научная статья по теме ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРОЗОЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ И ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ПУТЕМ СОВМЕСТНОЙ ОБРАБОТКИ РАЗЛИЧНОЙ СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРОЗОЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ И ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ПУТЕМ СОВМЕСТНОЙ ОБРАБОТКИ РАЗЛИЧНОЙ СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 2, с. 215-223

УДК 551.521;535.31

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРОЗОЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ И ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ПУТЕМ СОВМЕСТНОЙ ОБРАБОТКИ РАЗЛИЧНОЙ СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

© 2014 г. А. П. Иванов, И. Л. Кацев, А. С. Прихач, Э. П. Зеге

Институт физики им. Б.К. Степанова НАНБелоруссии 220072 Минск, просп. Независимости, 68 E-mail: ivanovap@dragon.bas-net.by Поступила в редакцию 19.11.2012 г., после доработки 11.02.2013 г.

Описаны разработанные методы и алгоритмы оперативного восстановления оптических характеристик аэрозольной атмосферы и подстилающей поверхности по данным многоспектрального спутникового прибора (МСП). Предложена и описана процедура совместной обработки данных МСП и спутниковых многозональных съемочных систем (МСС) с целью восстановления альбедо поверхности Земли с высоким пространственным разрешением. В этом случае по данным МСП в видимом диапазоне 400—700 нм восстанавливаются спектральные оптические характеристики аэрозольной атмосферы. По этим результатам рассчитываются передаточные функции атмосферы в спектральных каналах МСС высокого пространственного разрешения и проводится атмосферная коррекция данных МСС. Выполнена оценка точности определения альбедо подстилающей поверхности в спектральных каналах МСС высокого пространственного разрешения.

Ключевые слова: космические исследования, аэрозоль, спектральное альбедо, моделирование, атмосфера, земля, мониторинг.

DOI: 10.7868/S0002351514010076

ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

При оптическом спектральном зондировании природной среды сигнал, регистрируемый спутниковым прибором, состоит из света, отраженного атмосферой и подстилающей поверхностью Земли. Первый несет информацию о составе атмосферы, а второй — о свойствах земной поверхности. Если эти сигналы не отделять друг от друга, то возникает сложность интерпретации регистрируемого сигнала. При изучении атмосферы свет от поверхности является помехой, и наоборот, при анализе поверхности атмосферная "дымка" увеличивает погрешности обработки информации. Над решением этих проблем работают во многих исследовательских центрах России, США (NASA), Европы (ESA), Японии и других стран.

Необходимость обеспечения приемлемой величины отношения сигнал/шум в измерительных космических приборах заставляет идти на компромисс при выборе пространственного разрешения и ширины спектрального канала прибора. Поэтому многозональные съемочные системы (МСС) высокого пространственного разрешения (~ 10—15 м) имеют сравнительно широкие спектральные каналы (порядка 70—100 нм) (аппарат

ASTER на американской платформе TERRA, белорусский космический аппарат БКА, российский аппарат Канопус-В и др.), в то время как многоспектральные приборы (МСП), формирующие изображения с большим числом узких (~10 нм) спектральных каналов (MODIS, MERIS и т.д.), имеют сравнительно грубое пространственное разрешение (~300—1000 м). Большое число узких спектральных каналов в многоспектральных приборах обеспечивает возможность проведения атмосферной коррекции, но со сравнительно грубым пространственным разрешением. В данной работе дано описание совместной обработки данных МСП и МСС с целью восстановления оптических характеристик аэрозольной атмосферы и поверхности Земли с высоким пространственным разрешением.

МОДЕЛЬ АТМОСФЕРЫ И ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

Для решения поставленной задачи необходимо создать, в первую очередь, оптическую модель атмосферы и земной поверхности и разработать для такой системы метод расчета спектрального

(а)

0.15 г

Э 0.10

ю л

0.05

0.40 0.45

0.50 0.55 0.60 Длина волны, мкм

(б)

0

0.40 0.45

0.50 0.55 0.60 Длина волны, мкм

Рис. 1. Спектры альбедо суши (а) и воды (б): 1 — почва (а), прибрежная вода (б), 2 — растительность (а), чистая океанская вода (б).

коэффициента яркости (СКЯ) на верхней границе атмосферы RTOA (TOA — Top of Atmosphere):

rtoa(k ц, цо, ф) =

nIt (А, ц , ц0 , ф) цо^о(а)

(1)

где Е0(А) — освещенность нормально ориентированной площадки, создаваемая солнцем на верхней границе атмосферы, /-^(А, ц, ц0, ф) — яркость излучения, измеряемая на верхней границе атмосферы, ц и ц0 — косинусы углов падения солнечного излучения и наблюдения, ф — разность азимутальных углов наблюдения и падения излучения.

В данной работе модель атмосферы включает высотную стратификацию микроструктуры и концентрации аэрозоля, высотные профили концентрации основных атмосферных газов, а также профили температуры и давления. Оптические свойства атмосферы, а именно, показатели ослабления и поглощения, а также элементы матрицы Мюллера, необходимые для учета поляризации, рассчитываются с учетом вкладов всех этих компонент. Вся система представляется состоящей из подстилающей поверхности, нижнего слоя "1" атмосферы, который считается однородным, и верхнего неоднородного слоя "2" атмосферы.

