12+
Систематическое исследование чувствительности поверхностных сдвигов пикселей на спутниковых снимках высокого пространственного разрешения

Бесплатный фрагмент - Систематическое исследование чувствительности поверхностных сдвигов пикселей на спутниковых снимках высокого пространственного разрешения

В результате атмосферной рефракции в датчике к поверхностному пути лучей

Объем: 28 бумажных стр.

Формат: epub, fb2, pdfRead, mobi

Подробнее

Систематическое исследование чувствительности поверхностных сдвигов пикселей на спутниковых снимках высокого пространственного разрешения В результате атмосферной рефракции в датчике к поверхностному пути лучей.


Систематическое исследование чувствительности поверхностных сдвигов пикселей на спутниковых снимках высокого пространственного разрешения В результате атмосферной рефракции в датчике к поверхностному пути лучей.


При наблюдении земной поверхности с низкоорбитальной спутниковой платформы (НОО) с оптическим датчиком на восходящий путь распространения света от земли к спутнику влияет атмосферная рефракция. Для датчиков изображения с пространственным разрешением около одного километра на земле атмосферной рефракцией обычно пренебрегают при георегистрации спутниковых изображений. Однако для систем визуализации с высоким пространственным разрешением с размерами поверхностных пикселей около одного метра или более, пренебрежение атмосферными эффектами рефракции, как правило, может привести к ошибкам в несколько метров в пространственно зарегистрированных изображениях. Эффекты атмосферной рефракции необходимо должным образом учитывать при пространственной регистрации спутниковых изображений высокого пространственного разрешения. Я обнаружил, что с незначительными изменениями модели трассировки лучей, реализованные в серии кодов переноса атмосферного излучения LOWTRAN, разработанных в 1970-х и 1980-х годах, в частности LOWTRAN7 в конце 1980-х годов, могут быть использованы для моделирования смещения пикселей в результате атмосферной рефракции для спутниковых наблюдений. Модели серии LOWTRAN первоначально были разработаны для расчета атмосферных пропусканий и излучений для излучения, проходящего через длинные пути земной атмосферы. На участках трассировки лучей кодов сферическая модельная атмосфера от земли до 100 км тонко разделена примерно на 30 тонких атмосферных слоев. Точно рассчитаны углы преломления для траекторий лучей между последовательными границами слоев. Я по-новому использую углы преломления, рассчитанные по коду LOWTRAN7, для изучения сдвига пикселей поверхности, возникающего в результате атмосферной рефракции, для спутниковых наблюдений. В этом письме я сообщаю о результатах моделирования смещений поверхностных пикселей для различных высот спутника и зенитных углов обзора вниз, нескольких профилей атмосферной температуры и давления, нескольких высот поверхности и зависимостей длин волн от синего (450 нм) до ближнего ИК-диапазона (865 нм). Эти результаты могут иметь опорные значения для исследователей, чтобы оценить вызванные рефракцией смещения пикселей на их спутниковых снимках с высоким пространственным разрешением. Полученные результаты могут также потенциально помочь в разработке алгоритмов космических аппаратов для точного наведения приборов и задания задач полета для автоматического захвата кратковременных научных событий.

1. Вступление

В настоящее время дистанционные наблюдения Земли в глобальном масштабе осуществляются с помощью приборов NASA Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) [1,2] и Visible Infrared Imaging Spectroradiometer Suite (VIIRS) [3] с полярных орбитальных спутниковых платформ. Восходящие пути лучей от поверхности к спутникам подвержены влиянию атмосферных эффектов преломления. Чтобы выяснить, следует ли учитывать эффект преломления для точной геолокации данных изображений MODIS и VIIRS, Ноердлингер [4] разработал аналитический метод, определяющий угол атмосферной рефракции и кажущееся смещение точки пересечения Земли из-за атмосферной рефракции. В методе Ноердлингера предполагается однослойная и сферически симметричная модельная атмосфера. Преобразование угла изгиба в горизонтальное смещение пикселя производится приблизительно путем принятия высоты шкалы для тропосферы. Результаты моделирования Ноердлингера показывают, что при зенитном угле около 45 градусов и средней высоте тропосферного масштаба 10,5 км пиксель на спутниковом изображении на уровне моря будет смещен примерно на 5 м, что намного меньше размеров пикселей около одного км для некоторых полос MODIS и 750 м для некоторых полос VIIRS. В результате в настоящих геолокационных продуктах MODIS и VIIRS эффектами атмосферной рефракции пренебрегают.


