Многоволновый метод для дистанционного определения береговой линии в условиях сильного аэрозольного загрязнения атмосферы

DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.1.68-73 УДК 627.8

МНОГОВОЛНОВЫЙ МЕТОД

ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЕРЕГОВОЙ ЛИНИИ В УСЛОВИЯХ СИЛЬНОГО АЭРОЗОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Л. Дж. Абдуллаева

НИИ Аэрокосмической информатики Национального аэрокосмического агентства г. Баку, Азербайджанская Республика

Аннотация

Статья посвящена разработке многоволнового метода дистанционного определения береговой линии в условиях сильного аэрозольного загрязнения атмосферы. Проведен краткий обзор существующих методов определения береговой линии спектральными методами, и указаны их недостатки. Предложена модель оценки сигналов спутниковых спектрорадиометров для случая аномального загрязнения атмосферы аэрозолем. На основе предложенной модели разработан многоволновый метод определения береговой линии, позволяющий устранить аэрозольную погрешность известного двухволнового метода. Ключевые слова:

береговая линия, спектрорадиометр, двухволновая методика, аэрозольная погрешность, оптическая плотность.

MULTI-WAVELENGTH METHOD FOR REMOTE DETERMINATION OF COASTLINE IN CONDITION OF HEAVY AEROSOL POLLUTION OF ATMOSPHERE

Latifa Dj. Abdullayeva

Research Institute of Aerospace Informatics of National Aerospace Agency, Baku, Azerbaijan Republic

Abstract

The article is devoted to development of multi-wavelength method for remote determination of coastline in condition of heavy aerosol pollution of atmosphere. The brief review of existing methods designated for determination of coastline by spectral techniques and their shortcomings is carried out. The model for estimation of satellites onboard spectroradiometers signals for a case of abnormal aerosol pollution of atmosphere, is suggested. On the basis of the suggested model the multi-wavelength method for determination of coastline is developed which make it possible to remove the aerosol error of the known two-wavelength method.

Keywords:

coastline, spectroradiometer, two-wavelength method, aerosol error, optical thickness. Введение

Хорошо известно, что проведение достоверного мониторинга береговых зон — важнейшая задача для устойчивого развития прибрежных территорий и защиты окружающей среды в этих регионах [1, 2]. При этом особую важность имеет исследование долговременной и сезонной динамики береговых линий различных водоемов. Как отмечается в работе [3], береговая линия — наиболее важная характеристика земной поверхности, обладающая временной динамикой. Применение дистанционного спектрального зондирования в целях определения береговой линии основывается на свойствах водной среды — поглощения оптической радиации в инфракрасной области и сильного отражения этой радиации почвой и растительностью. Эти спектральные свойства компонентов прибрежных зон обусловливают использование изображений видимого и инфракрасного диапазонов для решения задач картирования береговых линий [1].

Существующие методы

Береговая линия может быть определена с помощью сигнала одного спектрального канала спектрорадиометра, например, сигнал отражения воды в ИК-диапазоне существенно ниже по уровню сигнала отражения почвы и других компонентов прибрежной суши. С этой целью может быть использован один из ИК-каналов аппаратуры ТМ или ЕТМ+. Согласно [4], для этой цели наиболее подходящим является 5-й канал среднего ИК-диапазона ТМ. Однако, как отмечается в [1], если граница земля-вода имеет комплексный характер и заполнена водными растениями, то из-за высокой отражательной способности растений возникает некоторая погрешность определения береговой линии. Для устранения указанного недостатка используется

двухволновая методика, например, сигналы каналов 4 и 2 аппаратуры ЕТМ+/ТМ. Данные спектральных каналов ЕТМ+/ТМ представлены в таблице.

Как отмечается в работе [1], для определения береговой линии может быть использовано следующее свойство спектральных каналов: отношение сигналов каналов 2 и 5, т. е. ¿2/^5, применительно к водной среде больше, чем единица, однако меньше единицы для суши. Существенный недостаток данного метода заключается в том, что некоторые растительные участки, существующие в береговой зоне, могут быть отнесены к водной территории. Другой, не менее существенный недостаток данного метода — незащищенность от влияния аномального атмосферного аэрозоля, что может привести к уменьшению сигнала ¿2. Как результат, уменьшение ¿2/^5 может привести к оценке некоторых водных участков в качестве суши. Для устранения вышеуказанного недостатка в настоящей статье далее рассматривается возможность разработки теоретических основ многоволнового метода определения береговой линии, основу которой составляет трехволновый метод устранения аэрозольной погрешности в солнечных фотометрах, изложенный в работах [4, 5].

