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

© Никита Шахулов, 2021

ISBN 978-5-0053-3738-2

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

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.

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.