УСЛОВИЯ ПОДГОТОВКИ И ПРОВЕДЕНИЯ АБСОЛЮТНЫХ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМЛИ © 2014 г. А. С. Панфилов*, В. Р. Гаврилов, В. И. Саприцкий
Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений, Москва
*E-mail: panfilov-m4@mail.ru Поступила в редакцию 19.04.2013 г.
Рассмотрен комплекс мероприятий, необходимых для выполнения качественных радиометрических измерений с помощью космической оптико-электронной аппаратуры наблюдения Земли (АНЗ), в том числе гиперспектрометрической. Он определяется обеспечением единства измерений, законодательно принятым в России. Помимо реализации организационных мер необходимо решение вопросов взаимосвязи радиометрических данных и получаемых с их помощью геофизических параметров, а также методических вопросов радиометрической калибровки АНЗ и полетного контроля радиометрических характеристик АНЗ. Изложенные подходы в значительной мере близки положениям международного документа "Quality Assurance Framework for Earth Observation" — QA4EO ("Стратегия обеспечения качества данных наблюдения Земли").
Ключевые слова: радиометрические измерения, средство измерений, аппаратура наблюдения Земли, эффективная энергетическая яркость, спектральная плотность энергетической яркости, точность
DOI: 10.7868/S0205961414010060
ВВЕДЕНИЕ
Рассматривается пассивная аппаратура наблюдения Земли (АНЗ), которая, как правило, строит изображения наблюдаемых объектов, осуществляет зондирование атмосферы, и на которую приходится основная часть космической аппаратуры наблюдения (Earth Observation Handbook..., 2012). Современная оптико-электронная АНЗ, в том числе гиперспектрометрическая, может быть средством измерения радиометрических и геометрических характеристик объекта наблюдения. Применительно к рассматриваемой задаче радиометрических измерений согласно (Панфилов и др., 2012), непосредственно измеряемой величиной является эффективная энергетическая яркость (ЭЭЯ)
4фф = \b(X)S(X)dX,
0
где L(k) — спектральная плотность энергетической яркости (СПЭЯ) наблюдаемого объекта; S(X) — относительная спектральная чувствительность АНЗ — для многозональной АНЗ и СПЭЯ — для гиперспектральной АНЗ. В некоторых случаях ЭЭЯ и СПЭЯ достаточны для характеризации
объекта наблюдения, но в основном они являются исходными данными для косвенных измерений многих геофизических параметров, которые определяются в результате тематической обработки. Таким образом, АНЗ как средства измерений — это сканирующие радиометры или спек-трорадиометры, что нашло отражение в названиях известных зарубежных бортовых приборов, например, AVHRR — Advanced Very High Resolution Radiometer, MODIS — Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer. Для перехода от измеряемых величин к другим геофизическим параметрам необходима разработка аттестованных методик измерений.
Проведение радиометрических измерений с помощью АНЗ наиболее актуально в таких направлениях применения, как:
— получение метеоинформации, предсказания погоды и предупреждение об опасных метеорологических явлениях;
— улучшение знаний о климате планеты;
— контроль состояния окружающей среды (включая с.-х. объекты).
Такие измерения, согласно статье 1 Федерального закона (ФЗ) "Об обеспечении единства измерений" от 26.07.2008 № 102, входят в сферу го-
Требуемые точности
№ Параметр Требуемая точность параметра Требуемая радиометрическая точность, %
1 Нормированный дифференциальный 1 <0.5
вегетационный индекс (NDVI), %
2 Альбедо поверхности 0.01 5
3 Оптическая толщина облачности, % 10 5
4 Оптическая толщина аэрозоля 0.01 3
5 Общее содержание озона, % 3 1
сударственного регулирования обеспечения единства измерений при осуществлении деятельности в области гидрометеорологии, картографии и геодезии, охраны окружающей среды, обороны и безопасности государства.
В этом случае обязательно выполнение условий обеспечения абсолютных радиометрических измерений с помощью оптико-электронной АНЗ, сформулированных в данной статье. При решении этих задач на всех этапах создания и использования АНЗ (постановки задачи, подготовки технических заданий (ТЗ), наземной отработки, летных испытаний и штатной эксплуатации аппаратуры) возникают определенные трудности. Конечной целью их преодоления является получение достоверных совместимых радиометрических данных российской АНЗ. При этом возможно достижение совместимых данных на международном уровне, учитывая идентичность основных положений документа РЛ4БО и обеспечения единства измерений в России.
УСЛОВИЯ ПОДГОТОВКИ И ПРОВЕДЕНИЯ АБСОЛЮТНЫХ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ АНЗ И ИХ ВЫПОЛНЕНИЕ В РОССИИ
Условие 1
При постановке задачи определения параметров наблюдаемых объектов с помощью радиометрических измерений необходимо внесение в тактико-техническое задание на систему наблюдения Земли требований потенциальных потребителей ее данных к точности определения этих параметров. К ним относятся, например, температура и отражательные характеристики объектов, различные вегетационные индексы, состав гидрологических объектов, многочисленные характеристики атмосферы и т.д. В ТЗ на аппаратуру в составе системы должны входить необходимые для обеспечения наблюдений требования к точности радиометрических измерений. Те и другие требования должны быть увязаны в вышеупомянутых аттестованных методиках измерений тематических параметров.