Номер канала Channel number Спектральный диапазон Spectral range

ETM+ ТМ

1 0,45-0,515 0,45-0,52

2 0,525-0,6 0,53-0,60

3 0,63-0,69 0,63-0,69

4 0,75-0,9 0,76-0,90

5 1,55-1,75 1,55-1,75

6 10,4-12,5 10,5-12,4

7 2,09-2,35 2,08-2,35

Предлагаемый метод

Описывая предлагаемую модель оценки сигналов спутниковых спектрорадиометров, автор настоящей статьи с коллегами считают, что на исследуемую поверхность прибрежной зоны попадают две составляющие солнечной радиации:

1) /пр — прямая солнечная оптическая радиация;

2) /рас. н. п. — половина рассеянной солнечной оптической радиации, направленная в нижнюю полусферу (рис.).

При этом в противоположном направлении в космос излучается вторая половина суммарной рассеянной радиации /рас. в. п. Таким образом, в зону береговой линии попадает суммарная радиация:

1 Е= 1 пр

Отраженная радиация может быть оценена как:

Лотр = а(Ж4р + 1рас. н. п ) ,

где а (X) — альбедо отражения в прибрежной зоне.

Так как /отр направлен в сторону спектрорадиометра, то на его вход поступает суммарная радиация ^о, определяемая как:

I

L

а(Х)-

I,

- Ta W

dœ,

где ю — угол обзора оптики спектрорадиометра; т(А) — оптическая толщина атмосферного аэрозоля.

рас. н. п

œ

Предлагаемая модель формирования входной оптической радиации спектрорадиометра The suggested model of formation of input optical radiation of spectroradiometer

Хорошо известно, что спектрорадиометры, установленные на спутниках дистанционного зондирования, осуществляют атмосферную коррекцию, включая аэрозольную коррекцию по собственному алгоритму. Вместе с тем, как было показано в работе [6], валидационные оценки с использованием данных AERONET показывают разность оптических толщин аэрозоля, измеренных с помощью спутника и AERONET, достигающую 0,1.

Таким образом, оптическую толщину атмосферного аэрозоля можно определить как:

Ta (X) = Та. н (X) + Ta а (X) ,

где первая составляющая в выражении (4) определяет корректируемую на борту часть оптической толщины аэрозоля, а вторая составляющая — некорректируемую часть. С учетом выражений (3) и (4):

F0 = е

-T а. н (X) I

h

I,

а (X)-

I,

—

dœ.

Выражение (5) в коротком виде:

F0(X) = е

_ „-T а а

* F [i0 пр , Ip

а I

pac. н. п5 5 pac. в.

п, Ta. н (X) ]

-Та. н

F (X):

где Fl — суммарная оптическая радиация на входе спектрорадиометра при Та. а (X) = 0.

С учетом модели (6), вышеупомянутое отношение Ь2/Ь5, предложенное в работе [1], может быть оценено:

b2_ b2

b5 b5

F,

F

Как видно из выражения (7), двухволновый метод, изложенный в [1], будет давать результат, зависимый от:

œ

АТа. а = а ) - Та. .

т. е. от случайной величины Дта. а ввиду случайного характера величины оптической толщины атмосферного аэрозоля.

С учетом вышеизложенного предлагается многоволновый метод определения береговой линии в условиях сильного аэрозольного загрязнения.

Суть предлагаемого метода заключается в использовании известной трехволновой методики [4, 5] применительно К ¿2(^2) и ¿5(^,5) для устранения влияния Ta. a (Х2) и Ta. a (Х5) соответственно. Согласно трехволновой методике вводится промежуточный показатель у, определяемый как:

_/1

1 /2(Ь2) '

где Xi < Х2 < Хэ; /i(Xi), /2(^2), /э(Хэ) — результаты спектрометрических измерений на длинах волн Xi, Х2, Хэ; Ki, K2 — коэффициенты коррекции, вычисляемые с учетом модели Ангстрема атмосферного аэрозоля в виде:

Та =Р • Г",

где в — показатель аэрозольной мутности атмосферы; а — показатель Ангстрема, а также аддитивной модели атмосферного аэрозоля в виде:

Та = ТаС + V ,

где Тас — оптическая плотность крупнодисперсной составляющей аэрозоля; Tаf — оптическая плотность мелкодисперсной составляющей аэрозоля.

С учетом методики, заключенной в выражениях (9-11), введем промежуточный показатель Yi (¿2) применительно к Ъг, подобно (9). Имеем:

У: b ) =

F^) • ^  • F (Ц) • е

K,

Ta. a (М

^ 2/ РП Ч „2 Taa

Fj(X 2) • е

где Х 2 = Х2 + АХ; Х 2 = Х2 - АХ; АХ = const.

