Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ В ИК ДИАПАЗОНЕ:
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
ТРЕБОВАНИЯ 16
1.1. Возможности дистанционных измерений в ИК
диапазоне 16
Характерные особенности ИК зондирования 16
Анализ методов дистанционных измерений 18
Необходимость системного подхода при дистанционном зондировании 29
1.2. Главные фазы дистанционного зондирования 33
1.2Л. Подстилающая поверхность 33
1.2.2 Атмосфера Земли 35
1.2.3. Измерительная аппаратура 40
1.2.3Л. Погрешности оптической системы ... 43
Погрешности блоков электроники ... 45
Передача информации на Землю .... 47
Суммарная точность современной аппаратуры дистанционного зондирования 48
1.2.4. Распознавание объектов. . 48
1.3. Основные требования к методу дистанционного
зондирования 52
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 54
Основные расчетные соотношения 54
Модель подстилающей поверхности 56
2.2.1. Модель водной поверхности 56
2.2ЛЛ. Радиационные характеристики 56
Стр.
Геометрическая модель 57
Радиационная модель океана 63
Влияние скорости ветра над океаном . . 64
Вертикальная структура температурного
поля океана 65
2.2.1.6. Горизонтальная структура температурного
поля океана 68
2.2.2. Радиационная модель поверхности суши 69
Постановка задачи теплопроводности 71
Использование температуры подстилающей поверхности для определения ее состояния 74
Пространственное распределение температуры поверхности суши 75
2.2.3. Методика моделирования подстилающих
поверхностей 76
2.3. Модель атмосферы 78
Общие замечания 78
Механизмы ослабления Ж излучения. ... 79
Поглощение полосами молекул газов. . . 81
Континуальное поглощение 82
Аэрозольное ослабление 85
Методика моделирования 86
Оптические свойства атмосферы и модели метеоусловий 87
Экспериментальная проверка радиационной модели атмосферы 89
2.4. Обобщенные параметры и характеристики
системы дистанционного зондирования. . . 97
2.5. Универсальная программа для ЭВМ .... 98
Стр.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДВУХСПЕКТРАЛЬНОГО
МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ 103
Предварительные замечания. ... .... 103
Учет влияния водяного пара 104
Влияние аэрозоля на точность метода . . . 107
Выбор оптимальных пар спектральных интервалов для учета водяного пара и аэрозоля III
Учет влияния вариаций атмосферных параметров 118
Регистрация тепловых контрастов двухспект-ральным методом 119
Влияние степени черноты поверхности на
точность измерений 128
Влияние погрешностей аппаратуры на точность метода 130
Метод уменьшения случайных погрешностей 132
Баланс ошибок двухспектрального метода 133
Сравнение полученных результатов с другими экспериментальными и теоретическими
работами 134
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДВУХУГЛОВОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ 136
Сравнение двухспектрального и двухуглового методов дистанционного зондирования. . . . 136
Сравнение угловых методов 137
Выбор оптимальных углов зондирования . . . 141
Выбор оптимальных углов и спектральных интервалов 144
Влияние формы фильтра на точность метода 147
Стр.
4.6. Учет влияния атмосферных параметров и их
вариаций 147
Влияние аэрозоля на точность метода . . . 151
Влияние степени черноты подстилающей
поверхности на погрешность метода . . . . 152
4.9. Влияние точности фиксации углов визирования
и ошибки при измерении ИК радиации на погреш
ность метода 155
4.10.Баланс ошибок двухуглового метода .... 156
5. СКВОЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 158
5.1. Детерминированная связь регистрируемого
сигнала с основными факторами задачи. . . 158
Методика расчета и выбора параметров аппаратуры 159
Статистическая постановка задачи 161
Метод определения отношения сигнал/шум с учетом статистической природы характеристик поверхности, атмосферы и аппаратуры . . . 161
Сквозное проектирование с учетом вероятности реализации значений параметров поверхности, атмосферы и аппаратуры 164
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166
ЛИТЕРАТУРА 172
ПРИЛОЖЕНИЕ. Акт о внедрении результатов диссертационной работы
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятыми ХХУІ съездом КПСС, предусмотрено "...изучение строения, состава и эволюции Земли, биосферы, климата, Мирового океана, включая шельф, с целью рационального использования их ресурсов, совершенствования метода прогнозирования погоды и других явлений природы, повышения эффективности мероприятий в области охраны окружающей среды" [I]. Для реализации решений ХХУІ съезда КПСС были разработаны специальные как межотраслевые, так и ведомственные программы, которые предусматривают широкое использование аэрокосмических методов, а частности, в программу перспективных исследований, планируемых АН СССР до 1990 г., включены пять основных проблем: I) разработка методов решения важнейших задач космического землеведения; 2) разработка аэрокосмических методов изучения состояния агроресурсов; 3) установление взаимосвязей пространственно энергетических характеристик радиации земных объектов с их видами и состояниями, построение моделей изменения характеристик радиации под влиянием внешних условий и внутренних трансформаций объектов исследований; 4) изучение радиационного поля Земли и установление взаимосвязей параметров, аномалий, вариаций этого поля с различными геолого-геофизическими и природно-климатическими процессами, протекающими в недрах Земли, на ее поверхности, в океане и атмосфере; 5) совершенствование методов и технических средств обработки и тематической интерпретации аэрокос-мической информации о Земле [2].
