научная статья по теме МЕТОДИКА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «МЕТОДИКА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 5, с. 21-29

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ^^^^^^^^

ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА

УДК 528:681.3

МЕТОДИКА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

© 2007 г. Б. М. Балтер1, Д. Б. Балтер1, В. В. Егоров1, А. П. Калинин2, В. А. Котцов1, А. Г. Орлов3, И. Д. Родионов4, М. В. Стальная1

1Институт космических исследований РАН, Москва

2Институт проблем механики РАН, Москва 3ЗАО научно-технический центр "Реагент", Москва 4Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Москва 1Тел.: (495) 333-35-89, e-mail: victor_egorov@mail.ru Поступила в редакцию 17.11.2006 г.

Излагаются методические вопросы имитационного моделирования гиперспектральных изображений земной поверхности с помощью программного комплекса "Геодиалог". Приводятся формулы для расчета сигнала на выходе гиперспектрометра с учетом светотеневой обстановки и состояния атмосферы. Определяется величина отношения выходного сигнала к среднеквадратичному значению генерационно-рекомбинационного шума. Даны примеры симулированных гиперспектральных изображений для различных длин волн.

ВВЕДЕНИЕ

Гиперспектрометры - сравнительно новый вид бортовой спутниковой аппаратуры дистанционного зондирования (ДЗ) Земли [1]. В космосе прошли летные испытания лишь отдельные экспериментальные образцы этих сенсоров [2, 3]. Несмотря на то что накоплен определенный опыт исследования земной поверхности с помощью авиационных гиперспектрометров [4, 5], возможности использования их спутниковых аналогов для решения научных и прикладных задач дистанционного зондирования оценены недостаточно полно. Вместе с тем, интерес к гиперспектральному зондированию со стороны потребителей данных ДЗ неуклонно возрастает, поскольку именно в спектре излучения, восходящего от зондируемых объектов, сосредоточена практически вся информация об их состоянии [6]. Кроме того, уже сегодня гиперспектрометры, помимо высокого спектрального разрешения, по многим своим техническим характеристикам приближаются к характеристикам многоспектральных сканеров и в недалеком будущем, возможно, должны их существенно потеснить.

Определение потенциальных возможностей спутниковых гиперспектрометров, их места и роли в научных исследованиях и практических приложениях в области ДЗ является весьма важной методической задачей. Ее решение, базирующееся только на результатах летных экспериментов, представляется достаточно долгим и дорогостоя-

щим. Более эффективен подход, основанный на разумном сочетании натурных измерений с компьютерными экспериментами в области имитационного моделирования гиперспектральных изображений земной поверхности. Определенный опыт в вопросах моделирования радиолокационных (РЛ) изображений земной поверхности с помощью программного комплекса "Геодиалог", разработанного в Институте космических исследований РАН (ИКИ РАН), уже имеется [7-10], и он указывает на перспективность такого подхода.

Для проведения исследований по имитационному моделированию гиперспектральных изображений земной поверхности нами был использован один из модулей модифицируемого в настоящее время программного комплекса "Геодиалог" [7, 8]. Этот модуль для краткости далее называется имитатором. Имитатор позволяет генерировать гиперспектральные изображения земной поверхности как двумерные поля яркости на основе задания электрофизических и геометрических характеристик зондируемых геосистем или параметров состояния последних, при наличии функций связи указанных параметров с рассеивающими и излучательными свойствами входящих в их состав природных и природно-антропогенных объектов.

Цель настоящей работы - изложение методики имитационного моделирования гиперспектральных изображений земной поверхности.

МЕТОДИКА СИМУЛИРОВАНИЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Современные гиперспектрометры аэрокосмического базирования работают в диапазоне длин волн 0.35-5.2 мкм (см. например [11]) с перспективой использования и теплового ИК-диапазона вплоть до 15 мкм. Физические механизмы формирования оптического излучения, восходящего от зондируемых объектов, существенно различны для разных поддиапазонов оптического спектра. Так, согласно [12], в диапазоне длин волн до 3 мкм преобладающий вклад в принимаемый бортовым сенсором сигнал вносит рассеянное зондируемым объектом солнечное излучение, в то время как на длинах волн от 4 до 15 мкм преобладает собственное излучение земной поверхности. На длине волны 3.5 мкм интенсивности рассеянного солнечного излучения и собственной ИК-радиации примерно одинаковы. В связи с этим целесообразно рассматривать вопросы оценки мощности принимаемого гиперспектрометром излучения, восходящего от произвольного элемента разрешения на земной поверхности, отдельно для двух поддиапазонов: 0.35-3.5 мкм и 3.5-15 мкм. В спектральном интервале 3-4 мкм необходимо рассчитывать сумму двух мощностей с учетом их весового вклада.

