Помощь студентам в учебе
КОНТРОЛЬ ПОГЛОЩЁННОЙ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО ПОДХОДА
|
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИН
ГА ПОГЛОЩЁННОЙ ПП ЭНЕРГИИ 13
1.1. Необходимость использованния спутниковых данных с высо
ким пространственным разрешением 13
1.2. Возможности программного комплекса MODTRAN как мо
делирующего инструмента 17
1.3. Современные методы контроля поглощённой ПП энергии . . 19
1.4. Гибридный метод контроля поглощённой ПП энергии .... 24
Выводы 30
Глава 2. МЕТОД КОНТРОЛЯ ПОГЛОЩЁННОЙ ПП ЭНЕР
ГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ MODTRAN 31
2.1. Оценка влияния параметров атмосферы, ПП и условий на
блюдения на исследуемые спектры 31
2.2. Входные и выходные файлы MODTRAN 33
2.3. Итерационная методика восстановления спектрального аль
бедо и её сравнительная валидация 36
2.4. Расчёт спектра падающего на ПП излучения 42
2.5. Алгоритм восстановления поглощённой ПП энергии и его ре
ализация 43
2.6. Верификация разработанного метода 44
Выводы 48
Глава 3. ОПЕРАТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ ПОГЛОЩЁННОЙ ПП
ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ОПОРНЫХ СПЕКТРОВ 49
3.1. Метод опорных спектров 49
3.1.1. Опорные спектры 49
3.1.2. Аппроксимация функций преобразования 50
3.2. Восстановление спектра прямого падающего излучения . . . 56
3.3. Восстановление спектра падающего рассеянного излучения . 61
3.3.1. Выбор опорного спектра 61
3.3.2. Расчёт спектра падающего рассеянного излучения при
нулевом альбедо 66
3.3.3. Расчёт спектра падающего рассеянного излучения с
учётом альбедо 69
3.4. Восстановление спектрального альбедо ПП 75
3.4.1. Алгоритм восстановления спектрального альбедо ПП 75
3.4.2. Восстановление спектров интенсивности на ВГА при
нулевом и единичном альбедо 76
3.4.3. Восстановление спектрального альбедо ПП 80
Выводы 83
Глава 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПОГЛОЩЁННОЙ ПП ЭНЕРГИИ 84
4.1. Программный комплекс для аппроксимации функций преобразования и восстановления искомых спектров 84
4.2. Программный модуль для практической реализации метода
оперативного контроля поглощенной ПП энергии 91
4.3. Верификация и практическое применение разработанного метода 95
Выводы 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
Приложение А. Сцены MODIS для верификации 102
Приложение Б. Коэффициенты аппроксимации функции преобразования падающего рассеянного потока излучения 103
Приложение В. Акты и свидетельства 107
Литература 110
Глава 1. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИН
ГА ПОГЛОЩЁННОЙ ПП ЭНЕРГИИ 13
1.1. Необходимость использованния спутниковых данных с высо
ким пространственным разрешением 13
1.2. Возможности программного комплекса MODTRAN как мо
делирующего инструмента 17
1.3. Современные методы контроля поглощённой ПП энергии . . 19
1.4. Гибридный метод контроля поглощённой ПП энергии .... 24
Выводы 30
Глава 2. МЕТОД КОНТРОЛЯ ПОГЛОЩЁННОЙ ПП ЭНЕР
ГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ MODTRAN 31
2.1. Оценка влияния параметров атмосферы, ПП и условий на
блюдения на исследуемые спектры 31
2.2. Входные и выходные файлы MODTRAN 33
2.3. Итерационная методика восстановления спектрального аль
бедо и её сравнительная валидация 36
2.4. Расчёт спектра падающего на ПП излучения 42
2.5. Алгоритм восстановления поглощённой ПП энергии и его ре
ализация 43
2.6. Верификация разработанного метода 44
Выводы 48
Глава 3. ОПЕРАТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ ПОГЛОЩЁННОЙ ПП
ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ОПОРНЫХ СПЕКТРОВ 49
3.1. Метод опорных спектров 49
3.1.1. Опорные спектры 49
3.1.2. Аппроксимация функций преобразования 50
3.2. Восстановление спектра прямого падающего излучения . . . 56
3.3. Восстановление спектра падающего рассеянного излучения . 61
3.3.1. Выбор опорного спектра 61
3.3.2. Расчёт спектра падающего рассеянного излучения при
нулевом альбедо 66
3.3.3. Расчёт спектра падающего рассеянного излучения с
учётом альбедо 69
3.4. Восстановление спектрального альбедо ПП 75
3.4.1. Алгоритм восстановления спектрального альбедо ПП 75
3.4.2. Восстановление спектров интенсивности на ВГА при
нулевом и единичном альбедо 76
3.4.3. Восстановление спектрального альбедо ПП 80
Выводы 83
Глава 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПОГЛОЩЁННОЙ ПП ЭНЕРГИИ 84
4.1. Программный комплекс для аппроксимации функций преобразования и восстановления искомых спектров 84
4.2. Программный модуль для практической реализации метода
оперативного контроля поглощенной ПП энергии 91
4.3. Верификация и практическое применение разработанного метода 95
Выводы 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
Приложение А. Сцены MODIS для верификации 102
Приложение Б. Коэффициенты аппроксимации функции преобразования падающего рассеянного потока излучения 103
Приложение В. Акты и свидетельства 107
Литература 110
Актуальность проблемы. Поглощённая подстилающей поверхностью солнечная энергия оказывает ключевое влияние на процессы испарения, прогрев воздуха и почвы, формирование облаков, циркуляцию атмосферы и климат на региональном и глобальном уровне [1-10].
