Технологии мониторинга поверхности океана спутникового центра ДВО РАН  

 

Цели и задачи Центра коллективного пользования регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН (Спутниковый центр ДВО РАН) обусловлены близостью двух океанов — Тихого и Северного Ледовитого. Поэтому актуальны технологии расчета параметров поверхности океана по спутниковым данным. 

В Спутниковом центре ДВО РАН круглосуточно работают службы приема полярно-орбитальных и геостационарных спутников на основе четырехантенного комплекса; с 1993 года обеспечивается накопление архивов, проводится распределенная обработка и поставка через Интернет базовых видов информации, принимаемой со спутников NOAA, HIMAWARI-8, AQUA, TERRA, METOP, SUOMI-NPP, Метеор-М, FY-2 (www.satellite.dvo.ru). Обработку данных выполняет распределенная система обработки (РСО) спутниковых данных [11].

Для информационного обеспечения мониторинга динамических параметров океана оперативными и высокоточными спутниковыми данными был создан ряд уникальных технологий на основе современных мировых и собственных разработок. Все технологии взаимоувязаны в единый цикл обработки для получения максимально точных параметров термодинамики поверхности океана.

В основе всей технологической цепочки лежит построение карты-основы, в качестве которой выступают композиционные карты температуры поверхности океана (ТПО). По ней строятся карты термических структур поверхности океана в форме доминантных ориентаций термических контрастов (ДОТК). Последовательность таких карт позволяет автоматически выделять и прослеживать вихри океана синоптического масштаба, оценивая положение их центров, форму и размер. Высокоточные алгоритмы географической привязки, дающие пиксельную точность и прогнозирующие параметры привязки, позволяют проводить автоматически расчет скоростей перемещений маркеров по последовательности изображений. Расчет скоростей перемещений на поверхности океана в совокупности с положением прослеживаемых вихрей позволяет восстанавливать уровенную поверхность, а также оценивать дрейф льда по данным различных спектральных каналов (ИК, видимый, микроволновой) и вести разработку алгоритмов расчета сплоченности льда и его сжатия посредством оценки направления и величины сжатия.

 

Созданные в Спутниковом центре ДВО РАН технологии

Основой мониторинга океана являются композиционные карты температуры поверхности океана (рис. 1), сохраняющей пространственную термическую структуру [8]. Для обеспечения высокой точности при их создании, а также для создания других тематических продуктов, были созданы уникальные технологии первичной обработки спутниковых данных:

• процедура автоматической географической привязки с пиксельной точностью и прогнозом параметров привязки на несколько суток/недель [9,10];
• процедура калибровки проблемных радиометров по технологиям NOAA/NESDIS [3,4];
• процедура фильтрации облачности над поверхностью моря на основе стандартной методики NOAA NESDIS, дополненная фильтрами по эталонной композиционной карте (адаптационный алгоритм на основе карты пространственно-временной изменчивости).

 

Алгоритм построения композиционной карты [8], состоит из 6-ти шагов:

 

1. Создание карт ТПО по одиночным мультиканальным изображениям.

 

2. Построение композиционных изображений за за ночь и за день.

 

3. Построение структурной карты — пространственно-временной изменчивости ТПО.

 

4. Фильтрация облачности по эталонной карте (адаптационный алгоритм на основе карты пространственно-временной изменчивости).

 

5. Фильтрация случаев экстремального прогрева верхнего слоя

 

6. Построение композиционной карты за заданный интервал времени (практикуются карты-трехдневки).

 

Спутниковый центр ДВО РАН поставляет различные продукты обработки мультиспектральных изображений [6], получаемых с современных спутников. Для этого используются лучшие мировые технологии и пакеты программ последних версий: IMAPP, SeaDAS, CSPP, AAPP, RTTOV, MetOffice-1D-var. Для расчета одного и того же продукта обычно существует несколько технологий расчета, точностные характеристики которых зависят от оптических условий на зондируемой местности. Спутниковый центр ДВО РАН подбирает оптимальный алгоритм для заданного района. К типовым продуктам относятся следующие.

1. Карты «био-оптических» параметров океана (44 базовых продукта). Используются данные радиометров: MODIS/Terra&Aqua и VIIRS/Suomi-NPP.

 

2. Карты параметров атмосферы и подстилающей поверхности: маска облачности, давление и температура на вершине облачности, эффективный радиус и оптическая толщина облачности, профили температуры и влажности, суммарное влагосодержание, индексы стабильности, оптическая толщина аэрозоля, температура поверхности льда, маска снега, ледовое покрытие и сплоченность льда, сила и толщина инверсии (всего – 11 продуктов). Данные радиометров: MODIS/Terra&Aqua и VIIRS/Suomi-NPP.

 

3. Восстановленные профили температуры и влажности атмосферы. Данные радиометров ATOVS.

 

Построение скоростей течений на поверхности (рис. 2) океана выполняется на основе прослеживания перемещения выбранной площадки на двух последовательных во времени изображениях. Решается проблема отбраковки векторов скорости, имеющих низкую точность. Для отбраковки некорректных векторов используется оригинальный критерий априорной точности расчета [2].

Реальная точность расчета векторов существенно лучше, чем величина априорной точности. Предельная точность расчета скоростей обусловлена пространственным разрешением изображений и временным интервалом между ними. Для ИК-изображений с пространственным разрешением 1 км и временным интервалом между изображениями в 12 часов она обычно около 5 см/сек.

