CC BY
9
УДК 528.88
Д. М. Великосельская1'2, В. С. Маркое1'2
1 Московский физико-технический институт (государственный университет) 2АО «Российские космические системы»
Влияние различных факторов на измерения СПЭЯ космическими средствами
Представлено исследование влияния точности определения функции спектральной чувствительности (ФСЧ) и параметров атмосферы (содержание озона, водяного пара, аэрозоля) на значения спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) и вегетационных индексов для растительности и почвы.
Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, СПЭЯ, вегетационный индекс, водяной пар, озон, аэрозоль.
1'2 1'2
1
2
Influence of various factors on radiance measurements made by space-based assets
The paper presents the influence of the accuracy of determining the spectral sensitivity-function (SSF) and atmospheric parameters, viz. ozone, water vapor, and aerosols on the values of radiance and vegetation indices for vegetation and soil.
Key words: remote sensing of the Earth, radiance, vegetation index, water vapor, ozone, aerosol.
1. Введение
Значения СПЭЯ используются для создания тематических продуктов, а вегетационные индексы используются для оценки состояния и классификации растительности и почвы. На значения СПЭЯ и вегетационных индексов могут влиять ФСЧ целевой аппаратуры и параметры атмосферы, которые не всегда известны на момент съемки. Поэтому необходимо понять, как изменение этих параметров влияет на значения СПЭЯ и вегетационных индексов.
2. Анализ влияния ФСЧ и параметров атмосферы на измерения СПЭЯ
Функция спектральной чувствительности может быть аппроксимирована функцией Гаусса [1]. С целью анализа влияния формы ФСЧ целевой аппаратуры на значения СПЭЯ растительности (трава, дуб, клен, ель, сосна) и почвы (коричневый пылеватый суглинок, очень темный серо-коричневый пылеватый суглинок) получены значения СПЭЯ с использованием ФСЧ описываемой функцией Гаусса степени 1.2, 1.4, 1.8, 2, 4 и ФСЧ в форме прямоугольника для спектральных диапазонов целевой аппаратуры космического аппарата (КА) «Канопус-В». На рис. 1 представлены ФСЧ.
На рис. 2 представлены графики зависимости СПЭЯ травы (а), ели (б), клена (в) от длины волны для выбранных ФСЧ. На графиках СПЭЯ для разных ФСЧ отличается.
@ Великосельская Д. М., Марков В. С., 2018
(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)», 2018
Рис. 1. Модельные ФСЧ
Рис. 2. Графики зависимости СПЭЯ растительности от длины волны для выбранных ФСЧ
Далее чтобы проверить возможность решения таких тематических задач, как определение тина растительности и почвы и их состояния, но полученным значениям СПЭЯ посчитаны вм'етационные индексы [2|:
Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) для растительности
NDVI
Pnir — Pred Pnir + Pred
pnir pred
красной области спектра;
Atmospherically Resistant Vegetation Index (ARVI) для растительности
отражение в
ARVI
Pnir — 2Pred — Pblue Pnir + 2Pred — Pblue '
дляФСЧ в Форме функции
степени J
степени 2
степени 1,2
степени1,4
степени 1,8
дня ФСЧ в форме
прямоугольника
Цпчнаволны
где pblue — отражение в синей области спектра;
Simple Ratio (SR) для растительности и почвы
SR = PNR.
Pred
В качестве эксперимента, чтобы оценить изменение СПЭЯ почвы в зависимости от изменения ФСЧ целевой аппаратуры, индекс SR рассчитан не только для растительности, но и для почвы. Из табл. 1, 2, 3 видно, что для каждой ФСЧ по вегетационным индексам NDVI, ARVI, SR можно отличить траву и клен от ели и сосны, также можно различить ель и сосну. Использованный вид дуба и ели, как и трава и клен имеют практически одинаковые вегетационные индексы, поэтому их различить невозможно. Также из табл. 3 видно, что по индексу SR различимы данные типы почв.
