ГОСТ Р 59759-2021. Национальный стандарт Российской Федерации. Данные дистанционного зондирования Земли из космоса. Радиометрическая коррекция данных дистанционного зондирования Земли из космоса, получаемых с космических аппаратов оптико-электронного наблюдения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Требования к алгоритмам
Актуально на 02.11.2026.
Как цитировать: "ГОСТ Р 59759-2021. Национальный стандарт Российской Федерации. Данные дистанционного зондирования Земли из космоса. Радиометрическая коррекция данных дистанционного зондирования Земли из космоса, получаемых с космических аппаратов оптико-электронного наблюдения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Требования к алгоритмам". ГОСТ Р 59759-2021. https://bukva.ai/docs/standart-gost-r-59759-2021
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 19.11.2021 № 1514-ст)
Примечание
Документ введен в действие с 01.05.2022.
по техническому регулированию
и метрологии
от 19 ноября 2021 г. № 1514-ст
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ДАННЫЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
РАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ КОРРЕКЦИЯ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, ПОЛУЧАЕМЫХ С КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ В ВИДИМОМ
И БЛИЖНЕМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ
correction for remote sensing data of the Earth from space
obtained from optical-electronic observation satellites
inthe visible and near infrared range. Requirements
for algorithms
49.140
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН по заказу Государственной корпорации по космической деятельности «Роскосмос» Автономной некоммерческой организацией высшего образования «Университет Иннополис»
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 321 «Ракетно-космическая техника»
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 19 ноября 2021 г. № 1514-ст
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)
Введение
Для сопоставимости данных дистанционного зондирования Земли из космоса, полученных различными цифровыми детекторами и фотоприемными устройствами в разное время над разной земной поверхностью при разных геометрических и метеорологических условиях наблюдения, необходимо выполнять радиометрическую коррекцию этих данных. Для данных дистанционного зондирования Земли из космоса, получаемых с космических аппаратов оптико-электронного наблюдения в каналах прозрачности атмосферы видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, радиометрическая коррекция является обобщенным понятием, которое включает в себя следующие виды коррекций:
- относительная радиометрическая коррекция;
- абсолютная радиометрическая коррекция;
- атмосферная коррекция;
- коррекция влияния анизотропии земной поверхности.
Все перечисленные виды радиометрической коррекции изменяют значения пикселей данных дистанционного зондирования Земли из космоса, не затрагивая их геометрических свойств.
Стандарт устанавливает требования к алгоритмам каждого из видов радиометрической коррекции, применяемым в программном обеспечении автоматической стандартной обработки данных дистанционного зондирования Земли из космоса, получаемых с космических аппаратов оптико-электронного наблюдения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.
Настоящий стандарт входит в группу национальных стандартов в области данных дистанционного зондирования Земли из космоса, которая предназначена для обеспечения единых требований к данным, процессам их формирования, обработки, оценки качества, хранения и доведения этих данных до потребителей.
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает требования к алгоритмам радиометрической коррекции, применяемым в программном обеспечении автоматической обработки данных дистанционного зондирования Земли из космоса, получаемых в виде изображений с космических аппаратов оптико-электронного наблюдения в каналах прозрачности атмосферы видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Разделы 7 и 8 не распространяются на требования к алгоритмам атмосферной коррекции и коррекции анизотропии земной поверхности данных дистанционного зондирования Земли из космоса, полученных над акваториями морей и океанов.
Настоящий стандарт распространяется на программное обеспечение стандартной обработки данных дистанционного зондирования Земли из космоса и предназначен для использования организациями-разработчиками при проектировании целевой аппаратуры космических комплексов (систем) и создании программных средств наземной инфраструктуры приема, обработки, хранения и распространения данных дистанционного зондирования Земли из космоса.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий стандарт:
ГОСТ Р 53460 Глобальная справочная атмосфера для высот от 0 до 120 км для аэрокосмической практики. Параметры
Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 алгоритм: Система последовательных операций, реализуемая в программном обеспечении для решения конкретной задачи.
3.2 энергетическая яркость: Отношение потока излучения к произведению телесного угла, в котором он распространяется, и проекции площади излучающего элемента на плоскость, перпендикулярную к направлению излучения.
3.3 облученность: Отношение потока излучения, падающего на малый участок поверхности, к площади этого участка.
3.4 спектральная плотность энергетической яркости: Отношение энергетической яркости, приходящейся на малый спектральный интервал, к ширине этого интервала.
3.5 спектральная плотность облученности: Отношение облученности, приходящейся на малый спектральный интервал, к ширине этого интервала.
