ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 6, с. 3-7
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ НА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЦВЕТНОСТИ В ДИСТАНЦИОННОЙ
КОЛОРИМЕТРИИ © 2012 г. А. Ш. Мехтиев1, Х. Г. Асадов2*, Л. Р. Бекирова1
1 Национальная Академия авиации, Баку 2 Национальное аэрокосмическое агентство, Баку E-mail: asadzade@rambler.ru Поступила в редакцию 20.12.2011 г.
Теоретически обоснована возможность осуществления аппаратурной коррекции искажений цветности, вызванных влиянием атмосферного аэрозоля. Предложены три способа аппаратурной коррекции искажений цветности, вызванных влиянием атмосферного аэрозоля. Изложены различные варианты реализации предложенных способов коррекции.
Ключевые слова: атмосфера, аэрозоль, колориметрия, оптическая толщина, спектр, мутность
Хорошо известно, что RGB-колориметрия основывается на таком экспериментально установленном факте, как существование определенных функций ф1(^), ф2(^) и фз(^), называемых "tris-timulus values", которые, образуя линейную свертку с произведением E(X) у(^), i = 1.3, где E(X) — спектральная характеристика света; у(^) — функция спектрального отражения объекта в виде
760
Ф = J [E (X) у (X) Ф1 (X) + E (X)y (X) ф2 (X) +
380
+ E (XX) у (Х)ф3 (X)] d X,
способны создать в зрительном восприятии человека ощущения, эквивалентные наблюдению практически любого спектрального цвета. При этом функции ф1(^), ф2(^) и ф3(^) и имеют строго определенную форму (рис. 1), установленную эмпирическим путем (Безродный, 2011). Изложенное выше положение составляет основу колориметрии — науки об измерении цветов.
Известны многочисленные практические примеры использования RGB-колориметрии в дистанционном зондировании (ДЗ) различных цветных объектов. Сюда можно отнести следующие актуальные задачи ДЗ:
— определение состояния растительности путем определения ее цвета;
— определение цвета воды в различных водоемах и в береговых зонах;
— определение цвета почвы и т.д.
Одной из важнейших задач колориметрического ДЗ с борта носителя является правильный
учет и коррекция влияния атмосферного аэрозоля на результат цветового измерения и воспроизведения. Так, согласно теории переноса радиации при авиационном ДЗ, отраженный от объекта оптический сигнал на входе бортового спектрометра (рис. 2) вычисляется по следующей формуле (Vermote et al., 2011):
Р*(0„ 0v, Ф, -9v, ^) =
= ра (0,, 0V, Ф, - Ф^)+ Р' T (0V, z)T (0,, z), (1) 1 - S (z)pt
где p* (0,, 0v, ф, - фv, z) — отраженный от объекта и принятый бортовым спектрорадиометром сигнал; 9s — зенитный угол Солнца; 0v — зенитный угол направления наблюдения; фv — угол азимута направления наблюдения; ф5 — угол азимута Солнца; pt — отражаемость объекта; S — сферическое альбедо атмосферы; pa — радиация на входе спектрометра, обусловленная свечением атмосферы (path radiance); T (0v) — пропускание атмосферы от объекта до сенсора; T (0v) = e + + td (0v); td (0v) — пропускание диффузной радиации на пути объект—сенсор; tv — оптическая толщина атмосферы от объекта до сенсора; T (0,) =
= e_т' + td (Q,). td (Q,) — пропускание атмосферы на пути объект—Солнце; Ts — оптическая толщина атмосферы на пути объект—Солнце; ц,, — параметры, определяемые как cos9, где 9 — зенитный угол падающего луча.
4
МЕХТИЕВ и др.
I
3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0
0.50
Ф1 (X )
375 425 475 525 575 625 675 725
410 450 500 550 600 650 700
X, град
Рис. 1. Общий вид эмпирических функций Фх(Х), Ф2(Х) и фз(Х).
Солнце
Рис. 2. Схематическое представление параметров и лучей при авиационном зондировании объектов на отражение.
Далее будем считать, что составляющая, характеризующая свечение атмосферы, устраняется методом компенсации, с использованием для этого метода темного объекта.
Далее, для упрощения анализа приняв ф s — ф х = = 180°, z = const,
té (0,) = td (0V) = 0, Pt
X = const,
1 - S(z)Pt
выражение (1) можем записать как Р* = x[e ~%sle-'1 ] = xe
(2)
Таким образом, если принять, что на рассматриваемых длинах волн отсутствуют линии поглощений атмосферных газов, а также допустить гомогенность атмосферы, то формула (2), с учетом
Т = та, где та — оптическая толщина атмосферы, приобретает следующий вид:
Р* = Xе
Ц s zekv№\
(3)
где г — высота полета носителя; zekv — эквивалентная высота атмосферы.
Формула (3) в целях ЯОБ-колориметрии может быть записана раздельно для соответствующих монохроматических цветов
Р r = Xе
Pg = Xe
zekv^v J
Г1 i z
к ZekvP-v.
" 1 . z
Рд = Xе
Таким образом, для устранения искажений цветов Я, О, Б, вследствие зависимости та от X, могут быть предложены следующие способы компенсации:
1) способ изменения ц для компенсации искажения цветности. Для конкретности рассмотрим обобщенный канал цветности с длиной волны X. Должно быть выполнено условие
-L +
— s Zekv—v
= const.