Примеры связанных требований к точности геофизических параметров и радиометрической точности АНЗ представлены в таблице. Значения для NDVI получены, исходя из требуемой неопределенности согласно требованиям
Всемирной метеорологической организации (ВМО) (ОВСЛЯ/Яедшгеше^..., 2012), и зависимости от неопределенности отражательной способности (иотр) наблюдаемого объекта, измеренной с помощью АНЗ (Панфилов и др., 2008)
2л[а
"NDVI ч2"отр>
(«бик + ак)
где абик и ак — соответственно отражательная способность наблюдаемого объекта в красной и ближней ИК-областях спектра. Требования к геофизическим параметрам 2—5, приведенным в таблице, и экспертные оценки соответствующих требований к точности радиометрических измерений заимствованы из (Ohring et al., 2004). В этой работе ведущие американские специалисты Национального управления по атмосфере и океану (NOAA), Национального института стандартов и технологий (NIST), Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и ряда американских университетов провели на основе большого объема материалов анализ требований к важнейшим климатическим переменным (ECV) и используемым для их получения спутниковым приборам.
Широко применяются косвенные измерения температуры наблюдаемых объектов с помощью многозональных ИК-радиометров. При этом используется переход от градуировочной характеристики N = /(Хэфф), измеряемой в процессе радиометрической калибровки, к градуировочной характеристике N=ДТэкв), где N — сигнал на выходе радиометра, а Тэкв — эквивалентная температура, т.е. температура абсолютно черного тела ТАЧТ, имеющего ту же ЭЭЯ, что и модель черного тела (МЧТ), используемая в качестве эталонного излучателя при калибровке.
СПЭЯ МЧТ L(X, ТМЧТ, ех, Хф, определяется ее температурой ТМЧТ, спектральной излучатель-
ной способностью ех и СПЭЯ фона Дф, Переход осуществляется по соотношению
да да
|х(^,7Мчт, е X = |х(Х,Тачт)£(ХМ X.
0 0
В современных криовакуумных установках для калибровки ИК-радиометров влияние фона исключается, и при использовании полостных МЧТ с ех ~ 1 справедливо равенство ТАЧТ = ТМЧТ. При калибровке аппаратуры с крупногабаритной оптикой, когда используется МЧТ с протяженной излучающей поверхностью, у которой ех < 0.99, необходимо знать спектральное распределение излучательной способности. При проводимых калибровках отечественной ИК-аппаратуры в лабораторных условиях с использованием протяженной МЧТ без достоверных данных по ех и отсутствием измеренных характеристик S(k) имеются проблемы с оценкой неопределенности калибровочных данных (Гектин и др., 2008). На преодоление этих трудностей направлены работы Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) и Центрального научно-исследовательского института машиностроения (ЦНИИмаш) по созданию криовакуум-ной установки для калибровки ИК-АНЗ (Са-прицкий и др., 2011; Панфилов и др., 2012). В этой установке предусматриваются измерения относительной спектральной чувствительности АНЗ и СПЭЯ широкоапертурной МЧТ (ШМЧТ), от которой будет передаваться размер единицы СПЭЯ в тепловом ИК-диапазоне на АНЗ. В этом случае возможен корректный переход к эквивалентной температуре и используемой на практике яркостной температуре ТЯ, т.е. температуре АЧТ, которое имеет СПЭЯ ДАЧТ(Хэфф) на эффективной длине волны Хэфф, равную СПЭЯ широкоапертурной МЧТ (ШМЧТ) ДШМЧТ(^Эфф) =
/•да / /»да
= I Щ,ТШМЧТ)Б(№X/ I При этом отно-
сительная неопределенность СПЭЯ й(ЬАЧТ(к эфф)) и абсолютная неопределенность яркостной температуры и(ТЯ) связаны соотношением
йС^<АЧТ(Х эфф)) =
= (ехр(е2/ X эфф^Дехр^/X эффТяП -1) х
х сг/хэффпТя ■ й(Тя),
где с2 — вторая радиационная постоянная, а п — показатель преломления воздуха. Его можно использовать для получения требуемых значений неопределенности измерения СПЭЯ при заданной неопределенности измерения температуры. Например, при решении задач мониторинга глобальных изменений климата заданы значения (0.1—1) К (ОИпп§ й а1., 2004). Используя это соот-
ношение и принимая ^эфф = 10 мкм и ТЯ = 300 К, получаем требуемые значения относительной неопределенности измерения СПЭЯ (0.16—1.6)%. Также можно получить, что в случае протяженной МЧТ неопределенности спектральной излуча-тельной способности 0.01 при тех же значениях ^эфф и ТЯ соответствует неопределенность яркостной температуры ~0.63 К.
Недостаточное внимание к радиометрической точности АНЗ демонстрирует тот факт, что в программном документе "Концепция развития российской космической системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025 года" нет требований к этому параметру, как и в докладах, посвященных созданию перспективных систем и аппа
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.