Results of reconstruction of the ground surface reflection coefficients from the data of measurements with “Sangur” and “GSA” devices placed on board the “Resurs-P” and with “MSU-100” device placed onboard the “Meteor-M” satellite are considered with allowance for signal distortion by the atmosphere.
Введение. В настоящий момент на орбите Земли функционирует ряд отечественных
спутников дистанционного зондирования земной поверхности. Это Ресурс-П, Метеор-М,
Канопус-В и Электро-Л. В своем составе эти спутники имеют разнообразную аппаратуру [
Одной из величин, характеризующей состояние и тип земной поверхности, является
коэффициент отражения земной поверхности. Значение коэффициента отражения можно
восстановить из спутниковых измерений путем решения обратной задачи. При этом во
многих ситуациях решению обратной задачи должна предшествовать атмосферная коррекция –
устранение из измерений искажающего влияния атмосферы. Решение этой задачи в
комплексе состоит в построении модели атмосферы, решении уравнения переноса излучения
относительно интенсивности излучения, формирующего принимаемый сигнал, и решении обратной
задачи. По этому принципу построены активно развивающиеся и постоянно обновляющиеся
алгоритмы атмосферной коррекции для спутниковых приборов MODIS [
В настоящий момент для отечественных спутниковых приборов нет стандартных продуктов, содержащих восстановленные коэффициенты отражения земной поверхности после атмосферной коррекции. В рамках настоящей статьи будут кратко рассмотрены результаты нашей работы по созданию алгоритмов и программ атмосферной коррекции данных отечественных спутниковых приборов Геотон-Л1 и ГСА спутника Ресурс-П и МСУ-10 спутника Метеор-М.
Исходные данные алгоритма. В качестве исходных данных использовались
откалиброванные интенсивности излучения, регистрируемого от наблюдаемых пикселей,
координаты пикселей, а также информация о взаимном расположении Солнца, приемника и
наблюдаемого участка. Эти данные для приборов спутников Ресурс-П, Канопус-В и Метеор-М можно
заказать через геопортал Роскосмоса [
, мкм (a) Рис. 1. Аппаратные функции каналов прибора Геотон-Л1 (a) и МСУ-100 (б).
Таблица 1. Значения центра 0, и ширин ∆̃ спектральных диапазонов каналов прибора ГСА.
№ ка- 0, , нм ∆̃ , нм № ка- 0, , нм ∆̃ , нм № ка- 0, , нм ∆̃ , нм
нала нала нала
7 431,63 3,94 46 575,82 4,09 88 771,61 5,79
8 435,62 4,09 47 579,91 4,19 89 777,45 5,99
9 439,75 4,23 48 584,1 4,31 90 783,49 6,19
Помимо этого, при формировании модели атмосферы, используемой в алгоритме
восстановления, использовались спутниковые данные MODIS об аэрозольной оптической
толщине атмосферы (АОТ) τA на длинах волн λ=0.47, 0.55 и 0.66 мкм, профили температур T и
давления P, значение общего содержания водяного пара WH20 и общего содержания озона
WO3 для участков и времени измерения, максимально близкими к рассматриваемым. При
задании профилей молекулярного поглощения использовались также сечения поглощения O2,
O3 и H2O для широкого набора температур и давлений [
4) Исходя из величины 3 и профиля счетной концентрации молекул озона из моделей LOWTRAN-7, создается профиль счетной концентрации молекул озона: , ( , ) = ∑ =1 ̃ , ( , ) ∆ , , , ) ∆ , где , ( , ), , ( , ), ( , ,
) – значение коэффициентов аэрозольного ослабления и рассеяния и индикатрисы аэрозольного рассеяния в i-м канале прибора в l-м слое атмосферы; – k-й угол рассеяния; ̃ , ( , ), ̃ ,
( , ), ̃ ( , , ) – значения аэрозольных параметров из модели LOWTRAN-7; ∆ – шаг по длине волны, с которым заданы аппаратные функции; – значение аппаратной функции в i-м канале на j-й длине волны.
3) Исходя из профилей T и P и аппаратной функции канала, определяется профиль коэффициента молекулярного рассеяния: приближенно оценивается как: где (0.55) –АОТ при λ=0.55 мкм.
