Многофакторный физический подход к атмосферной коррекции спутниковых инфракрасных изображений земной поверхности Афонин, Сергей Васильевич

Введение к работе

Актуальность. Необходимость активного и широкомасштабного привлечения спутниковых систем для изучения состояния и динамики окружающей среды не вызывает сомнений. Важную информацию дают результаты дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса в инфракрасном диапазоне спектра. Данные температурного мониторинга отражают состояние поверхности океана и суши, характеризуют течение гидрологических и биосферных процессов в окружающей среде, используются для исследования климата и его глобальных изменений, для прогноза погоды, в гидрологии, агрометеорологии, геологии. Данные инфракрасного зондирования земной поверхности являются индикатором чрезвычайных ситуаций (землетрясения, вулканы, пожары) и критических экологических состояний окружающей среды, важных для жизни на Земле. В отечественной литературе физические основы и методы применения спутников для дистанционного зондирования окружающей среды из космоса изложены в известных монографиях и статьях К.Я. Кондратьева, М.С. Малкевича, Ю.М. Тимофеева, В.В. Козодерова, О.И. Смоктия, Т.А. Сушкевич, А.Б. Успенского, А.И. Чавро и многих других ученых.

Однако наблюдение поверхности из космоса производится через атмосферу, которая искажает результаты спутниковых измерений. Поэтому необходимым условием достижения максимальной точности решения целого ряда тематических задач, включая восстановление температуры поверхности, детектирование очагов горения, идентификацию типов поверхности, является атмосферная коррекция (АК) изображений земной поверхности, полученных из космоса в спектральных диапазонах 3-5 и 8-13 мкм.

Восстановление температуры земной поверхности. Для атмосферной коррекции спутниковых измерений температуры подстилающей поверхности (ТПП), как правило, применяется приближенный подход, который основан на использовании линейных и нелинейных регрессионных соотношений, связывающих температуру поверхности и радиационные (яркостные) температуры, измеряемые со спутника в ИК-каналах с разной степенью поглощения излучения. Обычно используемые каналы имеют центры в двух частях "расщепленного окна" 10.5-12.5 мкм вблизи Х=11 и 12 мкм. Вместо спектральных могут производиться угловые измерения в канале Х=11 мкм. Впервые спектральный регрессионный SW-алгоритм (от слов Split-Window) в его "классической" форме был получен в начале 70-х годов прошлого столетия [1,2]. В его основе был использован ряд упрощений, включая учет поглощения излучения только водяным паром, линеаризацию функции пропускания атмосферы и уравнения переноса излучения (УПИ). Первоначально алгоритм был разработан для измерений из космоса температуры поверхности океана (ТПО). К числу основополагающих зарубежных работ можно отнести статьи L. McMillin, D. Crosby, P.

Deschamps, G. Maul, E. McClain, W. Pichel, C. Walton и других. В нашей стране активным развитием этого направления занимались М.С. Малкевич, А.Б. Успенский, Ю.М. Тимофеев, В.Я. Галин, А.И. Чавро, А.Б. Карасев, ОБ. Федичев, ВВ. Бадаев, В.И. Соловьев, В.М. Сутовский, Л.И. Копрова, А.К. Городецкий и другие ученые. Восстановление температуры поверхности суши (ТПС) из космоса, безусловно, является более сложной проблемой по сравнению со случаем спутниковых измерений ТПО. Это связано с пространственно- временной вариабельностью физических и оптических свойств земной поверхности и атмосферы, наличием заметных вертикальных градиентов температуры воздуха в приповерхностном слое. В 90-е годы прошлого столетия появилось большое количество публикаций, посвященных развитию спутниковых методов восстановления ТПС из космоса. Наиболее часто цитируемыми в литературе по этой тематике являются работы J. Price, F. Becker, Z.-L. Li, C. Ottle, J. Sobrino, C. Coll, Z. Wan. В отечественной литературе - это труды А.Б. Успенского, Ю.М. Тимофеева и других ученых. С практической точки зрения регрессионные алгоритмы являются эффективным средством проведения глобального ДЗЗ с ограниченным объемом входной информации. Однако имеющиеся в литературе данные о результатах их валидации противоречивы. Например, для штатного алгоритма MODIS LST Products [3] оценки точности восстановления температуры суши варьируется в пределах от 1 K до 2-3 K. Альтернативное применение физического метода [4] для одновременного восстановления в условиях безоблачной атмосферы ТПС и значений спектральной излучательной способности в семи ИК-каналах MODIS связано с рядом упрощений и ограничений, а также приводит к ухудшению номинального пространственного разрешения этих данных в 5 раз по сравнению с разрешением радиометрических измерений.

