ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 420, № 5, с. 623-627
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
УДК 528.813
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДАННЫХ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
© 2008 г. Член-корреспондент РАН С. П. Непобедимый, Б. М. Балтер, В. В. Егоров, А. П. Калинин, И. Д. Родионов, И. П. Родионова, М. В. Стальная
Поступило 29.09.2007 г.
Гиперспектрометры - сравнительно новый вид аппаратуры дистанционного зондирования (ДЗ) Земли [1]. Определение потенциальных возможностей гиперспектрометров аэрокосмического базирования, их места и роли в научных исследованиях и практических приложениях в области ДЗ представляется весьма важной задачей. Ее решение, базирующееся только на результатах натурных экспериментов, является достаточно трудоемким и дорогостоящим. Более эффективным следует считать подход, основанный на разумном сочетании исследований in situ и компьютерных экспериментов по имитационному моделированию гиперспектральных изображений земной поверхности. Результаты такого моделирования особенно актуальны в настоящее время в связи с интенсивным развитием в России и за рубежом гиперспектральных исследований, имеющих большое научное и прикладное значение.
Для реализации указанного подхода необходима разработка методики имитационного моделирования гиперспектральных изображений земной поверхности, а также соответствующих алгоритмических и программных средств, позволяющих генерировать двумерные поля яркости на основе задания электрофизических и геометрических характеристик зондируемых геосистем или параметров состояния последних [2].
Достижение целей имитационного моделирования предполагает, с одной стороны, качественно верное отображение всех моделируемых процессов (прохождение оптического излучения через атмосферу, его рассеяние на зондируемой поверхности, детектирование сигнала и др.), а с другой - достаточную простоту их описания. В частности, процедура прохождения излучения через атмосферу строго описывается уравнением переноса, однако его решение делает процесс моделирования неэффективным. В работе исполь-
зуются достаточно простые соотношения взаимодействия излучения с атмосферой, задаваемые законом Бугера.
Целью настоящей работы является изложение методики имитационного моделирования гиперспектральных изображений земной поверхности и результатов вычислительных экспериментов, демонстрирующих ее возможности.
МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Современные гиперспектрометры аэрокосмического базирования работают в диапазоне длин волн 0.35-15 мкм. Физические механизмы формирования оптического излучения, восходящего от зондируемых объектов, в интервалах длин волн 0.35-3.5 мкм и 3.5-15 мкм различны [3], что необходимо учитывать при разработке методики имитационного моделирования. Основу последней составляет созданный нами алгоритм расчета яркости гиперспектральных изображений как результат детектирования и последующего сглаживания оптического сигнала. Оптический сигнал, восходящий от произвольного элемента разрешения земной поверхности (пиксела), характеризуется своей мощностью (лучистым потоком). На выходе детекторного элемента матрицы гиперспектрометра к полезному сигналу добавляется шум. Основным видом шума в полупроводниках, согласно [3], помимо теплового, фотонного и шума считывания является генерационно-рекомби-национный шум (ГРШ), аналогичный дробовому шуму в вакуумных приборах. Поэтому в работе учитывается только ГРШ, а также приводятся формулы для расчета мощности оптического сигнала и ГРШ для двух указанных выше поддиапазонов.
Мощность оптического сигнала и ГРШ в диапазоне от0.35 до 3.5 мкм. В работе [3] приведена формула для расчета мощности (лучистого потока) оптического сигнала. Однако она не учитывает влияния состояния атмосферы и светотеневой обстановки, обусловленной релье-
Институт космических исследований Российской Академии наук, Москва
фом местности. Далее излагается подход, позволяющий достаточно строго рассчитывать яркость гиперспектральных изображений [4]. Он основан на использовании экспериментальных данных о спектральной, яркостной и угловой структуре падающей солнечной радиации и излучения небосвода, а также о соответствующих этой структуре значениях коэффициентов спектральной яркости (КСЯ). В этом случае формула
для расчета мощности оптического сигнала У■
имеет вид
У{ = 11 ^Т
КсТг{_(9, а)008Xф +
+
1
к(Ъ, Хф)
К(9, а)
+ Уд ^ЛХ;к;,
(1)
солнечной радиацией к облученности небосводом;
К (9, а) - коэффициент спектральной яркости зондируемого объекта в зоне тени, т.е. КСЯ объекта при облучении его радиацией небосвода [5].
Как следует из анализа формулы (1), множителями, несущими информацию о типе и состоянии объектов зондируемой поверхности или среды,
являются функции г( (9, а) и К (9, а), т.е. КСЯ.
