Алгоритмы и программные средства атмосферной коррекции спутниковых ИК-измерений на основе RTM-метода

Актуальность темы

Температурное зондирование поверхности Земли позволяет получать важную информацию о происходящих физических, химических и биологических процессах. К этим задачам можно добавить весьма актуальную проблему оперативного обнаружения и мониторинга чрезвычайных ситуаций, таких как пожары, вулканы, землетрясения и т. д. Необходимость проведения мониторинга на большой территории склоняет к использованию спутниковых измерений в качестве источника данных. При этом для большинства прикладных задач точность восстановления температуры поверхности должна быть порядка 1 — 2 К.

В настоящее время при решении задач дистанционного зондирования поверхности Земли широко используются данные спутниковых систем глобального мониторинга земной поверхности EOS MODIS (Earth Observing System, MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) и NOAA POES (National Oceanic and Atmospheric Administration, Polar Operational Environmental Satellite).

При восстановлении температуры земной поверхности (ТЗП) по данным этих систем используется простой и эффективный двухспектральный метод {split-window method, SW-метод). Однако применимость данного метода ограничена возможностью его использования только в «стандартных» ситуациях в условиях слабо замутненной атмосферы. В своих недавних работах автор этого метода Zhengming Wan для EOS MODIS (MOD11) говорит о том, что дальнейшее развитие SW-метода должно в первую очередь быть направлено на учет влияния аэрозоля и перистой облачности.

В задаче обнаружения высокотемпературных объектов общепринятый подход ограничивается использованием совокупности пороговых тестов, включающих измерения в каналах спектральных областей 3.5−4 и 10.5−12.5 мкм. Учет оптико-метеорологического состояния атмосферы в момент спутниковых наблюдений не осуществляется. Для системы EOS MODIS программный продукт, реализующий этот подход, известен как MOD 14.

Начиная с 70-х годов прошлого столетия известен другой, более корректный (но и значительно более трудоемкий) подход к восстановлению температуры подстилающей поверхности на основе физических моделей переноса теплового излучения. Данный метод в зарубежной печати получил название RTM-метода {Radiative Transfer Model), где в явном виде учитываются искажающее влияние атмосферы на результаты температурного мониторинга земной поверхности с привлечением априорной оптико-метеорологической информаций (данные спутниковых измерений, прогностические данные, данные радиозондов, данные сети AERONET).

В Институте оптики атмосферы им. В. Е. Зуева этот подход используется уже более 25 лет. Основное теоретическое развитие он получил в работах С. В. Афонина и В. В. Белова, где были исследованы методические вопросы успешного применения моделей переноса ИК-излучения в задачах температурного мониторинга земной поверхности. Из результатов этих исследований следует, что практическая реализация указанного подхода позволит обеспечить более надежное и универсальное решение проблемы коррекции ИК-измерений в более широком диапазоне оптико-метеорологических условий спутниковых наблюдений по сравнению со стандартными методами.

При этом ключевыми условиями эффективной реализации являются:

• радиационная модель, точность которой удовлетворяет задачам атмосферной коррекции ИК-измерений;

• требуемый объем оперативной априорной информации о состоянии атмосферы в момент спутниковых измерений;

• «быстрое» программное обеспечение для тематической обработки спутниковой информации.

Цель работы

Целью работы является развитие алгоритмов и программных средств оперативной атмосферной коррекции спутниковых ИК-измерений температуры земной поверхности на основе RTM-метода по данным систем EOS MODIS и NOAA POES.

Достижение данной цели потребовало решения следующих основных задач:

1. Анализ существующих методов и программных средств тематической обработки спутниковых данных и восстановления ТЗП по спутниковым данным.

2. Разработка архитектуры программного комплекса оперативного восстановления ТЗП по данным спутниковых систем EOS MODIS и NOAA POES с помощью RTM-метода.

3. Реализация и тестирование программного обеспечения для восстановления по спутниковым данным оперативной априорной информацией требуемого качества.

4. Разработка алгоритмов восстановления ТЗП по данным спутниковых систем EOS MODIS и NOAA POES с помощью RTM-метода в спектральных диапазонах 3.5−4 и 10.5−12.5 мкм.

5. Реализация программного комплекса и его валидация, сравнение с существующими программными средствами аналогичного назначения.

Теоретические и методологические основы

Теоретическим и методологическим материалом для данной работы послужили труды отечественных и зарубежных ученых, освещающих основные направления развития методов дистанционного зондирования атмосферы и поверхности Земли.

Научная новизна

1. Разработан новый алгоритм, расширяющий область решения задачи атмосферной коррекции спутниковых ИК изображений за счет применения математической модели переноса теплового излучения и спутниковых геопространственных данных о параметрах атмосферы.