В последние годы спутниковые снимки высокого пространственного разрешения с пространственным разрешением ~1 м и более становятся все более доступными для общественного пользования. Точная геолокация изображений с высоким пространственным разрешением требует четкого учета атмосферных эффектов. Обзор изгиба и задержки распространения атмосферных преломляющих электромагнитных волн был дан Мангумом и Уоллесом [5]. Они предположили, что для точного расчета преломляющего изгиба требуется двухслойная модель атмосферы (слой стратосферы поверх слоя тропосферы). Ян и др. [6] сообщили о методе коррекции ошибки геолокации, возникающей в результате атмосферной рефракции, для оптических спутниковых изображений высокого разрешения. Они использовали упрощенную двухслойную модель атмосферы, включающую тропосферу плюс стратосферу, для расчета преломляющих изгибающих эффектов. Их расчетное полное смещение пикселей поверхности является результатом сочетания тропосферного изгиба и стратосферного изгиба. Упомянутая выше работа по моделированию атмосферных эффектов преломления и изгиба исходит от исследовательских сообществ астрономии и спутниковой геодезии.


С начала 1970-х годов в сообществе атмосферных наук разрабатывается ряд алгоритмов трассировки лучей, предполагающих многослойную сферически симметричную модель атмосферы (~30 слоев) с преломлением [7,8,9]. Алгоритмы используются в основном для точного расчета длины пути солнечных лучей в каждом слое атмосферы для света, достигающего земли, высотных аэростатов [10,11] или спутниковых приборов [12] в условиях низкого угла наклона солнца. Рассчитанные длины траекторий в многослойной модельной атмосфере затем используются для преобразования полученных количеств следовых атмосферных газов в длинных наклонных траекториях из измеренных спектров инфракрасного пропускания в эквивалентные количества газов в вертикальных траекториях от земли до космоса [12].


Разработка «Компьютерной программы Airmass для расчета атмосферного пропускания/излучения: FSCATM» в 1983 году [9] ознаменовала зрелость разработки алгоритма трассировки лучей в сообществе атмосферных наук. Алгоритм трассировки лучей FSCATM с незначительными улучшениями был включен в ряд алгоритмов моделирования атмосферы, таких как LOWTRAN6 [13], LOWTRAN7 [14] и MODTRAN [15]. Он позволяет задать несколько вариантов геометрии наклонной траектории, включая траекторию между высотой спутника (H1) и высотой земной поверхности (H2). На основе нашего тщательного изучения общедоступного исходного кода компьютера LOWTRAN7 я обнаружил, что углы преломления для траекторий лучей между последовательными границами атмосферного слоя точно рассчитаны, но эти углы не записаны в промежуточных печатных файлах с достаточным количеством полезных цифр. Я по-новому использую код LOWTRAN7 для расчета углов преломления для изучения сдвига поверхностных пикселей в результате атмосферной рефракции для спутниковых наблюдений. В этом письме я сообщаю о результатах моделирования смещений поверхностных пикселей для различных высот спутника и зенитных углов обзора вниз, нескольких профилей атмосферной температуры и давления, нескольких высот поверхности и зависимостей длин волн от синего (450 нм) до ближнего ИК-диапазона (865 нм).

2. Методы

Алгоритм многослойной трассировки атмосферных лучей, используемый в этом исследовании, был хорошо описан ранее в нескольких научных докладах [9,13,14]. Ниже я суммирую основные моменты алгоритма трассировки лучей, реализованного внутри LOWTRAN7.


В LOWTRAN7 имеется в общей сложности 6 встроенных модельных атмосфер, которые соответствуют американскому стандарту (1976), тропическим, среднеширотным летним, среднеширотным зимним, субарктическим летним и субарктическим зимним моделям. Для каждой модельной атмосферы вертикальные профили высоты, давления, температуры и плотности водяного пара сводятся в таблицу с шагом 1 км от 0 до 25 км, с шагом 5 км от 25 до 50 км, а затем с шагом 70 км и 100 км. Последний уровень высоты указан на уровне 99 999 км, что соответствует геометрии наблюдения спутника над атмосферой. LOWTRAN7 также позволяет пользователям вводить свои собственные модельные атмосферы.


Рисунок 1 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую геометрию обзора поверхности спутника вниз. Сплошной черный круг представляет собой сферическую Землю с радиусом Re. Пунктирная окружность представляет собой верхнюю часть земной атмосферы (ТОА) с радиусом Re плюс 100-километровая толщина модельной атмосферы. Предположим, что два спутниковых датчика, расположенных на S1 и S2 с S1> S2, но с тем же самым спутником, наблюдающим зенитный угол θ, смотрят на поверхность Земли. Точки пересечения в TOA-это A1 и A2 соответственно. Локальные зенитные углы обзора вверх в точках A1 и A2 равны θ1 и θ2 соответственно, но с θ1> θ2 из-за кривизны Земли. Путь луча от S1 к поверхности Земли будет иметь большее преломляющее смещение, чем путь от S2 к поверхности из-за большего локального угла падения в точке A1. Геометрия пути преломления лучей также была проиллюстрирована во многих других работах и докладах, таких как работы Ноердлингера [4], Яна и др. [6], и Kneizys et al. [13]. Эти иллюстрации, как правило, не отражают в явном виде тот тонкий момент, что величина смещения пикселя поверхности в результате атмосферной рефракции зависит от высоты спутника.

Бесплатный фрагмент закончился.

Купите книгу, чтобы продолжить чтение.