Лучистый поток (1), формирующий /-й элемент гиперспектрального изображения в ¿-м спектральном канале, преобразуется в электрический сигнал, напряжение которого определяется формулой
и с = бЧэ К =
у/пЪ
Не
?э Кн
(2)
где - солнечная постоянная, т.е. спектральная плотность излучения Солнца на верхней границе
атмосферы; г( (9/, а) - КСЯ /-го элемента в строке изображения земной поверхности (пиксела произвольной строки изображения); этот элемент наблюдается под углом 9/ от надира в ¿-м спектральном канале гиперспектрометра с центральной длиной волны а - вектор параметров состояния зондируемого объекта (среды); ю =
5Ч 2
где б =
У/л Ъ
Не
- число фотоэлектронов на выходе
= - телесный угол мгновенного поля зрения
телескопа; 52 - площадь элемента разрешения (пиксела) на земной поверхности в предположении равенства линейного разрешения сенсора вдоль и поперек трассы измерений, Н - высота полета
с п Б2
носителя; £вх = —4- , и - диаметр входного зрачка;
ЛХ; - ширина ¿-го спектрального канала по уровню половинной мощности; к - кпд ¿-го спектрального канала (обычно к; ~ 0.2); Т'а ~ ехрН^есХ®)] - пропускание атмосферы от источника излучения (Солнце) до земной поверхности, Т" ~ ехр^т^ес 9)] - пропускание атмосферы от объекта зондирования до входной апертуры сенсора, т^ - оптическая толщина ослабления (экстинции) излучения атмосферой при = 0, - зенитный угол Солнца; Уд - мощность аддитивной составляющей лучистого потока, обусловленного влиянием атмосферной дымки; Кст - коэффициент, характеризующий светотеневую обстановку в момент гиперспектральной съемки (Кст = 1 на солнечной стороне зондируемой поверхности и равен нулю на теневой стороне); к(к, Хф) - экспериментальная зависимость спектрального отношения облученности элемента разрешения зондируемой поверхности прямой
детекторного элемента в секунду, п - квантовая эффективность элементов матрицы (обычно П = 0.15-0.2 для длин волн от 0.4 до 0.8 мкм и 0.01 для диапазона 2-5 мкм), Н = 6.625 ■ 1034 Вт - с2 -постоянная Планка, е - скорость света, - заряд электрона, Кн - сопротивление нагрузки детекторного элемента.
Число накопленных за время наблюдения Тн электронов, характеризующих полезный сигнал, равно Ыс = бТн, где Тн - время наблюдения, величина которого выбирается, исходя из времени пролета летательным аппаратом элемента разрешения на поверхности. Согласно [3], число электронов, обусловленных ГРШ, равно Ыш = Л/Ыс =
= л/бТн. Тогда отношение сигнал/шум (БЫК) гиперспектрального изображения
БЫК =
Ыс
N га
ис.
= бн,
(3)
■ГРШ
где аГРШ - стандартное отклонение напряжения ГРШ.
Можно повысить БЫК путем усреднения сигнала от смежных пикселов. Если значения сигнала в этих пикселах примерно одинаковы по амплитуде, то при усреднении по N пикселам БЫК возрастает в ТЫ раз.
Мощность оптического сигнала и ГРШ в диапазоне от3.5 до 15.0 мкм. Вос-
Рис. 1. Результаты имитационного моделирования для гиперспектрометра типа AVIRIS. а - сечение вдоль горизонтальной линии, проходящей через вершину горы (по осям графиков отложены условные единицы); сплошная линия - относительное содержание хлорофилла, штриховая - высота. б - изображение горы, симулированное для длины волны 660 нм; солнце - сверху слева, внизу справа - тень; 1-5 - участки, для которых на рис. 1г приведены графики КСЯ. в - изображение, аналогичное, приведенному на рис. 16 для длины волны 800 нм. г - КСЯ для выбранных участков; абсцисса - длина волны в диапазоне 500-800 нм, ордината - значения КСЯ от 0.2 до 1.
пользуемся здесь формулами, приведенными в [3] для мощности оптического сигнала:
Y j =
2 Л 2nc h
V У
X
х expI -
hc kTÖk,
Sвхa)aA\kiri:+ Yс, (4)
где %\ (0, а) - степень "черноты" или излучатель-ная способность зондируемого объекта (среды), соответствующая ]-му пикселу в строке изображения, которая зависит от длины волны спектрального канала, условий съемки и вектора параметров состояния зондируемого объекта (среды); к = Вт
= 1.38 • 10-23 ——— - постоянная Больцмана; Т0 -Гц • К
термодинамическая температура зондируемого объекта; Ус - лучистый поток собственного излучения атмосферы. В задачах зондирования земной поверхности лучевой поток рассчитывается для спектральных каналов, размещенных в окнах прозрачности атмосферы, где ее вклад невелик и им во многих случаях можно пренебречь [6]. Остальные обозначения аналогичны принятым в (1).
В методах ИК-зондирования главными информационными параметрами являются Т0 и % • (0, а). Значения напряжения сигнала ис и ЗМЯ рассчитываются по формулам (2) и (3).
Итак, формулы (1)-(4) позволяют рассчитывать значения полезного сигнала на выходе сенсора и имитировать гиперспектральные изображения с учетом ГРШ.
ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДИКИ
В качестве примера использования описанной выше методики нами была выбрана модель территории, основная часть которой занята конусообразной горой, покрытой растительностью.
На рисунке 1 приведены результаты имитации гиперспектральных изображений конусообразной горы, соответствующие параметрам гиперспектрометра АУЖК при съемке с высоты 20 км [7]. Симулированные изображения представляют собой результат сложного взаимодействия эффектов освещенности, зависящих от положения Солнца, угла визирования поверхности гиперспектрометром, ориентации элементарных отражающих площадок и распределения по в
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.