Методики полётных калибровок спутниковой спектральной аппаратуры

Полётные калибровки спутниковой съёмочной аппаратуры требуют проведения трёхуровневых (или двухуровневых) спектральных измерений подстилающих поверхностей исследуемых районов, в т. ч. получения эталонных спектральных данных участков земной поверхности на тестовых полигонах, выполненных наземными (авиационными) спектральными системами, которые могут быть редуцированы (по спектральному и пространственному разрешению) к данным спутниковых сенсоров. Наземные, авиационные и космические съёмки проводятся квазисинхронно, по возможности — в одинаковых условиях наблюдения (время съёмки, углы и т. д.).

Методы полётных калибровок спектральных оптических приборов используют модели переноса излучения, которые, в свою очередь, требуют наличия информации о полном спектральном пропускании атмосферы (прямом и диффузном) и коэффициентах спектральной яркости (КСЯ) подстилающей поверхности в месте проведения измерений, что является задачей наземных подспутниковых измерений.

При наличии квазисинхронных с космическими наземных измерений спектров отражения одной и той же поверхности (объекта) калибровка приборов на борту может осуществляться двумя способами:

• •    первый — путём решения прямой задачи теории переноса излучения в атмосфере: по измеренным на Земле КСЯ тестовой площадки и оптическим параметрам атмосферы (минимально, по спектральным оптическим толщинам атмосферы) рассчитывается спектральная плотность энергетической яркости (СПЭЯ) уходящего излучения на верхней границе атмосферы, которая затем непосредственно сравнивается со СПЭЯ, измеренной из космоса (с учётом спектральных чувствительностей каналов);

• •    второй способ — путём решения обратной задачи оптики атмосферы: по измеренному из космоса спектру и оптическим толщинам атмосферы (или без них, если такие наземные измерения отсутствуют) выполняется атмосферная коррекция космических спектров, т. е. восстанавливаются КСЯ (альбедо) подстилающей поверхности, которые сравниваются с КСЯ, полученными в наземных измерениях по тестовой площадке (блок-схемы обоих способов показаны на рис. 1).

  

  Рис. 1. Блок-схемы методики полётных калибровок и валидации аэрокосмических измерений

  Примечание. СПЭЯ — спектральная плотность энергетической яркости; КСЯ — коэффициент спектральной яркости.

  
  

Поскольку решение прямой задачи переноса излучения всегда выполняется с более высокой точностью, нежели обратной, целесообразно строить методику калибровки спутниковых спектральных приборов по первому способу. Кроме того, при этом способе можно непосредственно рассчитать калибровочные (поправочные) коэффициенты для каждого канала спутникового сенсора (сравнивая измеренные и рассчитанные по наземным данным спектры яркости уходящего излучения).

При наземных измерениях КСЯ тестовой площадки вначале измеряется непосредственно спектрорадиометром, откалиброванным по СПЭЯ, спектральная яркость отражённого излучения тестовой площадки полигона. Затем измеряется реперный спектр эталонного отражательного экрана (молочное стекло), который устанавливается на тестовую площадку. КСЯ тестовой площадки ρ_λ получают делением СПЭЯ площадки на СПЭЯ эталонного экрана. При этом, в соответствии с методикой наземных измерений, КСЯ измеряются во многих точках тестовой площадки (количество точек определяется степенью однородности площадки), размер которой должен соответствовать элементу разрешения (пикселю) спутникового сенсора. Затем результат усредняется по всем точкам измерений.

Спектральная оптическая толщина атмосферы не может быть получена прямыми измерениями, её измерения являются косвенными, и оптические толщины вычисляются с использованием решений обратной задачи переноса излучения в атмосфере на основе измеренных спектров рассеянного атмосферой излучения Солнца в соответствии с методикой, изложенной в работе [1], во многом аналогичной методике, применяемой для обработки измерений всемирной сети AERONET [2].