3.6 эффективное значение спектральной плотности энергетической яркости: Средневзвешенное по функции спектральной чувствительности спектрального канала значение спектральной плотности энергетической яркости.
3.7 коэффициент спектральной плотности энергетической яркости: Отношение эффективного значения спектральной плотности энергетической яркости излучения, отраженного от изучаемой поверхности, к эффективному значению спектральной плотности энергетической яркости излучения, отраженного от совершенного рассеивателя, при тех же условиях облучения и наблюдения.
3.8 совершенный рассеиватель: Поверхность, которая полностью отражает падающий поток равномерно во всех направлениях.
3.9 ламбертовский рассеиватель: Поверхность, которая отражает падающий поток равномерно во всех направлениях.
3.10 темновой сигнал: Напряжение, ток или значение цифрового отсчета на выходе фоточувствительного элемента фотоприемного устройства при отсутствии потока излучения на входе.
3.11 анизотропия земной поверхности: Зависимость отражательных свойств земной поверхности от направления облучения и направления наблюдения этой поверхности.
3.12 зенитный угол объекта: Отсчитываемый от зенита угол между направлением на объект из точки наблюдения и направлением отвесной линии в этой точке.
4 Сокращения
В настоящем стандарте применены следующие сокращения:
АЦП — аналого-цифровой преобразователь;
ВМО — Всемирная метеорологическая организация;
ДЗЗ — дистанционное зондирование Земли;
КСПЭЯ — коэффициент спектральной плотности энергетической яркости;
СПЭЯ — спектральная плотность энергетической яркости;
ФПУ — фотоприемное устройство;
CEOS — Комитет по спутникам наблюдения Земли (Committee on Earth Observation Satellites);
ECMWF — Европейский центр среднесрочного прогнозирования (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts);
GRS80 — система геодезических параметров 1980 года (Geodetic Reference System 1980);
HITRAN — спектроскопическая база данных (High Resolution Transmission);
LUT — справочная таблица (Look-Up-Table);
NOAA — Национальное управление океанических и атмосферных исследований Соединенных Штатов Америки (National Oceanic and Atmospheric Administration);
UTC — всемирное координированное время (Universal Time Coordinated).
5 Требования к алгоритму относительной радиометрической коррекции
5.1 Относительная радиометрическая коррекция проводится с целью преобразования исходных значений цифровых отсчетов пикселей данных ДЗЗ из космоса, зависящих от номера цифрового детектора ФПУ, к значениям цифровых отсчетов выходных данных, для которых эта зависимость устранена.
5.2 Входными данными для алгоритма относительной радиометрической коррекции являются:
- исходные данные ДЗЗ из космоса для каждого спектрального канала;
- результаты калибровки ФПУ КА, представленные в виде файла(ов) справочных таблиц (LUT);
- метаданные, содержащие служебную информацию о текущем состоянии ФПУ КА.
5.3 Значения пикселей исходных данных ДЗЗ из космоса должны быть представлены цифровыми отсчетами, полученными АЦП на борту КА путем преобразования аналогового сигнала ФПУ.
5.4 Файл(ы) с результатами калибровки ФПУ может (могут) содержать следующие сведения:
- коды, информирующие о работоспособности каждого цифрового детектора;
- максимальные и минимальные пороговые значения цифровых отсчетов, соответствующие границам динамического диапазона АЦП на борту КА для каждого спектрального канала;
- коэффициенты, описывающие погрешность линейности каждого цифрового детектора в каждом спектральном канале;
- спектральные коэффициенты преобразования для каждого цифрового детектора и каждого спектрального канала при зачетных условиях;
- спектральные коэффициенты смещения для каждого цифрового детектора и каждого спектрального канала при зачетных условиях;
- значения цифровых отсчетов, соответствующие темновому сигналу;
- коэффициенты, определяющие зависимость спектральных коэффициентов преобразования каждого цифрового детектора от температуры фокальной плоскости ФПУ КА;
- опорное значение температуры фокальной плоскости ФПУ КА;
- иные параметры калибровки ФПУ КА, зависящие от его конструктивных особенностей.
5.5 Метаданные, содержащие служебную информацию, должны включать в себя следующие сведения о текущем состоянии ФПУ КА:
- время проведения съемки в системе UTC;
- температуру фокальной плоскости ФПУ КА во время проведения съемки;
- иные параметры, зависящие от конструктивных особенностей ФПУ КА.
