Том 30, номер 09, статья № 6

Аннотация:

Разработана модель переноса солнечного излучения в атмосфере Земли, позволяющая в явном виде рассчитывать ее передаточные характеристики (коэффициенты яркости, функцию пропускания и сферическое альбедо) в окнах прозрачности видимого и ближнего ИК-диапазонов в зависимости от приземного давления воздуха (или высоты местности), оптических параметров аэрозоля и углов, характеризующих положение Солнца и спутниковой системы относительно площадки земной поверхности. Данная модель основана на спектрально зависящих аппроксимационных выражениях, которые получены с использованием программного кода для решения уравнения переноса излучения DISORT. Исследовано влияние высотной стратификации оптических параметров атмосферы на точность восстановления спектрального альбедо подстилающей поверхности из коэффициентов яркости на верхней границе атмосферы. Предложен алгоритм радиометрической коррекции многоспектральных спутниковых снимков на основе разработанной модели и проведена его апробация на данных аппаратуры MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer). Показаны существенное улучшение качества изображения объектов земной поверхности и адекватность воспроизведения их спектральных отражательных характеристик после учета влияния на спутниковые снимки процессов взаимодействия оптического излучения с атмосферой и эффекта бокового подсвета.

Ключевые слова:

многоспектральные спутниковые снимки, альбедо поверхности, аэрозольная оптическая толщина, атмосферная коррекция, модель переноса излучения, обратная задача

Список литературы:

1. Беляев Б.И., Катковский Л.В. Оптическое дистанционное зондирование. Минск: БГУ, 2006. 455 c.
2. Atzberger C. Advances in Remote Sensing of Agriculture: Context Description, Existing Operational Monitoring Systems and Major Information Needs // Remote Sens. 2013. V. 5, N 2. P. 949–981.
3. Hanes J.M. (ed.). Biophysical Applications of Satellite Remote Sensing. Heidelberg; New York; Dordrecht; London: Springer, 2014. 230 p.
4. Vermote E.F., Tanré D., Deuzé J.L., Herman M., Morcrette J.-J. Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum, 6S: An Overview // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1997. V. 35, N 3. P. 675–686.
5. Liang S., Fang H., Chen M. Atmospheric correction of Landsat ETM+ land surface imagery – Part I: Methods // IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens. 2001. V. 39, N 11. P. 2490–2498.
6. Kobayashi S., Sanga-Ngoie K. The integrated radiometric correction of optical remote sensing imageries // Int. J. Rem. Sens. 2008. V. 29, N 20. P 5957–5985.
7. Vanonckelen S., Lhermitte S., Balthazar V., Rompaey A.V. Performance of atmospheric and topographic correction methods on Landsat imagery in mountain areas // Int. J. Rem. Sens. 2014. V. 35, N 13. P. 4952–4972.
8. Gao B.-C., Davis C.O., Goetz A.F.H. Atmospheric correction algorithms for hyperspectral remote sensing data of land and ocean // Rem. Sens. Environ. 2009. V. 113, suppl. 1. P. S17–S24.
9. Kokhanovsky A.A., Breon F.-M., Cacciari A., Carboni E., Diner D., Di Nicolantonio W., Grainger R.G., Grey W.M.F., Höller R., Lee K.-H., Li Z., North P.R.J., Sayer A.M., Thomas G.E., von Hoyningen-Huene W. Aerosol remote sensing over land: A comparison of satellite retrievals using different algorithms and instruments // Atmos. Res. 2007. V. 85, N 3–4. P. 372–394.
10. Levy R.C., Remer L., Mattoo S., Vermote E., Kaufman Y.J. Second-generation algorithm for retrieving aerosol properties over land from MODIS spectral reflectance // J. Geophys. Res. D. 2007. V. 112, N 13. DOI: 10.1029/200JD007811.
11. Von Hoyningen-Huene W., Freitag M., Burrows J.B. Retrieval of aerosol optical thickness over land surfaces from top-of-atmosphere radiance // J. Geophys. Res. D. 2003. V. 108, N 9. (20 p.). DOI: 10.1029/2001JD002018.
12. Guanter L., Gómez-Chova L., Moreno J. Coupled retrieval of aerosol optical thickness, columnar water vapor and surface reflectance maps from ENVISAT/MERIS data over land // Rem. Sens. Environ. 2008. V. 112, N 6. P. 2898–2913.
13. Katsev I.L., Prikhach A.S., Zege E.P., Ivanov A.P., Kokhanovsky A.A. Iterative procedure for retrieval of spectral aerosol optical thickness and surface reflectance from satellite data using fast radiative transfer code and its application to MERIS measurements / A.A. Kokhanovsky, G. de Leeuw (eds.) // Satellite aerosol remote sensing over land. Berlin: Springer-Praxis Books, 2009. P. 101–134.
14. Белов В.В., Тарасенков М.В. О точности и быстродействии RTM-алгоритмов атмосферной коррекции спутниковых изображений в видимом и УФ-диапазонах // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 7. С. 564–571; Bеlоv V.V., Таrаsеnkоv М.V. On the accuracy and operation speed of RTM algorithms for atmospheric correction of satellite images in the visible and UV ranges // Atmos. Ocean. Opt. 2014. V. 27, N 1. P. 54–61.
15. Berk A., Conforti P., Kennett R., Perkins T., Hawes F., van den Bosch J. MODTRAN6: A major upgrade of the MODTRAN radiative transfer code // Proc. SPIE. Algorithms and Technologies for Multispectral, Hyperspectral, and Ultraspectral Imagery XX. 2014. V. 9088. P. 90880H-1–90880H-7.
16. Ricchiazzi P., Yang S., Gautier C., Sowle D. SBDART: A research and teaching software tool for plane-parallel radiative transfer in the Earth’s atmosphere // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1998. V. 79, N 10. P. 2101–2114.
17. Schaaf C.B., Gao F., Strahler A.H., Lucht W., Li X., Tsang T., Strugnell N.C., Zhang X., Jin Y., Muller J.-P., Lewis P., Barnsley M., Hobson P., Disney M., Roberts G., Dunderdale M., Doll C., d’Entremont R.P., Hug B., Liang S., Privette J.L., Roy D. First operational BRDF, albedo nadir reflectance products from MODIS // Rem. Sens. Environ. 2002. V. 83, N 1–2. P. 135–148.
18. Lyapustin A., Wang Y. The time series technique for aerosol retrievals over land from MODIS / А.A. Kokhanovsky, G. de Leeuw (eds.) // Satellite aerosol remote sensing over land. Berlin: Springer-Praxis Books, 2009. P. 69–99.
19. Katsev I.L., Prikhach A.S., Zege E.P., Kokhanovsky A.A. Speeding up the aerosol optical thickness retrieval using analytical solutions of radiative transfer theory // Atmos. Meas. Tech. 2010. V. 3, N 5. P. 1403–1422.
20. Seidel F.C., Kokhanovsky A.A., Schaepman M.E. Fast and simple model for atmospheric radiative transfer // Atmos. Meas. Tech. 2010. V. 3, N 4. P. 1129–1141.
21. Катковский Л.В. Параметризация уходящего излучения для быстрой атмосферной коррекции гиперспектральных изображений // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 9. С. 778–784.
22. Kokhanovsky A.A., Mayer B., Rozanov V.V. A parameterization of the diffuse transmittance and reflectance for aerosol remote sensing problems // Atmos. Res. 2005. V. 73, N 1–2. P. 37–43.
23. Васильев А.В., Кузнецов А.Д., Мельникова И.Н. Аппроксимация многократно рассеянного солнечного излучения в рамках приближения однократного рассеяния // Уч. зап. РГГМУ. 2016. № 42. С. 94–103.
24. Goddard Space Flight Center, AERONET. [Electronic resource]. URL: httpHYPERLINK "http://aeronet.gsfc.nasa.gov/"://HYPERLINK "http://aeronet.gsfc.nasa.gov/"aeronetHYPERLINK "http://aeronet.gsfc.nasa.gov/".HYPERLINK "http://aeronet.gsfc.nasa.gov/"gsfcHYPERLINK "http://aeronet.gsfc.nasa.gov/".HYPERLINK "http://aeronet.gsfc.nasa.gov/"nasaHYPERLINK "http://aeronet.gsfc.nasa.gov/".HYPERLINK "http://aeronet.gsfc.nasa.gov/"gov (last access: 14.10.2016).