Существует два принципиально разных подхода к решению задачи контроля поглощённой подстилающей поверхностью (ПП) энергии: использование наземных станций, определяющих количество падающей и отражённой энергии, и данных спутниковых приборов, измеряющих уходящее излучение. Первый подход отличается простотой реализации, имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами являются возможность проведения круглосуточного мониторинга и отслеживания динамики изменения количества поглощённой энергии, а также высокая точность полученных данных. Основной недостаток станций наземного наблюдения заключается в локальном измерении поглощённой энергии, что делает невозможным мониторинг обширных и неоднородных по свойствам ПП территорий [11-15].
Приборы, вынесенные на спутниковые платформы, позволяют проводить мониторинг больших территорий [13, 16-30]. Исследования последних десятилетий была основаны на обработке спутниковых данных низкого пространственного разрешения, полученных в результате глобальных экспериментов 80-90-х годов, таких как ERBE (2.5°) [13,24] и ISCCP (280 км) [17,21]. В настоящее время в основном используются данные высокого пространственного разрешения платформ Terra, Aqua, Suomi NPP и регрессионные методы, позволяющие восстанавливать поглощённую энергию по интенсивности излучения на верхней границе атмосферы (ВГА). Однако, эти методы связаны с конкретными спутниками и каналами спек- трорадиометра, что ограничивает их временное разрешение и точность. Работы, реализующие эти методы, демонстрируют значительный разброс в полученной ими погрешности восстановления поглощённой энергии (50120 Вт/м2) [13,20,22,24-30]. Попытки применить их на других территориях не подтверждают указанные в них погрешности [25,26,31]. Эти результаты можно объяснить использованием стандартных наборов альбедо ПП и ограниченного числа спектральных каналов, ошибками пространственной и временной синхронизации данных в методиках верификации. На данный момент не существует методов, обеспечивающих высокую точность контроля поглощённой ПП энергии на обширных территориях и не связанных с данными конкретных спутниковых платформ и каналов спектрорадиомет- ра, поэтому разработка такого метода является актуальной научной задачей [14,32-39]. В качестве перспективного варианта решения этой задачи предлагается гибридный метод на основе спутниковых данных высокого пространственного разрешения (до 10 х 10 км2), в котором контроль поглощённой ПП энергии осуществляется через восстановление спектров — потока падающего излучения и альбедо ПП, с использованием программного комплекса MODTRAN5.2.1 или опорных спектров [40-42]. Такой метод не связан с конкретными спутниковыми платформами, каналами спектро- радиометра и территориями.
Целью исследования является разработка нового гибридного метода контроля поглощённой ПП энергии по данным спутникового мониторинга на основе спектрального подхода и восстановления спектрального альбедо.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи, в рамках которых разрабатываются:
1. Итерационная методика восстановления спектрального альбедо по откликам в каналах спектрорадиометра в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах.
2. Метод контроля поглощённой ПП энергии на основе спектрального подхода и восстановления спектрального альбедо, реализованный с использованием MODTRAN5.2.1.
3. Метод опорных спектров и методика аппроксимации функций преобразования для восстановления искомых спектров.