5.6 Алгоритм относительной радиометрической коррекции должен подвергать исходные значения цифровых отсчетов пикселей каждого спектрального канала следующим предварительным преобразованиям:
- из исходных цифровых отсчетов должны быть вычтены значения цифровых отсчетов, соответствующие темновому сигналу;
- к исходным цифровым отсчетам пикселей должны быть добавлены поправки, учитывающие погрешность линейности цифровых детекторов ФПУ. Эти поправки должны вычисляться через значения исходных цифровых отсчетов пикселей и численные коэффициенты, описывающие погрешность линейности каждого цифрового детектора в каждом спектральном канале.
5.7 Алгоритм относительной радиометрической коррекции должен приводить спектральные коэффициенты преобразования и смещения от зачетных условий к текущим условиям съемки. В частности, приведенные к текущей температуре фокальной плоскости спектральные коэффициенты преобразования a_{\lambda i} и смещения b_{\lambda i} i-го цифрового детектора вычисляют по формулам:
a_{\lambda i} = \frac{1 + c_{\lambda i}T}{1 + c_{\lambda i}T_{0}} a_{\lambda i0},b_{\lambda i} = \frac{1 + c_{\lambda i}T}{1 + c_{\lambda i}T_{0}} b_{\lambda i0} , (1)
где \lambda — центральная длина волны заданного спектрального канала;
c_{\lambda i} — коэффициент, определяющий зависимость спектрального коэффициента преобразования i-го цифрового детектора от температуры фокальной плоскости;
T — текущая температура фокальной плоскости;
T0 — опорная температура фокальной плоскости;
a_{\lambda i0} — спектральный коэффициент преобразования i-го цифрового детектора для зачетных условий;
b_{\lambda i0} — спектральный коэффициент смещения i-го цифрового детектора для зачетных условий.
5.8 Алгоритм относительной радиометрической коррекции должен вычислять исправленное значение цифрового отсчета пикселя DN_{\lambda i} , полученное i-м цифровым детектором в заданном спектральном канале, с помощью следующей функции преобразования:
DN_{\lambda i} = A_{\lambda i}DN_{0\lambda i} + B_{\lambda i} , (2)
где A_{\lambda i} — относительный спектральный коэффициент преобразования i-го цифрового детектора;
DN_{0\lambda i} — исправленное с учетом нелинейности и темнового сигнала значение исходного цифрового отсчета пикселя, полученное i-м цифровым детектором в заданном спектральном канале;
B_{\lambda i} — относительный спектральный коэффициент смещения i-го цифрового детектора.
Относительные спектральные коэффициенты преобразования A_{\lambda i} и смещения B_{\lambda i} i-го цифрового детектора вычисляют по формулам:
A_{\lambda i} = \frac{a_{\lambda i}}{a_{\lambda}} ,B_{\lambda i} = \frac{b_{\lambda i} - b_{\lambda}}{a_{\lambda}} , (3)
где a_{\lambda i} — спектральный коэффициент преобразования i-го цифрового детектора;
a_{\lambda} — спектральный коэффициент преобразования опорного цифрового детектора;
b_{\lambda i} — спектральный коэффициент смещения i-го цифрового детектора;
b_{\lambda} — спектральный коэффициент смещения опорного цифрового детектора.
5.9 Скорректированные значения цифровых отсчетов считаются ненадежными:
- для сбойных пикселей, возникших при передаче данных ДЗЗ из космоса с борта КА на наземную инфраструктуру приема и обработки данных ДЗЗ из космоса;
- пикселей, величина шума которых превышает пороговое значение;
- пикселей, значения цифровых отсчетов которых выходят за пределы динамического диапазона АЦП на борту КА;
- пикселей, соответствующих цифровым детекторам, которые по результатам калибровки признаны неработоспособными.
5.10 В результате проведения относительной радиометрической коррекции должен быть получен набор данных ДЗЗ из космоса, содержащий:
- данные ДЗЗ из космоса для каждого спектрального канала, значения пикселей которых представлены исправленными цифровыми отсчетами;
- метаданные, содержащие для каждого спектрального канала значения спектрального коэффициента преобразования и спектрального коэффициента смещения опорного цифрового детектора.
6 Требования к алгоритму абсолютной радиометрической коррекции
6.1 Абсолютная радиометрическая коррекция проводится с целью преобразования значений цифровых отсчетов пикселей данных ДЗЗ из космоса, прошедших относительную радиометрическую коррекцию, к эффективным значениям СПЭЯ либо значениям КСПЭЯ, отнесенных к уровню верхней границы атмосферы.
