Калинин Н.А., Толмачёва Н.И. Космические методы исследований в метеорологии

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 5.4. Геометрия строки сканирования

рабанного типа. Вращение барабана

ной развертке (повороту сканирующего зе

x = f( ) и y = f(

(5.18)

Математическое выражение закона сканирования всегда входит

в уравнения, связывающие координаты точек на изображении и на

местности при их временной и географической привязке. Регистрация

(построение) космического изображения проводится с помощью уст-

ройств ба соответствует построч-

ркала), а ход каретки —

покадровой развертке (перемещению спутника по орбите), т. е. коор-

динаты каждой точки изображения есть функции

i i

Если шаг х подачи каретки, скорость вращения (число обо-

ротов в единицу времени) барабана и период сканирования

из-

вестны, то можно осуществить временную разметку изображения по

формуле

−

ия к точности расчета целеуказаний определяются осо-

беннос

, (5.19)

где x

— абсцисса строки, получаемой в определенный момент време-

ни.

5.2.2. Кодовая форма для слежения за МСЗ

От точности расчета целеуказаний в значительной степени зави-

сит качество принятой информации и пригодность ее для использова-

ния. Требован

тями спутника и приемной антенны, а также режимом работы

спутника.

Исходными данными для слежения за спутником и географиче-

ской привязки принятой от него информации служат эфемериды, рас-

считываемые регулярно для каждого космического объекта.

Эфемериды включают в себя следующие параметры, являю-

щиеся исходными данными по трассе полета спутника: высоту спут-

ника над поверхностью Земли, широту и долготу подспутниковых то-

чек через дискретные отрезки времени, а также время и долготу восхо-

дящего узла.

Зная орбитальные элементы, можно предсказать время прохож-

дения спутника над тем или иным районом, направить антенну прием-

ной станции на спутник, выполнить географическую привязку изобра-

жений, полученных с помощью спутника. Существуют модели движе-

ния спутников по орбите, учитывающие все основные возмущающие

152

силы. Они позволяют с высокой точностью предсказывать значения

орбитальных элементов на многие месяцы вперед. Примером является

модель, разработанная в Институте космических исследований РАН.

Однако в практике дистанционного зондирования чаще всего приме-

няют орбитальные элементы в формате NORAD (США) из сети Ин-

тернет (http://www.celestrak.com). По этому адресу представлены орби-

тальные элементы для спутников самого различного назначения, за-

пущенных в разное время в различных странах, а также архивные ма-

териал

льные элементы постоянно корректи-

руютс м сети радиолокационных станций и станций оптиче-

ского

зв

е номера спутника в первой стро-

ке ука

орбитальные элементы. Первые две цифры 99 ука-

зываю

ющие два поля: .00000328 и 00000-0 — это первая произ-

водная

ы. Формат NORAD использует достаточно простые модели

движения спутников, но орбита

я по данны

наблюдения (для низколетящих спутников корректировка может

прои одиться несколько раз в день). Достоинством элементов в фор-

мате NORAD является их доступность, однако эта информация срав-

нительно быстро устаревает. В частности, если при расчете орбиты

спутника NOAA использовать элементы NORAD недельной давности,

то окажется, что подспутниковая точка сместится примерно на 50 км

относительно ее истинного положения.

Формат NORAD содержит две строки данных, каждая по 69

символов. Рассмотрим пример:

NOAA 14

I 23455U 94089A 99244.00000000 .00000328 00000-0 20432-3 0

243

223455 99.1001 212.19660008831 180.9531 7.7697 14.12021817

240644

Цифры 1 и 2 и начале каждой строки — это номер строки. Далее

идет классификационный номер спутника по каталогу NORAD, для

NOAA-14 — это 23455. Буква U посл

зывает, что данные общедоступны. В первой строке: 94089А —

номер спутника по международной классификации, причем 94 — по-

следние цифры года запуска (1994 г.), 089А — номер запуска в 1994 г.

В следующем поле приведено время t

= 99244,00000000, к ко-

торому относятся

т на год, т.е. 1999; 2000 г., таким образом, соответствуют цифры

00; 2001 г. — 01; 244 — это номер дня с начала года, отсчитываемый с

00 ч I января по Гринвичу, т.е. 1 сентября 1999 г. Цифры после точки

00000000 указывают на 1/100 000 000 долю суток, в данном случае это

00 ч 1 сентября 1999 г. по Гринвичу.