Мониторинг очагов горения. Говоря о мониторинге из космоса чрезвычайных ситуаций, необходимо отметить лесные пожары как один из мощных природных факторов, влияющих на глобальные изменения окружающей среды, происходящие на планете. По имеющимся данным ежегодно в различных регионах мира сгорает от 5 до 500 млн. гектаров лесов. По опыту работы служб пожароохраны лесов, для наиболее успешного тушения лесного пожара необходимо оперативно обнаруживать пожары площадью не более 5 га, а площадь свыше 25 га считается критической, и пожары в этом случае выходят зачастую из- под контроля. В работах J. Dozier, Y. Kaufman, O. Arino, L. Giglio [5,6,7] и многих других ученых изложены основы детектирования пожаров из космоса с использованием систем глобального и регионального мониторинга NOAA/AVHRR и EOS/MODIS. Соответствующие алгоритмы созданы для ESA (European Space Agency), IGBP (International Geosphere and Biosphere Project), CCRS (Canada Centre for Remote Sensing), системы EOS (Earth Observation System, NASA) и т.д. В России активно эксплуатируется информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства РФ (ИСДМ-Рослесхоз). Регулярно проводится мониторинг пожарной опасности Федеральным государственным бюджетным учреждением «Национальный центр управления в кризисных ситуациях» (ФГБУ НЦУКС) МЧС России. В настоящее время в Министерстве природных ресурсов и экологии РФ ввелен в эксплуатацию сайт мониторинга пожарной опасности. Функционируют региональные центры мониторинга лесных пожаров из космоса в Москве, Новосибирске, Барнауле, Красноярске, Иркутске, Якутске, Томске. Работа центров основана на методиках и алгоритмах, авторами которых являются Е.А. Лупян, С.А. Барталев, А.А. Мазуров, Г.Н. Коровин, Д.В. Ершов, В.Н. Антонов, А.И. Сухинин, А.А. Лагутин, В.В. Кошелев, С.А. Тащилин, Н.А. Абушенко, В.С. Соловьев, сотрудники ИОА СО РАН и другие ученые. Несмотря на существование различных по сложности реализаций спутниковых алгоритмов обнаружения очагов пожаров, используемые в их основе решающие правила не учитывают в явном виде реальное оптико-метеорологическое состояние атмосферы на момент проведения мониторинга очагов горения из космоса.

Исходя из теоретических предпосылок, достижение максимальной точности атмосферной коррекции ИК-изображений земной поверхности, полученных из космоса в спектральных диапазонах 3-5 и 8-13 мкм для условий прозрачной или замутненной атмосферы, должен обеспечивать многофакторный физический подход (МФП). К числу ключевых факторов, необходимых для его реализации, относятся:

учет поглощения и рассеяния излучения атмосферными компонентами (газами, аэрозолем и облачностью);

учет процессов, вызванных атмосферным рассеянием излучения, включая эффект бокового подсвета в случае пространственно-неоднородной поверхности и солнечные блики в спектральной области 3.5-4 мкм.

Важным условием реализации МФП является применение оперативных данных, описывающих с требуемой точностью и пространственно-временными характеристиками реальное оптико-метеорологическое состояние атмосферы в момент проведения ДЗЗ в произвольной точке спутникового изображения земной поверхности.

Ниже представлено краткое описание состояния этих вопросов на момент выполнения диссертационной работы.

Учет молекулярного поглощения. Важным вопросом учета молекулярного поглощения в рамках физического подхода является выбор спектроскопических данных и модели молекулярного континуума. Несколько десятилетий идет дискуссия о природе молекулярного континуума в "окнах атмосферной прозрачности" 3-5 и 8-13 мкм. Однако, исходя из полуэмпирического характера разработанных моделей континуума, вопрос о выборе соответствующей гипотезы и формул для расчета коэффициентов континуального поглощения носит для задачи атмосферной коррекции скорее академический, чем практический характер. Несмотря на имеющиеся в литературе оценки влияния различных моделей молекулярного континуума на точность радиационных расчетов, этих данных недостаточно для ответа на вопрос о применимости тех или иных моделей для проведения с заданной точностью атмосферной коррекции реальных спутниковых ИК-измерений.