Таблица1
Значения индекса NDVI
ФСЧ Вид растительности
Трава Дуб Клен Ель Сосна
Функция Гаусса степени 1.2 0.628 0.490 0.613 0.503 0.530
Функция Гаусса степени 2 0.742 0.610 0.736 0.620 0.644
Функция Гаусса степени 4 0.774 0.654 0.773 0.659 0.680
Прямоугольник 0.784 0.668 0.782 0.671 0.690
Функция Гаусса степени 1.4 0.678 0.538 0.666 0.551 0.579
Функция Гаусса степени 1.8 0.730 0.596 0.723 0.607 0.632
Таблица2
Значения индекса ARVI
ФСЧ Вид растительности
Трава Дуб Клен Ель Сосна
Функция Гаусса степени 1.2 0.190 -0.043 0.152 -0.091 -0.049
Функция Гаусса степени 2 0.413 0.165 0.393 0.125 0.169
Функция Гаусса степени 4 0.482 0.244 0.470 0.203 0.241
Прямоугольник 0.503 0.269 0.492 0.227 0.264
Функция Гаусса степени 1.4 0.285 0.038 0.251 -0.091 0.039
Функция Гаусса степени 1.8 0.390 0.140 0.367 0.101 0.145
ТаблицаЗ
Значения индекса SR
ФСЧ Вид растительности
Трава Дуб Клен Ель Сосна Почва! Почва^
Функция Гаусса степени 1.2 4.374 2.919 4.169 3.022 3.255 0.884 0.992
Функция Гаусса степени 2 6.745 4.129 6.589 4.259 4.624 0.886 1.000
Функция Гаусса степени 4 7.849 4.779 7.799 4.863 5.244 0.882 0.996
Прямоугольник 8.239 5.017 8.194 5.076 5.460 0.888 1.002
Функция Гаусса степени 1.4 5.214 3.332 4.989 3.455 3.743 0.883 0.994
Функция Гаусса степени 1.8 6.418 3.952 6.229 4.086 4.438 0.891 1.005
Для того чтобы проанализировать, влияет ли изменение ФСЧ на вегетационные индексы N0X^1, АКУТ, БЫ и соответственно на возможность различить ранее указанные типы растительности, построены графики зависимости значений индексов N0"^!, АГ{\1. БЫ от
степени функции Гаусса, которой моделирована ФСЧ, съемочной аппаратуры. На рис. 3 представлены графики зависимости значений индексов \Г)\1 (а), АКУТ (б), БЫ (в) от степени функции Гаусса.
О -----
1.3 1.Б 2 А
оншнь Луна
в)
Рис. 3. Графики зависимости вегетационных индексов от степени функции Гаусса
По графикам видно, что если вместо ФСЧ. описываемой функцией Гаусса степени 4, использовать ФСЧ, описываемой функцией Гаусса степени 1.2 или 1.4, мы получим для клена и травы вегетационный индекс, характерный для ели и сосны. Или если вместо ФСЧ. описываемой функцией Гаусса степени 4, использовать ФСЧ. описываемой функцией Гаусса степени 2, то для ели нолучим вм'етационный индекс, характерный для сосны. Поэтому для определения тина растительности но вегетационному индексу необходимо знать ФСЧ целевой аппаратуры в красном и инфракрасном каналах. При изменении степени функции Гаусса, которой моделируется ФСЧ. индекс БЫ для почвы практически не меняется и имеет одинаковое значение для всех модельных ФСЧ. Это позволяет определить тин почвы и отличить почву от растительности.
3. Анализ влияния содержания озона в атмосфере на измерения СПЭЯ
С целью анализа влияния содержания озона в атмосфере получена СПЭЯ травы, ели, клена, сосны, дуба и двух типов почв (коричневый пылеватый суглинок, очень темный серо-коричневый пылеватый суглинок) для ФСЧ. описываемой функцией Гаусса степени 2 для разного содержания озона в атмосфере: 250, 280, 310, 340, 370 и 400 ед. Добсона. По полученным значениям СПЭЯ посчитаны вегетационные индексы. На рис. 4 представлены графики зависимости значений вегетационных индексов \Г)\1. АКУТ, БЫ от содержания озона в атмосфере.
По графикам видно, что при изменении содержания озона в атмосфере значения индексов \Г)\ [. АКУТ, 5Р для каждого тина растительности и почвы практически не меняются, что позволяет при изменении содержания озона в атмосфере отличить клен и траву от сосны и ели и отличить сосну от ели. Это обусловлено тем, что каналы целевой аппаратуры КА «Канопуе-В» расположены на таких длинах волн, где присутствует только полоса Шаппюи (0.45 0.7 мкм), которая соответствует слабому поглощению электромагнитного излучения и практически не влияет на полученные значения СПЭЯ. Полосы сильного электромагнитного поглощения Хартли (0.2 0.3 мкм) и средних) электромагнитного поглощения Хюггинса (0.3 0.36 мкм) не попадают в каналы целевой аппаратуры КА «Канопуе-В» [3]. Поэтому
для определения тина растительности но вегетационному индексу достаточно учитывать стандартное содержание озона в атмосфере около 300 ед. Добеона.