Следу

среднего движения, деленная на 2 (в единицах оборота за день

в квадрате), и вторая производная, деленная на 6 (в единицах оборота

153

за день в кубе). В орбитальной модели формата NORAD эти сведения

не используются.

Величина 20432-3 —

∗

это сокращенная форма записи: B =

0,2043

правлении на спутник, необходимо перейти от абсолютной

системы координат в систему, связанную с Землей и учитывающую ее

движен рован-

ные на формат NORAD, достаточн хорошо представлены в Интерне-

те. Ко

вая

форма

5.2.3. Временная пр

2⋅10

-3

. В орбитальной модели NORAD B

∗

характеризует аэроди-

намическое торможение данного спутника при движении его в атмо-

сфере на высоте орбиты. Далее представлен номер орбитальной моде-

ли. В формате NORAD это всегда модель SGP4/SDP4, на что указыва-

ет цифра 0.

Цифра 24 в принципе должна отражать номер сеанса коррекции

орбитальных данных, но обычно это достаточно произвольная величи-

на. Последняя цифра 3 в первой строке, как и 4 во второй, — кон-

трольная сумма — остаток от деления на 10 суммы всех цифр в строке,

причем буквы, пробелы, десятичные точки, знаки «+» игнорируются, а

знакам «–» присваивается 1.

Во второй строке повторяется классификационный номер спут-

ника по каталогу NORAD, далее приводятся орбитальные элементы

для момента t

: i = 99,1001 — угол наклонения орбиты (град); Ω =

212,1966 — долгота восходящего узла в градусах. Следующее число

0008831 — это сокращенное обозначение эксцентриситета орбиты,

который равен в данном случае е = 0,0008831. Число ω = 180,9531 —

аргумент перигея (в градусах): М = 7,7697 — средняя аномалия (в гра-

дусах); п = 14,12021817 — среднее движение в оборотах за сутки, свя-

занное с периодом обращения спутника Т соотношением п = 1440/Т,

здесь Т выражено в мин; 240664 — номер витка с момента запуска

спутника. Последнее число 4, как указывалось, это контрольная сумма.

Чтобы определить время прохождения спутника над тем или

иным районом Земли, найти углы поворота антенны приемной стан-

ции в на

ие. Соответствующие программные продукты, ориенти

довая форма «Орбита», используемая в России, предусматрива-

ет строгую стандартизацию содержания и способа кодирования ин-

формации с целью ее обработки как на ЭВМ, так и вручную. Кодо

предназначена для передачи исходных данных по приему и об-

работке информации, поступающей с метеорологических, океаногра-

фических и природно-ресурсных ИСЗ, и содержит данные на несколь-

ко суток вперед, в зависимости от периодичности проведения радио-

контроля орбиты.

ивязка космических изображений

154

Временной привязкой называют определение момента времени,

в который произведено наблюдение объекта со спутника. Временная

привяз

нируемой для съема ин-

форма

вязки его изображения.

лени его

устрой

я и мации

ка спутниковых снимков осуществляется двумя способами.

Первый способ. Определяется время ΔТ пересечения спутником

заданной географической широты, кратной 10° и являющейся бли-

жайшей к широте пункта приема информации. Рассчитывают время

зш

полета МСЗ от экватора до этой широты и прибавляют к времени

вуз

восходящего узла орбиты спутника, пла

ции:

з.ш

= Т

в.уз

+ ΔТ. (5.20)

При регистрации в момент времени Т

з.ш

на изображении произ-

водят прерывание видеосигнала, образуется «пустая» строка, которая и

используется для временной при вс

Второй способ. Соотношение (4.20) используется для опреде

я момента времени Т

вкл

включения хода каретки регистрирующ

ства, когда спутник будет находиться над районом, с которого

необходимо начать съем информации. Первая строка изображения бу-

дет являться той линией, которая используется для временной размет-

ки и географической привязки изображения.

Временная прив зка спутн ковой инфор , полученной в

режиме работы запоминающего устройства, осуществляется ретро-

спективно по меткам бортового единого времени и временной размет-

ке космического изображения получаемого на пункте приема в режи-

ме непосредственной передачи.

5.2.4. Географическая привязка космических изображений

Под географической (или пространственной) привязкой пони-

мают определение географических координат (локализацию) любых

объектов изображения в некоторой выбранной системе координат,

связанной с Землей.