6.2 Алгоритм абсолютной радиометрической коррекции должен проводить преобразование цифровых отсчетов пикселей в эффективные значения СПЭЯ L_{e\lambda TOA} , отнесенные к уровню верхней границы атмосферы, с помощью следующей функции преобразования:
L_{e\lambda TOA} = a_{\lambda}DN_{\lambda} + b_{\lambda} , (4)
где a_{\lambda} — спектральный коэффициент преобразования опорного цифрового детектора;
DN_{\lambda} — значение цифрового отсчета пикселя в заданном спектральном канале, прошедшее относительную радиометрическую коррекцию;
b_{\lambda} — спектральный коэффициент смещения опорного цифрового детектора.
Эффективные значения СПЭЯ по результатам преобразования должны быть представлены в единицах Вт/(м2·ср·мкм).
6.3 Для преобразования эффективных значений СПЭЯ к значениям КСПЭЯ, отнесенных к верхней границе атмосферы, однократно после каждой спектральной калибровки ФПУ должны быть рассчитаны эффективные значения внеатмосферной спектральной плотности облученности солнечного излучения на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца для каждого спектрального канала. Для этого файл(ы) с результатами спектральной калибровки ФПУ должен (должны) содержать значения относительной функции спектральной чувствительности для каждого спектрального канала с шагом не более 2 нм. Эффективное значение внеатмосферной спектральной плотности облученности солнечного излучения на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца для заданного спектрального канала E_{\lambda TOA} вычисляют по формуле
E_{\lambda TOA} = \frac{\int_{0}^{\infty} E_{\lambda\prime}F_{\lambda}(\lambda\prime)d\lambda\prime}{\int_{0}^{\infty} F_{\lambda}(\lambda\prime)d\lambda\prime} , (5)
где \lambda\prime — длина волны заданной спектральной линии;
E_{\lambda\prime} — внеатмосферная спектральная плотность облученности солнечного излучения на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца для заданной спектральной линии;
F_{\lambda} — функция спектральной чувствительности для заданного спектрального канала.
Значения E_{\lambda\prime} следует брать из справочного солнечного спектра Мирового центра радиационных данных ВМО в Давосе (приложение А). Программное обеспечение автоматической стандартной обработки должно сохранять результаты расчетов E_{\lambda TOA} и применять их ко всем данным в процессе их обработки до обновления параметров спектральной калибровки.
Примечание — Справочный солнечный спектр Мирового центра радиационных данных ВМО в Давосе рекомендован к использованию при обработке данных ДЗЗ из космоса подгруппой по оптическим датчикам видимого и инфракрасного диапазонов группы по калибровке и валидации CEOS.
6.4 Каждый раз перед преобразованием эффективных значений СПЭЯ пикселей, отнесенных к верхней границе атмосферы, к значениям КСПЭЯ пикселей, отнесенных к тому же уровню, должны быть рассчитаны:
6.5 Алгоритм абсолютной радиометрической коррекции при расчете зенитных углов Солнца должен аппроксимировать поверхность Земли эллиптической поверхностью, поднятой на среднюю фиксированную высоту местности над общеземным эллипсоидом. В качестве общеземного эллипсоида рекомендуется использовать эллипсоид GRS80, одобренный Международным геодезическим и геофизическим союзом [1].
6.6 Алгоритм абсолютной радиометрической коррекции должен проводить преобразование эффективных значений СПЭЯ в значения КСПЭЯ \rho_{\lambda TOA} , отнесенные к уровню верхней границы атмосферы, с помощью следующего выражения:
\rho_{\lambda TOA} = \frac{\pi L_{e\lambda TOA}d^{2}}{E_{\lambda TOA}cos\theta_{s}} , (6)
где d — расстояние между Землей и Солнцем, выраженное в астрономических единицах;
\theta_{s} — зенитный угол Солнца для соответствующего пикселя.
6.7 в результате проведения абсолютной радиометрической коррекции должен быть получен набор данных ДЗЗ из космоса, содержащий:
- данные ДЗЗ из космоса для каждого спектрального канала, значения пикселей которых представлены эффективными значениями СПЭЯ либо значениями КСПЭЯ;
- метаданные, содержащие дополнительно к сведениям, приведенным в 5.10, эффективные значения внеатмосферной спектральной плотности облученности солнечного излучения на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца для каждого спектрального канала.
7 Требования к алгоритму атмосферной коррекции
7.1 Атмосферную коррекцию проводят с целью преобразования эффективных значений СПЭЯ либо значений КСПЭЯ, отнесенных к уровню верхней границы атмосферы, к значениям тех же величин, отнесенных к уровню поверхности Земли.
