автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.12, диссертация на тему:Радиометрическая и радиационная коррекция информации, получаемой оптико-электронной камерой обзора Земли космического аппарата 17Ф118-0

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МИКРОПРИБОРОВ

НПАО "ЭЛАС"

На правах рукописи

БОРИН ОЛЕГ ВАЛЕРЬЕВИЧ

УДК 551.51:629.78

АДИОМЕТРИЧЕСКАЯ И РАДИАЦИОННАЯ КОРРЕКЦИЯ ИНФОРМАЦИИ, ПОЛУЧАЕМОЙ ОПТИКО- ЭЛЕКТРОННОЙ КАМЕРОЙ ОБЗОРА ЗЕМЛИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 17Ф118-0.

05.07.12 - дистанционные аэрокосмические исследования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте

Научный руководитель - доктор физико- математических наук,

профессор Кондранин Тимофей Владимирович

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук Козодеров Владимир Васильевич кандидат физико-математических наук Широков Василий Васильевич

Ведущая организация - НПО им. С.А. Лавочкина г. Химки, Московской области

Защита состоится "_"_1996 г. в_часов

на заседании специализированного совета Д142.06.02 при НИИ микроприборов по адресу: г. Москва ¡03460, НИИ МП.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке НИИ микроприборов.

Автореферат разослан \99-fr.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор

1Диро Георгий Эдуардови

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Учет аппаратурных и атмосферных искажений является важным этапом предварительной обработки информации, поступающей с бортовых опгико-электронных систем наблюдения подстилающей поверхности Земли (ППЗ) в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра электромагнитного излучения. Радиометрическая и радиационная (атмосферная) коррекции преследуют цель уменьшить вариации регистрируемого видеосигнала, не связанные с изменением оптических свойств объектов на земной поверхности, и направлены, в конечном счете, на достижение воспроизводимости результатов тематического дешифрирования при повторных съемках заданного региона (в частности при решении задач регионального мониторинга).

Радиометрическая коррекция преследует следующие цели:

- устранение влияния разброса чувствительности элементов вдоль линии сканирования с учетом их индивидуальных светосигнальных характеристик, определяемых на этапе предполетных й полетных испытаний;

- однозначный перевод цифровых отсчетов изображения в- величину потока излучения на входном зрачке съемочной камеры (по данным наземной и бортовой калибровки).

Таким образом, проведение радиометрической коррекции приводит к получению независимого от характеристик конкретной аппаратуры изображения системы "атмосфера- подстилающая поверхность' ЗемЛи". Однако радиометрическая коррекция не устраняет влияния условий освещения, геометрии зондирования, состояния атмосферы в момент съемки. Устранением влияния на изображения перечисленных факторов занимается процедура атмосферной коррекции (радиационная коррекция).

Как известно, наличие атмосферы приводит к тому, что яркость и контрасты объектов можно наблюдать без изменений только в непосредственной близости к земной поверхности. Исследование влияния атмосферы на излучение, отраженное природными объектами, выполненное по данным съемок с космических аппаратов, показало, что атмосфера не только снижает контраст объектов, но и искажает спектральный ход альбедо подстилающей поверхности. Наиболее существенно влияние атмосферы в видимой и ближней ИК области спектра для объектов малой яркости. Таким образом, влияние атмосферы, во-первых, затрудняет правильное распознавание исследуемых образований (в первую очередь растительных) с использованием "банка" эталонных спектральных характеристик; во-вторых, снижает качество определения границ смежных разнородных участков поверхности в процессе сегментации изображения с разбиением на независимые объекты.

. Актуальность диссертационной работы связана с необходимостью разработки методического и программно алгоритмического обеспечения решения задачи по восстановлению спектральных отражающих свойств подстилающей поверхности Земли с использованием информации камеры ОЭК-ОЗ разработки НПЦ "ОПТЭКС", установленной на КА 17ФП8-0.

Целью диссертации являлось научно-методическое обоснование и выбор методов радиационной и радиометрической коррекции спектрозональной информации, получаемой оптико- электронными системами обзора Земли, применительно к решению следующей прикладной задачи: разработке модуля прикладных программ применительно к задаче восстановления спектра

коэффициента отражения подстилающей поверхности (КО ПП) в рамках КНЭ "ОБЗОР".

Проведенный критический обзор литературы позволяет сформулировать конкретные задачи исследования, решение которых необходимо для достижения поставленной цели диссертационной работы:

1) Научно методическое обоснование и разработка адекватного метода восстановления КО ПП по сигналу, регистрируемому приемником на верхней границе атмосферы.

2) Проведение сравнения быстрых методов расчета оптических передаточных функций атмосферы ОПФА (особенно яркости атмосферной дымки) при одинаковых оптических условиях и атмосфере, максимально приближенной к реальной, и выбор (реализация) на основе этого сравнения метода, сочетающего высокую точность с приемлемыми затратами машинного времени (т.е. чтобы время вычислений было сравнимо со временем ввода в программу входных данных и оптической модели атмосферы).

3) Расчетно-параметрическое исследование влияния различных факторов системы "Земля - атмосфера - приемная аппаратура" (спектрального диапазона, геометрии визирования, условий освещения, состояния атмосферы, отражающих характеристик подстилающей поверхности, калибровочных коэффициентов, функций чувствительности спектральных каналов приемника) на точность восстановления КО по сигналу на входе приемкой системы. При этом особенно важно исследовать погрешности, возникающие при использовании стандартной атмосферы, и найти условия, когда погрешность минимальна, и способы снижения погрешности, оптимизируя условия зондирования.

