3B1. Прием данных MODIS на наземную приемную станцию

Технология приёма данных дистанционного зондирования с искусственных спутников Земли с использованием приемной станции УНИСКАН-24

3B1. Прием данных MODIS на наземную приемную станцию

УниСкан-24 – разработанная ИТЦ «СканЭкс» наземная приемная станция Х-диапазона (8 ГГц), предназначенная для приема и обработки данных с полярно-орбитальных спутников дистанционного зондирования Земли. Она позволяет принимать в реальном времени материалы космической съемки земной поверхности в радиусе около 2500 км от станции (площадь около 12 млн. кв. км).

Станция позволяет принимать данные с ряда спутников, в том числе, Terra и Aqua (без какой-либо лицензии), IRS, SPOT, EROS, Монитор-Э и др. (с оплатой лицензий, и выполнением съемки и сбросом данных по заказу).

Основными компонентами станции УниСкан-24, обслуживаемой Ресурсным центром космических и геоинформационных технологий, далее Станция, являются антенная система, приемник, программное обеспечение.

Станция имеет двухосное опорно-поворотное устройство (ОПУ) с двумя горизонтальными осями вращения, которые исключают наличие мертвых зон на высоких углах. Однако в направлении нижней оси вращения, на горизонте, есть особые точки.

Сопровождение через окрестности этих точек может оказаться невозможным, но это касается только очень малых углов места – ниже 5 градусов.

ОПУ может работать как в режиме программного сопровождения (следуя расчетной траектории спутника) так и в режиме автосопровождения (используя информацию об уровне принимаемого сигнала для коррекции траектории).

Параметры приемников могут перестраиваться в широком диапазоне для приема данных с разных спутников. Станция оборудована приемниками для приема данных со спутников SPOT 4 (инструменты HRVIRMONO и HRVIRXS), SPOT5 (HRGPAN и HRGXS), EROS A (PAN), TERRA (MODIS), AQUA (MODIS), RADARSAT-1 (SAR).

Программное обеспечение (ПО) станции содержит все средства для ручного управления и настройки станции, составления расписания ее работы и автоматического исполнения расписания. Управление станцией осуществляется только с помощью программного обеспечения. 

Основные технические характеристики станции:

  • — диапазон несущих частот сигнала – 8050-8400 МГц;
  • — максимальный темп приема – 170 Мбит/с;
  • — тип ОПУ – 2-осное (X — Y);
  • — вес системы – 320;
  • — скорость ветра, рабочая – 20 м/с;
  • — скорость ветра, максимальная – 40 м/с;
  • — диапазон рабочих температур антенной системы – от -50 до +50 °C;
  • — диапазон рабочих температур для узлов, расположенных в помещении – от +10 до +40 °С;
  • — первичное электропитание – 220 В, 50/60 Гц;
  • — максимальное энергопотребление – 500 Вт. 

Минимальные углы места приема данных со спутников: 

  • — TERRA (DB), AQUA (DB) – 5°;
  • — ENVISAT (ASAR) – 8°;
  • — EROS-A1, EROS-B – 5°;
  • — IRS-P5, IRS-P6 – 15°;
  • — CARTOSAT-2 – 8°;
  • — LANDSAT 5 – 5°;
  • — RADARSAT-1 – 8°;
  • — RADARSAT-2 – 5°;
  • — SPOT 4, SPOT 5 – 5°;
  • — COSMO-SKYMED-1, 2, 3 – 10°;
  • — TERRASAR-X – 15°. 

Антенная система:

Антенная система подразделяется на следующие узлы:

  • — антенна (рефлектор и облучатель);
  • — МШУ (малошумящий усилитель) и 1-й преобразователь частоты;
  • — ОПУ;
  • — система управления. 

Рис. 1 Общий вид антенной системы.

Характеристики рефлектора и облучателя:

  • — тип рефлектора — сплошной;
  • — диаметр рефлектора 2.4 м;
  • — поляризация правая круговая.

МШУ и 1-й преобразователь частоты аппаратно объединены в один блок (МШПР), который устанавливается непосредственно на облучателе антенны. Сигнал со спутника, принятый антенной, усиленный МШУ и преобразованный в диапазон 900 — 1400 МГц, передается по ВЧ кабелю через модуль разветвителя на вход приемников.

Рис. 2 Рефлектор.

Характеристики ОПУ:

  • — тип редуктора – шестеренчато-волновой;
  • — количество осей вращения – 2;
  • — кинематическая схема  X – Y;
  • — диапазон углов поворота по углу места – от 0° до 180°;
  • — диапазон углов поворота по наклону (относительно зенита) – от -90° до 90°;
  • — максимальная скорость вращения – не менее 2.5 °/с;
  • — абсолютная статическая ошибка позиционирования – не более 20';
  • — динамическая ошибка сопровождения при углах места цели более 5° – не более  4';
  • — интерфейс связи с ПК – подчиненное устройство на шине PCI 32 бит.