4. Программный комплекс для аппроксимации функций преобразования.
5. Метод оперативного контроля поглощённой ПП энергии на основе опорных спектров.
6. Программный модуль для оперативного контроля поглощённой ПП энергии.
7. Методики верификации полученных результатов по данным сети наземных станций SURFRAD.
Объектом исследования являются спектральные зависимости потоков и интенсивностей излучения при вариациях параметров атмосферы, ПП и условий наблюдения.
Предмет исследования — методы контроля поглощённой ПП солнечной энергии.
Данная область исследований соответствует следующим пунктам паспорта специальности ВАК 05.11.13: п.1. «научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», п.4. «разработка методического, технического, приборного и информационного обеспечения для локальных, региональных и глобальных систем экологического мониторинга природных и техногенных объектов», п.6. «разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля».
Материалы и методы исследования. В работе использовались данные спектрорадиометра MODIS/Terra и данные сети станций наземного наблюдения радиационного баланса SURFRAD, программный комплекс MODTRAN5.2.1 для моделирования спектров распространяющегося в атмосфере излучения. Для обработки результатов моделирования использовались авторские программы, разработанные на языке FORTRAN и Bash. Аппроксимация функций преобразования проводилась с использованием разработанного программного комплекса на основе пакета прикладных математических программ Scilab.
Научная новизна исследования заключается в разработке гибридного метода контроля поглощённой подстилающей поверхностью энергии по спутниковым данным на основе спектрального подхода, новых методических и программных решений, реализованного с использованием программного комплекса MODTRAN или опорных спектров, и состоит в следующем:
1. Предложена методика восстановления спектрального альбедо подстилающей поверхности по откликам в каналах спектрорадиометра в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах.
2. Предложена методика восстановления спектров потоков и интенсивностей излучения на уровне подстилающей поверхности и верхней границы атмосферы на основе опорных спектров и соответствующих функций преобразования.
3. Предложена методика аппроксимации функций преобразования и её программная реализация с пошаговым контролем ошибок на всех этапах вычислений на основе многокритериального анализа.
На защиту выносятся:
1. Методика восстановления спектрального альбедо подстилающей поверхности по откликам в каналах спектрорадиометра в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах.
2. Метод контроля поглощённой подстилающей поверхностью энергии по данным спутникового мониторинга на основе спектрального подхода и восстановления спектрального альбедо, реализованный с использованием MODTRAN.
3. Метод опорных спектров и методика аппроксимации функций преобразования для восстановления спектров потоков и интенсивностей излучения на уровне подстилающей поверхности и верхней границы атмосферы и их программная реализация
4. Метод оперативного контроля поглощённой подстилающей поверхностью энергии по спутниковым данным на основе опорных спектров и его программная реализация.
Практическая ценность работы. Разработанные методы позволяют:
1. Повысить точность контроля поглощённой ПП энергии на обширных и неоднородных территориях.
2. Использовать данные различных спутниковых платформ и каналов спектрорадиометра, что увеличивает временное разрешение контроля.
3. Проводить мониторинг поглощённой энергии на больших территориях независимо от их географического положения и особенностей атмосферы.
Программный модуль контроля поглощённой ПП энергии внедрён в отделе космического мониторинга и прогнозирования ЧС АлтГУ, а также в Институте водных и экологических проблем СО РАН.
Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, обеспечивается за счёт использования валидированных данных спектрорадиометра MODIS, подтверждена результатами компьютерного моделирования и вычислительных экспериментов, проведённых при помощи программного комплекса MODTRAN, результатами верификации по данным сети наземных станций SURFRAD, программными модулями, разработанными в пакете прикладных математических программ Scilab.
Апробация работы. Результаты исследований апробированы на научнотехнических и научно-практических конференциях различного уровня: II Международной конференции «Геоинформатика: технологии, научные проекты» (Барнаул, 2010), III НПК «Информатизационно-измерительная техника и технологии» (Томск, 2012), XIX, XX, XXI Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2012, 2013, 2014), Молодёжной школе-семинаре «Дистанционное зондирование Земли из космоса: алгоритмы, технологии, данные» (Барнаул, 2013), Двенадцатой Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2014), 14 Международной конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2013), II Всероссийской с международным участием научно-практической конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest (Томск, 2013). По результатам проведённых исследований получены дипломы II и III степени.
В 2012-2014 годах исследования автора поддерживались стипендией Губернатора Алтайского края имени лётчика-космонавта Г.С. Титова.
