Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2014 номер 7

Речь идет о пионерских атмосферно-оптических космических исследованиях и консервативных системах дистанционного зондирования околоземного космического пространства и Земли на основе ее радиационных характеристик. Космические исследования - это такая область фундаментальных и прикладных работ, которая с первых шагов своего становления не могла развиваться без использования ЭВМ. Освоение космического пространства послужило значительным фактором совершенствования ЭВМ и формирования новых научных направлений, связанных с математическим моделированием радиационного поля Земли, теориями переноса изображения, видения, обработки и распознавания образов и т.д. Информационно-математическое обеспечение - обязательная составная часть любого космического проекта. Представлена краткая история атомного и космического проектов и формирования научных школ по теории переноса излучения, чтобы восстановить истинные факты начала открытия космической эры и развития космонавтики и показать, как гениальные математик М.В. Келдыш и конструктор С.П. Королев вместе покорили космос. Важно обратить внимание на перспективное научное направление, связанное с приложениями «computer science» с параллельными супервычислениями, ГРИД и «облачными» технологиями в многогранных космических исследованиях, проблемах дистанционного зондирования Земли (Remote Sensing), эволюции окружающей среды и климата Земли.

Обсуждаются возможности методов оценки состояния растительности, в том числе и сельскохозяйственной, по данным дистанционного (спутникового) мониторинга, а также применение подхода, основанного на анализе отклонения временного наблюдаемого хода вегетационных индексов (ВИ) для конкретных объектов и регионов от «нормального». Рассматриваются вопросы построения «нормальных» динамик ВИ для различных регионов. Особое внимание уделено преимуществам использования (для реализации предлагаемого подхода) спутникового сервиса «ВЕГА», созданного в ИКИ РАН для решения задач исследования состояния растительного покрова Северной Евразии.

Рассмотрено применение различных вегетационных индексов для количественной оценки основных параметров пастбищных территорий (общего проективного покрытия, урожайности, содержания сорно-рудеральных видов растительности и степени деградации почвенно-растительного покрова) на основе спутниковых данных низкого и среднего пространственного разрешения. Для каждого вегетационного индекса была определена корреляция с соответствующими наземными параметрами. На основе индексов, имеющих хорошую корреляцию с наземными данными, разработан алгоритм комплексной оценки состояния пастбищ.

Рассмотрены основные этапы развития технологий распознавания природно-техногенных объектов по данным дистанционного зондирования (когнитивных технологий обработки оптических изображений) в совокупности с вычислительными процедурами атмосферной коррекции многоспектральных и гиперспектральных аэрокосмических изображений. Основное внимание уделяется распознаванию лесных экосистем разного породного состава и возраста по данным летных испытаний отечественной гиперспектральной аппаратуры для выбранной тестовой территории, на которой проводились наземные лесотаксационные и другие обследования. Для отдельных градаций возрастов чистых березовых и сосновых насаждений показаны высокие точности распознавания таких объектов на основе разработанного программно-алгоритмического обеспечения обработки самолетных гиперспектральных изображений.

Получено байесово решающее правило распознавания гиперспектральных аэрокосмических данных. Приводится пример распознавания типов древостоев.

Приведены поляризационно-угловые зависимости радиояркостной температуры, измеренной космическим радиометром SMOS в L-диапазоне частот на различных участках земной поверхности. Установлено, что в ряде случаев результаты измерений не описываются существующей моделью для коэффициента отражения микроволн, что приводит к ошибкам при восстановлении влажности почвы. Расчетным путем показано, что слоистая структура влажности почвы оказывает существенное влияние на поведение радиояркостной температуры. Предложено дополнить алгоритм восстановления влажности методом, учитывающим возможную слоистую структуру влажности почвы.

Представлены результаты исследования микродеформаций почвенного покрова и оползневых процессов п-ова Ямал методами дифференциальной интерферометрии и анализа сезонных и долговременных изменений текстуры радиолокационных изображений.