Текущее положение антенны измеряется датчиками угла поворота ОПУ по каждой оси вращения. Выходные сигналы датчиков передаются последовательным кодом в лабораторный блок управления, где они преобразуются в параллельный код.

Процессор управления антенной периодически читает из блока управления коды положения и скорости антенны, сравнивает их с расчетным целеуказанием, генерирует коды управления и записывает их в блок.

Там они преобразуются в аналоговое широтно-импульсно модулированное напряжение управления, которое подается на двигатели ОПУ.

Интерфейс управления антенной, приемник и пользовательский интерфейс управления системой размещены на компьютерах подключённых к локальной сети.

Приёмник:

Приемник – это одна плата расширения на шине PCI, которая обеспечивает все функции обработки сигнала от демодуляции до ввода в память ПК. Шина используется как для управления приемником, так и для ввода данных. Антенная система Станции управляется от ПК через плату.

Рис. 3 Корпус компьютера с установренной в нём платой приёмника (слева) и плата приёмника (справа).

Все остальные электронные устройства управления антенной (вторичные источники питания, преобразователи, усилители мощности) размещаются в блоке управления, который размещён в 19-дюймовом корпусе высотой 6U. В этом же блоке размещается разветвитель сигнала. Блок управления размещен в серверной стойке.

Рис. 4 Общий вид серверной стойки с управляющими компьютерами и блоком управлений антенной.

Рис. 5 Блок управления антенной.

Блок связан с:

  • — ПК: плоским кабелем 2 м (PCI-интерфейс);
  • — ОПУ: кабелем управления, кабелем питания и ВЧ кабелем, длина каждого из которых составляет 50 м;
  • — приемником: ВЧ кабелями длиной 5 м.

Рис. 6 Подключение блока управления антенной.

Система управления может работать в двух режимах: программного сопровождения и автосопровождения. Основным является режим автосопровождения, т.е.

автоматической коррекции целеуказания по уровню принимаемого сигнала.

Поиск максимального уровня сигнала выполняется методом step-tracking: путем последовательного отклонения всей антенны от расчетного положения в различных направлениях дискретными шагами.

В антенной системе нет собственного измерителя уровня сигнала – информацию об уровне она получает от приемника станции (любого по выбору) через ПО управления станцией.

Аппаратная часть приемника представляет собой одну плату расширения ПК.

Она объединяет в себе преобразователь частоты с управляемым гетеродином, демодулятор, декодер, преобразователь цифрового сигнала в данные байтового формата, интерфейс ввода данных в память ПК.

Под управлением программы, исполняемой на ПК, в плате приемника выполняется надлежащее выравнивание потока (кадровая синхронизация). Та же программа записывает данные из памяти ПК в файл на диске.

Плата устанавливается на шине PCI. По этой шине выполняется и управление платой, и ввод данных в память ПК. Цифровые сигналы данных и тактовой частоты выводятся также на разъем, расположенный на задней панели платы, главным образом для контрольных и отладочных функций.

Из программы управления устанавливаются следующие параметры приемника: тип модуляции, несущая частота, тактовая частота, усиление, параметры декодирования и укладки данных.

Доступны для чтения программой управления следующие параметры состояния приемника: признак захвата сигнала, измеренные частоты сигнала (несущая и тактовая), уровень автоматической регулировки усиления, уровни сигнала до и после согласованной фильтрации.

Кроме того, доступны мгновенные выборки квадратурных составляющих сигнала на выходе фазового детектора. Это позволяет выполнять спектральный анализ сигнала, получать гистограмму распределения фазы и амплитуды сигнала, определять отношение сигнал/шум.

 

Программное обеспечение:

Программное обеспечение Станции состоит из пакетов UniScan Control Package и ScanReceiver. 

UniScan Control Package обеспечивает все функции, необходимые при ее оперативном использовании. 

ScanReceiver – приложение предназначенное для управления Cтанцией, контроля функционирования станции и оперативного приема данных.

Основные функции приложения:

  • — проверка функционирования аппаратной части станции;
  • — расчет расписания сеансов прохождения спутников через зону видимости станции;
  • — автоматическая активизация станции в соответствии с расписанием;
  • — расчет траекторий спутников и управление антенной системой для сопровождения;
  • — автоматическая коррекция сопровождения по уровню входного сигнала;
  • — форматирование демодулированного информационного потока и запись его на жесткий диск;
  • — непрерывная индикация текущего состояния комплекса и информационного потока (время, объем записанных данных, объем свободного дискового пространства, состояние тактовой и кадровой синхронизации, текущее положение антенны, ошибки сопровождения).

