научная статья по теме АЭРОКОСМИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА: МОДЕЛИ, АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, НАЗЕМНАЯ ВАЛИДАЦИЯ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «АЭРОКОСМИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА: МОДЕЛИ, АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, НАЗЕМНАЯ ВАЛИДАЦИЯ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2010, № 1, с. 69-86

АЭРОКОСМИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА: МОДЕЛИ, АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, НАЗЕМНАЯ ВАЛИДАЦИЯ © 2010 г. В. В. Козодеров1*, Е. В. Дмитриев2

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 2Институт вычислительной математики РАН, Москва *Е-таП: vkozod@mes.msu.ru

Исследуются особенности решения прямых задач формирования интенсивностей уходящего излучения, регистрируемого аппаратурой аэрокосмического зондирования, и обратных задач восстановления параметров состояния почвенно-растительного покрова для каждого элемента обрабатываемых многоспектральных и гиперспектральных изображений. Описываются международные проекты по решению указанных задач, а также научные и прикладные аспекты проведения этих проектов за последние три десятилетия. Среди основных направлений объединения модельных представлений почвенно-растительного покрова и обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ): описание вертикальной структуры соответствующих объектов; классификация растительных покровов; оценка баланса углерода; модели тепло-, массо-, энергообмена между атмосферой и земной поверхностью. Рассматриваются примеры реализации новых подходов к распознаванию образов соответствующих объектов и оценки параметров их состояния по гиперспектральным данным ДЗ. Основное внимание уделяется обзору публикаций, которые появились впервые на страницах журнала "Исследование Земли из космоса" и касались перечисленных направлений. Среди этих публикаций: атмосферная коррекция аэрокосмических изображений и спектров; модели, алгоритмы и расчетные программы обработки данных аэрокосмического зондирования с использованием высокопроизводительных вычислительных средств; решение задач оценки состояния почвен-но-растительного покрова по данным ДЗ и наземной валидации полученных результатов.

Ключевые слова: почвенно-растительный покров, многоспектральные и гиперспектральные изображения, классификация, распознавание образов, моделирование, наземная валидация.

ВВЕДЕНИЕ

Два основных источника определяют получение знаний о природных процессах и явлениях — это модельное описание взаимодействия солнечного и других видов излучения с соответствующими средами; измерительные данные, полученные на наземных участках и при дистанционном зондировании (ДЗ) этих сред. Необходимость увязки этих направлений научных и технологических разработок (модели и разные типы измерений) в применении к интерпретации данных космических систем наблюдений потребовала объединения усилий специалистов различного профиля. Осознание такой необходимости существовало с появлением первых космических систем наблюдения Земли, но организационные и финансовые сложности объединения специалистов ограничивали развитие перечисленных направлений. Исследования глобальных изменений, под которыми обычно понимаются изменения состава атмосферы, землепользования и

климата, начиная с 1980-х годов, стали таким объединяющим началом.

Основу решения задач изучения климата и его изменений составляли численные модели гидротермодинамики атмосферы и океана (Марчук и др., 1984). Создание космических систем наблюдения Земли было связано с построением моделей переноса излучения в системе "земная поверхность—атмосфера" с точки зрения разработки методов, алгоритмов и программ обработки данных ДЗ. Первые публикации по этой проблеме (Козодеров, 1978) были направлены на решение прикладных задач учета искажений, вносимых атмосферой как помехой между приемниками излучения и объектами земной поверхности; решение этих задач стали называть атмосферной коррекцией космических изображений и спектров (Козодеров, 1983). Эта часть модельных описаний рассеяния и поглощения солнечного и собственного теплового излучения Земли была посвящена исследованиям влияния атмосферы на регистрируемое спутниковой аппаратурой излу-

чение в разных спектральных диапазонах. Некоторые результаты начального этапа таких прикладных исследований были опубликованы в монографии (Кондратьев и др., 1985), дополненное и переработанное издание которой на английском языке было издано позднее (Kondratyev et al., 1992).

Одновременно развивались аэрокосмические исследования почв и растительности в контексте объединения теоретических и экспериментальных работ по моделированию полей уходящего излучения и ДЗ соответствующих объектов. Результаты этих исследований были опубликованы в монографии (Кондратьев и др., 1986). Было издано ее дополненное и переработанное издание с участием зарубежных специалистов (Curran et al., 1990). Приложения разрабатываемых подходов дистанционного аэрокосмического зондирования почвенно-растительного покрова в применении к исследованиям биосферы Земли были отражены в другой монографии (Кондратьев и др., 1990). Развивались также модельные подходы к изучению взаимосвязей облаков и климата, других особенностей моделирования процессов в атмосфере, океане и на поверхности суши, связанных с регистрацией интенсивностей и потоков излучения в видимой и инфракрасной (ИК) области спектра (Марчук и др., 1986).