Спектральные модели поверхностей берутся из кода БЛЕЯ, описанного в [1]. Спектральный коэффициент отражения (альбедо) суши г,. (А) представляется в виде линейной комбинации двух базовых функций, описывающих соответ-

ственно спектры альбедо растительности rveg (А) и почвы rsoil (А):

rs(A) = Crveg(A) + ( 1 - c)rsoil(A) .

(2)

Для спектра водной поверхности в качестве базовых функций берутся спектры чистой океанской воды гс1еаг(А) и прибрежных вод гсоайа1(А):

0.65 0.70

r* (А) = Crcle ar (А) + (1 - c)

rcoastal(A).

(3)

0.65 0.70

В выражениях (2) и (3) параметр c — доля поверхности в пикселе, занимаемая растительностью или чистой водой. Таким образом, спектральное альбедо подстилающей поверхности характеризуется одним неизвестным параметром с, который должен быть определен в итерационном процессе. Указанные базовые функции для суши и воды представлены на рис. 1.

Нижний слой "1" атмосферы — это слой тропосферы до некоторой высоты H (порядка 2—3 км). Эта высота принимается одной и той же для всех пикселей обрабатываемого изображения. Считается, что в слое происходит аэрозольное рассеяние и поглощение, молекулярное рассеяние, газовое поглощение. В рассматриваемых ниже алгоритмах используется модель аэрозоля типа Continental [2]. Количество аэрозоля в слое может заметно варьировать во времени и в пространстве. Поэтому его аэрозольная оптическая толщина (АОТ) изменяется от пикселя к пикселю. Верхний слой "2" (выше высоты Н) включает стратосферу, а также верхнюю и среднюю тропосферу. Он характеризуется вертикальной стратификацией концентраций аэрозолей и газов, профилей давления и температуры, и рассматривается состоящим из большого числа подслоев. Параметры верхних подслоев атмосферы достаточно стабильны по пространству и потому считаются одинаковыми для всех пикселей обрабатываемого изображения. Поэтому радиационные характеристики верхней атмосферы рассчитываются лишь один раз для всего обрабатываемого изображения. Это резко сокращает объем вычислительных процедур и позволяет использовать наиболее точные методы расчета.

РАСЧЕТ СКЯ, РЕГИСТРИРУЕМОГО

МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫМ ПРИБОРОМ НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ

Распространение излучения в однородном нижнем слое "1" рассчитывается с использованием численного метода удвоения [3] или приближенного полуаналитического решения [4] теории переноса. Для расчета сигнала от слоя "2" применяется разработанный ранее авторами быстрый и достаточно точный код RAY [5, 6]. При этом возможно использование различных моделей моле-кулярно-газовой и аэрозольной атмосферы. В

н

В

90

80

70

60

50

m 40 П С

30

20

10 -

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Длина волны, мкм

Рис. 2. Спектральная плотность энергетической яркости (СПЭЯ) на верхней границе атмосферы при зенитном угле солнца 40° и наблюдении по вертикали, рассчитанная с помощью кода RAY для детальной модели атмосферы, состоящей из 52 подслоев (значки), и упрощенной в виде 4-х подслоев (сплошная кривая) для случая, когда подстилающей поверхностью является растительность (см. рис. 1). Спектральное разрешение 1 нм.

частности, может быть использована как детально структурированная по высоте модель атмосферы, включающая до 52 слоев, так и упрощенная стандартная модель атмосферы Всемирной метеорологической организации [2], состоящая из четырех слоев. Для учета поглощения в узких полосах поглощения атмосферных газов используется так называемый метод ^-distribution [7], в котором для заданного спектрального интервала предварительно рассчитывается база данных некоторых средних пропусканий, которые затем используются в расчетах переноса излучения с учетом многократного рассеяния. Результирующий сигнал на спутнике находится путем учета многократных переотражений света между указанными слоями атмосферы и подстилающей поверхности, спектральные модели которой включают разные типы подстилающей поверхности (почва, различного рода растительность, вода и т.д.).

Рисунок 2 иллюстрирует возможности использования таких моделей. На нем приведены результаты расчетов с помощью кода RAY для детальной модели (верхний слой в виде 52-х подслоев) и упрощенной (в виде 4-х подслоев). Из рисунка видно, что результаты расчетов по обеим моделям близки, но время расчета по упрощен-

ной модели почти в 500 раз меньше. Такое ускорение расчетов принципиально важно при обработке многопиксельных спутниковых изображений.

ПОДГОТОВКА ВХОДНЫХ МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫХ ДАННЫХ И ДИСКРИМИНАЦИЯ ОБЛАЧНЫХ ПИКСЕЛЕЙ

В алгоритмах восстановления АОТ, описанных в [4, 8], используются данные спутникового инструмента МЕЯК в 9 спектральных каналах на длинах волн 412.5, 442.5, 490, 510, 560, 620, 665, 865 и 885 нм. При этом процедура подготовки входных данных сводится к следующему.

1. Определение коэффициентов яркости Ятл (к) на верхней границе атмосферы в указанных спектральных каналах для всех пикселей.

2. Дискриминация (отбраковка) облачных пикселей по критерию ИТ0Л(к = 560 нм) > 0.4 или Ятол(412 нм)/^7Ш(443 нм) < 1.16.

3. Разделение пикселей по типу "суша" или "вода" по коэффициенту яркости на длине волны к = 885 нм. Если ВтТ0Л(к = 885 нм) > 0.1 — суша, если ЯТ0Л(к = 0.885 нм) < 0.1 — вода [1]. Поскольку

пиксель суши может содержать небольшие участки (субпиксели) воды, то д

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