В целом ряде теоретических и экспериментальнх работ [З-Гз] , выполненных как в стране, так и за рубежом, показано, что измерения в инфракрасном (Ж) диапазоне необходимы для решения многих научных и народно-хозяйственных проблем в геологии, океанографии, сельском хозяйстве, климатологии и т.д.
Искомыми величинами, определяемыми из результатов дистанционного зондирования в ИК диапазоне, являются температура подстилающей поверхности и тепловой контраст.
Температура подстилающей поверхности зависит от многих процессов, происходящих в атмосфере, на земной поверхности и на некоторой глубине от нее. В свою очередь температура поверхности оказывает на эти процессы обратное влияние. Например, у земной поверхности существует значительный теплообмен между приземным слоем воздуха и подстилающей поверхностью, при этом изменяется тепловой режим как воздушных масс, так и поверхности [20].
Температура поверхности и тепловые контрасты являются важными физическими характеристиками, которые используются при исследовании и описании различных геофизических процессов и явлений, решении разнообразных практических задач. В ряде работ |_4,9,2і] отмечается, что для изучения процессов крупномасштабного взаимодействия атмосферы и океана, ответственных за изменение погоды и климата, температура поверхности океана (особенно ее аномалии) представляет собой важный показатель энергетики этого взаимодействия. В последние годы установлено [гЭ, 22-25J, что определение структуры температурных полей с помощью искусственных спутников Земли позволяет решать ряд океанологических задач: изучать синоптическую изменчивость океана, определять фронтальные зоны и зоны интенсивных течений, исследовать структуру
деятельного слоя океана и т.п.
Температура поверхности Земли отражает физические свойства среды, такие как теплопроводность, теплоемкость, плотность, а изменения поверхностной температуры под действием внутренних и внешних источников тепла - тепловую инерцию , определяющую скорость восприятия и отдачи тепла [26-28] . Внутренняя структура природных образований (различные неоднородности, пустоты и др.) проявляются на поверхности как аномалии температуры в виде тепловых контрастов. Контрасты объектов - источников тепла, как правило стабильны и выделяются над фоном. К таким объектам относятся зоны вулканической и геотермальной активности, лесные пожары и пожары горючих полезных ископаемых, различная техника при функционирующих источниках энергии, промышленные и гражданские сооружения и т.п. В обстоятельной работе [2б] продемонстрированы разнообразные возможности дистанционных методов при изучении природных ресурсов Земли.
Таким образом, имеется широкий круг научных и народно-хозяйственных задач, для решения которых необходимо знать как абсолютные значения температуры поверхности Земли , так и величины тепловых контрастов.
При этом нахождение температуры подстилающей поверхности является лишь промежуточным результатом, который используется в дальнейшем как исходная информация для математических моделей соответствующих физических процессов, которые определяют точность измерения температуры поверхности. В зависимости от решаемой задачи, необходимо обеспечить также соответствующие пространственное, спектральное, радиометрическое, временное разрешение, широту охвата исследуемого района, масштаб временного и пространственного осреднения и др.
С учетом специфики решения конкретных задач, в частности сельского и лесного хозяйства, рыболовства, геологии, гидрологии, метеорологии, океанографии, географии и др., требования к точности измерения температуры поверхности лежат в пределах 0,1...1 К, к пространственному разрешению - 0,1...500 км, к минимальному времени повторного обзора - от одного дня до полугода [4, 10].
