Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений

Подождите немного. Документ загружается.

по спутниковым данным была обнаружена корреляция между интен-

сивностью лесных пожаров в Красноярском крае, республиках Хакас-

сия и Тува и общим содержанием озона в регионе 124, 25). Нападение

I стран НАТО на Югославию весной 1999 г. и авиационные налеты (до

500-700 самолетовылетов в сутки) вызывали уменьшение ОСО на Бал-

канах. По данным со спутника TOMS-ЕР была выявлена корреляция

между интенсивностью налетов и уменьшением ОСО, которое доходи-

ло до 10—12% [26]. Факт уменьшения ОСО был также отмечен назем-

г ными измерениями в Греции, территория которой непосредственно

[ примыкает к зоне конфликта. Анализ влияния

лесных пожаров, и ре-

! аультатов авианалетов еще раз показывает, насколько раним озоновый

слой Земли.

5.8.4. Методы измерения общего содержания озона

| Оптические свойства озона

—

поглощение и излучение им радиа-

I ции

—

играют большую роль в физических процессах атмосферы. Они

Же

используются для измерения ОСО. На поверхности Земли общее со-

; держание озона в столбе атмосферы определяют, оценивая ослабле-

г пие ультрафиолетового излучения Солнца в узких интервалах на двух

(четырех) длинах волн с различным показателем ослабления озона.

= Это позволяет исключить влияние аэрозолей и других атмосферных

I помех, а также факторов, связанных с вариациями излучения на верх-

ней границе атмосферы.

практике отечественной озонометрии полу-

чил распространение озонометр М-124 конструкции Г.П. Гущина, со-

держащий светофильтры для выделения двух участков спектра при

\ = 300 и 326 нм. Оптическая схема озонометра обеспечивает следую-

щие функции:

—

наводку прибора на солнечный диск или на зенит неба

тем, что-

бы излучение от диска Солнца или участка неба вблизи зенита попада-

ло на фотоприемник под сравнительно небольшим телесным углом;

—

выделение поочередно двух участков в ультрафиолетовой обла-

сти спектра, из которых первый, наиболее коротковолновый, нахо-

дится в полосе поглощения озона.

Определение ОСО производится путем сравнения показаний при-

бора

двух участках спектра по специальным таблицам и номограммам.

Для М-124 основная погрешность, без учета систематической погреш-

ности образцового средства измерения ОСО, составляет 3,2% при из-

мерении по прямому солнечному свету и 5% при измерениях по облач-

ному зениту неба.

За рубежом получили распространение озонометры Добсона и Бре-

иера. На конец 80-х годов XX в. мировая сеть наземных озонометриче-

251

ских станций включала в себя

131

станцию наблюдений, которые оченi.

неравномерно распределены по территории суши. Вероятность обна

ружения с помощью этой сети аномалий в распределении озона мала,

даже если аномалии имеют линейный размер в 1000 км.

Для глобального мониторинга озоносферы необходимы спутни-

ковые данные об озоне, которые получают с помощью оптической ап-

паратуры, установленной на спутниках и работающей в УФ- и

К-ди

апазонах по направлению в надир.

УФ-диапазоне методика измерения

ОСО аналогична наземной: спутниковые озонометры регистрирую!

солнечное излучение, рассеянное назад молекулами озона.

спектро-

фотометре TOMS (США) для этого используются две пары длин

волн:

0,3125

и 0,3312 мкм,

0,3175

и 0,3398 мкм, выделяемые монохро-

матором на дифракционной решетке. TOMS позволяет также опреде-

лять концентрацию метана и двуокиси серы в атмосфере. Этот прибор

успешно работал на российском спутнике «Метеор-3» и японском

ADEOS,

в настоящее время функционирует специальный озонометри-

ческий спутник TOMS/EP.