7.2 Перед проведением атмосферной коррекции должна быть проведена классификация данных ДЗЗ из космоса в пределах обрабатываемой сцены с созданием маски облачности и маски облачных теней.
7.3 Алгоритм модели, реализующий атмосферную коррекцию данных ДЗЗ из космоса, должен обеспечивать выполнение двух операций:
- составление уравнения атмосферной коррекции для каждого пикселя данных;
- решение уравнения атмосферной коррекции для каждого пикселя данных.
7.4 Требования к алгоритму составления уравнения атмосферной коррекции
7.4.1 Алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции должен быть основан на следующем уравнении, записанном в предположении, что поверхность Земли является ламбертовским рассеивателем:
\rho_{\lambda TOA} = \rho\prime_{\lambda R + A} + \frac{\alpha_{\lambda}}{1 - \rho_{\lambda TOC}S_{\lambda}} \rho_{\lambda TOC} + \frac{\beta_{\lambda}}{1 - \rho_{\lambda TOC}S_{\lambda}} \rho_{\lambda TOC} , (7)
где \rho\prime_{\lambda R + A} — исправленный на поглощение коэффициент внутреннего отражения атмосферой солнечного излучения в направлении КА за счет молекулярного (рэлеевского) и аэрозольного рассеяния для заданного спектрального канала;
\alpha_{\lambda} и \beta_{\lambda} — модельные параметры для заданного спектрального канала;
\rho_{\lambda TOC} — среднее значение КСПЭЯ вокруг пикселя в заданном спектральном канале, отнесенное к уровню поверхности Земли;
\rho_{\lambda TOC} — КСПЭЯ пикселя в заданном спектральном канале, отнесенный к уровню поверхности Земли;
S_{\lambda} — сферическое альбедо атмосферы для заданного спектрального канала.
Исправленный на поглощение коэффициент внутреннего отражения атмосферой солнечного излучения в направлении КА за счет молекулярного (рэлеевского) и аэрозольного рассеяния для заданного спектрального канала \rho'_{\lambda R + A} вычисляют по формуле
\rho\prime_{\lambda R + A} = T_{g\lambda O_{3}}(\theta_{s})T_{g\lambda O_{3}}(\theta_{v})[\rho_{\lambda R} + (\rho_{\lambda R + A} - \rho_{\lambda R})T_{g\lambda H_{2}O2}(\theta_{s})T_{g\lambda H_{2}O2}(\theta_{v})] , (8)
где T_{g\lambda O_{3}} — коэффициент поглощения интегрального содержания озона в атмосферном столбе для заданного спектрального канала;
\theta_{v} — зенитный угол КА для соответствующего пикселя;
\rho_{\lambda R} — коэффициент внутреннего отражения атмосферой солнечного излучения в направлении КА за счет молекулярного (рэлеевского) рассеяния для заданного спектрального канала;
\rho_{\lambda R + A} — коэффициент внутреннего отражения атмосферой солнечного излучения в направлении КА за счет молекулярного (рэлеевского) и аэрозольного рассеяния для заданного спектрального канала;
T_{g\lambda H_{2}O2} — коэффициент поглощения половины интегрального содержания водяного пара в атмосферном столбе для заданного спектрального канала.
Модельные параметры \alpha_{\lambda} и \beta_{\lambda} для заданного спектрального канала вычисляют по формулам:
(9)где T_{g\lambda H_{2}O} — коэффициент поглощения интегрального содержания водяного пара в атмосферном столбе для заданного спектрального канала;
t_{dir\lambda} — спектральный коэффициент направленного пропускания атмосферы для заданного спектрального канала;
t_{diff\lambda} — спектральный коэффициент диффузного пропускания атмосферы для заданного спектрального канала.
Примечание — Физический смысл слагаемых, входящих в уравнение (7), заключается в том, что первое слагаемое отвечает за солнечное излучение, отраженное внутри атмосферы в направлении КА. Второе слагаемое главным образом связано с солнечным излучением, напрямую отраженным от изучаемого элемента поверхности в направлении КА. Третье слагаемое вызвано солнечным излучением, отраженным в направлении КА элементами поверхности, соседними с изучаемым элементом.