Учет аэрозольного ослабления и рассеяния. Для решения ряда прикладных задач, оперативный мониторинг земной поверхности из космоса должен проводился как в условиях прозрачной, так и замутненной атмосферы. То есть необходим учет искажающего влияния аэрозоля и облачности на спутниковые измерения. Однако этот вопрос рассматривался лишь в единичных работах (например, [8,9,10]), где были получены лишь оценки влияния этого искажающего фактора на точность спутниковых измерений ТПО. По данным наших расчетов, погрешность регрессионного алгоритма восстановления температуры земной поверхности для условий замутненной атмосферы (особенно в случае стратосферных слоев аэрозоля или перистой облачности) может достигать 10-20 K. Тем не менее, в штатных алгоритмах восстановления ТПП учет искажающего влияния этого атмосферного фактора в явном виде до сих пор не производится.

Процесс бокового подсвета. При атмосферной коррекции спутниковых изображений, полученных в спектральной области 0.4-2.1 мкм для условий замутненной атмосферы, принято учитывать процесс бокового подсвета (adjacency effect), вызванного рассеянием атмосферой потока солнечного изучения, отраженного от участков поверхности вне поля зрения прибора ДЗЗ. Важность этого демонстрируют данные работы Кауфмана [11], где водоем размером 110 на 110 м, окруженный соевым полем, на снимке со спутника Landsat интерпретируется как поле пшеницы, окруженное песчаной поверхностью. Подробное исследование этого процесса дано, например, в монографии [12]. Однако в доступных соискателю научных публикациях не было описания закономерностей процесса бокового подсвета в спектральных диапазонах 3.5-4 и 8-13 мкм и данных о значимости этого процесса для решения задачи АК при учете рассеянного атмосферой теплового излучения температурно-неоднородных участков поверхности, лежащих вне поля зрения прибора ДЗЗ.

Солнечные блики. Серьезной проблемой, влияющей на эффективность детектирования очагов горения из космоса, является появление на спутниковых ИК-изображениях земной поверхности "ложных" тревог в спектральном диапазоне 3.5-4 мкм. Причина этого - солнечные блики от водоемов и оптически ярких облаков. В рамках этой проблемы возникает важный вопрос об условиях возникновения ложных тревог от оптически тонких краев облаков. Актуальность эффективного решения задачи фильтрации бликов наглядно отражена в работах [13,14].3десь в результате анализа активности пожаров в весенний период 1998-2001 гг. в Сахеле (Африка), проведенного по данным спутниковой системы TRMM/VISR, был получен аномальный пик пожарной активности, противоречивший данным наземных наблюдений. Причиной этой аномалии оказались солнечные блики на поверхности водоемов и краях облаков, которые не были идентифицированы при детектировании пожаров. Для целей фильтрации ложных тревог при обработке спутниковых данных используются простые пороговые тесты с использованием геометрии наблюдений и спутниковых измерений в различных спектральных каналах. При этом авторы [7] признают, что подобные тесты не гарантируют высокую эффективность их работы, особенно в случае бликов на краях облаков, а также на границе суши и водной поверхности. В доступных соискателю литературных источниках отсутствовали результаты изучения причин и условий возникновения атмосферных бликов на аэрозольных слоях и оптически тонких облачных образованиях.

Оперативные данные о метеопараметрах атмосферы. В обзорной работе [15] её авторы (Kerr, Guillou, Lagouarde, Nerry, Ottle; 1998) провели для спутниковой системы NOAA POES анализ различных методов восстановления ТПП и сформулировали основные проблемы применения на практике физического подхода для атмосферной коррекции спутниковых ИК- изображений. Среди этих проблем упоминалось отсутствие оперативных данных о метеопараметрах атмосферы с необходимыми точностными, пространственными и временными характеристиками. По мнению авторов работы, наряду с данными радиозондирования или метеопрогноза, метеоданные, восстановленные по спутниковым измерениям, также непригодны для использования в рамках физического подхода. Причина этого - низкая точность значений температуры и влажности, восстанавливаемых в приземном слое атмосферы, который вносит максимальный вклад в искажения теплового излучения поверхности. В настоящее время эти выводы являются дискуссионными. Начиная с 2000 года, в рамках программы EOS на спутниках Terra и Aqua используется 36-канальный радиометр MODIS, позволяющий одновременно с проведением ДЗЗ осуществлять зондирование атмосферы с точностными и пространственными характеристиками, улучшенными по сравнению со спутниковой системой NOAA POES. Но в известных соискателю литературных источниках отсутствует обоснование и точностные оценки применения данных спутниковых зондировщиков атмосферы для целей оперативной атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений земной поверхности.