( ) = (0.55)(0.55) , 2) Среди моделей LOWTRAN-7 подбирается модель наиболее близкая по (0.55). Исходя из этой модели, находятся профили индикатрис аэрозольного рассеяния и коэффициентов аэрозольного ослабления и рассеяния: , ( , ) = ∑ =1 ̃ ,
( , ) ∆ , ̃ , ( , ) = , 0( )
(0) (0) , 3, = ̃ 3, ̃ 3 3 = 3∙ , 3 , (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) где 3, – счетная концентрация O3 в l-м слое атмосферы; ̃ 3, – счетная концентрация O3 в l-м слое атмосферы для модели LOWTRAN-7; ̃ 3 - интегральное по слою атмосферы количество молекул для модели LOWTRAN-7; – число Авогадро, – молярный объем.
5) Создается профиль счетной концентрации молекул кислорода: где , – давление и температура в l-м слое; 2, – объемная концентрация O2; 0 и 0 – температура и давление при нормальных условиях.
6) По спутниковым измерениям 2 создается профиль счетной концентрации водяного пара: 2, = 2, 0 ,
0 2 , = { ̃ 2 , ∙ ̃ 2 , , > 15 км
̃ 2 2 − ̃ 2 ,2 , ≤ 15 км
, 2 = 2
2 , ( 3, + 2 , ∑ =11 3( , )
∑ =1
∆ ∑ =31 2 ( , )
∑ =1 ∆
∆ ) , , ( , ) = ∆ + 2, ∑ =21 2( , )
∑ =1 ∆ ∆ +
, = =
⁄ 0 1+ 1 ⁄ 0
, − , ∑ =1 ∆ где , – солнечная постоянная i-го канала прибора; – количество длин волн, для которых аппаратная функция i-го канала не равна 0; ̃ – солнечная постоянная на длине волны ; ∆ шаг по длине волны в данных о солнечной постоянной.
Что касается алгоритма атмосферной коррекции, то снимки приборов Геотон, Сангур и
МСУ-100 содержат на порядок больше пикселей, чем снимки MODIS. Поэтому выполнить
расчет, с помощью алгоритма из [
, – коэффициент отражения n-го наблюдаемого пикселя; 0 – освещенность земной поверхности без учета вклада отраженного излучения; 1 – сферическое альбедо атмосферы; , – интенсивность суммарного принимаемого излучения; , – интенсивность излучения, не взаимодействовавшего с земной поверхностью; – прямой коэффициент пропускания от наблюдаемого пикселя до приемной системы; , – интенсивность рассеянного излучения от поверхности при ее единичной светимости.
Величины 0, 1, , ,
, определяются разработанными программами метода Монте-Карло для сферической системы атмосфера-земная поверхность. Основные принципы метода Монте-Карло изложены в таких работах как [14].
Пример апробации алгоритма. В качестве примера рассмотрим результаты восстановления коэффициентов отражения земной поверхности для прибора МСУ-100. Для оценки возможностей разработанного комплекса программ рассматривалось 10 снимков, содержащих три тестовых участка, покрытых хвойными лесами: 1) Иркутская область 52.520с.ш., 105.060в.д., даты измерений 07.05.2017, 12.06.2017, 22.06.2017 г. (рисунок 3а); 2) Московская 13.06.2017, 27.08.2017 г. (рисунок 3в). На рисунке 4 приведен пример полученного распределения коэффициента отражения по земной поверхности.
Для оценки погрешности восстановления коэффициентов отражения на рассматриваемых участках были выбраны 3 тестовые точки (по одной на каждом участке) в центре областей, покрытых хвойными лесами: 1) точка на территории Томского государственного природного заказника 56.20 с.ш., 84.30 в.д., 2) точка в Национальном парке «Лосиный остров» 58.850 с.ш., 37.830 в.д., 3) точка в государственном природном заказнике «Красный Яр» 52.520 с.ш. 105.060 в.д. Погрешность оценивалась как отличие от эталонных наземных измерений. В качестве эталона были взяты измерения из [15]. Значения коэффициентов отражения земной поверхности, с которыми выполнялось сравнение, приведены в таблице 2.
(а) (б) (в) Рис. 3. Расположения тестовых участков для снимков прибора МСУ-100 спутника Метеор-М.
(а) – Иркутская область, (б) – Московская область, (в) – Томская область. Рис. 4. Восстановленные по данным первого канала МСУ-100 коэффициенты отражения земной поверхности для участка Иркутской области дата измерений 07.05.2017 г. В таблице 3 приведены оценки средних по рассматриваемым снимкам погрешностей восстановления коэффициентов отражения для снимков МСУ-100.
Анализ результатов показывает, что полученные коэффициенты отражения МСУ-100 правдоподобны и могут использоваться для широкого круга задач, где полученная погрешность допустима. Что касается снимков приборов ГСА и Геотон-Л, выполненные оценки также показывают их пригодность для решения широкого круга задач.