Научная новизна исследования заключается в том, что:

1) Разработан оригинальный метод расчета излучения в системе "Стратифицированная, горизонтально-однородная атмосфера -горизонтально-неоднородная подстилающая поверхность", сочетающий высокое быстродействие и достаточную (в рамках решаемой задачи) точность вычисления яркости.

2) В результате численного моделирования установлены оптимальные условия проведения съемки ПП оптико- электронными системами, которые обеспечивают минимальную погрешность восстановления КО ПП.

3) С использованием созданных программных модулей впервые проведена обработка, анализ и интерпретация данных международного подспутникового эксперимента FIFE (First International Field Experiment, Канзас, 1987г.).

4) С помощью разработанных методик и комплексов программ, включенных в состав штатного ПА О в/ч 32103, проведена полетная калибровка камеры ОЭК-ОЗ, что позволило получить достоверные данные по коэффициентам различных типов ПП.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

1) всесторонним методическим обоснованием выбора исходной оптической модели атмосферы и отражающих свойств подстилающей поверхности;

2) физическим обоснованием и сведением к минимуму упрощающих предположений в модели, используемой при расчете переноса излучения в системе "подстилающая поверхность - атмосфера";

3) методическим исследованием внутренних свойств решения краевой задачи для уравнения переноса лучистой энергии (УПЛЭ), тестированием программ, а также сравнением с точными аналитическими и численными расчетами других авторов;

4) удовлетворительным совпадением рассчитанных величин с данными натурных измерений.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные программно-реализованные алгоритмы радиационной и радиометрической коррекции включены, как составная часть, в комплекс первичной обработки спектрозональной видеоинформации СЗВИ фоно-целевой обстановки (ФЦО) на поверхности Земли, получаемой камерой ОЭК-ОЗ КА 17Ф118-0 (ПАО ЦТЕА.00011-01) в рамках КНЭ "ОБЗОР". Комплекс входит в состав ПАО центра обработки информации эксплуатирующей организации (в/ч 32103).

Разработанные методики, алгоритмы и пакеты прикладных программ могут быть использованы в организациях, занимающихся проблемами:

- подготовки изображений, поступающих с космической оптико- электронной аппаратуры дистанционного зондирования, для тематического дешифрирования;

- прогнозирования условий наблюдения поверхности земли оптико- электронной аппаратуры дистанционного зондирования;

- разработки перспективных оптико-электронных систем наблюдения (обеспечение необходимой Точности калибровки, выбор спектральных каналов и т.д.).

Положения, вь'шосимые на защиту:

1) Методика восстановления спектрального альбедо ПП по значениям яркости восходящего излучения на верхней границе атмосферы. Методика позволяет достигать приемлемой точности восстановления спектрального альбедо при минимальных затратах машинного времени.

2) -Результаты обработки, анализа: и интерпретации данных международного подспутникового эксперимента FIFE (Канзас, 1987г.), которые позволили провести верификацию всех разработанных алгоритмов и-.программ.

3) Разработанное ПАО радиометрической, атмосферной коррекций и полетной калибровки, предназначенное для обработки СЗВИ, получаемой аппаратурой ОЭК-ОЗ КА 17Ф118-0. Разработанный комплекс программ входит в состав ПАО ЦОИ АНИУК-Э эксплуатирующей организации.

4) Результаты полетной калибровки камеры ОЭК-ОЗ КА 17Ф118-0 и значения альбедо, восстановленные по данным СЗВИ, получаемой этой камерой.

Работа выполнялась на кафедре "Системы, устройства и методы геокосмической физики" (СУМГФ) Московского физико-технического института (МФТИ) в период 1991-1995 гг. Представленные в работе 'исследования проводились в соответствии с планами работ кафедры СУМГФ- МФТИ и ОКР "СТРОЙ-О" (КНЭ "ОБЗОР") выполняемой в НПЦ "ОПТЭКС" НПО "ЭЛАС".

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 15 Международной конференции по лазерному зондированию в г. Томске (1990г.) на Всероссийской конференции в ВИА им. Можайского (1995 г.), ежегодных научных конференциях МФТИ.

Объем работы

Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста, состоит из: Введения, 3-х глав, Заключения и Приложения; включает 32 рисунка и список основной использованной литературы из 148 наименований отечественных и зарубежных авторов на 15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность создания эффективных методов радиометрической и радиационной коррекции, проведения анализа влияния различных параметров природной среды и приемного устройства на точность восстановления отражающих свойств подстилающей поверхности Земли (ППЗ). Дан краткий обзор достигнутых к настоящему времени результатов. Сформулированы цели работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, показана практическая ценность полученных результатов.

В главе 1 излагается метод расчета альбедо ПП по данным спектрозональной информации в видимом и ближнем ИК диапазоне, учитывающий особенности оптических свойств системы "атмосфера- подстилающая поверхность". Дается обоснование основных упрощающих предположений и оценивается точность вычисления ОПФА для нескольких методов.

Рассмотрим задачу восстановления альбедо ПП по данным аэрокосмической информации в следующей постановке.

Предположим, что на верхнюю границу плоскопараллельной атмосферы конечной оптической толщины т<х под углом агссо$£,= вр к нормали и азимутом

<рд падает параллельный пучок солнечных лучей, создающих на верхней границе атмосферы спектральную освещенность площадки, перпендикулярной солнечному излучению, равной Индекс длины волны X в дальнейшем будем опускать. В

среде, ограниченной снизу горизонтально неоднородным Ламбертовым дном с альбедо ч(х,у), происходят процессы многократного рассеяния и истинного поглощения с произвольной нормированной индикатрисой рассеяния Р(у,г), показателем ослабления а(г) и рассеяния о(г), вероятностью выживания кванта (альбедо однократного светорассеяния) йг^(г), зависящих от высоты ъ.