Указанные биосферно-климатические исследования увязывались с локальными наземными измерениями потоков солнечного и теплового излучения, характеристик тепло-, влаго-, энерго-и массообмена между атмосферой и земной поверхностью. В 1983 г. Международными организациями для реализации соответствующих исследований было принято решение о проведении Международного проекта по спутниковой климатологии поверхности суши (International Satellite Land Surface Climatology Project/ISLSCP) (Rasool, Bolle, 1983). Финансирование проекта обеспечивалось Всемирной метеорологической организацией (World Meteorological Organization/WMO), Международным советом научных союзов (International Council of Scientific Unions/ICSU), Программой ООН по окружающей среде (United Nations Environmental Program/UNEP), Международной гео-сферно-биосферной программой/МГБП (International Geosphere-Biosphere Program/IGBP). Сформировался ряд проектов МГБП: "Международный проект по химии глобальной атмосферы" — International Global Atmospheric Chemistry/IGAC; "Биосферные аспекты гидрологического цикла" — Bio-spheric Aspects of the Hydrological Cycle/BAHC; "Глобальные изменения земных экосистем" — Global Change and Terrestrial Ecosystems/GCTE; "Глобальные изменения в прошлом" — Past Global Changes/PAGES; "Глобальный анализ, интерпретация и моделирование" — Global Analysis, Interpretation and Modeling/GAIM; "Данные и инфор-

мационные системы" — Data and Information Systems/DIS. В разных странах (США, Европа, Австралия и др.) были созданы управляющие группы специалистов по этим проектам.

Проект ISLSCP получил развитие в виде совместных исследований глобальных и региональных процессов (Becker et al., 1988). Считалось, что, несмотря на функционирование различных спутниковых систем наблюдений, весьма скудной остается информация о глобальных распределениях энергии, влаги, источниках и стоках двуокиси углерода и других малых газовых примесей атмосферы. Вместе с тем на малых масштабах отдельных растительных сообществ были накоплены достаточные знания по взаимосвязанным процессам фотосинтеза и эвапотранспирации (совместный эффект испарения влаги и дыхания растительности). Среди достижений того времени можно отметить, например, установленный в полевых условиях экспериментальный факт устьичной регуляции испарения влаги с поверхности живого листа, когда растение по мере приближения к стрессовому состоянию при увеличении внешнего температурного воздействия само создает условия для уменьшения потерь влаги с поверхности листа. Существовали также доказательства проявления отмеченных экофизиологических процессов в регистрируемых при ДЗ потоках уходящего излучения, которые необходимо было увязать с плотностью распределения хлорофилла — основного пигмента фотосинтезирующей растительности. Соответственно проект ISLSCP был инициирован для решения научных проблем аэрокосмического мониторинга объектов поверхности суши, включая почвенно-растительный покров, с дальнейшим развитием математических моделей климата при параметризации в них рассматриваемых обменных процессов.

В рамках проекта ISLSCP на выбранной территории штата Канзас, США был организован Первый полевой эксперимент (the First ISLSCP Field Experiment/FIFE). В 1987 г. были проведены так называемые "интенсивные полевые кампании", когда специалисты разного профиля проводили согласованно наземные измерения, которые были объединены с прохождением спутников разных стран над выбранной территорией. Измерения были продолжены в 1989 г. с участием специалистов США, России, Канады, Франции и Великобритании (Sellers et al., 1990). Это был первый эксперимент, в котором одновременно использовались данные дистанционного аэрокосмического зондирования и данные измерений радиационных, биометрических и других характеристик на специально оборудованных наземных тестовых участках. Ставились задачи: 1) построения интегральных моделей разных масштабов при переходе от отдельных биометеорологических измерений до масштабов в километр и более; 2) валида-

ции (наземного подтверждения) результатов обработки аэрокосмических изображений.

Наземная часть полевой кампании FIFE была организована на отдельных тестовых участках выбранной территории размером 15 х 15 км. Были задействованы данные спутниковых систем разных стран, проведены самолетные, вертолетные и наземные измерения на выбранной территории. Исследования проводились по отдельным направлениям: "Атмосферный пограничный слой" (Atmospheric Boundary Layer/ABL); "Излучение у поверхности и биология" (Surface Radiation and Biology/SRB); "Солнечные и тепловые потоки у поверхности" (Surface Fluxes/SF); "Влажность почвы" (Soil Moisture/SM); "Коррекция и калибровка разных типов измерительной аппаратуры" (Correction and Calibration/CC). Были показаны реальные возможности объединения усилий специалистов разных стран для решения возникающих междисциплинарных задач. Публикации полученных результатов касались всех перечисленных направлений (Sellers

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком