Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук: 01.04.05 - оптика. — Институт оптики
атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения РАН. — Томск, 2011. —
39 с.
Научный консультант: доктор физико-математических наук Белов В.В.
Цель работы – обоснование, программная реализация
и апробация на практике многофакторного физического подхода (МФП) к
атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений земной
поверхности, полученных в спектральных диапазонах 3.5-4 и 8-13
мкм.
Основой многофакторного физического подхода являются:
решение уравнения переноса излучения;
учет поглощения и многократного рассеяния излучения атмосферными газами, аэрозолем и полупрозрачной облачностью, включая процесс бокового подсвета и эффект образования атмосферных бликов в спектральной области 3.5-4 мкм;
спутниковые данные о параметрах состояния атмосферы в момент проведения ДЗЗ.
Следует подчеркнуть, что большой объем вычислений и быстродействие расчетов при реализации МФП не является в настоящее время достаточно сложной проблемой в связи с активным развитием вычислительной техники, современных технологий параллельного программирования, других приемов эффективного решения подобного рода задач.
Научная новизна работы
При разработке МФП впервые:
определены требования к вертикальному разрешению и точности задания профилей температуры и влажности атмосферы, а также условия компенсации их ошибок, которые обеспечивают учет молекулярного поглощения с точностью порядка 0.5 K при атмосферной
коррекции спутниковых ИК-изображений земной поверхности;
определены оптико-геометрические ситуации и требования к точности задания характеристик аэрозольных или облачных слоев, при которых обеспечивается учет искажающего влияния слоев с точностью порядка 0.5-1 K при атмосферной коррекции ИК-изображений;
исследованы закономерности проявления в спектральных диапазонах 3.5-4 и 8-13 мкм процесса бокового подсвета; определены оптико-геометрические условия, когда его учет необходим при атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений температурно-неоднородной земной поверхности;
доказано, что данные о параметрах оптико-метеорологического состояния атмосферы, полученные по измерениям прибора MODIS, позволяют восстанавливать температуру земной поверхности с погрешностью менее 1-1.5 K; предложен способ автоматической компенсации ошибок задания метеоданных при атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений;
предложен и апробирован новый подход к оценке оптического состояния атмосферы, характеристик аэрозоля и перистой облачности, который основан на спектральных различиях значений температуры земной поверхности, восстановленных после учета молекулярного
поглощения в ИК-каналах MODIS, используемых для ДЗЗ;
получен значимый положительный эффект от применения многофакторного физического подхода к задачам температурного зондирования земной поверхности, включая восстановление температуры земной поверхности и характеристик излучения очагов горения, детектирования очагов горения из космоса;
определены значения оптической толщи аэрозольных или облачных слоев, размеры облачных частиц и геометрические условия спутниковых наблюдений, при которых возникают атмосферные блики за счет рассеяния солнечного излучения на аэрозольных и облачных образованиях.
Научная и практическая значимость
Доказано, что многофакторный физический подход к атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений земной поверхности позволяет на основе спутниковых данных о параметрах состояния атмосферы в момент ДЗЗ учитывать, наряду с молекулярным поглощением восходящего теплового излучения, также поглощение и многократное рассеяние излучения аэрозолем и полупрозрачной облачностью, процессы бокового подсвета и возникновения атмосферных бликов в спектральном диапазоне 3.5-4 мкм. Применение многофакторного физического подхода на практике обеспечивает по сравнению с конкурирующими алгоритмами повышение точности либо расширение области решения тематических задач ИК-мониторинга земной поверхности.
Основой многофакторного физического подхода являются:
решение уравнения переноса излучения;
учет поглощения и многократного рассеяния излучения атмосферными газами, аэрозолем и полупрозрачной облачностью, включая процесс бокового подсвета и эффект образования атмосферных бликов в спектральной области 3.5-4 мкм;
спутниковые данные о параметрах состояния атмосферы в момент проведения ДЗЗ.
Следует подчеркнуть, что большой объем вычислений и быстродействие расчетов при реализации МФП не является в настоящее время достаточно сложной проблемой в связи с активным развитием вычислительной техники, современных технологий параллельного программирования, других приемов эффективного решения подобного рода задач.
Научная новизна работы
При разработке МФП впервые:
определены требования к вертикальному разрешению и точности задания профилей температуры и влажности атмосферы, а также условия компенсации их ошибок, которые обеспечивают учет молекулярного поглощения с точностью порядка 0.5 K при атмосферной
коррекции спутниковых ИК-изображений земной поверхности;
определены оптико-геометрические ситуации и требования к точности задания характеристик аэрозольных или облачных слоев, при которых обеспечивается учет искажающего влияния слоев с точностью порядка 0.5-1 K при атмосферной коррекции ИК-изображений;
исследованы закономерности проявления в спектральных диапазонах 3.5-4 и 8-13 мкм процесса бокового подсвета; определены оптико-геометрические условия, когда его учет необходим при атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений температурно-неоднородной земной поверхности;
доказано, что данные о параметрах оптико-метеорологического состояния атмосферы, полученные по измерениям прибора MODIS, позволяют восстанавливать температуру земной поверхности с погрешностью менее 1-1.5 K; предложен способ автоматической компенсации ошибок задания метеоданных при атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений;
предложен и апробирован новый подход к оценке оптического состояния атмосферы, характеристик аэрозоля и перистой облачности, который основан на спектральных различиях значений температуры земной поверхности, восстановленных после учета молекулярного
поглощения в ИК-каналах MODIS, используемых для ДЗЗ;
получен значимый положительный эффект от применения многофакторного физического подхода к задачам температурного зондирования земной поверхности, включая восстановление температуры земной поверхности и характеристик излучения очагов горения, детектирования очагов горения из космоса;
определены значения оптической толщи аэрозольных или облачных слоев, размеры облачных частиц и геометрические условия спутниковых наблюдений, при которых возникают атмосферные блики за счет рассеяния солнечного излучения на аэрозольных и облачных образованиях.
Научная и практическая значимость
Доказано, что многофакторный физический подход к атмосферной коррекции спутниковых ИК-изображений земной поверхности позволяет на основе спутниковых данных о параметрах состояния атмосферы в момент ДЗЗ учитывать, наряду с молекулярным поглощением восходящего теплового излучения, также поглощение и многократное рассеяние излучения аэрозолем и полупрозрачной облачностью, процессы бокового подсвета и возникновения атмосферных бликов в спектральном диапазоне 3.5-4 мкм. Применение многофакторного физического подхода на практике обеспечивает по сравнению с конкурирующими алгоритмами повышение точности либо расширение области решения тематических задач ИК-мониторинга земной поверхности.