Функции оперативного приема полностью автоматизированы, задачи оператора сводятся к планированию и общему надзору. 

Расчет траектории спутников и расписания приема предполагает формирование расписания сеансов приема (прохождения спутников через зону видимости), а также автоматический расчёт целеуказания для наведения антенны на спутник в процессе приема. Рассчитанное на заданный интервал времени расписание отображается в окне приложения, может быть исправлено путем удаления ненужных сеансов и сохранено в текстовом файле.

Рис. 7 ScanReceiver, расписание сбросов. 

Исходными данными для баллистических расчетов в программе являются орбитальные данные спутников в формате NORAD TLE, которые свободно распространяются в сети Интернет. 

Все операции по управлению станцией, кроме включения общего питания, выполняются программно (по командам оператора или автоматически):

  • — переключение режимов работы;
  • — инициализацию программируемых аппаратных модулей в конфигурации, необходимой для приема конкретного типа данных;
  • — управление движением антенны при сопровождении спутников;
  • — управление электронными компонентами станции (демодуляторами, источниками питания, интерфейсными устройствами). 

В многооконном пользовательском интерфейсе наглядно отображается текущая информация о состоянии станции. Это позволяет оператору контролировать:

  • — параметры конфигурации и текущий режим работы приемного комплекса;
  • — характеристики принимаемого цифрового потока (скорость, состояние синхронизации, количество ошибок декодирования данных, объем записанной информации);
  • — текущее положение антенны, его отклонение от целеуказания и другие параметры движения антенны.

Рис. 8 ScanReceiver, журнал сопровождения.

Рис. 9 ScanReceiver, карта положения спутника и охвата съёмки в момент сопровождения.

В процессе приема в одном из окон приложения выводятся в виде изображения данные одного из спектральных каналов, что дает визуальное представление о качестве приема. Ряд измеряемых параметров отображается в графической форме в других окнах, а также может записываться в файлы для последующего просмотра и анализа.

ScanReceiver поддерживает ввод, контроль синхронизации, необходимое декодирование и запись цифрового потока на жесткий диск. Файлы данных могут сопровождаться дополнительной информацией (имя спутника, время приема, орбитальные данные, координаты станции).

Подготовлено по материалам технического отчёта 12.1.1

Ресурсного центра космических и геоинформационных технологий

(ТО 12.1.1 Изготовление тематических продуктов по материалам съёмки MODIS)

Е.А. Паниди

Источник: http://researchpark.spbu.ru/kgt-metods-rus/1194-kgt-uniskan-rus

Геоинформационный портал ГИС-Ассоциации — В.Е. Гершензон, А.А. Кучейко Стандартизация оборудования станций приема данных ДЗЗ

3B1. Прием данных MODIS на наземную приемную станцию

В.Е. Гершензон, А.А. Кучейко(ИТЦ «СканЭкс»)

Существующие международные стандарты носят рекомендательный характер, но стремление присутствовать на международном рынке космической информации делает их де-факто законодательными нормами для гражданских и коммерческих программ ДЗЗ

Международная стандартизация параметров и систем спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) стала объективной реальностью в связи с развитием мирового рынка космической информации и появлением большого числа программ ДЗЗ в различных странах. Стандартизации подверглись частотные характеристики и структурные параметры радиолиний, что обеспечивало возможность использования одной и той же наземной станции для приема и обработки информации со спутников различных программ ДЗЗ. Несмотря на то, что существующие международные стандарты носят рекомендательный характер, стремление присутствовать на международном рынке космической информации делает их де-факто законодательными нормами для гражданских и коммерческих программ ДЗЗ.

Радиолинии передачи данных

Понятие линий передачи данных связано с коммуникационной архитектурой. Исходя из функционального предназначения космических аппаратов (КА), различают следующие типы коммуникаций в космических системах: передача команд, телеметрии и траекторные измерения (КТТИ); сбор данных (специальной информации или изображений от съемочной аппаратуры); передача данных через КА-ретрансляторы (в качестве данных могут выступать КТТИ и специальная информация съемочной аппаратуры). В зависимости от схемы распределения данных выделяют два основных типа конфигурации: от точки к точке и циркулярное оповещение (от одного всем).


Диапазоны частот для передачи данных на Землю

По мере развития радиотехники и увеличения объема передаваемой с космических аппаратов информации осваивались все более высокочастотные диапазоны электромагнитного спектра. В настоящее время для передачи информации по радиолиниям с борта КА ДЗЗ и метеосъемки используются следующие диапазоны радиочастот: ОВЧ (135 150 МГц) и УВЧ (400 470 МГц); L (1670 1990 МГц); S (2000 2300 МГц); Х (7450 8400 МГц); Ku (13,75 15,35 ГГц, используется в межспутниковой связи); Ka (25,5 27,0 ГГц). Основные диапазоны частот, применяемые в радиолиниях «Борт Земля» спутников ДЗЗ и метеосъемки, приведены в табл. 1. Стоит заметить, что некоторые государства используют частоты, отличные от указанных. Так, китайские КА ДЗЗ применяют для передачи данных КТТИ частоту 180 МГц, а для метеоданных 480 МГц.