Личный вклад автора. Настройка, сборка и установка моделирующего комплекса MODTRAN5.2.1, проведение вычислительных экспериментов по оценке влияния: параметров атмосферы, ПП и условий наблюдения на исследуемые спектры и альбедо ПП на показания спутникового прибора, определение по результатам анализа данных MODIS диапазонов изменения параметров атмосферы, используемых для моделирования, разработка итерационной методики восстановления спектрального альбедо по откликам каналов спутникового прибора, разработка метода контроля поглощённой ПП энергии с использованием MODTRAN и его верификация по данным наземных станций SURFRAD, разработка метода опорных спектров с аппроксимацией функций преобразования для восстановления искомых спектров, разработка метода оперативного контроля поглощённой ПП энергии на обширных территориях на основе опорных спектров, разработка программного комплекса для расчёта коэффициентов аппроксимации функций преобразования, разработка программного модуля оперативного контроля поглощённой ПП энергии на основе опорных спектров и его верификация, а также разработка программного интерфейсного модуля для исследования спектральных зависимостей и выбора опорных спектров выполнены автором самостоятельно.
Публикации. Результаты диссертационного исследования представлены в 18 печатных работах [36,40-56], в том числе в 6 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных работ. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчёт количества поглощённой солнечной энергии по данным MODIS» [57].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Всего в работе 122 страницы, 3 приложения, 44 рисунка и 20 таблиц. Список источников включает 119 наименований.
Во введении обосновывается актуальность, определяются цель и задачи исследования. Представлена научная новизна и практическая ценность диссертации, приводятся положения, выносимые на защиту, обсуждается обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертационной работы, даётся информация о вкладе автора и апробации результатов работы. Кратко излагается содержание работы.
В первой главе обсуждается программно-техническое и методическое обеспечение разрабатываемых методов контроля поглощённой ПП энергии по спутниковым данным (MODIS/Terra). Обосновывается необходимость использования спутниковых данных с высоким пространственным разрешением. Анализируются возможности программного комплекса MODTRAN как моделирующего инструмента. Рассматриваются современные методы контроля поглощённой ПП энергии и их результаты. Предлагается гибридный метод контроля поглощённой ПП энергии по спутниковым данным на основе спектрального подхода и восстановлении спектрального альбедо, анализируются факторы, влияющие на его точность.
Вторая глава посвящена разработке метода контроля поглощённой ПП энергии по спутниковым данным на основе спектрального подхода и восстановлении спектрального альбедо ПП с использованием программного комплекса MODTRAN5.2.1. На основании результатов вычислительных экспериментов устанавливаются параметры атмосферы и условий наблюдения, влияющие на исследуемые спектральные зависимости (> 2%). Излагается итерационная методика восстановления спектрального альбедо и результаты её сравнительной валидации. Разрабатывается алгоритм восстановления поглощённой ПП энергии с использованием MODTRAN и соответствующий программный модуль обработки спутниковых данных. Представлена методика верификации метода по данным сети наземных станций SURFRAD и её результаты.
Третья глава посвящена разработке метода оперативного контроля поглощённой ПП энергии на обширных территориях с использованием опорных спектров. Представлен метод опорных спектров и методика аппроксимации функций преобразования для восстановления искомых спектров. Рассчитаны коэффициенты аппроксимации функций преобразования с пошаговым контролем ошибок на каждом этапе вычислений. Получены аналитические выражения для всех искомых спектров: потоков прямого и рассеянного падающего излучения и интенсивности излучения на ВГА для восстановления спектрального альбедо ПП.
В четвёртой главе представлены разработанные: программный комплекс для нахождения коэффициентов аппроксимации функций преобразования, необходимых для восстановления искомых спектров, программный модуль для оперативного контроля поглощённой ПП энергии по спутниковым данным на основе опорных спектров, интерфейсный программный модуль для анализа спектральных зависимостей и выбора опорных спектров. Проведена верификация предложенного метода и сравнительная валидация с другими продуктами. Представлены полученные результаты. Приводятся примеры внедрения разработанного программного модуля для оперативного контроля поглощённой ПП энергии.
В заключении представлены основные результаты работы.
В приложении А приведены данные (дата и время) спутниковых сцен, использованных при верификации.
В приложении Б приведены коэффициенты аппроксимации потока падающего рассеянного излучения.
В приложении В приведены акты использования результатов диссертационных исследований и полученное свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ.