Измерение температурного контраста позволяет судить о геометрических характеристиках объектов, а динамика изменений контрастов - о состоянии и кинетике наземных образований. Поскольку здесь необходимо лишь обнаружить границы объекта и не требуется восстанавливать абсолютные значения температуры, существующая сегодня измерительная аппаратура позволяет успешно решать многие задачи этого типа, например, океанографические [23-25], геологические [26] и др. При этом следует подчеркнуть, что как диапазон решаемых задач, так и возможности исследователя при их решении, существенно увеличиваются, если удается регистрировать еще меньшие тепловые контрасты. Поэтому снижение "порога обнаружим ости" контрастов даже на несколько десятых долей градуса имеет большое научное и практическое значение.
а последние годы спутниковое зондирование стало мощным средством исследования различных объектов на Земле, существенно расширило круг решаемых задач и дало новые методические возможности [3-19] . Однако, несмотря на достигнутые в этом направлении успехи, очевидно, что надо еще много сделать для того, чтобы полностью использовать потенциал спутникового зондирования.
Дистанционные методы наиболее эффективны при умелом сочетании с традиционными (контактными) методами исследований и, обладая рядом достоинств, существенно дополняют их.
Применение искусственных спутников Земли позволяет быстро собрать огромный объем информации о больших территориях (в том числе труднодоступных) с различным пространственным разрешением, обеспечить нужную повторяемость обзора одного и того же участка Земли в одно и то же местное время в течение длительного периода и выявить динамику процессов, использование космических носителей дает возможность решать научные и практические задачи, относящиеся как к одной области, так и находящиеся на стыке многих дисциплин; в ряде случаев эти задачи имеют глобальный масштаб и их решение на локальном уровне невозможно (например, проблема климата). Немаловажным обстоятельством при этом является и высокая экономическая эффективность искусственных спутников. Так, по экспертным оценкам советских специалистов экономические выгоды превышают затраты примерно в 10 раз [з].
Характерная особенность аэрокосмических методов состоит в том, что с их помощью обычно регистрируется не сама интересующая исследователя величина, а тот или иной параметр, прямо или опосредовано связанный с искомой величиной. Косвенный характер дистанционных измерений и необходимость коррекции различных помех обуславливают в настоящее время значительные трудности достижения высокой точности, с которой необходимо знать физические характеристики изучаемых процессов и явлений. Именно это обстоятельство является основным препятствием для более широкого применения и эффективного использования возможностей аэрокосмических средств. Поэтому главная проблема сегодня заключается в разработке достаточно точных и в выборе наиболее подходящих для решения конкретных задач, методов дистанционного зондирования, имея в виду как получение надежных экспериментальных данных, так и возможность их достоверной и однозначной интерпретации.
- II -
В соответствии со сказанным выше, наличие математической модели, адекватной существу исследуемого процесса, является обязательным элементом дистанционного зондирования, без которого невозможно обоснованно использовать получаемые результаты.
Очевидно также , что без учета всех основных факторов, влияющих на точность измерения, даже самая совершенная в техническом отношении система дистанционного зондирования будет малоэффективной. В связи с этим возникает задача выбора параметров аппаратуры, исходя из реальных характеристик подстилающей поверхности и атмосферы, с целью достижения максимальной суммарной точности измерений.
Необходимость проведения не только относительных, но и абсолютных измерений с точностью,требуемой для количественного анализа изучаемых явлений и процессов, выдвинула на первый план задачу коррекции влияния атмосферы [l8, 29-37] . При этом следует отметить, что измерения только во "всепогодном" сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне не могут обеспечить требуемой точности абсолютных измерений, поскольку излучательная способность подстилающей поверхности в этом диапазоне в сильной степени зависит от состояния поверхностного слоя [9]. Поэтому необходимо проводить более точные измерения в ЙК диапазоне в безоблачных условиях, с тем, чтобы по ним скорректировать СВЧ измерения [б]. Следует подчеркнуть, что существующие в настоящее время методы дистанционного зондирования даже при отсутствии облачности не обеспечивают требуемой точности измерений. Таким образом, в настоящее время первостепенной практической задачей является повышение точности абсолютных измерений в Ж диапазоне именно в безоблачных условиях. В связи с этим проблема полного учета влияния водяного пара - главного поглотителя при измерениях в
ИК окнах прозрачности атмосферы - является исключительно важной для дальнейшего развития космического землеведения.