Оперативные данные об ОСО, полученные с помощью прибора

TOMS,

появляются в сети Internet по адресу http://jwocky.toms.gsfc.

nasa.gov на следующий день после измерений, каждый файл содержит

информацию об ОСО по всему земному шару с разрешением 100—

120 км. Через месяц по адресу http://daac/gsfc.nasa.gov/data/dataset/

TOMS приводятся откорректированные данные об ОСО с учетом отра-

жений от подстилающей поверхности и атмосферы, поглощения атмо-

сферным аэрозолем, взаимного расположения спутника, Солнца

и пункта на поверхности Земли. Кроме того, на сайте NASA содержат-

ся информация об ОСО над различными населенными пунктами и об-

ширные архивные материалы. Погрешность определения ОСО прибо-

ром TOMS около 1-2%.

Прибор HIRS спутника NOAA регистрирует восходящее излуче-

ние не только в линиях поглощения углекислого газа и водяного пара,

ной в полосе поглощения озона на ^ = 9,59 мкм (рис. 5.14). При исполь-

зовании пакета TOVS, кроме вертикальных профилей температуры

и влажности, оценивается общее содержание озона в полосе 2000 км

в 400-600 случайным образом расположенных точках, пространствен-

ное разрешение составляет 20-80 км. Случайный характер расположе-

ния точек представляет значительные неудобства в последующей интер-

претации, поэтому целесообразно произвести пересчитывать данные

с нерегулярной сетки на регулярную с использованием процедуры Кри-

те.

Окончательно данные об ОСО выдаются в виде карт изолиний или

поверхностей, привязанных к географическим координатам. Однако на

этой длине волны присутствует небольшое поглощение излучения во-

Градусы северной широты

| Рис. 5.14. Карта озонового слоя 25 апреля 1998 г. в 11 ч 25 мин. по Гринвичу: среднее

= (КО- 361, стандартное отклонение

—

55 единиц Добсона

дниым паром, и потому HIRS несколько завышает ОСО (в среднем,

[ до 6%) [24].

;

в,8.5.

Пространственно-временная динамика

; стратосферного озона

Кроме химических и фотохимических процессов, связанных с озо-

ном, значительный интерес представляют пространственные и вре-

менные вариации содержания озона в атмосфере. К настоящему вре-

мени детально исследовано широтное распределение ОСО (табл. 5.1).

Половина всего стратосферного озона сосредоточена в поясе от

35°

с.ш.

до 35° ю.ш. [22, 23].

ОСО испытывают суточные, сезонные, годовые и многолетние из-

менения. Среднее глобальное ОСО составляет около 290 ед.Д., наблю-

даемая в природе толщина слоя озона меняется в широких пределах

—

от 90 до 760 ед.Д., а отклонение ОСО в течение суток от своего средне-

ю значения может доходить до 25%. Наименьшие годовые изменения

ОСО наблюдаются в экваториальной зоне, из которой воздушные те-

чения весной переносят озон в средние и высокие широты.

этих ши-

253

Таблица 5.1. Доля, %, атмосферного озона, содержащегося

в различных широтных поясах

Широтный

пояс,

град.

0-10

10-20

20-30

30-40

40-50

50-60

60-70

70-80

80-90

Северное полушарие

14,5

14,7

14,1

15,0

13,9

11,8

8,7

5,6

1,8

Южное полушарие

15,1

14,4

15,2

15,4

14,3

11,8

7,7

4,7

1,5

ротах ОСО, в течение года претерпевающее значительные изменение

(рис.

5.15), наиболее велико весной, наименее

—

осенью.

Озон распределен в атмосфере неравномерно по высоте. Максп

мальное количество его сосредоточено в стратосфере на высоте

26—27

к^

втропиках, на высоте

20—21

км всредних широтах и на высоте 15—17 к^

в полярных областях (рис. 5.16). Как вертикальное распределение озо

на, так и ОСО в целом определяются равновесной концентрацией озо

420

400

380

360

У 340

320

300

....

-——

_-_.

ев

(О

СП

со

СП

со

СП

со

с»

со

c\i

Рис.

5.15. Сглаженные ежедневные значения ОСО над Красноярском поданным сп\;

HHKaTOMS-ЕРза 1998 г.

254

О 50 100 150 200 250

Парциальное давление озона, гПа

Рис.

