Адаптивные оптические модели атмосферы в проблеме коррекции спектральной аэрокосмической информации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Кобякова, Нина Васильевна

• Кобякова, Нина Васильевна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кобякова, Нина Васильевна

Содержание Введение

1 СТРУКТУРИЗАЦИЯ, ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРОЗОЛЬНОЙ АТМО-

СФЕРЫ

1.1 Основные оптические характеристики атмосферы. Базовые оптические параметры моделирования

1.2 Первичные микрофизические характеристики аэрозольных частиц и алгоритм расчетов, их базовых оптических характеристик

1.3 Современные оптико-физические модели атмосферного аэрозоля

1.4 Многослойная аэрозольная модель ИАБСОМ

1.5 Модификация модели НАБСОМ: построение многослойной оптической модели СПИИРАН

1.6 Модели земной атмосферы Ь0\УТ11АМ

1.7 Структуризация, параметризация и основные принципы имитационного оптического моделирования

2 ПОСТРОЕНИЕ АДАПТИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МО-

ДЕЛЕЙ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ

2.1 Моделирование оптических параметров сферических двухслойных полидисперсных аэрозольных частиц на основе обобщения классической теории Ми

2.2 Построение трехпараметрической адаптивной оптической модели земной атмосферы

2.3 Спектральная оптимизация оптических параметров модели

2.4 Адаптация аэрозольной оптической модели к реальным условиям пограничного слоя земной атмосферы

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ФУНКЦИИ ВЛИЯНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ

3.1 Постановка задачи

3.2 Базисная краевая задача теории переноса излучения для вертикально-неоднородной атмосферы, ограниченной снизу произвольным неортотропным отражающим дном

3.3 Точное решение краевой задачи теории переноса излучения в приближении однократного рассеяния в атмосфере и однократного отражения от подстилающей поверхности

3.4 Численное моделирование спектральной функции влияния на разных уровнях аэрозольной земной атмосферы с помощью пакета прикладных программ ЬО\¥Т11АК7

3.5 Результаты численного моделирования фукций влияния на основе пакета прикладных программ ЬО\¥ТКАК7

3.6 Моделирование спектрального восходящего излучения в многослойной земной атмосфере при ее различных аэрозольных состояниях

3.7 Возможности усовершенствования пакета прикладных программ LOWTRAN в интересах численного моделирования полей излучения природных сред

4 КАЛИБРОВОЧНЫЕ МОДЕЛИ ПЕРЕДАТОЧНОГО ОПЕРАТОРА ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ

4.1 Основные информационные уровни аэрозольного оптического моделирования

4.2 Численное моделирование калибровочных параметров передаточной функции многослойной земной атмосферы в приближении однократного рассеяния

4.3 Информационное обеспечение замкнутого аэрозольного оптического моделирования

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адаптивные оптические модели атмосферы в проблеме коррекции спектральной аэрокосмической информации»

ВВЕДЕНИЕ

Комплексная проблема автоматизированной обработки, анализа и тематической интерпретации спектрофотометрической спутниковой информации связана с количественной оценкой параметров состояния природных сред, построением глобальных и региональных экологических моделей, прежде всего, адаптивных моделей земной атмосферы и подстилающих поверхностей [1, 2]. Решение данной проблемы предполагает предварительное проведение атмосферной коррекции и пространственно-частотной фильтрации спектрального излучения, отражаемого системой "атмосфера- поверхность Земли"и регистрируемого на борту космического носителя (рис.1) [3, 4]. Указанные выше проблемы могут быть исследованы на основе решения обратных задач дистанционного зондирования Земли из космоса и проведения комплексных подспутниковых экспериментов, совмещенных по времени и пространству с космической съемкой ключевых зон системы "атмосфера-подстилающая поверхность" [5]. Хорошо известны большие математические трудности решения обратных задач космической спектрофотометрии Земли, связанные с их некорректностью с точки зрения устойчивости и единственности численных реализаций, а также с необходимостью предварительной регуляризации (сглаживания) входной спутниковой информации [6, 7, 8]. Не меньшие сложности возникают в реализации совмещенных комплексных подспутниковых экспериментов, требующих высокой степени пространственно-углового, временного и спектрального согласования в работе наземного и бортового комплексов аппаратуры. Поэтому перспективным под-

ходом для решения указанных выше задач и, прежде всего, решения проблемы атмосферной коррекции и фильтрации спектральной спутниковой информации является имитационное математическое моделирование базовых оптических характеристик природных сред и их полей излучения на основе соответствующей структуризации и параметризации, адекватно отражающих реальное взаимодействие оптико-метеорологических полей системы "атмосфера-подстилающая поверхность" с солнечным излучением (рис.2) [9]. Проведение соответствующего математического моделирования и численного анализа его результатов показали, что их эффективность во многом зависит от создания входных адаптивных оптических моделей системы "атмосфера-подстилающая поверхность", адекватно отражающих реальную ситуацию в оружающей природной среде на момент съемки Земли из космоса [10, 11, 12, 13] . Известно, что спектральные оптические модели атмосферы и естественных подстилающих поверхностей Земли определяются типом, структурой, вертикальной стратификацией атмосферного аэрозоля и видом природного образования, которые характеризуют закон их взаимодействия с солнечной радиацией и подстилающей поверхностью [14, 15, 16, 17]. Кроме того, необходимо учитывать особенности спектральных и пространственно-временных распределений оптических параметров аэрозольной атмосферы и отражательных характеристик подстилающих поверхностей непосредственно в зоне космической съемки. С учетом сказанного структура и основное содержание диссертационной работы определяется последовательностью решаемых задач, приведенных на рисунке 3.