Направление вышедшего из атмосферы света будем определять углом агссо$г|=0 между рассеянным излучением и нормалью к слою, а также азимутом ф, отсчитываемым от плоскости солнечного вертикала.

Будем искать яркость излучения, выходящего из атмосферы, при следующих предположениях:

1) эффектами рефракции и поляризации при рассеянии солнечного излучения в атмосфере можно пренебречь;

2) отражение от поверхности происходит по закону Ламберта;

3) эффекты, связанные со сферичностью Земли, не проявляются;

4) ослаблением контрастов яркостей горизонтально- неоднородной подстилающей поверхности в зависимости от пространственной частоты можно пренебречь.

В этом случае, яркость излучения на верхней границе атмосферы (Ь) можно представить в виде:

£ = 0 + {Яе~*''+дА0) = П + ^{де~1'>+дА0) (1)

л

где О - яркость атмосферной дымки; лЕ - освещенность земной поверхности, усредненная по горизонтальным координатам при q=0; Е - освещенность земной

поверхности, усредненная по горизонтальным координатам; - диффузная составляющая коэффициента пропускания; г„ - сферическое альбедо атмосферы.

На практике, вместо яркости излучения удобно использовать эквивалентное планетарное альбедо q" (альбедо системы "атмосфера-подстилающая поверхность"). Его связь с данными измерений яркости в i-м канале L. задается уравнением

= (2)

cos(0o) £0(А,)

где d - расстояние между Землей и Солнцем, выраженное в астрономических единицах; i- номер канала; Л*. - эффективная длина волны в i-м канале;

а0.=_«'2_.^21 ' (л,

cos(©„) E0(Á¡) d2 ЕАХ*)е

«lf=—.~i±JS¿~-, (4)

cos(©0) Е0(Л,)

Mi1 Ega\)Aa(A)

a2¡ =--------2-;-—. (5)

cos(0o) Efí(Áj)

Коэффициенты aO, al и a2 зависят от альбедо ПП (через Е^), однако для

реальных оптических толщин атмосферы т=0.1-0.6 сферическое альбедо принимает значения 6^=0.05-0.17, поэтому можно рассчитывать Е^ при некотором среднем

альбедо (например, q-О.З). Простые оцрнки показывают, что такая аппроксимация приводит к погрешности, не превышающей 2-3% при срО.О-О.6. Среднее альбедо вычисляется по формуле j |Ч(

(2/ + 1) ДЫ-í

Как показало сравнение с точными расчетами, такое предположение приводит к хорошим результатам, если правильно выбран размер "окна" t, который зависит от размера пикселя, параметров атмосферы • в момент съемки, спектрального интервала, пространственных частот самого изображения, и, по результатам различных авторов, находится в пределах от 100 до 500 метров.

При известных L, aO, al, а2 уравнения (I) и (6) позволяют однозначно вычислять альбедо подстилающей поверхности (ПП), Решение проводилось итерационным методом:

«к* c-sbrz *>

(2/4-1) k^ti-^ j-,

Проведенный анализ показал возможным использовать п=2 для аппаратуры высокого и среднего пространственного разрешения (г<500м) и ограничиться учетом вклада атмосферной дымки (n=I, t=0) дня аппаратуры низкого пространственного разрешения (г>500м).

Так как в (7), (8) входят только простейшие операции, время обработки изображения определяется скоростью получения коэффициентов aO, al, а2.

В части 2 первой главы описываются различные методы расчета оптических передаточных функций атмосферы (и, следовательно, зависящих от них аО, al и а2) и их сравнение с данными точных расчетов.

В результате анализа литературных источников были выбраны и программно реализованы следующие алгоритмы расчета оптических передаточных функций атмосферы (и следовательно зависящих от них аО, а) и а2):

- расчет яркости атмосферной дымки в приближении однократного рассеяния;

- расчет яркости атмосферной дымки и освещенности поверхности земли прямым и диффузным солнечным излучением с использованием аналитических выражений, приведенных в работе;

- расчет яркости атмосферной дымки, восходящих и нисходящих потоков излучения в приближении дельта-метода Эддинггона (метод Соболева) для вертикально однородной атмосферы;

- расчет восходящих и нисходящих потоков излучения в приближении дельта-метода Эддингтона для стратифицированной атмосферы.

Кроме того, был разработан и программно реализован алгоритм расчета яркости атмосферной дымки с использованием формального решения УПЛЭ и профилей потоков восходящего и нисходящего излучения, посчитанных в приближении дельта- метода Эддингтона.

. В части 3 главы I приведено численное сравнение реализованных алгоритмов с данными тестовых расчетов, выполненных для реальной атмосферы, взятых из опубликованных данных, которое показало, что большинство из используемых на практике методов расчетов дают погрешность расчетов яркости более 50-100% и освещенностей более 10-20%. В результате был предложен метод расчета ОГ1ФА, сочетающий высокую скорость (сравнимую со скоростью ввода исходных данных в программу) с приемлемой точностью (1-3% для освещенности и 5-15% при вычислении яркости атмосферной дымки). Моделирование процесса расчета КО 1Ш поданным измеренной яркости показало, что погрешность восстановления КО ИМ, вызванная методическими погрешностями расчета оптических передаточных функции атмосферы, будет находиться в большинстве случаев в пределах 10-30%.

Часть 4 главы 1 посвящена анализу чувствительности расчетной схемы алгоритма восстановления альбедо ПП к вариациям входных параметров.

Проведены расчеты предложенным методом поля рассеянного излучения для системы: атмосфера- подстилающая поверхность, на основе которых установлены закономерности распределений погрешности восстановления альбедо ПП но излучению, попадающему в апертуру приемника, и дано их объяснение. Среди полученных закономерностей можно отметить следующие.