натурные измерения спектров отражения тестовых объектов для полётных калибровок космических систем

В августе–сентябре 2018 г. были проведены натурные наземные и авиационные измерения с целью исследования спектральных отражательных характеристик природных поверхностей, которые потенциально могут использоваться в качестве подспутниковых полигонов

(тестовых объектов) в ходе экспериментов с осуществлением квазисинхронной съёмки спутниковой аппаратурой. Наземные и авиационные измерения проводились в Гомельской области в районе аэродрома «Зябровка».

В ходе нескольких серий натурного эксперимента проводились самолётные и наземные измерения следующих объектов:

• •    аэродром «Зябровка»: бетонная взлётно-посадочная полоса (ВПП) протяженностью 3 км и шириной 80 м; растительность у аэродрома (смесь луговой растительности с преобладанием осоки острой); координаты: 52.303930; 31.164946;

• •    терриконы Гомельского химического завода: отвалы непереработанного фосфогипса ярко-белого или серого цвета площадью ~1,5 км²; координаты: 52.432246; 30.837927.

При проведении площадных авиационных и наземных измерений использовались фотоспектрорадиометры ФСР (разработка НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ) [3, 4] (авиационное базирование) и ССП-600Н [4, 5] (наземные измерения), представленные на рис. 2, а , б . Данная аппаратура комплектовалась обзорными видеокамерами для фото- и видеопривязки регистрируемых данных. Для атмосферных измерений использовался спектрометр ССП-600, показанный на рис. 2, в .

Все спектрометры изготовлены по единой оптической схеме однотипных поли-хроматоров с использованием вогнутой дифракционной решётки. Такая схема сводит к минимуму количество оптических элементов полихроматора и, соответственно, повышает вибро- и ударостойкость спектрометров, что немаловажно при проведении полевых и авиационных измерений. Спектральный диапазон приборов составляет 400–900 нм, спектральное разрешение ~4 нм.

Результаты валидации наземных и спутниковых измерений. Валидация данных наземного спектрометрирования, которые потенциально могут использоваться для калибровок спутниковой аппаратуры, была проведена с изображениями на эту территорию мультиспектрального сенсора Sentinel-2В [6]. Поскольку для муль-тиспектрального сенсора Sentinel-2B доступны данные как для верхней границы атмосферы, так и приведённые к уровню Земли, то последние непосредственно использовались для сравнения с наземными измерениями.

Рис. 2. Внешний вид приборов ФСР (а), ССП-600Н (б) и ССП-600 (в)

Полученные при наземных измерениях спектры различных типов подстилающей поверхности B ( λ ) сворачиваются с функциями чувствительности каналов сенсора Sentinel-2B [6], лежащими в спектральном диапазоне наших измерений, по формуле:

B =

то

J S^X) В (X) dX то

J S^ (X) dX где Sisat(λ) — функция спектральной чувствительности i-го канала спутникового сенсора; B(λ) — измеренный спектр поверхности.

Таким образом, спектр с высоким разрешением, полученный при наземных измерениях, преобразуется в спектр КСЯ из четырёх спектральных точек и может непосредственно сравниваться с аналогичным спектром из четырёх точек пикселя спутникового изображения подстилающей поверхности, соответствующих значениям эффективных КСЯ в каналах B , G , R , NIR спутника.

Ниже представлены некоторые результаты валидации наземных и спутниковых измерений. Табл. 1, 2 содержат информацию о местах и датах наземной и спутниковой съёмок и результатах валидации измерений от 15.08.2018 г., в табл. 3, 4 представлена эта информация об измерениях от 20.09.2018 г.

Результаты сравнения иллюстрируются в табл. 2, 4, где приведены значения ошибок ∆ , рассчитываемых по формуле:

∆ = | 1 –

B

i

B i sat

| ·100%,

где B_{i sat} — СПЭЯ в канале спутникового сенсора ( Sentinel-2B ).

Можно выделить следующие причины возникновения различий:

• •    помеха бокового подсвета (возникает на спутниковых данных);

• •    инструментальная погрешность (~5% для Sentinel-2B ; ~5% — для приборов);

• •    ошибки взаимной привязки и согласования пространственного разрешения;

• •    узкое поле зрения приборов (при наземных измерениях большое влияние оказывает неоднородность растительного покрова);

• •    неучтённые различия в условиях измерения (например, угол съёмки — в данном исследовании полагалось, что все измерения проводятся в надир).