25. Hansen J.E., Travis L.D. Light scattering in planetary atmospheres // Space Sci. Rev. 1974. V. 16, N 4. P. 527–610.
26. Liou K.N. An introduction to atmospheric radiation. Second edition. New York; London: Elsevier-Academic Press, 2002. 583 p.
27. Abreu L.W., Anderson G.P. (eds.). The MODTRAN 2/3 Report and LOWTRAN 7 MODEL. 1996. [Electronic resource]. URL: http://web.gps.caltech.edu/~vijay/pdf/mHYPERLINK "http://web.gps.caltech.edu/~vijay/pdf/%20modrept.pdf"oHYPERLINK "http://web.gps.caltech.edu/~vijay/pdf/%20modrept.pdf"drept.pdf (last access: 14.10.2016).
28. Rothman L.S., Gordon I.E., Barbe A., Benner D.C., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Brown L.R., Campargue A., Champion J.-P., Chance K., Couderti L.H., Dana V., Devi V.M., Fally S., Flaud J.-M., Gamache R.R., Goldman A., Jacquemart D., Kleiner I., Lacome N., Lafferty W.J., Mandin J.-Y., Massie S.T., Mikhailenko S.N., Miller C.E., Moazzen-Ahmadi N., Naumenko O.V., Nikitin A.V., Orphal J., Perevalov V.I., Perrin A., Predoi-Cross A., Rinsland C.P., Rotger M., Šimečková M., Smith M.A.H., Sung K., Tashkun S.A., Tennyson J., Toth R.A., Vandaele A.C., Auwera J.V. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2009. V. 110, N 9–10. P. 533–572.
29. Serdyuchenko A., Gorshelev V., Weber M., Burrows J.P. New broadband high-resolution ozone absorption cross-sections. Bremen University, Bremen, Germany, 2011. [Electronic resource]. URL: http://www.spectroscopyeurope.com / articles / 55-articles / 3082-new-broadband-high-resolution-ozone-absorption-cross-sections (last access: 14.10.2016).
30. Vermote E.F., El-Saleous N., Justice C.O., Kaufman Y.J., Privette J.L., Remer L., Roger J.C., Tanré D. Atmospheric correction of visible to middle-infrared EOS-MODIS data over land surfaces: Background, operational algorithm and validation // J. Geophys. Res. D. 1997. V. 102, N 14. P. 17,131–17,141.
31. Stamnes K., Tsay S.-C., Laszlo I. DISORT, a General-Purpose Fortran Program for Discrete-Ordinate-Method Radiative Transfer in Scattering and Emitting Layered Media: Documentation of Methodology (version 1.1, Mar 2000). [Electronic resource]. URL: http://www.meteo.physik.uni-muenchen.de/~emde/lib/exe/fetch.php?media=teaching:radiative_transfer:disortreport1.1.pdf (last access: 14.10.2016).
32. Cattrall C., Reagan J., Thome K., Dubovic O. Variability of aerosol spectral lidar and backscatter and extinction ratio of key aerosol types derived from selected Aerosol Robotic Network locations // J. Geophys. Res. D. 2005. V. 110, N 10. D10S11 (13 p.).
33. United States Department of Agriculture. Global soil regions map. URL: http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detail/soils/use/?cid=nrcs142p2_054013 (last access: 14.10.2016).
34. Baldridge A.M., Hook S.J., Grove C.I., Rivera G. The ASTER spectral library version 2.0 // Rem. Sens. Environ. 2009. V. 113, N 4. P. 711–715.
35. Guanter L., Richter R., Kauffmann H. On the application of the MODTRAN4 atmospheric radiative transfer code to optical remote sensing // Int. J. Rem. Sens. 2009. V. 30, N 6. P. 1407–1424.
36. Reinersman P.N., Carder K.L. Monte Carlo simulation of the atmospheric point-spread function with an application to correction for the adjacency effect // Appl. Opt. 1995. V. 34, N 21. P. 4453–4471.
37. Duanabc S.-B., Licd Z.-L., Tanga B.-H., Wua H., Tanga R., Bi Y. Atmospheric correction of highspatial-resolution satellite images with adjacency effects: Application to EO-1 ALI data // Int. J. Rem. Sens. 2015. V. 36, N 19–20. P. 5061–5074.
38. European Space Agency – MERIS Product Handbook. Issue 3.0, 1 August 2011. [Electronic resource]. URL: http://envisat.esa.int/handbooks/meris/CNTR.html (last access: 15.10.2016).
39. Sentinel-3 OLCI User Guide. [Electronic resource]. URL: https: // sentinel.esa.int / web / sentinel / user-guides / sentinel-3-olci (last access: 15.10.2016).
40. Васильев А.В. Численное моделирование интенсивности многократно рассеянного солнечного излучения и производных от нее с учетом сферической геометрии атмосферы (компьютерный код SCATRD) // Вестн. СПбГУ. 2006. Сер. 4: Физика. Вып. 3. С. 3–14.
41. World Meteorological Organization. World Climate Research Programme: A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computation. Switzerland, Geneva. Report WCP-112, WMO/TD-24. 1986. 60 p.
42. Лысенко С.А., Кугейко М.М., Хомич В.В. Многочастотное лидарное зондирование атмосферного аэрозоля в условиях информационной неопределенности // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 5. С. 404–413; Lysenkо S.А., Kugeikо М.М., Khоmich V.V. Multifrequency lidar sensing of atmospheric aerosol under conditions of information uncertainty // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 6. P. 516–525.
43. Bowker D.E., Davis R.E., Myriek D.L., Stacy K., Jones W.T. Spectral Reflectances of Natural Targets for Use in Remote Sensing Studies. NASA RP-1139. Hampton: NASA Langley Research Center, 1985. 184 p.
44. Bhatti A.M., Rundquist D., Schalles J., Ramirez L., Nasu S. A comparison between above-water surface and subsurface spectral reflectances collected over inland waters // Geocarto Int. 2009. V. 24, N 2. P. 133–141.
45. Yang W., Matsushita B., Chen J., Fukushima T. Estimating constituent concentrations in case II waters from MERIS satellite data by semi-analytical model optimizing and look-up tables // Rem. Sens. Environ. 2011. V. 115, N 5. P. 1247–1259.