Таблица 1. Основные диапазоны частот, применяемые в радиолиниях КА ДЗЗ и метеосъемки

Диапазон частот ОВЧ/УВЧ применялся в системах ДЗЗ в 1960-х годах, в настоящее время используется ограниченно для автоматической низкоскоростной передачи обзорных метеоизображений (формат АРТ), данных от автоматических датчиков сбора информации и сигналов бедствия, двусторонней связи с микро- и миниспутниками ДЗЗ, а также для передачи данных КТТИ в командно-измерительных комплексах некоторых стран (Россия, Китай). Радиолинии L-диапазона частот используются для передачи метеоизображений с разрешением около 1 км с полярных и геостационарных спутников NOAA, «Метеор» (Россия), FY (Китай), GOES, METEOSAT (ESA), MTSAT (Япония). Радиолинии S-диапазона широко используются с 1970-х годов для передачи команд, телеметрии, а также сбора данных ДЗЗ по среднескоростным каналам связи (1 15 Мбит/с), это, например, камера MSS спутников Landsat-4, -5 (США), камеры спутников DMC и DMSP (США). Радиолинии X-диапазона широко применяются в международной практике в качестве основных линий передачи средне- и высокоскоростных потоков данных (до 320 Мбит/с) с борта спутников практически всех основных космических систем ДЗЗ на наземные станции. Характеристики радиолиний передачи информации со спутников крупнейших программ ДЗЗ приведены в табл. 2, где РМВ реальный масштаб времени, ЗУ запоминающее устройство.

Таблица 2. Характеристики радиопередатчиков систем ДЗЗ

В системах межспутниковой ретрансляции данных используются диапазоны S (2 2,3 ГГц), Ku (13 15 ГГц) и Ka (23 28 ГГц). В связи с увеличением информативности космических датчиков дистанционного зондирования решением Международного союза электросвязи ITU полоса диапазона частот Кa (25,5 27,0 ГГц) выделена для радиолиний высокоскоростной передачи данных в направлении «Борт Земля». Впервые в практике ДЗЗ радиолинии передачи данных Ка-диапазона планируется использовать в перспективной метеорологической системе США NPOESS.


Стандарты передачи команд, телеметрии и данных

Функции проведения траекторных измерений, передачи командно-программной информации и приема телеметрии обычно возложены на национальные командно-измерительные комплексы (КИК). На борту спутников устанавливаются устройства приема команд и формирования телеметрических сигналов, соответствующие национальным стандартам и аппаратуре КИК. Большая часть современных КА ДЗЗ применяет для передачи данных КТТИ радиолинии S-диапазона. В США используется командно-телеметрическая аппаратура нескольких стандартов: агентства NASA USB (Unified S-Band) для всех гражданских спутников NASA и многих коммерческих спутников; ВВС США SGLS (Space Ground Link System) для большинства военных и военно-экспериментальных спутников Министерства обороны США; TDRS (агентства NASA) для всех гражданских спутников NASA, обслуживаемых системой межспутниковой передачи данных TDRSS; CDLS (Common Data Link System) для обеспечения разведывательных КА. Стандарты командно-телеметрической аппаратуры КА США в S-диапазоне частот приведены в табл. 3.

Таблица 3. Стандарты командно-телеметрической аппаратуры КА США в S-диапазоне частот

В 1987 г. был введен единый международный протокол передачи командной и телеметрической информации CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems). Впервые он был реализован на спутнике ERS-1 Европейского космического агентства (ESA) в 1991 г. В настоящее время практически все КА ДЗЗ оснащаются аппаратурой передачи данных по радиолиниям, удовлетворяющим протоколу CCSDS: RADARSAT-1 (Канада), RocSat-1 (Тайвань), американские Landsat-7, Terra, Aqua, MTI, EO-1, KOMPSAT-1 (Корея), ADEOS-2 (Япония), а также перспективные КА COSMO (Италия), Pleiades (Франция), TerraSAR-Х (Германия), MetOp-1 и др. Благодаря CCSDS оборудование одной станции может с минимальными модификациями принимать и обрабатывать данные от различных КА ДЗЗ. В качестве альтернативных протоколов, применяемых в некоторых национальных проектах, можно назвать TDM и SLE. Относительно новым способом является передача информации в формате IP (Internet Protocol), значительно ускоряющая обработку и представление данных. Впервые в практике ДЗЗ такой формат передачи был успешно реализован при радиообмене данными с британским миниспутником UoSat-12.