5.16. Среднее вертикальное распределение

содержания озона на различных широтах

Шй и

каждом слое атмосферы

зависят от соотношения интенсивностеи

процессов образования и разрушения. Вертикальные профили озона

=И1меряют спутниковыми и наземными методами [22, 23].

Анализ полей ОСО, получаемых с помощью искусственных спут-

ников, позволяет детально исследовать глобальные и региональные

Изменения озонового слоя, проследить за движениями масс озона.

| качестве примера далее приведены результаты исследования прост-

рвнетвенной динамики поля озона

области антарктической озоновой

|ыры.

1.8.6.

Циркумполярные вихри и озоновая дыра

• Одним из интереснейших природных феноменов является так на-

;

§Ыпаемая антарктическая озоновая дыра. Как известно, озоновая ды-

ре -

это

устойчивое понижение ОСО на большой территории ниже кли-

Мвтической нормы.

Рекордная озоновая дыра наблюдалась в 1998 г. в Антарктике, где

сентября вблизи Южного полюса ОСО достигло 90 е.Д. (рис. 5.17).

Образование озоновой дыры связывают

антарктическим циркум-

полярным вихрем

—

устойчивым циклоном в нижней стратосфере, ко-

торый висит

всю

антарктическую зиму

весну над полярной областью.

Ннугри этого вихря, не выходя за его границы,

воздух

движется

основ-

tinM по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса. Поэтому

Ан-

255

Рис.

5.17. Антарктическая озоновая дыра 30 сентября 1998 г.

тарктике зимой маловероятен обмен воздухом между полярной и срел

неширотной стратосферой. Циркумполярный вихрь наблюдается вес

ной и в Северном полушарии, нотам обмен воздухом между полярном

и среднеширотной стратосферой существует .

За долгую зимнюю ночь стратосферный воздух внутри антарктиче

ского вихря сильно охлаждается. Именно в конце зимы в Антарктика

наблюдаются самые низкие стратосферные температуры, достигаю

щие —70 "С. Весной (сентябрь-октябрь) по мере подъема Солнца нал

горизонтом воздух в антарктической стратосфере начинает прогре

ваться, происходят повышение температуры и нарушение замкнутом

картины стратосферных движений вокруг полюса (перестройка цирку

ляции).

Считается, что замкнутый характер движения воздушных масч

в антарктической стратосфере зимой и в начале весны создает одну и i

предпосылок для образования дыры. Если внутри полярного вихря

начнется даже относительно слабый процесс уничтожения озона,

то при отсутствии обмена воздухом с другими широтными зонамм

к началу весны количество озона может упасть очень значительно

Полагают, что озоновые дыры не наблюдались до 80-х годов XX в. по

тому, что к тому времени в стратосфере еще не накопилось достаточ

ного количества озоноразрушающих веществ, в частности хлорсодер

жащих соединений.

В полярной стратосфере Южного полушария зимой (в июне—ию

ле) на высотах 15-22 км образуются полярные стратосферные облака

256

I снижающиеся в августе-сентябре до 10-18 км и исчезающие после

: Потепления полярной стратосферы. Полагают, что эти облака, состоя-

щие из кристаллов льда и капель переохлажденной жидкости, аккуму-

: Лируют активные соединения азота и тем самым создают благоприят-

ные условия для действия хлорного цикла, разрушающего озон.

Кристаллы азотистого льда по мере аккумуляции все новых и но-

Мых

молекул соединений азота становятся крупнее и тяжелее. Поддей-

нисм сил притяжения они опускаются вниз

тропосферу, обеспечи-

|»я таким образом отток активных азотных соединений из области

I Оюновой дыры, что ведет к усилению роли хлорного цикла и разруше-

I И и to озона.

Когда наступает весна, Солнце поднимается выше над горизон-

\ Том, антарктическая стратосфера постепенно прогревается. Под дейст-

: рИем тепла и солнечных лучей полярные облака исчезаю!, и освободив-

[ ЦЖсся при таянии и испарении кристаллов соединения азота вновь

\ Начинают играть свою роль. К тому же идет перенос озона

область «ды-

\ры» с околополярных широт. Озоновая дыра исчезает.

