Спутниковое радиотепловидение: методика расчета динамики полей геофизических параметров
атмосферы
Краткое введение
Термин «спутниковое радиотепловидение» предложен авторами для обозначения подхода
к обработке и анализу радиотепловых спутниковых данных, направленного на восстановление
детальной динамики геофизических полей системы океан-атмосфера и расчет их интегральных
характеристик, таких, как потоки скрытого тепла через произвольно задавамые контуры
(границы). Параметры контуров (положение, форма, размер, скорость и направление
смещения, деформации) отражают свойства исследуемых объектов (процессов) и определяются
поставленной задачей.
Общая схема интерполяции полей и оценки динамики
Основные этапы обработки данных в спутниковом радиотепловидении (до анализа потоков)
кратко описаны ниже.
1. Построение опорных полей
На первом этапе формируются так называемые опорные поля: совокупности значений восстановленного
геофизического параметра, обеспечивающие максимально возможное глобальное покрытие
при минимально различающемся местном времени измерений во всех точках. Допустимые
различия во времени составляют как минимум 40 – 50 минут (полупериод орбиты спутника).
Верхняя граница различий определяется шагом Т интерполяции полей по времени. При
Т = 3 часа она была ограничена значениями 1,5 – 2 часа и могла достигаться при объединении
данных с нескольких спутников. Области, не покрытые данными, заполнялись по алгоритму
сшивки лакун [1].
2. Оценка динамики полей
Учитывая свойство опорных полей, построенных по данным со спутников на солнечно-синхонных
орбитах, каждое поле можно условно связать с моментом местного времени, соответствующим
прохождению спутником восходящего (нисходящего) узла орбиты, поскольку отличия местного
времени измерений во всех других точках будут допустимо малы. Таким образом, все
опорные поля могут быть выстроены в хронологической последовательности по местному
времени измерений, причем все точки опорных полей будут наблюдаться с одинаковой
периодичностью в 12 часов. Шаг оценки динамики полей состоит в построении на основе
каждой пары соседних в хронологической последовательности опорных полей векторного
поля смещений, которое показывает, как смещается каждый элемент более раннего опорного
поля, чтобы в результате сформировать более позднее. Для этого применяется известный
метод оценки движения [2,3], в который авторы на данном этапе не внесли принципиальных
изменений. Метод неконсервативен, т.е. не требует сохранения значений в отдельных
смещающихся элементах опорного поля.
3. Пространственно-временная интерполяция
Полученное на предыдущем этапе векторное поле смещений используется для оценки скоростей
адвекции, наблюдаемой в опорных полях. В результате возникает возможность оценки
состояний геофизических полей в промежуточные моменты времени (в линейном приближении).
В известном методе компенсации движения [2,3], в который авторы на данном этапе
не внесли принципиальных изменений, реализован расчет на равноудаленный от пары
опорных полей момент времени. Двукратным применением шагов 2 и 3, т.е. последовательным
«делением» исходного 12-часового отрезка времени пополам, достигается шаг интерполяции
по времени Т = 3 часа. Поля ADV рассчитываются с шагом по времени 2T = 6 часов.
Оценка точности интерполяции
Точность пространственно-временной интерполяции исследована путем прямого сопоставления
интерполированных полей интегрального влагосодержания атмосферы по данным SSMIS
DMSP F16 (интерполированные поля) и не интерполированных полей по данным SSMIS DMSP
F17 (эталонные поля). В качестве исходных данных выбраны продукты обработки SSMIS,
построенные Remote Sensing Systems (www.remss.com),
за ноябрь 2013 года. Всего обработано более 107 пар значений, равномерно
распределенных по месту и времени измерений. При наилучшей синхронизации интерполированных
и эталонных полей средняя невязка значений интегрального влагосодержания составила
0,8 мм (кг/м2) и не имела систематической составляющей, см. [4].