Наземные станции приема данных ДЗЗ

Развитие технологий, особенно в течение последних 10 15 лет, существенно повлияло на облик наземных приемных комплексов. На место дорогостоящих систем с капитальными конструкциями и крупногабаритными антеннами диаметром 10 15 м пришли малоразмерные недорогие комплексы с антеннами диаметром 2 3 м. Развитие рынка данных ДЗЗ и демократизация доступа к космической информации благотворно отразились на рынке приемных комплексов. В связи с увеличением числа программ дистанционного зондирования Земли вырос спрос на универсальные комплексы приема сигналов радиолиний Х-диапазона частот. Операторы существующих центров ДЗЗ модернизируют уже действующие приемные комплексы под форматы радиолиний новых спутников.

Станция «УниСкан-36» с антенной диаметром 3,6 м в Московском центре

В связи с большой практической значимостью информации MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer сканирующий спектрорадиометр среднего разрешения) спутников серии EOS создана крупнейшая международная сеть из 110 упрощенных малоразмерных комплексов Х-диапазона, которая обеспечивает сбор данных MODIS в реальном масштабе времени. Четвертая часть этих станций разработана и изготовлена в России ИТЦ «СканЭкс».

Развитие приемных комплексов в 1970 1990-х годах шло по пути универсализации крупногабаритных специализированных станций. Комплекс на базе ТНА-57 с антенной диаметром 12 м (Приозерск, Республика Казахстан) в советский период применялся для полигонных испытаний и сопровождения объектов в S-диапазоне частот. В результате модернизации, проведенной ИТЦ «СканЭкс» в 2004 г., обеспечена возможность приема данных с КА IRS-1C, -D и «Метеор-3М»-1 в Х-диапазоне частот

В некоторых странах для оперативного распространения данных космической съемки Земли используются технологии телевещания. После обработки в центрах ДЗЗ космические изображения транслируются через геостационарные спутники телевещания на сеть станций потребителей, оснащенных малогабаритными антеннами приема телевизионных программ. Такие сети созданы, например, в Европе для трансляции данных метеоспутника MSG и в Китае для распространения изображений радиометра MODIS по всей стране.

В Центре ДЗЗ Ирана, где установлена станция «УниСкан-36»

Наблюдается и другая тенденция. Операторы космических систем ДЗЗ высокого разрешения расширяют дистрибьюторские сети, предлагая клиентам вместе с контрактами на прием космической информации дорогостоящие специализированные станции с терминалами обработки, перекладывая часть стоимости разработки космического сегмента на изделия наземного комплекса. В качестве примера можно привести терминалы бывшей компании Space Imaging (США) для приема данных IKONOS-2 или терминал ELS (Easy Link to SPOT), созданный европейским аэрокосмическим концерном Astrium для приема данных SPOT-5, суммарная стоимость которого превышает 2 млн евро. В то же время благодаря гибкому подходу компаний-операторов SPOT Image, MDA (Канада), ImageSat (Израиль), Antrix существует возможность дооборудования существующих наземных комплексов Х-диапазона трактами для приема с КА SPOT-2, -4, RADARSAT-1, EROS A, IRS-1C, -1D, -P6 по разумным ценам.

Благодаря мировым процессам стандартизации, глобализации и универсализации возникла международная сеть универсальных станций приема спутниковых данных в Х-диапазоне частот, что упрощает и удешевляет доступ к космической информации для конечного пользователя, которого интересует информационный продукт, а не схема и аппаратная реализация доступа. Отрадно заметить, что в этой сети Россия занимает далеко не последнее место.

См. также:Каталог Организаций:

   — СКАНЭКС

Каталог Оборудования:

   — MTSAT-2 (спутник)***

   — GOES (метеорологический спутник)
   — Метеор-3М***
   — Landsat-7
   — Meteosat MSG-1***
   — IRS-1A, 1B (Индия)*
   — MSG-1,2 (Meteosat Second-Generation) (метеоспутник)
   — Метеор-М №1
   — IRS 1C , 1D (Индия) КА
   — RADARSAT (Канада)
   — LandsatКаталог Авторов:

   — Кучейко А.А.

   — Гершензон В.Е.Разделы, к которым прикреплен документ:

Публикации / Наши издания / Пространственные данные / журналов / № 1 (2006)

Источник: http://www.gisa.ru/28056.html

Новые виды снимков. Спутник Terra: ASTER, MODIS, MISR

3B1. Прием данных MODIS на наземную приемную станцию

О Центре

Интернет-семинары   |   Программа MultiSpec

страницу семинара

Тема 2     Особенности использования снимков ASTER, MODIS, MISR со спутника Terra

2.3.  Гиперспектральная системаMODIS: обзор областей применения

Предназначение системы MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer – сканирующий спектрорадиометр среднего разрешения) состоит в сборе данных для калиброванных глобальных интерактивных моделей Земли как единой системы.