Величина оптического сигнала и генерацион-но-рекомбинационного шума (ГРШ) для произвольного пиксела гиперспектрального изображения в диапазоне от 0.35 до 3.5 мкм. Согласно [13], величина мощности (лучистого потока, Вт) оптического сигнала, падающего на у'-ый элемент приемной матрицы, соответствующий у'-му пикселу изображения для /-го спектрального канала, вычисляется по формуле

У = ПГхО, а)ю5вхДХгкгТаТ>82, + 7д, (1) п

где Sх - солнечная постоянная, т.е. спектральная плотность излучения Солнца на верхней границе

атмосферы [13]; Гх (0, а) - коэффициент спектральной яркости (КСЯ) у'-го элемента разрешения земной поверхности (пиксела на изображении), наблюдаемого под углом 0у от надира в /-ом спектральном канале гиперспектрометра с центральной длиной волны Х1, а - вектор параметров

состояния зондируемого объекта (среды); ю = -

Н

телесный угол мгновенного поля зрения телескопа, 52 - площадь элемента разрешения (пиксела) на земной поверхности в предположении равенства линейного разрешения сенсора вдоль и попе-

рек трассы измерений, Н - высота полета носителя, = пВ2/4, В - диаметр входного зрачка; ДХ/ -ширина /-го спектрального канала по уровню половинной мощности; к/ - к.п.д. /-го спектрального

канала (обычно к/ ~ 0.2); Та ~ ехр[-тх^ес2,)] -пропускание атмосферы на трассе от источника излучения (Солнце) до земной поверхности, Т"а ~ ехр[-тх^ес 0)] - пропускание атмосферы на трассе от объекта зондирования до входной апертуры сенсора, тх - оптическая толщина ослабления (экстинции) излучения атмосферой при 2, = 0°, 2, - зенитный угол Солнца; Уд - мощность аддитивной составляющей лучистого потока, вызываемого атмосферной дымкой. Методика расчета атмосферной дымки для случая зондирования вод Тихого и Атлантического океанов приведена в

[14]. Для расчета лучистого потока дымки над сушей можно воспользоваться результатами работы [12].

Формула (1) получена, однако, без учета реальной светотеневой обстановки и условий освещенности. Состояние атмосферы, наличие теней из-за влияния рельефа и облачности, а также изменение высоты Солнца сказываются на уровне облученности земной поверхности и значениях коэффициента спектральной яркости объектов зондирования. В работе [15] приведены данные экспериментальных зависимостей КСЯ различных сельскохозяйственных культур, песчаной поверхности и снега от величины соотношения спектральной яркости прямого солнечного излучения и излучения небосвода. При проведении измерений изменение интенсивности солнечного излучения и излучения небосвода осуществлялось экранированием исследуемых объектов сетками различной плотности, обладающими нейтральными спектральными характеристиками

[15].

Как показали результаты экспериментальных исследований [15], величины КСЯ почвенно-рас-тительных объектов меняются в течение светового дня, т.е. имеет место их зависимость от высоты Солнца. Однако для удобства модельных расчетов целесообразно привести все значения КСЯ к некоторой одной высоте Солнца, например, к 2, = 40°. Для этого в [15] даны значения переводных коэффициентов для указанного типа объектов.

Попытка строгого учета состояния атмосферы и, в частности, наличия аэрозольной дымки, а также высоты Солнца и светотеневой обстановки приводит к значительному усложнению формулы (1), что делает процедуру имитационного моделирования гиперспектральных изображений

Рис. 1. Зависимость отношения спектральной плотности яркости прямого солнечного излучения к спектральной плотности излучения небосвода при различной плотности атмосферной дымки и различных значениях высоты Солнца.

малоэффективной. Поэтому ниже излагается предложенный нами подход, позволяющий достаточно строго рассчитывать яркость гиперспектральных изображений. 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 КСЯ. Этот подход полностью удовлетворяет целям имитационного моделирования. Тогда формула для расчета У\ приобретает вид

у\ =1 {бт г:

ксЛ(0, а) 0082$ +

(2)

+ г-Д—Д(0, а)

к(!, 2$)

+ Уд БвхА!к,

где Кст - коэффициент, характеризующий светотеневую обстановку в момент гиперспектральной съемки (Кст = 1 на солнечной стороне зондируемой поверхности и равен нулю на теневой стороне); к(!, 2$) - экспериментальная зависимость спектрального отношения облученности элемента разрешения зондируемой поверхности прямой солнечной радиацией к облученности небосводом;

Д!(0, а) - коэффициент спектральной яркости зондируемого объекта в зоне тени, т.е. КСЯ объекта при облучении его радиацией небосвода [15].

На рис. 1 представлены графики к(!, 2$) из [16], отражающие спектральную зависимость отношения интенсивности прямого солнечного излучения к интенсивности излучения небосвода при различной плотности атмосферной дымки и высоте Солнца.

Как следует из анализа формулы (2), множителями, несущими информацию о типе и состоянии объектов зондируемой поверхности или среды,

являются функции Г! (0, а) и Д (0, а), т.е. КСЯ, роль которых аналогична роли удельной эффективной поверхности рассеяния (УЭПР) в радиолокации, поскольку их величина также зависит от диэлектрических

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