Географическая привязка спутниковой информации осуще-

ствляется с использованием нескольких взаимосвязанных коорди-

натных систем (рис. 5.5).

Спутниковая система координат SXYZ, совмещающая в себе

систему конструктивных осей МСЗ и спутниковую приборную систе-

му, имеет начало в центре масс спутника. Некоторое несовпадение

конструктивной и приборной координатных систем постоянно, заранее

известно и вполне учитывается установочными углами приборов. От-

155

носительно спутниковой системы коор инат определяются в основном

углы поворота сканирующего зеркала прибора.

Фотогравиметрическая (спутниковая местная) система коор-

динат SХ

, начало которой совпадает с центром масс спутника,

ось SZ

является нормалью к земной поверхности и направлена от

центра Земли, ось SХ

совпадает с вектором абсолютной скорости

МСЗ, ось SY

ориентирована по правой системе координат, использу-

ется для контроля ориентации спутника путем измерения угла тангажа

(вращения спутника вокруг оси SY), угла крена

(вращения вокруг

продольной оси SX) и угла рыскания

(вращения вокруг вертикальной

оси SZ). Эти углы иногда называют углами рассогласования спутнико-

вой и фотогравиметрической систем координат.

ВО

орбиты

Экватор

Орбита МСЗ

Рис

Проекция

. 5.5. Основы географической привязки данных наблюдений МСЗ

Геоцентрическая прямоугольная гринвичская система коорди-

нат OX

имеет начало в центре Земли, который совпадает с одним

из фокусов эллиптической орбиты спутника. Ось системы ОХ

направ-

156

лена в точку пересечения гринвичского меридиана с экватором, ось

совпадает с осью вращения Земли и направлена на север, а ось ОY

дополняет систему координат до правой.

Географическая система координат (система меридианов и па-

раллел

истемы взаимосвязанных координат к

другой

к системе. Алгоритм такого подхода достаточно сложен, об-

ладает

образом на космическое изображение по результатам

его вр

е по специальной про-

грамм

рный эффект

в геог

ии МСЗ или

тсутствие сведений о ней, отклонение реального закона сканирования

от зад

– о ессе по-

троения географических координатных сеток;

ми значениями их координат, взятыми из карт, каталогов.

ей) служит для определения азимута А проекции орбиты МСЗ

на земной поверхности, долготы и широты подспутниковой точки и

точек пересечения луча визирования с поверхностью Земли.

В общем случае задача географической привязки спутниковых

наблюдений решается как задача определения координат точки пере-

сечения луча визирования с земной поверхностью при последова-

тельном переходе от одной с

путем определения направляющих косинусов луча визирования

в каждой из координатных систем и построения матриц перехода от

системы

известной избыточностью вычислений и может быть реализо-

ван с помощью средств вычислительной техники.

Практически географическая привязка заключается в наложении

определенным

еменной разметки координатной сетки (палетки), рассчитанной

заранее на электронной вычислительной машин

е для конкретных районов Земли. Каждая палетка применима

для наложения на спутниковые снимки как для восходящих, так и для

нисходящих участков орбиты.

Источники характерных ошибок, вносящих сумма

рафическую привязку, могут быть объединены в следующие

группы:

– ошибки приборного характера, связанные с работой спутника

или отдельных его бортовых систем (нарушение ориентац

анного);

шибки расчетного характера, возникшие в проц

– ошибки технологического характера, обусловленные неточ-

ностью временной привязки и разметки космического изображения,

неточностью визуального совмещения изображения и палетки, дис-

кретностью набора географических координатных сеток.

Оценку точности метода географической привязки производят

путем непосредственного сопоставления координат видимых на изо-

бражении ориентиров, полученных в результате привязки, с истинны-

157

5.3. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕШИФРИРОВАНИЕ

КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ ОБЛАЧНОСТИ

ет рядом

преим

ким дешифрированием, или дешифрированием.

бражения на космических снимках зависит от ряда

физич

ов определяется сочетанием многих факторов

Изображение облачности и земной поверхности в различных

участках спектра электромагнитных волн как форма представления

наблюдений с метеорологических спутников Земли облада

уществ — простотой получения, обработки и наглядностью.

Именно поэтому в настоящее время снимки МСЗ, полученные в види-

мом и инфракрасном диапазонах спектра, являются основной инфор-

мацией, используемой для синоптического анализа и прогноза погоды.