Оперативные данные об аэрозоле и облачности. Для получения оперативных данных о параметрах аэрозоля или облачности, необходимых для реализации МФП, на данный момент следует выделить два основных источника этой информации. Первый - это результаты фотометрических измерений на станциях AERONET. Недостатками первого источника являются редкая пространственная сеть станций, отсутствие измерений в ночное время суток и отсутствие оперативного доступа к данным необходимого уровня точности. Второй источник - это результаты восстановления параметров аэрозоля и облачности из космоса по спутниковым измерениям в спектральном диапазоне 0.4-2.1 мкм. Положительными моментами использования спутниковых алгоритмов является синхронность измерений параметров аэрозоля и облачности вместе с проведением ДЗЗ, а также пространственное разрешение восстановленных данных, сопоставимое с разрешением ИК-измерений. Проблемами спутниковых алгоритмов являются то, что они не применимы при низкой угловой высоте Солнца (вечернее и ночное время), кроме того, их точность заметно снижается при мониторинге над яркой поверхностью (снег, песок), нет вертикальной стратификации восстановленных данных. Это требует расширения возможностей измерения параметров аэрозоля и облачности из космоса за счет мониторинга оптического состояния атмосферы в ИК-диапазоне спектра. Однако можно сослаться лишь на единичные работы, где с помощью спутниковых ИК-измерений осуществляется детектирование пылевых бурь и аэрозоля вулканического происхождения, а также восстановление оптической толщины аэрозольных выносов из Сахары над поверхностью океана (например, [16,17,18]). Исходя из вышесказанного, сформулируем цель и основные задачи исследований.

Цель работы - обоснование, программная реализация и апробация на практике многофакторного физического подхода (МФП) к атмосферной коррекции спутниковых ИК- изображений земной поверхности, полученных в спектральных диапазонах 3.5-4 и 8-13 мкм. Основой многофакторного физического подхода являются:

а) решение уравнения переноса излучения;

б) учет поглощения и многократного рассеяния излучения атмосферными газами, аэрозолем и полупрозрачной облачностью, включая процесс бокового подсвета и эффект образования атмосферных бликов в спектральной области 3.5-4 мкм;

в) спутниковые данные о параметрах состояния атмосферы в момент проведения ДЗЗ. Следует подчеркнуть, что большой объем вычислений и быстродействие расчетов при реализации МФП не является в настоящее время достаточно сложной проблемой в связи с активным развитием вычислительной техники, современных технологий параллельного программирования [19,20], других приемов эффективного решения подобного рода задач.

Для достижения сформулированной цели были решены следующие задачи: 1) изучение вопросов, связанных с учетом поглощения излучения атмосферных газов при атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений земной поверхности, валидация моделей молекулярного поглощения на основе данных натурных экспериментов;

изучение вопросов, связанных с учетом поглощения и рассеяния теплового излучения аэрозолем и перистой облачностью;

исследование закономерностей процесса бокового подсвета в ИК-области спектра, определение оптико-геометрических условий, когда его учет необходим при атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений земной поверхности;

программная реализация на основе данных системы EOS/MODIS многофакторного физического подхода к атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений, его комплексная валидация и оценка возможностей восстановления температуры земной поверхности с погрешностью менее 1-1.5 K в условиях прозрачной и замутненной атмосферы;

разработка технологии проведения регионального мониторинга окружающей среды на основе спутниковой системы NOAA POES и оценка эффективности обнаружения лесных пожаров с помощью стандартных алгоритмов (в рамках которых нет учета влияния атмосферы) на примере Томской области; оценка эффективности применения МФП к решению задачи мониторинга очагов горения в сравнении со стандартными алгоритмами;

изучение физических причин и оптико-геометрических условий возникновения атмосферных солнечных бликов от аэрозоля и облачных слоев малой оптической плотности.