Существует два принципиально разных подхода к решению задачи контроля поглощённой подстилающей поверхностью (ПП) энергии: использование наземных станций, определяющих количество падающей и отражённой энергии, и данных спутниковых приборов, измеряющих уходящее излучение. Первый подход отличается простотой реализации, имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами являются возможность проведения круглосуточного мониторинга и отслеживания динамики изменения количества поглощённой энергии, а также высокая точность полученных данных. Основной недостаток станций наземного наблюдения заключается в локальном измерении поглощённой энергии, что делает невозможным мониторинг обширных и неоднородных по свойствам ПП территорий [11-15].
Приборы, вынесенные на спутниковые платформы, позволяют проводить мониторинг больших территорий [13, 16-30]. Исследования последних десятилетий была основаны на обработке спутниковых данных низкого пространственного разрешения, полученных в результате глобальных экспериментов 80-90-х годов, таких как ERBE (2.5°) [13,24] и ISCCP (280 км) [17,21]. В настоящее время в основном используются данные высокого пространственного разрешения платформ Terra, Aqua, Suomi NPP и регрессионные методы, позволяющие восстанавливать поглощённую энергию по интенсивности излучения на верхней границе атмосферы (ВГА). Однако, эти методы связаны с конкретными спутниками и каналами спек- трорадиометра, что ограничивает их временное разрешение и точность. Работы, реализующие эти методы, демонстрируют значительный разброс в полученной ими погрешности восстановления поглощённой энергии (50120 Вт/м2) [13,20,22,24-30]. Попытки применить их на других территориях не подтверждают указанные в них погрешности [25,26,31]. Эти результаты можно объяснить использованием стандартных наборов альбедо ПП и ограниченного числа спектральных каналов, ошибками пространственной и временной синхронизации данных в методиках верификации. На данный момент не существует методов, обеспечивающих высокую точность контроля поглощённой ПП энергии на обширных территориях и не связанных с данными конкретных спутниковых платформ и каналов спектрорадиомет- ра, поэтому разработка такого метода является актуальной научной задачей [14,32-39]. В качестве перспективного варианта решения этой задачи предлагается гибридный метод на основе спутниковых данных высокого пространственного разрешения (до 10 х 10 км2), в котором контроль поглощённой ПП энергии осуществляется через восстановление спектров — потока падающего излучения и альбедо ПП, с использованием программного комплекса MODTRAN5.2.1 или опорных спектров [40-42]. Такой метод не связан с конкретными спутниковыми платформами, каналами спектро- радиометра и территориями.
Целью исследования является разработка нового гибридного метода контроля поглощённой ПП энергии по данным спутникового мониторинга на основе спектрального подхода и восстановления спектрального альбедо.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи, в рамках которых разрабатываются:
1. Итерационная методика восстановления спектрального альбедо по откликам в каналах спектрорадиометра в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах.
2. Метод контроля поглощённой ПП энергии на основе спектрального подхода и восстановления спектрального альбедо, реализованный с использованием MODTRAN5.2.1.
3. Метод опорных спектров и методика аппроксимации функций преобразования для восстановления искомых спектров.
4. Программный комплекс для аппроксимации функций преобразования.
5. Метод оперативного контроля поглощённой ПП энергии на основе опорных спектров.
6. Программный модуль для оперативного контроля поглощённой ПП энергии.
7. Методики верификации полученных результатов по данным сети наземных станций SURFRAD.
Объектом исследования являются спектральные зависимости потоков и интенсивностей излучения при вариациях параметров атмосферы, ПП и условий наблюдения.
Предмет исследования — методы контроля поглощённой ПП солнечной энергии.
Данная область исследований соответствует следующим пунктам паспорта специальности ВАК 05.11.13: п.1. «научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», п.4. «разработка методического, технического, приборного и информационного обеспечения для локальных, региональных и глобальных систем экологического мониторинга природных и техногенных объектов», п.6. «разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля».
Материалы и методы исследования. В работе использовались данные спектрорадиометра MODIS/Terra и данные сети станций наземного наблюдения радиационного баланса SURFRAD, программный комплекс MODTRAN5.2.1 для моделирования спектров распространяющегося в атмосфере излучения. Для обработки результатов моделирования использовались авторские программы, разработанные на языке FORTRAN и Bash. Аппроксимация функций преобразования проводилась с использованием разработанного программного комплекса на основе пакета прикладных математических программ Scilab.