Анализируя значения ∆ из табл. 2, 4, можно отметить следующее. Валидация по насыпанной древесной щепе предсказуемо имеет большие различия ввиду того, что поверхность насыпи древесных опилок не является ламбертовской и недостаточно протяжённа, что обуславливает возможное наличие смеси различных типов подстилающей поверхности в одном пикселе спутникового изображения. Различие наземных и спутниковых измерений по бетонной ВПП снова не превышает допустимую погрешность в первых трёх каналах. Результаты валидации по растительности на территории аэродрома не обладают стабильностью ввиду высокой неоднородности растительного покрова и небольшого углового поля зрения спектрометра наземных измерений ССП-600, что не позволяет нивелировать эту неоднородность путём пространственного усреднения.

Таблица 1

данные о спутниковых и наземных измерениях на аэродроме «зябровка» 15.08.2018 г.

Sentinel-2B , участок RGB -изображения (14.08.2018 г., 12:05:49)
Наземные измерения
Метка 1, древесная щепа, 15.08.2018 г., 12:54	W^MW^ Айк^лД *^5?GSBiH£WSM%t.^.»Y .X;	0.60 0.15              /^^^ F 0.30        ^/-/' 15(1 500 550 600 650 700 750 800 850 Длина волны, нм
Метка 2, ВПП, 15.08.2018 г., 10:50	' ' . . S№®	0-4                                                                        1- 1 - ■• - 5 0,2L^g----N 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Длина волны, нм
Метка 3, трава, 15.08.2018 г., 11:15	WW^W№® SSSlWjIi^ ^№»2дот$'; Г?,^-'^Ч|;£<^^:-№8а;,.!.'%® ^^^Kif' №&: т:^ ^^у у ^^	0,35 — 0.28                          г--^—^~~* _ 0.21------уХ-- ^ 0,14-----А---- 0.07 -- У ''"^" ---У~ 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Длина волны, нм
Метка 4, трава, 15.08.2018 г., 11:29	^Ям^^*' ЯД^ j^Ste r-оЖчГ % jH^g raff ^^ 4^?^§§^§й ^f. -tes^^^e	0.40 0.32------/^ _ 0,24---------- ^ 0,16------ 4— 0.08----- I----- 0    ----- --- < ________________ 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Длина волны, нм

Примечание. КСЯ — коэффициент спектральной яркости.

Таблица 2

результаты валидации наземных и космических данных от 15.08.2018 г.

Тип поверхности	∆ , %
	B	G	R	NIR
Метка 1, древесная щепа	14,51	12,48	5,89	14,59
Метка 2, ВПП	1,45	1,81	1,27	7,49
Метка 3, трава	0,49	1,40	14,70	34,25
Метка 4, трава	2,27	6,10	4,33	10,30

Примечание. ВПП — взлётно-посадочная полоса.

Что касается валидации по терриконам Гомельского химического завода, наблюдается хорошее совпадение результатов наземных и космических измерений в первых трёх каналах и несколько большее различие в ближнем инфракрасном диапазоне.

По проведённым сеансам измерений можно сделать следующие выводы:

• 1.    Наиболее подходящими объектами, которые могут использоваться в качестве эталонных калибровочных площадок на подспутниковых полигонах, являются бетонная поверхность, а также терриконы Гомельского химического завода. Поверхность этих объектов является достаточно однородной и с постоянными по времени свойствами. К тому же, бетонная взлётная полоса является идеально ровной поверхностью. На площади терриконов также можно найти участки с ровной поверхностью.

• 2.    Наибольшее различие в инфракрасном диапазоне для терриконов и, в некоторых случаях, для бетонной взлётной полосы объясняется влиянием второго порядка дифракции, присутствующего в используемом для наземных измерений спектрометре ССП-600 и дающего подъём спектра в ближнем ИК-диапазоне, над устранением влияния которого ведется работа.