Научная новизна работы. При разработке МФП впервые:

определены требования к вертикальному разрешению и точности задания профилей температуры и влажности атмосферы, а также условия компенсации их ошибок, которые обеспечивают учет молекулярного поглощения с точностью порядка 0.5 K при атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений земной поверхности;

определены оптико-геометрические ситуации и требования к точности задания характеристик аэрозольных или облачных слоев, при которых обеспечивается учет искажающего влияния слоев с точностью порядка 0.5-1 K при атмосферной коррекции ИК- изображений;

исследованы закономерности проявления в спектральных диапазонах 3.5-4 и 8-13 мкм процесса бокового подсвета; определены оптико-геометрические условия, когда его учет необходим при атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений температурно- неоднородной земной поверхности;

доказано, что данные о параметрах оптико-метеорологического состояния атмосферы, полученные по измерениям прибора MODIS, позволяют восстанавливать температуру земной поверхности с погрешностью менее 1-1.5 K; предложен способ автоматической компенсации ошибок задания метеоданных при атмосферной коррекции спутниковых ИК- изображений;

предложен и апробирован новый подход к оценке оптического состояния атмосферы, характеристик аэрозоля и перистой облачности, который основан на спектральных различиях значений температуры земной поверхности, восстановленных после учета молекулярного поглощения в ИК-каналах MODIS, используемых для ДЗЗ;

получен значимый положительный эффект от применения многофакторного физического подхода к задачам температурного зондирования земной поверхности, включая восстановление температуры земной поверхности и характеристик излучения очагов горения, детектирования очагов горения из космоса;

определены значения оптической толщи аэрозольных или облачных слоев, размеры облачных частиц и геометрические условия спутниковых наблюдений, при которых возникают атмосферные блики за счет рассеяния солнечного излучения на аэрозольных и облачных образованиях.

Достоверность диссертационной работы обеспечивается тем, что в их основе лежит фундаментальное уравнение переноса излучения (УПИ). Для учета многократного рассеяния при решении УПИ в работе использованы известные и апробированные на практике алгоритмы метода дискретных ординат и метода Монте-Карло. Расчет коэффициентов молекулярного поглощения основан на полинейном LBL-методе (line-by-line), либо произведен с использованием приближенных методов, апробированных на практике и не уступающих по точности полинейным методам при решении задачи атмосферной коррекции ИК-изображений. Задание метеопараметров атмосферы при численном моделировании осуществлялось на основе известных среднеклиматических или региональных моделей атмосферы, данных радиозондирования. Использовались модели атмосферного аэрозоля и облачности, широко применяемые при решении задач переноса излучения через атмосферу. Достоверность результатов апробации МФП к решению задачи восстановления температуры земной поверхности из космоса подтверждена их сравнением с данными тестовых наземных измерений температуры почвы при различных метеоусловиях.

Научная и практическая значимость. Доказано, что многофакторный физический подход к атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений земной поверхности позволяет на основе спутниковых данных о параметрах состояния атмосферы в момент ДЗЗ учитывать, наряду с молекулярным поглощением восходящего теплового излучения, также поглощение и многократное рассеяние излучения аэрозолем и полупрозрачной облачностью, процессы бокового подсвета и возникновения атмосферных бликов в спектральном диапазоне 3.5-4 мкм. Применение многофакторного физического подхода на практике обеспечивает по сравнению с конкурирующими алгоритмами повышение точности либо расширение области решения тематических задач ИК-мониторинга земной поверхности.

Диссертационная работа выполнялась в период 1986-2010 гг. в рамках плана научно- исследовательских работ Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, включая базовые бюджетные проекты:

«Распространение, формирование лазерных пучков и прием оптических изображений в атмосфере, как стратифицированной, рассеивающей и турбулентной среде при управлении параметрами излучения и приемных устройств. Атмосферная коррекция искажений и решение обратных задач оптики атмосферы с учетом многократного рассеяния излучения» (№ госрегистрации 01.20.03 0278, 2004-2006 гг.);

«Формирование лазерных пучков и оптических изображений в атмосфере при адаптивном управлении. Атмосферная коррекция изображений и обратные задачи оптики атмосферы» (№ госрегистрации № 01201052478, 2010-2012 гг.). Результаты диссертации были использованы при выполнении:

1. грантов РФФИ - 01-05-65494, 04-07-90018, 08-01-99019;

2. госконтрактов - 37.011.11.0009 (2002-2004 гг.), 02.438.11.7008 (2006 г.), МГ-02.06/23К (2006-2007 гг.), 02.740.11.0674 (2010 г.), 14.740.11.0204 (2010 г.);

3. программы СО РАН - «Информационно-телекоммуникационные ресурсы СО РАН» (2005-2006 гг.), программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16. Часть 3 «Солнечная активность и физические процессы в системе "Солнце-Земля"» (2006 г.);

4. интеграционных проектов СО РАН - № 75 (2009-2010 гг.), № 9 (2009-2010 гг.).