В своей основе данная работа посвящена решению актуальной

Рис. 1: Функциональная схема преобразования спектральной спутниковой информации в системе дистанционного зондирования Земли из космоса

Рис. 2: Структурная схема математического моделирования задачи атмосферной коррекции и фильтрации спектральной спутниковой информации

Рис. 3: Функциональная схема моделирования оптических параметров системы "атмосфера-поверхность Земли"

прикладной проблемы комплексного имитационного моделирования, связанного с построением в видимой области спектра (Л = 400— 800нм) адаптивных оптических моделей вертикально-неоднородной аэрозольной земной атмосферы, которые необходимы для проведения одного из важнейших этапов автоматизированной обработки спутниковой информации - атмосферной коррекции и пространственно-частотной фильтрации спектральной аэрокосмической информации на наземных центрах обработки и анализа спутниковых данных.

Основная цель работы состояла в определении основных этапов и обоснования структуры адаптивного имитационного моделирования базовых оптических характеристик аэрозольной атмосферы, проведении многофакторного моделирования на ЭВМ и численного анализа его результатов, необходимых для построения трехмерных адаптивных моделей пространственно-временного распределения спектральных оптических характеристик реальной земной атмосферы и ее функции влияния в видимой области спектра. Основная Цель работы включает также разработку соответствующих алгоритмов численного моделирования, построение калибровочных соотношений для валидации оптических моделей и проведение расчетов калибровочных параметров передаточного оператора системы "атмосфера-подстилающая поверхность" в видимой области спектра.

Основные задачи, решаемые в работе, состоят в следующем:

• параметризация и структуризация взаимосвязей модельных оптических характеристик с реальными оптико-физическими и метеорологическими полями земной атмосферы;

• обоснование структуры и основных этапов адаптивного имитационного моделирования оптических характеристик земной атмосферы, выбор метода адаптивного имитационного моделирования и определение алгоритма его проведения;

• построение адаптивных многослойных оптических моделей атмосферы Земли в видимой области спектра;

• разработка математической модели, численное моделирование и анализ функции влияния аэрозольной земной атмосферы в видимой области спектра для условий космического эксперимента;

• построение калибровочной модели передаточного оператора аэрозольной земной атмосферы в видимой области спектра.

Математический аппарат, используемый в работе, включает:

• дискретные Фурье-преобразования,

• метод покоординатного спуска,

• линейные преобразования специальных функций,

• методы нелинейной интерполяции и аппроксимации функций.

Основные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:

1. Адаптивность модельных базовых оптических характеристик к реальным условиям многослойной земной атмосферы позволяет проводить атмосферную коррекцию спектральной аэрокосмической информации при заданных географических координатах и воемени космической съемки.

2. Использование двухслойной структуры неоднородных аэрозольных частиц и модификация классической теории Ми позволяют проводить моделирование базовых оптических характеристик с учетом влияния полей влажности и метеорологической дальности видимости реальной атмосферы.

3. Структуризация, параметризация и спектральная оптимизация оптических характеристик земной атмосферы обеспечивают их максимальную адекватность к реальным условиям на основе процедуры минимизации невязок экспериментально измеренных и моделируемых оптико-физических параметров.

4. Математическая модель спектральной функции влияния многослойной земной атмосферы для восходящего излучения позволяют выбрать оптимальные слои в атмосфере для наиболее эффективного решения обратных задач дистанционного зондирования системы "атмосфера-подстилающая поверхность" из космоса.

5. Калибровочные модели передаточного оператора земной атмосферы в приближении однократного рассеяния позволяют определить погрешности приближенных алгоритмов и численных схем, используемых в процедурах атмосферной коррекции и фильтрации аэрокосмической информации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Для использования оптических параметров реальной земной атмосферы в задачах обработки, анализа и интерпретации спектральной спутниковой информации необходимо прежде всего определить

базовые оптико-физические характеристики и построить отдельно спектральные оптические модели ее молекулярной и аэрозольной компонент (глава I). При наличии молекулярных полос поглощения построение оптической модели молекулярной компоненты является достаточно сложной задачей. Однако вариации молекулярной атмосферы в большей степени связаны с пространственно-временными распределениями полей температуры и давления. К настоящему времени разработаны модели стандартных молекулярных атмосфер в зависимости от географических широт и сезонов года, которые успешно могут быть использованы для целей данной работы [18, 19]. Наибольшая трудность возникает при построении оптической спектральной модели атмосферного аэрозоля [13, 20, 21, 22]. Это обусловлено тем, что необходимо учитывать пространственно-временную изменчивость химических и физических параметров атмосферного аэрозоля, его концентрацию и распределение частиц по размерам в З'словиях реальной динамики системы "атмосфера- подстилающая поверхность". Поэтому основное внимание в работе уделяется методам, алгоритмам и программному обеспечению численного моделирования оптических характеристик атмосферного аэрозоля, как наиболее изменчивого в оптическом смысле компонента земной атмосферы и построению соответствующей адаптивной модели, позволяющей рассчитывать параметры передаточного оператора атмосферы в задачах коррекции спутниковых данных в видимой области спектра.

Для имитационного моделирования оптических аэрозольных характеристик, проводимого во И-ой главе, необходимо фиксировать во времени текущие микрофизические свойства аэрозольных ча-

стиц, их пространственные и спектральные распределения в атмосфере, взаимодействие с облачными полями и тип подстилающей поверхности. В частном случае для построения комплексных оптических моделей (без учета взаимодействия с облачностью и подстилающей поверхностью) необходимо располагать информацией о следующих входных величинах: показателе преломления (индексе рефракции) аэрозольных частиц, виде и параметрах функции распределения частиц по размерам, форме и структуре аэрозольных частиц. В главе II имитационное оптическое моделирование атмосферы проводится в "замкнутой" форме. Это означает, что при численном моделировании всего комплекса аэрозольных оптических характеристик (коэффициентов ослабления, поглощения и рассеяния, индикатрис рассеяния, оптических толщин) производится одновременный и независимый учет их пространственно-временной и спектральной изменчивости, обусловленной постоянной трансформацией поля атмосферного аэрозоля в земной атмосфере. Алгоритм спектрального замыкания на основе самосогласования между рассчитываемыми оптическими характеристиками атмосферного аэрозоля и соответствующими экспериментальными данными впервые был разработан О.И.Смоктием [9] для однослойной аэрозольной модели Л.Элтермана [23] на основе использования градиентного метода минимизации невязок.