7.4.2 Алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции должен принимать равными единице коэффициенты поглощения водяного пара и озона в случае, если в границы спектрального канала не попадают спектральные линии поглощения соответствующих газов. В противном случае коэффициенты поглощения должны моделироваться с помощью следующих выражений:
T_{g\lambda O_{3}}(\theta) = e^{- \tau_{\lambda O3}cos\theta},T_{g\lambda H_{2}O}(\theta) = e^{- \tau_{\lambda H2O}cos\theta} , (10)
где \theta — зенитный угол КА или Солнца для соответствующего пикселя;
\tau_{\lambda O_{3}} — оптическая толщина пропускания озона для заданного спектрального канала;
\tau_{\lambda H_{2}O} — оптическая толщина пропускания водяного пара для заданного спектрального канала.
Оптические толщины водяного пара и озона должны оцениваться через объемные спектральные коэффициенты поглощения и интегральные содержания соответствующих газов в атмосферном столбе.
7.4.3 Алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции должен извлекать объемные спектральные коэффициенты поглощения из международных баз данных о спектральных свойствах газов.
Примечание — Наиболее известной и используемой базой данных о спектральных свойствах газов является HITRAN.
7.4.4 Рекомендуется, чтобы алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции извлекал значения интегральных содержаний водяного пара и озона в атмосферном столбе из продуктов обработки данных ДЗЗ из космоса, полученных при наблюдениях в каналах поглощения этих газов в ближнем и дальнем инфракрасных диапазонах. Если программное обеспечение автоматической стандартной обработки не предполагает импорт этих продуктов или они недоступны, рекомендуется использовать выходные данные реанализов. Использование априорных значений интегральных содержаний водяного пара и озона, основанных на климатических моделях, допускается при обработке данных, по которым не предполагается восстановление геофизических индексов.
Примечание — Наиболее известными операторами выходных данных реанализов являются Европейский центр среднесрочного прогнозирования (ECMWF) и Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA).
7.4.5 Алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции должен вычислять коэффициент внутреннего отражения атмосферой солнечного излучения в направлении КА за счет молекулярного (рэлеевского) рассеяния через молекулярную оптическую толщину, которая зависит от высотного профиля концентрации рассеивателей (молекул газов), а также абсолютной высоты изучаемого элемента поверхности. Угол рассеяния следует рассчитывать по зенитным углам и разности азимутов Солнца и КА. При этом следует придерживаться требований, указанных в 6.5.
7.4.6 Алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции должен вычислять высотный профиль концентрации молекул атмосферных газов с помощью климатических моделей высотных профилей давления и температуры воздуха. Рекомендуется использовать климатическую модель глобальной справочной атмосферы по ГОСТ Р 53460.
7.4.7 Алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции должен оценивать вклад аэрозолей в коэффициент внутреннего отражения атмосферой солнечного излучения в направлении КА через высотный профиль концентрации аэрозолей и процентные соотношения концентраций отдельных типов аэрозолей.
7.4.8 Алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции должен извлекать процентные соотношения концентраций типов аэрозолей из климатических моделей исходя из вида ландшафта. При этом должно предполагаться, что каждый из ландшафтов характеризуется инвариантной по высоте смесью из четырех типов аэрозолей: пылевидных, океанических, водорастворимых и сажи.
Пример — Модель смеси аэрозолей городского ландшафта предполагает 17% пылевидных аэрозолей, 61% водорастворимых аэрозолей и 22% сажи.
7.4.9 Рекомендуется, чтобы алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции моделировал форму высотного профиля концентрации аэрозолей в виде экспоненциальной функции, а общее содержание аэрозолей в атмосферном столбе — с помощью оптической толщины.
Примечание — В качестве альтернативы оптической толщины аэрозолей алгоритмы моделей атмосферных коррекций часто используют метеорологическую дальность видимости. Этот подход не рекомендуется, т.к. зависит от сильных эмпирических предположений.
7.4.10 Рекомендуется, чтобы алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции извлекал значения оптических толщин аэрозолей из соответствующих продуктов обработки данных ДЗЗ из космоса. Если программное обеспечение автоматической стандартной обработки не предполагает импорт этих продуктов или они недоступны, то рекомендуется использовать климатические модели, описывающие общее содержание аэрозолей исходя из вида ландшафта.
Примечание — Продукты обработки данных ДЗЗ из космоса, содержащие оптическую толщину аэрозолей, создаются на основе применения методики Кауфмана или методики «Глубокого синего». Методика Кауфмана оценивает оптическую толщину аэрозолей над темными объектами (влажная растительность, пашня и др.) исходя из корреляции значений СПЭЯ этих объектов в канале прозрачности среднего инфракрасного диапазона (как правило, 2,1 мкм) со значениями СПЭЯ этих объектов в красном и синем каналах видимого диапазона. Методика «Глубокого синего» позволяет оценить оптическую толщину аэрозолей над яркими поверхностями в результате анализа наблюдений в каналах сине-фиолетовой области видимого диапазона (как правило, 0,412 или 0,470 мкм), для которых имеет место сильное аэрозольное рассеяние, но слабое отражение от земной поверхности.
