egenenhet for Space data for Societal Challengesand Growth og de vil utvikle et integrert eu-ropeisk bakkesegment for håndtering av da-taene fra 2017/2018. Et norsk bakkesegmenter under etablering og kan bli et viktig bi-drag til dette integrerte europeiske bakke-segmentet.

Med Copernicus vil Europa gi verden fritilgang på store mengder kvalitetsdata. Destore datamengdene medfører noen utfor-dringer i å få etablert en enkel og tilfredsstil-lende tilgang til de dataene hver enkelt bru-ker trenger for sitt formål. Noen trenger fer-dig bearbeide data som enkelt kan koblesmed andre relevante data, mens andre tren-ger rådata for egen bearbeiding før integre-ring med andre data.

Etableringen og implementeringen avCopernicus har vist at gjennom aktiv delta-gelse i både EU og ESA er det mulig selv formindre land å ha en avgjørende innflytelsepå beslutningene om hvordan internasjonaleprogrammer utvikles og gjennomføres.

KP-2016-1.book Page 43 Wednesday, February 17, 2016 4:20 PM