Одним из основных источников погрешности восстановления КО ПП является неточное знание типа аэрозоля в момент съемки. Если тип аэрозоля известен, то погрешность практически во всех важных случаях не превышает 10%, возрастая при больших зенитных углах Солнца ©^>50°, малых КО ПП q< 10-30% и

азимутальных углах <р=0-50° . Ошибка возрастает, если тип аэрозоля не определен, так погрешность, вызванная использованием при расчетах оптической модели континентального аэрозоля вместо городского, не опускается ниже 10%, достигая 20 - 40% и более. Ошибка несколько ниже (в 2- 3 раза), если континентальный аэрозоль используется вместо морского. Таким образом, если известен тип аэрозоля (например, при проведении атмосферной коррекции далеко от крупных промышленных городов, в глубине материка можно с достаточной точностью использовать континентальный аэрозоль), при проведении атмосферной коррекции

возможно использование стандартного набора вектора оптических параметров, соответствующего метеорологической дальности видимости 20 км и высоте аэрозольного слоя 2 км. Получаемая при этом погрешность восстановления КО ПП для достаточно ярких поверхностей (q>0.1) будет в пределах (0-20%, что достаточно в большинстве прикладных задач.

Наблюдается сложная зависимость погрешности восстановления КО ПП от зенитного угла солнца. До 0^=60° погрешность может: плавно возрастать;

монотонно убывать, достигая минимума в районе 20-40° с последующим монотонным возрастанием или иметь еще более сложную зависимость. После 60° погрешность во всех случаях монотонно возрастает.

Максимальная погрешность восстановления КО ПП монотонно убывает с увеличением КО ПП в тех случаях, когда имеется неопределенность в типе аэрозоля. В случае определенного состава аэрозоля погрешность достигает минимума, при этом положение минимума может перемещаться от q=0.15 до q=0.55 в зависимости от геометрии визирования.

Отмечена сильная зависимость погрешности восстановления КО ПП от азимута визирования, отсчитываемого относительно плоскости солнечного вертикала (<р). Зависимость уменьшается, во-первых при увеличении отражательной способности зондируемой поверхности q, во- вторых, при стремлении зенитных углов к нулю. В некоторых случаях изменение азимута от 0° до 90° или 180° , при одинаковых остальных условиях приводит к возрастанию погрешности восстановления КО ПП от 2 - 3 до 8 раз. Анализ результатов, полученных в диссертации, показал, что для зондирования ПП опТимальнымй являются азимуты Öq =40-150°. При таких азимутах погрешность восстановления КО ПП может в

отдельных случаях,быть меньше погрешности для надирных условий,наблюдения.

Проанализировано влияние аппаратурных погрешностей на точность восстановления КО ПП. На основании анализа фундаментальных выражений сделан вывод об усилении аппаратурных погрешностей атмосферой, причем коэффициент усиления к^ возрастает при увеличении вклада яркости атмосферной

дымки а сигиал, регистрируемый приемником на - верхней границе атмосферы. Показано, что целесообразно иметь аппаратурные погрешности на уровне 1-5%. Если аппаратурные погрешности будут больше, то они могут стать основным источником погрешности даже при восстановлении КО ПП для стандартной атмосферы. :

В главе 2 дано описание международного подспутникового эксперимента FIFE (Канзас 1987). Приведены' результаты сравнения коэффициентов отражения, рассчитанных с помощью разработанной в главе 1 методики по данным, полученным AVHRR NOAA9.10, сданными наземных измерений (MMR).

В частях 1-2. главы 2 описываются цеЛи и задачи международного эксперимента, описывается аппаратура, использованная в ходе эксперимента. В части 3 обсуждаются полученные результаты, которые позволяют сделать вывод о том, что разработанная модель позволяет достаточно точно восстанавливать КО ПП даже при низких углах солнца над горизонтом и ненадирных условиях съемки.

Кроме того сопоставление позволило выявить следующие закономерности. 1) Хотя зависимость коэффициента корреляции (г) от зенитного угла Солнца {<дмакС) (посде

которого производилась отбраковка спутниковых измерений) несколько различается для данных с NOAA-9 и NOAA-IO, можно отметить

практически монотонное убывание г с увеличением Кроме того отмечено

неравномерное падение коэффициента корреляции с увеличением @™а1сс: плавное

уменьшение до некоторого критического значения (43° - для АУНЯЯ ЬЮАА-9 и 60° - для АУНЛЯ ]\ЮАА-10); последующее резкое падение в пределах 5° изменения 0)Макс и медленное дальнейшее уменьшение, по крайней мере, до углов 65-70°

(дальнейшую зависимость не удалось проследить, так как отсутствовали синхронные измерения дня больших значений углов). При этом, даже при углах

Солнца а^г=70° коэффициент корреляции оставался достаточно высоким

(г-0.81).

2) Отмечена более высокая корреляция данных ЛУНЯЯ. ТМОАА-Ю с данными наземных измерений ('д/оЛ/НО"0-^6! гКОАА9 =0.81). Для данных с >ЮАА-10 также отмечено меньшее расхождение между альбедо по абсолютным значениям. Так, коэффициенты линейной регрессии (Ямин =Д+Ь* Чколл < гДе альбедо определяется в процентах) находятся в следующих пределах а^оллч =-1.88-1-0.81; и^()АА\й =-4.2-ь-2.2; ЬцОАМ--23; ^,,0 =0.91+0.97.

Результаты обработки совместных спутниковых и наземных измерений подтверждают результаты, полученные методом расчетно- параметрического моделирования о том, что при низких углах солнца возможно восстановление КО ПП в приближении стандартной атмосферы с приемлемой точностью.