7.4.11 Алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции должен вычислять спектральный коэффициент направленного пропускания и спектральный коэффициент диффузного пропускания через молекулярную и аэрозольную оптические толщины, а также зенитные углы КА или Солнца.
7.4.12 Алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции должен вычислять сферическое альбедо атмосферы с помощью молекулярной и аэрозольной оптических толщин.
7.4.13 Алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции должен выполнять эту операцию с использованием файлов справочных таблиц. Справочные таблицы должны быть однократно рассчитаны для каждого ФПУ и включать следующие элементы уравнения атмосферной коррекции (или их математических комбинаций с коэффициентами поглощения):
- коэффициент внутреннего отражения атмосферы солнечного излучения в направлении КА за счет молекулярного (рэлеевского) и аэрозольного рассеяния;
- спектральный коэффициент направленного пропускания;
- спектральный коэффициент диффузного пропускания;
- сферическое альбедо атмосферы.
Примечание — Примерами математических комбинаций элементов уравнения атмосферной коррекции служат модельные параметры \alpha_{\lambda} и \beta_{\lambda} в выражении (7).
7.4.14 Предвычисленные значения элементов уравнения атмосферной коррекции (или их математических комбинаций с коэффициентами поглощения) в файлах справочных таблиц должны быть приведены для каждого спектрального канала и для широкого диапазона значений параметров, характеризующих геометрические и метеорологические условия съемки. В таблице 1 приведены максимальный рекомендуемый шаг сетки по каждому из параметров условий съемки, а также рекомендуемый диапазон их значений.
Рекомендуемые максимальный шаг сетки и диапазон значений параметров условий съемки в файлах справочных таблиц
| Параметр условий съемки | Шаг сетки | Диапазон значений |
| 1 Зенитный угол Солнца, град | 10° | От 0° до 80° включ. |
| 2 Зенитный угол КА, град | 10° | От 0° до 60° включ. |
| 3 Разность азимутов Солнца и КА <1>, град | 60° | От 0° до 180° включ. |
| 4 Абсолютная высота земной поверхности, км | 3 | От 0 до 9 включ. |
| 5 Интегральное содержание водяного пара, кг/м2 | 10 | От 0 до 70 включ. |
| 6 Интегральное содержание озона <2>, ммоль/м2 | 44,62 | От 44,62 до 223,10 включ. |
| 7 Оптическая толщина аэрозоля | 0,01; 0,2; 0,5; 1,0 и 1,5 | От 0 до 1,5 включ. |
| <1> Зависимость элементов уравнения атмосферной коррекции от разности азимутов КА и Солнца в справочных таблицах может быть исключена для обработки данных ДЗЗ, получаемых с КА, осуществляющих съемку в надирном и близком к надирному направлениях. <2> Зависимость элементов уравнения атмосферной коррекции от интегрального содержания озона может быть исключена, если модель атмосферной коррекции не включает коэффициент поглощения озона в математические комбинации элементов этого уравнения. | ||
7.4.15 Алгоритм составления уравнения атмосферной коррекции должен обеспечивать интерполяцию элементов уравнения атмосферной коррекции от значений параметров условий съемки, заданных в узлах сетки справочных таблиц, к текущим значениям параметров условий съемки, полученных из внешних источников согласно рекомендациям, указанным в 7.4.2 - 7.4.10.
7.5 Требования к алгоритму решения уравнения атмосферной коррекции
7.5.1 Алгоритм решения уравнения атмосферной коррекции, составленного для каждого пикселя данных ДЗЗ из космоса, должен состоять из следующих шагов:
- шаг 1. Уравнения атмосферной коррекции для каждого пикселя обращаются относительно КСПЭЯ, отнесенных к уровню поверхности Земли (\rho_{\lambda TOC}) , в предположении, что \rho_{\lambda TOC} = \rho_{\lambda TOC} ;
- шаг 2. Вычисляются средние значения КСПЭЯ вокруг каждого пикселя \rho_{\lambda TOC} с помощью \rho_{\lambda TOC} , полученных на шаге 1. При этом учитывается пространственная функция окружения, задающая доли вклада в \rho_{\lambda TOC} значений окружающих пикселей в зависимости от их расстояния до изучаемого (центрального) пикселя;
- шаг 3. Уравнения атмосферной коррекции записываются для каждого пикселя с учетом вычисленных на шаге 2 значений \rho_{\lambda TOC} и обращаются относительно \rho_{\lambda TOC} .
