автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Адаптивные оптические модели атмосферы в проблеме коррекции спектральной аэрокосмической информации

Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации

Российской академии наук

Кобякова Нина Васильевна

АДАПТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АТМОСФЕРЫ В ПРОБЛЕМЕ КОРРЕКЦИИ СПЕКТРАЛЬНОЙ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в

научных исследованиях

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук, профессор Смоктий О.И.

Санкт-Петербург - 1999

Содержание Введение

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

СФЕРЫ 18

1.1 Основные оптические характеристики атмосферы. Базовые оптические параметры моделирования...... 18

1.2 Первичные микрофизические характеристики аэрозольных частиц и алгоритм расчетов, их базовых оптических характеристик ..................... 23

1.3 Современные оптико-физические модели атмосферного аэрозоля.......................... 29

1.4 Многослойная аэрозольная модель ИАБСОМ .... 31

1.5 Модификация модели НАБСОМ: построение многослойной оптической модели СПИИРАН ........ 32

1.6 Модели земной атмосферы Ь0\УТ11АМ......... 34

1.7 Структуризация, параметризация и основные принципы имитационного оптического моделирования .... 36

2 ПОСТРОЕНИЕ АДАПТИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МО-

ДЕЛЕЙ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ 42

2.1 Моделирование оптических параметров сферических двухслойных полидисперсных аэрозольных частиц на основе обобщения классической теории Ми ...... 42

2.2 Построение трехпараметрической адаптивной оптической модели земной атмосферы.............. 49

2.3 Спектральная оптимизация оптических параметров модели............................. 52

2.4 Адаптация аэрозольной оптической модели к реальным условиям пограничного слоя земной атмосферы . 58

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ФУНКЦИИ ВЛИЯНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ 65

3.1 Постановка задачи...................... 66

3.2 Базисная краевая задача теории переноса излучения для вертикально-неоднородной атмосферы, ограниченной снизу произвольным неортотропным отражающим дном............................... 70

3.3 Точное решение краевой задачи теории переноса излучения в приближении однократного рассеяния в атмосфере и однократного отражения от подстилающей поверхности.......................... 74

3.4 Численное моделирование спектральной функции влияния на разных уровнях аэрозольной земной атмосферы с помощью пакета прикладных программ ЬО\¥Т11АК7 84

3.5 Результаты численного моделирования фукций влияния на основе пакета прикладных программ ЬО\¥ТКАК7 95

3.6 Моделирование спектрального восходящего излучения в многослойной земной атмосфере при ее различных аэрозольных состояниях.................. 99

3.7 Возможности усовершенствования пакета прикладных программ LOWTRAN в интересах численного моделирования полей излучения природных сред....... 106

4 КАЛИБРОВОЧНЫЕ МОДЕЛИ ПЕРЕДАТОЧНОГО ОПЕРАТОРА ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ 108

4.1 Основные информационные уровни аэрозольного оптического моделирования................... 108

4.2 Численное моделирование калибровочных параметров передаточной функции многослойной земной атмосферы в приближении однократного рассеяния....... 116

4.3 Информационное обеспечение замкнутого аэрозольного оптического моделирования .............. 125

Заключение

Список литературы

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 п