Очевидно, что условия устранения влияния атмосферного аэрозоля в формуле (12) имеют следующий вид:

^пТа. a

С учетом выражений (10), (11) и (13) получим следующую систему уравнений для вычисления коэффициентов K11 и K21:

Кп -Х2/ ; К21 -Х^Х/

Ки -Х^ + К21 -Х^Х^,

где а/, ас — показатели Ангстрема для мелко- и крупнодисперсного составляющих аэрозоля соответственно.

Очевидно, что вычисление Ki и K2 позволяет нам написать выражение (12) в виде:

F (х1+)К" - F а)К21

Y:

Fi

Повторив все процедуры трехволновой методики для ¿5(^5), получим:

F (- +)Kl2 • F (X )K22

r1

С учетом формул (16) и (17):

X =

Yl

y

где

\K2i

с ^5+)• ^

1 ^ • )*21

При сравнении выражений (7) и (18) можно заметить их схожесть по форме, однако существенное различие заключается в том, что С0 — случайная величина, а С\ — детерминированная.

Возвращаясь к решаемой задаче определения береговой линии двухволновым методом, критерий, изложенный в работе [1], на основании выражения (18) можно переформулировать

следующим образом: отношение С1 ^ (^2) применительно к водной среде больше, чем С1,

и меньше, чем С1, для суши.

Таким образом, проведенный анализ позволяет усовершенствовать известную двухволновую методику в смысле устранения влияния аномальных величин атмосферного аэрозоля.

Применительно к практическому использованию предлагаемого многоволнового метода отметим, что показатели Ангстрема аf и ас могут изменяться с интервалом автокорреляции величиной в одни сутки и даже меньше, что диктует необходимость проведения операций коррекции коэффициентов К1 и К2. Для этой цели могут быть использованы данные всемирной сети AERONET, а также других региональных сетей измерения атмосферного аэрозоля.

Выводы

1. Проведен краткий обзор существующих методов определения береговой линии спектральными методами, и указаны их недостатки.

2. Предложена модель оценки сигналов спутниковых спектрорадиометров для случая аномального загрязнения атмосферы аэрозолем.

3. На основе предложенной модели разработан многоволновый метод определения береговой линии, позволяющий устранить аэрозольную погрешность известного двухволнового метода.

ЛИТЕРАТУРА

1. Alesheikh A. A., Ghorbanali A., Nouri N. Coastline change detection using remote sensing // International J. Science and Technology. 2007. No. 4 (1). P. 61-66. 2. A multisource approach for coastline mapping and identification of shoreline changes / A. Guariglia [et al.] // Annals of Geophysics. 2006. Vol. 49, No. 1. P. 295-304. 3. Winarso G, Budhiman S. The potential application of remote sensing data for coastal study, Proc. 22nd Asian Conference on Remote Sensing, Singapore // Res. 2001. Vol. 16 (1). P. 111-124. URL: http://www.crisp.nus.edu.sg/~acrs2001. 4. Asadov H. H, Isayev A. A. Three waves methods for measurements of total content of ozone. Full Compensation of measurements error // Proc. XX Quadrennial Ozone Symposium (1-8 June 2004 Kos, Greece, 2004). 2004. Vol. 1. P. 477-485. 5. АсадовХ. Г., Исаев А. А. Общая теория трехволновых озонометрических измерений // Измерительная техника. 2005. № 8. С. 66-68. 6. Validation of aerosol estimation in atmospheric correction algorithm ARCOR / B. Pflug [et al.] // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 36th International Symposium on Remote Sensing of Enviroment, 11-15 May 2015, Berlin, Germany. 2015. Vol. XL-7/W3.

Сведения об авторе

Абдуллаева Латифа Джафарага гызы — ведущий научный сотрудник НИИ Аэрокосмической информатики Национального аэрокосмического агентства, г. Баку, Азербайджанская Республика E-mail: latifa.abdullayeva@mail.ru

Author Affiliation

Latifa Djafaraga gizi Abdullayeva — Leading Scientific Collaborator of the Research Institute of Aerospace Informatics of National Aerospace Agency, Baku, Azerbaijan Republic E-mail: latifa.abdullayeva@mail.ru

Библиографическое описание статьи

Абдуллаева, Л. Дж. Многоволновый метод для дистанционного определения береговой линии в условиях сильного аэрозольного загрязнения атмосферы / Л. Дж. Абдуллаева // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2019. — № 1 (11). — С. 68-73.

Reference

Abdullayeva Latifa Dj. Multi-wavelength Method for Remote Determination of Coastline in Condition of Heavy Aerosol Pollution of Atmosphere. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2019, vol. 1. (11), pp. 68-73. (In Russ.).