• 3.    Растительность на территории аэродрома (как, видимо, и в большинстве других мест) не является удовлетворительной подстилающей поверхностью для подспутникового полигона ввиду своей высокой неоднородности и непостоянства характеристик отражения во времени. Единственным вариантом, когда растительность может быть использована для полётных калибровок, являются синхронные наземные и космические съёмки, и когда для наземных съёмок применяются спектрометры

с широким полем зрения (для сглаживания неоднородностей), либо используется съёмка с беспилотных носителей с небольшой высоты. Зелёная, сухая растительность, различные виды трав и голая почва, обладающие различными коэффициентами отражения, обуславливают большое различие значений соседних пикселей в исследуемых каналах сенсора Sentinel-2B .

Результаты валидации наземных и авиационных измерений. Использование самолётных измерений спектров земной поверхности для сопоставления с космическими зачастую является более удобным методом калибровки или валидации. Существуют такие типы подстилающей поверхности, на которых наземные измерения трудноосуществимы (водные поверхности, труднодоступные места, возвышенности, лесные массивы), в то время как современный уровень развития маломассогабаритной спектральной аппаратуры и беспилотных летательных аппаратов позволяет спектрометрировать такие участки без особых затрат.

В соответствии с методикой, показанной на рис. 1, с использованием наземных измерений КСЯ и оптических толщин атмосферы расчётным способом получаем смоделированный спектр СПЭЯ подстилающей поверхности на известной самолётной высоте, который сравниваем со спектром СПЭЯ, измеренным с борта самолёта.

Самолётные измерения проводились с борта летательного аппарата Авиатика МАИ-890У фотоспектрорадио-метром ФСР в спектральном диапазоне 400–900 нм [3, 4]. Наземные измерения КСЯ различных типов подстилающей поверхности проводились при помощи модернизированного малогабаритного солнечного спектрополяриметра ССП-600Н в спектральном диапазоне 400–900 нм [4, 5]. С помощью ССП-600Н проводились также измерения оптических характеристик атмосферного аэрозоля в спектральном диапазоне 400–500 нм для расчёта аэрозольной оптической толщины как одного из входных параметров моделирования спектра излучения на заданной высоте в программах расчёта переноса излучения (например, LibRadTran ) в соответствии с оптическими моделями атмосферы, предложенными в работах [7, 8].

Таблица 3

данные о спутниковых и наземных измерениях на аэродроме «зябровка» 20.09.2018 г.

Sentinel-2B , участки RGB -изображения (20.09.2018 г., 11:56:19)

Наземные измерения

Метка 1, трава 20.09.2018 г., 14:50

Метка 2, ВПП, 20.09.2018 г., 14:21

Метка 3, растительность, 20.09.2018 г., 15:22

Метка 4, ярко-белый участок терриконов, 20.09.2018 г., 10:23

Длина волны,нм

Примечание. КСЯ — коэффициент спектральной яркости.

В табл. 5 представлены результаты валидации самолётных и наземных измерений на аэродроме «Зябровка», которые проводились 15.08.2018 г. и 20.09.2018 г. по методике, описанной выше. Результаты представлены для трёх типов поверхностей: взлётно-посадочная полоса аэродрома «Зябровка», растительность на полигоне (смесь луговой растительности), терриконы Гомельского химического завода.

Таблица 4

результаты валидации наземных и космических данных от 20.09.2018 г.