[ Динамические процессы, обусловливающие образование вихря,

I лпегупление перестройки циркуляции и т.д., изменяются год от года. Су-

| Шествует квазидвухлетний цикл таких изменений и потому антаркти-

| Чсская озоновая дыра наблюдается приблизительно раз

два года. По-

luiic 1998 г. она появилась в 2000 г.

| Используя спутниковые данные об ОСО, можно оценить скорость

Вращения циркумполярного вихря, по крайней мере в области мак-

симума высотной концентрации озона. Здесь озон выступает как ин-

: дикатор движений в стратосфере. Можно вычислить коэффициент

'•

Корреляции между полем ОСО за какой-то день и смещенным и повер-

нутым на некоторый угол полем за предыдущий день, найти угол, со-

I ОГиетствуюший максимуму коэффициента корреляции, т.е. использо-

г in

ь корреляционно-экстремальный алгоритм (см § 4.4). Это позволяет

впределять направление и скорость движения. Наибольшее значение

Коэффициента корреляции, достигающее 0,7—0,95, соответствует сред-

нему за сутки смещению и повороту поля.

Максимальная скорость вращения наблюдается в области кольца.

Ни рис. 5.18 можно видеть, как меняется средняя за сутки угловая ско-

рость вращения на широте 55° в Южном полушарии в сентябре 1998 г.

Но

результатам обработки информации со спутника TOMS-ЕР. Здесь же

й)\»

сравнения приведены аналогичные данные для Северного полуша-

| рии за март того же года.

Северном полушарии вихрь вращается с запада на восток, в Юж-

ним

—

с востока на запад, причем в Южном полушарии скорость враще-

ния приблизительно

в 2

раза быстрее. Вращение неравномерное, скорость

257

16 21 26

Дни

- Северное полушарие

•"••О—

Южное полушарие

Рис,

5.I8. Изменение скорости вращения циркумполярного вихря со временем

меняется изо дня вдень, иногда меняется и направление. Как видно

рис.

5.19,1—2

сентября, когда поле повернулось на

20°

за

сутки,

коэффм

циент корреляции достиг 0,96. Средняя за 6 дней скорость составп

только

6° в

сутки из-за неравномерности вращения, а максимальное

:л м

чение коэффициента корреляции

0,52.

Значение коэффициента кор|»

ляции между полем за некоторый день этого периода и полем и

8-10

дней

позже в максимуме уменьшается

до

0,2-0,3;

это значит, что

8-10 дней структура стратосферного вихря существенно меняется.

30 40 50

Поворот, град.

—О—-

1...2 октября

—О—

..7

октября

Рис.

!9.

Зависимость коэффициента корреляции от угла поворота

258

= Именно с использованием, накоплением и анализом спутниковых

||1|1МХ связаны перспективы решения проблемы озоновой дыры, вча-

jfJjOiin выяснение роли естественных и антропогенных (загрязнение

4(>сфсры) факторов в ее образовании, численного соотношения меж-

виши двумя факторами.

S.9. ПАКЕТ IDRISI ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Дли обработки данных спутникового дистанционного зондирования Зем-

геоинформационных технологий удобен пакет прикладных программ

IUSI, разработанный

университете Кларк штага Массачусетс (США), име-

ни русифицированный вариант. Этот пакет, получивший некоторое рас-

№1 ранение в России, может использоваться не только

учебных, но и в на-

|Н> практических

целях.

Особенностью структуры пакета является включение

ifu

состав

библиотеки изображений земной поверхности, полученных

помо-

укапера

AVHRR

спутника

NOAA и

сканеровТМ,

MSS

спутника LANDSAT.

Пакет программ

IDR1S1

объединяет порядка

100

программных

модулей.