Обсуждается применение космического зондирования атмосферы прибором ATOVS в инфракрасном и радиодиапазоне для оценки тропосферной задержки сигналов ГЛОНАСС/GPS. Исследована зенитная тропосферная задержка по вертикальным профилям тропосферы за весь 2012 г. для района г. Красноярска. Сравнение с результатами расчетов задержки по моделям Саастамойнена и Хопфилд, использующих наземные метеорологические данные, показало, что три метода дают близкие результаты, однако задержка по модели Саастамойнена имеет смещение на -0,0186 м, а по модели Хопфилд - на -0,0135 м.

Приводится описание комплекса программ восстановления распределения коэффициента отражения земной поверхности, а также разработанных приемов для значительного сокращения времени расчетов. На примере тестового участка западного побережья Африки проведено сравнение результатов, полученных предлагаемым алгоритмом, алгоритмом однородной коррекции и стандартным алгоритмом MOD09 NASA. Коэффициенты корреляции результатов для данного тестового участка составляют между новым алгоритмом и алгоритмом однородной коррекции 0,999, а с алгоритмом MOD09 - 0,984.

Дано описание программного обеспечения информационно-вычислительной системы атмосферной коррекции спутниковых изображений, позволяющей проводить расчеты в автоматическом режиме с использованием распределенных данных. В качестве информации о состоянии атмосферы определены два типа данных: прогностические модели и результаты спутниковых измерений. Для оценки релевантности спутниковых метеоданных разработан метод прогнозирования достоверности результатов расчета. Система предоставляет возможность проведения атмосферной коррекции для широкого диапазона популярных спутниковых приборов при многообразных атмосферных метеоусловиях и сочетании различных искажающих факторов.

По данным спутниковых наблюдений (ИСЗ NOAA, Terra, Earth Probe) проведены исследования вариаций аэрозольной оптической толщи атмосферы и аэрозольного индекса, вызванных крупномасштабными лесными пожарами в Центральной Якутии в период май-сентябрь 2002 г. С помощью модельного приближения и данных дистанционного зондирования Земли о площадях гарей сделана количественная оценка суммарных выбросов CO₂, CO, CH₄ и др. Сопоставлены выбросы продуктов горения от лесных пожаров в Центральной Якутии с общемировыми выбросами от пожаров во всех типах экосистем и среднегодовыми выбросами от вулканической деятельности. Рассмотрены случаи дальнего переноса аэрозольных полей на фазах максимальной активизации лесных пожаров.

Сформирована система информативных текстурных признаков для изображений различных типов перистой облачности на спутниковых снимках MODIS с разрешением 250 м. Для описания текстуры применяются методы: Gray-Level Co-occurrences Matrix, Gray-Level Difference Vector и Sum and Difference Histograms. Определены законы распределения, описывающие флуктуации текстурных признаков, и найдены оценки их параметров. Приводятся и обсуждаются результаты классификации подтипов перистой облачности с использованием нейросетевых технологий.

Проведен сравнительный анализ результатов биоиндикационных исследований изменения состояния деревьев-биоиндикаторов в зоне загрязнения атмосферного воздуха в результате сжигания попутного газа на Приобском нефтяном месторождении и оценок, полученных на основе вегетационных индексов, определяемых по космическим снимкам. Показано достаточно приемлемое соответствие результатов дистанционной оценки изменений состояния лесной растительности данным биоиндикационных наземных исследований в таежной зоне.

Основными направлениями экологического контроля территории из космоса являются разработка методов дистанционного зондирования параметров поверхности Земли и атмосферы и проведение мониторинга состояния окружающей среды. Данные мониторинга необходимы для исследования природных процессов и анализа воздействий естественных и антропогенных факторов на природную среду. Для получения, обработки и анализа данных дистанционного спутникового мониторинга необходимо создание соответствующего программного обеспечения. Рассматриваются результаты, полученные с помощью программной системы при обработке спутниковых данных спектрорадиометра MODIS - рассчитанные вегетационные индексы и анализ их пространственно-временного поведения. На основе статистических данных выделяется зависимость естественных вариаций индексов во времени, что позволяет обнаружить изменения вариаций за счет антропогенных воздействий.