Алгоритмы, программное обеспечение и результаты обработки спутниковых данных

 1. Алгоритмы, программное обеспечение и результаты обработки данных спутниковых наблюдений

Спутниковые системы наблюдения в задачах мониторинга загрязнения атмосферы применяются для регулярного получения данных о пространственно-временных распределениях атмосферных примесей на больших территориях. При этом, результаты спутниковых наблюдений по газовым компонентам атмосферы доступны в виде пространственных распределений отдельных примесей и, таким образом, обработка входной информации, в основном, заключается в формировании, статистической обработке и выводе массивов данных. Информация об аэрозольной компоненте атмосферы предоставляется как результаты оптических измерений. Поэтому для восстановления параметров аэрозольной компоненты атмосферы по данным спутниковых оптических датчиков в Институте физики НАН Беларуси разработаны соответствующие методы, алгоритмы и программное обеспечение.

1.1 Алгоритм определения аэрозольной оптической толщины атмосферы и альбедо земной поверхности по спутниковым измерения

В Институте физики НАН Беларуси разработаны алгоритмы определения аэрозольной оптической толщины атмосферы (АОТ) и альбедо земной поверхности по многоспектральным спутниковым измерениям среднего пространственного разрешения (порядка 0.5 – 1 км) (спутниковые инструменты типа MERIS, Sentinel-3, VIIRS и др.).  В настоящее время разрабатывается алгоритм и ПО для восстановления аналогичных параметров атмосферы и поверхности по данным многозональных спутниковых систем (МСС) высокого пространственного разрешения (3 – 10м) типа БКА и Канопус-В с использованием априорной и текущей, в том числе радиометрической и лидарной, наземной информации об оптических свойствах атмосферы [1]. Необходимость привлечения дополнительной априорной и текущей информации при обработке данных МСС обусловлена малым числом спектральных каналов и сравнительно большой их шириной (порядка 40 – 100 нм), что затрудняет получение информации об аэрозольной атмосфере и, соответственно, выполнение атмосферной коррекции.

• подготовка входных данных; 
• формирование моделей атмосферы и спектров подстилающей поверхности;
• дискриминация облачных пикселей;
• итерационный процесс восстановления АОТ методом наименьших квадратов;
• восстановление спектрального альбедо поверхности.

 

1.2 Представление результатов обработки данных спутниковых наблюдений

Разработанное и разрабатываемое в настоящее время программное обеспечение восстановления оптических параметров атмосферы по многоспектральным и многозональным спутниковым данным предназначено для мониторинга пространственно-временных распределений характеристик аэрозольного загрязнения атмосферы и альбедо земной поверхности. Оно обеспечивает решение следующих функциональных задач:
создание оптической модели земной поверхности и атмосферы для проведения атмосферной коррекции спутниковых данных с учетом данных сопутствующих измерений (наземных и дистанционных);
восстановление оптических характеристик аэрозольной атмосферы и спектрального альбедо поверхности Земли. 

Входными данными ПО являются многоспектральные (многозональные) спутниковые изображения, прошедшие радиометрическую коррекцию и геометрическую коррекцию по орбитальным данным.

Выходными данными ПО являются файлы, содержащие данные о пространственном распределении восстановленных параметров аэрозольной атмосферы (аэрозольная оптическая толщина и показатель Ангстрема), а также карты восстановленных значений альбедо поверхности Земли в спектральных каналах спутникового радиометра.

В зависимости от числа обрабатываемых спектральных каналов и размеров синтезированных изображений объекта съемки общий объем входных данных может составлять сотни мегабайт. Для обработки и хранения больших массивов данных предназначен Hierarchical Data Format (HDF, Иерархический формат данных), широко применяемый в настоящее время для работы с данными космических инструментов. Файлы, записанные в этом формате платформо- и аппаратно независимы, для удобной визуализации данных в формате HDF существует ряд общедоступных, в том числе бесплатно распространяемых, программ; чтение и сохранение данных в формате HDF поддерживают пакеты инженерных и научных вычислений (Matlab).

Входными и выходными данными программы являются файлы в формате HDF5 (файлы с расширением .h5), содержащие данные спутникового инструмента и условий съемки. Программное обеспечение восстановления оптических параметров атмосферы по многоспектральным спутниковым данным для чтения спутниковых данных использует процедуры библиотеки HDF5 версии 1.6.5, разработанной Board of Trustees of the University of Illinois© для работы с файлами в формате NСSA HDF5 (National Center for Supercomputing Applications Hierarchical Data Format 5).