Главная » ДЗ атмосферы » методы обработки данных ДЗ земли » Алгоритмы, программное обеспечение и результаты обработки спутниковых данных

Алгоритмы, программное обеспечение и результаты обработки спутниковых данных

 1. Алгоритмы, программное обеспечение и результаты обработки данных спутниковых наблюдений

Спутниковые системы наблюдения в задачах мониторинга загрязнения атмосферы применяются для регулярного получения данных о пространственно-временных распределениях атмосферных примесей на больших территориях. При этом, результаты спутниковых наблюдений по газовым компонентам атмосферы доступны в виде пространственных распределений отдельных примесей и, таким образом, обработка входной информации, в основном, заключается в формировании, статистической обработке и выводе массивов данных. Информация об аэрозольной компоненте атмосферы предоставляется как результаты оптических измерений. Поэтому для восстановления параметров аэрозольной компоненты атмосферы по данным спутниковых оптических датчиков в Институте физики НАН Беларуси разработаны соответствующие методы, алгоритмы и программное обеспечение.

  

1.1 Алгоритм определения аэрозольной оптической толщины атмосферы и альбедо земной поверхности по спутниковым измерения

В Институте физики НАН Беларуси разработаны алгоритмы определения аэрозольной оптической толщины атмосферы (АОТ) и альбедо земной поверхности по многоспектральным спутниковым измерениям среднего пространственного разрешения (порядка 0.5 – 1 км) (спутниковые инструменты типа MERIS, Sentinel-3, VIIRS и др.).  В настоящее время разрабатывается алгоритм и ПО для восстановления аналогичных параметров атмосферы и поверхности по данным многозональных спутниковых систем (МСС) высокого пространственного разрешения (3 – 10м) типа БКА и Канопус-В с использованием априорной и текущей, в том числе радиометрической и лидарной, наземной информации об оптических свойствах атмосферы [1]. Необходимость привлечения дополнительной априорной и текущей информации при обработке данных МСС обусловлена малым числом спектральных каналов и сравнительно большой их шириной (порядка 40 – 100 нм), что затрудняет получение информации об аэрозольной атмосфере и, соответственно, выполнение атмосферной коррекции.

 Определение АОТ атмосферы включает следующие основные этапы:
  • подготовка входных данных; 
  • формирование моделей атмосферы и спектров подстилающей поверхности;
  • дискриминация облачных пикселей;
  • итерационный процесс восстановления АОТ методом наименьших квадратов;
  • восстановление спектрального альбедо поверхности.
 
На рисунке 1 показан пример восстановления алгоритмом ART [2] аэрозольной оптической толщины атмосферы на длине волны 412.5 нм и параметра Ангстрема, характеризующего спектральный ход показателя ослабления атмосферного аэрозоля, по многоспектральным данным MERIS (используются 9 спектральных каналов) для района Германии 13 октября 2005 года.
  
 
 
Рисунок 1 – Восстановление алгоритмом ART [2] аэрозольной оптической толщины атмосферы на длине волны 412.5 нм и параметра Ангстрема   по данным MERIS для района Германии 13 октября 2005 года.
  
 
Таблица 1 — Сравнение средних значений АОТ на длине волны λ=550 нм, восстановленных алгоритмом ART [2], с результатами других известных алгоритмов 
 
Алгоритм
Средняя AOT
Стандартное отклонение
Платформа
MERIS
ART
0.14
0.04
ENVISAT
MERIS
ESA
0.13
0.05
ENVISAT
MERIS
BAER
0.18
0.03
ENVISAT
MISR
JPL
0.14
0.03
TERRA
MODIS
NASA
0.14
0.04
TERRA
AATSR
AATSR-2
0.23
0.05
ENVISAT
AATSR
AATSR-1
0.26
0.1
ENVISAT
SCIAMACHY
ASP
0.17
0.2
ENVISAT
 
 
 
 
Рисунок 5 — Спутниковые снимки, сделанные с платформы ENVISAT в условиях чистой атмосферы (слева) и при загрязнении атмосферы дымом лесных пожаров (справа), и соответствующие им распределения аэрозольной оптической толщины атмосферы на длине волны 412.5 нм, восстановленные по данным спутникового инструмента MERIS (внизу)
 
 

1.2 Представление результатов обработки данных спутниковых наблюдений

Разработанное и разрабатываемое в настоящее время программное обеспечение восстановления оптических параметров атмосферы по многоспектральным и многозональным спутниковым данным предназначено для мониторинга пространственно-временных распределений характеристик аэрозольного загрязнения атмосферы и альбедо земной поверхности. Оно обеспечивает решение следующих функциональных задач:
создание оптической модели земной поверхности и атмосферы для проведения атмосферной коррекции спутниковых данных с учетом данных сопутствующих измерений (наземных и дистанционных);
восстановление оптических характеристик аэрозольной атмосферы и спектрального альбедо поверхности Земли. 

Входными данными ПО являются многоспектральные (многозональные) спутниковые изображения, прошедшие радиометрическую коррекцию и геометрическую коррекцию по орбитальным данным.

Выходными данными ПО являются файлы, содержащие данные о пространственном распределении восстановленных параметров аэрозольной атмосферы (аэрозольная оптическая толщина и показатель Ангстрема), а также карты восстановленных значений альбедо поверхности Земли в спектральных каналах спутникового радиометра.

В зависимости от числа обрабатываемых спектральных каналов и размеров синтезированных изображений объекта съемки общий объем входных данных может составлять сотни мегабайт. Для обработки и хранения больших массивов данных предназначен Hierarchical Data Format (HDF, Иерархический формат данных), широко применяемый в настоящее время для работы с данными космических инструментов. Файлы, записанные в этом формате платформо- и аппаратно независимы, для удобной визуализации данных в формате HDF существует ряд общедоступных, в том числе бесплатно распространяемых, программ; чтение и сохранение данных в формате HDF поддерживают пакеты инженерных и научных вычислений (Matlab).

Входными и выходными данными программы являются файлы в формате HDF5 (файлы с расширением .h5), содержащие данные спутникового инструмента и условий съемки. Программное обеспечение восстановления оптических параметров атмосферы по многоспектральным спутниковым данным для чтения спутниковых данных использует процедуры библиотеки HDF5 версии 1.6.5, разработанной Board of Trustees of the University of Illinois© для работы с файлами в формате NСSA HDF5 (National Center for Supercomputing Applications Hierarchical Data Format 5).