ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 АЛГОРИТМЫ АТМОСФЕРНОЙ КОРРЕКЦИИ СПУТНИКОВЫХ
ИЗОБРАЖЕНИЙ С УЧЕТОМ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ 6
Выводы по главе 1 14
ГЛАВА 2 ПРЕДЛАГАЕМЫЙ АЛГОРИТМ АТМОСФЕРНОЙ КОРРЕКЦИИ
СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ С УЧЕТОМ РЕЛЬЕФА 15
2.1 Разработка вспомогательных программ для подготовки данных 16
2.1.1 Цифровая модель рельефа 16
2.1.2 Переход в декартову систему координат х, у, z 17
2.2 Описание существующего алгоритма восстановления коэффициентов отражения
(без учета рельефа) 25
2.3 Дополнения, учитывающие влияние рельефа на восстанавливаемые
коэффициенты отражения 27
Выводы по главе 2 28
ГЛАВА 3 ВОССТАНОВЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ НА ВЫБРАННОМ УЧАСТКЕ, С УЧЕТОМ РЕЛЬЕФА 29
3.1 Выбор участка исследования 30
3.2 Интенсивность излучения на исследуемом участке 31
3.3 Коэффициенты отражения, без учета рельефа, на исследуемом участке 31
3.4 Учет влияния рельефа на восстанавливаемые коэффициенты отражения 33
Выводы к главе 3 36
Заключение 37
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 38
ПРИЛОЖЕНИЕ А. РАСЧЕТ ТЕЛЕСНОГО УГЛА 40
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. МОДЕЛЬ АТМОСФЕРЫ 66
ПРИЛОЖЕНИЕ В. ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА «CUT» 78
Коэффициент отражения земной поверхности (альбедо поверхности) - одна из величин, характеризующая состояние земной поверхности. Спутниковые данные о коэффициенте отражения земной поверхности являются важными для задач мониторинга растительности, поиска объектов на земной поверхности, прогноза климата и других задач.
Принимаемые спутником данные об интенсивности излучения складываются из информации о наблюдаемом пикселе на земной поверхности, рассеянном в атмосфере излучении и излучении, отраженном участками вне наблюдаемого пикселя (боковой подсвет). Для определения по спутниковым данным отражательных характеристик объектов на земной поверхности требуется проводить атмосферную коррекцию.
В настоящее время существуют десятки вариантов решения этой задачи. Алгоритмы, в которых основой является решение уравнение переноса излучения, называют RTM-алгоритмами. Между собой они различаются по учету/не учету следующих факторов: 1) неламбертовость поверхности, 2) боковой подсвет, 3) многократное отражение, 4) поглощение, 5) поляризация излучения, 6) рельеф поверхности, 7) рассеяние растительностью.
Существуют алгоритмы атмосферной коррекции, учитывающие боковой подсвет и рассеяние, поглощение излучения в атмосфере. Используемый в NASA алгоритм атмосферной коррекции данных MODIS основан на предположении о наличии устойчивой корреляции между коэффициентами отражения земной поверхности в синем (0,47 мкм), красном (0,66 мкм) и ближнем ИК (2,12 мкм) каналах, обусловленной особенностями поглощения света зеленой растительностью [1].
В работе научного руководителя [2] предлагается алгоритм восстановления коэффициентов отражения земной поверхности, который позволяет точно учесть боковой подсвет, многократное отражение, поглощение и поляризацию излучения.
В рамках магистерской диссертации планируется рассмотреть влияние рельефа поверхности на результат восстановления коэффициентов отражения земной поверхности.
Объект исследования - земная поверхность.
Предмет исследования - коэффициенты отражения земной поверхности.
Конечной целью исследования является разработка алгоритма восстановления коэффициентов отражения земной поверхности по данным MODIS с учетом рельефа поверхности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Создание алгоритма расчета телесного угла направлений в атмосферу для точки на земной поверхности с учетом рельефа поверхности.
2. Создание алгоритма атмосферной коррекции спутниковых изображений с учетом рельефа поверхности.
3. Восстановление коэффициентов отражения земной поверхности с учетом рельефа для реального спутникового снимка.
4. Оценка влияния рельефа поверхности на результат восстановления коэффициентов отражения.
Новизна полученных результатов состоит в том, что в использованном алгоритме одновременно учтено влияние бокового подсвета, многократного отражения излучения и рельефа при решении обратной задачи восстановления коэффициентов отражения земной поверхности.
Практическая значимость полученных результатов: восстановленные с учетом рельефа коэффициенты отражения земной поверхности позволяют точнее решать задачи мониторинга растительности, поиска объектов на земной поверхности и другие задачи.
Методология и методы исследования
Для получения результатов использовались программы метода Монте-Карло, спутниковые данные MODIS об интенсивностях (яркостях) принимаемого спутником излучения, об аэрозольных оптических толщинах, вертикальных профилях температуры и атмосферного давления, облачной маски, цифровые 4
модели рельефа национального центра США NOAA, а также базы данных сечений поглощения атмосферных газов HITRAN и модели атмосферы MODTRAN.
По результатам выполненных исследований сформулировано следующее защищаемое положение: учет влияния телесного угла при восстановлении коэффициентов отражения земной поверхности на длине волны Х=0.55 мкм изменяет восстановленные коэффициенты отражения для территории с координатами 51.42-52.42° с.ш., 101.92-102.92° в.д. на значения в диапазоне от -2*10-3 до 6.02*10-4
Достоверность результатов обеспечивается сравнением результатов работы программ метода Монте-Карло с результатами MOD09 NASA, выполненных научным руководителем.
Апробация результатов
По результатам полученных исследований был сделан один устный доклад на Всероссийской молодежной научной конференции «Все грани математики и механики», Томск, 2024 г.
Личный вклад
Алгоритм восстановления коэффициентов отражения земной поверхности без учета влияния рельефа был разработан ранее научным руководителем. Спутниковые данные MODIS для выполнения восстановления коэффициентов отражения были предоставлены научным сотрудником ИОА СО РАН М.В. Энгель. Формулирование целей и задач магистерской диссертации выполнялись совместно с научным руководителем. Вспомогательные программы для выполнения расчетов, предложенный модифицированный алгоритм восстановления коэффициентов отражения с учетом рельефа были созданы совместно с научным руководителем. Лично диссертантом проведен анализ существующих исследований по учету рельефа при восстановлении коэффициентов отражения земной поверхности. Диссертант принимал активное участие в обсуждении результатов. Основная часть расчетов выполнена диссертантом лично.
Магистерская диссертация содержит 79 страницу и состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка литературы и 3-х приложений.
В ходе работы алгоритм восстановления коэффициентов отражения земной поверхности дополнен учетом рельефа. Полученный алгоритм позволяет восстанавливать коэффициенты отражения земной поверхности для любого участка Земли, при условии имеющихся спутниковых данных для этого участка и известной модели атмосферы.
Основным результатом проделанной работы является доказанное расчетами влияние рельефа на восстановление коэффициентов отражения земной поверхности.
Работа может быть продолжена в направлении учета других факторов, влияющих на решение рассматриваемой обратной задачи, а именно: рассеяния излучения растительностью, неламбертовость отражения, зеркальное отражение излучения водой. Предложенный алгоритм необходимо в дальнейшем апробировать на широком круге ситуаций в том числе для различных горных участков и различной мутности атмосферы.
Практическая значимость результатов исследования заключается в возможности более точного восстановления коэффициентов отражения земной поверхности, используемых далее при решении задач мониторинга растительности, поиска объектов, анализе изменений земной поверхности, например, при выявлении территорий леса поврежденных лесными пожарами.