В будущем эти модели должны прогнозировать глобальные изменения с точностью, достаточной для принятия разумных решений по защите окружающей среды [1]. Данные MODIS по всей поверхности Земли поступают со спутника Terra каждые 2 дня в 36 спектральных зонах (в диапазоне 0.

405-14.385 мкм) с разрешением 250-1000 м, что обеспечивает моделирование в глобальном и региональном масштабе. Система MODIS будет также размещена на спутнике Aqua, что удвоит количество поступающих данных.

Материалы съёмки MODIS имеют широкий спектр применения для исследования атмосферы, океана и суши.

Исследования атмосферы.Основными объектами исследования в атмосфере при помощи MODIS являются облачный покров, взвешенные частицы (аэрозоли), а также водяной пар, как важные климатообразующие факторы.

MODIS позволяет изучать многие характеристики облачного покрова: мощность и тип облачности, высоту и температуру верхней границы, размеры и состояние (вода, лёд, снег) частиц, составляющих облака. Например, контуры облачного покрова получают по материалам съёмки в зонах 1 и 2 системы (разрешение 250 м, длины волн 0.620-0.670 и 0.841-0.

876 мкм соответственно; рассчитаны на съёмку днём), а также и в других зонах (разрешение 1000 м; съёмка днём и ночью) [2]. Для оценки достоверности определения границ облаков используется многоступенчатый алгоритм.

В сложных случаях ведётся проверка по ряду дополнительных данных, таких как маска океан/суша, цифровая модель рельефа, карты ледового и снежного покрова, типов экосистем, метеорологические расчёты и др. [3].

Концентрация и оптические свойства аэрозолей изучаются по снимкам в видимой (голубой) зоне спектра, которые получены в дневное время и позволяют наблюдать районы поступления в атмосферу взвесей природного и антропогенного происхождения [2].

Наличие голубой спектральной зоны в системе MODIS впервые позволило получать параметры оптической плотности аэрозолей над поверхностью суши.

Алгоритм определения оптической плотности аэрозолей использует зоны MODIS 1-7 и 20, а также маску контуров облачного покрова; кроме того, используются результаты наблюдений параметров аэрозолей с поверхности Земли для создания динамических моделей их поведения [4].

Над поверхностью океанов возможно получение трёх параметров: соотношения между количеством мелких (< 0.5 мкм) и крупных (> 1 мкм) частиц, спектральной оптической плотности и среднего размера частиц. Производные изображения этих параметров для дальнейшего анализа создаются с разрешением 10 км [4].

Одним из объектов исследования MODIS является озоновый слой – 30-й канал (9.580-9.880 мкм) работает в зоне поглощения озона и специально предназначен для изучения суммарной толщины озонового слоя в тропосфере и стратосфере.

Для её вычисления используются как дневные, так и ночные данные съёмки.

Полученные изображения имеют разрешение 5 км и используются не только для изучения динамики озонового слоя, но и для атмосферной коррекции других производных изображений MODIS, а также для изучения струйных течений в атмосфере [5].

Водяной пар, являющийся одним из основных парниковых газов, легко обнаруживается системой MODIS, измеряющей концентрацию газа в столбе воздуха под спутником по прозрачности атмосферы в зоне поглощения водяного пара [2]. водяного пара получают по данным дневной съёмки в ближнем инфракрасном диапазоне с разрешением 1 км, а также по данным дневной и ночной съёмки в зонах теплового диапазона с разрешением 5 км. Данные таких измерений используются для изучения глобального круговорота воды, взаимодействия между аэрозолями и облаками, энергетического баланса и климата Земли [6].

Справа на рисунке показано глобальное среднемесячное распределение атмосферного водяного пара (в см), полученное по данным 31 марта 2002 г.

страницу семинара

Кроме фиксации распределения указанных компонентов в атмосфере на снимках MODIS хорошо видны некоторые опасные явления, прежде всего, тропические циклоны, пыльные бури и крупные пожары. Специально созданная Система быстрого реагирования на суше MODIS Land Rapid Response System обеспечивает глобальный бесплатный доступ к снимкам территорий, находящихся под воздействием таких явлений.

В качестве примера справа приведен снимок северо-восточного Казахстана от 8 апреля 2002 г., где красными точками показаны пожары. Снимок сделан в сухой весенний пожароопасный период.

Видны очаги возгорания в лесах по долине Иртыша и в многочисленных реликтовых степных борах Северного Казахстана – Баянаульском (1) и других, которым должен быть придан статус особо охраняемых территорий. Везде пожары приурочены к границам лесных массивов, что указывает на антропогенные причины возгорания.