Другим важным аспектом замкнутого оптического моделирования является необходимость обеспечения адаптивности используемой численной модели к реальным условиям. Как правило, оптические свойства атмосферного аэрозоля наиболее изменчивы в нижнем приземном слое земной атмосферы. В этом случае адаптив-

ность численной оптической модели аэрозольной атмосферы достигается в два этапа. На первом этапе проводится соответствующая структуризация и параметризация, а на втором этапе - процедуры подгонки и спектральной оптимизации. Первый пример успешной параметризации и структуризации такого рода (без проведения процедур оптимизации) был дан в работе К.С.Шифрина и И.Н.Минина [24]. В главе II в рамках указанных выше подходов разработаны новые алгоритмы имитационного моделирования оптических характеристик атмосферного аэрозоля, позволяющие учесть влияние влажности воздуха и метеорологической дальности видимости на текущие оптические параметры нижнего пограничного слоя земной атмосферы. Для расчетов оптических характеристик земной атмосферы и последующего численного оптического моделирования применялись формулы модифицированной теории Ми рассеяния света на однородном шаре [25]. Такая модификация, разработаная К.С.Шифриным [26] и независимо А.Е.Аденом и М.Керкером [27] в рамках классической теории дифракции плоской электромагнитной волны на однородном шаре, позволяет учесть неоднородную структуру реальных полидисперсных аэрозольных частиц в земной атмосфере. На основе алгоритма Борена и Хафмана [28] в данной работе для построения имитационной оптической модели атмосферы использовалось следующее приближение [29, 30]: аэрозольные частицы в результате физико-химических процессов в атмосфере не разбухают, абсорбируя влагу, а конденсируют ее на своей поверхности, имитируя зависимость оптических характеристик от состояния влажности воздуха. Для послед,ующего численного моделирования базовых оптических характеристик атмосферы

они представляются в виде полидисперсных неоднородных сферических частиц, ядро которых равномерно покрывается водной оболочкой . При таком подходе появляется возможность расчитывать первичные оптические характеристики атмосферы для последующего численного моделирования основных базисных функций трансформации полей излучения системы "атмосфера-подстилающая поверхность", используя указанные выше модифицированные алгоритмы [26, 27, 28] классической теории Ми. Далее, применяя алгоритм спектрального замыкания [31], можно определить оптимальные параметры функций распределения частиц по размерам для многослойной аэрозольной модели с последующими расчетами аэрозольных полидисперсных индикатрис рассеяния. Совместное использование такого подхода со структуризацией и параметризацией оптической модели по влажности, дальности видимости и прозрачности атмосферы позволяет разработать адаптивную многослойную модель оптических характеристик земной атмосферы, необходимую для проведения атмосферной коррекции и пространственно-частотной фильтрации аэрокосмической спектральной информации в видимой области спектра.

Отдельное место в работе занимают исследования, связанные с использованием такого понятия теории линейных систем, как функция влияния [32]. В этой связи разработаны математическая модель и алгоритм численного моделирования спектральной функции влияния восходящего излучения в многослойной аэрозольно-молекулярной земной атмосфере на уровне космического носителя в интервале длин волн Л = 400 — 800нм (глава III). С этой целью на основе пакета прикладных программ LOWTRAN7 [18, 19] моде-

лируются потоки восходящего излучения при разных состояниях многослойной земной атмосферы, разрабатывается алгоритм расчета и вычисляются функции влияния восходящего излучения для разных вертикальных уровней в зависимости от оптического состояния атмосферы.

Особое внимание в работе уделено проблеме моделирования передаточного оператора системы "атмосфера-подстилающая поверхность" (глава IV). Понятие спектрального передаточного оператора впервые было введено К.Я.Кондратьевым и О.И.Смоктием [33, 34] для решения проблемы атмосферной коррекции спутниковой оптической информации. В главе IV проведено численное моделирование калибровочных величин передаточного оператора в приближении однократного рассеяния. Математической основой такого моделирования является точное решение краевой задачи теории переноса излучения, полученное в работе при пренебрежении многократным рассеянием в атмосфере и представлении моделируемой оптической информации на 3-х базисных информационных уровнях: дискретности, сжатия и суммирования сжатой оптической информации.

Весь комплекс численного моделирования оптических параметров системы "атмосфера-подстилающая поверхность" обеспечивается соответствующим информационным обеспечением, описание и структура которого приводятся в главе IV согласно [35].

1 СТРУКТУРИЗАЦИЯ, ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРОЗОЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ

1.1 Основные оптические характеристики атмосферы.

Базовые оптические параметры моделирования

Дадим краткое описание основных оптических характеристик атмосферы и обозначим базовые параметры оптического моделирования [14, 36].