2. Предложены алгоритмы обработки мультиспектральных спутниковых измерений и взаимодействия между приложениями программного комплекса, существенно увеличивающие скорость его работы.

3. Разработана объектно-ориентированная архитектура программного комплекса, которая в отличие от существующих позволяет применить единый подход к решению обратных задач пассивного дистанционного зондирования земной поверхности для разных спутниковых систем.

4. Впервые, решена задача оперативной атмосферной коррекции спутниковых инфракрасных изображений земной поверхности RTM-методом в диапазонах длин волн 3.5—4 и 10.5—12.5 мкм с использованием информации о состоянии атмосферы, полученной по измерениям в каналах ее зондирования.

5. Доказано, что учет аэрозольной компоненты атмосферы и полупрозрачной облачности при атмосферной коррекции ИК изображений может приводить к повышению эффективности раннего обнаружения малоразмерных тепловых аномалий на земной поверхности в 2 раза, по сравнению с традиционным подходом.

Достоверность

Достоверность результатов обеспечена использованием современных теоретических положений, методов и программных средств для решения основных задач, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов и имеющимися в литературе оценками погрешностей методов дистанционного зондирования.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования разработанного программного обеспечения для оперативного мониторинга состояния атмосферы и подстилающей поверхности Земли и обнаружения очагов горения. Помимо этого, открытая архитектура данного программного обеспечения и использование в явном виде физических моделей позволяет его дальнейшее улучшение и адаптацию для решения широкого спектра тематических задач дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности.

Результаты диссертационной работы использовались при выполнении следующих НИР:

1. «Разработка программно-математического обеспечения для проведения атмосферной коррекции аэрокосмических изображений заданных районов земной поверхности» (2005 г., НПО ИТ, ЗАО «Геокосмос», Москва).

2. «Разработка алгоритмов обработки многоканальных спутниковых изображений системы земная поверхность-атмосфера для решения задач обнаружения и контроля опасных или потенциально опасных событий и явлений» (этап 2006 г., Томский госуниверситет, Госконтракт 02.438.11.7008).

3. «Участие в работах по развитию системы дистанционного мониторинга лесных пожаров и очагов массового размножения вредных насекомых и болезней леса» (2006;2007 гг., «Рослесхоз», ЦЭПЛ РАН, Госконтракт № МГ-02.06/23К-02).

Разработанный программный комплекс внедрен и используется в ЦЭПЛ РАН, о чем получен акт внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанный программный комплекс, благодаря применению математической, модели переноса теплового излучения и спутниковых геопространственных данных о параметрах атмосферы, позволяет расширить область решения задачи атмосферной коррекции спутниковых ИК изображений по сравнению со стандартными подходами.

2. Архитектура программного комплекса и алгоритмы обработки, оптимизирующие потоки спутниковых данных, обеспечивают повышение скорости восстановления спутниковых оптико-метеорологических данных об атмосфере в 5 раз по сравнению с исходным программным обеспечением «1МАРР Level 2».

3. Применение атмосферной коррекции и оперативной спутниковой информации об атмосфере в задаче обнаружения высокотемпературных источников из космоса повышает количество их обнаружений в 2 раза по сравнению с алгоритмом «MOD 14».

Личный вклад автора

Автором самостоятельно проведен анализ существующих методов и программных средств для обработки данных спутниковых систем EOS MODIS и NOAA POES, разработана архитектура и осуществлена реализация программного комплекса (ПК), выполнены требуемые расчеты для валидации ПК. Автор самостоятельно проводил тематическую обработку спутниковых измерений, получал данные для апробации RTM-метода и принимал активное участие в анализе полученных результатов.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на тринадцати конференциях и симпозиумах: XI International Symposium «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics» (Томск, 2004) — IV Международный Симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2004) — Четвертая Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2006) — Х1П International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics» (Томск, 2006) — Международный Симпозиум стран СНГ по атмосферной радиации «МСАР-2006» (Санкт-Петербург, 2006) — Пятый Международный Симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2006) — XIV-th International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric physics» (Бурятия, 2007) — Седьмое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2007) — Пятая Юбилейная Открытая Всероссийская конференция «Дистанционное зондирование Земли из космоса» (Москва, 2007) — Международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: Enviromis-2008 (Томск, 2008) — Шестой Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2008), Шестая Всероссийская Открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2008, пленарный доклад) — Четвертая Всероссийская конференция молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в Ш тысячелетии» (Томск, 2009).

По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 18 научных работ, в т. ч. 5 статей в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на 138 страницах, включая 7 таблиц и 39 рисунков.

Список литературы

содержит 106 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решены актуальные задачи по разработке алгоритмов и программных средств атмосферной коррекции спутниковых ИК-измерений на основе RTM-метода.