При решении проблемы учета влияния атмосферы наметились и получили развитие три основные группы методов - одноканальные
[38-61] , двух-трехканальные [62-98] и многоканальные (комплексный подход) [107-124] . Следует отметить, что обычно рассматривается влияние лишь отдельного или некоторых факторов (как правило, это - влияние атмосферы, а также погрешности аппаратуры, ошибки при обработке и передаче данных, различие результатов контактных и дистанционных измерений) на результаты дистанционного зондирования, а системный подход, учитывающий все основные физические механизмы, отсутствует. Между тем необходимость такого подхода как при постановке задачи, так и при проектировании аппаратуры дистанционного зондирования вполне очевидна [П7].
Данное диссертационное исследование посвящено разработке и обоснованию двух-трехканального метода дистанционного зондирования в ИК диапазоне с учетом основных факторов и физических механизмов в системе подстилающая поверхность - атмосфера -аппаратура, имея в виду применение этих результатов как при интерпретации получаемых экспериментальных данных, так и для определения путей совершенствования аппаратуры.
Выбор двух-трехканальных методов обусловлен тем, что в настоящее время эти методы наиболее пригодны для практического решения многочисленных задач дистанционного зондирования, в том числе в реальном масштабе времени. Для реализации этих методов требуется сравнительно простая аппаратура, а объем и сложность обработки информации существенно меньше, чем при использовании многоканальных методов. Отметим, что по имеющимся данным точность одноканальных методов составляет 2...4 К,
- ІЗ -
а многоканальных - не лучше І К [Юб, 107], что явно недостаточно для решения многих задач, отмеченных выше. Однако, существующие сегодня двух-трехканальные методы дистанционного зондирования в Ж диапазоне имеют ограниченную область применения и нуждаются в надежном обосновании и дальнейшем совершенствовании , чтобы соответствовать предъявляемым требованиям.
С учетом сказанного выше были поставлены следующие основные цели и задачи исследования:
Установление предельных возможностей и обоснование использования двух-трехканальных методов дистанционного зондирования в ЙК диапазоне на основе системного подхода , с учетом всех основных физических механизмов задачи.
Выявление таких спектральных интервалов и углов зондирования, при которых суммарная погрешность измерений минимальна.
Исследование возможностей снижения "порога обнаружи-мости" тепловых контрастов.
Разработка метода сквозного проектирования аэрокосмической аппаратуры с учетом всего тракта прохождения сигнала: подстилающая поверхность - атмосфера - аппаратура.
Исследование методов снижения влияния случайных ошибок и шумов путем соответствующей обработки информации, исходя из требований к совокупности дистанционно определяемых параметров и возможностей измерительной аппаратуры.
Каждая из рассмотренных выше задач потребовала разработки адекватных моделей соответствующих процессов, в частности, физических моделей подстилающих поверхностей. Кроме того, из-за трудностей математического анализа весьма сложных уравнений переноса Ж излучения в атмосфере Земли применительно к методам дистанционного зондирования и вследствие необходимости проведе-
шш громоздких расчетов, возникла дополнительная задача разработки универсальных программ для ЭВМ типа БЭСМ-6 и серии ЕС, позволяющих с высокой надежностью моделировать изучаемые механизмы и явления.
Поскольку проблема дистанционного зондирования затрагивает широкий круг вопросов, относящихся к различным областям науки и техники, то основное внимание было обращено только на отдельные важнейшие проблемы, непосредственно связанные с целями и задачами настоящего исследования.
В результате выполненных исследований получено обоснование применимости двух-трехканальных методов на основе системного подхода для реального диапазона метеоусловий и различных типов подстилающих поверхностей. Данный подход реализован путем создания математической модели, алгоритма расчета и программ для ЭВМ.
Впервые установлено существование и проведен выбор оптимальных каналов (отличающихся как спектральными интервалами, так и углами зондирования), минимизирующих суммарную погрешность измерений температуры различных подстилающих поверхностей. Важно отметить, что использование оптимальных каналов позволяет повысить в два-три раза точность абсолютных измерений и регистрировать меньшие тепловые контрасты. Следует особо подчеркнуть, что влияние атмосферы в типичных ситуациях удается снизить до уровня шумов измерительной аппаратуры; использование же процедуры обработки информации, основанной на усреднении данных по соседним мгновенным полям зрения, позволяет снизить случайные погрешности до приемлемого уровня.
Для практической реализации предложенного метода разработана методика сквозного проектирования ИК систем дистанционного
зондирования и выбора параметров аппаратуры с учетом характерных свойств и состояния подстилающей поверхности и атмосферы.
Предложен метод расчета отношения сигнал/шум, учитывающий статистическую природу и вероятность реализации значений параметров подстилающей поверхности, атмосферы и аппаратуры.