Научная новизна исследования заключается в разработке гибридного метода контроля поглощённой подстилающей поверхностью энергии по спутниковым данным на основе спектрального подхода, новых методических и программных решений, реализованного с использованием программного комплекса MODTRAN или опорных спектров, и состоит в следующем:
1. Предложена методика восстановления спектрального альбедо подстилающей поверхности по откликам в каналах спектрорадиометра в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах.
2. Предложена методика восстановления спектров потоков и интенсивностей излучения на уровне подстилающей поверхности и верхней границы атмосферы на основе опорных спектров и соответствующих функций преобразования.
3. Предложена методика аппроксимации функций преобразования и её программная реализация с пошаговым контролем ошибок на всех этапах вычислений на основе многокритериального анализа.
На защиту выносятся:
1. Методика восстановления спектрального альбедо подстилающей поверхности по откликам в каналах спектрорадиометра в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах.
2. Метод контроля поглощённой подстилающей поверхностью энергии по данным спутникового мониторинга на основе спектрального подхода и восстановления спектрального альбедо, реализованный с использованием MODTRAN.
3. Метод опорных спектров и методика аппроксимации функций преобразования для восстановления спектров потоков и интенсивностей излучения на уровне подстилающей поверхности и верхней границы атмосферы и их программная реализация
4. Метод оперативного контроля поглощённой подстилающей поверхностью энергии по спутниковым данным на основе опорных спектров и его программная реализация.
Практическая ценность работы. Разработанные методы позволяют:
1. Повысить точность контроля поглощённой ПП энергии на обширных и неоднородных территориях.
2. Использовать данные различных спутниковых платформ и каналов спектрорадиометра, что увеличивает временное разрешение контроля.
3. Проводить мониторинг поглощённой энергии на больших территориях независимо от их географического положения и особенностей атмосферы.
Программный модуль контроля поглощённой ПП энергии внедрён в отделе космического мониторинга и прогнозирования ЧС АлтГУ, а также в Институте водных и экологических проблем СО РАН.
Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, обеспечивается за счёт использования валидированных данных спектрорадиометра MODIS, подтверждена результатами компьютерного моделирования и вычислительных экспериментов, проведённых при помощи программного комплекса MODTRAN, результатами верификации по данным сети наземных станций SURFRAD, программными модулями, разработанными в пакете прикладных математических программ Scilab.
Апробация работы. Результаты исследований апробированы на научнотехнических и научно-практических конференциях различного уровня: II Международной конференции «Геоинформатика: технологии, научные проекты» (Барнаул, 2010), III НПК «Информатизационно-измерительная техника и технологии» (Томск, 2012), XIX, XX, XXI Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2012, 2013, 2014), Молодёжной школе-семинаре «Дистанционное зондирование Земли из космоса: алгоритмы, технологии, данные» (Барнаул, 2013), Двенадцатой Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2014), 14 Международной конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2013), II Всероссийской с международным участием научно-практической конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest (Томск, 2013). По результатам проведённых исследований получены дипломы II и III степени.
В 2012-2014 годах исследования автора поддерживались стипендией Губернатора Алтайского края имени лётчика-космонавта Г.С. Титова.
Личный вклад автора. Настройка, сборка и установка моделирующего комплекса MODTRAN5.2.1, проведение вычислительных экспериментов по оценке влияния: параметров атмосферы, ПП и условий наблюдения на исследуемые спектры и альбедо ПП на показания спутникового прибора, определение по результатам анализа данных MODIS диапазонов изменения параметров атмосферы, используемых для моделирования, разработка итерационной методики восстановления спектрального альбедо по откликам каналов спутникового прибора, разработка метода контроля поглощённой ПП энергии с использованием MODTRAN и его верификация по данным наземных станций SURFRAD, разработка метода опорных спектров с аппроксимацией функций преобразования для восстановления искомых спектров, разработка метода оперативного контроля поглощённой ПП энергии на обширных территориях на основе опорных спектров, разработка программного комплекса для расчёта коэффициентов аппроксимации функций преобразования, разработка программного модуля оперативного контроля поглощённой ПП энергии на основе опорных спектров и его верификация, а также разработка программного интерфейсного модуля для исследования спектральных зависимостей и выбора опорных спектров выполнены автором самостоятельно.
