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

На главную страницу семинара

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

2.3.  Гиперспектральная система MODIS: 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 съемки 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, лед, снег) частиц, составляющих облака. Например, контуры облачного покрова получают по материалам съемки в зонах 1 и 2 системы (разрешение 250 м, длины волн 0.620-0.670 и 0.841-0.876 мкм соответственно; рассчитаны на съемку днем), а также и в других зонах (разрешение 1000 м; съемка днем и ночью) [2]. Для оценки достоверности определения границ облаков используется многоступенчатый алгоритм. В сложных случаях ведется проверка по ряду дополнительных данных, таких как маска океан/суша, цифровая модель рельефа, карты ледового и снежного покрова, типов экосистем, метеорологические расчеты 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 трех 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 ее вычисления используются как дневные, так и ночные данные съемки. 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]. Содержание водяного пара получают по данным дневной съемки в ближнем инфракрасном диапазоне с разрешением 1 км, а также по данным дневной и ночной съемки 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. На главную 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 темном фоне лесных массивов. Нажав на снимок, вы сможете просмотреть увеличенное изображение, полученное по спектральным зонам с 250-метровым разрешением (объем 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.

Наверх

На главную страницу семинара

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

Одна из областей применения таких данных - изучение морских течений. На снимке Атлантического океана от 2 мая 2001 г. (справа) отчетливо виден Гольфстрим, температура воды которого существенно выше температуры окружающих вод океана, и вихревые структуры - ринги - возникающие на границах теплых 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, ее 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].

Наверх

На главную страницу семинара

Исследования суши. MODIS позволяет исследовать широкий 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 расчетах 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. Съемка районов сведения лесов позволяет определять темпы обезлесения. Состояние растительности, ее реакция на внешнее воздействие изучаются с использованием вегетационных индексов. Изготовление по данным MODIS производных изображений путем 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]. Расчет индекса проводится по спектральным зонам, прошедшим атмосферную коррекцию (алгоритм ее расчета 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 съемки 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 зеленой 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.
Наверх На главную страницу семинара
Для изучения растительного покрова поверхности Земли по данным дистанционного зондирования были разработаны новые алгоритмы автоматизированного расчета показателей глобального листового индекса (LAI - Leaf Area Index) и поглощенной 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 нем энергомассобмена. Их используют для расчета 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 расчета LAI/FPAR используется большее количество спектральных зон съемки (прошедших атмосферную коррекцию), учитывается карта типов покрова поверхности Земли и дополнительная наземная информация. На рисунке справа показаны карты LAI и FPAR для Африки, осредненные 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

Наверх

На главную страницу семинара     |     Интернет-семинары