В главе 3 излагается научно- методическое и программно- алгоритмическое обеспечение решения задач по обработке спектральной видеоинформации в рамках КНЭ "ОБЗОР", получаемой камерой ОЭК-ОЗ КА, функционирующей с августа 1994 года.

Для повышения эффективности использования СЗИ, получаемой аппаратурой ОЭК-ОЗ, в том числе и для обеспечения восстановления абсолютных значений коэффициента отражения (КО) природных образований, наряду с предполетной метрологической аттестацией осуществляется текущий полетный контроль энергетических и частотно-контрастных характеристик ОЭК-ОЗ. С этой целью разработаны, научно и методически обоснованы с учетом специфических особенностей аппаратуры алгоритмы радиометрической (РК) и радиационной (атмосферной) коррекции (АК), а также полетной калибровки (ПК) ОЭК-ОЗ. Алгоритмы реализованы в виде соответствующих программных модулей, входящих в состав штатного математического обеспечения первичной обработки СЗИ на АППИ.

В части 1 главы 3 описаны задачи, решаемые в рамках КНЭ "ОБЗОР", и показана работа автора, результатом которой было обоснование, разработка и реализация программ радиометрической, атмосферной коррекций и методики полетной калибровки.

В части 2 главы 3 описана методика радиометрической коррекции изображения.

Как в большинстве оптико- электронных систем, в ОЭК-ОЗ наблюдается линейная зависимость сигнала на выходе АЦП (Б) от яркости излучения на входе приемного устройства, выраженной в стандартных энергетических единицах Ь [Вт/(м2-стер-мкм)]:

^(х,у) = а,(х)-О(х,у) + С01(.х), (9)

где О (х,у) - исходный сигнал, принимаемый аппаратурой, соответствующий у- ой строке и х- му столбцу изображения; С0(х) и С1(х) - соответственно, аддитивный и мультипликативный калибровочные коэффициенты, соответствующие х- му элементу в ПЗС линейке в ¡-ом спектральном канале.

Проанализированы различные источники погрешности в алгоритме радиометрической коррекции (9). Проведенный анализ ошибок, возникающих при проведении радиометрической коррекции изображения, основными источниками ошибки являются неадекватные калибровочные характеристики. Как показал опыт работы с изображениями, полученными ОЭК-ОЗ, применение калибровочных коэффициентов, измеренных на стадии предполетных испытаний аппаратуры, не улучшает качество изображения (остаются вертикальные полосы на изображении, связанные с разными чувствительностями детекторов в ПЗС линейке) и дает существенно искаженные значения яркостей системы "Земная поверхность-атмосфера" (в некоторых случаях в 2-3 раза). Поэтому на основе имеющейся информации была проведена полетная калибровка камеры ОЭП-ОЗ по наземным тест объектам (см. ниже).

В соответствии с методикой разработана программа, на которую оформлена документация в соответствии с ЕСПД, и которой присвоен регистрационный номер: ХА.00043-01 34 05 ЯУ. Программа устраняет дефекты ("полосатость" изображения), обусловленные разбросом чувствительности элементов линейки ФПУ, а также рассчитывает коэффициенты перевода цифровых отсчетов скорректированного изображения в величины альбедо подстилающей поверхности.

Часть 3 главы 3 посвящена методике атмосферной коррекции изображения, используемой при обработке информации, получаемой камерой ОЭК-ОЗ. Методика описана в главе 1. На основании методики создана программа, на которую оформлена документация в соответствии с ЕСПД, и которой присвоен регистрационный номер: ХА.00043-01 34 08 ЛУ. Программа устраняет влияние атмосферы путем учета коэффициента пропускания атмосферы, вычитания засветки атмосферной дымки, устранения влияния боковых подсветов от соседних элементов.

Часгь 4 главы 3 посвящена научно- методическому и программно-алгоритмическому обеспечению решения задачи полетной калибровки аппаратуры ОЭК-ОЗ КА 17Ф118-0.

Процедура полетной калибровки аппаратуры заключается в получении калибровочных коэффициентов, необходимых для проведения радиометрической коррекции получаемого изображения. Так как на камере ОЭК-ОЗ КА 17Ф118-0 отсутствует аппаратура для проведения калибровки, единственная возможность получения калибровочной информации заключается в использовании расчетов яркости на входе приемного устройства над поверхностями с известными отражающими свойствами и построении на основании этих расчетов калибровочной кривой.

Решение этой задачи проводится в три этапа:

1) Находятся коэффициенты для относительной калибровки: коэффициенты СО и С1, устраняющие разброс фоточувствительностей между различными детекторами.

2) Проводиться абсолютная калибровка камеры по объектам с известными отражающими свойствами на изображении, прошедшими предварительно обработку с нормированными коэффициентами отражения.

3) Вычисляются с помощью полученных величин калибровочные коэффициенты СО и С1 - коэффициенты перевода сигнала в разрядах АЦП в яркость излучения на уровне приемника излучения.

Для'нахождения темновых токов было предложено использовать результаты ночных съемок. Для анализа возможности такого пути нахождения темновых токов был исследован'вопрос о влиянии отражающих свойств ППЗ, наличия облачности и влияния луны на величину яркости выходящего и'з атмосферы излучения в сумеречное й ночное время. Исследования проводились путем математического моделирования с помощью пакета программ LOV/TRAN-7. Результаты моделирования позволили сделать вывод о том, что при зенитных углах Солнца больше,(>3-95° ночные снимки могут использоваться в качестве черного тела.

Для подтверждения возможности использования ночной съемки для определения темновых токов была проанализирована зависимость сигнала на выходе аппаратуры AVHRR NOAA-9 и NOAA-IO от зенитного угла Солнца для вечерних и ночных снимков, полученных в рамках FIFE (см. рис. 1). Такая проверка важна, потому что в расчетах яркости при низких положениях Солнца над горизонтом сложно учесть все факторы, начинающие играть важную роль в формировании излучения, такие как сферичность земли, эффекты рефракции, учет горизонтальной неоднородности атмосферы и др..