7.5.2 Рекомендуется, чтобы алгоритм решения уравнения атмосферной коррекции, применяемый к данным ДЗЗ из космоса сверхнизкого пространственного разрешения, использовал только шаг 1, указанный в 7.5.1.
7.5.3 Значения КСПЭЯ, отнесенные к уровню поверхности Земли, для пикселей, попавших в маски облачности и маски облачных теней, а также для пикселей, для которых оптическая толщина аэрозолей более 1,5 или зенитный угол Солнца более 70°, считаются ненадежными.
7.5.4 В случае, если данные ДЗЗ из космоса, прошедшие атмосферную коррекцию, необходимо представить в виде эффективных значений СПЭЯ L_{e\lambda TOC} , отнесенных к уровню поверхности Земли, следует использовать следующую формулу преобразования:
L_{e\lambda TOC} = \rho_{\lambda TOC} \frac{T_{g\lambda H_{2}O}(\theta_{s})T_{g\lambda O_{3}}(\theta_{s})(t_{dir\lambda}(\theta_{s}) + t_{diff\lambda}(\theta_{s}))}{\pi(1 - S_{\lambda}\rho_{\lambda TOC})} \frac{E_{e\lambda TOA}cos\theta_{s}}{d^{2}} . (11)
8 Требования к алгоритму коррекции влияния анизотропии земной поверхности
8.1 Коррекция влияния анизотропии земной поверхности проводится с целью исключить из временных рядов значений КСПЭЯ, отнесенных к уровню поверхности Земли, вариации, вызванные изменениями геометрических условий облучения этой поверхности Солнцем и наблюдения этой поверхности ФПУ КА.
8.2 Коррекцию влияния анизотропии земной поверхности следует проводить для данных ДЗЗ из космоса низкого и сверхнизкого пространственного разрешения.
8.3 Для проведения коррекции влияния анизотропии земной поверхности значения КСПЭЯ каждого пикселя, отнесенные к уровню поверхности Земли, следует представлять в виде:
\rho_{\lambda TOC}(\theta_{v},\theta_{s},\phi) = k_{0}(\lambda) + k_{1}(\lambda) \cdot f_{1}(\theta_{v},\theta_{s},\phi) + k_{2}(\lambda) \cdot f_{2}(\theta_{v},\theta_{s},\phi) , (12)
где \phi — разность азимутов Солнца и КА для данного пикселя;
k0, k1, k2 - численные коэффициенты;
f1 — базовая функция, описывающая геометрические отражение;
f2 — базовая функция, описывающая сферическое отражение.
Примечание — Существует несколько аналитических выражений для базовых функций, применимых для обработки данных ДЗЗ из космоса и доступных в специальной литературе.
8.4 Алгоритм проведения коррекции влияния анизотропии земной поверхности должен вычислять численные коэффициенты по формуле (12) для каждого спектрального канала и каждого пикселя данных ДЗЗ из космоса на основании набора значений КСПЭЯ, полученных для одной и той же поверхности, но при разных углах облучения и наблюдения. Рекомендуемый период сбора данных составляет 30 дней.
8.5 По найденным значениям численных коэффициентов следует вычислить по формуле (12) для каждого пикселя и каждого спектрального канала среднее для периода сбора данных значение КСПЭЯ, отнесенное к уровню поверхности Земли и к заданным геометрическим условиям облучения и наблюдения.
8.6 Геометрические условия облучения и наблюдения, к которым приводятся значения КСПЭЯ в 8.5, должны оставаться фиксированными для всей коллекции данных ДЗЗ из космоса, прошедших коррекцию влияния анизотропии земной поверхности.
СПРАВОЧНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ СПЕКТР МИРОВОГО ЦЕНТРА РАДИАЦИОННЫХ ДАННЫХ ВСЕМИРНОЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ В ДАВОСЕ
БИБЛИОГРАФИЯ
| [1] | Resolution № 7 of the XVII General Assembly of the IUGG in Canberra, December 1979 |
|---|
| УДК 528.8:006.354 | ОКС 35.240.70 49.140 |
| Ключевые слова: данные дистанционного зондирования Земли из космоса, алгоритмы радиометрической коррекции, программное обеспечение | |