Ос-

Ныс

из них:

—

работа с файлами (описание файла, редактирование файла документа-

Н,

создание копии файла, переименование

файла,

удаление

файла,

импорт-

норт);

—

визуализация (вывод на экран, работа

символьными файлами, работа

Йлами палитры, вывод гистограммы);

- изменение формата данных (конвертирование файлов, изменение кар-

1-рпфической

проекции, изменение масштаба, преобразование растровых

Сражений в векторные и наоборот и др.);

- цифровая обработка изображений (восстановление и улучшение изоб-

ений, математические операции над изображениями, вычисление статис-

Цеских

характеристик, распознавание образов, анализ временных серий, ра-

й с

базой данных).

Картографическая и спутниковая информация в пакете представляется

етровом

векторном виде. Растровые и векторные файлы сопровождают-

файлами документации, в которых хранятся основные данные о файлах

С'ражений,

в том

числе

системе географических координат, единице изме-

ни,

максимальных и минимальных координатах и др. Простота форматов

тровых

векторных файлов позволяет

легко создавать

дополнительные оп-

иленные пользователем модули.

1DR1SI снабжен системой, которая позволяет импортировать

экспорти-

||щть графические файлы

форматах TIFF, BMP, DXF

файлы

форматах,

«меняемых

ГИС-системах: ARCINFO, ATLAS*GIS BNA, ERDAS, GRASS,

ip Analysis Package (MAP), MAPINFO

др.

Процедуры улучшения изображений предусматривают гистограммные

образования: эквализапию и растяжку гистограмм. Многоспсктральпые

Йутниковые изображения

могут быть

представлены

условных

цветах.

Для ци-

грпиой фильтрации в пространственной области используюгся линейные

259

фильтры

—

сглаживающие и градиентные; нелинейные фильтры предстань

ны медианным фильтром и фильтром Собела. Размеры окон фильтров pi

личные

—

от

до

У пользователя существует также возможность

сам.

•

му задавать весовые множители фильтров.

Классификация изображений предусматривает применение байесовском

процедуры, метода максимального правдоподобия, метода параллелепипеде!

метода минимальных расстояний и др. Возможны вычисление вегетационп"

го индекса и анализ главных компонентов, кластерный анализ.

Для статистического анализа IDRISI имеет ряд модулей, которые позволяй

производить расчет основных статистических характеристик, в том числе ф\111

ции автокорреляции, линейной регрессии между двумя изображениями и др.

В руководстве к пакету IDRISI приводятся краткие теоретические све i

ния о ГИС, необходимые сведения из геодезии и картографии, введение влп>

танционное зондирование и цифровую обработку изображений.

Пакет содержит удачно сформированные методически упражнения и

ГИС,

по преобразованию и цифровой обработке изображений, методам распо

•

навания образов и многое другое.

Последняя версия пакета IDR1SI-32 ориентирована на современные ком

пьютеры, обладает расширенными возможностями, в частности предусмотри

но использование процедуры Криге, двумерного преобразования Фурье, вп<

дены новые процедуры распознавания образов, предусмотрена обрабои

изображений, получаемых с помощью радиолокаторов бокового обзора семи

тезированной апертурой, и др.

IDRISI используется более чем в 130 странах при обучении студеннм

при обработке аэрокосмических изображений и как пакет ГИС.

С IDRISI можно познакомиться в сети Интернет по адре!

http://www.idrisi.clarku.edu.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Что такое ГИС? Каковы ее основные задачи?

На основании каких данных производится долгосрочный, среднесро-

ный и краткосрочный прогнозы пожарной опасности в лесах?

Как определяется начало пожароопасного сезона в лесу?

Что такое ресурсная облачность?

Как организована база данных по уровням ГИС?

6. Какова схема возникновения и развития лесного пожара? Каковы физм

ческие характеристики лесного пожара?

На какие длины волн приходится максимум излучения от лесного пож.1

ра, какой спутник вы выберите для регистрации восходящего излучения n.i

этих длинах волн?

8. Всегда ли лесные пожары приносят только вред?

9. Как с помощью искусственного спутника Земли оценить пожарнур-

опасность в лесу?

10.

Как с помощью искусственного спутника Земли обнаружить лесной in

•

жар? Как отличить пожар отложных засветок?

260