Публикации. Результаты диссертационного исследования представлены в 18 печатных работах [36,40-56], в том числе в 6 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных работ. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчёт количества поглощённой солнечной энергии по данным MODIS» [57].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Всего в работе 122 страницы, 3 приложения, 44 рисунка и 20 таблиц. Список источников включает 119 наименований.
Во введении обосновывается актуальность, определяются цель и задачи исследования. Представлена научная новизна и практическая ценность диссертации, приводятся положения, выносимые на защиту, обсуждается обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертационной работы, даётся информация о вкладе автора и апробации результатов работы. Кратко излагается содержание работы.
В первой главе обсуждается программно-техническое и методическое обеспечение разрабатываемых методов контроля поглощённой ПП энергии по спутниковым данным (MODIS/Terra). Обосновывается необходимость использования спутниковых данных с высоким пространственным разрешением. Анализируются возможности программного комплекса MODTRAN как моделирующего инструмента. Рассматриваются современные методы контроля поглощённой ПП энергии и их результаты. Предлагается гибридный метод контроля поглощённой ПП энергии по спутниковым данным на основе спектрального подхода и восстановлении спектрального альбедо, анализируются факторы, влияющие на его точность.
Вторая глава посвящена разработке метода контроля поглощённой ПП энергии по спутниковым данным на основе спектрального подхода и восстановлении спектрального альбедо ПП с использованием программного комплекса MODTRAN5.2.1. На основании результатов вычислительных экспериментов устанавливаются параметры атмосферы и условий наблюдения, влияющие на исследуемые спектральные зависимости (> 2%). Излагается итерационная методика восстановления спектрального альбедо и результаты её сравнительной валидации. Разрабатывается алгоритм восстановления поглощённой ПП энергии с использованием MODTRAN и соответствующий программный модуль обработки спутниковых данных. Представлена методика верификации метода по данным сети наземных станций SURFRAD и её результаты.
Третья глава посвящена разработке метода оперативного контроля поглощённой ПП энергии на обширных территориях с использованием опорных спектров. Представлен метод опорных спектров и методика аппроксимации функций преобразования для восстановления искомых спектров. Рассчитаны коэффициенты аппроксимации функций преобразования с пошаговым контролем ошибок на каждом этапе вычислений. Получены аналитические выражения для всех искомых спектров: потоков прямого и рассеянного падающего излучения и интенсивности излучения на ВГА для восстановления спектрального альбедо ПП.
В четвёртой главе представлены разработанные: программный комплекс для нахождения коэффициентов аппроксимации функций преобразования, необходимых для восстановления искомых спектров, программный модуль для оперативного контроля поглощённой ПП энергии по спутниковым данным на основе опорных спектров, интерфейсный программный модуль для анализа спектральных зависимостей и выбора опорных спектров. Проведена верификация предложенного метода и сравнительная валидация с другими продуктами. Представлены полученные результаты. Приводятся примеры внедрения разработанного программного модуля для оперативного контроля поглощённой ПП энергии.
В заключении представлены основные результаты работы.
В приложении А приведены данные (дата и время) спутниковых сцен, использованных при верификации.
В приложении Б приведены коэффициенты аппроксимации потока падающего рассеянного излучения.
В приложении В приведены акты использования результатов диссертационных исследований и полученное свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ.
1. Предложен гибридный метод контроля поглощённой ПП энергии по данным спутникового мониторинга на основе спектрального подхода и восстановления спектрального альбедо, реализованный с использованием программного комплекса MODTRAN5.2.1 и опорных спектров.
2. Предложена итерационная методика восстановления спектрального альбедо по данным каналов спутникового прибора в оптическом и ближнем ИК диапазонах. Точность восстановления альбедо оценивалась сопоставлением рассчитанных значений альбедо со значениями альбедо из продукта MODIS MOD43B3, обновляемыми раз в 16 дней. Максимальное отклонение среднего значения от референсного составило 9%, что лежит в пределах временной вариативности альбедо. Сопоставление спектрального интерполированного альбедо с данными базы ASTER показало хорошее совпадение, за исключением полос поглощения.
3. Разработан метод контроля поглощённой ПП энергии на основе спектрального подхода и восстановления спектрального альбедо ПП с использованием MODTRAN5.2.1. Верификация метода была проведена по реальным спутниковым данным с сетью станций наземного мониторинга SURFRAD в США. Использовались три станции в Boulder, Bondville и Desert Rock с данными наблюдения за 2010-2013 гг. Было выполнено и верифицировано 75 расчётов количества поглощённой ПП энергии. Среднеквадратичное отклонение составило 36-44 Вт/м2, модуль относительной ошибки не превышает 5.3%.