Согласно формуле Ангстрома, Тв (X) = PXЛ
(4)
(5)
где в — аэрозольная мутность атмосферы; а — параметр Ангстрома.
С учетом (4) и (5), получаем условие изменения ц — для компенсации погрешности цвета
1 constéс
И s
в
Zekv№v
или
Р zekv№v
(6)
(7)
И s = _
COnSt^ZekvHv - вZ
Таким образом, с учетом =cos 0 s, получим
0s = arc cos -febHi
[consté"ZekvVv - вz_
Следовательно, на длинах волн X — X r, X — Xg или X — XB для компенсации аэрозольной погрешности цветности зенитные углы Солнца должны быть выбраны по формуле (7), т.е. в рассматриваемом способе компенсации необходимо осуществить три последовательных полета над объектом и соответственно вести съемку на выбранной длине волны XR, XG или XB;
a
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ
5
2) способ изменения г для компенсации искажений цветности. Из выражения (6) имеем
Z Zekv№v
constéа _
и,
в
(8)
Таким образом, задаваясь длинами волн X — X X — Х0 и X — Xв, по формуле (8) можно вычислить необходимые высоты осуществления монохроматической спектральной съемки объекта;
3) способ изменения параметра ^ для компенсации искажений цветности. Из выражения (6) имеем
Zekv№v
constéс в
Рис. 3. Вариант реализации КОБ-камер на носителе с (9) разными зенитными углами обзора.
Из выражения (9) окончательно получаем
Hv =
((const^а - р) Zekv
Таким образом, при длинах волн X — X r, X — Xq и X — XB можно вычислить значения и ^vB.
Технически компенсация искажений цветности из-за влияния аэрозоля может быть реализована в следующих вариантах:
А) реализация различных по значению и на одном носителе (рис. 3) путем установки трех спектрометров с разными углами обзора. Очевидно, что в этом случае результаты монохромной цветной съемки оказываются пространственно смещенными и их на этапе предобработки требуется совмещать;
Б) реализация и последовательно
во времени, путем установки на носителе спектрометра с регулируемым углом обзора. При этом носитель должен трижды пролетать над изучаемой местностью. И в этом случае на этапе предобработки следует решить вопрос о совмещении полученных монохроматических снимков.
Следует отметить, что все изложенные выше способы аппаратурной коррекции искажения цветности требуют оперативного проведения измерения оптической толщины атмосферного аэрозоля. Эти измерения могут быть осуществлены с помощью наземных солнечных фотометров, например, типа CIMEL или портативными переносными приборами типа MICROTOPS фирмы Solar Com.
При этом необходимо учесть неоспоримое преимущество аппаратурных методов реализации коррекции над вычислительными методами вне-
сения корректировочных поправок, заключающееся в возможности физического моделирования оптимальных режимов коррекции в ситуациях, не предусмотренных в базовых математических моделях основных искажающих факторов цветности. Например, в случае отклонений от формулы Анг-строма (5) исключается необходимость нахождения более точного математического выражения зависимости та (X) от в и а, и вся коррекция сводится к опытному определению основных корректирующих параметров (высоты полета, зенитного угла, и т.д.) по критерию максимально правдоподобного воспроизведения цветности.
В целях подтверждения влияния атмосферного аэрозоля на энергораспределение спектрального состава солнечного излучения и выявления возможности введения корректирующих мер по регулированию цветности были проведены следующие модельно-экспериментальные исследования:
1) в качестве базового положения была принята прямо пропорциональная зависимость оптической толщины атмосферного аэрозоля от скорости ветра (Smith et al., 1993). Измерения скорости ветра проводились анеморумбометром М63М-1 производства ОАО "Сафоновский завод Гидро-метприбор";
2) в течение трех безоблачных дней проводились измерения скорости ветра в разные часы дня с 9:00 до 15:00 местного времени;
3) в указанные выше часы проводились измерения интегральной радиации Солнца в диапазоне длин волн 400 нм—1.5 мкм. Измерения проводились с помощью лабораторного макета пиранометра, разработанного в НИИ Аэрокосмической информатики, г. Баку;
4) в указанные выше часы также проводились узкоспектральные фотометрические измерения в
z
6
МЕХТИЕВ и др.
Значения Ki
у
Часы Дни
1 2 3
9:00 0.10 0.12 0.12
10:00 0.12 0.11 0.14
11:00 0.15 0.12 0.16
12:00 0.14 0.11 0.17
13:00 0.90 то же 0.12
14:00 0.15 0.14 0.15
15:00 0.16 0.15 0.13
диапазоне длин волн 500—560 нм, соответствующем зеленому цветовому участку солнечного спектра. Измерения проводились с помощью лабораторного макета спектра солнечного фотометра, также разработанного в НИИ Аэрокосмической информатики.
Обработка и анализ результатов проведенных измерений осуществлялись в следующем порядке:
1) вычислялись коэффициенты отношения измеренных величин
й1г — —
Ки = ; I = 1.7; у = 1.3,
4 I
где I/ — сигнал на выходе фотометра; 1р — сигнал на выходе пиранометра; а — масштабный коэффициент. Вычисляемые значения К,у приведены в таблице;
2) строились графики изменения измеренных значений скорости ветра во времени (рис. 4).
v, м ■ с 8
9 10 11 12 13 14 15
ч
Рис. 4. Кривые зависимости V = ДО, снятые в течение трех дней. Нумерация на кривых соответствует порядковому номеру дня проведенных измерений.
Как видно из графиков, приведенн
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.