Система "атмосфера-подстилающая поверхность" характеризуется сложным пространственно-временным распределением ее физико-метеорологических полей, которые, взаимодействуя с солнечным излучением, определяют глобальные и региональные изменения климата и экологического состояния нашей планеты [15, 20, 37]. Исследование структуры и пространственно-временной изменчивости полей температуры Т, давления Р, влажности /, ветра и облачности составляют основу современных климатологических и экологических исследований. В настоящее время они проводятся на основе эмпирических или полуэмпирических параметризаций, количественного анализа спутниковых данных и численного моделирования. Количественный подход к решению указанных проблем связан с восстановлением пространственного-временного распределения метеоэлементов по данным дистанционного зондирования Земли в различных спектральных интервалах. Важной составной

частью дистанционного зондирования Земли из космоса является решение обратных задач космической спектрометрии в видимой области спектра (Л = 400 — 800нм), связанных с определением пространственно-временного распределения оптических характеристик системы

"атмосфера-подстилающая поверхность"[3, 4]. Хорошо известны большие математические трудности решения таких задач, связанные с их некорректностью с точки зрения обеспечения устойчивости и единственности численных расчетов, а также с необходимостью регуляризации используемой первичной спутниковой информации. В этой связи перспективным подходом к решению проблем "оптического блока" дистанционного зондирования Земли из космоса является имитационное математическое моделирование базовых оптических характеристик природных сред и их полей излучения на основе использования соответствующей структуризации и параметризации моделируемых величин, с тем чтобы они адекватно отражали реальное взаимодействие физико-метеорологических полей системы "атмосфера-подстилающая поверхность" с солнечным излучением.

Базовыми оптическими характеристиками, определяющими оптические свойства подстилающей поверхности и элементарного объема среды являются следующие (рис.4): альбедо поверхности - А, атмосферная индикатриса рассеяния - х^об'у) и вероятность выживания фотона при элементарном акте рассеяния (альбедо рассеивающей и поглощающей частицы) - Л.

Основной количественной характеристикой ослабления спектрального потока солнечной радиации в аэрозольной атмосфере является

т=о

/VWWWW

VX x=To

Рис. 4: Геометрия распространения солнечного излучения и визирования в плоскопараллельной планетной атмосфере

входящий в выражение закона Бугера объемный спектральный коэффициент аэрозольного ослабления а\, равный сумме объемных спектральных коэффициентов рассеяния арас д и поглощения aw,а [14, 36]:

«А = «рас.А + апог,А> (1)

где индекс длины волны обозначен Л. Каждый из коэффициентов аА5арас,А и aw,А может быть выражен через суммы соответствующих коэффициентов для одной частицы:

N

= Y, fef>A,

г=1

N

®рас,А — &рас,г'(А),

i=l

N

^nor,A = &Пог,г(А),

г=1

(2)

(3)

(4)

где fcj(A), fcpac.j(A) и Aw.i(A) - соответственно спектральные коэффициенты ослабления, рассеяния и поглощения г-ой частицы; N -

число частиц в единице объема.

Если принять, что все частицы имеют сферическую форму и одинаковые химические свойства, тогда для фиксированной длины вол-

Л*_» и __

величинои, определяющей различия между отдельными членами в суммах (1)-(4), будет геометрический радиус частицы г. Пусть Игйг - число частиц, имеющих радиусы в пределах от г до г + (1г . Тогда можно записать:

где п(г) - функция распределения полидисперсных частиц по размерам.

Из (о) следует, что функция п(г) должна быть нормирована согласно соотношению:

где гшах и гтш соответственно максимальный и минимальный радиус частиц. Как видно из (5) и (6), функция распределения п(г) имеет смысл плотности вероятности нахождения в элементарном объеме частиц с радиусом, заключенном в интервале от г до г + <1г .

С учетом определения функции распределения частиц по размерам (5) соотношения (2)-(4) могут быть переписаны следующим образом:

Мг(1г — N п(г)с/г,

п(г)с1г = 1

(6)

^рас

' шах

,л = N ./ кРяс(г, Х)п(г)<1г, (8)

а,юг,л =

' шах

./ £1ЮГ(г, Х)п(г)(1г. (9)

Другой важной характеристикой ослабления солнечного излучения, которая в дальнейшем потребуется при его расчетах, является отношение коэффициентов &А,&рас,А и А;пог,а к геометрическому се-

чению частицы 7гг2:

г-' т ^рас,А &пог,А /т\

— -9, Л рас л = -ГГ", Апог л = -

7ГГ^ 7ГГ 7ГГ

Функции /1л,ЛРас,А и Кпог,х численно равные отношению энергии, ослабленной, рассеянной и поглощенной частицей, к энергии, упавшей на ее геометрическое сечение, называют соответственно спектральными факторами эффективности ослабления, рассеяния и поглощения. Общие формулы для спектральных факторов эффективности ослабления К\, рассеяния А'рас,а и поглощения КпОГ)д дает теория Ми [25].

Для характеристики пространственно-угловой картины рассеяния используется понятие индикатрисы рассеяния или угловой функции рассеяния Р(соя 7). Функция Р(сое 7) задается отношением интенсивности радиации, рассеяной частицей в направлении, определяемом углом рассеяния 7, к потоку энергии, рассеянной во все стороны при фиксированной длине волны А:

л( со*7) = г4р£2> (п)

)47Г/а(со8 7)^

гтпп

где /д(сов7) - интенсивность света, рассеянного частицей в направлении угла 7 при длине волны Л; йш - элемент телесного угла.

Соотношения между объемным спектральным коэффициентом ослабления а\ , интенсивностью, проходящей через рассеивающий и поглощающий слой /д(0 и падающей на слой /о5д радиацией имеют вид:

I

- [ ахШ1

1х(1) = 1о,хе * , (12)

где - I - геометрическая толщина слоя.

Формула (12) представляет известный закон Бугера. Величина

I

I а\(1)Ш определяет спектральную оптическую толщину атмосфер-о

ного слоя ГоЛ. В вертикальном направлении полную спектральную оптическую толщину атмосферы определяют следующим образом:

оо

Щх = / (13)

о

1.2 Первичные микрофизические характеристики

аэрозольных частиц и алгоритм расчетов их базовых оптических характеристик

Ослабление солнечного излучения на аэрозольных частицах зависит от их состава, характеризующимся комплексным показателем преломления т, их формой и структурой, функцией распределения по размерам п(г) и концентрацией N. Перечисленные микрофизические характеристики аэрозольных частиц являют-

ся исходными для моделирования базовых оптических характеристик аэрозоля. Как указывалось во введении, для построения оптической модели атмосферы необходимо построить отдельно спектральные оптические модели ее молекулярной и аэрозольной компонент. Построение оптической модели молекулярной компоненты реализуется с использованием теории Релея. Современные оптические модели аэрозольной атмосферы построены на основе применения теории Ми в предположении, что аэрозольные частицы имеют сферическую форму, однослойны и однородны по составу [10, 13, 17, 21, 23, 38].