4. Предложена методика восстановления спектров потоков и интенсивностей излучения на ПП и ВГА на основе спутниковых данных, выбранных опорных спектров и соответствующих функций преобразования и её программная реализация.
5. Разработан метод оперативного контроля поглощённой ПП энергии на основе опорных спектров и реализующий его программный модуль, быстродействие которого на два порядка выше, чем при использовании MODTRAN5.2.1.
6. Проведена верификация метода оперативного контроля поглощённой ПП энергии с данными наземных станций SURFRAD. Среднеквадратичное отклонение не превысила 41 Вт/м2, а относительная ошибка — 4.38%. Сравнение с результатами, полученными в других работах, а также дополнительные эксперименты (интервальный анализ) подтверждают высокую точность предложенного метода.
7. Программная реализация предложенных методик выполнялась с помощью пакета прикладных программ Scilab и языка FORTRAN и включала:
• программный модуль для исследования зависимости спектров излучения от параметров сопровождения и выбора опорных спектров;
• программный комплекс для расчёта коэффициентов аппроксимации функций преобразования;
• программный модуль для оперативного контроля поглощённой ПП энергии на обширных территориях.
8. Программный модуль оперативного контроля поглощённой ПП энергии использован для решения конкретных задач мониторинга окружающей среды в отделе космического мониторинга и прогнозирования ЧС АлтГУ и в Институте водных и экологических проблем СО РАН.
Автор выражает благодарность д.ф.-м.н., проф. Лагутину А.А. за научное руководство и A. Berk за консультации по использованию программного комплекса MODTRAN5.2.1.
2. Предложена итерационная методика восстановления спектрального альбедо по данным каналов спутникового прибора в оптическом и ближнем ИК диапазонах. Точность восстановления альбедо оценивалась сопоставлением рассчитанных значений альбедо со значениями альбедо из продукта MODIS MOD43B3, обновляемыми раз в 16 дней. Максимальное отклонение среднего значения от референсного составило 9%, что лежит в пределах временной вариативности альбедо. Сопоставление спектрального интерполированного альбедо с данными базы ASTER показало хорошее совпадение, за исключением полос поглощения.
3. Разработан метод контроля поглощённой ПП энергии на основе спектрального подхода и восстановления спектрального альбедо ПП с использованием MODTRAN5.2.1. Верификация метода была проведена по реальным спутниковым данным с сетью станций наземного мониторинга SURFRAD в США. Использовались три станции в Boulder, Bondville и Desert Rock с данными наблюдения за 2010-2013 гг. Было выполнено и верифицировано 75 расчётов количества поглощённой ПП энергии. Среднеквадратичное отклонение составило 36-44 Вт/м2, модуль относительной ошибки не превышает 5.3%.
4. Предложена методика восстановления спектров потоков и интенсивностей излучения на ПП и ВГА на основе спутниковых данных, выбранных опорных спектров и соответствующих функций преобразования и её программная реализация.
5. Разработан метод оперативного контроля поглощённой ПП энергии на основе опорных спектров и реализующий его программный модуль, быстродействие которого на два порядка выше, чем при использовании MODTRAN5.2.1.
6. Проведена верификация метода оперативного контроля поглощённой ПП энергии с данными наземных станций SURFRAD. Среднеквадратичное отклонение не превысила 41 Вт/м2, а относительная ошибка — 4.38%. Сравнение с результатами, полученными в других работах, а также дополнительные эксперименты (интервальный анализ) подтверждают высокую точность предложенного метода.
7. Программная реализация предложенных методик выполнялась с помощью пакета прикладных программ Scilab и языка FORTRAN и включала:
• программный модуль для исследования зависимости спектров излучения от параметров сопровождения и выбора опорных спектров;
• программный комплекс для расчёта коэффициентов аппроксимации функций преобразования;
• программный модуль для оперативного контроля поглощённой ПП энергии на обширных территориях.
8. Программный модуль оперативного контроля поглощённой ПП энергии использован для решения конкретных задач мониторинга окружающей среды в отделе космического мониторинга и прогнозирования ЧС АлтГУ и в Институте водных и экологических проблем СО РАН.
Автор выражает благодарность д.ф.-м.н., проф. Лагутину А.А. за научное руководство и A. Berk за консультации по использованию программного комплекса MODTRAN5.2.1.