Анализ полученных зависимостей показал, что при зенитных углах солнца меньше 90° сигнал на выходе приемника AVHRR NQAA-10 не превышал 42 ед. АЦП, что хорошо согласуется с. данными, полученными по предполетной калибровке и сигналом при , направлении камеры в открытый космос: 38-40 ед. АЦП. Однако при углах более 100°.AVHRR NOAA-IO. начинает показывать заниженные значения, сигнала (D<?20-30). Кроме того отмечено противофазное изменение яркостей в подспутниковой точке yi при визировании в открытый.космос. Полученная закономерность по видимому объясняется . нелинейными аппаратурными эффектами, возникающими при, прохождении терминатора. Таким образом необходимо с осторожностью использовать данные ночных съемок при калибровке аппаратуры, и проводить исследования диапазона зенитных углов солнца, при которых не возникает указанных эффектов, т.е. оценить максимальный зенитный угол Солнца, при котором возможно производить калибровку аппаратуры. В частности для AVHRR NOAA-IO углы Солнца, при которых возможно использовать ночные съемки для калибровки, находятся в диапазоне 90100°.

Для получения темновых токов камеры была произведена серия ночных съемок пустынь Руб-эль-Хали и Сахары. Анализ гистограмм полученных изображений показал, что средний сигнал во время ночных снимков был на уровне 0-3 ед. АЦП. На основании данных предполетной калибровки ожидалось, что этот сигнал будет на уровне десятков едениц, ДЦП. Полученные значения показали, что величина темновых токов существенно изменилась в процессе эксплуатации ОЭК-ОЗ. Так как полученный по данным ночных снимков сигнал находится на уровне шумов» то использование ночных съемок не позволяет сделать вывод о величине темновых токов (возможно С0<0). . ..

. Таким образом в случае ОЭК-ОЗ КА 17Ф| 18-0 использование ночных съемок не позволяет извлечь информацию о коэффициенте СО.

Анализ снимков, подученных при использовании камеры ОЭК-ОЗ, позволил сделать следующие выводы:

80 90 ! 00 110 120

зенитный угол Солнца (градусы)

'ис. 1. Сигнал (в ед. АЦП) полученный аппаратурой AVHRR NOAA-IO полученный о время эксперимента FIFE (Канзас, 1987 г.) вечернее и ночное время в зависимости >т зенитного угла Солнца (1,2) и сигнал полученный при направлении приемник в ткрытый космос (3,4): 1,3- канал 1; 2,3 - канал 2.

'ис.2. Фраг мент изображения от 20.02.1995, включающий полигон White Sands, Нью Лексика (виток 2769), полученный с помощью камеры ОЭК-ОЗ МКА-ЭКО зенитны ш угол Солнца 0=56.4 , 1 -й канал.

1) На изображениях во всех спектральных каналах присутствуют вертикальные полосы, связанные с различием чувствительности разных детекторов ПЗС-линейки.

2) Изучение сигнала над однородными (квази-однородными) поверхностями показал плавные изменения сигнала вдоль линии сканирования.

Для удаления указанных эффектов был использован метод относительной калибровки приемников по однородным поверхностям, в качестве которых было принято решение использовать снежные поверхности Антарктиды и пустынь. Была произведена серия съемок камерой ОЭК-ОЗ КА 17Ф118-0 для обеспечения решения задачи относительной калибровки. После визуального анализа изображений были отобраны изображения, имеющие фрагменты с однородными поверхностями: пустыня Рубь-Эль-Хали, Антарктида.

Для исследования степени однородности приведенных изображений были вычислены средние яркости и стандартные отклонения яркости по столбцам и строкам этих изображений. Полученные результаты показывают сильное различие стандартных отклонений яркости, вычисленных для строк и столбцов исходных изображений (от 3-4 до 60 раз в зависимости от изображения и номера спектрального канала). Анализ стандартных отклонений, усредненных по строкам сигналов, рассчитанных по исходному изображению, подтверждают предположение об однородности исходных фрагментов изображений. Так, средняя яркость по строкам изображений тестовых полигонов меняется в пределах 0.1-3.1% (в зависимости от- Изображения и номера канала). Таким образом величина стандартного отклонения средней яркости в строках изображения от средней по снимку величины может являться хорошей количественной характеристикой степени однородности снимаемого объекта. А так как отсутствуют выделенные направления на исходных изображениях, этой величиной можно оценить и горизонтальную неоднородность изображения.

Разработан алгоритм нахождения коэффициентов для относительной калибровки. Калибровочные коэффициенты были получены по снимку Антарктиды. Визуальный анализ обработанных изображений показал исчезновение вертикальных полос на изображениях, полученных в течении всего времени эксплуатации камеры при разных уровнях яркости излучения на входе приемника и прошедших процедуру радиометрической коррекции. Полученные результаты подтверждают сделанные на этапе получения коэффициентов предположения.

После анализа литературных источников было принято решение использовать следующие типы поверхностей для абсолютной калибровки аппаратуры ОЭК-ОЗ:

- гипсовый песок - полигон White Sands, Нью-Мексико (см. рис.2);

- темные объекты на всех имеющихся в наличии изображениях.

Для расчетов яркости на верхней границе атмосферы был использован пакет LOWTRAN-7, потому что в отличии от метода, приведенного в главе I, он позволяет учитывать высоту полигона над уровнем моря, оптические свойства пустынного аэрозоля и моделировать- влияние разных типов облачности на регистрируемый сигнал. Результаты расчетов яркости для условий в момент зондирования и соответствующие им.-сигналы на выходе АЦП приведены на рис. 3. Чтобы оценить погрешность, которые .возникаютиз-за неточног о знания состояния атмосферы в момент съемки, на рисунке приведен разброс яркости, рассчитаный для различной прозрачности атмосферы для конкретного полигона.

