Сергей Ефимов, преподаватель кафедры «Системы, устройства и методы космической физики», Московский физико-технический институт (государственный университет), E-mail: efimov@geo.mipt.ru
На современном этапе развития науки и техники решение теоретических и прикладных задач, связанных с изучением опасных природных явлений и экологическими проблемами, остро стоящими перед человечеством, в значительной степени связано с информацией, получаемой космическими средствам мониторинга. Наблюдения Земли из космоса достаточно успешно ведутся по самым разным направлениям. Среди задач, привлекающих большой интерес, имеются и такие, более эффективное решение которых может быть достигнуто при наличии трехмерной пространственной конфигурации наблюдаемой сцены, получаемой, например, при построении 3D-модели по данным стереосъемки. К таким задачам, в частности, относятся:
- оценка и прогноз характеристик тропических циклонов;
- оценка характеристик шлейфов вулканических извержений, индустриальных и природных пожаров;
- оценка трехмерных оптико-физических характеристик атмосферы.
Основные трудности, с которыми приходится сталкиваться при решении указанных задач, связаны со спецификой исследуемых объектов и явлений – они динамичны и, иногда, полупрозрачны. Большую помощь в изучении подобных феноменов и объектов могут оказать средства, которые предоставляет система обработки изображений ERDAS IMAGINE. Это подтверждают приведенные далее примеры.
Ураганы
Практическую значимость более точного прогноза трансформации и перемещения ураганов трудно переоценить. Циклоны являются наиболее разрушительными стихийными бедствиями с точки зрения потерь как человеческих жизней, так и собственности. В настоящее время сила циклонов вдали от берегов грубо оценивается по спутниковым измерениям а более точно — по результатам полётов специально оборудованных самолётов («Охотников за ураганами») вглубь ураганов на восточном побережье Соединённых Штатов. Такие полёты дороги (~30 млн. долларов в год) и сопряжены с риском для самолёта и экипажа.
Теория показывает, что измерительные возможности аппаратуры могут обеспечить значительно более высокую точность измерения силы циклона из космоса. Так, спутниковые стереоскопические измерения позволят дистанционно определить силу циклона и поле скоростей ветра, что необходимо для прогноза траектории урагана.
Вблизи центра тропического циклона формируется глаз бури (самая внутренняя, обычно свободная от облаков зона диаметром от 5 до 50 км), окруженный стеной облачности. Динамика глаза, причины и механизмы его формирования до сих пор не совсем ясны. Поэтому большой интерес представляют как сама спутниковая информация об этой области, так и возможности ее представления средствами ERDAS IMAGINE с дополнительными модулями.
На рис. 1 приведен один из серии снимков глаза тропического циклона Эмилия, полученный 19 июля 1994 г. с борта американского космического челнока. На рис. 2 показано полученное по стереопаре с помощью фотограмметрического модуля Stereo Analyst анаглифическое стереоизображение глаза Эмилии (его можно рассматривать «объемно» с использованием цветных очков, без специализированного оборудования). В системе OrthoBASE была построена цифровая модель рельефа (ЦМР) глаза бури. На рис. 3 показано полученное в модуле IMAGINE Virtual GIS наложение космоснимка на ЦМР.
Рис. 1. Глаз тропического циклона Эмилия.
Рис. 2. Анаглифическое стереоизображение глаза тропического циклона Эмилия. Для просмотра используйте анаглифические очки с красным и голубым светофильтрами (красный светофильтр слева).
Рис. 3. Цифровая модель рельефа глаза урагана.
Вулканический шлейфы
В последние десятилетия, когда в мире резко возросла интенсивность воздушных перевозок, все более частыми становятся инциденты с самолетами, попавшими в облака вулканического пепла. Шлейф действующего вулкана постепенно размывается до полупрозрачного облака. Такое облако всё ещё представляет угрозу для пролетающих сквозь него реактивных самолётов. Стереомониторинг дает новые возможности в этой области: по данным спутниковых стереонаблюдений возможно получение более точных оценок высоты и формы верхней границы шлейфа; оценка трехмерного поля скоростей ведущих воздушных потоков для уточнения прогноза перемещения и “размыва” шлейфа. По данным спектрозональных стереонаблюдений возможна селекция вулканических шлейфов на фоне облачности, оценка объемов и состава вулканических выбросов, уточнение прогнозов перемещения и изменений концентрации атмосферного аэрозоля, районов выпадения аэрозольных осадков.
В октябре 1994 г. произошло извержение вулкана Ключевского — одного из наиболее активных вулканов на Камчатке. Это самая высокая вершина в восточной России (4572 м). Облако пепла достигло высоты 18 км, ветер перенес пепел на 1000 км к юго-востоку от вулкана. Считается, что это извержение Ключевского было самым большим за последние 50 лет.
На рис. 4 показан один из серии снимков этого извержения, полученный с шаттла. На нем хорошо просматривается береговая линия. Дымовой шлейф распространяется в сторону Тихого океана. На рис. 5 приведено полученное в Stereo Analyst по стереопаре анаглифическое стерео шлейфа вулкана. На рис. 6 показано полученное в Virtual GIS наложение космоснимка на ЦМР, полученную в OrthoBASE. По этим данным легко оценить размеры шлейфа в зависимости от высоты, что поможет выбрать оптимальную трассу облета самолетами шлейфа извержения.
Рис. 4. Извержение вулкана Ключевской.