Решение задачи рассеяния света отдельными частицами было получено Ми [25] в рамках применения теории Максвелла к задаче рассеяния света однородной сферической частицей, на которую в данном направлении падает плоская электромагнитная волна. Метод решения основан на представлении падающего поля в виде набора сферических волн с центрами на поверхности идеальной сферы. При соответствующих граничных условиях решается дифференциальное уравнение для амплитуды вектора результирующего поля на поверхности сферы и на бесконечном расстоянии от нее в так называемой волновой зоне. Известно, что для исследования проблем рассеяния как в коллоидных взвесях, так и в атмосфере решение Ми дает наилучшие результаты. При этом оно описывает асимптотические приближения как для очень малых, так и для очень больших радиусов частиц [40, 41].

При формулировке задачи Ми используем следующие основные параметры [40, 42]: показатель преломления (индекс рефракции) частиц т , размер частиц х — кг в относительных единицах, где к = ^

- волновое число в свободном пространстве, г - радиус сферической частицы. В общем случае комплексный показатель преломления т сферической частицы по отношению к окружающей внешней среде (в данном случае за такую среду принимается свободное пространство) записывается в виде т — и — г'х; угол рассеяния 7 определяется направлением падающих волн, точкой рассеяния и направлением наблюдения. Величина электрического вектора может быть выражена через сумму двух взаимно перпендикулярных и независимых синусоидальных колебаний, имеющих единичную амплитуду в плоскости {ху} и распространяющихся в направлении 2. Каждое из этих колебаний обычно изображается в виде:

Кяд = ехр[-г(Ь - и?*)] , (14)

где ю = ск - круговая частота, с - скорость света. Рассматривая при определенных допущениях поле рассеянного излучения, можно выразить его через две скалярные компоненты А\ и А2 амплитуды вектора электрического поля Арас , которая не имеет составляющей в направлении своего распространения. Компоненты А\ и Ач соответственно перпендикулярны и параллельны плоскости рассеяния, в которой измеряется угол рассеяния 7. Решение Ми дает выражения для амплитуд А\ и А^ в виде сходящихся рядов, записанных следующим образом:

(15)

(16)

к Ах = б1! = £ 2п "I" 1 [«П7ГП + ЬпТп] - ЩП + 1)

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Кобякова, Нина Васильевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение следует подчеркнуть, что главное внимание в работе было уделено решению трех основных проблем, связанных о * и с проведением процедур автоматизированной атмосферной коррекции и пространственно-частотной фильтрации спектральной аэрокосмической оптической информации.

1. Построению адаптивной к реальным условиям многослойной детерминированной оптической модели аэрозольной атмосферы в видимой области спектра (А = 400 — 800нм) на основе использования параметризации, учитывающей три важнейших атмосферных параметра - прозрачности, дальности видимости, влажности атмосферы - и процедуры спектральной оптимизации, основанной на минимизации невязок между моделируемыми (численно) и экспериментальными характеристиками. При этом важно подчеркнуть, что конечная цель проведенного моделирования состояла не в построении модели, в точности отражающей пространственное и спектральное распределения оптических параметров реальной атмосферы, а в построении такой имитационной адаптивной модели, которая удовлетворяла указанным в работе условиям минимизации тем опорным (базовым) параметрам и их спектральному распределению, которые измеряются на практике. В результате мы получаем атмосферу, не с реальными, а с имитационными параметрами. Однако именно такая атмосфера может обеспечивать максимальную точность атмосферной коррекции и фильтрации спутниковой оптической информации.

2. Построению и имитационному численному моделированию вертикального распределения функции чувствительности многослойной аэрозольной атмосферы Земли в видимой области спектра по отношению к набору всех оптических параметров системы "атмосфера-подстилающая поверхность" на основе использования приближения однократного рассеяния.

3. Построению и имитационному численному моделированию калибровочных параметров передаточного оператора атмосферы в задаче атмосферной коррекции и фильтрации спутниковой оптической информации при точном учете однократного рассеяния.

Таким образом, основные результаты, полученные в данной диссертационной работе состоят в следующем.

1. Разработаны процедуры построения имитационных оптически замкнутых моделей аэрозольной земной атмосферы, в которых учтены вертикальная неоднородность аэрозоля, его типизация в пограничном слое по основным источникам генерации, а также влияние метеорологической дальности видимости и влажности атмосферного воздуха.

2. Обоснован метод и разработаны алгоритмы многопараметрического моделирования оптических характеристик земной атмосферы, необходимые для построения трехпараметрической адаптивной многослойной модели земной атмосферы на основе использования двухслойной структуры оптической неоднородности аэрозольной частицы и модификации алгоритмов классической теории Ми.

3. Разработаны процедуры параметризации, структуризации, спектральной оптимизации и спектрального замыкания для численного моделирования оптических характеристик земной атмосферы, которые обеспечивают максимальную репрезентативность имитационных оптических моделей в задачах атмосферной коррекции и пространственно-частотной фильтрации спектральной спутниковой информации на основе минимизации невязок моделируемых и экспериментально измеряемых оптических параметров.