5.3.1. Особенности дешифрирования космических снимков

Процесс распознавания облачности, снега, льда и объектов зем-

ной поверхности на космических изображениях, полученных в ви-

димом и инфракрасном участках спектра излучения, называется ме-

теорологичес

В дешифрировании естественных объектов выделяют три этапа:

обнаружение, опознавание и определение характеристик. В общих

чертах процесс дешифрирования телевизионных и инфракрасных кос-

мических изображений одинаков, хотя и имеются некоторые особен-

ности. Возможность опознавания объектов на таких изображениях

определяется разрешающей способностью спутниковой аппаратуры:

чем меньше значение разрешающего элемента на местности, тем с

большими подробностями просматриваются объекты и тем точнее их

дешифрирование. Основными дешифровочными признаками, позво-

ляющими различать изображения облаков разного типа и особенности

объектов земной поверхности, являются яркость (тон) и рисунок

(структура).

Яркость изо

еских характеристик объекта и не является достаточным дешиф-

ровочным признаком. На телевизионных снимках, полученных в ви-

димом участке спектра, яркость определяется отражательными свойст-

вами объекта (альбедо) и его освещенностью. На таких изображениях

обычно различают 10–12 градаций относительной яркости. Тон (яр-

кость) инфракрасного космического изображения определяется тепло-

вым состоянием излучающих объектов и влиянием атмосферы. Тепло-

вой фон, на котором просматриваются облака, характеризуется боль-

шой изменчивостью (суша, снег, лед, вода и др.), да и тепловое со-

стояние самих облак

158

(урове

ловлена формой и размерами просматриваемых объектов,

контра

лутонов изображения и т. д.), но в

целом орам, чем тон изображения,

более

смических

изобра

изображения называют рисунок мелких деталей, соз-

даваем

наи-

более

уемую однородным тоном изображения

(откры

пятен (зерен,

очагов

ин с

развет

изображений облачности позволяет выде-

лить следующие основные типы мезоструктуры: облачные линии

нь расположения, вертикальная мощность, микрофизическая

структура и т. д.).

Структура изображения создается резкими изменениями тона

благодаря пространственной неоднородности поля излучения и в ос-

новном обус

стом между ними. Она зависит от технических параметров ап-

паратуры МСЗ (разрешающей способности, чувствительности, числа

различаемых градаций яркости и т. д.) и условий съемки (освещенно-

сти или общего теплового фона, экспозиции, регулировки усиления

сигналов, определяющих число по

более устойчива к внешним факт

информативна.

Исходя из масштабов яркостных неоднородностей естественных

объектов и разрешающей способности аппаратуры на ко

жениях, получаемых с помощью аппаратуры МСЗ, выделяют

текстуру, мезоструктуру и макроструктуру (структуру синоптического

масштаба).

Текстурой

ый различной яркостью отдельных элементов, размеры которых

сравнимы с разрешающей способностью аппаратуры. Текстура, как

распределение оптической плотности изображения, относится к

информативным признакам.

Различают четыре вида текстуры:

– матовую, характериз

тые участки водной поверхности, сплошные льды, слоистооб-

разная облачность, туман, пустынные районы суши и т. д.);

– зернистую, представляющую собой скопления

), которые просматриваются на определенном фоне (кучевооб-

разная облачность, битый лед, растительность леса на фоне снежного

покрова и т. д.);

– волокнистую — нити, и полосы, волокна незначительной

толщины, но вытянутые в длину на десятки и сотни километров, с раз-

мытыми, нечеткими краями (облака среднего и верхнего ярусов);

– дендритовую, характерную для изображения высоких, по-

крытых снегом и расчлененных глубокими долинами гор или равн

вленной системой рек.

Мезоструктура изображения — это рисунок, обусловленный

ориентировкой и расположением на снимке опознаваемых деталей

средних размеров, которые могут иметь свою текстуру.

Анализ космических

159

(продо

етрические осо-

беннос

лачные системы

циклонов, облачность антициклон , облачность струйных течений,

облач ской

зоны нвергенции (ВЗК). Структурные характеристики макромас-

штаба п

ражения для граничных характеристик объектов устанавли-

вается

льные и поперечные), облачные гряды, облачные ячейки (от-

крытые и закрытые), волнистые облака, мезомасштабные вихри (оро-

графические, конвективные, вторичные облачные вихри), аномальные

линии облачности. Мезомасштабные образования кроме данных о ко-

личестве и форме облаков дают информацию о распределении воз-

душных потоков в атмосфере, ее стратификации, турбулентности.