Таблица 5

результаты валидации самолётных измерений и расчётов в LibRadTran по результатам наземных измерений

15.08.2018 г.		20.09.2018 г.
Сведения	Сравниваемые спектры СПЭЯ	Сведения	Сравниваемые спектры СПЭЯ
ВПП, 280 м, R 2 = 0,81	-100 2 60 /Ч I            i г         ' 1 40 а:     Л 5  20 400   500   600   700   800 900 Длина волны,нм	ВПП, 360 м, R 2 = 0,73	-  20 1 -:U__________ 400   500   600   700   800 900 Длина волны, нм
ВПП, 370 м, R 2 = 0,82	>45У7!       > Г 1 30 m ^ 15“ F О'-------------- ------------ 400   500   600   700   800 900 Длина волны,нм	ВПП, 750 м, R 2 = 0,50	1'0 и 50                    . /  10      /^1/^Г>ЦЛ <\rv >30lfi/T     гК 22 20/7                    У 5    10 =   0 400   500   600   700   800 900 Длина волны, нм
Трава, 270 м, R 2 = 0,99	У  60------------/||^ /W> 3 45                м 4   ’ F  30                   № \ 1 ’’ к-РН _ 400   500   600   700   800 900 Длина волны,нм	Трава, 350 м, R 2 = 0,89	50 У 40 2 зо                        / и 20                   /Г 22                                                   ? 5   10 = oL 400   500   600   700   800 900 Длина волны, нм
Трава, 680 м, R 2 = 0,97	- w             77Г ^ 32---------/h/H 16------- ас                                              ' = ol----------------------1-------------- 400   500   600   700   800 900 Длина волны,нм	Терриконы, 550 м, R 2 = 0,87	120 he                                                1 30 =    01---------------------J 400   500   600   700   800 900 Длина волны, нм

Примечание . СПЭЯ — спектральная плотность энергетической яркости; ВПП — взлётно-посадочная полоса;

сплошная линия — самолётные измерения; точечная линия — расчёт по данным наземных измерений.

Тип поверхности	∆ , %
	B	G	R	NIR
Метка 1, трава	26,89	28,06	12,02	7,28
Метка 2, ВПП	4,36	28,95	38,01	23,32
Метка 3, растительность	2,96	1,40	2,52	1,71
Метка 4, терриконы	5,69	1,85	1,35	13,86

В таблице также приведены сведения о высоте полёта при авиационных измерениях и рассчитанные коэффициенты детерминации R ².

Из анализа приведённых в табл. 5 спектров можно видеть, что для ВПП наблюдаются более значительные отклонения измеренного и модельного спектров, так же как и для одного измерения для растительности (высота 350 м), для которого имеется расхождение в ближней ИК-области спектра. С учётом того, что самое значительное влияние на уровень сигнала (высоту спектра) на этих высотах в атмосфере оказывает альбедо подстилающей поверхности, можно указать две наиболее вероятные причины указанных расхождений. Первая из них : при теоретических расчётах использовался средний спектр альбедо по разным точкам поверхности, тогда как при измерениях на определённой высоте регистрируется спектр вполне определённого участка поверхности, который может быть как выше (более светлая поверхность), так и ниже (более тёмная поверхность) среднего спектра. В особенности это может иметь место для ВПП, которая достаточно неоднородна по оттенку. Так же как и для спектра растительности с высоты 350 м, в поле зрения прибора мог оказаться участок с меньшим значением альбедо в ближней ИК-области спектра (смешанный спектр), например, сухая трава или частично — бетонная полоса. Вторая возможная причина расхождений — помеха бокового подсвета. В модельных спектрах LibRadTran она не учитывается (расчёт соответствует интенсивности излучения вдоль одного бесконечно узкого луча для поверхности с заданным альбедо), тогда как при реальных измерениях помеха бокового подсвета играет заметную роль, и чем больше высота, тем она сильнее.

заключение

Проведённая валидация наземных спектральных данных с квазисинхрон-ными авиационными и космическими измерениями показала правильность и работоспособность разработанной методики калибровки бортовых сенсоров (авиационных и космических), пригодность использованной спектральной аппаратуры (фотоспектрорадиометр ФСР и солнечный спектрополяриметр ССП-600) для проведения полётных калибровок в качестве приборов для наземного и авиационного спектрометрирования эталонных площадок подстилающей поверхности. Полученные погрешности сравнения наземных спектров с авиационными и космическими, как правило, лежат в пределах суммарных погрешностей сравниваемых приборов и погрешностей, обусловленных спецификой объектов и условий измерений.