В боровых ложбинах древнего стока, пересекающих Приобское плато и изобразившихся у правого края снимка, видны огромные площади, пройденные пожарами в прошлые годы (2), выделяющиеся светлыми тонами на тёмном фоне лесных массивов.

Нажав на снимок, вы сможете просмотреть увеличенное изображение, полученное по спектральным зонам с 250-метровым разрешением (объём снимка – 348 кб).

Начато использование данных MODIS с наземных станций приема в МЧС России и региональных организациях для оперативного слежения за паводками, наводнениями и пожарами и ликвидации их последствий.

В глобальном масштабе, оперативное слежение за проявлениями неблагоприятных природных процессов (лесные пожары, задымления, наводнения, извержения вулканов и пр.

) в настоящее время также базируется в значительной степени на данных MODIS.

страницу семинара

Исследования океана. Съёмка системой MODIS в тепловой инфракрасной зоне позволяет определять температуру поверхности морской воды с пространственным разрешением 1 км и температурным разрешением 0.3-0.5о [2].

Одна из областей применения таких данных – изучение морских течений.

На снимке Атлантического океана от 2 мая 2001 г. (справа) отчётливо виден Гольфстрим, температура воды которого существенно выше температуры окружающих вод океана, и вихревые структуры – ринги – возникающие на границах тёплых и холодных вод.

Цветом показана радиояркостная температура, пропорциональная суммарной тепловой радиации океана и атмосферы с содержащимся в ней водяным паром.
По данным MODIS возможно также изучение морских льдов, в том числе, их температуры, и айсбергов, в частности, наблюдение за их отколом.

Одним из основных объектов исследований океана с помощью MODIS является океанический фитопланктон, анализ распространения и динамики размещения которого необходимы для изучения биопродуктивности океана, е

ё

влияния на содержание углекислого газа в атмосфере и интенсивность парникового эффекта [2]. Фитопланктон исследуется на основе определения цвета океана, зависящего от концентрации и состояния пигмента хлорофилла в фитопланктоне. Излучение поверхности воды фиксируется с точностью до 5% датчиками, работающими в видимой и ближней инфракрасной зона спектра. Когда останавливается фотосинтез, хлорофилл начинает излучать накопленную солнечную энергию в красной зоне спектра, флюоресцирует, и тем сильнее, чем хуже состояние фитопланктона. Интенсивность флюоресценции регистрируется системой. Таким образом, по снимкам можно судить о «здоровье» водорослей – их развитии или гибели.

На рисунке справа показан фрагмент карты флюоресценции фитопланктона (в Вт/ кв.м • стерадиан • мкм) для северной части Индийского океана.

Описания производных изображений для изучения атмосферы и океана, изготавливаемых для потребителей, приведены в [7].

страницу семинара

Исследования суши.MODIS позволяет исследоватьширокий спектр явлений на поверхности Земли.

Измерения в видимом диапазоне имеют большое значение для многих объектов суши, в частности, гляциологических в целях фиксации границ покровных и горных ледников, распространения и сезонной динамики снежного покрова, оценки количества снега и льда.

Мониторинг динамики ледников – сокращения или увеличения площади оледенения – и морских льдов важен для изучения последствий глобального изменения климата. Данные о таянии снега и льда нужны для прогнозов паводковых явлений.

Кроме того, площади, занятые снегом и льдом, определяют глобальное альбедо Земли – необходимый компонент при расчётах радиационного баланса. Сводка данных о готовых производных изображениях снежного покрова суши, а также морских льдов, приведена в [8].

Система MODIS во многом ориентирована также на исследование растительности. Съёмка районов сведения лесов позволяет определять темпы обезлесения.

Состояние растительности, её реакция на внешнее воздействие изучаются с использованием вегетационных индексов.

Изготовление по данным MODIS производных изображений путём обработки по специальным алгоритмам информации в избранных зонах позволяет изучать первичную продуктивность, биомассу суши и интенсивность фотосинтеза.

Исследования растительности при помощи так называемых карт вегетационного индекса NDVI (Normalised Difference Vegetation Index – нормализованная разность яркостей в красной и ближней инфракрасной зонах) стали традиционными. Прежде NDVI рассчитывался обычно по данным радиометра AVHRR спутников NOAA.

Однако эти спутники завершают работу, и на последующие годы MODIS как бы принимает на себя получение данных для расчета NDVI [2]. Расчёт индекса проводится по спектральным зонам, прошедшим атмосферную коррекцию (алгоритм её расчёта использует различные каналы и производные изображения MODIS).