Проведен анализ существующих методов восстановления температуры земной поверхности. В результате этого анализа сформулирована цель работы: реализация и апробация алгоритмов и программных средств восстановления температуры земной поверхности на основе RTM-метода по данным спутниковых систем EOS MODIS и NOAA POES и основные задачи для ее достижения.

Для оценки влияния атмосферных характеристик на измерения яркостных температур в каналах прибора диапазонов 3.5—4 мкм и 10−13 мкм проведены модельные расчеты, результаты которых позволяют сформулировать требования к объему и качеству априорной информации для RTM-метода.

В работе рассмотрены современные методы и программные средства получения априорной информации по данным спутниковых измерений (облачная маска, аэрозольная оптическая толща, общее влагосодержание, атмосферные профили температуры и влажности, характеристики облачности) и исследована их точность. В результате анализа показано соответствие программных средств получения характеристик атмосферы требованиям RTM-метода.

В результате анализа существующих программных средств обработки данных спутниковых систем EOS MODIS и NOAA POES принято решение о возможности использования программных продуктов IMAPP, ААРР и LAPP в качестве основы при создании программных средств получения априорной информации для RTM-метода по спутниковым данным.

Разработана архитектура программного комплекса для восстановления температуры земной поверхности по данным систем EOS MODIS и NOAA POES с помощью RTM-метода. Программный комплекс для каждой из систем состоит из блоков первичной обработки, априорной информации и атмосферной коррекции. В состав каждого из блоков в свою очередь входят несколько модулей, решающих отдельные задачи.

Блок первичной обработки данных MODIS реализован на основе пакета программ IMAPPW. Блок подготовки априорной информации по данным MODIS реализован на основе пакета IMAPP Level 2, при этом достигнуто 5-кратное увеличение скорости работы по сравнению с начальным вариантом.

Для тестирования блока получения априорной информации разработаны программные средства, с помощью которых проведена валидация. В качестве тестовых данных использовались данные PGE LAADS Web за август 2003 года и июль 2006 года. Результаты валидации позволяют сделать вывод, что различия лежат в пределах методической погрешности методов восстановления и удовлетворяют требованиям к качеству априорной информации для RTM-метода.

Блок первичной обработки данных NOAA реализован на основе пакета программ ААРР. Для реализации блока подготовки априорной информации использован пакет LAPP для восстановления атмосферных профилей температуры и влажности, общего влагосодержания, характеристик облачности. Помимо этого, разработаны и реализованы алгоритмы получения облачной маски и восстановления аэрозольной оптической толщи по данным NOAA.

Валидация модуля получения атмосферных профилей температуры и влажности, общего влагосодержания, характеристик облачности проведена на основе сравнения с тестовыми данными полученными Space Science and Engineering Center (SSEC) University of Wisconsin-Madison.

Для валидации алгоритмов получения облачной маски и восстановления аэрозольной оптической толщи разработано и реализовано программное обеспечение, позволяющее решить проблему сопоставления спутниковых данных разных систем. При этом в качестве тестовых данных для валидации использовались данные MODIS PGE LAADS Web.

Результаты тестирования блока получения априорной информации для системы NOAA также позволяют сделать вывод, что различия лежат в пределах методической погрешности методов восстановления и полученные данные удовлетворяют требованиям к качеству априорной информации для RTM-метода.

Для обеих спутниковых систем, разработан максимально простой и удобный графический интерфейс, позволяющий неподготовленному пользователю работать с программным комплексом.

Разработаны и реализованы программные средства восстановления температуры поверхности с помощью спектрального метода по данным спутниковых систем MODIS и NOAA. Для их валидации использовались тестовые данные PGE LPDACC. По результатам сравнения можно сделать вывод, что разница лежит в пределах методической погрешности метода.

В результате апробации RTM-метода показана возможность восстановления температуры поверхности в условиях замутненной атмосферы при наличии аэрозоля и полупрозрачной области, что является преимуществом по сравнению со спектральным методом.

Применение полученного программного комплекса при решении задачи детектирования высокотемпературных источников позволило повысить эффективность ее решения в 2 раза по сравнению с алгоритмом MOD 14.

Реализован графический интерфейс для задач обработки данных спутниковых систем EOS MODIS и NOAA POES, содержащий средства автоматического поиска входной информации и контроля процесса выполнения, позволяющие пользователю эффективно работать с программным комплексом в оперативном режиме.

Разработанное программное обеспечение может быть использовано для оперативного мониторинга состояния атмосферы и поверхности Земли и обнаружения очагов горения. Помимо этого, открытая архитектура данного программного обеспечения и использование в явном виде физических моделей позволяет его дальнейшее улучшение и адаптацию для решения широкого спектра тематических задач дистанционного зондирования атмосферы и земной поверхности.