Макроструктурой изображения называют геом

ти больших участков снимка, создаваемых сотнями элементов,

имеющих свои мезомасштабные и текстурные характеристики, разме-

ры которых на два-три порядка больше разрешающей способности

спутниковой аппаратуры.

К макромасштабным образованиям относят облачность воздуш-

ных масс, облачные полосы атмосферных фронтов, об

ов

ность тропических циклонов, облачность внутритропиче

ко

озволяют выявить общую синоптическую обстановку, в кото-

рой наблюдаются те или иные облачные образования.

Целью дешифрирования является получение оптимального чис-

ла разнообразных характеристик, позволяющих дать правильную, ка-

чественную и разностороннюю количественную оценки естественных

объектов, изображенных на снимке. В последнем случае в процессе

визуального дешифрирования могут быть использованы фотометриче-

ские или оптические методы обработки изображений.

5.3.2. Инструментальное дешифрирование снимков МСЗ

Определение границ естественных объектов существенным

образом упрощается и становится более точным, если в качестве таких

границ использовать эквиденситы. Нанесение положения эквиденсит

производится на основе ступенчатого фотометрического клина, коли-

чество ступеней которого определяется порогом световой чувстви-

тельности глаз, фотометрической точностью дешифрируемого изо-

бражения и необходимой точностью разграничения объектов. Уровень

тона изоб

с помощью эталонных снимков или иным путем. К этому уров-

ню подбирается соответствующая ступень клина. Перемещая клин по

изображению, отыскивают и фиксируют точки, тон которых одинаков

с тоном эталонной ступени. Соединив последовательно найденные

точки, получают искомую границу. На практике для таких работ ис-

пользуют регистрирующие микроденситометры (фотометры), принцип

160

действия которых основан на сравнении измеряемой оптической плот-

ности с эталонной. Эти же приборы используются для построения

цифровых моделей исследуемых объектов, по которым затем опре-

деляются их яркостные характеристики, опознается вид и состояние

объекта.

Оптические методы обработки и анализа изображений основаны

на использовании явлений дифракции и интерференции света, возни-

кающих при взаимодействии светового потока с объектами (экранами)

различной пространственной структуры. Если на пути светового луча,

создаваемого монохромат

ствующей точки экрана В

. Основная энергия

сосред

т только от направления

дифра

При д

н-

ложне

идущи

тины от разны щелей.

Таким разом, дифракционная картина для двух рядом рас-

положенных щелей определяется наличием:

– максимумов от щели при b sin

, 2

, 3

,…; (5.22)

ическим источником света, поместить пере-

городку в виде щели, то на краях этой щели будет происходить заги-

ание (дифракция) луча света в соответствии с принципом Гюйгенса,

рассматривающим каждую точку волнового фронта как центр нового

точечного источника света. Вследствие этого на приемном экране М

образуется изображение щели шириной b в виде дифракционной кар-

тины — полоски, перпендикулярной к направлению щели, с отчетливо

различимыми максимумами и минимумами света в ней. Для определе-

ния интенсивности максимумов этой полоски и расстояний между ни-

ми используется волновое уравнение для каждого элемента волнового

фронта dx в плоскости экрана М:

dA = (A

/b)dx cos

t, (5.21)

где A

— амплитуда волны, посылаемой всей щелью по направлению

=0, ω — круговая частота световой волны, t — время. Для определе-

ния амплитуды света, обусловленной действием всей щели в направ-

лении

, необходимо учесть интерференцию всех элементов щели с

учетом разности фаз, обусловленной различием в расстояниях от эле-

ментов щели до соответ

оточена в нулевом максимуме, ширина которого равна λ/b. По-

ложение дифракционных максимумов зависи

кции и не зависит от положения щели во входной плоскости.

вух близко расположенных щелях дифракционные максимумы

от каждой щели будут накладываться друг на друга, увеличивая ко

траст дифракционной решетки. Кроме того, будет иметь место и ус-

ние дифракционной картины, вызванное интерференцией волн,

х от разных щелей. Эффект интерференции определяется разли-

чием в длине хода лучей от различных щелей, которое создает разли-

чие фаз волн, попадающих в одну и ту же точку дифракционной кар-

об

161