Географическая (координатная) привязка
Для дополнительной информации по полям ADV см. раздел «Формат файлов ADV»
Вычисления выполняются на регулярной координатной сетке с шагом 0,25 градуса. Сетка
имеет 1440 узлов по горизонтали и 720 узлов по вертикали, что соответствует протяженности
в 360° по долготе и 180° по широте. Формулы пересчета номера столбца матрицы X (0..1439)
в долготу L и номера строки Y (0..719) в широту Z таковы:
L = (X < 640) ? (20,125 + X * 0,25) : (20,125 + (X - 1440) * 0,25)
Z = 89,875 - (719 - Y) * 0,25
Выражение «L = (C) ? A : B» означает, что если выполняется условие C, то L = A иначе
L = B. Положительные значения L соответствуют восточной долготе, положительные значения
Z – северной широте. Таким образом, координаты начального узла матрицы данных (0,
0) Z = -89,875; L = 20,125.
В связи с особенностью представления растровых изображений номер строки матрицы
увеличивается в направлении на север, т.е. «снизу вверх».
|
|
|
Представление данных в файле
|
Представление данных на экране
|
Многие программы для работы с изображениями учитывают эту особенность представления
и автоматически меняют индексацию строк данных Y → Y’, так что верхняя отображаемая
строка (последняя строка матрицы данных) имеет минимальный номер. Если Y’ отсчитывается
от 0, то правило его пересчета в Z таково:
Z = (719 - Y’) * 0,25 - 89,875
Для проверки способа индексации, принятого в вашей программе, используйте тестовое
изображение, которое можно скачать здесь.
Значения матрицы данных таковы:
V = 255 в узлах 0 < Z < 90, 20 < L < 180
V = 170 в узлах 0 < Z < 90, -180 < L < 20
V = 85 в узлах -90 < Z < 0, -180 < L < 20
V = 0 в узлах -90 < Z < 0, 20 < L < 180.
|
|
|
Файл тестового изображения
|
Тестовое изображение на экране
|
Привязка по времени
Опорные поля можно считать привязанными к моменту местного времени прохождения спутником
соответствующего восходящего (нисходящего) витка. Ошибка в высоких широтах, как
правило, не превысит четверти периода орбиты спутника (около ±25 минут), но может
увеличиваться при использовании данных нескольких спутников. Интерполированные поля,
в силу равномерности интерполяции по времени, можно интерпретировать как результаты
наблюдения условными спутниками, повторяющими орбиты реальных спутников с интервалами
в 3 часа (для полей ADV – 6 часов). Авторы рассматривают принципиальную возможность
улучшения точности привязки по времени с использованием данных, содержащихся в продуктах
RSS, однако в настоящий момент это не связано с серьезной практической необходимостью
и не является приоритетной задачей.
Обратите внимание! Поскольку начало и конец суточного интервала данных установлены
на 20° восточной долготы и расчетные поля пересекают линию смены дат (180°), то
часть поля с 20° по 180° восточной долготы (левые 639 столбцов матрицы данных) соответствует
следующему календарному дню по отношению ко дню на нулевом меридиане. Поэтому, например,
при заказе данных над Индийским океаном или западом Тихого океана на определенную
дату в форме заказа необходимо указывать дату предшествующих суток.
Типы полей
Совокупность интерполированных геофизических полей с шагом по местному времени T
= 3 часа является одним из основных результатов расчетов по интерполяционной схеме
спутникового радиотепловидения. Назовем эти поля «опорной коллекцией», а этот тип
полей обозначим «loc» (при «фиксированном» местном времени). Опорная
коллекция непосредственно хранится на сервере.
Опорная коллекция может быть использована для построения полей другого типа, например,
полей, интерполированных на произвольно заданное местное время. С этой целью в опорной
коллекции отыскиваются два поля: предшествующее и следующее по времени относительно
заданного момента; далее производится «взвешивание» значений этих полей в каждой
точке по времени с весами, линейно зависящими от временных интервалов между полями.
Тип таких полей обозначен как «ltw» (взвешенные по местному времени).
Аналогично, опорная коллекция может быть использована для построения полей при фиксированном
едином времени, т.е. для одного и того же момента времени по всей Земле. Фиксированный
момент времени считается при этом равным местному времени на нулевом меридиане,
относительно него рассчитывается местное время в остальных точках. Далее для каждой
точки и соответствующего ей местного времени проводится, как и для типа «ltw»
поиск и взвешивание по времени ближайших полей из опорной коллекции (при этом, однако,
это будут, вообще говоря, разные поля для разных долготных зон). Тип этих полей
назван «utc».