Полученные данные использованы для расчета калибровочных коэффициентов СО и С1 путем нахождения коэффициентов регрессионной

! ] V = 0.17791 + 6.8824- -

! i

___LT____

•

0

Канал 1

200

400 600

сд. АЦП

800

1000

б)

200 180 160 НО 120 100 80 60 40 20 О

1 ...... ! 1 у = 0.244ÜX + 7.4 2

т т

il^l >

. 1 Г 1 Î

О 100 Канал 2

200 300 400 500 ед. АЦП

600

700

800

200

X ISO

»

I leo

*а V 140

W

* 120

N

£ 100

S so

л н 60

о tä 40

С. С! 20

0

! 1 1 " I

]

L ^Т___

It' i !

И

, "T "I

100

200

в) Канал 3

300 <■ АЦП

400

500

600

200

i 180

* 160

о. V НО

и 190

N

X too

а 80

л *• 60

О * 40

a. « 20

0

// 1

! [

1

i 1

1 т -

- ^ 1 ,

--1-

О

г) Канал 4

50

100

150 ед. АЦП

200

250

300

Рнс.З. Калибровочные характеристики ОЭК-ОЗ КА 17Ф118-0: а)

- 1-й, б) - 2-й, в) - 3-й, г) - 4-й канал.

зависимости между сигналами в ед. АЦП (Б) и яркостью на верхней границе атмосферы, рассчитанной при метеорологической дальности видимости 23 км. Соответствующие кривые приведены на рис. 3.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1) Для ярких объектов (типа гипсовых песков с коэффициентами отражения 0.6-0.7) погрешность определения яркости будет на уровне 3-4%. Учет всех источников по1-решности (таких как неоднородность полигона, методические погрешности, неучет неортотропности) даегг погрешность не более 8-15%.

2) Точность определения яркости темных объектов будет несколько ниже: 10- 50%, а в некоторых случаях до 100%.

Высокая погрешность определения яркости темных объектов связана с неопределенностью оптического состояния атмосферы, поэтому приходилось учитывать возможность метеорологической дальности видимости км.

Численные расчеты показали, что если бы метеорологическая дальность видимости лежала в пределах 10-50 км, то точность расчета яркости была бы на уровне 10%.

С другой стороны анализ яркостей и сигналов, вычисленных для водной поверхности, показывает их тесную связь между собой: увеличение яркости при увеличении сигнала при уменьшении зенитного угла солнца. Последнее возможно в случае, когда состояние атмосферы в момент получения указанных четырех изображений было похожим. Так как съемка производилась в разных местах в разное время при полном отсутствии или минимальной облачности и изображения отличаются высокой контрастностью, то вероятность того, что во всех четырех случаях низкая прозрачность атмосферы, невысока. Поэтому точность определения яркости темных объектов по спутниковым измерениям будет на уровне 10-15%.

Показаны пути увеличения точности калибровки. Разработанный комплекс программ в виде составной части комплекса первичной обработки изображений поверхности земли, получаемых камерой ОЭК-ОЗ КА 17Ф118-0, передан в эксплуатирующую организацию.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Сформулируем основные результаты, полученные в работе:

I. Разработана методика восстановления спектрального альбедо ПП по значениям яркости восходящего излучения на верхней границе атмосферы. Мегодика позволяет достигать приемлемой точности восстановления спектрального альбедо при минимальных затратах машинного времени. При этом для расчетов ОПФА был предложен метод расчета ОПФА, сочетающий высокую скорость (сравнимую со скоростью ввода исходных данных в программу) с приемлемой точностью (1-3% для освещенности и 5-15% при вычислении яркости атмосферной дымки).

II. Проведены расчеты предложенным методом поля рассеянного излучения для системы: атмосфера- подстилающая поверхность, на основе которых установлены закономерности распределений погрешности восстановления альбедо ПП по излучению, попадающему в апертуру приемника, и дано их объяснение. Среди полученных закономерностей можно отметить следующие.

1) Одним из основных источников погрешности восстановления КО Г1П является неточное знание типа аэрозоля в момент съемки. Если тип аэрозоля известен, то погрешность практически во всех важных случаях не превышает 10%,

возрастая при больших зенитных углах Солнца ©0>50°, малых КО ПП ц< 10-30% и

азимутальных углах <р=0-50°. Ошибка возрастает, если тип аэрозоля не определен.

Так, погрешность, вызванная использованием при расчетах оптической модели континентального аэрозоля вместо городского, не опускается ниже 10%, достигая 20 - 40% и более. Ошибка несколько ниже (в 2- 3 раза), если континентальный аэрозоль используется вместо морского. Таким образом, если известен тип аэрозоля (например, при проведении атмосферной хоррекции далеко от крупных промышленных городов, в глубине материка можно с достаточной точностью использовазъ континентальный аэрозоль), при проведении атмосферной коррекции возможно использование стандартного набора вектора оптических параметров, соответствующего метеорологической дальности видимости 20 км и высоте аэрозольного слоя 2 км. Получаемая при этом погрешность восстановления КО ПП доя достаточно ярких поверхностей (q>0.1) будет в пределах 10-20%, что достаточно в большинстве прикладных задач.

2) Наблюдается сложная зависимость погрешности восстановления КО ПП в

зависимости от зенитного угла солнца. До ©о=60° погрешность может: плавно

возрастать; монотонно убывать, достигая минимума в районе 20-40° с последующим монотонным возрастанием или иметь еще более сложную зависимость. После 60° погрешность во всех случаях монотонно возрастает.