4. Разработана имитационная модель спектральной функции влияния многослойной земной атмосферы для полного набора базовых оптических характеристик, выполнен численный анализ этой функции в приближении однократного рассеяния для восходящего излучения, измеряемого бортовой спутниковой аппаратурой, с целью выбора оптимальных интервалов высот в атмосфере для наиболее эффективного решения обратных задач дистанционного зондирования системы "атмосфера-подстилающая поверхность" в видимой области спектра.

5. Построена калибровочная модель передаточного оператора атмосферы в задачах атмосферной коррекции и фильтрации спектральной спутниковой видеоинформации в видимой области спектра, позволяющая при точном учете однократного рассеяния определять погрешности атмосферной коррекции аэрокосмической информации при использовании приближенных алгоритмов и численных схем.

Практическая значимость и новизна полученных результатов определяется использованием их в реальных процедурах атмосферной коррекции, и пространственно-частотной фильтрации и калибровке данных дистанционного зондирования Земли в видимой области спектра. Результаты работы использовались при проведении НИР в ЦНИИ " Агроресурсы", Московском государственном университете геодезии и картографии, Российском институте оптико-физических измерений, Политехническом университете г.Турина, Италия, Институте методологии изучения окружающей среды (IMGA-CNR) г.Модена, Италия.

Перспективы развития представленных в данной работе научных исследований и улучшения качества полученных результатов моделирования оптических характеристик земной атмосферы, функций влияния и передаточного оператора атмосферы состоят в решении следующих проблем:

• учете несферичности аэрозольных частиц,

• учете механизма набухания аэрозольных частиц при взаимодействии с влажностью воздуха,

• учете поляризации в атмосфере,

• учете неортотропности подстилающей поверхности,

• учете многократного рассеяния.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю О.И.Смоктию за постановку ряда важных задач и помощь в их решении, а также своим коллегам А.С.Аниконову, А.Е.Ильину, В.Б.Киселеву за полезные обсуждения и консультации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кобякова, Нина Васильевна, 1999 год

Литература

[1] К.Я.КондрсУгьев, А.А.Бузников, О.М.Покровский. Глобальная экологиягдистанционное зондирование. —ВИНИТИ, т.14, 1992, 274 с.

[2] Исследование природной среды с пилотируемых орбитальных станций /Под ред. К.Я.Кондратьева. — Л., 1972, 392 с.

[3] Кондратьев К.Я., Смоктий О.И., Козодеров В.В. Влияние атмосферы на исследования природных ресурсов из космоса. — М.¡Машиностроение, 1985, 272 с.

[4] Kondratyev K.Y., Kozoderov V.V., Srnokty 0.1., Remote Sensing of the Earth from Space: Atmospheric correction. — Springer-Verlag, New-York-Berlin-Tokyo, 1992, 475 p.

[5] К.Я.Кондратьев, О.М.Покровский. Международная геосферно-биосферная программа. Ключевые аспекты требований к данным наблюдения Земли из космоса. — Изв.АН СССР, сер. Геогр., вып. 1, 1989, с.10-70.

[6] Guzzi R. Radiative Transfer Equation in the Atmosphere: its application to the remote sensing passive measurements performed by airborne platforms. — IMGA-CNR, Italy, 1990, p.450.

[7] Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих атмосферах. Стандартные методы расчета. Под ред.Ж.Ленобль. — Л.:Гидрометеоиздат, 1990, 264 с.

[8] Lenoble G. Atmospheric Radiative Transfer. — Deepak Publ., USA, 1993. p.532.

[9] Смоктий О.И. Моделирование полей излучения в задачах космической спекрофотометрии. — Л.:Наука, 1986, 352 с.

[10] Кондратьев К.Я., Поздняков Д.В. Аэрозольные модели атмосферы. — М.:Наука, 1981, 103 с.

[11] Л.А.Гаврилова, Ивлев Л.С. Аэрозольные модели для расчетов радиационных характеристик атмосферы. — Изв. АН: Физика атмосферы и океана, т.31, 5, 1995, с.667-678.

[12] О.И.Смоктий, А.С.Аниконов, Кобякова Н.В. Комплексные аэрозольные модели в задачах экологии и радиационного моделирования. Ин-т информатики и автоматизации АН СССР, С-Петербург, 1989, 37 с.

[13] Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. — Л.:Гидрометеоиздат, 1986, 256 с.

[14] В.Е.Зуев, М.В.Кабанов. Оптика атмосферного аэрозоля. — Л.:Гидрометеоиздат, 1987, 253 с.

[15] Атмосферный аэрозоль и его влияние на перенос излучения. Под ред.К.Я.Кондратьева.— Л.:Гидрометеоиздат, 1978, 120 с.

[16] Ивлев Л.С., Андреев С.Д. Оптические свойства атмосферных аэрозолей. — Л.:Изд.ЛГУ, 1986, 358 с.

[17] Л.А.Гаврилова, Л.С.Ивлев. Аэрозольные модели для расчетов радиационных характеристик атмосферы. — Изв. АН СССР:Физика атмосферы и океана, т.31, 5, 1995, с.667-678.

[18] Kneizys F.X., Shettle E.P., Abreu L.W., Chetwynd J.H., Anderson G.P., Gallery W.O., Selby J.E.A., Clough S.A. Users Guide to LOUTRAN 7. — AFGL-TR-88-0177, (NTIS AD A206773), 1988.

[19] Kneyzis F.X., Gallery G.O., Shettle E.P., Abreu L.W., Chetwynd J.H., Anderson G.P., Selby J.E., Clough S.A. Computer Code LOWTRAN 7. — Air Force Geophysics Laboratory, USAF, 1988.

[20] Аэрозоль и климат. Под ред. акад.К.Я.Кондратьева.— Л.:Гидрометеоиздат, 1991, 541 с.

[21] Г.М.Креков, Р.Ф.Рахимов Оптико-локационная модель континентального аэрозоля. — Изд. Наука, Сиб. отд., Новосибирск, 1982, 199 с.