Рис. 4. Графики зависимости вегетационных индексов от содержания озона в атмосфере
4. Анализ влияния содержания водяного пара в атмосфере на измерения СПЭЯ
Рис. 5. Графики зависимости вегетационных индексов от содержания водяного пара в атмосфере
С целью анализа влияния содержания водяного пара в атмосфере получена СПЭЯ травы, ели, клена, сосны, дуба и двух типов почв (коричневый пылеватый суглинок, очень темный серо-коричневый пылеватый суглинок) для ФСЧ, описываемой функцией Гаусса степени 2 для разного содержания водяного пара в атмосфере: 0.1, 0.6, 1.1, 1.6, 2.1, 2.6 г/см2.
По полученным значениям СПЭЯ посчитаны вегетационные индексы. На рис. 5 представлены графики зависимости значений вегетационных индексов \ Г)\1. АКУТ, БЫ от содержания водяного пара в атмосфере.
Опгнн чягкпя шаицшл л'умни
в)
Рис. 6. Графики зависимости вегетационных индексов от оптической толщины аэрозоля в атмосфере
По графикам видно, что при изменении содержания водяного пара в атмосфере значения индексов \Г)\ [. АКУТ, 5П для каждого тина растительности и почвы практически не меняются, что позволяет при изменении содержания водяного пара в атмосфере отличать разные тины растительности и почвы. Это обусловлено тем, что водяной нар поглощает только в ПК-диапазоне, а в ближнем ИК-диапазоне поглощает только на определенных длинах волн [4|. Канал целевой аппаратуры КА «Канопуе-В» в ближнем ПК-диапазоне достаточно широкий, поэтому поглощение водяным паром практически не влияет на полученные индексы. Поэтому для определения тина растительности но вегетационному индексу достаточно учитывать среднее содержание водяного пара в атмосфере.
5. Анализ влияния оптической толщины аэрозоля в атмосфере на измерения СПЭЯ
С целью анализа влияния оптической толщины аэрозоля в атмосфере получена СПЭЯ травы, ели, клена, сосны, дуба и двух типов почв (коричневый пылеватый суглинок, очень темный серо-коричневый пылеватый суглинок) для ФСЧ, описываемой функцией Гаусса степени 2 для разной оптической толщины аэрозоля: 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7.
По графикам видно, что значения индексов \Г)\1. АКУТ, 5П для оптической толщины аэрозоля 0.05 и 0.7 для хвойных и лиственных растений совпадают. Для определения тина растительности необходимо знать оптическую толщину аэрозоля на момент получения СПЭЯ целевой аппаратурой. При разной оптической толщине аэрозоля индекс 5П для почвы практически не меняется, что позволяет определить тин почвы и отличить почву от растительности при любой оптической толщине аэрозоля.
Заключение
Для целевой аппаратуры КА «Канопуе-В» в исследовании влияния точности определения ФСЧ и параметров атмосферы (содержание озона, водяного пара, аэрозоля) на значе-
ния СПЭЯ и вегетационных индексов для растительности и почвы получены следующие результаты:
— необходимо знать ФСЧ целевой аппаратуры;
— достаточно учитывать стандартное содержание озона в атмосфере, которое составляет около 300 ед. Добсона;
— достаточно учитывать среднее содержание водяного пара в атмосфере, характерное для определенного места и времени;
— необходимо знать оптическую толщину аэрозоля в атмосфере.
Результаты исследования могут быть использованы в области обработки данных ДЗЗ. Литература
1. Попов М.А. Оценивание спектральной чувствительности многоспектральной съёмочной аппаратуры спутниковой системы «Сич-2» по наземным спектрометрическим измерениям // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11, № 2. С. 152-164.
2. Шовенгерт Р. А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений. М.: Техносфера, 2010.
3. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Основы теоретической атмосферной оптики. СПб.: СПбГУ, 2007.
4. Rothman L.S. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2009. V. 100. P. 533-572.
References
1. Popov M.A. Spectral response estimation of Sich-2 satellite system multispectral imager using ground-based spectrometry measurements. Sovremennve problemv distantsionnogo zondirovaniva Zemli iz kosmosa. 2014. V.ll, N 2. P. 152-164. (in Russian).
2. Schowengerdt R.A. Remote Sensing: Models and Methods for Image Processing. Moscow: Technosphere, 2010. (in Russian).
3. Timofeev Yu.M., Vasil'ev A.V. Theoretical Fundamentals of Atmospheric Optics. Saint Petersburg.: Saint Petersburg University, 2007. (in Russian).
4. Rothman L.S. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2009. V. 100. P. 533-572. (in Russian).
Поступим в редакцию 30.01.2018