Специально для MODIS на основе NDVI разработан индекс нового поколения EVI (Enhanced Vegetation Index – улучшенный вегетационный индекс):

EVI = (r*nir — r*red) x (1+L) / (r*nir + C1 x r* red — C2 x r*blue + L),

где r*nir, r*red, r*blue – скорректированные за атмосферу (по данным съёмки MODIS) значения отражательной способности в ближней инфракрасной, красной и голубой зоне (0.841-0.876, 0.620- 0.670 0.459 — 0.

479 мкм); L – поправочный коэффициент, учитывающий влияние почвы; С1, С2 – коэффициенты, контролирующие вклад голубой зоны в коррекцию красной за рассеяние атмосферными аэрозолями.

Новый индекс позволяет выделить больше градаций в районах с высокой зелёной биомассой и имеет преимущества для мониторинга растительности, поскольку влияние почвы и атмосферы в значениях EVI минимизировано [9].

На рисунке справа приведены изображения EVI для территории США в марте-апреле и мае-июне 2001 г. Хорошо видно сезонное развитие растительности.

страницу семинара

Для изучения растительного покрова поверхности Земли по данным дистанционного зондирования были разработаны новые алгоритмы автоматизированного расч

ё

та показателей глобального листового индекса (LAI

Leaf Area Index) и поглощ

ё

нной растительностью при фотосинтезе радиации (FPAR

Fraction of Photosynthetically Active Radiation) [2]. LAI

площадь листовой поверхности (с одной стороны листа) на единицу площади

характеризует структуру растительного покрова. FPAR указывает на долю радиации в «фотосинтетически активном» диапазоне волн (0.400 — 0.700 мкм), поглощаемую растительным покровом. LAI и FPAR

это биофизические параметры, описыващие структуру растительного покрова и скорость проходящего в н

ё

м энергомассобмена. Их используют для расч

ё

та величины фотосинтеза, эвапотранспирации, и первичной продуктивности экосистем. Эти параметры также необходимы для исследования круговорота энергии, углерода, воды, и изучения биогеохимических характеристик растительности [10].
В отличие от традиционно применяемого вегетационного индекса NDVI, для расч

ё

та LAI/FPAR используется большее количество спектральных зон съ

ё

мки (прошедших атмосферную коррекцию), учитывается карта типов покрова поверхности Земли и дополнительная наземная информация.

На рисунке справа показаны карты LAI и FPAR для Африки, осреднённые за декабрь 2000 г. зимний (сухой) период для части Африки в северном полушарии, и летний для части в южном полушарии.

Другие производные изображения, отображающие параметры фотосинтеза, а также двунаправленного отражения и альбедо описаны в [11]. Здесь же характеризуются изображения, используемые для выявления температурных аномалий и пожаров.

Обработкой данных MODIS и созданием специализированных производных геоизображений занимаются четыре тематических группы (нажимая на ссылки, вы попадете на их англоязычные сайты): по калибровке данных и по использованию данных для исследования атмосферы, океана, и суши.

Составители: В.И. Кравцова, О.В. Тутубалина, Е.А. Балдина.

Источники:
1. About MODIS. http://modis.gsfc.nasa.gov/about/index.html
2. В.И. Кравцова, И.А. Уваров. Гиперспектральная система MODIS для глобального мониторинга Земли // Информационный бюллетень ГИСС. 39-41.-Ассоциации. — 2001. — № 2(29)-3(30). — С. 39-41.
3.

MODIS Atmosphere: MOD35_L2 (Cloud Mask Product). http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/MOD35_L2/index.html
4. MODIS Atmosphere: MOD04_L2 (Aerosol Product). http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/MOD04_L2/index.html
5. MODIS Atmosphere: MOD07_L2 (Atmosphere Profile Product). http://modis-atmos.gsfc.nasa.

gov/MOD07_L2/index.html
6. MODIS Atmosphere: MOD05_L2 (Water Vapor Product). http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/MOD05_L2/index.html
7. MODIS Product Descriptions. http://daac.gsfc.nasa.gov/MODIS/product_descriptions_modis.shtml
8. MODIS Data at NSIDC. http://nsidc.org/data/modis/data.html
9. A.Huete, C.

Justice, and W. van Leeuwen. MODIS VEGETATION INDEX (MOD 13).ALGORITHM THEORETICAL BASIS DOCUMENT. Version 3, April 30, 1999. http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod13.pdf
10. MODIS/Terra Leaf Area Index/FPAR 8-day L4 Global 1km ISIN Grid. http://edcdaac.usgs.gov/modis/mod15a2.html
11.

MODIS Data Products. http://edcdaac.usgs.gov/modis/dataprod.html

страницу семинара     |     Интернет-семинары

Источник: http://www.geogr.msu.ru/science/aero/acenter/int_sem4/modis_appl.htm

Scicenter1
Добавить комментарий