[22] Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферный аэрозоль. —Л.гГидрометеоиздат, 1983, 224 с.

[23] Elterman L. UV, Visible, and IR Attenuation for Altitudes to 50 km, 1968. Air Force Cambridge Research Laboratories (AFCRL-68-0153), 1968, 50 p.

[24] Шифрин К.С., Минин И.Н. К теории негоризонтальной видимости. — Тр. Гл. геофиз. обсерв. им.А.И.Воейкова, вып. 68, 1957, с.5-10.

[25] Mie G. Beitrage zur optik trüber medien speziell kolloidaler metallosungen. — Ann. Phys., 25, 1908, pp.377-455.

[26] Шифрин К.С. Рассеяние лучей на двухслойных частицах. — Изв. АН СССР, сер.Геофизика, 2, 1952, с.15-21.

[27] Aden A.E., Kerker M. Scattering properties of electromagnetic waves from two concentric spheres. — J.Appl.Physics, 22, No 10, 1951, pp.1242-1245.

[28] Борен К.,Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. — М.:Мир, 1986, 660 с.

[29] Пришивалко А.П., Астафьева Л.Г. Поглощение, рассеяние и ослабление света обводненными частицами атмосферного аэрозоля. — Ин-т физики АН БССР, Минск, 1975, 46 с.

[30] Пришивалко А.П. Влияние относительной влажности на элементы матрицы рассеянного луча однородными и неоднородными системами атмосферных аэрозольных частиц.— Тр. Ин-та экспер. метеорологии, Обнинск, 18(71), 1978.

[31] Поле излучения сферической атмосферы (авт.К.Я.Кондратьев, Г.И.Марчук, А.А.Бузников и др.) — Л.:изд.ЛГУ, 1977, 180 с.

[32] О.И.Смоктий, В. А.Фабриков. Методы теории систем и преобразований в оптике. — Л.:Наука, 1989, с.312.

[33] Кондратьев К.Я., Смоктий О.И. Об определении передаточной функции атмосферы при спектрофотометрировании поверхности планеты из космоса. — ДАН СССР, 5, т.206, 1972, с.1102-1105.

[34] Кондратьев К.Я., Смоктий О.И. Об определении спектральных передаточных функции для яркостей и контрастов природных образований при спектрофотометрировании системы

"атмосфера-подстилающая поверхность из космоса". — Труды Гл. геоф. обсерв. им.А.И.Воейкова, вып.295, 1973, с.24-50.

[35] Смоктий О.И., Киселев В.В., Ильин А.Е., Кобякова Н.В. Информационное обеспечение аэрозольного моделирования для задач аэрокосмической спектрофотометрии Земли. — Тез. докл. Всесоюзной конф. "Региональные, биосферные и экологические исследования космическими средствами". г.Звенигород, 1990, с.130.

[36] В.Е.Зуев Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей. — М.:Советское радио, 1966, 318 с.

[37] Вулканы, стратосферный аэрозоль и климат Земли. Под ред. С.С.Хмелевцова.— Л.: Гидрометеоиздат, 1986, 256 с.

[38] сГAlmeida G.A., Koepke P., Settle E. Atmospheric aerosols: Global climatology and radiative characteristics. — A.Deepak Pnbl., Hampton, USA, 1991, 549 p.

[39] McClatchey,R.E., Bolle,H.J., Kondratiev,K.Y. Report of the IAMAP R.C.W.G. on a standard atmosphere; WMO/IAMAP. World Climate Resirch Programme, — WCP12 - ICSU/WMO, 1980.

[40] Д.Дейрменджан Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. Под.ред. К.Я.Кондратьева.— М.:Мир, 1971, 165 с.

[41] H.C.Van de Hulst. Light scattering by small particles. — Dover Publ.,Ins. New York, 1981, 470 p.

[42] Hansen,G.E., Travis,L.D Light Scattering in Planetary Atmospheres.

— Goddard Inst.for Space Studies, New York, 1974.

[43] A Preliminary Cloudless Standard Atmosphere For Radiation Computation. Radiation Comm. of Intern. Association for Meteorology and Atmospheric Physics, Word Climate Reserch Programme. — WMO/TD-NO.24, WCP - 112, 1986.

[44] Shettle E.P., Fenn R.W. Models of the atmospheric aerosols and their optical properties. — AGARD Conf.Proc. No 183, Opt. Propag. in the Atmosphere, 1975, pp.2.1-2.16.

[45] Shettle E.P., Fenn R.W. Models for the aerosols of the lower atmosphere and the effects of humidity variations on their optical properties. — AFGL-TR-79-0214, 1979, 94 p.

[46] Ивлев JI.С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. — Л.:изд.ЛГУ, 1982, 366 с.

[47] Гаврилова Л.А., Л.С.Ивлев. Параметризация глобальных аэрозольных моделей для расчетов радиационных характеристик атмосферы. I.Аэрозольные радиационные модели атмосферы земли. — Изв. АН: Физика атмосферы и океана, т.31, 5, 1995, с.667-678.

[48] Л.А.Гаврилова, Л.С.Ивлев. Параметризация микрофизических характеристик аэрозоля в радиационных моделях атмосферы.

— Изв. АН: Физика атмосферы и океана, т.32, 2, 1996, с. 172182.

[49] О.И.Смоктий, А.С.Аниконов, Н.В.Кобякова Моделирование оптических характеристик полидисперсного аэрозоля. — Ин-т информатики и автоматизации АИ СССР, С.-Петербург, 1990, 93 с.

[•50] Hanel, Gottfried (1976) The properties of atmospheric aerosol particles as functions of the relative humidity at thermodynamic equilibrium with the surrounding moist air. — Advances in Geoph. Acad. Press, New York, 19:73-188.