Рис. 5. Анаглифическое стереоизображение дымового шлейфа вулкана Ключевской.
Рис. 6. Цифровая модель рельефа дымового шлейфа вулкана Ключевской.
Облачный покров
Следует отметить возможность стереонаблюдений облачного покрова с двух геостационарных спутников, что открывает новые перспективы получения сведений о высоте верхней границы облаков. Разрешение стереомониторинга по вертикали может достигать 0,1 км для крупных облаков и высоких контрастов яркости, уменьшаясь до 0,5 км для малых облаков и слабых контрастов. На рис. 7 приведено анаглифическое стереоизображение тропического циклона, полученное с геостационарных спутников.
Рис. 7. Анаглифическое стереоизображение тропического циклона, полученное с геостационарных спутников (фото NASA).
Фотограмметрические модули ERDAS IMAGINE могут с успехом применяться для обработки последовательностей стереопар изображений, что позволит исследовать четырехмерную (в пространстве и во времени) динамику топографии облачного покрова. При этом открывается возможность прослеживать динамику мощных конвективных облачных систем тропических циклонов, ураганов, гроз. Такая информация открывает перспективы оценки скорости вертикального развития облачности. Информативность подобной интерпретации повышается при дополнительном использовании ИК данных о температуре верхней границы облаков.
Стерео и ИК информация
Сочетание стерео- и ИК информации оказывается полезным для проверки надежности теоретических моделей, описывающих процессы развития облачности, вовлечения в циклон новых облачных систем и т.п. Для небольших облаков возможно определение высоты не только верхней, но и нижней границы с последующей экстраполяцией на соседний район облачного покрова. Важное значение стереопар изображений состоит в их использовании для высотной привязки полей ветра, восстановленных по движению облаков.
Важную роль играет возможность привлечения средств стереомониторинга для определения высоты тонких перистых облаков, поскольку ИК методика является в этом случае ненадежной. Совместное использование при благоприятных условиях стерео- и ИК данных позволяет осуществить более надежное восстановление температуры при более высоком разрешении по горизонтали и вертикали.
Совместное использование стерео- и ИК наблюдений позволяет получить независимую информацию о высоте и температуре верхней границы облаков, а в сочетании с аэрологическими данными о вертикальном профиле температуры — эффективную излучательную способность облачного покрова. При отсутствии реальных стереопар возможно их синтезирование с дополнительным использованием ИК данных, а также (в более общем случае) многоспектральных данных. Синтетическую стереопару составляют обычные изображения (в видимой области спектра) и изображение, полученное с помощью ЭВМ таким образом, чтобы сдвиг каждого элемента первого изображения осуществлялся вправо на расстояние, обратно пропорциональное ИК яркостной температуре элемента (элементам с минимальной температурой соответствует максимальный сдвиг). На рис. 8 показано анаглифическое стереоизображение тропического циклона, полученное со спутника NOAA.
Рис. 8. Анаглифическое стереоизображение тропического циклона, полученное со спутника NOAA (фото NASA).
Система стереомониторинга
Перспективная система стереоскопических наблюдений в будущем должна предусматривать использование как геостационарных, так и низкоорбитальных спутников. Последние обеспечат круглосуточный глобальный обзор (включая полярные районы). Подобная система спутников потребует международной стандартизации геометрии и скорости сканирования, а также обеспечения пространственного разрешения для всех каналов не менее 1 км.
Следует сказать, что за рубежом создаются специализированные сенсоры для стереомониторинга. К ним относится MISR (многоугловой сканирующий спектрорадиометр) — съемочная система, позволяющая принимать уходящее излучение Земли в девяти разных направлениях. Для детального изучения аэрозолей, облачного покрова, водных поверхностей, растительности, горных пород необходимо знание об отражаемом излучении в разных направлениях. Эту задачу решают 9 камер, ведущих съемку по 9 разным направлениям: в надир, а также вперед и назад под разными углами по направлению полета. Камеры позволяют получать изображения всей планеты в четырех спектральных диапазонах (голубом, зеленом, красном и ближнем инфракрасном) со средним и низким пространственным разрешением: от 275 до 1100 метров. Полоса обзора составляет 360 километров. Так как MISR наблюдает один и тот же объект облачной текстуры всеми камерами в течение семи минут, становится возможным определение скорости ветра.
На рис. 9 показано поле скоростей и высота верхней границы облачности тропического циклона, восстановленные по данным многоугловых наблюдений MISR. Поле скоростей ветра наложено на изображение в виде стрелок, длина которых пропорциональна скорости ветра. На изображении справа представлена высота верхней границы облачности. Области, где высоту не удалось восстановить, отображены черным цветом.
Рис. 9. Поле скоростей и высота верхней границы облачности тропического циклона, восстановленные по данным многоугловых наблюдений MISR (фото NASA).
На рис. 10 приведено анаглифическое стереоизображение извержения вулкана Этна в октябре 2002 г. Кроме основного дымового шлейфа, состоящего из частичек вулканического пепла, ниже виден слабый шлейф, состоящий из капелек серной кислоты. Образование двух шлейфов стало возможным благодаря выбросу продуктов выделения на разные высоты, где различается и сила ветра.
Рис. 10. Анаглифическое стереоизображение извержения вулкана Этна (фото NASA).
В наши планы использования возможностей программных продуктов ERDAS IMAGINE для задач космического стереомониторинга атмосферы Земли входит продолжение работ как с данными MISR, так и с данными других перспективных сенсоров.