5. международных грантов - «Characterizing Fire in the Boreal Zone for Better Quantifying Carbon Fluxes» (King's College London, 2002-2004 гг.), «Development of an Integrated System of Ground-, Air- and Space-based Observations of Biomass Burning in Northern Eurasia» (NASA, Maryland University, 2004-2005 гг.).

Результаты работы внедрены и используются (о чём свидетельствуют соответствующие

документы):

1. в Администрации Томской области, Авиационной базе охраны лесов и Департаменте природных ресурсов Томской области;

2. в Центре экологии и продуктивности лесов РАН (ЦЭПЛ, г. Москва);

3. в Государственном научно-исследовательском институте проблем технической защиты информации Федеральной службы по техническому и экспортному контролю России (ГНИИ ПТЗИ ФСТЭК, Воронеж).

На защиту выносятся следующие положения:

1) При атмосферной коррекции спутниковых радиометрических измерений, полученных в диапазонах 3.5-4 и 8-13 мкм для спектральных каналов с эффективной шириной AX > X/50, достаточным при учете молекулярного поглощения с погрешностью менее 1 K является выполнение следующих условий:

а) использование модели континуума, основанной на теории крыльев спектральных линий водяного пара, и модели селективного поглощения атмосферных газов, полученной на основе баз данных параметров спектральных линий (HITRAN и т.п.);

б) применение реальных данных о температуре и влажности воздуха в слое атмосферы до высот порядка 5-7 км с вертикальным разрешением не хуже 1.5-2 км;

в) при влагосодержании атмосферы W>2 г/см² допустимы ошибки задания 5T~1 K для температуры воздуха и 5W~10% для его влажности, если 5T и 5W независимы; при более высоком уровне ошибок должно выполняться соотношение их взаимной компенсации вида 5T[K]~0.b5W[%].

2) В условиях замутненной атмосферы искажающее влияние рассеяния и поглощения теплового излучения земной поверхности слоями аэрозоля или перистой облачности достигает значимого уровня 0.5 K для оптической толщины t₀.₅₅>0.25-1.9 (приземный слой аэрозоля) и т₀.₅₅>0.02-0.25 (высота слоев H,_cf>10 км) в зависимости от спектрального канала. Допустимые ошибки задания T₀₅₅ и H_scf составляют порядка 20-30% и 1-2 км, соответственно. Другим фактором, искажающим результаты ДЗЗ, является процесс бокового подсвета, который становится значимым для атмосферной коррекции ИК-изображений поверхности и превышает уровень 0.5 K, при выполнении следующих условий:

а) в случае аэрозоля приземного слоя атмосферы метеорологическая дальность видимости S_M<7-15 км, температурный перепад AT_S>5-10 K на границе поля зрения прибора ДЗЗ;

б) для поствулканического стратосферного аэрозоля (только в канале Х=3.75 мкм) оптическая толщина рассеяния T_scf>0.05 и AT_S>5 K; для перистой облачности T_scf>0.05-0.15 и ATs>5-10 K.

3. 1. Многофакторный физический подход, реализованный на основе спутниковых данных MODIS о параметрах состояния атмосферы в момент проведения ДЗЗ, обеспечивает погрешность менее 1-1.5 K при атмосферной коррекции ИК-изображений поверхности, полученных для значений оптической толщины атмосферы t<3 .

   2. При решении задачи детектирования малоразмерных очагов горения, когда разница измеряемых радиационных температур AT в каналах Х=3.96 мкм и Х=11 мкм менее 15 K, применение многофакторного физического подхода увеличивает частоту обнаружения очагов горения от 1.5 до 9 раз по сравнению с алгоритмами, где атмосферная коррекция в явном виде отсутствует.