3) Максимальная погрешность восстановления КО ПП монотонно убывает с увеличением КО ПП в тех случаях, когда имеется неопределенность в типе аэрозоля. В случае определенного состава аэрозоля погрешность достигает минимума, при этом положение минимума может перемещаться от q=0.15 до q=0.55 в зависимости от геометрии визирования.

4) Отмечена сильная зависимость погрешности восстановления КО ПП от азимута визирования «р. Зависимость уменьшается, во-первых при увеличении отражательной способности зондируемой поверхности q, во- вторых, при стремлении зенитных углов, к нулю. В некоторых случаях изменение азимута от 0" до 90° или 180°, при одинаковых остальных условиях приводит к возрастанию погрешности восстановления КО ПП от 2 - 3 до 8 раз. Анализ результатов,

полученных в диссертации, показал, что для зондирования ПП при больших 0()

оптимальными являются азимуты (р=40-150°. При таких азимутах погрешность восстановления КО ПП может в отдельных случаях быть меньше погрешности для надирных условий наблюдения.

III. Проанализировано влияние аппаратурных погрешностей на точность восстановления КО ПП. На основании анализа фундаментальных выражений сделан вывод об усилении аппаратурных погрешностей атмосферой, причем коэффициент усиления кj возрастает при увеличении вклада яркости атмосферной

дымки в сигнал, регистрируемый приемником на верхней границе атмосферы. Показано, что целесообразно иметь аппаратурные погрешности на уровне 1-5%. Если аппаратурные погрешности будут больше, то они могут стать основным источником погрешности даже при восстановлении КО Г1П для стандартной атмосферы.

IV. Проведено сопоставление альбедо поверхности, рассчитанных по измерениям с NOAA, и альбедо, измеренных на Земле в ходе международного эксперимента FIFE (1987). Полученные результаты позволили верифицировать все разработанные алгоритмы и программы по радиометрической и радиационной коррекции и сделать вывод о том, что разработанная модель позволяет с приемлемой точностью

восстанавливать альбедо ГШ даже при низких углах солнца над горизонтом i ненадирных условиях зондирования.

V. Разработана, обоснована, реализована в виде программы методик; радиометрической коррекции изображения. На программу оформлен, документация в соответствии с ЕСПД, и ей присвоен регистрационный номер ХА.00043-01 34 05 ЛУ. Программа устраняет дефекты ("полосатость" изображения) обусловленные разбросом чувствительности элементов линейки ФПУ, а такж* переводит цифровые отсчеты исходного сигнала в яркости излучения на вход! приемного устройства.

VI. Разработана, обоснована, реализована в виде программы методик! атмосферной коррекции изображения. На программу оформлена документация i соответствии с ЕСПД, и ей присвоен регистрационный номер: ХА.00043-01 34 0Í ЛУ. Программа устраняет влияние атмосферы путем учета коэффициент; пропускания атмосферы, вычитания засветки атмосферной дымки, устранена влияния боковых подсветов от соседних элементов.

VII. Разработана методика полетной калибровки аппаратуры видимого и БИЬ областей спектра. Проведена относительная и абсолютная калибровка камерь ОЭК-ОЗ на основе разработанной методики. Проведенный анализ показал, чте точность относительной калибровки находится на уровне 1-3%, а абсолютной 8 15%. Показаны пути увеличения точности калибровки.

Разработанный комплекс программ в виде составной части комплекс; первичной обработки изображений поверхности земли, получаемых камерой ОЭК ОЗ КА 17Ф118-0, передан в эксплуатирующую организацию.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Borin О. V.,Bushnev S.V.,Grebennik A.R.,Kondranin T.V., Myasniko\ E.V.,Yurin D.V.. Applied Methods for Modeling the Backscattering Characteristics in the Airborne Laser Remote Sensing of the Ocean. // 15th International Laser Radai Conference. July 23-27 1990, Tomsk. -Vol.2. -P.42-43.

2. Baranov Yu.F., S.S.Bogdanov, O.V.Borin, T.V.Kondranin, E.V. Myasnikov V.A. Filippov, I.P. Chernyavskyi - The experimental Investigation of the Lidai Backscatter Signal (Black Sea, August, 1989) - 15 th Internat. Laser Radar Conf. July 23 27 1990, Tomsk. -Vol.2, p. 32-36.

3. О.В.Ьорин, С.В.Бушнев. Применение методов атмосферной коррекции npií обработке космической спектрозональной информации по подстилающей поверхности. Отчет НПЦ "ОПТЭКС" инв. 0Ш/"ОПТЭКС730.03.94г.

4. О.В.Борин, ПО-СЗВИ-ФЦО ПРОГРАММЫ ОБРАБОТКИ СПЕКТРОЗОНАЛЬНОЙ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ ПО ФЦО, Радиометрическа* коррекция изображений по данным предполетной калибровки ФПУ. Руководстве оператора. ХА.00043-01 34 05-ЛУ 1994г.

5. О.В.Борин, ПО-СЗВИ-ФЦО ПРОГРАММЫ ОБРАБОТКИ СПЕКТРОЗОНАЛЬНОЙ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ ПО ФЦО, Программе атмосферной коррекции СЗИ. Руководство оператора. ХА.00043-01 34 08 -ЛУ 1994 г.

6. О.В.Борин, С.В. Бушнев, Т.В. Кондранин, Е.В.Мясников. Погрешности определения био-оптических параметров верхнего слоя океана по измерениям спектра коэффициента яркости.// Прикладные задачи аэромехайшпеи и геокосмической физики, Междуведомственный сборник научных трудов, Москва 1992 г.