[51] Hanel, Gottfried (1972) Computation of the extinction of visible radiation by atmospheric aerosol particles as a function of the relative humidity, based upon measured properties. — Aerosol Sei., 3:77-386.

[52] Kasten F. Visibility forecast in the phase of precondensation. — Tellus, 21, No 5, 1969, 631-635 pp.

[53] О.И.Смоктий, А.С.Аниконов, А.Е.Ильин, Н.В.Кобякова Калибровочные модели оптических характеристик земной атмосферы. — Ин-т информатики и автоматизации АН СССР, С.Петербург, 1992, 108 с.

[54] Berk А., Bernstein L.S., Robertson D.C. MODTRAN: A Moderate Resolution Model for LOWTRAN 7. — GL-TR-89-0122, 1989, 38 p.

[55] Kasten F. Der einfluss der aerosol grossenverteilung und ihrer anderung mit der relative feuchte auf die Sichtweite. — Cont. Atm.Phys., v.41, 1968, p.33-51.

[56] Jurige С. Comments on "concentration and size distribution measurements of atmospheric aerosol and a test of the theory of self-preserving size distributions". — J. Atmosph.Sci., v.26, No 3, 1969.

[57] Филиппов В. JI., Мирумянтц С.О. Исследование зависимости аэрозольного ослабления видимого и ИК излучения от влажности воздуха. — Изв.АН СССР, Физика атмосферы и океана, т.8, 9, 1972, с.1150-1154.

[58] Davies G.N. Size distribution of atmospheric particles. — J.Aerosol Sci., v.5, 1974, pp.293-300.

[59] Clark W.E., Whitby K.T. Concentration and data distribution measurements of atmospheric aerosols and a test of theory of self-preserving size distribution. — J.Atmosph.Phys., v.24, 1967, p.677-687.

[60] Довгалюк Ю.А., Ивлев Л.С. Евсеенкова З.А. Параметризация вертикальной структуры атмосферных ядер конденсации (в продолжении работ Е.С.Селезневой).В кн. Естественные и антропогенные аэрозоли. — НИИ Химии СПбГУ, С.-Петербург, 1998, с.42-54.

[61] Koschmieder, Н. Theorie der horizontalen sichtweite. — Beitr. Phys. Freien Atm. 12:33-53, 1924, c.171-181.

[62] Орлов B.M., Самохвалов И.В., Матвиенко Г.Г. и др. Элементы теории светорассеяния и оптическая локация. — Новосибирск, Наука, 1980, 182 с.

[63] Smokty O.I., Kobjalcova N.V., Advanced Optical Aerosol Model for Environment Forward Radiation Fields Computations. — Tech.Rep., No 4-95, IMGA-CNR, Italy, 1995.

[64] W.Press, B.Flannery, S.Teukolsky, Vettering W., Numerical Recipiest (Fortran Version). — Cambridge Univ. Press, 1989, p.702.

[65] Г.П.Гущин. Методы, приборы и результаты измерения спектральной прозрачности атмосферы. — Л.:Гидрометеоиздат, 1988, 200 с.

[66] Nixon J.M. et al. Dependence of the propagation loss on the meteorological visibility and target/receiver range. — Electronics Letters, vol.3, No.6, 1967.

[67] Колмогоров A.H. О логарифмически-нормальном законе распределения частиц при дроблении. — ДАН СССР, т.31, 2, 1941.

[68] Оптические исследования атмосферы со спутников. — М.: Наука, 1973, 303 с.

[69] Смоктий О.И., Кобякова Н.В. Спектральная функция влияния атмосферы Земли в задачах дистанционного зондирования природной среды из космоса. — Сб. тр. СПИИРАН "Информационные технологии и интеллектуальные методы", вып.З, С.Петербург, 1999, с. 178-202.

[70] Соболев В.В. Рассеяние света в атмосферах планет. — М.: Наука, 1972, 335 с.

[71] Smokty O.I. Applied mathematical problems of atmospheric correction and filtration of multispectral satellite data. — Intern. Svmp. on

Atmospheric Correction of Satellite Data and its Application to Global Environment. Chiba Univ., Tokyo, 1998, .

[72] Penndorf R. Tables of the refractive index for standard air and the Rayleigh scattering coefficient for the spectral region between 0.2 and 20.0 цт and their application to atmospheric optics. — J. of the Optical Society of America, v.47(2), 1957, pp.176-182.

[73] Kobjakova N., Cabella M. Progetto GOME: Investigation of upward radiation at various levels at various frequency by LOWTRAN. — Politécnico di Torino, Tech. Rep., No 9-93, 1993.

[74] Кобякова H.B. Автоматизация численного моделирования полей излучения многослойной атмосферы на основе пакета прикладных программ LOWTRAN7. — Сб. тр. СПИИРАН "Информационные технологии и интеллектуальные методы", С-Петербург, 1997, с.103-111.

[75] Покровский О.М. Определение информационных характеристик систем зондирования из космоса. — Оптика атмосферы, 1991, т. 1, 3, с.227.

[76] Сох I.J., Seppard J. Information capacity and resolution in optical systems. — JOSA, vol. 3, No 8, 1986, pp. 1152-1158.

[77] Савиных В.П., Смоктий О.И., Гусейнов Г.А. Информативность и оптимальное планирование оптического мониторинга Земли. — МИИГАиК, 1989, Деп. в ОНИПР ИНИИГАиК, N 418, 1990.

[78] Бахвалов В. Численные методы. — М.: Наука, 1988

[79] О.И.Смоктий,А.С.Аниконов,А.Е.Ильин. Калибровочные модели полей излучения земной атмосферы. — Ин-т информатики и автоматизации РАН, С-Петербург, 1992, 52 с.

[80] Кондратьев К.Я., Федченко П.П. Спектральная отражательная способность и распознавание растительности. — Л.:Гидрометеоиздат, 1982, 216 с.