   3. В диапазоне 3.5-4 мкм для условий замутненной атмосферы при относительных азимутах ф<50 с уменьшением угловой высоты Солнца H_s и с ростом зенитного угла трассы 0v>40 наблюдается увеличение интенсивности рассеянного атмосферой солнечного излучения с максимумом для значений H_S~10-15, что является причиной появления атмосферных бликов на спутниковых изображениях. Наряду с этим солнечные блики возникают на краях облачности с относительно малой оптической плотностью (x_cd<3), что вызвано суперпозицией трех компонентов: рассеянного солнечного излучения на частицах с эффективным радиусом r_ef<10 мкм, прошедшего через края облака излучения подстилающей поверхности и отраженного от поверхности потока падающего солнечного излучения.

   Апробация результатов. Более 150 докладов (из них 16 пленарных и приглашенных) докладывались на 80 российских и зарубежных конференциях, симпозиумах, рабочих группах:

   10-й Пленум рабочей группы по оптике океана Комиссии по проблемам Мирового океана АН СССР (Томск, 1988); Всесоюзная конференция "Использование спутниковой информации в исследовании океана и атмосферы" (Звенигород, 1989); 5-е совещание по атмосферной оптике (Томск, 1991); 11-й Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1991); 12-й Межреспубликанский симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1993); Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994-1996); Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1999,2000); Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Томск, 2001 - 2009); Рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2002,2003,2005,2009,2010); Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2004,2006,2008,2010); Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2007, 2009); Международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды "ENVIROMIS" (Томск, 2000, 2004, 2008); Международный Симпозиум стран СНГ по Атмосферной Радиации "МСАР" (С- Петербург, 2002,2004,2006); Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2003-2008,2010); Всероссийская научная конференция "Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами" (Муром, 2001; Санкт-Петербург, 2004); 3-я Всероссийская конференция "Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве" (Москва, 2002); Всесоюзная конференция "Дистанционное зондирование поверхности земли и атмосферы" (Иркутск, 2003); Международная конференция «Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения» (Архангельск, 2002); XI Международная конференция "Средообразующая роль бореальных лесов: локальный, региональный и глобальный уровни (IFBRA)" (Красноярск, 2002); Всероссийская конференция "Проблемы физики космических лучей и солнечно-земных связей" (Якутск, 2002); X Российская конференция с участием иностранных ученых "Распределенные информационно-вычислительные ресурсы" (Новосибирск, 2005); Всероссийская научно-практическая конференция "Информационные технологии и математическое моделирование" (Анжеро-Судженск, 2002); Международная конференция "Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании" (Усть- Каменогорск, 2003); XI Международная конференция «Распределенные информационно- вычислительные ресурсы» (DICR-2006) (Павлодар, Казахстан, 2006); «Международная конференция «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (CIT-2006) (Павлодар, Казахстан, 2006); III-я Научно-практической конференции "Обратные задачи и информационные технологии рационального

   природопользования" (Ханты-Мансийск, 2006); Конференция «Современные информационные технологии для научных исследований» (Магадан, 2008); Всероссийский семинар «Современные информационные технологии для фундаментальных исследований РАН в области наук о Земле» (Владивосток, 2010); II-я Международная конференция «Геоинформатика: технологии, научные проекты» (Барнаул, 2010); Международная конференция "Пожары в лесу и на объектах лесохимического комплекса: возникновение, тушение и экологические последствия" (Красноярск, 1999); Международная конференция "Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия" (Иркутск, 2001; Красноярск, 2003); Международная конференция «Сопряженные задачи механики и экологии» (Томск, 2000,2002,2004,2007,2009); Научно- практическая конференция "Совершенствование защиты населения от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера" (Новосибирск, 1999); Международная научно-практическая конференция «Геоинформатика-2000» (Томск, 2000); Международная конференция «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и катастроф» (Томск, 2008,2010); Всероссийская конференция «Пожары в лесных экосистемах Сибири» (Красноярск, 2008); 4-ый Сибирский форум недропользователей и предприятий ТЭК «Нефть. Газ. Геология-2008» (Томск, 2008); The European Symposium of Satellite Remote Sensing (Rome, Italy, 1994); International Symposium on Optical Science, Engineering and Instrumentation (Denver, Colorado, USA, 1996); International Radiation Symposium (Fairbanks, Alaska, 1996); International Conference on Algorithms and Technologies for Multispectral, Hyperspectral, and Ultraspectral Imagery VIII (AeroSense 2002, Orlando, USA, 2002); 12-th International Symposium "Remote Sensing", Conference "Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere X" (Bruges, Belgium, 2005); 31-st International Symposium on Remote Sensing of Environment (St.-Petersburg, Russia, 2005); 12-th International Joint Seminar on Regional Deposition Processes in Atmosphere (Beijing, China, 2006); 25-th International Laser Radar Conference (ILRC-25, St.-Petersburg, 2010).