Для расчета дрейфа морского льда (рис. 3) в качестве входных изображений используются карты сплоченности льда, для построения которых был адаптирован алгоритм ASI (университета г. Бремен), рассчитывающий сплоченность по данным спектральных каналов 89 ГГц микроволновых радиометров AMSR-E и AMSR2. Адаптированный к ледовому покрытию моря метод расчета скоростей перемещений позволил уменьшить размер прослеживаемых площадок при высокой точности расчета скоростей [7]. Метод обнаруживает области, запорченные тяжелой облачностью (некорректная сплоченность льда). Достоинство созданной технологи расчета скорости дрейфа льда в сравнении с лучшими мировыми аналогами состоит в более высокой детальности карт без потери точности и отсутствии ложных векторов в областях нелинейной динамики льда.

 

 

Создана система автоматического мониторинга вихрей океана [5] (Рис. 4). Мониторинг базируется на оригинальной разработке — построении карт структур океана в форме статистически значимых доминантных ориентаций контрастов яркости [1]. Система автоматического мониторинга позволяет выделять отдельные и взаимодействующие вихри океана и прослеживать их развитие во времени с оценкой их геометрии. Рассчитываются: положения центров вихрей, их размер; строится контур вихря вблизи зоны максимальных скоростей; оценивается знак вихря (циклонический/ антициклонический).

 

Заключение

В Спутниковом центре ДВО РАН под задачи мониторинга термодинамики поверхности океана по данным метеорологических спутников создан набор взаимоувязанных технологий  расчета высокоточных по положению и физической величине  параметров поверхности океана. Все технологии внедрены и находятся в оперативной работе Центра коллективного пользования регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН. Имеющиеся технологии позволяют существенно улучшить качество тематических продуктов обработки информации с метеорологических спутников Земли, а также создавать новые виды продуктов. Наличие собственных технологий и внедрение в распределенную систему Cпутникового центра ДВО РАН лучших международных пакетов SeaDAS, CSPP, IMAPP, AAPP, RTTOV, MetOffice-1Dvar и др. позволяют решать широкий спектр задач по мониторингу поверхности океана.

 

Работа частично поддержана Программой «Дальний восток» Президиума ДВО РАН, грантами РФФИ № 16-31-00517, № 16-37-00495

 

Список литературы

1. Алексанин А.И., Алексанина М.Г., Горин И.И. Спутниковые ИК-изображения: от термических структур к полю скоростей. – Исследование Земли из космоса, 2001, № 2, с. 7-15.
2. А.И. Алексанин, М.Г. Алексанина, А.Ю. Карнацкий. Автоматический расчет скоростей поверхностных течений океана по последовательности спутниковых изображений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т.10. №2. С.131-142.
3. Алексанин А.И., Дьяков С.Е. КРОСС-КАЛИБРОВКА ИК-КАНАЛОВ СПУТНИКА MTSAT-1R И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ МОРЯ //Исследование Земли из космоса. 2010. № 5. С. 3-10.
4. Алексанин А.И., Дьяков С.Е., Катаманов С.Н., Наумкин Ю.В.ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ПОЛЯРНО-ОРБИТАЛЬНЫХ СПУТНИКОВ FY-1C/1D ДЛЯ МОНИТОРИНГА ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОКЕАНА //Подводные исследования и робототехника. 2006. № 2. С. 82-91.
5. Алексанин А.И., Загуменнов А.А. Проблемы автоматического обнаружения вихрей океана по спутниковым ИК-изображениям // Исследование Земли из космоса. 2011. №3. С.65-74.
6. Алексанин А.И., Качур В.А. Особенности атмосферной коррекции спутниковых данных цвета океана в Дальневосточном регионе // Исследование Земли из космоса. 2017. №1(в печати).
7. А. И. Алексанин, М. В. Стопкин, В. А. Качур. Автоматический расчет дрейфа льда по данным радиометров AMSR// Исследование Земли из космоса. 2017. № 1. С. 13–23
8. Дьяков С.Е., Качур В.А. ПОСТРОЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ КАРТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА, ОРИЕНТИРОВАННЫХ НА СОХРАНЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ СТРУКТУР// Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 84-94.
9. Катаманов С.Н. Автоматический метод географической привязки изображений AVHRR/3 от полярно-орбитальных спутников серии MetOp // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. №3. С. 63–74.
10. Катаманов С.Н. Результаты географической привязки изображений AVHRR/NOAA в условиях оперативной обработки // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Т. 13. № 6. С. 187–202.
11. Ю.И. Шокин, И.А. Пестунов, В.В. Смирнов, Ю.Н. Синявский, А.П. Скачкова, И.С. Дубров, В.А. Левин, А.И. Алексанин А.И., М.Г. Алексанина, П.В. Бабяк, А.В. Громов, И.В. Недолужко. Распределенная система сбора, хранения и обработки данных для мониторинга территорий Сибири и Дальнего Востока // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии, 2008 (1), №4, 291-314. ISSN 1999-494X.

Авторы статьи: В. А. Левин, А.И. Алексанин, М.Г. Алексанина, П.В. Бабяк, С.Е. Дьяков, А.А. Загуменнов, А.С. Еременко, С.Н. Катаманов, В. Ким, В.А. Качур, И.В. Недолужко, Е.В. Фомин ЦКП регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН, Лаборатория спутникового мониторинга, Институт автоматики и процессов управления  ДВО РАН. Оригинал статьи опубликован в журнале «Земля из космоса».