Поля всех трех типов могут быть получены по запросу пользователя (см. вкладку Поля).
Формат файлов TPW, CLW, WND
Запрашиваемые пользователем поля передаются в формате стандартных растровых изображений,
представляющих собой матрицу данных, дополненную (спереди) заголовком специального
типа, обеспечивающим их непосредственную визуализацию в стандартных приложениях
для работы с графическими файлами. Таким образом, передаваемый файл данных состоит
из стандартного заголовка (1078 байтов) и матрицы данных (1440 x 720 = 1036800 байтов)
и имеет общий размер 1037878 байтов. Данные в матрице данных упорядочены по строкам
(широте), внутри строк – по долготе, см. пункт «Географическая (координатная) привязка».
Значения B элементов матриц данных в диапазоне 1 – 251 соответствуют действительным
оценкам значений геофизических полей в соответствующих узлах сетки.
Значения интегрального влагосодержания Q в мм (кг/м2) могут быть получены
из B по формуле:
Q = 0,3 * (B – 1);
Значения водозапаса облаков L в мм могут быть получены из B по формуле:
L = 0,01* (B – 1) – 0,05; в случае L < 0 следует принять L = 0.
Значения скорости приповерхностного ветра в м/с могут быть получены из B по формуле:
W = 0,2 * (B – 1).
Значения B = 0 указывают на отсутствие данных в соответствующих узлах сетки.
Значения B = 255 соответствуют областям суши.
Значения B в диапазоне 252 – 254 не имеют физического смысла.
Кроме того, как отмечено выше, не имеют смысла значения B в верхней (первой) строке
и последнем (правом) столбце матрицы данных.
Формат файлов данных ADV
Файл данных adv содержит значения зональных и меридиональных компонент вычисленных
векторов скоростей адвекции в узлах регулярной координатной сетки с фиксированным
шагом по широте и долготе (в текущей версии шаг составляет 1°). Обе компоненты скорости
даны в м/с и представлены в виде чисел с плавающей точкой двойной точности (8 байтов
на число).
Файл данных adv состоит из заголовка размером 40 байтов и следующего за ним массива
элементов скоростей. В заголовке последовательно перечислены: длина строки массива
данных w (целое четырехбайтовое число, в текущей версии w = 360), число строк данных
h (целое четырехбайтовое число, в текущей версии h = 161), широта узлов первой строки
координатной сетки sLat (восьмибайтовое число с плавающей точкой, в текущей версии
sLat = -80°), широта узлов последней строки координатной сетки eLat (восьмибайтовое
число с плавающей точкой, в текущей версии eLat = 80°), долгота узлов первого столбца
координатной сетки sLon (восьмибайтовое число с плавающей точкой, в текущей версии
sLon = 20,5°), долгота узлов последнего столбца координатной сетки eLon (восьмибайтовое
число с плавающей точкой, в текущей версии eLon = 19,5°).
В массиве последовательно перечислены элементы скоростей адвекции. Для каждого элемента
массива даны две компоненты скорости (в м/с) в виде восьмибайтовых чисел с плавающей
запятой: первой идет зональная компонента скорости (положительные значения соответствуют
направлению на восток), второй идет меридиональная компонента скорости (положительные
значения соответствуют направлению на север).
Пример чтения данных из файла adv приведен в разделе «Программы»
Список источников
- Ермаков Д.М., Раев М.Д., Чернушич А.П., Шарков Е.А. Алгоритм построения
глобальных радиотепловых полей системы океан-атмосфера высокой пространственно-временной
дискретизации по спутниковым микроволновым измерениям // Исследование Земли из космоса.
2013. № 4. С. 72-82.
- Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юкин В. Методы сжатия данных. Устройство
архиваторов, сжатие изображений и видео // М.: Диалог-МИФИ, 2003. 384 C.
- Richardson, I.E.G. H.264 and MPEG-4 video compression. John Wiley &
Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 SQ, England, 2003.
306 p.
- Ермаков Д.М., Шарков Е.А., Чернушич А.П. Оценка точности интерполяционной
схемы спутникового радиотепловидения // Современные проблемы дистанционного зондирования
Земли из космоса. 2015. Т. 12. №2. С. 77-88