   По результатам работы опубликовано четыре монографии (одна за рубежом), 36 работ в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах, 35 статей в трудах конференций, 115 тезисов докладов. Результаты диссертационной работы в полном объеме докладывались на семинарах ИОА СО РАН и ИМКЭС СО РАН.

   Личный вклад автора в совместные публикации заключается в постановке большинства рассматриваемых задач. Им лично разработана и реализована большая часть используемых в работе алгоритмов и программных средств для имитационного моделирования спутниковых наблюдений и тематического анализа расчетных данных. Закономерности переноса теплового излучения в молекулярной атмосфере исследовались совместно с В.В. Фоминым, Г.В. Телегиным, А.Г. Гендриным. Результаты подспутниковых самолетных и судовых экспериментов получены совместно с В.Е. Зуевым, В.В. Фоминым, В.И. Хамариным, О.И. Третьяковым, С.М. Сакериным, Д.М. Кабановым, А.М. Игнатовым, А.С. Селивановым, А.С. Панфиловым, А.В. Романовым. Исследования закономерностей аэрозольного рассеяния теплового излучения и роли бокового подсвета в инфракрасном диапазоне спектра выполнены совместно с В.В. Беловым и И.Ю. Гендриной (Макушкиной). На основе спутниковых данных MODIS совместно с В.В. Беловым, М.В. Панченко, С.М. Сакериным, Д.М. Кабановым, М.В. Энгель были исследованы пространственные, временные и корреляционные характеристики аэрозоля в регионах Западной и Восточной Сибири. Алгоритмы атмосферной коррекции спутниковых инфракрасных изображений земной поверхности на основе физического подхода разработаны совместно с Д.В. Соломатовым, а результаты его применения получены совместно с В.В. Беловым и Д.В. Соломатовым.

   Методическое и алгоритмическое обеспечение космомониторинга Томской области по данным спутниковой системы NOAA POES, которое проводится с 1998 года по настоящее время, разработано совместно с В.В. Беловым, Ю.В. Гридневым, М.В. Энгель при участии Н.В. Кабановой. Различные аспекты решения задачи космомониторинга лесных пожаров были рассмотрены в совместных работах с соавторами из Москвы, Томска, Новосибирска, Иркутска, Якутска, США, Великобритании.

   Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из списка основных аббревиатур и обозначений, введения, пяти глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. В ней содержится 263 страницы текста (без приложений), 88 рисунков, 49 таблиц, 390 ссылок на литературные источники.

   Похожие диссертации на Многофакторный физический подход к атмосферной коррекции спутниковых инфракрасных изображений земной поверхности

   

   Оптические характеристики атмосферы по данным ДЗЗ и атмосферная коррекция спутниковых изображений земной поверхностиЭнгель Марина Владимировна

   

   Статистическая теория переноса изображения через взволнованную поверхность моря Вебер Владимир Леонгардович

   

   Численные методы реконструкции трехмерной поверхности по многоракурсным изображениям, полученным в структурированном светеСухоруков Константин Александрович

   Метод корреляции фоновых изображений для анализа смещений крупномасштабных поверхностейПоройков, Антон Юрьевич

   Исследования процессов формирования изображений произвольной геометрической формы и размеров на криволинейных поверхностях вращения с использованием лазерного излученияГрицкевич, Ольга Владимировна

   

   Диагностика в реальном масштабе времени лазерно-индуцированных процессов на поверхности вещества с помощью лазерного монитора и обработка динамических оптических изображений возникающих пространственно-временных неустойчивостейКучерик Алексей Олегович

   

   Исследование тонкопленочного зеркала в задачах создания телескопа с нелинейно-оптической коррекцией изображенияЖук Дмитрий Иванович

   

   Адаптивная коррекция атмосферных искажений оптических изображений на основе искусственного опорного источникаБольбасова Лидия Адольфовна

   Теория формирования радиолокационного изображения морской поверхности и методика его обработкиКаневский, Михаил Борисович

   Квазиклассический подход в теории рассеяния газа поверхностьюБлинов, Николай Валерьевич